Технология расширения спектра

Технология расширения спектра(Spread Spectrum) [30, 31]предполагает распределение мощности сигнала в широком диапазоне частот. Она была изобретена во время второй мировой войны актрисой Хейди Ламарр (Hedy Lamarr) и американским композитором-авангардистом Джорджем Антейлом (George Antheil) как «секретная коммуникационная система» для связи с радиоуправляемыми торпедами.

Большинство систем расширения спектра работают в частотных диапазонах, выделенных для промышленного, научного и медицинского применения (Industrial, Scientific and Medicine, ISM). Диапазоны ISM расположены вблизи частот 902 МГц, 2, 4 ГГц и 5, 7 ГГц. Выходная мощность их передатчиков должна быть ограниченной (как правило, не более 1 Вт). В России использование ISM без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для использования внеофисной беспроводной сети необходимо получение разрешения на использование частот. Рассмотрим некоторые стандарты, регламентирующие использование беспроводных линий связи применительно к построению компьютерных сетей.

Беспроводная персональная вычислительная сеть (WPAN) – представляет собой локальную сеть с малым радиусом действия, обычно не превышающим 15...20 м, и предназначается для связи компьютера с разнообразной периферией и мультимедиа-устройствами. Некоторые WPAN-сети способны работать на дальности до 100 м.

Технология Bluetooth (IEEE 802.15.1) [41] – имеет мощность передатчика порядка 1 мВт и пропускную способность 1 Мбит/с. Используются сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) со скоростью 1600 переключений в секунду в полосе 2400 …2483, 5 МГц.

Канал связи представляет собой сетку частот, на каждой из которых может производиться обмен данными, фрагмент сетки частот показан на рис.37. Всего таких частот 79, а выбор частот для обмена производится на основе псевдослучайной последовательности. Обмен данными осуществляется внутри временных интервалов (слотов) по 625 мкс. После передачи каждого слота производится переход на другой частотный канал. Максимальная скорость обмена достигается при асимметричном обмене и составляет 723, 2 Кбит/с в одну сторону и 57, 6 Кбит/с – в другую. Для двунаправленной передачи данных используется схема временного разделения. Ведущее устройство должно начинать передачу пакета только в четных временных интервалах, а ведомое – в нечетных.

Bluetooth служит главным образом для организации каналов связи типа «точка-точка», однако возможна также и организация типа «точка-многоточие». В любом случае одно из устройств является ведущим (master), а все остальные – ведомыми (slave). Образованная таким образом структура называется пикосетью (piconet). В одной такой сети могут участвовать одно ведущее устройство и до семи ведомых.

Пакет состоит из трех полей: кода доступа, заголовка и данных. Размер первого поля составляет 72 или 68 бит, второго – 54 бита. Заголовок содержит информацию о типе и длине пакета (о количестве временных интервалов, которые он занимает: один, три и пять) и другую служебную информацию. Длина поля данных может составлять от нуля до 2745 бит.

В качестве мер защиты в Bluetooth предусмотрено кодирование передаваемых данных, а также выполнение процедуры авторизации устройств. При этом возможны три уровня защиты: минимальная (данные кодируются общим ключом и могут приниматься любыми устройствами без ограничений); защита на уровне устройств (непосредственно в чипе прописывается уровень доступа, в соответствии с которым устройство может получать определенные данные от других устройств); защита на уровне сеанса связи (данные кодируются 128-битными случайными числами, хранящимися в каждой паре устройств, участвующих в конкретном сеансе связи).

Стандарты серии IEEE 802.11 (Wi-Fi). Данная серия содержит более 20 стандартов, и применяется для организации локальных сетей, а также для доступа абонентов к компьютерным сетям. Ниже рассмотрена часть стандартов этой серии.

Стандарт 802.11 обеспечивает скорости 1 Мбит/с и 2 Мбит/с. Ширина одного частотного диапазона 20 МГц. Для выделенного диапазона 2.4 … 2.48 ГГц назначены номера каналов. Центральные частоты каждого канала отличаются на 5 МГц, поэтому, чтобы получить неперекрывающиеся диапазоны частот по 20 МГц для разных сетей, работающих на одной территории, необходимо использовать для них, например, 1-й (2412 МГц), 6-й (2437 МГц) и 11-й (2462 МГц) каналы, как это показано на рис. 38.

Рис.38. Каналы для трех независимых сетей в одном помещении

Предусматривалась передача сигнала одним из трех способов. В двух из них использовались радиочастоты в выделенном диапазоне. Один способ основывался на методе частотных скачков FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), а другой - на методе прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). При скачкообразном изменении частота носителя резко изменяется от одного значения к другому в пределах определенного диапазона, дальность передачи может составлять около 20 км. Для диапазона 2.4 ГГц для FHSS используется более 75 узкополосых каналов.

