Современные технологии беспроводной связи как средство формирования единого информационно-образовательного пространства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004.7

М. О. Куликов Астраханский государственный технический университет

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА

Обучение по дистанционной технологии требует совершенно иного, в отличие от традиционных форм очного и заочного обучения, подхода к организации информационного обмена между потребителями образовательных услуг, преподавателями и руководителями образовательных программ и направлений. Значительную долю (60 % [1]) контингента студентов дистанционной формы обучения в институте дистанционного образования (ИДО) Астраханского государственного технического университета (АГТУ) составляют взрослые студенты, не имеющие возможности посещать лекции, семинары, консультации и предпочитающие удаленное информационное взаимодействие очным занятиям. Разработка и внедрение новых технологий обучения, наряду с бурным развитием проводных телекоммуникаций, привели к интернетизации высшего образования. Применение современных средств визуализации и связи в образовательном процессе не только повысило качество предоставляемых учебных материалов, но и подняло оперативность взаимодействия участников образовательного процесса на новый уровень. Направленность дистанционной технологии на интересы и нужды потребителя явилась основной причиной поиска новых способов доставки информационной составляющей учебного процесса до потребителя, причём основной задачей становится поиск оптимальных технологических решений, которые позволяют осуществлять информационный обмен с уже имеющимися в распоряжении у студентов абонентскими устройствами. Опыт ИДО АГТУ по размещению образовательных и аттестационных материалов в системе виртуальных университетов позволил предложить студентам различные схемы информационного доступа к учебным ресурсам и взаимодействия с преподавательским составом.

Одним из наиболее удобных способов информационного обмена являются цифровые технологии беспроводной связи (БС). Многообразие стандартов БС, применяемых студентами для доступа к информационно-образовательным ресурсам, ставит вопрос о поддержке оборудованием ИДО этих международных стандартов либо реализации взаимодействия с другими организациями, оказывающими услуги связи (сотовые операторы, провайдеры Интернет). В настоящее время успешно опробовано применение группы технологий беспроводной цифровой связи, выявлены их преимущества и недостатки. К наиболее распространенным стандартам, применяемым для передачи данных с использованием радиочастотного спектра, относятся:

- цифровая сотовая связь стандарта GSM (Global System for Mobile);

- служба пакетной передачи данных по радиоканалу GPRS (General Packet Radio Service);

- технология EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution);

- технология HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) стандартов сети связи третьего поколения (3G) WCDMA/UMTS;

- группа стандартов IEEE 802.11 a/b/g/n;

- технология Mesh-сетей на базе IEEE 802.11;

- стандарт беспроводных городских сетей IEEE 802.16 - WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access).

Все современные технологии связи можно разделить на 2 большие группы. К первой относятся так называемые стандарты цифровой сотовой связи (GSM/CDMA/UMTS), предназначенные в первую очередь для организации высококачественной радиосвязи. Уровень услуг по передаче речи с применением этих технологий оценивается экспертами как весьма высокий. Стандарты допускают также организацию информационного взаимодействия с корпоративными и глобальными вычислительными сетями, однако функции передачи данных в сотовых сетях некоторые эксперты относят к числу факультативных. Этим объясняется сравнительно высокая стоимость пропуска пакетного трафика в таких сетях и скорость, уровень которой в несколько раз меньше аналогичной способности беспроводных вычислительных сетей, которые можно отнести ко второй группе.

Стандарты первого поколения связи (1G) - NMT-450 (разработан в 1978, внедрен в эксплуатацию в 1981 г.) и AMPS (внедрен в 1983 г.) - были аналоговыми: низкочастотный голос передавался при помощи высокочастотной несущей (~450 МГц в случае NMT и 820-890 МГц в случае AMPS) с применением схемы амплитудно-частотной модуляции. Для того чтобы обеспечить связь одновременно нескольких человек, в стандарте AMPS частотные диапазоны разбивались на каналы шириной 30 кГц - такой подход получил название FDMA (Frequency Division Multiple Access). Стандарты первого поколения создавались для и обеспечивали исключительно голосовую связь.

