КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция 8 Беспроводные технологии передачи данных Санкт-Петербург, 2012 Александр Масальских

Б ЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ 90-е годы XIX века – первые эксперименты по передаче телеграфных сообщений с помощью радиосигналов. 20-е годы XX века – применение радио для передачи голоса. Мобильная беспроводная связь и фиксированная беспроводная связь. Середина 90-х годов XX века – появление технологий мобильных компьютерных сетей. Каждый узел оснащён антенной, которая соединена с приёмником и передатчиком. Антенны имеют разную диаграмму направленности.

Б ЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ Антенны делятся на направленные (Уда-Яги) и ненаправленные (например, изотропные) Электромагнитные волны, излучаемые идеальным излучателем распространяются во всём пространстве. Таким образом, пространство может считаться разделяемой средой. Беспроводная среда является ненаправленной.

Д ИАПАЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРА

0 – 300 ГГц радиодиапазон (в терминах ITU) 200 кГц – 300 МГц широковещательное радио Микроволновые системы Системы инфракрасных волн Системы видимого света

Р АСПРОСТРАНЕНИЕ ЭМ ВОЛН Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи данных Чем выше частота, тем хуже сигнал проникает через препятствия. Для очень высоких частот и инфракрасного и видимого диапазона возможность передачи ограничивается зоной прямой видимости (Line Of Sight, LOS) Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала от источника (в свободном пространстве пропорционально произведению квадрата расстояния на квадрат частоты)

Р АСПРОСТРАНЕНИЕ ЭМ ВОЛН Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Большая дальность. От 2 до 30 МГц отражаются от ионосферы (могут распространятся на ещё большую дальность). Свыше 30МГц – сигналы прямой видимости. Свыше 40 ГГц – энергия сильно поглощается водой. Современные технологии требуют высокой скорости, следовательно высокие частоты. Требуется учитывать переотражения в микроволновом диапазоне

Р АСПРОСТРАНЕНИЕ ЭМ ВОЛН Дифракция – явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. если размер неоднородностей среды много меньше длины волны, то в таком случае дифракции проявляет себя в виде эффекта рассеяния волн.

Р АСПРОСТРАНЕНИЕ ЭМ ВОЛН Эффект многолучевого распространения сигнала (отраженный сигнал может прийти в обратной фазе и подавить основной). Эффект межсимвольной интерференции. Многолучевое замирание (multipath fading) или интерференционное замирание. В городах многолучевое замирание приводит к ослаблению сигнала, пропорционально не квадрату расстояния, а кубу или четвертой степени.

С ОЕДИНЕНИЯ ТОЧКА - ТОЧКА Радиорелейные линии связи (РРЛ) – один из видов радиосвязи, образованной цепочкой приёмо- передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц). По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот: 1. местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц 2. внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц 3. магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

С ОЕДИНЕНИЯ ТОЧКА - ТОЧКА

Соединения точка-точка двух станций посредством инфракрасного диапазона (ИК- порт) или посредством микроволнового диапазона. Соединения посредством атмосферных лазеров.

С ОЕДИНЕНИЯ POINT - TO - MULTIPOINT Один источник и несколько приемников. Источник называют базовой станцией (Base Station, BS). Такая схема используется как для мобильного, так и фиксированного доступа. Разбиение пространства на сектора или соты.

С ОЕДИНЕНИЯ POINT - TO - MULTIPOINT

С ОЕДИНЕНИЯ M ULTIPOINT -T O -M ULTIPOINT Сразу все станции в беспроводной сети являются и приёмниками и передатчиками. Единая базовая станция отсутствует. Требуется распределённый алгоритм доступа к разделяемой среде. Первая сеть, построенная по такой архитектуре – ALOHA Микроволновой и инфракрасный диапазоны

