Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
w Warszawie

Wydział Nauk Ekonomicznych

Gospodarka elektroniczna –

Systemy łączności bezprzewodowej

Autorzy:

Osiński Damian, 18

Sieczkowski Michał, 183200

Przedmiot: Gospodarka elektroniczna

Prowadzący: Dr Marcin Wysokiński

Warszawa, 2015

Sieci bezprzewodowe (ang. wireless networks) są alternatywą dla klasycznych sieci przewodowych. Wszędzie tam, gdzie te drugie są mało ekonomicznym rozwiązaniem stosuje się sieci WLAN. Sieci bezprzewodowe jako medium transmisyjne wykorzystują fale radiowe (elektromagnetyczne) albo fale podczerwone.

Łącza przewodowe posiadają wiele zalet takich jak: bardzo duża odporność na zakłócenia, mała energochłonność transmisji, możliwość jednoczesnego zasilania urządzeń, duże bezpieczeństwo transmisji, wysoka przepustowość.

Mimo to łącza bezprzewodowe są coraz częściej stosowane. Powody stosowania sieci bezprzewodowych:

ˆ

• brak możliwości poprowadzenia przewodów (muzea, budynki zabytkowe)ˆ

• wygoda użytkowania (laptopy, myszki)ˆ

• budowa sieci mobilnej (komórki, służby ratunkowe, taksówki)ˆ

• budowa sieci na dużym obszarze przy braku infrastrukturyˆ

• szybkie zestawienie i rozłączenie sieci (konferencja)ˆ

• w terenach zagrożonych sejsmicznie jako systemy rezerwowe

Sieci bezprzewodowe WLAN IEEE 802.11

Sieci bezprzewodowe WLAN (ang. Wireless Local Area Network) są bardzo atrakcyjną alternatywą dla klasycznych przewodowych sieci LAN (ang. Local Area Network). Umożliwiają one bowiem za pomocą fal radiowych wysyłkę oraz odbiór danych bez konieczności fizycznego połączenia urządzeń nadających oraz odbierających informacje. WLAN jest systemem pozwalającym nie tylko na wymianę danych pomiędzy komputerami, ale także do uzupełniania i łączenia tradycyjnych sieci kablowych. Dane w sieciach WLAN przesyłane są drogą radiową wykorzystując do tego tryby peer-to-peer (np. połączenie komputer – komputer, komputer – drukarka) oraz point-to-point (np. LAN-LAN). Podstawowymi elementami niezbędnymi do prawidłowego funkcjonowania sieci WLAN są karty sieciowe i punkty dostępu, tzw. mosty. Zadaniem karty sieciowej jest zapewnienie interfejsu pomiędzy urządzeniem użytkownika i anteną, odpowiedzialną za wysyłanie oraz odbieranie danych z, bądź do punktu dostępu. Te natomiast pełnią rolę nadajników/odbiorników występujących pomiędzy siecią bezprzewodową, a źródłem sygnału internetowego.

Przesyłanie danych za pomocą fal radiowych polega na zmianie (modulacji) sygnału prądu przemiennego, czyli tzw. nośnej sygnału. Wyróżniamy trzy rodzaje modulacji:

1. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – modulacja rozproszonego widma z bezpośrednim szeregowaniem bitów,

2. FHSS – (requency Hopping Spread Spectrum) – modulacja w widmie rozproszonym ze skokową zmianą używanego kanału,

3. OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing – modulacja pozwalająca na transmitowanie danych w środowiskach pełnych zakłóceń.

Wszystkie trzy metody modulacyjne zaprojektowane zostały na potrzeby wojska, by zapewnić integralność, niezawodność oraz bezpieczeństwo transmisji danych. Obecnie większość sieci WLAN opartych korzysta z techniki FHSS, która cechuje się niskim poborem energii oraz stosunkowo niską ceną. Niestety posiada ona również także wady, do których zaliczyć można skomplikowany mechanizm zarządzania skokami częstotliwości, który obniża szybkość transmisji danych.