Для представления каждого бита во втором случае использовались последовательности Баркера – 11 элементарных сигналов («00010011100» и «11101100011»). Каждый элементарный сигнал называют чипом. Известно, что если длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита Т, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.

Кодовые последовательности чипов обладают свойством автокорреляции. Под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе через определенный интервал времени. Для выбранной последовательности чипов функция автокорреляции имеет резко выраженный пик лишь для одного момента времени. В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего становиться возможным выделение передаваемого информационного бита. Коды Баркера обеспечивает возможность передавать сигнал практически на уровне помех и при этом гарантирует высокую степень достоверности принимаемой информации.

Для модуляции синусоидального несущего сигнала при информационной скорости 1 Мбит/с используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK). Двоичная фазовая модуляция предусматривает два возможных значения сдвига фазы – 0 и p. При относительной фазовой модуляции осуществляется сдвиг фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Относительная фазовая модуляция применяется к отдельным чипам последовательности. Для скорости 2 Мбит/с применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Key). Возможные значения сдвига фазы в этом случае – {0, p/2, p, - p/2} либо {±p/4, ±3p/4}. Принцип относительной квадратурной фазовой модуляции показан на рис.39 и рис.40.

Результирующий сигнал вычисляется по формуле:

S(t)=I_dsin(2pf₀t) + Q_dcos(2pf₀t)

где I_d и Q_d – информационные сигналы, f₀ – несущая частота

В третьем способе использовался инфракрасный диапазон (850 нм или 950 нм). При скорости 1 Мбит/c применялась схема кодирования с группированием четырех бит в 16-битовое кодовое слово, содержащее 15 нулей и одну единицу. При передаче со скоростью 2 Мбит/c 2 бита преобразуются в 4-битовый код, содержащий лишь одну единицу (0001, 0010, 0100 и 1000). Сейчас стандарт IEEE 802.11считается устаревшим.

Рис. 39. Схема квадратурной модуляции

IEEE 802.11b использует сигнально кодовые конструкции [32] (Complementary Code Keying, ССК) и обеспечивает скорости 5, 5 и 11

,

Рис. 40. Принцип квадратурной фазовой модуляции QPSK

а – цифровая последовательность; б – логические уровни информационного сигнала;

в – интерфейсный сигнал; г – нечетные биты сигнала, д – модуляция DBPSK нечетных бит; е – четные биты; ж – модуляция DBPSK четных бит; з – результирующий модулированный QPSK сигнал; и – схема относительной фазовой модуляции

Мбит/с. Основное отличие CCK от кодов Баркера в том, что существует не строго заданная последовательности для кодирования значения бит 1 и 0, а имеется набор символов, каждый из которых представляет 8-чиповую последовательность. Элементы этой последовательности принимают значения {1, –1, +j, –j }. Всего можно сформировать 65 536 различных последовательностей. В стандарте используется 256 наборов возможных CCK-последовательностей. Элементы 8-чиповой CCK-последовательности (символа) образуются по формулам [34]:

С₀=e^{j(j1+j2+j3+j4)}; С₁=e^j(j1+j3+j4); С₂=e^j(j1+j2+j4); С₃=-e^j(j1+j4);

С₄=e^j(j1+j2+j3); С₅=e^j(j1+j3); -С₆=e^j(j1+j2); С₇=e^jj1.

Значения фазы j1 выбирается по двум первым битам (дибиту), j2 — по второму дибиту, j3 — по третьему и j4 — по четвертому. Для однозначного определения СCК-последовательности требуется 8 бит входных данных. Применяется относительная квадратурная фазовая модуляция.

Информация передается по радиоканалу с частотой 2, 4 ГГц, радиус действия 100-200 м на открытом пространстве и 30 м в закрытых помещениях. Стандартная скорость 11 Мбит/с, при снижении качества сигнала система снижает скорость вплоть до 1 Мбит/с. IEEE 802.11b стал одним из самых распространенных (стандарт де-факто).

IEEE 802.11a использует диапазон частот 5150 … 5825 ГГц и обеспечивает скорость до 54 Мбит/с. Передача производится одновременно по нескольким частотам, радиус действия порядка 50 м. Используется метод - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), при этом сигнал разбивается на несколько частей, которые пересылаются одновременно по нескольким ортогональным частотам. Ортогональность функций означает [33], что их произведение, усредненное на интервале длительности символа, должно быть равно нулю. Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний.

Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис.41 [33]. На рис.42 представлена модуляция несущей частоты f_н дискретным информационным сигналом длительностью Т_с. В результате порождается частотный спектр с центральной частотой f_н, соответствующей несущей частоте.

