Studiu Comparativ al Parametrilor de Transmisie Pentru Sisteme de Comunicație pe Cablu, Fibră Optică și Radio

Comunicare

Studiu Comparativ al Parametrilor de Transmisie Pentru Sisteme de Comunicație pe Cablu, Fibră Optică și Radio

Byadmin ianuarie 1, 2024

Studiu comparativ al parametrilor de transmisie pentru sisteme de comunicație pe cablu, fibră optică și radio

CUPRINS

TERMENI, ABREVIERI ȘI DEFINIȚII

Terminologia și notațiile utilizate în această reglementare tehnică sunt în concordanță cu termenii și definițiile folosite în normele românești din domeniul de activitate:

O serie de termeni și definiții sunt reluați și explicați cu scopul de a clarifica mărimile, conceptele etc., la care se face referință în diferitele părți ale acestei reglementări tehnice.

DEFINIȚIILE TERMENILOR UTILIZAȚI ÎN LUCRARE

Rețea de comunicație = un sistem de calculatoare conectate între ele astfel încât un calculator poate accesa datele și programele unui alt calculator aflat în aceeași rețea (cu măsurile de siguranță ale accesului)..

Telecomunicație = orice transmisie, emisie sau recepție de semnale sau informații de orice natură prin cablu, radio, vizual, optic sau alte sisteme electromagnetice.

ABREVIERI UTILIZATE ÎN LUCRARE

AS – Autonomous System

ASBR – Autonomous System Boundary Route

BGP – Border Gateway Protocol

CIDR – Classless Inter-Domain Routing

CLI – Command Line Interface

CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

DB – Database

DCE – Data Communications Equipment

DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol

DTE – Data Terminal Equipment

DNS – Domain Name

DR – Designated Router

EBGP – External Border Gateway Protocol

EGP – Exterior Gateway Protocol

EIGRP – Enhanced Interior Gateway Routing Protocol

FTP – File Transfer Protocol

GNS – Graphical Network Simulator

GPS – Global Positioning System

IBGP – Internal Border Gateway Protocol

ICMP – Internet Control Message Protocol

IETF – Internet Engineering Task Force

IGP – Interior Gateway Protocol

IGRP – Interior Gateway Routing Protocol

IOS – Internetwork Operating System

IP – Internet Protocol

IPX – Internetwork Packet Exchange Protocol

IS-IS – Intermediate System To Intermediate System

ISDN – Integrated Services Digital Network

ISP – Internet Service Provider

LAN – Local Area Network

LLC – Logical Link Control

LSA – Link-State Advertisement

NLRI – Network Layer Reachability Information

MAC – Medium Access Control

MAN – Metropolitan Area Network

MED – Multi-Exit Discriminators

OSI – Open System Interconnected

OSPF – Open Shortest Path First

PAN – Personal Area Network

RIP – Routing Information Protocol

RTP – Real-time Transport Protocol

SSH – Secure Shell

TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol

UDP – User Datagram Protocol

USB – Universal Serial Bus

UTP – Unshielded Twisted Pair

WAN – Wide area network

DE – Directiva Europeană

ICC – interfață de conversie și comunicație;

NLC – nod local de conducere;

SIA – sistem de interfață pentru mărimi analogice;

SIN – sistem de interfață pentru mărimi numerice;

CO – consola operator;

CU – calculator universal;

PG – periferice generale.

CUVINTE-CHEIE

sisteme de comunicație;

rețele;

transmisie prin cablu;

transmisie prin fibră optică;

transmisie radio;

NOȚIUNI INTRODUCTIVE

TRECUTUL ȘI PREZENTUL

Trecutul

în 1957 URSS plasează pe orbita Pamântului primul satelit artificial (Sputnik) datorită căruia astăzi avem Internet.

în 1962 Paul Baran de la Rand Corporation studiază printr-un proiect de cercetare, posibilitatea construirii unei rețele pentru transmiterea datelor între calculatoarele instalate în Pentagon. Tema proiectului: Realizarea unei rețele de calculatoare care să permită comunicarea între ele cu posibilitatea extinderii și să reziste în cazul unui atac nuclear.

în 1993 sunt înregistrate aproximativ 130 servere web.

în 1994 sunt înregistrate peste 11.000 de servere.

Prezentul

în 2009 statistica arăta că peste 1,6 miliarde de locuitori la nivel mondial, aveau acces la Internet la o viteză medie de 1,7 megabiți pe secundă (Mbps), (în SUA fiind de 4,7 Mbps). În România procentul era de 35,5%, la o viteză medie de 6,3 Mbps. [1]

IMPORTANȚA ȘI ACTUALITATEA TEMEI

Comunicațiile au fost mereu considerate, o componentă esențială ale vieții oamenirii. Odată cu evoluția tehnologică, rolul acestora în societate a devenit din ce în ce mai important.

Perfecționarea tehnologiilor de comunicații, a dus la intensificarea relațiilor de toate naturile.

Între noțiunea de comunicare și noțiunea de comunicații există diferențe clare.

Comunicarea:

este modalitatea prin care se face cunoscută o anumită informație, principalele tipuri fiind:

comunicarea interpersonală – transmiterea informațiilor realizată voit și direct intre oameni;

comunicarea în masă – transmiterea informațiilor cu ajutorul cărții, ziarului, afișul, radioului, televiziunii, cinematografului și internetului.

Comunicațiile:

sunt sisteme tehnice prin care este realizată transmiterea, interpretarea sau prelucrarea datelor și informațiilor de catre oameni sau aparate.

Poștă electronică, cursuri și lecții electronice locale sau în mediul online, știri, filme biblioteci, muzică etc, sunt accesibile toate și pentru toată populația globului, prin accesarea internetului. La ora actuală nu se mai concepe traiul fără Internet.

În ziua de astăzi Internetul, susținut și întreținut de o multitudine de firme comerciale naționale sau multinaționale, se bazează pe specificații tehnice detaliate printre care sunt regăsite și protocoalele de comunicație. Acestea descriu numeroase reguli și metode de transmitere a datelor în rețele.

Comunicațiile între echipamentele interconectate fizic și logic într-o rețea se realizează pe baza unor reguli de comunicare și a unor formate impuse, numite protocoale. Se folosesc numeroase tipuri de protocoale dar scopul oricărei rețele de comunicații este acela de a permite transmisia informațiilor între oricare două echipamente, indiferent de producător, de sistemul de operare folosit sau de suita de protocoale aleasă.

Printr-o definiție simplă a cazului de față, prin rețea de comunicație se înțelege un sistem de calculatoare conectate între ele astfel încât un calculator poate accesa datele și programele unui alt calculator aflat în aceeași rețea (cu măsurile de siguranță ale accesului). Rețelele de comunicații sunt concepute și proiectate astfel încât calculatoare localizate oriunde pe glob să poată comunica între ele, acest lucru făcându-se posibil prin implementarea unui limbaj comun numit protocol. [1]

Protocol – set de reguli și convenții stabilite între participanții la comunicație. Aceste reguli se stabilesc înainte de începerea schimbului de mesaje.

Protocoalele pot fi:

Rutabile – protocoale care oferă posibilitatea atribuirii unei adrese de unicitate, oricărui nod din rețea (IP, IPX, AppleTalk);

Nerutabile – fiecare host este identificat prin nume. Absența unei scheme ierarhice clare, face ca rutarea să fie imposibilă. Pentru identificare se face transimisie prin broadcast.

Ierarhizarea protocoalelor se face în funcție de:

nivelul la care acționează fiecare protocol;

serviciile pe care fiecare protocol le oferă.

Serviciul și protocolul sunt noțiuni diferite. Un serviciu definește ce operații este pregătit nivelul să îndeplinească dar nu realizează sau stabilește modul în care sunt implementate operațiile. Un protocol este un set de reguli care guvernează modul de implementare al serviciului.

Metodele de conectare ale calculatoarelor în rețea sunt diverse și sunt în continuă dezvoltare. Printre sistemele de conectare un rol important a fost obținut pornind de la cablurile metalice și evident, fibra optică și ajungând la utilizarea conexiunilor prin unde radio (WLAN, Wi-Fi, Bluetooth), prin tehnologia razelor infraroșii (IrDA) sau prin intermediul sateliților.

Echipamentele de interconectare (modem, hub, switch, bridge, router, access point) sunt responsabile de transferul informațiilor în unități de date specifice (cadre, pachete, datagrame, segmente, celule) și de conversiile de format ce se impun, precum și de asigurarea securității comunicațiilor.

Probleme specifice de securitate se identifică atât în nodurile rețelei, precum și pe căile de comunicație (cablu sau mediu wireless).

SCOPUL LUCRĂRII

În lucrarea de față se realizează un studiu comparativ al caracteristicilor de transmisie în sisteme de comunicație prin cablu, sisteme de comun icație prin fibră optică și sisteme de comunicație wireless.

În ziua de astăzi Internetul, susținut și întreținut de o multitudine de firme comerciale naționale sau multinaționale, se bazează pe specificații tehnice detaliate printre care sunt regăsite și protocoalele de comunicație. Acestea descriu numeroase reguli și metode de transmitere a datelor în rețele.

