Чикрин Д.Е. Сети и системы телекоммуникаций. Сети и системы телекоммуникаций
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
Рис. 3.9: Схема передачи информации в системе с коммутацией пакетов Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хране- ния пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится неко- торое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации траффи- ка и наиболее эффективно повышает пропускную способность системы связи в целом. Достоинства технологии коммутации пакетов: • Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульси- рующего траффика. • Возможность динамически перераспределять пропускная способ- ность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их траффика. • Сеть всегда готова передать данные абонента. 46 Недостатки технологии коммутации пакетов: • Неопределенность скорости передачи данных между абонентами се- ти, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммута- торов сети зависят от общей загрузки сети. • Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты перегрузок сети. • Возможные потери данных из-за переполнения буферов коммутато- ров. 47 Лекция 4 Компоненты современных систем связи Любая система связи подчиняется общим принципам построения и проектирования. В данной лекции мы рассмотрим структурную схему обобщенной системы связи и физический смысл каждого функциональ- ного блока в данной схеме. Рис. 4.1: Структурная схема обобщенной системы связи 48 Некоторые блоки на указанной схеме могут быть необязательными для каждого конкретного случая: так, например, в случае, когда не ис- пользуется расширение спектра (технологии КРК), будут отсутствовать блоки расширения и сужения спектра; в общем случае необязательно про- ведение шифрования информации и т.д. На вышеприведенной схеме возможно различить передающую часть (верхний уровень) и приемную часть (нижний уровень), являющиеся во многом симметричными друг другу. Рассмотрим далее физический смысл каждой пары блоков, входящих в данную схему. 4.1 Физический смысл компонентов системы связи 4.1.1 Форматирование Форматирование - процесс представления исходной информации в наиболее удобном для дальнейшей обработки виде. Пример форматиро- вания: разбивка исходного потока данных на структурные единицы: би- ты, блоки, фреймы, кадры и т.д. В процессе форматирования для ана- логовых сигналов могут учавствовать процессы дискретизации, т.е. пре- образования исходного непрерывного сигнала в последовательность от- счетов и квантования. В итоге на выходе процедуры форматирования на передающей стороне мы получаем, например, последовательность бит m i , i = 1 . . . N . На приемной стороне процедура форматирования обес- печивает преобразование последовательности бит в сигнал, подходящий для получателя информации (например, в звуковой сигнал – речь). 4.1.2 Кодирование источника Кодирование источника – процесс преобразования исходной последо- вательности бит в новую последовательность, например, в целях удаления избыточности. На данной стадии может производиться, например, опти- мальное кодирование кода - по Шеннону-Фано, Хаффману и т.д. На при- емной стороне симметричным блоком является декодирование источника, извлекающее из закодированной посылки исходную последовательность бит. Данная стадия является в общем случае необязательной. 49 4.1.3 Шифрование Шифрование – процесс закрытия информации от несанкционирован- ного доступа. Последовательность бит преобразуется по некоторым зако- нам; при этом обратное преобразование может осуществить лишь або- нент, знающий значение ключа для данных законов преобразования. В зависимости от структуры используемых ключей методы шифрования подразделяются на симметричное и асимметричное шифрование. • Симметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, но неизвестна небольшая порция сек- ретной информации – ключа, одинакового для отправителя и по- лучателя сообщения. Примерами таких систем являются системы шифрования DES 1 , Triple DES 2 (3DES), ГОСТ 28147-89 3 , Blowfish 4 и многие другие. Достоинства данных методов шифрования: высо- кая скорость по сравнению с алгоритмами асимметричного шиф- рования 5 и простота реализации. Недостатки – сложность обмена ключами: для применения необходимо решить проблему надежной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный ка- нал для передачи каждого ключа обеим сторонам. • Асимметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неиз- вестен закрытый ключ, известный только получателю. Ярким при- мером таких систем являются системы шифрования RCA 6 и ГОСТ 1 Data Encryption Standard - стандарт шифрования данных. Разработан компанией IBM и утвержден правительством США в 1977 году как официальный стандарт. На данный момент не является криптостойким из-за малой длины ключа (56 бит), который может быть взломан методом перебора ключа. 