Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
Итак, электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях на зна чительные расстояния и проходить через препятствия, такие как стены домов. Поэтому проблема разделения электромагнитного спектра является весьма острой и требует цен трализованного регулирования. В каждой стране есть специальный государственный орган, Беспроводная среда передачи 291 который (в соответствии с рекомендациями ITU) выдает лицензии операторам связи на использование определенной части спектра, достаточной для передачи информации по определенной технологии. Лицензия выдается на определенную территорию, в пределах которой оператор использует закрепленный за ним диапазон частот монопольно. При выдаче лицензий правительственные органы руководствуются различными страте гиями. Наиболее популярными являются три: конкурс, лотерея, аукцион. □ Участники конкурса — операторы связи — разрабатывают детальные предложения. В них они описывают свои будущие услуги, технологии, которые будут использовать ся для реализации этих услуг, уровень цен для потенциальных клиентов и т. п. Затем комиссия рассматривает все предложения и выбирает оператора, который в наилучшей степени будет соответствовать общественным интересам. Сложность и неоднозначность критериев выбора победителя в прошлом часто приводили к значительным задержкам в принятии решений и коррупции среди государственных чиновников, поэтому не которые страны, например США, отказались от такого метода. В то же время в других странах он все еще используетсй, чаще всего для наиболее значимых для страны услуг, например развертывания современных систем мобильной связи 3G. □ Лотерея — это наиболее простой способ, но он также не всегда приводит к справед ливым результатам, поскольку в лотерее могут принимать участие и «подставные» операторы, которые собираются не вести операторскую деятельность, а просто пере продать лицензию. □ Аукционы сегодня являются достаточно популярным способом выявления обладателя лицензии. Они отсекают недобросовестные компании и приносят немалые доходы государствам. Впервые аукцион был проведен в Новой Зеландии в 1989 году. В связи с бумом вокруг мобильных систем 3G многие государства за счет подобных аукционов в значительной степени пополнили свои бюджеты. Существуют также три частотных диапазона, 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые рекомен дованы ITU как диапазоны для международного использования без лицензирования1. Эти диапазоны выделены промышленным товарам беспроводной связи общего назначения, например устройствам блокирования дверей автомобилей, научным и медицинским при борам. В соответствии с назначением эти диапазоны получили название ISM-диапазонов (Industrial, Scientific, Medical — промышленность, наука, медицина). Диапазон 900 МГц является наиболее «населенным». Это и понятно, низкочастотная техника всегда стои ла дешевле. Сегодня активно осваивается диапазон 2,4 ГГц, например, в технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. Диапазон 5 ГГц только начал осваиваться, несмотря на то что он обеспечивает более высокие скорости передачи данных. Обязательным условием использования этих диапазонов на совместной основе является ограничение максимальной мощности передаваемых сигналов уровнем 1 Вт. Это условие ограничивает радиус действия устройств, чтобы; их сигналы не стали помехами для других пользователей, которые, возможно, работают в том же диапазоне частот в других районах города. Существуют также специальные методы кодирования (они рассматриваются далее), по зволяющие уменьшить взаимное влияние устройств, работающих в ISM-диапазонах. 1 Диапазоны 900 МГц и 5 ГГц свободны от лицензирования не во всех странах. 292 Глава 10. Беспроводная передача данных Беспроводные системы Двухточечная связь Типичная схема проводного двухточечного канала является популярной и для беспро водной связи. По двухточечной схеме могут работать беспроводные каналы различного назначения, использующие различные диапазоны частот. В телекоммуникационных первичных сетях такая схема уже долгое время применяется для создания так называемых радиорелейных линий связи. Такую линию образуют несколько башен, на которых установлены параболические направленные антенны (рис. 10.5). Каж дая такая линия работает в микроволновом диапазоне на частотах в несколько гигагерц. Направленная антенна концентрирует энергию в узком пучке, что позволяет передавать информацию на значительные расстояние, обычно до 50 км. Высокие башни обеспечивают прямую видимость антенн. Пропускная способность линии может быть достаточно высокой, обычно она находится в пределах от нескольких до сотен мегабитт в секунду. Это могут быть как магистральные линии, так и линии доступа (в последнем случае они имеют чаще всего один канал). Опе раторы связи часто используют подобные линии, когда прокладка оптического волокна либо невозможна (из-за природных условий), либо экономически невыгодна. Радиорелейная линия связи может использоваться в городе для соединения двух зданий. Так как высокая скорость в таком случае не всегда нужна (например, нужно соединить небольшой сегмент локальной сети с основной локальной сетью предприятия), то здесь могут применяться радиомодемы, работающие в АМ-диапазоне. Для связи двух зданий может также использоваться лазер, обеспечивая высокую информационную скорость (до 155 Мбит/с), но только при соответствующем состоянии атмосферы. Другой пример беспроводной двухточечной линии связи показан на рис. 10.6. Здесь она служит для соединения двух компьютеров. Такая линия образует простейший сегмент локальной сети, поэтому расстояния и мощности сигнала здесь принципиально иные. б Рис. 10.6. Беспроводная связь двух компьютеров Для расстояний в пределах одного помещения может использоваться диапазон инфра красных волн (рис. 10.6, а) или микроволновый диапазон (рис. 10.6, б). Большинство современных ноутбуков оснащено встроенным инфракрасным портом, поэтому такое соединение может быть образовано автоматически, как только порты двух компьютеров окажутся в пределах прямой видимости (или видимости отраженного луча). Микроволновый вариант работает в пределах нескольких десятков или сотен метров — предельное расстояние предсказать невозможно, так как при распространении микро волнового сигнала в помещении происходят многочисленные отражения, дифракции и рассеивания, к которым добавляются эффекты проникновения волн через стены и меж- этажные перекрытия. Связь одного источника и нескольких приемников Схема беспроводного канала с одним источником и несколькими приемниками характерна для такой организации доступа, при которой многочисленные пользовательские терминалы соединяются с базовой станцией (Base Station, BS). Беспроводные линии связи в схеме с одним источником и несколькими приемниками служат как для фиксированного доступа, так и для мобильного. Нарис. 10.7 показан вариант фиксированного доступа с помощью микроволновых линий связи. Оператор связи использует высокую башню (возможно, телевизионную), чтобы обеспечить прямую видимость с антеннами, установленными на крышах зданий своих клиентов. Фактически такой вариант может представлять собой набор двухточечных линий связи — по количеству зданий, которые необходимо соединить с базовой станци ей. Однако это достаточно расточительный вариант, так как для каждого нового клиента нужно устанавливать новую антенну на башне. Поэтому для экономии обычно применяют антенны, захватывающие определенный сектор, например, в 45°. Тогда за счет нескольких антенн оператор может обеспечить связь в пределах полного сектора в 360°, конечно, на ограниченном расстоянии (обычно несколько километров). 294 Глава 10. Беспроводная передача данных Рис. 10.7. Фиксированный беспроводный доступ Пользователи линий доступа могут обмениваться информацией только с базовой стан цией, а она, в свою очередь, транзитом обеспечивает взаимодействие между отдельными пользователями. Базовая станция обычно соединяется проводной связью с проводной частью сети, обе спечивая взаимодействие с пользователями других базовых станций или пользователями проводных сетей. Поэтому базовая станция также называется точкой доступа (Access Point, АР). Точка доступа включает не только оборудование DCE, необходимое для обра зования линии связи, но и чаще всего является коммутатором сети, доступ к которой она обеспечивает — телефонным коммутатором или коммутатором пакетов. В большинстве схем мобильного доступа используется сегодня принцип сот, которые представляют собой небольшие по площади территории, обслуживаемые одной базовой станцией. Идея сот родилась не сразу, первые мобильные телефоны работали по другому принципу, обращаясь к одной базовой станции, покрывающей большую территорию. Идея небольших сот была впервые сформулирована еще в 1945 году, с тех пор прошло довольно много времени, пока заработали первые коммерческие сотовые телефонные сети — пробные участки появились в конце 60-х, а широкое коммерческое применение началось в начале 80-х. Принцип разбиения всей области охвата сети на небольшие соты дополняется идеей много кратного использования частоты. На рис. 10.8 показан вариант организации сот при на личии всего трех частот, при этом ни одна из соседних пар сот не задействует одну и ту же частоту. Многократное'использование частот позволяет оператору экономно расходовать выделенный ему частотный диапазон, при этом абоненты и базовые станции соседних сот не испытывают проблем из-за интерференции сигналов. Конечно, базовая станция должна контролировать мощность излучаемого сигнала, чтобы две соты (несмежные), работающие на одной и той же частоте, не создавали друг другу помех. Беспроводные системы 295 Рис. 10.8. Многократное использование частот в сотовой сети При гексагональной форме сот количество повторяемых частот может быть больше, чем 3, например 4,7,9,12,13 и т. д. Если известно минимальное расстояние D между центрами сот, работающих на одной и той же частоте, то число сот (N ) можно выбрать по формуле: N= D2/3R2, где R - радиус соты. Небольшие по величине соты обеспечивают небольшие габариты и мощность терминально го устройства пользователя. Именно это обстоятельство (а также общий технологический прогресс) позволяет современным мобильным телефонам быть такими компактными. Мобильные компьютерные сети пока не получили такого распространения, как телефон ные, но принципы организации беспроводных линий связи в них остаются теми же. Важной проблемой мобильной линии связи является переход терминального устройства из одной соты в другую. Эта процедура, которая называется эстафетной передачей, от сутствует при фиксированном доступе и относится к протоколам более высоких уровней, нежели физический. Связь нескольких