Printr-o definiție simplă a cazului de față, prin rețea de comunicație se înțelege un sistem de calculatoare conectate între ele astfel încât un calculator poate accesa datele și programele unui alt calculator aflat în aceeași rețea (cu măsurile de siguranță ale accesului). Rețelele de comunicații sunt concepute și proiectate astfel încât calculatoare localizate oriunde pe glob să b#%l!^+a?b#%l!^+a?poată comunica între ele, acest lucru făcându-se posibil prin implementarea unui limbaj comun numit protocol. [1]

Protocol – set de reguli și convenții stabilite între participanții la comunicație. Aceste reguli se stabilesc înainte de începerea schimbului de mesaje.

Protocoalele pot fi:

Rutabile – protocoale care oferă posibilitatea atribuirii unei adrese de unicitate, oricărui nod din rețea (IP, IPX, AppleTalk);

Nerutabile – fiecare host este identificat prin nume. Absența unei scheme ierarhice clare, face ca rutarea să fie imposibilă. Pentru identificare se face transimisie prin broadcast.

Ierarhizarea protocoalelor se face în funcție de:

nivelul la care acționează fiecare protocol;

serviciile pe care fiecare protocol le oferă.

Serviciul și protocolul sunt noțiuni diferite. Un serviciu definește ce operații este pregătit nivelul să îndeplinească dar nu realizează sau stabilește modul în care sunt implementate operațiile. Un protocol este un set de reguli care guvernează modul de implementare al serviciului.

Metodele de conectare ale calculatoarelor în rețea sunt diverse și sunt în continuă dezvoltare. Printre sistemele de conectare un rol important a fost obținut pornind de la cablurile metalice și evident, fibra optică și ajungând la utilizarea conexiunilor prin unde radio (WLAN, Wi-Fi, Bluetooth), prin tehnologia razelor infraroșii (IrDA) sau prin intermediul sateliților.

LEGISLAȚIA ÎN DOMENIU

Legea nr.154/2012 privind regimul infrastructurii rețelelor de comunicații electronice

Ordonanța de urgență a Guvernului nr. 111/2011 privind comunicațiile electronice

Ordonanța de urgentț a Guvernului nr. 19/2011 privind unele măsuri pentru modificarea unor acte normative în domeniul comunicațiilor electronice

Ordonanța de urgență a Guvernului nr 22/2009 privind înființarea Autorității Naționale pentru Administrare și Reglementare în Comunicații

Ordin MCSI nr. 461/2009 pentru aprobarea Strategiei naționale privind implementarea serviciului universal în sectorul comunicațiilor electronice.

STRUCTURA LUCRĂRII DE LICENȚĂ

Lucrarea de licență cuprinde 62 de pagini, fiind structurată în 5 capitole prezentate succind mai jos:

Termeni, abrevieri și definiții sunt centralizați pentru o înțelegere mai rapidă și mai bună a subiectelor abordate în lucrare.

În capitolul 1 – Noțiuni introductive sunt prezentate succind atât scopul și necesitatea lucrării cât și actualitatea în domeniu. În urma studiului și a cercetării bibliografice, rolul acestui capitol este de a evidenția de unde s-a plecat precum și stadiul actual al evoluțiilor tehnicilor și tehnologiilor din acest domeniu de activitate fără de care nu se mai poate. Astfel au fost atinse puncte precum un scurt istoric, importanța și actualitatea temei tratate în lucrarea de față, tipuri de rețele

În capitolul 2 – Sisteme de comunicații sunt prezentate bazele în acest domeniu studiat. S-a plecat de la modelele existente de comunicații și au fost prezentate tipurile de servicii și rețele.

C Wi-Fi, Bluetooth), prin tehnologia razelor infraroșii (IrDA) sau prin intermediul sateliților.

LEGISLAȚIA ÎN DOMENIU

Legea nr.154/2012 privind regimul infrastructurii rețelelor de comunicații electronice

Ordonanța de urgență a Guvernului nr. 111/2011 privind comunicațiile electronice

Ordonanța de urgentț a Guvernului nr. 19/2011 privind unele măsuri pentru modificarea unor acte normative în domeniul comunicațiilor electronice

Ordonanța de urgență a Guvernului nr 22/2009 privind înființarea Autorității Naționale pentru Administrare și Reglementare în Comunicații

Ordin MCSI nr. 461/2009 pentru aprobarea Strategiei naționale privind implementarea serviciului universal în sectorul comunicațiilor electronice.

STRUCTURA LUCRĂRII DE LICENȚĂ

Lucrarea de licență cuprinde 62 de pagini, fiind structurată în 5 capitole prezentate succind mai jos:

Termeni, abrevieri și definiții sunt centralizați pentru o înțelegere mai rapidă și mai bună a subiectelor abordate în lucrare.

În capitolul 1 – Noțiuni introductive sunt prezentate succind atât scopul și necesitatea lucrării cât și actualitatea în domeniu. În urma studiului și a cercetării bibliografice, rolul acestui capitol este de a evidenția de unde s-a plecat precum și stadiul actual al evoluțiilor tehnicilor și tehnologiilor din acest domeniu de activitate fără de care nu se mai poate. Astfel au fost atinse puncte precum un scurt istoric, importanța și actualitatea temei tratate în lucrarea de față, tipuri de rețele

În capitolul 2 – Sisteme de comunicații sunt prezentate bazele în acest domeniu studiat. S-a plecat de la modelele existente de comunicații și au fost prezentate tipurile de servicii și rețele.

Capitolul 3 – Transmisie prin cablu prezintă elementele de bază al parametrilor de transmisie pentru sistemele de comunicație pe cablu. Plecând de la tipuri de cabluri și ajungând la parametrii perturbațiile în liniile de comunicație sunt prezentate pe rând, elementele importante pentru tema studiată în această lucrare.

Capitolul 4 – Transmisie prin fibră optică prezintă elementele de bază al parametrilor de transmisie pentru sistemele de comunicație pe fibră optică. Plecând de la evoluția în timp a acestor sisteme, prezentând apoi principiul care stă la baza comunicației prin fibră optică realizată cu tipuri de fibră optica și ajungând la parametrii tipurilor de cablu de fibră optica sunt prezentate avantajele acestui tip de transmisie.

În Capitolul 5 – Transmisie wireless sunt prezentate noțiunile generale de bază ale transmisiei pentru sistemele de comunicație wireless, atât de importantă în zilele noastre.Au fost prezentate câteva tipuri de rețele wireless, legislația care stă la baza acestui tip de transmisie adică standardul IEEE802.11 cu derivatele sale. Pe lângă asta au fost structurate configurațiile de bază posibile precum și componentele principale ale rețelelor. Capitolul se încheie cu arhitectura standardului IEEE802.11.

Lucrarea se încheie cu Bibliografia în care se prezintă lista documentației studiate și introdusă parțial, în lucrarea de față.

SISTEME DE COMUNICAȚII

Un sistem de comunicații, în principal, este format dintr-un ansamblu de rețele individuale de comunicații, conectate între în scopul formării unui tot unitar.

Structura unui sistem de comunicații este un ansamblu de relații de interdependență, stabile și permanente, care leagă între ele elementele sistemului – rețelele de comunicații. Rețelele individuale de comunicații activează în general pe teritotiul unui stat.

De exemplu:

rețea de telefonie mobilă în România, activează pe teritoriul țării noastre și are relații de interdependență cu alte rețele de telefonie mobilă din România și/sau din alte țări.

rețea de telefonie fixă este formată din totalitatea aparatelor de telefonie a centralelor telefonice care primesc și transmit semnalele, precum și a cablurilor sau undelor radio prin care se realizează comunicația.

Sistemul de comunicații activează la nivel mondial. Nevoia de comunicare și cerințele actuale economice au impus, la nivel mondial, ca sisteme diferite de comunicație să poată și să fie interconectate, să functioneze împreună.

MODELE DE COMUNICAȚII

Printre modelele de comunicții existente, menționăm:

Modelul Shannon

Modelul evidențiază un proces de comunicare ce funcționează după schema prezentată în figura 2.2 în care:

emițăor – sursa de comunicație, cel care transmite mesajul, expeditorul;

codificarea – mecanismul de traducere a ideilor in simboluri sau semene;

mesajul – ansamblul semnelor transmise de emitator;

mediile – cuprind vehiculele (suporturile) prin intermediul carora mesajul ajunge la destinatar;

decodificarea – consta in semnificatia atribuita mesajului de catre receptor;

receptorul – destinatarul sau audienta, cel care primeste mesajul;

raspunsul – cuprinde ansamblul reactiilor audientei dupa receptia mesajului;

feedback-ul – partea din raspuns pe care receptorul o retransmite emitatorului;

elemental perturbator – reprezinta orice poate provoca o distorsiune intre mesajul emis si mesajul primit.

Fig. 2.1. Modelul Shannon.

Modelul de zgomot gausian

Fig. 2.2. Modelul de zgomot gausian.