Из рис. 42 видно, что огибающая спектра имеет минимумы на частотах f_н ± n/T_с.

Рис.42. Вид модулированного сигнала

а – во временной области, б – в частотной области
f_н - центральная частота модулированной поднесущей, Т_с — длительность информационного символа Т_н – период поднесущей.

При расположении в спектральной плоскости максимума соседней поднесущей в одну из точек минимума другой поднесущей, например, в точку f_н2= f_н1+1/T_с, что показано на рис. 43, их взаимное влияние будет минимальным.

Рис.43. Спектры информационных сигналов на ортогональных поднесущих

Длительность модулирующего информационного символа Тс, строго одинакова для всех поднесущих, для обеспечения условия расположения максимума одних поднесущих в минимумах других.

Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет ширину 20 МГц в котором выделяется 64 поднесущих, получаем, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 312, 5 кГц. Из 64 ортогональных подканалов используется только 52, причем 48 из них используется для передачи, а остальные для передачи служебной информации. Стандарт мало распространен.

IEEE 802.11g обеспечивает скорость до 54 Мбит/с в полосе 2, 4 ГГц, средний радиус действия 100 м, он активно применяется в настоящее время. Используется метод – OFDM. Длительность передачи каждого символа составляет 4 мкс. Стандарт IEEE 802.11g совместим с IEEE 802.11b.

В зависимости от скорости передачи и режима работы на каждой используемой частоте могут использоваться: коды Баркера, сигнальные кодовые конструкции, двоичное пакетное сверточное кодирование (PBCC), пунктурное кодирование [34].

При двоичном пакетном сверточном кодировании [34] входной последовательности битов {Xi} ставится в соответствие по определенному алгоритму выходная последовательность битов {Yi}, причем значение каждого бита выходной последовательности зависит от значения нескольких битов входной последовательности. В сверточном кодере применяются запоминающие ячейки и логические элементы XOR. В протоколе 802.11g используются сверточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек. Кроме того, каждому входному биту X_i ставятся в соответствие два выходных бита:

Y_{i, 0}=X_iÅ X_i-1Å X_i-3Å X_i-4Å X_i-6 ; Y_{i, 1}=X_iÅ X_i-2Å X_i-3Å X_i-4Å X_i-5Å X_i-6 .

При пунктурном кодировании [34] кроме сверточного кодера в схему добавляют пунктурный кодер (Puncture), который из четырех бит, полученных на выходе сверточного кодера, один удаляет. Это возможно, поскольку сверточный кодер порождает избыточность равную 2 (на каждый входной бит приходятся два выходных). В результате каждым двум входным битам будет соответствовать три выходных.

Беспроводная технология передачи данных, обеспечиваемая стандартами 802.11a/b/g носит название Wi-Fi (Wireless Fidelity). Эта технологияявляется конкурентом Ethernet. Однако для нормальной работы сети необходимо, чтобы разные каналы не использовали общие частоты, поэтому одновременно в одном месте может работать не более трех каналов в сети 802.11b/g и не более восьми каналов в сети 802.11a.

К недостаткам Wi-Fi относится малая пригодность для работы приложений использующих медиа-потоки в реальном времени и уязвимость к несанкционированному доступу к сети.

IEEE 802.11n совместно использует частоты 2, 4 и 5 ГГц, ширина каналов по 40 МГц и с теоретическим пределом скорости до 600 Мбит/с. Возможна работа в данном стандарте и с шириной канала 20 МГц, но при этом уменьшается скорость. В этом стандарте применяется технология MIMO (Multiple Input Multiple Output), приемные и передающие устройства снабжаются сразу несколькими антенными системами, между которыми производится автоматическое разделение потоков (для каждой антенны необходим отдельный радиочастотный тракт и отдельный аналогово-цифровой преобразователь). Применяется ортогональное частотное мультиплексирование: в радиоканале присутствуют 52 поднесущих частоты, четыре из которых предназначены для служебных сигналов, а оставшиеся 48 — для переноса собственно данных. Планировалось к концу 2010 г. оборудование стандарта 802.11n разрешить к применению на территории России в диапазонах 2400 … 2483, 5, 5150 … 5350 и 5650 … 5725 МГц. Стандарт совместим с IEEE 802.11a/b/g.

Стандарт IEEE 802.11i известен под названием WPA2 (Wi-Fi Protected Access), он является дополнением к стандарту 802.11 и специфицирует механизмы обеспечения безопасности для беспроводных сетей. Стандарт использует блочный шифр AES (Advanced Encryption Standard).

Системы Wi-Fi применяются в основном для построения беспроводных локальных сетей (WLAN) или обеспечения к ним доступа, например, как показано на рис.44 [31].