Sieci bezprzewodowe WLAN mogą funkcjonować według różnych standardów. Standardy te definiują sposoby transmisji danych za pomocą fal radiowych. Rodzaje standardów 802.11 ukazane zostały w poniższej tabeli:

Tabela 1.

Rodzaje standardów 802.11

Nazwa standardu	Częstotliwość radiowa	Zasięg sygnału	Maksymalna szybkość transmisji
802.11	podczerwień/2.4 GHz	Brak danych	2 Mb/s
802.11b	2.4 GHz	30 metrów	11 Mb/s
802.11a	5 GHz	30 metrów	54 Mb/s
802.11g	2.4 GHz	30 metrów	54 Mb/s
802.11n	2.4 GHz	50 metrów	540 Mb/s
802.11ac	5 GHz	Brak danych	1Gbit/s

Żródło: Opracowanie własne na podstawie M. M. Sysło, „Podstawy działania sieci bezprzewodowych”, Warszawska Wyższa Szkoła Infornatyki, Warszawa 2009.

Pierwszym standardem sieci bezprzewodowej WLAN był zaprezentowany w 1997 roku standard 802.11. Umożliwiał on przesyłanie danych z prędkością do 2Mb/s używając do tego podczerwieni bądź pasma radiowego 2.4 GHz.

Następcą standardu 802.11 jest standard 802.11b. Został on zatwierdzony w 1999 roku. Również pracował on przy częstotliwości 2.4 GHz, cechował się natomiast znacznie większym zasięgiem oraz szybkością transmisji danych.

W tym samym roku oficjalnie zatwierdzony został także standard 802.11a. W porównaniu do swojego poprzednika pracuje w paśmie częstotliwości 5 GHz, a jego maksymalna szybkość transmisji danych wzrosła do 54 Mb/s.

Standard 802.11g ujrzał światło dzienne w 2003 roku. Pracuje on w paśmie częstotliwości 2.4GHz i tak samo jak standard 802.11a osiąga zasięg 30 metrów oraz maksymalną szybkość transmisji na poziomie 54 Mb/s.

W 2009 roku zatwierdzony został standard 802.11n. Był on swego rodzaju rewolucją, ponieważ pozwalał na transmisję danych z prędkością dziesięciokrotnie wyższą niż jego poprzednik.

Najnowszym standardem na rynku jest standard 802.11ac, który zatwierdzony został w styczniu 2014 roku.

Bezprzewodowe sieci WLAN posiadają bardzo wiele zalet. Do najważniejszych z nich należą:

- przenośność,

- szybkość i prostota informacji,

- redukcja kosztów eksploatacji,

- łatwe dopasowanie do różnych systemów informatycznych.

Dzięki sieciom bezprzewodowym użytkownik otrzymuje dostęp do informacji bez poszukiwania miejsca z dostępem do sieci, natomiast administratorzy sieci są w stanie konfigurować sieć bez instalowania czy przenoszenia struktury kablowej.

Sieci bezprzewodowe uzyskały dużą popularność, zarówno w przedsiębiorstwach, jak i w gospodarstwach domowych.

Bluetooth

Technologia Bluetooth została opracowana przez firmę Ericsson Mobile Communication AB. Polega ona na wykorzystaniu fal radiowych do bezprzewodowej komunikacji pomiędzy urządzeniami takimi jak np. laptopy, telefony komórkowe itp. Prace nad Bluetooth rozpoczęły się w 1994 roku. W 1997 roku koncerny taki jak: Nokia, IBM, Toshiba oraz Intel w pełni poparły działania Ericsoona powołując wspólnie grupę nazwaną Bluetooth Special Interest Group. Zdefiniowali oni swoją nową technologię jako m.in:

- zdolną do przenoszenia informacji głosowej i danych cyfrowych,

- zdolną do pracy globalnej,

- zajmującą po zainstalowaniu w urządzeniu bardzo mało miejsca,

- zużywającą bardzo małe ilości energii.