источников и нескольких приемников В случае схемы с несколькими источниками и несколькими приемниками беспроводная линия связи представляет собой общую электромагнитную среду, разделяемую несколь кими узлами. Каждый узел может использовать эту среду для взаимодействия с любым другим узлом без обращения к базовой станции. Так как базовая станция отсутствует, то необходим децентрализованный алгоритм доступа к среде. Чаще всего такой вариант беспроводного канала применяется для соединения компьютеров (рис. 10.9). Для телефонного трафика неопределенность в доле пропускной способности, получаемой при разделении среды, может резко ухудшить качество передачи голоса. Поэ тому они строятся по ранее рассмотренной схеме с одним источником (базовой станцией) для распределения полосы пропускания и несколькими приемниками. 296 Глава 10. Беспроводная передача данных SD «У» £ ) f j ССу2> ССу2> ССу * я а а *-&ф Р 1 ^ (&.££> # J f Sj Рис. 10.9. Беспроводная многоточечная линия связи Собственно, первая локальная сеть, созданная в 70-е годы на Гавайях, в точности соот ветствовала приведенной на рисунке схеме. Ее отличие от современных беспроводных локальных сетей состоит в низкой скорости передачи данных (9600 бит/с), а также в весьма неэффективном способе доступа, позволяющем использовать только 18 % полосы про пускания. Сегодня подобные сети передают данные со скоростью до 52 Мбит/с1 в микроволновом или инфракрасном диапазоне. Для связи каждого с каждым служат ненаправленные антенны. Для того чтобы инфракрасный свет распространялся в разных направлениях, применяются диффузные передатчики, которые рассеивают лучи с помощью системы линз. Типы спутниковых систем Спутниковая связь используется для организации высокоскоростных микроволновых протяженных линий. Так как для таких линий связи нужна прямая видимость, которую из-за кривизны Земли невозможно обеспечить на больших расстояниях, то спутник как отражатель сигнала является естественным решением этой проблемы (рис. 10.10). Идея задействовать искусственный спутник Земли для создания линий связи родилась задолго до запуска в 1957 году первого такого спутника Советским Союзом. Писатель- фантаст Артур Кларк продолжил дело Жюля Верна и Герберта Уэллса, которым удалось описать множество технических изобретений еще до их появления. Кларк в 1945 году опи сал геостационарный спутник, который висит над одной точкой экватора и обеспечивает связью большую территорию Земли. Первый спутник, запущенный Советским Союзом в годы холодной войны, обладал очень ограниченными телекоммуникационными возможностями — он только передавал радио сигнал «бип-бип», извещая мир о своем присутствии в космосе. Однако успех России в космосе подхлестнул усилия Америки, и в 1962 году она запустила первый телекомму никационный спутник Telstar-І, который поддерживал 600 голосовых каналов. Со времени запуска первого телекоммуникационного спутника прошло уже более 40 лет, и функции спутника как телекоммуникационного узла, естественно, усложнились. Се годня спутник может играть роль узла первичной сети, а также телефонного коммутатора 1 Н овая версия стандарта беспроводных локальны х сетей предусматривает повыш ение скорости передачи данных до 300 М бит/с. Беспроводные системы 297 и коммутатора/маршрутизатора компьютерной сети. Для этого аппаратура спутников взаимодействует не только с наземными станциями, но и между собой, образуя прямые космические беспроводные линии связи. Принципиально техника передачи микровол новых сигналов в космосе и на Земле не отличается, однако у спутниковых линий связи есть и очевидная специфика — один из узлов такой линии постоянно находится в полете, причем на большом расстоянии от других узлов. Рис. 10.10. Спутник как отражатель сигнала Для спутниковой связи союз ITU выделил несколько частотных диапазонов (табл. 10.1). Таблица 10.1. Частотные диапазоны спутниковой связи Диапазон Н исходящая частота, ГГЦ Восходящая частота, ГГц L 1,5 1,6 S 1,9 2,2 С 3,7-4,2 5,925-6,425 Ku 11,7-12,2 14,0-14,5 Ка 17,7-21,7 27,5-30,5 Исторически первым использовался диапазон С , в котором для каждого из дуплексных потоков Земля-спутцик (восходящая частота) и спутник-Земля (нисходящая частота) выделяется по 500 МГц — этого достаточно для большого числа каналов. Диапазоны L и S предназначаются для организации мобильных услуг с помощью спутников. Они также часто используются наземными системами. Диапазоны K u и К а пока мало «населены» на Земле, их применению препятствует высокая стоимость оборудования, особенно для диапазона К а . 298 Глава 10. Беспроводная передача данных Искусственные спутники Земли вращаются вокруг нее в соответствии с законами, откры тыми Йоханесом Кеплером (Johannes Kepler). Орбита вращения спутника в общем случае является эллиптической, но для сохранения постоянной высоты над Землей спутники могут переходить на почти круговую орбиту. Сегодня используют три группы круговых орбит, отличающихся высотой над Землей (рис. 10.11): □ геостационарная орбита (Geostationary Orbit, GEO) — 35 863 км; □ средневысотная орбита (Medium Earth Orbit, MEO) — 5000-15 000 км; □ маловысотная орбита (Low Earth Orbit, LEO) — 100-1000 км. Геостационарный спутник Геостационарный спутник «висит» над определенной точкой экватора, в точности следуя скорости вращения Земли. Такое положение выгодно по следующим обстоятельствам. Во-первых, четверть поверхности