în care: n(t) – este zgomotul ce se adună peste semnalul util în timpul procesului de transmisie pe canalul de comunicație.

s(t) – semnalul util transmis de sursă,

y(t) – semnalul recepționat la destinație afectat de zgomot.

Modelul rețelei inteligente

Fig. 2.3. Modelul rețelei inteligente.

Modele de comunicație a datelor stratificate

Fig. 2.4. Arhitectura de protocoale simplificată.

Fig. 2.5. Modelul ISO/OSI.

Fig. 2.6. Modelul de comunicație al calculatoarelor.

CLASIFICAREA SERVICIILOR ȘI SISTEMELOR DE COMUNICAȚIE

După tipul de legături:

medii de transmisie:

prin fire – perechi răsucite, cablu coaxial;

prin fibre – fibră optică;

fără fir – radio, infraroșu, acustică.

moduri de transmisie:

analog/digital;

comutat/necomutat.

modulație:

baseband;

bandpass

controlul erorilor:

detectare erori;

corectare erori;

continuare transmisie.

topologie:

configurația rețelei – legătură simplă, inel, stea, magistrală, mesh, etc;

topologie de interconectare.

tehnologie de comutare:

circuit;

pachet;

locație.

REȚELE

Rețelele de calculatoare pot fi clasificate după mai multe criterii, astfel având:

După tehnologia de transmisie:

rețele cu un singur canal de comunicare (broadcast);

rețele care dispun de numeroase conexiuni între perechi de calculatoare individuale.

După mărimea rețelei:

rețele locale LAN;

rețele metropolitane MAN;

rețele de arie întinsă WAN.

După tehnlogia care a fost utilizată la conectarea dispozitivelor în rețea: [2]

Fibră optică;

Ethernet – este considerată ca având ponderea cea mai mare, protocolul de comunicare cel mai des utilizat fiind CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Termenul se referă la natura fizică a cablului folosit și la tensiunile electrice ale semnalului;

WLAN, LAN, MAN, WAN, PAN [2]

LAN (Local Area Network) este o rețea mică (rețele de clădiri conectate între ele direct). Toate calculatoarele din LAN sunt conectate prin fir UTP de categoria 5, denumit CAT5 cable. Protocolul este IEEE 802.3 (Ethernet) printr-un sistem de dispozitive interconectate care se conectează și la Internet. [1].

WLAN (Wireless LAN) utilizează undele radio. Rețeaua este de tip LAN fără fir;

MAN – sunt considerate rețelele metropolitane deoarece sunt rețele de mare extindere (întinse pe orașe întregi). Tehnologiile frecvent utilizate pentru conexiunile din rețea sunt fără fir sau fibră optică.

WAN (Wide Area Network) sunt rețelele cu o mare întindere geografică (pe suprafața unei țări, a unui continent sau a mai multor continente). [3]

PAN (Personal Area Network) este o rețea de mică întindere (cel mult câțiva metri). Este formată din dispozitivele interconectabile, cu magistrale USB și FireWire, situate în apropierea unei persoane (imprimantă, scanner, telefon mobil, smartphone, GPS, etc). Raza de acțiune a acestor tip de rețele este aproximativ între 6 și 9 metri.

În cadul rețelelor locale sau de arie largă se disting și subtipuri, definite de comunicațiile wireless prin unde radio, în funcție de tehnologia folosită, puterea de emisie și aria de acoperire:

rețele personale (PAN – Personal Area Network) numite și piconet, asociate tehnicii Bluetooth (BTH);

rețele locale wireless (WLAN – Wireless Local Area Network) asociate în general comunicațiilor în standard IEEE 802.11, denumite si rețele WiFi;

rețele wireless de arie largă (WWAN – Wireless Wide Area Network) create pe baza tehnologiilor de arie largă (ATM – Asynghronous Transfer Mode, WiMax – Worldwide Interoperability for Microwave Access s.a.).

Fig. 2.7. Structura generală a unei rețele Internet.

Fig. 2.8. Structura generală a unei rețele comutate.

Fig. 2.9. Structura generală a unei rețele LAN.

Fig. 2.9. Structura generală a unei rețele tip inel.

Fig. 2.10. Structura generală interrețea.

TRANSMISIE PRIN CABLU

TIPURI DE CABLURI DE Cu ÎN REȚELE DE COMUNICAȚII

Cuprul este un metal care, după argint, are cea mai mică rezistivitate:

este larg utilizat în construcția cablurilor de telecomunicații urbane și interurbane;

sub formă brută conține în proporție de 2-3% impurități (Ni, Zn, Fe, Pb, 0, Ag) motiv pentru are nu poate fi utilizat în componența conductoarelor cablurilor de telecomunicații;

în vederea eliminării impurităților, Cu se rafinează:

pe cale termică (are puritate 99 – 99,5% – nu poate fi utilizat în comunicații),

pe cale electrică – prin procesul de electroliză cu un grad de puritate de minimum 99,95% cupru pur se utilizează la fabricarea conductoarelor cablurilor de telecomunicații.

Cablurile de telecomunicații simetrice au frecvența maximă transmisă de peste 500 KHz. În apropierea acestei frecvențe, crește foarte mult diafonia între circuitele fizice ale cablului. Această problemă se rezolvă prin utilizarea în rețelele de telecomunicații interurbane a cablurilor coaxiale care au ecranări în jurul firului central:

Cablul Twisted Pair numit și cablu torsadat – doi conductori sunt răsuciți unul în jurul celuilalt în scopul anulării interferenței electromagnetice ce cauzează diafonie. Cu cât numărul de răsuciri este mai mare, cu atât diafonia este mai redusă. (fig. 3.1).

UTP – Unshielded Twisted Pair este cablu cu perechi răsucite neecranat.

FTP – Foiled Twisted Pair este cablu cu perechi răsucite în folie (conductorii sunt înveliți într-o folie exterioară de ecranare în scopul protejării împotriva interferențelor cu câmpurile electromagnetice externe, sau perturbatoare). Folia exterioară are rol de: ecranare, conductor de nul sau de împământare, după tipul constructiv și domeniul de utilizare.

S/UTP: Screened Unshielded Twisted Pair – cablu torsadat ecranat (cablu cu perechi răsucite neecranat, cu tresă) este asemănător cu FTP, singura diferență fiind tresa împletită pe care o are S/UTP în locul foliei învelind toate perechile. Se pretează la terminale care necesită mobilitate, este mai flexibil decât cel cu folie.

S/FTP: Screened Foiled Twisted Pair – cablu torsadat ecranat cu folie și tresă (cablu cu perechi răsucite cu folie și tresă) este o combinație între S/UTP și FTP.

STP – cablu torsadat ecranat în care fiecare pereche este învelită într-o folie de ecranare și oferă o bună protecție împotriva interferențelor și a diafoniei. Foliile de ecranare au rolul de conductor de împământare. Datorită foliilor, flexibilitatea cablului este mult redusă.

S/STP – cablu torsadat ecranat, cu tresă este asemănător cu STP dar are în plus o tresă împletită ce învelește toate perechile (similară celei din cablul coaxial), oferind o protecție deosebită împotriva interferențelor externe.

Fig. 3.1. Cablul Twisted Pair.

UTILIZĂRILE CABLURILOR PE CATEGORII

Cablurile cu perechi răsucite sunt împărțite în categorii în funcție de specificațiile privind integritatea semnalului. În cazul în care într-un sistem sunt utilizate cabluri aparținând mai multor categorii, performanțele maxime ale sistemului sunt limitate la cele ale categoriei inferioare.

Categoria 1:

inițial definită în standardul TIA/EIA 568;

utilizată în comunicații telefonice, ISDN și sonerii;

în prezent este perimată, nerecunoscută de TIA/EIA și neutilizată.

Categoria 2:

inițial definită în standardul TIA/EIA 568;

utilizată în rețelele jeton în inel (token ring);

capabilă de a transmite date la o viteză de 4Mbps;

în prezent este perimată, nerecunoscută de TIA/EIA și neutilizată.

Categoria 3:

proiectată pentru a transmite date la viteza de 10Mbps, frecvență de 16MHz;

face parte din cabluri din Cu, în parteneriat de EIA (Electronic Industries Alliance) și TIA (Telecommunications Industry Association);

utilizată în trecut pe scară largă (în anii '90) în rețelele de date;

spre deosebire de Categoriile 1, 2, 4 și 5, este încă recunoscută de standardul TIA/EIA-568-B.

Categoria 4:

definită în standardul TIA/EIA 568;

utilizată în rețelele jeton în inel;

capabilă de a transmite date la o viteză de 16Mbps cu frecvență de 20MHz;

în prezent este perimată, nerecunoscută de TIA/EIA și neutilizată.

Categoria 5:

a fost definită în ANSI/TIA/EIA-568-A, cu clarificări în TSB-95;

proiectată în scopul integrității semnalului;

utilizate în cablarea structurată a rețelelor de date, precum Fast Ethernet, dar au avut aplicație și în transportul altor semnale, de exemplu servicii de telefonie de bază, rețele jeton în inel și ATM (cu viteze de până la 155 Mbps, pe distanțe scurte).

a devenit perimată și a fost înlocuită de categoria 5e la introducerea standardului TIA/EIA-568-B, în anul 2001.