Zastosowania Bluetooth mogą być bardzo szerokie. Obecnie Bluetooth wykorzystywany jest najczęściej do działania takich urządzeń jak bezprzewodowe słuchawki do telefonów komórkowych, oraz zestawy głośnomówiące wbudowane w radioodtwarzacze samochodowe uaktywniające się automatycznie po wejściu kierowcy do auta.

Bluetooth do transmisji sygnału wykorzystuje pasmo radiowe o częstotliwości 2.45GHz. Sygnał przenoszony jest na zmieniających się skokowo częstotliwościach (1600 zmian częstotliwości na sekundę). W celu minimalizacji zakłóceń oraz zanikania sygnału każdy pakiet danych przenoszony jest na innej częstotliwości.

Zasięg Bluetooth jest niewielki i wynosi ok. 10 metrów. Maksymalna szybkość przesyłu danych ograniczona jest do 1Mb/s.

Nazwa Bluetooth pochodzi od przydomka duńskiego króla Haralda Sinozębego (org. Blåtand), który w roku 970 włączył pod swoje panowanie Norwegię, przyczyniając się tym do zjednoczenia rywalizujących ze sobą plemion z Danii i Norwegii. Bluetooth natomiast został stworzony by „zjednoczyć” różne urządzenia takie jak np. komputery, telefony komórkowe itp.

Logo Bluetooth natomiast składa się z połączenia znaków alfabetu runicznego (Haglaz) i (Berknan), będące odpowiednikami liter alfabetu łacińskiego „H” i „B”.

Oficjalne logo Bluetooth

Infrared Data Association – IrDa

IrDa jest protokołem transmisji wykorzystującym do przesyłania danych fale podczerwone. IrDa umożliwia transmisję typu „punkt – punkt” w odległości do 1 metra w zakresie fal 850-900 nm. Maksymalna przepustowość wynosi 16 Mb/s, a kąt transmisji nie przekracza 30 stopni. Największą zaletą tej metody przesyłu danych jest niski pobór energii. Wadą natomiast jest mały zasięg oraz konieczność „widzenia się” przez współpracujące urządzenia. IrDa stosowana jest wobec tego zazwyczaj w urządzeniach pracujących w jednym, niewielkim pomieszczeniu, gdzie odległość pomiędzy sprzętami nie przekracza kilku metrów, a bezpośrednia „widoczność urządzeń” jest łatwa do osiągnięcia. Przykładem urządzeń pracujących pod kontrolą IrDy są np. piloty do wszelkiego rodzaju sprzętów elektronicznych. Odbiorniki fal podczerwonych są dość mocno podatne na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Przykładem takich zakłóceń może być np. białe światło widzialne, które zawiera szerokie spektrum fal różnej długości, bądź po prostu duża liczba urządzeń reagujących na podczerwień znajdujących się w pobliżu. W celu wyeliminowania problemu związanego z białym światłem producenci podzespołów decydują się na taki dobór składu chemicznego stosowanych półprzewodników, by reagowały one w największym stopniu na podczerwień, a nie na inne fale. Inną metodą jest stosowanie tzw. filtrów zaporowych dla światła widzialnego. Występują one pod postacią barwionych soczewek umieszczanych pod odbiornikiem. W celu zapobiegania natomiast wzajemnemu zakłócaniu się urządzeń wykorzystujących fale podczerwone stosuje się w nich zróżnicowane sposoby kodowania informacji.

Standard IrDa składa się z kilku protokołów korzystających wzajemnie ze swoich usług. Jednym z nich jest IrCOMM, odpowiedzialny za emulację portu szeregowego bądź równoległego. Protokół IrLAN pozwala m.in. na dołączenie komputera do sieci LAN. Pozostałe protokoły to IrOBEX – służący do wymiany plików oraz TinyTP – zapewniający niezawodność transmisji.

RFID – Radio – Frequency Identification

RFID jest to ogólny zwrot używany do opisania technologii umożliwiającej automatyczną identyfikację, czyli mówiąc inaczej rozpoznanie obiektu przy użyciu fal radiowych. W skład systemu wchodzi Tag RFID oraz czytnik RFID z anteną.