Земли оказывается с такой высоты в зоне прямой ви димости, поэтому с помощью геостационарных спутников просто организовать широко вещание в пределах страны или даже континента. Беспроводные системы 299 Во-вторых, сам спутник неподвижен для наземных антенн, что значительно облегчает ор ганизацию связи, так как не нужно автоматически корректировать направление наземной антенны, как это приходится делать для низкоорбитальных и средневысотных спутников. Правда, с появлением в 1990 небольших всенаправленных антенн ситуация изменилась — теперь уже не нужно следить за положением низкоорбитального спутника, достаточно, чтобы он находился в зоне прямой видимости. В-третьих, геостационарный спутник находится за пределами земной атмосферы и меньше «изнашивается»у чем низкоорбитальные и средневысотные спутники. Низкоорбитальные спутники из-за трения о воздух постоянно теряют высоту и им приходится восстанавливать ее с помощью двигателей. Путем применения нескольких антенн геостационарные спутники обычно поддерживают большое количество каналов. Раньше для работы с геостационарными спутниками в ка честве антенн требовались очень большие тарелки (диаметром до 10 м). Это затрудняло использование геостационарных спутников для небольших организаций и личных целей. Однако ситуация изменилась с появлением направленных антенн, устанавливаемых на спутниках. Такие антенны создают сигнал, который можно принимать с помощью сравнительно небольших наземных антенн, так называемых миниатюрных апертурных терминалов (Very Small Aperture Terminals, VSAT). Диаметр антенны VSAT составляет около 1 м. Наземные станции, оснащенные VSAT, предоставляют сегодня широкий набор услуг, к которым относятся телефония, передача данных, конференции. Наряду с достоинствами у геостационарных спутников есть и недостатки. Наиболее очевидные связаны с большим удалением спутника от поверхности Земли. Это приводит к большим задержкам распространения сигнала — от 230 до 280 мс. При использовании спутника для передачи разговора или телевизионного диалога возникают неудобные паузы, мешающие нормальному общению. Кроме того, на таких расстояниях потери сигнала высоки, что означает необходимость при менения мощных передатчиков и тарелок больших размеров (это не относится к антеннам VSAT, но при их использовании уменьшается область охвата). Принципиальным недостатком геостационарного спутника с его круговой орбитой явля ется также плохая связь для районов, близких к Северному и Южному полюсам. Сигналы в таких районах проходят большие расстояния, чем в районах, расположенных в эквато риальных и умеренных широтах, и, естественно, больше ослабляются. Решением является спутник с ярко выраженной эллиптической орбитой, который приближается к Земле как раз в районе Северного и Южного полюсов. Примером такого спутника являются спут ники серии «Молния», которые запускаются Россией, имеющей большие территории на Крайнем Севере. Место на орбите геостационарного спутника также регулируется союзом ITU. Сегодня наблюдается определенный дефицит таких мест, так как геостационарные спутники не могут располагаться на орбите ближе, чем 2° друг к другу. Из этого следует, что на орбите может находиться не более 180 геостационарных спутников. Так как не все страны в со стоянии (пока) запустить геостационарный спутник, то здесь наблюдается та же ситуация, что и в конкурсе на получение определенного диапазона частот, только еще усиленная политическими амбициями стран. 300 Глава 10. Беспроводная передача данных Средне- и низкоорбитальные спутники Класс среднеорбитальных спутников пока не так популярен, как геостационарных и низко орбитальных. Среднеорбитальные спутники обеспечивают диаметр покрытия от 10 ООО до 15 ООО км и задержку распространения сигнала 50 мс. Наиболее известной услугой, предо ставляемой спутниками этого класса, является глобальная система навигации (Global Positioning System, GPS), известная также под названием NAVigation Satellites providing Time And Range (NAVSTAR). GPS — это всеобщая система определения текущих коорди нат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. GPS состоит из 24 спутников — это то минимальное число спутников, которое необходимо для 100- процентного покрытия территории Земли. Первый тестовый спутник GPS был запущен в 1974 году, первый промышленный спутник — в 1978 году, а 24-й промышленный — в 1993 году. Спутники GPS летают на орбите высотой около 20 ООО км. Помимо спутников в си стему GPS входит сеть наземных станций слежения за ними и неограниченное количество пользовательских приемников-вычислителей, среди которых и ставшие очень популярны ми в последние годы приемники автомобильных систем навигации. По радиосигналам спутников GPS-приемники пользователей устойчиво и точно опреде ляют координаты; для этого на поверхности Земли приемнику необходимо принять сигналы как минимум от трех спутников. Погрешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т. д.). В СССР была разработана и реализована система аналогичного назначения под названием ГЛОНАСС (Глобальная ЯЛвигационная Спутниковая Система). Первый спутник ГЛО- НАСС был запущен в октябре 1982 года, а в сентябре 1993 года система была официально введена в эксплуатацию. В 1995 году количество спутников достигло плановой цифры 24, но затем из-за проблем с финансированием не все выходившие из строя спутники заме нялись