Categoria 5e:

este o versiune îmbunătățită categoriei 5 care adaugă specificații pentru telediafonie.

nu permite distanțe prea lungi pentru rețelele Ethernet: cablurile orizontale sunt limitate tot la 90m lungime;

caracteristicile de performanță și cerințele de testare pentru categoria 5e sunt precizate în TIA/EIA-568-B.2-2001.

Categoria 6:

a fost definită în ANSI/TIA/EIA-568-B.2-1 este un standard de cablu pentru Gigabit Ethernet și alte protocoale de rețea, compatibil cu categoriile 3, 5 și 5e;

impune specificații mai stringente pentru diafonie și zgomot de sistem;

oferă performanțe înalte la o frecvență dublă față de cat.5e – 250MHz (max).

Categoria 7:

a fost definită în ISO/IEC 11801:2002, este un standard de cablu pentru Ultra Fast Ethernet și alte tehnologii de interconectare ce poate fi compatibil cu categoriile tradiționale categoria 5e și 6;

diafonia și zgomotul de sistem sunt și mai stringente decât cele ale categoriei 6.

CARACTERISTICILE CABLURILOR DE COMUNICAȚII

Impedanța caracteristică a cablului este o constantă dependentă de construcția cablului:

diametrele miezului și a cămășii;

distanța dintre fire pentru cabluri panglică;

materialul și tehnologia de izolație;

alte elemente tehnologice.

Impedanța este o mărime complexă cu caracter rezistiv și reactiv. Valoarea ei depinde de parametrii primari ai circuitelor și de frecvența la care lucrează circuitul dat. În acest sens considerăm utilă definirea parametrilor primari ai circuitelor de telecomunicații.

Rezistența în curent continuu a unui circuit format din două conductoare de cupru lung de 1 km este:

Ω/km Valabilă pentru ρ = 0,01754 Ω mm²/m la 20˚C

Rezistența ohmică a circuitului R [Ω/Km]

circuitul din figura 3.2 are lungimea de 1 km;

rezistența circuitului se măsoară cu puntea rezistivă;

capătul apropiat al circuitului se conectează la punte iar la capătul îndepărtat se scurtcircuitează circuitul (Z0).

Fig. 3.2. Linie de comunicație.

unde: ρ = rezistivitatea;

d = diametrul conductorului.

În figura 3.3 este prezentată variația rezistenței în funcție de frecvență în care se poate observa o creștere foarte mare, în raport cu R0 (în curent continuu) la frecvențe ridicate de lucru.

Fig. 3.3. Linie de comunicație.

În cazul efectului pelicular scade secțiunea efectiv parcursă de curent.

Inductanța circuitului L [H/Km]

Exprimăm inductanța circuitului L prin relația:

[H/Km]

unde: d este diametru conductorului;

D este distanța dintre conductoare;

μ este permeabilitate magnetică;

K1 este coeficient pelicular

Capacitatea circuitului de comunicații [C] [F/Km]

Perditanța circuitului G [mho/Km] sau [S/Km] – pierderi în lungul circuitului

La o linie aeriană distanța între conductori se realizează prin izolatori, traverse sau alți suporți iar în cazul cablurilor prin izolamentul dintre fire.

în care: G0 este constantă în cc;

A este coeficient de pierderi în dielectric;

Riz este rezistența de izolație dintre cei doi conductori ai circuitului de comunicație.

Acest parametru variază foarte mult în raport cu frecvența semnalului transmis pe circuit, conform diagramei reprezentate în figura 3.4. Pierderile cresc o data cu frecvența.

Fig. 3.4. Variația perditanței cu frecvența.

PERTURBAȚIILE ÎN LINIILE DE COMUNICAȚII

Perturbațiile, în liniile de comunicații, pot fi cauzate de următoarele:

cuplaje inductive între perechile cablurilor (efectul este redus prin torsadare);

cuplaje parazite între subansamblele electronice;

cuplaje capacitive între traseele imprimate și între componente;

diafonia introdusă de dispozitivele de codare;

câștigul excesiv al repetoarelor vocale utilizate pe perechile de cablu.

Există patru tipuri diferite de perturbații electromagnetice elementare:

cuplaj prin impedanță;

cuplaj inductiv;

cuplaj capacitiv;

cuplaj prin radiație.

Unul din fenomenele principale care cauzează perturbații este diafonia. Cauzele principale ale diafoniei sunt:

cuplajele capacitive parazite dintre perechile vecine;

echilibrarea imperfectă față de pământ a circuitelor.

Fig. 3.5. Telediafonia și paradiafonia.

Micșorarea efectelor diafoniei se poate realiza prin:

mărirea impedanței mutuale și micșorarea impedanței caracteristice între linii, adică folosirea unor medii izolatoare cât mai bune și evitarea menținerii în paralel a unor trasee apropiate pe lungime mare;

intercalarea unor trasee de masă între linii de semnale utile.

Ca recomandare generală se aleg echipamente bine ecranate din punct de vedere electric și electromagnetic.

Pentru înțelegerea fenomenului de producere a perturbațiilor electromagnetice se prezintă în figura 3.6 schema bloc care are în componență:

o sursă care determină perturbațiile;

un mecanism de cuplaj (un mediu de cuplaj);

echipamentul perturbat.

Fig. 3.6. Perturbația electromagnetică.

Surse care pot contribui la apariția perturbațiilor:

liniile rețelelor electrice;

antenele sistemelor LAN.

TRANSMISIE PRIN FIBRA OPTICĂ

Apariția și dezvoltarea puternică a sistemelor de comunicații optice a constituit o trecere spre domeniul frecvențelor tot mai înalte, impusă printre altele de cererea de canale de bandă tot mai largă și de un număr tot mai mare de canale. Dezvoltarea fără precedent a sistemelor de culegere, prelucrare și transmitere la distanță a informației, crearea unor sisteme informaționale în care abonații au acces la diverse tipuri de informații, (telefonie, TV pe cablu, video, programe muzicale, informații din bănci de date, etc) necesită un număr foarte mare de canale de comunicații. Acestea nu mai pot fi realizate pe cabluri electrice sau în microunde din cauza lărgimii limitate de frecvență a acestora, precum și din alte cauze legate de atenuare, costuri, etc.

La ora actuală sistemele de comunicații pe fibre optice constituie mijlocul cel mai eficient de transmitere prin cabluri a semnalelor informaționale de bandă largă.

În era “tehnologiei informației“ stocarea, prelucrarea și transmiterea informației vor avea un rol foarte important în societate. Informația va fi numerică, de mare viteză și transmisă, în general, pe purtătoare optică.

EVOLUȚIA ÎN TIMP

Deși comunicațiile pe fibră optică sunt de dată recentă, ideea propagării ghidate a luminii nu este atât de nouă.

1870 Tyndall arată că lumina poate fi ghidată în interiorul unui jet de apă.

1910 se fac primele studii teoretice asupra ghidurilor dielectrice,

1950 au fost realizate primele ghiduri optice asemănătoare celor utilizate astăzi.

1958 începe era comunicațiilor optice cu invenția laserului (laser = Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation).

1960 este realizat primul laser – Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation.

1970 Bell studiază posibilitatea transmiterii vorbirii pe un flux luminos.

Procesoarele pe siliciu se apropie de limitele lor fizice, date de viteza purtătorilor și problemele de disipare a căldurii. Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecvență care poate fi atinsă este mai mare de 50 Tbps și sunt mulți oameni care caută materiale mai performante. Limita practică actuală de aproximativ 1Gbps este o consecință a imposibilității de a converti mai rapid semnalele electrice în semnale optice. Sunt deja în exploatare fibre optice de 2,5 și 10 Gbps și sunt în curs de cercetare și experimentare fibre optice la 40 Gbps. În laborator sunt posibile rate de 100 Gbps pe distanțe scurte și chiar 1 Tbps.

PRINCIPIUL COMUNICAȚIEI PRIN FIBRĂ OPTICĂ

Schema-bloc a unui sistem de comunicație pe fibră optică este prezentată în continuare în figura 4.1.

Fig. 4.1. Sistem de comunicații pe fibră optică – schema bloc.

Lumina care parcurge o fibră optică poate fi manipulată în două moduri:

modularea intensității laserului dintr-o diodă laser. Această metodă de modulație este numită modulație de intensitate/detecție directă sau IM/DD și reprezintă cea mai simplă formă de modulație pe fibră optică.

transmisie coerentă. Acest concept utilizează aspectul de undă al luminii, având câteva avantaje majore față de modulația în intensitate, precum:

îmbunătățirea sensibilității receptorului;

selectivitate mai bună a frecvențelor optice;

posibilitatea egalizării amplitudinilor de pe diferite frecvențe;

amplitudinea și faza semnalului recepționat pot fi detectate și măsurate.

SISTEME DE COMUNICAȚII OPTICE

Un sistem de comunicații este un ansamblu de echipamente care permite transportul informației între două puncte clar stabilite (sursă și destinatar), fixe sau mobile aflate la distanță.