С ПУТНИКИ СВЯЗИ 1957 год – первый искусственный спутник земли (СССР) 1962 год – первый телекоммуникационный спутник (600 каналов связи, США) 1965 год – первый советский спутник связи Молния-1-01 Орбиты: Геостационарная (GEO) км Средневысотная (MEO) 5000 – км Маловысотная (LEO) 100 – 1000 км

С ПУТНИКИ СВЯЗИ. Г ЕОСТАЦИОНАРНАЯ ОРБИТА Максимально число спутников – 180. Высокое время задержки – мс. Большие потери Постоянное положение (легко направлять антенны наземных станций) Большая область постоянного покрытия Плохое покрытие широт, близких к полюсам Солнечная интерференция

С ПУТНИКИ СВЯЗИ. С РЕДНЕОРБИТАЛЬНЫЕ СПУТНИКИ Диаметр покрытия от до км Задержка 50 мс GPS (Global Positioning System): 31 спутник ГЛОНАСС: 31 спутник, 24 в работе

С ПУТНИКИ СВЯЗИ. Н ИЗКООРБИТАЛЬНЫЕ СПУТНИКИ Диаметр покрытия до 8000 км Задержка мс Трение атмосферы – малый срок службы Iridium, Globalstar Период оборота всего часа Время видимости наземной станцией – всего 20 минут

С ПУТНИКИ СВЯЗИ. Д ИАПАЗОНЫ

Т ЕХНОЛОГИЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА Технология расширенного спектра разработана специально для беспроводной передачи. Позволяет повысить помехоустойчивость кода для сигналов малой мощности. Применяются так же FSK и PSK Широкая полоса пропускания позволяет также применять модуляцию с несколькими несущими (когда общая полоса пропускания делится на несколько подканалов, каждый из которых имеет свою несущую частоту). Модуляция выполняется с помощью обычных PSK FSK. Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM)

Р АСШИРЕНИЕ СПЕКТРА СКАЧКООБРАЗНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТ Псевдослучайная последовательность зависит от начального числа Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных, то режим называют медленным расширением спектра Если частота смены подканалов выше скорости передачи данных, режим называют быстрым расширением спектра. Метод быстрого расширения более устойчив к помехам, нет эффекта межсимвольной интерференции

Р АСШИРЕНИЕ СПЕКТРА СКАЧКООБРАЗНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТ

Метод расширения спектра скачкообразной перестройкой частот (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) В течении определенного фиксированного интервала ведётся передача на неизменной несущей частоте На каждой несущей для передачи применяются стандартные методы манипуляции (FSK PSK) Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел.

Р АСШИРЕНИЕ СПЕКТРА СКАЧКООБРАЗНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТ

Метод медленного расширения спектра не обладает таким свойством, но прост в реализации и имеет меньшие накладные расходы. FHSS используется в и Bluetooth При использовании FHSS можно использовать мультиплексирование по частоте, путём особого подбора псевдослучайных последовательностей.

М ЕДЛЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА

Б ЫСТРОЕ РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА

П РЯМОЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА Метод прямого последовательного расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) Каждый бит информации заменяется N битами Цель DSSS – повышение помехоустойчивости

П РЯМОЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА

Код, которым заменяется бит исходной информации называется расширяющей последовательностью Каждый бит такой последовательности называется чипом Скорость передачи расширяющей последовательности называют чиповой скоростью Количество битов в расширяющей последовательности называют коэффициентом расширения

А ВТОКОРРЕЛЯЦИЯ Автокорреляция статистическая взаимосвязь между случайными величинами из одного ряда, но взятых со сдвигом, например, для случайного процесса со сдвигом по времени. Автокорреляционная функция (АКФ, ACF). В обработке сигналов автокорреляционная функция (АКФ) определяется интегралом:

А ВТОКОРРЕЛЯЦИЯ. П ОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ Б АРКЕРА Можно подобрать псевдослучайную последовательность, для которой автокорреляционная функция будет иметь ярко выраженный пик только в 1 момент времени Одна из таких последовательностей – последовательность Баркера, состоящая из 11 чипов: 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.

П ОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ Б АРКЕРА

А ВТОКОРРЕЛЯЦИЯ. П ОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ Б АРКЕРА

Основной смысл использования кодов Баркера заключается в том, чтобы, имея возможность передавать сигнал практически на уровне помех, гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации. Как известно, радиоволны приобретают способность переносить информацию в том случае, если они определенным образом модулируются. При этом необходимо, чтобы модуляция синусоидального несущего сигнала соответствовала требуемой последовательности информационных бит.

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. BPSK DPSK Если изменение фазы может принимать всего два значения, то говорят о двоичной фазовой модуляции (Binary Phase Shift Key, BPSK). Реализация синхронной передачи достаточно сложна, поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK). При относительной фазовой модуляции кодирование информации происходит за счет сдвига фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Фактически приемник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы. То есть информация кодируется изменением фазы. Естественно, такая модуляция уже не является синхронной ипроще реализуется. Во всем остальном DPSK-модуляция не отличается от PSK-модуляции.

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. BPSK

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. DPSK Для технической реализации DPSK- модуляции входной поток информационных бит первоначально преобразуется, а затем подвергается обычной фазовой модуляции. Если необходимо, чтобы скачки по фазе происходили при появлении логического нуля, то преобразование исходной последовательности сводится к следующему: при появлении нуля происходит преобразование сигнала на инверсный, а при появлении единицы сигнал не меняется. Для примера рассмотрим преобразование 11- чиповой последовательности Баркера по описанному правилу

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. DPSK Данный алгоритм можно записать как логическую операцию неравнозначности над исходной последовательностью и преобразованной последовательностью, задержанной на один бит (смещенной по времени)

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. QPSK Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре (0, 90, 180 и 270°). В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK).

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. QPSK

При реализации квадратурной фазовой модуляции входной поток бит преобразуется в кодирующую последовательность {dk} так, что логическому нулю соответствует кодирующий бит +1, а логической единице кодирующий бит –1. После этого кодирующий поток разделяется на четные и нечетные биты. Четные биты поступают в I-канал, а нечетные в Q-канал. Причем длительность каждого управляющего импульса di и dq в два раза больше длительности исходного импульса dk.

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. QPSK Управляющие биты di модулируют по фазе сигнал а биты dq модулируют ортогональный сигнал (смещенный по фазе на 90°), то есть После этого оба сигнала складываются и образуется модулированный сигнал

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. QPSK

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. OQPSK Один из недостатков связан с тем, что в случае квадратурной фазовой модуляции при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, –1 на –1, +1 или с +1, +1 на –1, – 1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки фазы, имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.

Ф АЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ. OQPSK Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к так называемой квадратурной фазовой модуляции со сдвигом (Offset QPSK, OQPSK). При таком типе модуляции формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (–90°).

К ОДИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ КОДОВ, CCK В настоящей версии стандарта IEEE b используется несколько способов кодирования с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, CCK). Использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бита на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом сами кодовые последовательности являются 8-чиповыми и при скорости передачи 11 Мбит/с кодирование 8 бит на символ соответствует символьной скорости 1,385 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,385). Аналогичная символьная скорость используется и при скорости передачи 5,5 Мбит/с, так как при такой скорости в одном символе кодируется только 4 бита.

К ОДИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ КОДОВ, CCK Особый интерес представляют сами CCK- последовательности. Прежде всего определим, что следует называть CСK последовательностью. Для двух ССК-последовательностей равной длины сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю.

К ОДИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ КОДОВ, CCK

В стандарте IEEE b речь идет как раз о таких комплексных комплементарных последовательностях, содержащих элементы с четырьмя различными фазами, то есть о комплементарных последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов {1, -1, j, -j}. Сами комплементарные последовательности, как и прежде, используются для уширения спектра сигнала (DSSS) и являются 8-чиповыми. Скорость передачи при этом составляет 11 Мчип/с, что дает скорость 1,375 мегасимволов в секунду. При этом ширина спектра сигнала, как и при использовании последовательностей Баркера, составляет 22 МГц, что позволяет использовать в частотном диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц три неперекрывающиеся частотные полосы.

К ОДИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ КОДОВ, CCK

М НОЖЕСТВЕННЫЙ ДОСТУП С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ Code Division Multiplexing Access, CDMA. Каждый узел сети, работающий по CDMA посылает данные, когда ему нужно, но используя при этом собственные значения расширяющей последовательности. Чтобы получить сигнал от определенной станции, демодулятор скалярно умножает суммарный вектор принятых сигналов на вектор значения расширяющей последовательности нужной станции.

OFDM Метод мультиплексирования с разделением на ортогональные несущие. Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное.

OFDM

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний.

С ИМВОЛ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ T И ЕГО СПЕКТР

OFDM

одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

OFDM

A. С КОРОСТИ И СВЕРТОЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ

G

Т ЕХНОЛОГИИ ГИБРИДНОГО КОДИРОВАНИЯ

Д АЛЬНОСТЬ СВЯЗИ

802.11

П РОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ MAC DCF (Distributed Coordination Function) – не имеет централизованного управления PCF (Point Coordination Function) – базовая станция берёт на себя управление всеми станциями этой соты DCF: CSMA/CA CSMA/CA на двух уровнях прослушивания: физического и виртуального каналов. Физический канал: режим двоичного экспоненциального отката Виртуальный канал – протокол MACAW

П РОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ MAC

С ОСУЩЕСТВОВАНИЕ DCF И PCF

PCF Базовая станция широковещательным способом шлёт сигнальный кадры. В сигнальном кадре системные параметры. Сигнальный кадр – приглашение новых станций После регистрации новой станции, она получает пропускную способность канала

С ОСУЩЕСТВОВАНИЕ DCF И PCF SISF – Short InterFrame Interval, используется чтобы одна из сторон, ведущих диалог могла получить шанс начать передачу первой. Может содержать CTS, посылаемый приёмником в ответ на RTS ACM, посылаемый им же Очередная часть пакета фрагментов, посылаемая отправителем После интервала SISF может ответить только одна станция. PIPF – PCF InterFrame Spacing – интервал для захвата канала базовой станцией.

С ОСУЩЕСТВОВАНИЕ DCF И PCF Если базовой станции нечего сказать и интервал DISF (DCF InterFrame Spacing) истекает, любая станция может попытаться захватить канал. EISF (Extended InterFrame Spacing) – временной интервал для использование станцией, получившей испорченный кадр. И готова послать NAK по этому случаю.

К АДР

Поле управление кадром: 11 вложенных полей 1. Версия протокола 2. Тип: информационный, служебный, управляющий 3. Подтип: RTS CTS 4. к DS к межсотовой связь 5. От DS от межсотовой связи 6. MF – далее следует ещё фрагмент 7. Повтор 8. Управление питанием 9. Продолжение – есть ещё кадры к отправке 10. W – WEP 11. O – Order

К АДР Длительность – сколько будет передаваться кадр и подтверждения Поля адресов – S D станции, S D базовых станций сот Номер – нумерация фрагментов Поле данных до 2312 байт Контрольная сумма

С ЕРВИСЫ Ассоциация (подключение мобильной станции к базовой) 2. Дизассоциация 3. Реассоциация 4. Распределение (маршрутизация) 5. Интеграция (трансляция форматов)

С ЕРВИСЫ Внутренние услуги соты: 1. Идентификация 2. Деидентификация 3. Конфиденциальность (RC4) 4. Доставка данных

802.16

Service Classes Constant bit rate service Real-time variable bit rate service Non-real-time variable bit rate service Best efforts service

B LUETOOTH

Пикосеть – состоит из главного и до 7 подчиненных узлов Связанные специальном узлом пикосети, формируют рассеянную сеть Помимо 7 активных узлов, главный узел может поддерживать до 255 спящих узлов

B LUETOOTH