2 TripleDES - модификация DES с длиной ключа в 168 бит. Криптостойкость на данный момент находится под сомнением. 3 ГОСТ 28147-89 – советский и российский стандарт симметричного шифрования, введен- ный в 1990-м году. Истоки данного алгоритма восходят к одному из закрытых НИИ 70-х годов, подведомственных КГБ. 4 Blowfish – алгоритм, разработанный Брюсом Шнайером в 1993 году. Преимуществами Blowfish являются скорость, простота, компактность и настраиваемая стойкость. 5 По данным Applied Cryptography - на три порядка выше. 6 Рональд Линн Райвест, Ади Шамир и Леонард Адлеман – абрревиатура по именам со- здателей алгоритма. Является первым криптографическим алгоритмом с открытым клю- чом; разработан в 1977 году и до сих пор используется в большом числе криптографических приложений. Криптостойкость высокая. 50 Р34.10-2001 7 Преимуществом асимметричных шифров перед сим- метричными является отсутствие необходимости предварительной передачи ключа по надежному каналу. Недостатки - существенно большее количество вычислительных ресурсов и засвечивание по- лучателя и отправителя самим фактом пересылки шифрованного сообщения. Из-за данных недостатков редко применяются в систе- мах связи. Симметричным блоком на приемной стороне является блок дешифрова- ния, обеспечивающий раскрытие зашифрованной информации. 4.1.4 Канальное кодирование Процедуры канального кодирования обеспечивают помехоустойчивое кодирование сообщения для обеспечения восстановления информации в случае ошибок; так называемое перемежение символов сообщения (об- мен местами символов – например, вначале идут первые символы всех кадров, затем вторые и т.д.), защищающее от пакетных ошибок (оши- бок, идущих подряд). Действительно, после выполнения операции депе- ремежения пакетная ошибка рассредотачивается по всей длине кода, что позволяет восстановить информацию в этом случае. Помехоустойчивыми являются так называемые блочные коды, сверточные коды; их комбина- ции – турбокоды и т.д. Перемежение также бывает нескольких видов – сверточное и блочное. Симметричным блоком является блок канального декодирования, осуществляющий деперемежение закодированной посыл- ки и восстанавливающий исходную информационную посылку из закоди- рованной посылки. Данная стадия является обязательной в беспроводных системах радиодоступа в связи с значительным уровнем шумов и помех в таких системах. На выходе блока канального кодирования мы получаем канальные символы – итоговую последовательность бит. 4.1.5 Уплотнение Уплотнение – операция комбинирования информационных потоков от нескольких однородных устройств. Другое название данной операции - мультиплексирование. Данная операция всегда присутствует в сетях пе- редачи нижнего уровня, но достаточно редко в беспроводных системах 7 ГОСТ Р34.10-2001 – российский стандарт, описывающий алгоритмы формирования и проверки электронной подписи; введен в 2001-м году. 51 связи. Обратная операция на приемной стороне – разуплотнение (демуль- типлексирование); на выходе данного блока по прежнему последователь- ность бит. 4.1.6 Синхронизация Во всех блоках, в которых происходит работа с цифровыми данными вплотную встает проблема синхронизации работы: как тактовой, т.е., ка- ким образом блоки будут запускаться по входной тактовой частоте; так и кадровой и более высокого уровня – каким образом происходит вы- равнивание битовых блоков в каждой из структурных единиц схемы. Существует широкий перечень методов и средств синхронизации; пробле- матика ее осуществления является одной из определяющих в современ- ных системах передачи данных. Значительно более легко синхронизация осуществляется в блоках, работающих с аналоговыми сигналами: такие блоки сами понимают , когда необходимо входить в синхронизм. 