Informația este de natură diferită (voce, sunet, imagine date, etc) astfel încât un SC poate oferi și servicii diverse (telefonic, telegrafic, radio-difuziune, televiziune, transmisii de date, telemetrie, telecontrol, etc).

Tipurile de sisteme de comunicații:

legatura de tip punet la punet – o sursă și un destinatar:

fizică

logică – circuit virtual

rețea – mai multe surse și mai mulți destinatari (nu neaparat un număr egal).

legături permanente

legături temporare (comutate).

rețea de distribuție – o sursă și mai mulți destinatari;

rețea de colectare – mai multe surse și un singur destinatar.

În funcție de sensul de transmisie, legăturile pot fi:

unidirecționale (simplex) – legăturile sunt pe 2 "fire";

bidirecțonale (duplex, semiduplex) – legăturile sunt pe 2 sau 4 "fire".

În figura 4.2 este prezentat schematic, un sistem de comunicație pe patru fire ce realizează o legătură permanentă între punctele A și B aflate la distanță.

Fig. 4.2. Schema bloc sistem de comunicație punct la punct A-B bidirecțional.

în care:

ETA – echipament terminal din A;

ETB – echipament terminal din B;

canal – echipament de linie;

E.E – echipament emise;

E.R – echipament recepție

Fiecare echipament terminal ET conține echipamente de emisie și recepție.

Echipamentele de linie conțin repetoare (sisteme analogice) și regeneratoare (sisteme digitale), așezate periodic după o anumită distanță în scopul refacerii semnalelor degradate prin propagare pe "canalul" de comunicație.

În varianta 4 "fire", sensurile de transmisie sunt separate fizic (câte un canal identic pentru fiecare sens ). În varianta pe 2 "fire", există un singur canal intre sursă și destinatar care este folosit în comun pentru ambele sensuri.

Un singur sens AB a1 SC din figura 4.2 este prezentat în figura 4.3 acolo unde sursele S1, S2 … Sn multiplexate, înlocuiesc sursa SA sau SB. Destinatarii D1, D2 … Dn demultiplexați, înlocuiesc sursa B.

O rețea de telecomunicații îndeplinește, în afara funcției de transport a informației (prin SC) și funcția de comutație. În general, o rețea are funcții de prelucrare și transport a informației conform unor reguli numite și protocoale.

Fig. 4.3. Schema bloc sistem de comunicație cu multiplexare (cu un singur sens).

TIPURI DE CABLURI CU FIBRĂ OPTICĂ

În cazul fibrelor optice care au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a luminii transmise, fasciculul luminos circulă prin fibra prin reflexii multiple. Razele care pătrund în fibră sub diferite unghiuri sunt reflectate de un număr variabil de ori, pe măsură ce se deplasează de la un capăt la celălalt al fibrei și, în consecință, nu ajung la capătul îndepărtat cu aceeași relație de fază ca în momentul începerii propagării. Unghiurile diferite de intrare sunt numite moduri de propagare (pe scurt, moduri), iar o fibră care transportă mai multe moduri se numește fibră multimod. Propagarea multimod face ca razele care părăsesc fibra să interfereze atât într-o manieră constructivă, cât și într-una distructivă. Acest efect poartă denumirea de dispersie modală.

Cablurile monomod au mai multe fibre de diametru mic ceea ce implică lungimi de undă a luminii utilizate de 1310 sau 1550 nm, deci surse laser mult mai scumpe.

Fibrele optice monomod au diametru miezului comparabil cu lungimea de undă a radiației laser incidente.

Cablurile multimod se utilizează pe distanțe relativ scurte, de la 10Mbit/secundă până la 10Gbit/secundă și au un diametru mare al secțiunii active ceea ce permite utilizarea unor componente electronice ieftine: LED sau Laser care funcționează la 850 nm.

Fibrele optice multimod au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente.

Distorsiunea multimodală de întârziere apare prin trecerea undelor sub diferite unghiuri, din cauza vitezei diferite de propagare a semnalelor discrete.

Fig. 4.4. Dispersia impulsurilor.

Clasificarea fibrelor în funcție de valoarea unghiului de incidență:

– fibre monomod;

– fibre multimod.

Mijloacele de joncționare a fibrelor optice:

– prin microsudură cu arc electric

– prin conectori optici

– prin conectori multipli

Joncțiunea poate fi permanentă sau demontabilă (figura 16).

Fig. 4.5. Exemplu de linie de transmisie optică.

STRUCTURA CABLULUI CU FIBRĂ OPTICĂ

Fibra optică este un ghid de undă dielectric în gama optică, cu secțiunea circulară, compusă din miez și înveliș, utilizată pentru transmiterea la distanță a purtătoarei optice modulate. Având dimensiuni transversale foarte mici și fiind fragile, fibrele optice trebuie protejate în mod corespunzător, ele intrând în compunerea cablurilor optice.

Fibra optică este realizată dintr-un miez cilindric central cu un indice de refracție mai mare (n1) și un înveliș concentric cu indice de refracție mai mic (n2). Când indicele de refracție n1 al miezului depășește indicele de refracție n2 al învelișului optic concentric, se obține o reflexie totală. Rezultă că toată energia se transmite în mediul mai dens, astfel că miezul devine un canal de propagare a luminii.

Cablul optic conține una sau mai multe fibre optice, precum și elemente de protecție, de asigurare etc, închise într-un înveliș comun. Fiecare fibră optică din compunerea cablului constituie un canal independent de comunicație.

Fig. 4.6. Structură cablu optic.

Fig. 4.7. Elemente componente fibră optică în secțiune transversală.

Principalele componente sunt:

-Miezul fibrei reprezintă mediul prin care are loc propagarea câmpului optic. Are secțiune circulară cu diametrul sub 10 μm la fibrele monomod și 50-60 μm la fibrele multimod. Miezul trebuie să fie cât mai uniform ca dimensiuni, compoziție, mod de variație al indicelui de refracție și să aibă coeficient de atenuare cât mai mic.

-Învelișul reflector este realizat tot din materiale transparente, cu rol de ghidare a câmpului optic prin reflexie internă totală. Diametrul exterior are, de regulă, valoarea cuprinsă între 125 și 200 μm. Dimensiunea sa nu este atât de importantă în ceea ce privește propagarea radiației, dar este importantă în cazurile de aliniere și cuplare a fibrelor între ele.

-Învelișul de protecție este format din unul sau mai multe straturi cu structură cilindrică, cu rol de a proteja fibra și de a atenua radiația care în anumite situații poate scăpa din miez. Primul strat de protecție este un lac polimeric, cu grosimea de câțiva microni și are rol important în asigurarea flexibilității fibrei.

Fig. 4.8. Elemente componente fibră optică.

PARAMETRII FIBRELOR OPTICE

Fig. 4.9. Parametri fibrelor optice.

Parametrii geometrici ai fibrelor optice sunt:

Fig. 4.10. Parametri geometrici ai fibrelor optice.

Unde:

d – diametrul miezului

D – diametrul învelișului (cămașei fibrei)

Dext – diametrul exterior al mantalei de protecție

Parametrii optici ai fibrelor sunt:

Fig. 4.11. Structura fibrelor optice.

Fig. 4.12. Graficul atenuări funcție de lungimea de undă.

AVANTAJELE TRANSMISIEI PRIN FIBRE OPTICE

bandă utilă de frecvență;

utilizarea mai multor purtătoare optice cu lungimi de undă și mesaje diferite care se propagă pe aceeași fibră optică;

dimensiuni și greutate redusă a cablurilor optice (neconductive) în comparație cu cele metalice;

izolare electrică între echipamentele terminale (receptor, emițător) și între acestea și echipamentele de linie (regeneratoare), neexistând probleme de cuplaj între diferitele blocuri electrice;

imunitate la interferențele electromagnetice și lipsa diafoniei;

propagarea prin fibra optică nu este afectată de câmpurile electromagnetice exterioare;

securitate a semnalului;

pierderi reduse în putere optică prin propagare;

fiabilitate, mentenanță facilă, cost redus;

posibilitate de instalare rapidă și sigură în orice condiții datorită greutății reduse.

TRANSMISIE WIRELESS

GENERALITĂȚI

Rețelele wireless (fără fir), constituie un sistem distribuit și unitar de dispozitive wireless capabil să utilizeze o mare varietate de senzori electronici. Fiecare nod al unei rețele de senzori wireless este echipat cu unul sau mai mulți senzori controlați de un microcontroler, un transmițător wireless și o sursă de energie. Rolul microcontrolerului este să conlucreze cu senzorii și cu transmițătorul în așa manieră încât să formeze un sistem eficient care transmită volume relativ mici de date importante cu un consum minim de energie electrică.

Cea mai importantă caracteristică a unei rețele de senzori wireless constă în autonomia ei. În momentul comunicării, microprocesorul inițializează automat comunicația cu toate celelalte noduri de același nivel dând naștere ad-hoc unei bucle de rețea în scopul comunicării informației către și de la un nod poartă. Prin aceasta se elimină necesitatea existenței unei rețele cablate costisitoare și inestetice între noduri. Pentru schimbul de informații între noduri se apelează la algoritmi flexibili caracteristici buclelor rețelei. Se permite prin aceasta ca nodurile să comunice și să primească informații aproape în orice locație. Luând în considerație și faptul că modulele de senzori dispun de surse de alimentare aproape nelimitate, flexibilitatea oferiă de rețelele de senzori wireless conferă un potențial semnificativ aplicațiilor specifice.