Стандарты второго поколения (2G), такие как GSM и CDMA (Code Division Mutiple Access), принесли с собой сразу несколько нововведений. Кроме частотного разделения каналов связи FDMA, голос человека кодировался (оцифровывался), по каналу связи, как и в Ш-стандарте, передавалась модулированная несущая частота, но уже не аналоговым сигналом, а цифровым кодом. В этом - общая черта всех стандартов второго поколения. Стандарты второго поколения также создавались для обеспечения голосовой связи, но, в силу их цифровой природы и в связи с возникшей в ходе распространения Интернет необходимости обеспечить доступ к ресурсам глобальной сети по мобильному телефону, предоставляли возможность передачи цифровых данных, выступая в роли беспроводного модема. Изначально стандарты второго поколения не обеспечивали высокой пропускной способности: GSM (технология CSD (Circuit-Switched Data) обеспечивал лишь 9 600 бит/с (столько требуется для обеспечения голосовой связи в одном уплотненном TDMA-канале), CDMA - несколько десятков кбит/с. Это неприемлемо как с точки зрения малой скорости, так из-за повременного принципа тарификации. Применение данного стандарта цифровой связи для доступа к информационного-образовательной среде является экономически нецелесообразным. Кроме того, низкая скорость передачи данных не позволяет обеспечить пользователям комфортного взаимодействия с поставщиком образовательных услуг. Для устранения этих 2 недостатков стандарта GSM была внедрена технология передачи данных GPRS (General Packet Radio Service), ознаменовавшая начало перехода к пакетному подходу, а затем - технология EDGE. Отличие в системе тарификации - основное между GPRS и различными технологиями на базе CSD-подхода: в первом случае абонентский терминал пересылает в эфир пакеты, которые идут произвольными маршрутами до адресата, во втором - между терминалом и базовой станцией (работающей как маршрутизатор) устанавливается соединение типа точка-точка с использованием стандартного или расширенного канала связи. Стандарт GSM с технологией GPRS занимает промежуточное положение между вторым и третьим поколениями связи (2,5G).

Рис. 1. Структура GPRS

Ядро системы GPRS (GPRS Core Network) состоит (рис. 1) из двух основных блоков -SGSN (Serving GPRS Support Node - узел поддержки GPRS) и GGPRS (Gateway GPRS Support Node - шлюзовой узел GPRS).

Еще одной составной частью системы GPRS является PCU (Packet Control Unit - устройство контроля пакетной передачи). PCU стыкуется с контроллером базовых станций BSC и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к SGSN.

При ориентации системы на мобильный доступ в Интернет возможно добавление специального узла - IGSN (Internet GPRS Support Node - узел поддержки Интернет).

Следует отметить такой важный параметр, как QoS (Quality of Service - качество сервиса). Очевидно, что видеоконференция или чтение видеолекции в режиме реального времени и отправка сообщения электронной почты предъявляют разные требования, например, к задержкам на пути пакетов данных. Поэтому в GPRS существует несколько классов QoS, подразделяющихся по следующим признакам:

- необходимому приоритету (существует высокий, средний и низкий приоритет данных);

- надежности (разделение на три класса по количеству возможных ошибок разного рода, потерянных пакетов и т. п.);

- задержкам (задержки информации вне GPRS-сети в расчет не принимаются);

- количественным характеристикам (пиковое и среднее значение скорости);

- класс QoS выбирается индивидуально для каждой новой сессии передачи данных.

Абонентские GPRS-терминалы подразделяются на три класса:

- устройства класса А способны одновременно работать как с передачей голоса, так и с передачей данных (обладают возможностью одновременно функционировать как в режиме коммутации каналов (circuit switched), так и в режиме коммутации пакетов (packet switched);

- устройства класса В могут осуществлять либо передачу голоса, либо передачу данных, но не одновременно;

- устройства класса С поддерживают только передачу данных и не могут быть использованы для голосовой связи. Как правило, это разного рода компьютерные платы для обеспечения беспроводного доступа к данным.

Большинство современных абонентских GPRS-устройств, которые могут применяться для обеспечения удаленного доступа к ресурсам информационно-образовательной сети, относятся к классам А (современные модели смартфонов и коммуникаторов) и С (факультативные платы расширения форматов SDIO для карманных устройств и PCMCIA для ноутбуков, например Sony Ericsson GC 89, обеспечивающая поддержку всех рассматриваемых беспроводных способов обмена данными с информационно-образовательными сетями).