новыми, поэтому было время, когда их число уменьшилось до 14, хотя в декабре 2008 количество спутников удалось увеличить до 18. Система ГЛОНАСС совместима с GPS, существует навигационное оборудование, которое может принимать сигналы от спутников обеих систем. Достоинства и недостатки низкоорбитальных спутников противоположны соответствую щим качествам геостационарных спутников. Главное их достоинство — близость к Земле, а значит, пониженная мощность передатчиков, малые размеры антенн и небольшое время распространения сигнала (около 20-25 мс). Кроме того, их легче запускать. Основной недостаток — малая площадь покрытия, диаметр которой составляет всего около 8000 км. Период оборота такого спутника вокруг Земли составляет 1,5-2 часа, а время видимости спутника наземной станцией — всего 20 минут. Это значит, что постоянная связь с по мощью низкоорбитальных спутников может быть обеспечена, только когда на орбите находится достаточно большое их количество. Кроме того, атмосферное трение снижает срок службы таких спутников до 8-10 лет. Если основным назначением геостационарных спутников является широковещание и дальняя связь, то низкоорбитальные спутники рассматриваются как важное средство поддержания мобильной связи. В начале 90-х годов достоинства компактных терминальных устройств для низкоорби тальных спутников показались руководителям компании Motorola более важными, чем их недостатки. Вместе с несколькими крупными партнерами эта компания начала про- Беспроводные системы 301 ект Indium, который имел весьма амбициозную цель — создать всемирную спутниковую сеть, обеспечивающую мобильную связь в любой точке земного шара. В конце 80-х еще не существовало такой плотной системы сот мобильной телефонии, как сегодня, так что коммерческий успех казался обеспеченным. В 1997 группа из 66 спутников была запущена, а в 1998 году началась коммерческая экс плуатация системы Iridium. Спутники Iridium действительно покрывают всю поверхность земного шара, вращаясь по 6 орбитам, проходящим через полюсы Земли. На каждой орбите находится по 11 спутников, передатчики которых работают на частоте 1,6 ГГц с полосой пропускания 10 МГц. Эта полоса расходуется 240 каналами по 41 кГц каждый. За счет многократного использования частот система Iridium поддерживает 253 440 каналов, организуя системы скользящих по поверхности Земли сот. Для пользователей системы Iridium основным видом услуги является телефонная связь и передача данных со скоро стью 2,4 Кбит/с. Спутники Iridium обладают значительным интеллектом, они могут, пользуясь специ альными межспутниковыми каналами, передавать друг другу информацию со скоростью 25 Мбит/с. Поэтому телефонный вызов идет от спутникового телефона Iridium прямо на спутник, находящийся в зоне видимости. Затем этот спутник маршрутизирует вызов че рез систему промежуточных спутников тому спутнику, который в данный момент ближе к вызываемому абоненту. Система Iridium представляет собой сеть с полным собственным стеком протоколов, поддерживающим всемирный роуминг. К сожалению, коммерческие успехи Iridium оказались очень скромными, и через два года своего существования компания обанкротилась. Расчет на мобильных телефонных абонентов оказался неверным — к моменту начала работы наземная сеть сотовой связи уже покрывала большую часть территории развитых стран. А услуги по передаче данных со скоростью 2,4 Кбит/с не соответствовали потребностям пользователей конца XX века. Сегодня система Iridium снова работает, теперь уже с новым владельцем и новым име нем - Iridium Satellite. У нее теперь более скромные планы, связанные с созданием местных систем связи в тех частях земного шара, где другая связь практически отсутствует. Про граммное обеспечение спутников модернизируется «на лету», что позволило повысить скорость передачи данных до 10 Кбит/с. В феврале 2008 года компания Iridium Satellite объявила о новой программе под названием Iridium NEXT. В соответствии с этой програм мой к 2014 году будут запущены новые 66 спутников; все коммуникации со спутниками и между спутниками будут происходить на основе стека протоколов TCP/IP. Другой известной системой низкоорбитальных спутников является Globalstar. В отличие от Iridium 48 низкоорбитальных спутников Globalstar выполняют традиционные для геостационарных спутников функции — принимают телефонные вызовы от мобильных абонентов и передают их ближайшей наземной базовой станции. Маршрутизацию вызо вов выполняет базовая станция, перенаправляющая вызов базовой станции, ближайшей к спутнику, в зоне видимости которого находится вызываемый абонент. Межспутниковые каналы не используются. Помимо телефонных разговоров Globalstar передает данные со скоростью 4,8 Кбит/с. Еще одна сеть LEO — Orbcomm предоставляет сервис, ориентированный на передачу корот ких сообщений в режиме «машина-машина», например, между промышленными установ ками или датчиками, расположенными в труднодоступных районах. Доставка сообщений не всегда осуществляется в режиме реального времени. Если спутник невидим, терминал Orbcomm просто хранит пакеты, пока космический аппарат не войдет в зону видимости. 