Рис. 44. Пример сети с подключением по беспроводным каналам Wi-Fi

Структура кадров Wi-Fi содержит поле управления кадром (2 байта), идентификатор длительности (2 байта), 4 поля по 6 байт для адресов источника и приемника, поле управления очередностью (2 байта), область данных (до 2312 байт) и контрольную последовательность кадра (4 байта). Поле управление очередности содержит номер фрагмента и номер кадра.

Стандарты серии IEEE 802.16 (WiMAX). Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - международное взаимодействие для микроволнового доступа) обеспечивает функционирование беспроводных сетей четвертого поколения – 4G и базируется на серии стандартов 802.16. Краткая характеристика первых стандартов серии приведена в табл.3.

В табл. 3 приведены виды модуляции, которые используются в стандарте. Квадратурная фазная модуляция QPSK обеспечивает 2 бита на символ. Применение квадратурной амплитудной модуляции, позволяющая увеличить количество бит, приходящихся на один символ. 16QAM дает 16 состояний (один символ несет 4 бита, см. рис.45), 64QAM обеспечивает 6 бит/символ.

Таблица 3

Краткая характеристика стандартов серии 801.16

Максимальная скорость передачи, предусмотренная в стандарте, 134, 4 Мбит/с при полосе 28 МГц и модуляции 64QAM. Предусмотрен в стандарте и режим ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, обеспечивающий одновременную передачу для 8 абонентов на 256 поднесущих. Это позволяет работать только по отраженным сигналам вне пределов прямой видимости с дальностью до 50 км.

WiMAX изначально создан для передачи любого типа данных по общему разделяемому каналу. Наиболее распространены реализации IEEE 802.16-2004, IEEE802.16d (без обеспечения мобильности) и IEEE 802.16е-2005, IEEE802.16e (с обеспечением мобильности). Текущая версия стандарта изложена в IEEE 802.16-2009 и доступна на сайтах https://www.ieee.org/ и https://wirelessman.org/.

Сверхширокополосная беспроводная связь – это связь между устройствами малого радиуса действия, использующая для передачи и/или приёма данных радиочастотный канал шириной не менее 500 МГц, диапазон их работы в России 2, 85 … 10, 6 ГГц.

Ultra Wideband, UWB – технология основана на передаче множества закодированных импульсов не гармонической формы очень малой мощности (0, 05 мВт) и малой длительности в широком диапазоне частот. Передача данных на расстояние до 5 метров осуществляется со скоростью от 400 до 500 Мбит/сек. Любая UWB-система включает антенную систему, формирующую короткие импульсы электромагнитного излучения; мощный импульсный ключ, управляющий антенной системой; устройство модуляции/демодуляции; прецизионный высокочастотный опорный генератор, приемный детектор и коррелятор. Высокоскоростные UWB-устройства хорошо подходят для работы с видеопотоками и приложениями, требующими быстрой пересылки данных. Низкоскоростное UWB-оборудование может применяться для отслеживания местоположения на местности владельцев беспроводных устройств и различных объектов.

Беспроводные компьютерные сети. Все виды компьютерных сетей можно разделить на четыре группы, в порядке возрастания дальности: РАN (Рersonal Arеа Network, или сети личного пользования), WLAN (Wireless Local Arеа Network, или локальные сети), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network, или городские сети) и WAN (Wide Area Network, или глобальные сети).

К персональным сетям относят системы с радиусом действия до 15 м. Основное назначение таких сетей – связь компьютера и периферийных устройств. Мощность излучения передатчиков, как правило, 1…10 мВт, частотный диапазон 2, 4…2, 4835 ГГц, в котором организовано 79 каналов. В настоящее время для таких сетей используется технология Bluetooth, скорость передачи не превышает 1 Мбит/с.

Локальные сети имеют взаимную удаленность устройств до сотен метров и мощности передатчиков порядка 100 мВт. Применительно к беспроводным сетям для локальной сети используется технология Wi-Fi.

Для городских и глобальных сетей на беспроводной основе применяется технология WiMAX, иногда используется технология Wi-Fi.

Устройства беспроводного доступа принято делить на группы: неподвижные, подвижные, портативные и мобильные.

Неподвижные устройства используют фиксированный доступ, то есть связь между базовой станцией и клиентским терминалом в диапазоне 10-66 ГГц в пределах прямой видимости, со скоростью передачи до 120 Мбит/с и дальности в несколько километров.

Подвижные устройства могут работать в сеансовом режиме, то есть соединяться с базовой станцией посредством сессий. Это позволяет перемещать клиентские терминалы.

Портативные устройства могут перемещаться без разрыва сессии со скоростью до 40 км/ч.

Мобильные устройства могут перемещаться без разрыва сессии со скоростью до 120 км/ч.