Следующим шагом от GSM к сетям третьего поколения UMTS (Universal Mobile Telephone System) является технология EDGE (Enhanced Data Rates for GSM), позволяющая осуществлять информационный обмен на скорости до 384 кбит/с в восьми GSM-каналах (48 кбит/с на канал).

В стандартах третьего поколения (3G), главным требованием к которым, согласно спецификациям Международного союза электросвязи (ITU) IMT-2000, стало обеспечить видеосвязь хотя бы в разрешении QVGA (320х240), необходимо было достичь пропускной способности передачи цифровых данных не менее 384 кбит/с. Для решения этой задачи используются полосы частот увеличенной ширины (W-CDMA, Wideband CDMA) или большее количество задействованных одновременно частотных каналов (CDMA2000).

Производители мобильных устройств уделяют все больше внимания поддержке стандартов третьего поколения (3G), таких как CDMA2000 1x, W-CDMA и UMTS, но развитие 3G-сетей в России идет крайне медленно, а интерес к сетям второго поколения (2G) и второго с половиной (2,5G) не ослабевает, а, наоборот, растет, причем как на рынках развивающихся стран, так и на рынках развитых стран.

Технология HSDPA принадлежит к семейству решений, использующих пакетную передачу данных. Физически HSDPA является техническим расширением сетей WCDMA/UMTS. Пропускная способность HSDPA в стартовом варианте составила 1,8 Мбит/с, а теоретический максимум составит 14,4 Мбит/с. Несомненным плюсом этой технологии является то, что дальность связи практически равна дальности охвата сигналом базовой станции, а минусом - то, что высокая скорость доступна только для нисходящих (downlink) данных, а для восходящего потока в базовом варианте доступны 384 кбит/с. Однако специфика информационных потоков в образовательной среде делает этот недостаток несущественным, за исключением случаев, когда симметричный канал всё-таки необходим (двусторонние видеоконсультации).

Рис. 2 демонстрирует сохраняющийся потенциал развития технологий передачи данных в сетях второго поколения GPRS/EDGE (2,5G). Для скоростных характеристик передачи данных возможно использование методик оптимизации загрузки частотных диапазонов, одновременной передачи и приема сигналов, новых модуляционных схем. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) использует в качестве физического уровня стандарт WCDMA, но в то же время и инфраструктура, унаследованная от прежних поколений, будет также включена в систему мобильной связи.

GSM EDGE

Рис. 2. Эволюция технологий беспроводной связи

Как видно на рис. 3, основу ядра UMTS составляют контроллеры базовой станции (BSC, Base Stantion Controller), центр коммутации мобильных абонентских устройств (MSC, Mobile Switching Center), регистр домашних пользователей (HLR, Home Location Register), сервер коммутации пакетов (SGSN, Serving GPRS Support Node) и маршрутизатор доступа в Интернет (GgSN, Gateway GPRS Support Node). Эти компоненты унаследованы UMTS от GSM/EDGE, возможна и интеграция с беспроводными вычислительными сетями.

Если пользователю одновременно доступны и сеть GSM, и WCDMA, ядро UMTS будет перераспределять их в зависимости от нагрузки сетей. В тех случаях, когда одна из сетей недоступна, наиболее распространенной ситуацией является та, при которой есть сигнал GSM, но нет покрытия WCDMA, используется физический уровень GSM. Главным отличием WCDMA от GSM является то, что стандарт использует широкие поддиапазоны, в которых передается шумоподобный код, содержащий данные для всех абонентов. Модифицируя код, WCDMA определяет количество трафика, выделенного под голосовую связь, и данные для разных абонентов каждые 10 мс. С внедрением HSPA это время сокращено до 2 мс. Помимо деления на поддиапазоны, отличающее WCDMA от CDMA, в UMTS, как более высокоуровневом стандарте, предусмотрена QoS с несколькими приоритетами.

Рис. 3. Структура и взаимодействие сетей UMTS

1. Разговорный - интерактивные данные с минимальной задержкой и контролируемой полосой пропускания, такие как для VoIP и видеосвязи.

2. Потоковый - поток данных с контролируемой полосой пропускания и некоторыми допустимыми задержками.