4.1.7 Импульсная модуляция Для передачи последовательности бит в аналоговой форме использу- ются методы низкочастотной или импульсной модуляции. В импульсной модуляции для передачи бит используются электрические импульсы, пре- образующиеся далее в аналоговый сигнал. Рис. 4.2: Пример работы импульсной модуляции Существует множество видов импульсной модуляции, базирующихся на общих концепциях ЧИМ, ФИМ и ШИМ (частотно-импульсной, фазово- импульсной и широтно-импульсной модуляции) и смешанных видов моду- 52 ляции. На выходе импульсной модуляции мы получаем низкочастотный аналоговый сигнал g(t) - так называемый видеосигнал. Обратным бло- ком для блока импульсной модуляции является блок детектора, преобра- зующего огибающую аналогового, либо дискретизированного сигнала в импульсы и далее в последовательность бит. 4.1.8 Полосовая модуляция Под полосовой модуляцией понимается процесс переноса низкоча- стотного сигнала g(t) в область высоких частот. Как правило, в ка- честве переносчика информации используется гармоническое колебание s(t) = Acos(2πf 0 t + φ) , основными параметрами которого, доступными для модуляции, являются амплитуда A, частота f 0 и фаза φ. Соответ- ственно, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ) и комбинированные методы модуляции (например, КАМ)/ В системах беспроводной связи очень часто используют ФМ-методы модуляции; в системах беспроводной связи – ЧМ и АФМ. АМ-методы использовались преимумщественно в ранних системах связи; на данный момент в чистом виде практически не используются из-за своих низких характеристик. Обратным блоком для блока полосовой модуляции является блок де- модуляции и дискретизации . На выходе блока полосовой модуляции мы получаем высокочастотный цифровой полосовой сигнал - так называ- емый радиосигнал. 4.1.9 Расширение спектра В системах связи военного сектора с 60-х годов, а также в коммер- ческих системах начиная с середины 90-х начинают применяться техно- логии расширения спектра 8 . Расширение спектра – технический прием, увеличивающий полосу радиосигнала в N wide раз. В зависимости от архитектуры и используемых видов модуляции си- стемы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие ос- новные группы: • Системы с прямым расширением спектра на основе ПСП 9 (т.н. си- стемы DS-CDMA 10 ). 8 В частности, для реализации принципов кодового разделения каналов - CDMA. 9 ПСП - псевдослучайная последовательность. 10 Direct Sequence CDMA - CDMA с ПСП. 53 • Системы с перестройкой рабочей частоты (системы с перескоком частоты - с прыгающей частотой). • Системы с перестройкой временного положения сигналов (с пры- гающим временем). • Системы со смешанными методами расширения спектра. Обратным блоком для блока расширения спектра является блок сужения спектра. 4.1.10 Блок обеспечения множественного доступа В данном блоке реализуются технологии множественного доступа, подробно рассмотренные в предыдущей лекции. Технологии множествен- ного доступа основаны на четырех базовых принципах разделения кана- лов, а также их комбинациях: • Принцип ПРК (пространственное разделение каналов - SDMA). • Принцип ЧРК (частотное разделение каналов - FDMA). • Принцип ВРК (временное разделение каналов - TDMA). • Принцип КРК (кодовое разделение каналов - CDMA). Кодовое разделение каналов является наиболее перспективной техноло- гией множественного доступа на настоящий момент. Симметричным для блока обеспечения множественного доступа является блок выделения сиг- налов пользователей из группового сигнала. 4.1.11 ВЧ-тракт и среда распространения Результирующий аналоговый сигнал передается в канал связи (среду распространения). После передачи по зашумленному каналу связи сигнал принимается в оконечный блок приемного тракта – на приемный комплекс антенн, далее поступает в ВЧ 11 -тракт приемника, в котором осуществля- ется базовое усиление сигнала, его аналоговая фильтрация, выравнивание 11 ВЧ - высокочастотная часть 54 частотных искажений и пр. В общем случае канал связи представляет со- бой динамическую систему, которая описывается следующим образом: g S(t) = S(t) · h(t) + I outer (t) + I inner (t) + n(t), (4.1) где g S(t) - сигнал на приемной стороне; S(t) - сигнал на передающей сто- роне; h(t) - переходная характеристика 12 канала связи; I outer - внешние помехи в канале связи; I inner - внутренние шумы системы; n(t) - сово- купность внешних шумов (теплового шума, электро-магнитного фона и пр.). 