Działanie RFID polega na wyłapywaniu przez czytnik fal radiowych, a następnie interpretowaniu ich poprzez odczyt określonych danych. Czytniki zazwyczaj są w stanie odczytać nawet ponad tysiąc tagów w ciągu pojedynczych sekund. Następnie czytnik może przesłać uzyskane dane do komputera, gdzie zostaną one następnie wykorzystane stosownie do potrzeb użytkownika.

Tagi RFID możemy podzielić na trzy grupy:

- aktywne,

- semipasywne,

- pasywne.

Tagi aktywne oraz semipasywne do zasilania układu scalonego wymagają zewnętrznego źródła zasilania (np. baterii). Tagi aktywne wykorzystują także baterie do wysyłania fal radiowych do czytnika. Tagi semipasywne natomiast do wysyłania sygnału używa mocy dostarczonej z czytnika. Energię z baterii wykorzystuje natomiast do innych funkcji np. do mierzenia temperatury, bądź rejestrowania danych. Całkowitym źródłem energii dla tagów pasywnych jest czytnik.

Tagi aktywne oraz semipasywne są kilkanaście razy droższe od tagów pasywnych. Aktywnych znaczników używa się zazwyczaj do znakowania przedmiotów, które muszą być czytane na dłuższych dystansach.

Innym kryterium podziału tagów RFID jest częstotliwość w jakiej działają. Występują bowiem systemy pracujące w wysokiej, jak i niskiej częstotliwości.

Tabela 2.

Porównane zasięgu działania i cen tagów działających w różnych częstotliwościach

	LF	HF	UHF
Częstotliwość	124 kHz, 125 kHz, 135 kHz	13,56 Mhz	865 – 868 Mhz
Zasięg odczytu	Kilka centymetrów	Do 1 metra	8-10 metrów
Cena	Około 1$	Około 1$	Około 0,15$

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: http://www.rfidsolutions.pl/rfid/

W ostatnich latach nastąpił znaczny rozwój technologii RFID, została ona bowiem znacznie udoskonalona. Zwiększyła się szybkość odczytu, możliwe jest czytanie wielu tagów jednocześnie, zwiększył się także zasięg odczytu.

Technologię RFID możemy spotkać np. w płatniczych kartach zbliżeniowych, biletach komunikacji miejskiej, kartach dostępu do różnego rodzaju stref chronionych, systemach opłat drogowych viaToll, ski-passach, chipach dla zwierząt itp.

Generacje telefonii komórkowych

Pierwsza generacja telefonii komórkowej powstała na początku lat 80. Pierwszą komercyjną sieć 1G uruchomiono w 1979 roku w japońskim Tokio, gdzie 23 stacje bazowe pokryły zasięgiem 20 milionową populację. W ciągu pięciu lat sieć operatora NTT pokryła niemal całą ludność kraju..

W Europie pierwszą komercyjnie wykorzystywaną siecią 1g (2gą na świecie) była Nordycka Telefonia Moblina- NMT (ang. Nordic Mobile Telephone) uruchomiona w 1981 roku. Była także pierwszą siecią oferującą międzynarodowy roaming.

Technologia NMT wraz z amerykańską AMPS, w Europie zaadaptowaną jako TACS , była systemem transmisji analogowej, co pociągało za sobą wszystkie wady takiego rozwiązania, takie jak:

• niski poziom bezpieczeństwa (łatwość podsłuchu rozmowy)

• mała pojemność sieci

• wysoki koszt połączeń

• nieporęczność (popularny aparat Motorola DynaTAC ważył ok. 2 kg)

• obawy, co do wpływu na zdrowie

• wynikające z powyższych małe upowszechnienie.

Na świecie z systemów 1G korzystało zwykle do 2% populacji ( w krajach skandynawskich do 5%), w Polsce uruchomiony 18 czerwca 1992 roku przez PTK Centertel system NMT 450i mimo pokrycia w krótkim czasie ok. 65% powierzchni kraju miał w maju 1995 roku ok. 50 tys. abonentów.