Rețelele de senzori wireless prezintă numeroase avantaje în raport cu rețelele traditionale datorită construcției modulare și a posibilitătilor de implementare. O caracteristică importantă constă în prețul de cost scăzut, prin utilizarea microcontrolerelor și a transmițătoarelor de mică putere care sunt relativ ieftine. Acest lucru permite extinderea ariei de aplicabilitate în domeniul comercial și militar, deoarece prețul relativ scăzut al nodurilor permite utilizarea unui număr mare de senzori într-o rețea, dar și piederdea unui mare număr dintre aceștia. De exemplu, nodurile senzoriale pot fi lansate dintr-un avion, permițând acoperirea unui anumit areal cu un minim efort depus în poziționarea individuală a nodurilor. Prețul relativ scăzut al senzorilor permite acceptarea riscului ca un număr dintre ei să fie avariați sau pierduți, fără a compromite întregul sistem cum ar fi în cazul unui sistem mai centralizat de senzori [3].

Un alt avantaj al rețelelor de senzori wireless în raport cu tehnologia de detectare clasică constă în configurația ochiurilor rețelei utilizate. Datorită naturii comunicației RF, transmiterea datelor dintr-un punct în altul prin utilizarea ochiurilor rețelei necesită mai puțină energie decât transmiterea datelor direct între două puncte. Deoarece sistemele încorporate trebuie să-și respecte domeniul, energia totală consumată pentru comunicațiile RF este mai mică în structura ochiurilor rețelei decât în cazul comunicațiilor punct-cu-punct tradiționale.

Rețelele de senzori pot oferi un grad de acoperire mai bun decât tehnologia tradițională de detectare. Profitând de prețul de cost redus al nodurilor și structura rețelelor wireless, utilizatorii pot folosi mai mulți senzori decât le permitea tehnologia tradițională. Prin aceasta se reduce rata globală a zgomotului sistemului, crescând volumul de date utile. Acestea sunt unele dintre motivele pentru care rețelele de senzori wireless oferă posibilități noi și multiple în raport cu tehnologia de detectare tradițională [3].

REȚELE WIRELESS

WiFi acronim de la Wireless Fidelity este o marcă înregistrata de către WiFi Alliance creată în scopul descrierii tehnologiei wireless local area networks – WLAN carfe are la bază standardul IEEE 802.11.

Rețeaua wireless WLAN – Wireless Local Area Networks (WiFi) este acea rețea fără fir, extinsă pe arii destul de limitate, în funcție de echipamentele utilizate și de caracteristicile tehnice (în special puterea) ale acestora. Prin aceste tipuri de rețele pot fi realizate transferuri de date și internet folosind undele radio.

Noile standarde care au precedat specificațiile standardului 802.11, cum ar fi 802.16 (WiMAX), sunt constituite parte integrantă din rețelele actuale. Acestea oferă multe îmbunătățiri începând de la ariile mari de acoperire și ajungând până la viteze mari de transfer.

Există diferențe multiple între rețelele terestre și rețelele wireless radio acestea ducând la beneficii în favoarea rețelelor wireless.

Printre aceste diferențe menționăm:

Spectrul de frecvențe radio pe care îl folosește WiFi nu are nevoie de licență în concluzie nu necesită aprobare pentru utilizare așa cum este necesară sistemelor radio.

Datorită implementării rețelelor locale WLAN fără utilizarea cablurilor, se reduc costurile necesare dezvoltării rețelei precum și a evitării obstacolelor printre care o problemă importantă este constituită din locurile inaccesibile care nu pot fi cablate.

Rețelele WLAN suportă roaming astfel permițând clienților să se mute în puncte de acces diferite, din aceeași locație sau zonă geografică, atât cât permite aria de desfășurare a rețelei.

Permit conectări variate a utilizatorului, prin intermediul plăcilor WiFi PCMCIA, PCI, USB sau a diverselor sisteme WiFi 802.11b sau 802.11g integrate în majoritatea laptopurilor moderne.

Această tehnologie a fost concepută și proiectată în scopul de a fi folosită de dispozitivele mobile precum laptopurile dar și pentru multe alte servicii incluzând aici și servicii de Internet, voce sau servicii pentru conectarea televizoarelor, camerelor digitale sau DVD playerelor.

La ora actuală o infrastructură wireless poate fi realizată cu cheltuieli mult mai mici decât una tradițională pe cablu.

Rețeaua devine mai valoroasă pe măsură ce tot mai mulți oameni se conectează la ea. Accesul la Internet le da utilizatorilor posibilitatea de a socializa fiind localizați în orice zonă a lumii.

Chiar și fără accesul la Internet comunitățile legate la rețele wireless se bucură de avantaje precum:

colaborări la diferite proiecte cu intindere geografică mare folosind comunicații vocale, e-mail–uri și transmisii de date, în final cu costuri mici.

Wireless LAN, cunoscut sub denumirile de WLAN, 802.11 sau WiFi este cea mai recentă metodă de conectare care a cunoscut în ultimii ani o creștere a popularității, fără precedent. Aceasta popularitate se datorează în principal din lipsa cablurilor acest lucru ducând la mobilitate, o caracteristică primordială în zilele actuale.

Componenta principală a rețelei wireless este un echipament care se numește punct de acces. El este un releu ce emite și receptează unde radio către, respectiv de la dispozitivele din raza sa de acțiune.

În figura 5.1 este prezentată o topologie a retelei wireless în care poate fi vizualizată componenta principală a sa și anume, blocul Access Point.

În figuura.5.1 se prezintă o rețea cu două puncte de accesamplasate în zone diferite (de exemplu la în birouri/încăperi diferite aflate la etaje diferite).

Fig. 5.1. Rețea wireless.

Dezavantajul acestor tipuri de retele constă în vulnerabilitatea acesteia la interceptări neautorizate. În acest scop producătorii echipamentelor de comunicații au conceput modalități de criptare a informațiilor, care să le facă inaccesibile eventualilor intruși.

Securitatea rețelelor wireless este un subiect deschis, deoarece din motive de neinformare a utilizatorilor sau din motive de neprofesionalism al administratorilor, protecția nu este întotdeauna activată.

LEGISLAȚIA ÎN DOMENIU – STANDARDELE IEEE 802.11

Standardul IEEE 802.11 a fost inițiat în 1990 și finalizat în 1997 pentru a acoperi rețelele care asigură conexiuni wireless între stații fixe, portabile și în mișcare pe arie locală.

Există o serie de variante wireless din care utilizatorii pot alege precum IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEEE802.11g și IEEE802, IEEE802.11c, IEEE802.11d, IEEE802.11e, IEEE802.11f. Aceste standarde sunt prezentate în tabelul 5.1.

Tab. 5.1. Prezentare generală standarde IEEE802.11.

Fig. 5.2. Standarde wireless.

În figura 5.2 se prezintă poziția standardul WiFi într-o așezare globală a standardelor wireless.

Tehnologii

Tehnologia wireless joacă un rol important în networking și comunicații deoarece oferă două facilități fundamentale: mobilitate și acces. În prezent, IEEE 902.16-2004/802.16e (WiMAX portabil și mobil) și LTE 3GPP sunt două tehnologii radio mobile de bandă mare.

Principalele caracteristici ale unei rețele wireless ideale sunt:

abilitatea de a furniza servicii de voce, audio și video pe lângă serviciul de date;

permiterea comunicării dispozitivelor cu diferite prețuri și consum de putere mic;

alocarea unui spectru de frecvențe eficient și dinamic între dispozitive.

Din punct de vedere istoric, ca și în cazul rețelelor cu fir, implementarea tehnologiei wireless a avut două servicii importante: voce și date. Vocea a fost cea dintâi implementată, urmată apoi de serviciul de date.

Toate standardele wireless au fost dezvoltate de către IEEE 802 Working Groups. Aproape toate tehnologiile wireless suportă rate de transfer multiple, de exemplu, IEEE Std 802.11b suportă o rată de transfer de 1 Mb/s, 2 Mb/s și 5.5 Mb/s, IEEE Std 802.11a suportă o rată de transfer cuprinsă între 6 Mb/s și 54 Mb/s. Pentru a îndeplini condiția b) pentru cazul rețelelor wireless ar trebui ca dispozitivele IEEE Std 802.11a care pot comunica numai la 6 Mb/s să coste la fel ca dispozitivele care pot comunica la 54 Mb/s.

Spectrul de frecvențe eficient și dinamic este necesar deoarece spectrul electromagnetic este limitat și împărțit cu alte dispozitive wireless. Protocoalele folosite au capacitatea de a detecta dacă o bandă de frecvențe este folosită de un alt dispozitiv, iar în acest caz să poată face realocarea la o altă bandă de fecvențe. Chiar și asa, standardele nu au o fexibilitate completă, de exemplu, dispozitivele IEEE 802.11a care comunică numai la 6 Mb/s ocupă aceeași bandă pe care o ocupă un dispozitiv care comunică numai la 54 Mb/s.