12 Переходная характеристика (или импульсная переходная характеристика) - выходной сигнал динамической системы как реакция на входной сигнал в виде последовательности отсчетов (в пределе - дельта-функций Дирака). 55 Тема II Теоретические основы функционирования радиоканала 56 Лекция 5 Основы распространения радиоволн Рассмотрим соединительное звено между приемной и передающей частями любой АССиПД - среду распространения. В рассматриваемых в данном курсе лекций АССиПД в качестве сре- ды распространения рассматривается воздушная среда по которой рас- пространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. Простейшим случаем распространения является так называемый случай LOS 1 , определяемый также как распространение в свободном простран- стве. Интуитивно понятно, что необходимым 2 условием LOS является на- хождение приемника и передатчика в линии прямой видимости друг дру- га. Рассмотрим далее данный случай более подробно. 5.1 Модель распространения радиоволн в свободном пространстве Итак, пусть приемная и передающая антенны находятся в пределах видимости друг друга; на достаточно большом расстоянии и среда распро- странения удовлетворяет прочим условиям распространения в свободном пространстве. 3 В случае фиксированной мощности сигнала передатчика сигнал, принимаемый приемной антенной ослабевает согласно закону рас- сеивания энергии в свободном пространстве, что и позволяет сформули- ровать модель распространения в свободном пространстве. 1 LOS - Line of Sight - линия прямой видимости 2 Но не достаточным! 3 Указанные условия будут отдельно рассмотрены в следующих пунктах. 57 5.1.1 Модель распространения в свободном про- странстве Указанная модель гласит, что мощность сигнала на приемной стороне является функцией от расстояния между приемником и передатчиком, возведенной при этом в некоторую степень: P rec = P trans · K trans · K rec · Lλ 2 16π 2 d γ , (5.1) где d - расстояние между приемником и передатчиком (м.); λ = c f - дли- на волны (м.); K rec и K trans – безразмерные величины - коэффициенты усиления 4 приемного и передающего АФУ 5 ; P rec и P trans – мощности сиг- нала на входе приемника и на выходе передатчика, соответственно (Вт); γ – коэффициент условий среды распространения, приведен в следующей таблице; 0 ≤ L ≤ 1 - совокупный коэффициент затухания, обусловленный прочими факторами канала связи и среды распространения. Рис. 5.1: Значения коэффициента γ условий среды распространения Из выражения 5.1 возможно видеть, что при повышении частоты радиоволны в N λ раз мощность на приемной стороне падает в N 2 λ раз. 4 Включая КПД антенно-фидерного устройства (тракта). Фидер - линия передачи (в про- стейшем случае-кабель) от источника (либо приемника) электромагнитных колебаний до антенны. 5 Антенно-фидерного устройства. 58 Так, при полностью совпадающих остальных параметрах, мощность на входе приемной антенны радиосигнала с частотой 10 ГГц в 100 раз меньше мощности сигнала с частотой в 1 ГГц. Существенным плюсом модели распространения в свободном про- странстве является ее крайняя простота, что позволяет использовать ее для быстрых, прикидочных расчетов без применения вычислительной техники. Минус данной модели - ее крайняя неточность (ошибка до 1-2 порядков) в сложных условиях распространения. Рассмотрим в качестве примера идеальный канал связи с единичным коэффициентом затухания и единичными коэффициентами усиления приемной и передающей ан- тенн. В этом случае ослабление сигнала через 1 м; 1 км и 10 км для сиг- нала с частотой в 1 ГГц и коэффициентами усиления антенн, принятыми за единицу, может быть вычислено по данной формуле: L weak = P rec (d) P trans (d) = c f 2 · 1 16 · π 2 d γ ≈ 3 · 10 8 10 9 2 · 0.006 d γ ≈ 5.7 · 10 −4 · 1 d γ (5.2) Таким образом, при передаче в свободном пространстве и в границах пря- мой видимости на дальность уже в 100 метров минимальное ослабление радиосигнала составляет более 5 · 10 −8 , что соответствует, при мощности излучения передатчика в 1 Вт, требованиям к чувствительности 6 прием- ника в 10 · log 10 (5 · 10 −8 |