3. Интерактивный - данные, передаваемые и принимаемые терминалом при «общении» с web-серверами без контроля полосы пропускания и с некоторыми задержками.

4. Фоновый - низкоприоритетные данные, например загружаемые файлы.

Долгое время технологии беспроводных локальных сетей находились в тени сотовой связи и воспринимались как второстепенные и вспомогательные, т. к. использовались в том случае, когда прокладка кабельной инфраструктуры была либо экономически нецелесообразна, либо невозможна. Серьёзным аргументом в пользу жизнеспособности систем радиодоступа к сетевым ресурсам является постоянное увеличение пропускной способности, доступной абоненту. За 8 лет оно составило сотни раз - с 1 до 300 Мбит/с и продолжает расти. Удобство и высокое качество услуг связи, предоставляемых оборудованием беспроводных локальных вычеслитель-ных сетей, позволяет успешно конкурировать с традиционными проводными коммуникациями. Фактором, способствующим масштабному внедрению беспроводных систем передачи данных, является широкая полоса частот (2,4...2,483; 5,15...5,350; 5,65.,.5,85;5,9...6,4 ГГц), доступная для применения в гражданских целях как в России, так и во всем мире [2].

Технология WiMAX относится ко второй категории современных технологий связи - мобильным вычислительным сетям. Базовые станции и абонентские устройства стандарта работают в диапазоне частот 2-11 ГГц (802.16). Как и UMTS, WiMAX представляет собой целое семейство стандартов с шириной канала от 1,5 до 20 МГц. Согласно спецификациям IEEE 802.16d, принятым в июне 2004 г., предусмотрено три разных физических уровня (PHY): первый из них, 256-точечный FFT (FFT - Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье) OFDM, является обязательным. В семействе WiMAX представлены также два необязательных стандарта: SC (Single-Carrier, одна несущая, что роднит этот стандарт с CDMA) и 2048 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA, к слову, представляет собой еще один новый подход к мультиплексированию каналов связи и является развитием FDMA (Frequency Division Multiple Access), использовавшегося вместе с временным уплотнением (TDMA) в GSM.

Помимо мультиплексирования по ортогональным несущим (OFDM), в WiMAX заложена поддержка большего количества модуляционных схем - BPSK, QPSK, QAM16 и QAM64. В теоретическом случае максимального уровня сигнала, позволяющего использовать квадратурную модуляционную схему QAM64, и присутствия в системе только одного пользователя, которому будут предоставлены все 192 несущих шириной по 20 МГц каждая, пропускная способность связи такого пользователя с базовой станцией составит 75 Мбит/с. Наиболее распространенным в настоящее время является диапазон 3,5 ГГц (3,4-3,8 ГГц), максимальная пропускная способность в котором достигает 70 Мбит/с. К числу современных систем широкополосного радиодоступа этого стандарта можно отнести производимую в России Nateks Multilink 3.

Еще одним важным отличием WiMAX является возможность осуществления связи между терминалами, не находящимися на линии видимости друг друга. Это достигается путем огибания и отражения сигнала от препятствий, а также ретрансляции данных, направленных к одному терминалу, на несколько других терминалов, из которых один или несколько находятся на линии видимости с адресатом.

Как и в последних вариантах сетей сотовой связи, в беспроводных цифровых сетях уделено большое внимание QoS, позволяющей приоритетизировать трафик. QoS WiMAX несколько отличается от QoS HSDPA: главным отличием первой от последней является механизм запросов и разрешений. В каждой группе пакетов предусмотрена пауза (contention slot), предназначенная для установления нового сеанса связи клиентским терминалом. Частью QoS является также алгоритм назначения модуляционной схемы для каждого абонента, причем восходящему и нисходящему трафику могут быть присвоены разные модуляционные схемы.

