Ім'я файлу: Телекоммуникации лекция 11.docx
Розширення: docx
Розмір: 1989кб.
Дата: 21.03.2021
скачати
Пов'язані файли:
Телекоммуникации лекция 1.docx
мікро 4.docx
Розширення: docx
Розмір: 1989кб.
Дата: 21.03.2021
скачати
Пов'язані файли:
Телекоммуникации лекция 1.docx
мікро 4.docx
Модуль 2
Лекция 3
Технологии беспроводных сетей
Повсеместное распространение беспроводных сетей в последние годы пробуждает разработчиков задуматься о новых стандартах связи, предусматривающих всё более высокие скорости соединения. Существуют различные типы беспроводных сетей, отличающиеся друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных.
1. Технология расширения спектра (SS)
На физическом уровне стандартом IEEE 802.11 предусмотрено два типа радиоканалов — DSSS и FHSS, различающиеся способом модуляции, но использующие одну и ту же технологию расширения спектра.
Основной принцип технологии расширения спектра (SpreadSpectrum, SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.
Для того, чтобы послать радиосигнал большой мощности в СВЧ-диапазоне, нужен дорогостоящий передатчик с усилителем и дорогостоящая антенна большого диаметра. Для того, чтобы принять без помех сигнал малой мощности, также нужна дорогая большая антенна и дорогой приемник с усилителем.
Так происходит при использовании простого, узкополосного радиосигнала, когда передача происходит на одной определенной частоте, а точнее, в узкой полосе радио-спектра, окружающей эту частоту (частотном канале) Рис 1.1 и Рис 1.2. Простым называется сигнал, у которого произведение занимаемой им полосы частот F на длительность сигнала T равно FT=B≈1.Картину усложняют еще и различные взаимные помехи между узкополосными сигналами большой мощности, передаваемыми близко друг от друга или на близких частотах. В частности, узкополосный сигнал может быть просто заглушен (случайно или намеренно) передатчиком достаточной мощности, настроившимся на ту же частоту.
Именно эта незащищенность от помех обычного радиосигнала вызвала к жизни разработку, совершенно иного принципа радиопередачи, называемого технологией широкополосного сигнала, или шумоподобного сигнала (обоим вариантам термина соответствует англоязычное написание SpreadSpectrum «расширенный спектр»).
Идея расширенного спектра состоит в том, что для передачи информации используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется по сравнению с обычным узкополосным модулированным сигналом. Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с помощью дополнительной ступени модуляции. В результате чего уменьшается среднее значение спектральной плотности мощности сигнала благодаря распределению энергии в полосе частот, более широкой, чем необходимо для обеспечения заданной скорости передачи, а также обеспечивается ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связанна с передаваемым сообщением.
Широкополосные системы находят применение благодаря следующим потенциальным преимуществам:
Повышенной помехоустойчивости;
Возможности обеспечения кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе
Энергетической скрытности благодаря низкому уровню спектральной плотности;
Защищенности связи;
Способности противостоять воздействию преднамеренных помех;
Повышенной пропускной способности и спектральной эффективности в некоторых сотовых системах персональной связи;
Низкой стоимости при реализации;
В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы.
Системы прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS)
Cистемыс перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), (FrequencyHoppingSpectrum - FHSS)
Системы множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA))
И другие.
В подвижных системах радиосвязи и беспроводных локальных сетях находят широкое применение методы прямого расширения спектра (DSSS), перестройки рабочей частоты (FHSS), перестойкирабочейчастоты (FHSS), расщирения спектра с контролем несущей (CSMA/CA). Эти методы предусматриваются стандартом 802.11 (Radio-Ethernet)
Краткое описание стандатра IEEE 802.11
После семи лет работы, утвержденный в 1997 году Институтом Инженеров Электроники и Электротехники (IEEE) стандарт IEEE 802.11, призван урегулировать технологию передачи данных в беспроводных сетях, обеспечить взаимодействие устройств от разных производителей, и, как следствие, удешевить используемое оборудование
В данном стандарте определены правила взаимодействия беспроводных клиентов друг с другом и с точками доступа в локальную сеть.
Рассмотрим более подробно методы передачи:
Первый тип радиоканала — FrequencyHoppingSpreadSpectrum (FHSS) Radio PHY c прыгающей частотой. Этим методом предусмотрена скорость передачи 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с). Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссову частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK). При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссову закону от номинального значения до значения +170 кГц и возвращается к номинальному значению. Для передачи нуля частота сигнала изменяется на величину –170 кГц. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты (+225, +75, –75, –225 кГц), поэтому каждая элементарная посылка (символ) переносит два бита сообщения. Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц, независимо от скорости передачи. Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне от 2402 до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для расширения спектра частота сигнала изменяется по псевдослучайному закону не реже одного раза в 400 мс. (Рис 1.3)
Р
Рис 1.3. Карта перестройки частоты FHSS
Количество вариантов смены частот легко определить, пользуясь следующими простыми рассуждениями. Допустим, имеется набор из N частот для передачи. Тогда первая частота может быть выбрана N способами, для выбора второй остается (N-1) вариантов, для третьей - (N-2) и т.д. Последняя, N-ая частота, выбирается единственным способом. Таким образом, количество комбинаций частот для передачи методом FHSS равно N!. Для рекомендованного стандартом количества частот N=79 количество вариантов выбора порядка их следования имеет астрономическое значение. В общем случае, вероятность принять сигнал FHSS злоумышленником обратна этой величине, т.е. такое событие практически невозможно. Следовательно, при методе FHSS обеспечивается дополнительная защита передаваемой информации на уровне физического канала.