Cum nu se poate implementa o rețea wireless ideală, s-a ajuns la trei tehnologii diferite, fiecare proiectată cu un anumit scop: WLAN ( Wireless Local Area Network), WPAN ( Wireless Personal Area Network) si BWA (dispozitivele BroadBand Wireless Access), numite, de asemenea, și WMAN ( Wireless Metropolitan Area Networks).

Rețelele WLAN sunt realizate pentru comunicațiile de arie mică – aproximativ până la 10 m. Rețelele WLAN sunt făcute să funcționeze până la 100 m. Rețelele WMAN sunt construite pentru distanțe mai mari – până la câțiva kilometri.

Rețelele wireless se împart în două clase importante, factorul decisiv fiind frecvența de bandă. Tehnologiile moștenite folosesc banda de 2.4 GHz, în timp ce variantele ulterioare folosesc banda mai lată, de 5 GHz.

Prima clasa include standardul The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11b (11 Mbps) și succesorul sau, 802.11g (54 Mbps). Aceasta primă clasă este, în prezent, cea mai frecventă opțiune.

Pe de alta parte, 802.11a și 802.11h, ambele putând să obțină o rata nominală de 54 Mbps, operează în banda de 5 GHz.

IEEE802.11b – a fost ratificat de IEEE în 16 septembrie 1999 și este cel mai popular protocol de rețea wireless utilizat în prezent. Utilizează tipul de modulație DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Operează în banda de frecvențe ISM – Industrie, Știință, Medicină. Nu sunt necesare licente atât timp cât se utilizează aparatura standardizată. Limitările sunt: puterea la ieșire de până la 1 watt iar modulațiile numai de tipul celor care au dispersia spectrului cuprinsă între 2,412 și 2,484 GHz. Are o viteza maxima de 11 Mbps cu viteze utilizate în prezent de aproximativ 5 Mbps.

IEEE802.11g a fost ratificat in iunie 2003. In ciuda startului intârziat, acest protocol este, in prezent, de facto protocolul standard in retelele wireless, deoarece este implementat practic pe toate leptopurile care au placa wireless si pe majoritatea celorlalte dispozitive portabile. Foloseste aceeasi subbanda de frecvente din banda ISM ca si 802.11b, dar foloseste tipul de modulatie OFDM (Orthogonal Frecvency Division Multiplexing). Viteza maxima de transfer a datelor este de 54 Mbps, cu implementari practice la 25 Mbps. Viteza poate cobori pâna la 11 Mbps sau chiar la valori mai mici, trecând la tipul de modulatie DSSS, pentru a se realiza compatibilitatea cu mult mai popularul protocol 802.11b.

IEEE802.11a a fost ratificat de IEEE in 16 septembrie 1999. Utilizeaza tipul de modulatie OFDM. Are o viteza maxima de 54 Mbps cu implementari de pâna la 27 Mbps. Opereaza in banda ISM intre 5,745 si 5,805 GHz si in banda UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) intre 5,170 si 5,320 GHz. Aceasta il face incompatibil cu 802.11b sau 802.11g. Frecventei utilizate mai mari ii corespunde o bataie mai mica la aceeasi putere de iesire si, cu toate ca in subgamele utilizate spectrul de frecvente este mai liber in comparatie cu cel din jurul frecventei de 2,4 GHz, in unele zone din lume, folosirea acestor frecvente nu este legala. Utilizarea unui echipament bazat pe acest protocol in exterior se poate face numai dupa consultarea autoritatilor locale. De aceea, echipamentele cu protocolul 802.11a, cu toate ca sunt ieftine, nu sunt nici pe departe la fel de populare ca cele cu 802.11b/g.

IEEE802.11h, care este numita in SUA o “problema de compatibilitate in Europa”, este varianta europeana a standardului american. Cele mai importante functionalitati ale acesteia sunt selectarea dinamica a frecventei si puterea variabila a transmitatorului, pe care European Telecommunications Standards Institute (ETSI) o mandateaza pentru piata europeana pentru a se asigura ca sistemele au o putere a transmitatorului rezonabila.

IEEE802.11c specifica metode de wireless bridging, adica, metode de conectare a unor tipuri diferite de retele prin mijloace wireless.

IEEE802.11d este numit si “World Mode”: acest lucru se refera la diferentele regionale din tehnologii, de exemplu cât de multe si care canale sunt disponibile pentru utilizare si in care regiuni ale lumii. Ca user, trebuie doar sa numiti tara in care doriti sa folositi placa WLAN si driverul se ocupa de restul.

IEEE 802.11e defineste Quality-of-Service si extensiile streaming pentru 802.11a/ h si g. Scopul este de a imbunatati retelele de 54 Mbps pentru aplicatii multimedia si Voice over IP, adica, telefonie prin retele IP si internet. Pentru a fi utilizate cu multimedia si voce, reteaua rebuie sa suporte ratele garantate pentru fiecare serviciu, cu intârzieri minime de propagare.

IEEE802.11f descrie metodele de schimbare a standardului (“Roaming”) intre access point-uri, iar IAPP, Inter Access Point Protocol, se ocupa de detalii.

Standarde de securitate

IEEE802.11i a fost conceput pentru a solutiona problemele de securitate existente in domeniu pâna in momentul acela. Integreaza tot ce poate oferi lumea securitatii. Printre principalele functionalitati ale 802.11i se numara autentificare IEEE 802.1x, cu Extensible Authentication Protocol (EAP), RADIUS si Kerberos, precum si criptare bazata pe algoritmul Rijndael AES.

Complexitatea standardului IEEE802.11i a facut ca acesta sa fie extrem de greu de finalizat: standardul a fost in cele din urma lansat de IEEE dupa un dificil proces de negociere, in vara lui 2004. Durata etapei de standardizare pentru 802.11i arata cât de preocupati de problema securitatii sunt acum producatorii si organizatiile. Ratiunea acestei griji este dezastrul aproape total care a inconjurat prima tehnica standardizata de criptare pentru WLAN-uri, cunoscut sub numele de standardul Wireless Equivalent Privacy (WEP). WEP se bazeaza pe un cifru RC4, cu chei statice si un Initialization Vector (IV), care este modificat pentru fiecare pachet dintr-o transmisie. WEP avea unele puncte slabe foarte importante, in implementarea IV, iar acestea le permiteau atacatorilor care puteau intercepta un numar suficient de mare de pachete de date, sa reconstruiasca cheia. De fapt, exista instrumente de analiza care se ocupa automat de aceasta sarcina.

Anterior introducerii 802.11i, producatorii de WLAN au incercat sa compenseze inerentele vulnerabilitati ale WEP prin intermediul unei solutii provizorii, cunoscuta ca Wi-Fi Protected Access (WPA), dezvoltata sub egida Wi-Fi Alliance. Cele mai importante functionalitati ale WPA sunt Weak Key Avoidance (“WEPplus”), autentificare

EAP-enabled si Temporal Key Integrity Protocol (TKIP). TKIP este conceput astfel incât sa evite principalele deficiente ale WEP, inlocuind cheia statica cu chei modificate in mod dinamic si implementând o verificare a integritatii mult imbunatatita. Din ratiuni de compatibilitate, TKIP foloseste tot cifrul RC4.

WPA2 este termenul pe care Wi-Fi Alliance il foloseste pentru a face referire la implementarea tuturor componentelor obligatorii ale standardului 802.11i.

Probleme de compatibilitate

In cazul in care nu este configurat un WLAN complet nou, va trebui probabil sa se acorde atentie compatibilitatii cu device-urile 802.11b existente. [18]

IEEE802.11g are câteva lucruri, device-urile 802.11b si 802.11g folosesc aceeasi frecventa, aceeasi tehnica de modulatie si acelasi domeniu, asadar operatiile mixte nu sunt o problema. Insa, compatibilitatea afecteaza performanta: daca o singura componenta 11b se asociaza cu o retea 11g, rata sistemului scade imediat de la 54 Mbps la 11 Mbps. Operatiile mixte cu componente 802.11b si g, dar si cu device-uri 11g mai noi si mai vechi, pot cauza unele probleme. Standardul de securitate WLAN 802.11i nu a fost introdus pâna in vara anului 2004. Retelele wireless mai vechi suporta, de obicei, doar metoda WEP si necesita o protejare suplimentara a retelei, cu ajutorul tehnologiilor VPN. Unii producatori de device-uri care suporta un subset al 802.11i WPA ofera upgrade-uri firmware la 802.11i/ WPA2.