302 Глава 10. Беспроводная передача данных Это приводит к чрезвычайно значительной неравномерности в передаче данных. Вместо привычных для пользователей Интернета задержек в доли секунды, в этой сети паузы иногда измеряются минутами. Технология широкополосного сигнала Техника расширенного спектра разработана специально для беспроводной передачи. Она позволяет повысить помехоустойчивость кода для сигналов малой мощности, что очень важно в мобильных приложениях. Однако нужно подчеркнуть, что техника расширенного спектра — не единственная техника кодирования, которая применяется для беспроводных линий связи микроволнового диапазона. Здесь также применяются частотная (FSK) и фа зовая (PSK) манипуляции, описанные в предыдущей главе. Амплитудная манипуляция (ASK) не используется по той причине, что каналы микроволнового диапазона имеют широкую полосу пропускания, а усилители, которые обеспечивают одинаковый коэффи циент усиления для широкого диапазона частот, очень дороги. Широкая полоса пропускания позволяет также применять модуляцию с несколькими несущими, когда полоса делится на несколько подканалов, каждый из которых имеет собственную несущую частоту. Соответственно, битовый поток делится на несколько подпотоков, текущих с более низкой скоростью. Затем каждый подпоток модулируется с помощью определенной несущей частоты, которая обычно кратна основной несущей ча стоте, то есть /о, 2/о, З/о и т. д. Модуляция выполняется с помощью обычных методов FSK или PSK. Такая техника называется ортогональным частотным мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Перед передачей все несущие сворачиваются в общий сигнал путем быстрого преобразо вания Фурье. Спектр такого сигнала примерно равен спектру сигнала, кодируемого одной несущей. После передачи из общего сигнала путем обратного преобразования Фурье выделяются несущие подканалы, а затем из каждого канала выделяется битовый поток. Выигрыш в разделении исходного высокоскоростного битового потока на несколько низко скоростных подпотоков проявляется в том, что увеличивается интервал между отдельными символами кода. Это означает, что снижается эффект межсимвольной интерференции, появляющийся из-за многолучевого распространения электромагнитных волн. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты Идея метода расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) возникла во время Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и управления военными объектами, например торпедами. Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, из вестной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком Технология широкополосного сигнала 303 диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации. Идею этого метода иллюстрирует рис. 10.12. Частота А F « f 8 -------- ------- -------- ■ F * | ------- 1!_ ------- ------- ------- ҐТ Г f 8 -----1 ------- ------- ------- Fs Г—— |------- f 7 / * r—““ ■ I"---- ------- f 7 F6 F , Fs --- — ------- ------- — ---- — - ------- ----- Г"*— *-—------- — 1 F 5 ' h ----- ------- --- — f 4 f 4 h ---- ------- ----- — — 1Г— 1 ------- F3 h --- ---- --- ---- l_----- — ---- ------- ---- “1 ------- l_----- f 2 F i ---- —*1 ------ ------ ' Fi 1------- 1 1 •4 — ► Bp< Период отсечки Последовательность перестройки частот: F7-F3-F4-F ^ -F10-Fe-F 2 -F8-F 5 -Fg Рис. 10.12. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизмен ной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на син хронизацию. Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, выраба тываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты. Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 10.13, а)\ в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 10.13,6). Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту. 304 Глава 10. Беспроводная передача данных 0 0 1 1 Период передачи данных 1 ! 1 j_1 j_0|_1 !_0j_0 0 і 1 0 і 1 m m Период передачи чипа gf|j Сигнал двоичного нуля [ ] Сигнал двоичной единицы | | Сигнал двоичного нуля Р й Сигнал двоичной единицы б Рис. 10.13. Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и имеет меньшие накладные расходы. Технология широкополосного сигнала 305 Методы FHSS применяют в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. В методах FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования — вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным — ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо, поскольку коды расширенного спектра можно за действовать также и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, которые в каждый момент времени дают каждому каналу возможность работать на соб ственной частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов). Прямое последовательное расширение спектра В методе прямого последовательного расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. Однако в отличие от FHSS весь частотный диапазон занима ется не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N битами, поэтому тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расши ряется в ЛГраз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение JV, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон. Цель кодирования методом DSSS та же, что методом FHSS — повышение помехоустой чивости. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию. Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расши ряющей последовательностью, а каждый бит такой последовательности — чипом. Со ответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует пере датчик, чтобы понять передаваемую информацию. Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент рас ширения исходного кода. Как и в случае FHSS, для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK. Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и тем больше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значения от 10 до 100. Примером расширяющей последовательности является последовательность Баркера (Barker), которая состоит из 11 бит: 10110111000. Если передатчик использует эту после довательность, то передача трех битов 110 ведет к отправке следующих битов: 10110111000 10110111000 01001000111 . Последовательность Баркера позволяет приемнику быстро синхронизироваться с пере датчиком, то есть надежно выявлять начало последовательности. Приемник определяет 306 Глава 10. Беспроводная передача данных такое событие, поочередно сравнивая получаемые биты с образцом последовательности. Действительно, если сравнить последовательность Баркера с такой же последователь ностью, но сдвинутой на один бит влево или вправо, то мы получим меньше половины совпадений значений битов. Значит, даже при искажении нескольких битов с большой долей вероятности приемник правильно определит начало последовательности, а значит, сможет правильно интерпретировать получаемую информацию. Метод DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спек тра, так как мощная узкополосная помеха влияет на часть спектра, а значит, и на результат распознавания единиц или нулей. Множественный доступ с кодовым разделением Как и в случае FHSS, кодирование методом DSSS позволяет мультиплексировать не сколько каналов в одном диапазоне. Техника такого мультиплексирования называется множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiplexing Access, CDMA). Она широко используется в сотовых сетях. Хотя техника CDMA может применяться совместно с кодированием методом FHSS, на практике в беспроводной сети она чаще сочетается с методом DSSS. Каждый узел сети, работающий по методу CDMA, посылает данные в разделяемую среду в те моменты времени, когда это ему нужно, то есть синхронизация между узлами отсут ствует. Идея CDMA заключается в том, что каждый узел сети задействует собственное значение расширяющей последовательности. Эти значения выбираются так, чтобы при нимающий узел, который знает значение расширяющей последовательности передающего узла, мог выделить данные передающего узла из суммарного сигнала, образующегося в результате одновременной передачи информации несколькими узлами. Для того чтобы такую операцию демультиплексирования можно было выполнить, значения расширяющей последовательности выбираются определенным образом. Поясним идею CDMA на примере. Пусть в сети работает четыре узла: А, В, С и D. Каждый узел использует следующие значе ния расширяющей последовательности: Л: 0 1 0 1 0 1 0 1 В: 1 0 1 0 0 1 0 1 С: 1 0 0 1 1 0 0 1 D: 1 1 1 1 1 1 1 1 Предположим также, что при передаче единиц и нулей расширяющей последовательности (то есть уже преобразованного исходного кода) используются сигналы, которые являются аддитивными и инверсными. Инверсность означает, что двоичная единица кодируется, например, синусоидой с амплитудой +Л, а двоичный ноль — синусоидой с амплитудой -А. Из условия аддитивности следует, что если фазы этих амплитуд совпадут, то при одно временной передача единицы и нуля мы получим нулевой уровень сигнала. Для упро щения записи расширяющей последовательности обозначим синусоиду с положительной амплитудой значением +1, а синусоиду с отрицательной амплитудой — значением -1. Для простоты допустим также, что все узлы сети CDMA синхронизированы. Таким образом, при передаче единицы исходного кода 4 узла передают в среду такие по следовательности: Технология широкополосного сигнала 307 А :-1 + 1 -1 + 1 -1 + 1 -1 + 1 В: + 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 -1 + 1 С:+ 1 - 1 - 1 + 1 + 1 - 1 - 1 + 1 D: +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 При передаче нуля исходного кода сигналы расширяющей последовательности инверти руются. Пусть теперь каждый из 4-х узлов независимо от других передает в сеть один бит исходной информации: узел А —»1, узел В 0, узел С —»0, узел D 1. В среде 5 сети наблюдается такая последовательность сигналов: А: -1 +1 -1 +1-1 +1 -1 +1 В:-1 + 1 -1 + 1 + 1 -1 + 1 -1 С : - 1 + 1 + 1 - 1 - 1 + 1 + 1 - 1 D: +1+1 +1+1 +1+1 +1+1 В соответствии со свойством аддитивности получаем: S: -2 +4 0+2 0+2 +2 0 Если, например, некоторый узел Е хочет принимать информацию от узла А, то он должен использовать свой демодулятор CDMA, задав ему в качестве параметра значение расши ряющей последовательности узла А. Демодулятор CDMA последовательно складывает все четыре суммарных сигнала 5„ при нятые в течение каждого такта работы. При этом сигнал 5„ принятый в такте, на котором код расширения станции А равен +1, учитывается в сумме со своим знаком, а сигнал, принятый в такте, на котором код расширения станции А равен -1, добавляется в сумму с противоположным знаком. Другими словами, демодулятор выполняет операцию ска лярного умножения вектора принятых сигналов на вектор значения расширяющей по следовательности нужной станции: S x A = (-2 +4 0+2 0+2 +2 0 ) х ( - 1 +1 -1 +1-1 +1 -1 + 1 )- 8 . Для того чтобы узнать, какой бит послала станция А, осталось нормализовать результат, то есть разделить его на количество разрядов в расширяющей последовательности: 8/8 * 1. Если бы станция хотела принимать информацию от станции В, то ей нужно было бы при демодуляции использовать