Единственная трудность заключается в следующем: Порядок следования частот должен быть одинаковым на передающей и приемной сторонеили у всех устройств сети при сетевом варианте использования. Это достигается одинаковой настройкой аппаратуры и передачей синхросигналов, определяющих моменты начала очередного цикла смены частот.
Второй тип радиоканала — DirectSequenceSpreadSpectrum (DSSS) Radio PHY (с прямым расширением спертра).В этом варианте предусматривается передача со скоростями 1 и 2 Мбит/с. При скорости передачи 1 Мбит/с используется двоичная фазовая манипуляция — BinaryPhaseShiftKeying (BPSK). Единичный бит представляется 11-элементным кодом Баркера вида 11100010010, а нулевой бит — инверсным кодом Баркера.
Рис 1.4. Кодирование информации 11-разрядным кодом Баркера и перенос его на несущую частоту (DSSS сигнал)
При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульса длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса и описывается формулой
Ч
ем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала (то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приёмной стороне в условиях шума), можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода.
Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с уширением спектра сигнала, уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции, под этим термином в математике понимают степень взаимоподобия двух функций, то есть насколько две различные функции похожи друг на друга. Соответственно под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Например, если некоторая функция зависит (меняется) от времени и эта зависимость выражается в виде f(t), то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени t0 и в момент времени t0+τ. Степень соответствия этих двух функций друг другу в различные моменты времени и называется автокорреляцией. При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определённый временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. Таким образом, функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на самоё себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных (но не единственная) таких последовательностей - код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются, соответственно, прямая и инверсная последовательности Баркера.
В приёмнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника. Основной смысл использования кода Баркера заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.
Элементарные символы кода Баркера не переносят информации, биты передаются сразу всем кодом Баркера – прямым или инверсным.
Это позволяет придать сигналу свойства шума, обеспечивающие помехоустойчивость.Ширина спектра такого сигнала составляет 22 МГц.
Для скорости 2 Мбит/стандарт предусматривает квадратурную фазовую манипуляцию – QPSK. На длительности символа сообщения в этом случае передаются два бита. Для этого необходимо уже не два, а четыре различных сигнала. Поэтому вместе с основным несущим колебанием используется дополнительное, сдвинутое относительно него по фазе на 90°. Фаза каждого из этих колебаний управляется прямой или инверсной последовательностью Баркера, и оба колебания складываются. Таким образом, на длительности символа сигнал имеет четыре степени свободы, позволяющие передавать два бита. При этом скорость передачи увеличивается вдвое при сохранении той же полосы частот, что и при двоичной передаче.
На самом деле полоса частот которую занимает DSSS сигнал равна 44 МГц, т.к. при использовании узкополосной технологии требуется полоса частот 4 МГц. При переходе к технологии DSSS полоса частот расширяется в 11 раз. Это кажущееся несоответствие легко понять, если внимательно посмотреть на спектр сигнала с DSSS, показанный на рис. 1.6. По 25% полосы частот слева и справа заняты маломощными спектральными составляющими, которые обрезаются в передатчике, в результате ширина спектра передаваемого сигнала уменьшается вдвое и становится равной 22 МГц. Отсечение этих спектральных составляющих приводит к незначительному искажению формы передаваемого сигнала, практически не влияющему на качество передачи.
Рис. 1.6 Сравнение спектров узкополосного сигнала и сигнала с DSSS
В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера, в результате он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, примерно в 11 раз меньшая по мощности помехи, действующей на входе приемника. В результате демодуляции полученного узкополосного сигнала, выполняемой с помощью обычного демодулятора, выделяется передаваемое сообщение. Главной проблемой, возникающей при решении этой задачи, является обеспечение синхронизации приемника по передаваемому сигналу. На уровне физического канала необходимо обеспечить синхронизацию по фазе несущего колебания, тактовой частоте кода Баркера и тактовой частоте сообщения. Для решения этой задачи передатчик не реже, чем один раз за 100 мс передает специальный синхросигнал. При плохом качестве канала частота передачи синхросигнала может быть увеличена изменением соответствующего пункта в меню настройки аппаратуры.
Применение технологии DSSSпозволяет также эффективно бороться с интерференционной помехой, возникающей в результате отражения сигнала от стен и местных предметов, что особенно актуально для закрытых помещений.