Одной из новейших концепций построения единого информационного пространства на значительной территории (кампус, студенческий городок, район города, город) является технология mesh-сетей. Этот технологический подход разработан для создания территориально-распределенных локальных и городских сетей с ячеистой топологией. Принцип создания ячеистых городских сетей основан на использовании преимуществ и значительного мирового опыта эксплуатации стандартов группы IEEE 802.11x в различных областях, в том числе при решении задач дистанционного обучения [2, 3]. Операторские устройства возможно использовать для предоставления широкополосного беспроводного доступа к образовательным и глобальным сетям в местах, где прокладка кабельной системы затруднительна или невозможна, а использование традиционных беспроводных сетей неэффективно из-за ограничений зоны охвата. Как правило, mesh-решения обеспечивают гибкую оптимизацию пропускной способности сети благодаря поддержке архитектуры multi-радио, использующей для организации транспортных потоков различные радиоканалы. Для определения маршрута передачи данных в больших масштабируемых ячейстых сетях производители применяют принципы и протоколы маршрутизации, оптимизированные для цифровой радиосвязи и обладающие быстрой сходимостью, обеспечивая связность сети при отказе какого-либо радиоканала или узла. Пример ячеистой Wi-Fi-сети представлен на рис. 4.

Ц-'* ' ■"« -I

NtifipipynrJHrnp

Проводи* маршрутизато]

DWR.300

Беспроводной / маршрутизатор

ч/л ' '

■ Беспроводной

: Беспроводной маршрутизатор

“,р"р^'з',ор

у1.':;...................{_____________________-"

:атор

Беспроводной ■■■ '■ ■■ ■ : маршрутизатор

Рис. 4. Пример построения mesh-сети

Многообразие эксплуатируемых и внедряемых технологий цифровой беспроводной связи позволяет обеспечивать оперативное взаимодействие между потребителями образовательных услуг и ИДО АГТУ. От выбора удобного для пользователя и экономически оправданного решения зависит эффективность не только сетевой транспортной составляющей дистанционных образовательных технологий, но и популяризация всего удаленно-ориентированного подхода к доступности образовательных материалов. Изучение практического опыта применения рассмотренных технологий позволят сделать вывод о постепенном вытеснении цифровых сетей, изначально ориентированных на передачу голоса беспроводными вычислительными решениями.

С появлением и дальнейшим развитием ше8Ь-концепции стали очевидны преимущества этого подхода перед остальными. Основным его преимуществом является широкая распространённость клиентского оборудования в устройствах потребителей образовательных услуг и преподавателей и значительный (более 10 лет) опыт эксплуатации локальных вычислительных сетей, построенных на основе аналогичных принципов и стандартов. Более того, конвергенция современных цифровых устройств связи позволит объединить средства доступа к традиционным сотовым сетям, изначально ориентированным на передачу голосового трафика, и структурированным беспроводным сетям, для которых приоритетом являются пакетные данные. Это позволяет значительно упростить порядок и сократить сроки формирования единого информационнообразовательного пространства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зелетдинова Э. А., Петрякова Е. А. Роль АГТУ в формировании регионального образовательного поля Прикаспия // Геополитика Прикаспийского региона: Взгляд в XXI. - Астраполис. - 2003. -№ 4-5 (7-8). - С. 202-204.

2. Курылев А. С., Куликов М. О. Организация оперативного доступа к образовательным ресурсам и услугам в беспроводных локальных вычислительных сетях вузов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. -2007. - № 1 (36). - С. 240-246.

3. Курылев А. С., Куликов М. О. Внедрение беспроводных сетей для развития образовательных услуг высшего профессионального образования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 2 (37). -С. 296-301.

Статья поступила в редакцию 14.05.2007

MODERN WIRELESS COMMUNICATIONS TECHNOLOGIES AS MEANS OF FORMING A UNIFIED INFORMATIONAL AND EDUCATIONAL SPHERE

№^. О. Kulikov

Development and implantation of new educational technologies along with rapid development of wired communications result in Internet-based conception of higher education. The efficiency of not only network transport constituent of distant educational technologies but also the popularization of the whole remote-oriented approach to the simplicity of educational data depends on the choice of a convenient for a user and economically sound solution. The study of practical experience of modern wireless communications technologies application allows to conclude that there is gradual replacement of cellular networks, which are originally oriented to voice transmission, by wireless computing solutions. Convergence of modern digital communication devices enables to combine means of access with traditional cellar networks, which are originally oriented to voice traffic, and structural wireless networks, for which burstiness is priority. Modern technologies give an opportunity to simplify the procedure and to reduce the terms of forming a unified informational and educational sphere.