Druga generacja telefonii komórkowej powstała na początku lat 90. W 1991 pierwszą na świecie komercyjną sieć 2G uruchomiono w Finlandii, a w Polsce miało to miejsce jesienią 1996 r.

Podstawową różnicą w stosunku do sieci poprzedniej generacji było przejście na system transmisji cyfrowej, co pozwoliło znacznie zwiększyć pojemność sieci, podnieść bezpieczeństwo transmisji, poprawić jakość rozmów, przeprowadzić miniaturyzację aparatów, znacznie ograniczyć obawy zdrowotne oraz wprowadzić nowe usługi takie jak powszechne dzisiaj SMSy, czy w dalszych etapach rozwoju sieci, usługi transmisji danych i dostępu do Internetu.

Spośród wielu badanych i funkcjonujących na początku lat 90. standardów największy sukces odniosła technologia GSM.

GSM (ang. Global System for Mobile Communications - ogólnoświatowy system łączności bezprzewodowej) to najpowszechniej wykorzystywany standard telekomunikacyjny na świecie. Początkowo projektowany jako standard dla 12stu krajów EWG, z czasem rozpowszechnił się przejmując ponad 80% globalnego rynku telefonii mobilnej, będąc obecny w ponad 200 krajach świata.

Generacje pośrednie - GPRS, czyli General Packet Radio Service jest to bezprzewodowa technologia pakietowej transmisji danych w ramach sieci GSM, zwana też technologią 2.5G. Przełom w stosunku do technologi 2 g stanowi fakt, że nie wykorzystuje się transmisji ciągłej, lecz dane dzieli na pakiety. Pozwala to na szybszy transfer (do około 80 kbit/s.) oraz odpłatność jedynie za przesłane kilobajty, a nie za czas połączenia. Dzięki niej możliwe stało się wprowadzenie usługi wiadomości MMS.

 Bezpośrednim następcą GPRS zostało EDGE (ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution) zwane także EGPRS - Enhanced GPRS, w którym poprzez modyfikację interfejsu radiowego osiągnięto trzykrotnie lepszy transfer (do 236kb/s.)

Technologia EDGE jest często zaliczana do sieci 2.5G (GPRS/EDGE), bądź 2.75G jeśli standard GPRS jest oznaczony 2.5G.

Usługi dostępne dzięki technologii 2.5G/2.75G:

• usługi synchronizacyjne, dzięki którym telefon może automatycznie sprawdzać pocztę elektroniczną lub aktualizować kalendarz służbowy

• korzystanie z zasobów sieci Internet przez przeglądarkę

• połączenia z firmowymi sieciami Intranetowymi

• dostęp do dedykowanych serwisów multimedialnych

• dostęp do faksu lub poczty elektronicznej,

• możliwość obsługi prostych gier sieciowych

• obsługa wiadomości MMS

• możliwość stosowania telefonu jako modemu w celu podłączenia laptopa do Internetu

• obsługa aplikacji Java, które wymagają połączenia z Internetem

• obsługa komunikatorów internetowych czy dostęp do chatu

• możliwość korzystania z Facebooka

usługi strumieniowej transmisji video - realizację płatności elektronicznych

 usługi lokalizacyjne

Technologie 3G

Technologie 3ciej generacji to głównie standardy UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System, pol. Uniwersalny System Telekomunikacji Ruchomej) i HSPA, które stanową trzon funkcjonujących dziś sieci trzeciej generacji. Były one projektowane by połączyć dotychczasowe systemy telekomunikacyjne i by zwiększyć szybkość przesyłu danych oraz zapewnić równorzędność różnych usług t.j. transmisja dźwięku, wideo i danych. (w sieciach GSM równoczesny przesył danych i rozmowa nie były możliwe) . Główne zalety sieci 3G:

• podwyższenie prędkości transmisji danych (odbiór teoretyczny do 21,6 Mbit/s, wysył 5,76 Mbit/s, najpowszechniej jednak do 7 mbit/s)

• poprawę pojemności sieci, czyli zachowanie większej prędkości połączenia przy dużej liczbie użytkowników korzystających jednocześnie z usługi dostępu do internetu.