код расширения станции £ ( + 1 - 1 + 1 - 1 - 1 + 1 - 1 + 1 ) : S x В = (-2 +4 0 +2 0 +2 +2 0 ) х (+1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1) - -8. После нормализации мы получаем сигнал -1 , который соответствует двоичному нулю исходной информации станции В. Мы объяснили только основную идею CDMA, предельно упростив ситуацию. На практике CDMA является весьма сложной технологией, которая оперирует не условными значения ми +1 и -1, а модулированными сигналами, например сигналами BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а сигналы, которые приходят от удаленных на различные расстояния от приемника узлов, имеют разную мощность. Проблема синхрони зации приемника и передатчика решается за счет передачи длинной последовательности определенного кода, называемого пилотным сигналом. Для того же, чтобы мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в CDMA применяются специ альные процедуры управления мощностью. 308 Глава 10. Беспроводная передача данных Выводы Беспроводная связь делится на мобильную и фиксированную. Для организации мобильной связи беспроводная среда является единственной альтернативой. Фиксированная беспроводная связь обеспечивает доступ к узлам сети, расположенным в пределах небольшой территории, например здания. Каждый узел беспроводной линии связи оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приемником электромагнитных волн. Электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях или же в пределах опреде ленного сектора. Тип распространения зависит от типа антенны. Беспроводные системы передачи данных делятся на четыре группы в зависимости от используемого диапазона электромагнитного спектра: широковещательные (радио-) системы, микроволновые системы, системы инфракрасных волн, системы видимого света. Из-за отражения, дифракции и рассеивания электромагнитных волн возникает многолучевое рас пространение одного и того же сигнала. Это приводит к межсимвольной интерференции и много лучевому замиранию. Передача данных в диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые получили название ISM-диапазонов, не требует лицензирования, если мощность передатчика не превышает 1 Вт. Беспроводные двухточечные линии связи служат для создания радиорелейных линий, соединения зданий, а также пары компьютеров. Беспроводные линии связи с одним источником и несколькими приемниками строятся на основе базовой станции. Такие линии используются в мобильных сотовых сетях, а также в системах фик сированного доступа. Топология с несколькими источниками и несколькими приемниками характерна для беспроводных локальных сетей. В системах спутниковой связи используются три группы спутников: геостационарные, среднеорби тальные и низкоорбитальные. Для кодирования дискретной информации в беспроводных системах прибегают к манипуляции (FSK и PSK), модуляции с несколькими несущими частотами (OFDM) и методам расширения спектра (FHSS и DSSS). В методах расширения спектра для представления информации используется широкий диапазон частот, это уменьшает влияние на сигналы узкополосных шумов. На основе методов FHSS и DSSS можно мультиплексировать несколько каналов в одном диапазоне частот. Такая техника мультиплексирования называется множественным доступом с кодовым раз делением (CDMA). Вопросы и задания 1. Назовите основные области применения беспроводных линий связи. 2. В чем достоинства и недостатки беспроводной передачи информации по сравнению с проводной? 3. Антенна какого типа является направленной? Варианты ответов: 4. а) параболическая? б) изотропная. 5. За счет чего радиоволны с частотами от 2 до 30 МГц могут распространяться на сотни километров? 6. Какой спектр волн используется для спутниковой связи? 7. Какие атмосферные явления мешают распространению микроволн? Вопросы и задания 309 8. Что из ниже перечисленного используется для ненаправленного распространения инфракрасных волн: а) лазерные диоды; б) система линз; в) отражение от потолка; г) тепловые антенны. 9. Какие препятствия вызывают дифракцию? Варианты ответов: а) непроницаемые препятствия, размер которых соизмерим с длиной волны; б) непроницаемые препятствия, размер которых намного больше длины волны; в) непроницаемые препятствия, размер которых намного меньше длины волны. 10. В каких случаях применяются эллиптические орбиты телекоммуникационных спут ников? 11. Какими недостатками обладает геостационарный спутник? Варианты ответов: а) велики задержки сигнала; б) велико затухание сигнала, что приводит к необходимости использования антенн большого диаметра; в) мало покрытие территории; г) плохая связь в районах, близких к северному и южному полюсам. 12. При соблюдении какого условия технология FHSS является высокоскоростной? 13. Какое свойство последовательности Баркера определяет возможность ее использова ния в технологии DSSS? 14. Назовите основное свойство расширяющих последовательностей, используемых в технологии CDMA. 15. Можно ли в качестве расширяющих последовательностей узлов сети, поддерживающих множественный доступ с кодовым разделением на основе технологии DSSS, исполь зовать значения 100...0,0100...0,0010...0,00010...0 и т. д.? 16. Предложите 11-битную расширяющую последовательность, отличную от последова тельности Баркера, которая, как и последовательность Баркера, позволяет надежно определять начало передачи очередного бита исходной информации. |