Asa-numitele produse Dual-Band/Triple-Mode ajuta la evitarea problemelor de compatibilitate chiar de la inceput. Aceste sisteme suporta operatiuni in banda de 2.4 si 5 GHz si toate cele trei tehnologii de baza: 802.11a, 802.11b si 802.11g. Din punct de vedere al unei tehnologii radio, nu exista obstacole pentru interoperarea cu alta componenta WLAN. Wi-Fi Alliance a introdus eticheta “Wi-Fi certified” pentru a asigura interoperarea fara probleme intre sisteme LAN de la producatori diferiti. Inainte de a primi aceasta aprobare, produsele trebuie sa-si probeze conformitatea cu standardele curente, prin intermediul unei suite de teste, si sa-si demonstreze interoperabilitatea cu device-uri de la alti producatori. Wi-Fi Alliance acorda aceasta certificare sistemelor 2.4 GHz cu viteze de 11 si 54 Mbps si sistemelor 54 Mbps 5 GHz pentru WPA, WPA2 si WMM.

WMM inseamna Wi-Fi Multimedia si indica conformitatea cu 802.11e.

STRUCTURI/CONFIGURAȚII POSIBILE

In WLAN unitatea adresabila este o statie (STA), destinatie a mesajului si care, in general, nu este o locatie fixa. Nivelul fizic este diferit fata de cel al retelelor cu fire:

utilizeaza un mediu de transmisiune care nu are margini absolute, dincolo de care tranceiverele n-ar fi capabile sa receptioneze;

nu este protejat impotriva unor semnale externe;

comunicatia se desfasoara pe un mediu mult mai putin fiabil decât cel cu fire;

are topologii dinamice;

lipsa unei conectivitati totale (nu orice statie poate "auzi" oricare alta statie);

are proprietati de propagare variabile in timp si asimetrice.

Standardul IEEE802.11 permite interoperabilitatea sistemelor WLAN, acestea putand fi interconectate cu retele de tipul IEEE 802.3 (Ethernet) sau IEEE 802.5 (token-ring).

Elementul de baza este celula acoperita de un echipament similar statiei de baza din comunicatiile mobile numita, aici, Punct de Acces (AP – Acces Point).

Fig. 5.3. Acoperirea cu semnal de la un Access Point.

DSS = Digital Spread Spectrum

Raza de actiune a fiecarui punct de acces radio determina o celula sau in termenii IEEE 802.11 un BSS (Basic Service Set).

Mai multe celule sunt conectate intre ele, printr-o retea de distributie, realizata de obicei prin cablu, formând un ESS (Extended Service Set) sau un domeniu.

In acest domeniu un calculator mobil (un client) se poate deplasa de la o celula la alta fara a pierde conexiunea cu reteaua. Aceasta este semnificatia termenului de roaming.

In acest scop statia mobila:

va monitoriza permanent calitatea legaturii cu celula folosita.

va incepe cautarea de noi celule atunci când calitatea comunicatiei scade sub un prag prestabilit

va folosi un ID diferit in fiecare celula, acesta fiind impus de catre sistem.

Fig. 5.4. Stații client și server wireless.

Fig. 5.5. Rețea cu mai multe celule.

Fig. 5.6. Rețea locală utilizând un router wireless.

COMPONENTE PRINCIPALE ALE REȚELEI

Setul serviciului de baza BSS – Basic Service Set)

Datorită limitărilor privind nivelul fizic de acoperire radio, rețelele wireless care trebuie să acopere distanțe geografice rezonabile pot fi compuse din blocuri de baza numit setul serviciului de baza – BSS. În figura 5.7 sunt prezentate două seturi BSS, compuse fiecare din două stații, forma ovală indicând, simbolic, aria acoperită, în care stațiile membre ale BSS pot ramâne în comunicație. Dacă o stație iese din această arie, ea nu mai poate comunica cu celelalte stații membre ale aceluiași BSS. [18]

Fig. 5.7. Seturile serviciului de bază.

Conform standardului IEEE802.11 se disting douaătipuri de rețele locale:

rețele ad-hoc;

rețele infrastructurale

Un BSS independent (IBSS – Independent BSS) reprezintă cel mai semnificativ tip de bază al rețelei IEEE802.11. O retea IEEE 802.11 minimă poate fi formată din numai două stații. Deoarece acest tip de rețea IEEE802.11 se formează adesea fără o planificare, numai pentru un interval de timp cât este necesară, mai este numită rețea ad hoc.

Asocierea dintre o STA și un BSS este dinamică: statia poate fi alimentată, nealimentată, poate ieși din aria de acoperire BSS sau poate intra în această arie. Pentru ca o stație să devină membru al unei infrastructuri BSS, ea trebuie sa devină asociată, asociere care este dinamică și implică utilizarea serviciului sistemului de distribuire (DSS – Distribution System Service).

Sistemul de distribuire – DS

Pentru unele rețele comunicația directă stație – stație nu este posibilă din cauza distanței. În aceste cazuri un BSS, în loc sa fie independent, poate fi o componenta a unei rețele extinse, formată din mai multe BSS-uri, elementul utilizat pentru a le interconecta fiind numit sistem de distribuire prezentat în figura 5.8. [18]

Fig. 5.87. Sisteme de distribuție și puncte de acces.

Sistemul de distribuție furnizează serviciile logice necesare integrării mai multor BSS-uri. Un punct de acces simbolizat AP – Acces point, este o stație care asigură accesul la DS, furnizând serviciile DS și funcționând ca o stație. Datele sunt transferate între un BSS și un DS prin intermediul unui AP. Toate punctele de acces sunt de asemenea, stații, deci ele sunt entități adresabile. Un DS și mai multe BSS formează o rețea wireless, de mărime și complexitate arbitrare. O astfel de retea este numita setul serviciului extins (ESS – Extended Service Set).

O rețea ESS este vazută de subnivelul LLC la fel cum este văzută o rețea IBSS. Stațiile din cadrul unei rețele ESS pot comunica și stațiile mobile se pot deplasa de la un BSS la altul, în aceeași rețea ESS, în mod transparent față de LLC.

În standardul IEEE802.11 nu se menționează nimic în legatură cu locațiile fizice relative ale BSS – urilor (ele se pot suprapune partial, pot fi disjuncte, distantele intre BSS – uri nu sunt limitate).

Integrarea cu celelalte rețele locale cablate

Pentru conectarea cu alte tipuri de retele locale cablate este utilizat un portal, care este componenta logică arhitecturala reprezentând punctul logic prin care unitățile de date ale serviciului MAC dintr-o rețea locală cu fire sunt transferate în arhitectura standardului IEEE 802.11 (în sistemul de distribuire) și invers, conform figurii 5.9. [18]

Fig. 5.9. Conectarea la alte tipuri de rețea LAN.

Este posibil ca un echipament sa functioneze simultan ca un AP si ca un portal; acesta poate fi cazul când un DS este implementat din componentele LAN IEEE 802. Portalul interconecteaza mediul de transmisiune al sistemului de distribuire si cel al LAN cu fire.

In figura 9 se reprezinta un ESS format din doua BSS – uri, un DS si acces printr-un portal la o retea LAN cu fir.

ARHITECTURA STANDARDULUI IEEE802.11

Arhitectura logică a rețelei IEEE802.11 este prezentată în diagrama bloc din figura 5.10.

Fig. 5.10. Arhitectura IEEE802.11.

BIBLIOGRAFIE

[1]. Wireless Communication Standars: A Study of IEEE 802.11, 802.15, 802.16, Todor Cooklev, Publicata de Standard Information Network, Wiley, 2011

[2]. The evolution of mobile teaching and learning , Retta Guy, Ed Informing Science Press, 2009

[3]. J. S. Wilson, “Sensor technology handbook”, Oxford Elsevier’s Science & Technology, 2005.

[4]. M. Ilyas, I. Mahgoub, “Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems”, CRC Press, 2000.

[5]. W. Dargie, C. Poellabauer, “Fundamentals of Wireless Sensor Networks. Theory and Practice”, John Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2010.

[6]. I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Computer Networks, 38 (2002), p. 393 – 422.

[7]. C. Herring, S. Kaplan, “Component-based software systems for smart environments”, IEEE Personal Communications, October 2000, p. 60 – 61.

[8] G. Hoblos, M. Staroswiecki, A. Aitouche, “Optimal design of fault tolerant sensor networks”, IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, AK, September 2000, p. 467 – 472.

[9]. N. Bulusu, D. Estrin, L. Girod, J. Heidemann, “Scalable coordination for wireless sensor networks: self-configuring localization systems”, International Symposium on Communication Theory and Applications (ISCTA 2001), Ambleside, UK, July 2001.

[10]. A. Perrig, R. Szewczyk, V. Wen, D. Culler, J.D. Tygar, “SPINS: security protocols for sensor networks”, Proceedings of ACM MobiCom’01, Rome, Italy, 2001, p. 189 – 199.

[11]. B., Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press 2005

[12]. GAITAN Nicoleta Cristina, s.l.dr.ing. Facultatea de Inginerie Electrica si Stiinta Calculatoarelor

[13]. Wireless Communication and Networks 3G and Beyond , Iti Saha Misra Ed. McGraw Hill Education, 2009

[17]. Curs urmat in cadrul Facultatii de Inginerie electrica : Microcontrolere și automate programabile, Titular de curs Prof.dr.ing. Valentin Navrapescu

[18].Ion Banica, Comunicatii Intre Calculatoare, Politehnica București.