• dalszą poprawę bezpieczeństwa

• pełna współpraca z sieciami GSM

• zaawansowane systemy nawigacyjne i lokalizacyjne

• rozbudowane usługi multimedialne (wideorozmowy, wideokonferencje, telewizja mobilna i na żądanie)

Technologię HSPA w standardzie HSPA+ określa się czasem jako 3.75G ze względu na osiąganą prędkość transferu do 21 Mbps, która odbiega od możliwość UMTS (do 2 mbit/s)

Wyjątkowo obiecującą technologią, która jest dostępna w kilku krajach świata, w tym w Polsce, jest LTE (Long Term Evolution) określana także jako 3.9G. Pozwala ona na znaczące zwiększenie pojemności sieci i prędkości transferu (nawet 100 Mb/s przy pobieraniu danych oraz 50 Mb/s przy wysyłaniu, choć w praktyce wartości są znacznie niższe).

Sieć 4G – technologia oparta na sieci radiowej o szybkim przesyle i wielofunkcyjnych punktach nadawczo-odbiorczych, funkcjonująca w paśmie 1800 MHz. Główną cechą odróżniającą 4G od swojej poprzedniczki (3G) jest szybkość transferu pomiędzy urządzeniami. Sieć czwartej generacji oferuje prędkość mobilnego Internetu na poziomie 100 Mb/s, a wysyłanie pakietów odbywa się z prędkością powyżej 25 Mb/s. Technologia umożliwia użytkownikom m.in.: niezwykle szybki, jak na sieci radiowe, dostęp do Internetu, zindywidualizowaną telefonię, dostęp do nowoczesnych serwisów z multimediami oraz grami.

Początki prac nad rozwojem sieci 4G sięgają 2000 roku, kiedy to okazało się, że ruch sieciowy na obszarze nadawca-odbiorca jest zbyt duży. Właściwe działanie systemu czwartej generacji rozpoczęło się w 2008 roku. Wówczas Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU-R) ustalił standardy, po spełnieniu których technologia może otrzymać certyfikat 4G. Opublikowane wymogi noszą nazwę IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced).

• istotne przyspieszenie możliwości transferowych,

• rzadkie występowanie przestojów i błędów transferu,

• nawet 10-krotnie szybszy czas reakcji w porównaniu do 3G,

• przebudowa systemu z trzeciej generacji na czwartą nie wymaga całkowitej modernizacji połączeń (jak w przypadku ewolucji z 2G do 3G),

• komutacja pakietów na protokole IP,

• uproszczona struktura sieci szkieletowe.

5G to standard sieci komórkowej nowej generacji. Nie oznacza on, przynajmniej na razie, konkretnych rozwiązań - sugeruje tak naprawdę nadchodzące zmiany i postęp technologiczny, który przeniesie standardy telekomunikacyjne na nowy, ''piąty'' poziom.

najważneijsze informacje związane z siecią 5G:

• Szybkość - sieć 5G ma umożliwić dostęp do mobilnego internetu, który nie tylko przekroczy barierę 1 Gbps, ale osiągać może prędkość do nawet 100 Gbps

• Niezawodność - łączność nowej generacji ma być odporna na zakłócenia i dużą ilość jednoczesnych połączeń

• Brak opóźnień - internet mobilny z opóźnieniami rzędu kilku milisekund

• Internet of Things - sieć 5G umożliwi dalszy rozwój tzw. internetu rzeczy - lodówki, czy pralki podłączone do sieci staną się codziennością

• 2020 r. - wtedy możemy spodziewać się zakończenia prac nad standardem sieci komórkowej piątej generacji

• Setki miliardów dolarów - koszt badań a następnie budowy stosownej infrastruktury będzie ogromny