Extinderea spectrului prin salt de frecvență. Spectru de răspândire în serie directă. Acces multiplu cu diviziune de cod. Extinderea spectrului de salt de frecvență Extinderea spectrului de salt de frecvență (Fr

Inițial, metoda cu spectru răspândit a fost creată în scopuri militare și de informații. Ideea principală a metodei este de a distribui semnalul de informații pe o bandă radio largă, ceea ce în cele din urmă face mult mai dificilă suprimarea sau interceptarea semnalului. Prima schemă de spectru extins dezvoltată este cunoscută sub denumirea de tehnică de salt de frecvență. O schemă mai modernă a spectrului de răspândire este metoda de răspândire în serie directă. Ambele metode sunt utilizate în diverse standarde și produse wireless.

Spectrul de răspândire cu salt de frecvență (FHSS)

Pentru a se asigura că traficul radio nu poate fi interceptat sau suprimat de zgomotul de bandă îngustă, s-a propus transmiterea cu o schimbare constantă a purtătorului într-un interval larg de frecvență. Ca rezultat, puterea semnalului a fost distribuită pe întreaga gamă, iar ascultarea unei anumite frecvențe producea doar o cantitate mică de zgomot. Secvența de frecvențe purtătoare a fost pseudo-aleatorie, cunoscută doar de emițător și receptor. O încercare de a suprima un semnal într-un anumit interval îngust, de asemenea, nu a degradat prea mult semnalul, deoarece doar o mică parte a informației a fost suprimată.

Ideea acestei metode este ilustrată în Fig. 1.10.

Pentru o perioadă fixă de timp, transmisia se realizează pe o frecvență purtătoare constantă. La fiecare frecvență purtătoare, metode standard de modulare, cum ar fi FSK sau PSK, sunt utilizate pentru a transmite informații discrete. Pentru ca receptorul să se sincronizeze cu transmițătorul, biții de sincronizare sunt transmiși pentru o perioadă de timp pentru a indica începutul fiecărei perioade de transmisie. Deci viteza utilă a acestei metode de codare este mai mică datorită supraîncărcării constante de sincronizare.

Orez. 1.10. Extinderea spectrului prin salt de frecvență

Frecvența purtătoarei se modifică în funcție de numărul de subcanale de frecvență generate de algoritmul numere pseudoaleatoare. Secvența pseudo-aleatorie depinde de un parametru numit iniţială număr. Dacă receptorul și emițătorul cunosc algoritmul și valoarea semințelor, atunci ele schimbă frecvențele în aceeași secvență, numită secvență pseudo-aleatorie de salt de frecvență.

Dacă frecvența modificărilor subcanalului este mai mică decât rata de transmisie a datelor pe canal, atunci acest mod este apelat extinderea lentă a spectrului(Fig. 1.11a); altfel avem de-a face extinderea rapidă a spectrului(Fig. 1.11b).

Metoda cu spectru de răspândire rapidă este mai rezistentă la interferență deoarece interferența de bandă îngustă care suprimă semnalul într-un anumit subcanal nu are ca rezultat pierderea de biți deoarece valoarea sa este repetată de mai multe ori în subcanale de frecvență diferite. În acest mod, efectul interferenței intersimbol nu apare, deoarece până la sosirea semnalului întârziat de-a lungul uneia dintre căi, sistemul are timp să comute la o altă frecvență.

Metoda de răspândire lentă a spectrului nu are această proprietate, dar este mai simplu de implementat și implică mai puține cheltuieli generale.

mărește imaginea
Orez. 1.11. Relația dintre rata de date și frecvența schimbării subcanalului

Metodele FHSS sunt utilizate în tehnologiile wireless IEEE 802.11 și Bluetooth.

În FHSS, abordarea utilizării intervalului de frecvență este diferită de alte metode de codare - în loc să se utilizeze economic o lățime de bandă îngustă, se încearcă ocuparea întregului interval disponibil. La prima vedere, acest lucru nu pare foarte eficient - la urma urmei, doar un canal funcționează în interval la un moment dat. Cu toate acestea, această din urmă afirmație nu este întotdeauna adevărată - codurile cu spectru împrăștiat pot fi utilizate și pentru a multiplexa mai multe canale pe o gamă largă. În special, metodele FHSS vă permit să organizați funcționarea simultană a mai multor canale prin selectarea unor astfel de secvențe pseudo-aleatorie pentru fiecare canal, astfel încât în fiecare moment de timp fiecare canal să funcționeze la propria frecvență (desigur, acest lucru se poate face numai dacă numărul de canale nu depășește numărul de subcanale de frecvență).

Spectrul de răspândire a secvenței directe (DSSS)

Spectrul de răspândire secvențială directă utilizează, de asemenea, întreaga gamă de frecvență alocată unei singure legături fără fir. Spre deosebire de metoda FHSS, întreaga gamă de frecvență este ocupată nu prin trecerea constantă de la frecvență la frecvență, ci prin înlocuirea fiecărui bit de informație cu N-biți, astfel încât viteza de ceas a transmisiei semnalului să crească de N ori. Și asta, la rândul său, înseamnă că spectrul semnalului se extinde și de N ori. Este suficient să selectați rata de date și valoarea N în mod corespunzător, astfel încât spectrul semnalului să umple întregul interval.

Scopul codării DSSS este același cu FHSS - de a crește imunitatea la interferențe. Interferența în bandă îngustă va distorsiona doar anumite frecvențe ale spectrului de semnal, astfel încât receptorul este probabil să poată recunoaște corect informațiile transmise.

Se numește codul care înlocuiește unitatea binară a informațiilor originale secvență de răspândire, și fiecare bit dintr-o astfel de secvență este un cip.

În consecință, este apelată viteza de transmisie a codului rezultat cip viteză. Un zero binar este codificat ca inversul secvenței de împrăștiere. Receptorii trebuie să cunoască secvența de răspândire pe care o folosește emițătorul pentru a înțelege informațiile transmise.

Numărul de biți din secvența de împrăștiere determină factorul de împrăștiere al codului sursă. Ca și în cazul FHSS, orice tip de modulație, cum ar fi BFSK, poate fi utilizat pentru a codifica biții codului rezultat.

Cu cât factorul de răspândire este mai mare, cu atât spectrul semnalului rezultat este mai larg și gradul de suprimare a interferențelor este mai mare. Dar, în același timp, spectrul ocupat de canal crește. De obicei, factorul de expansiune variază de la 10 la 100.

1.1. Scurtă descriere a extinderii spectrului de semnale prin metoda saltului de frecvență

1.1.1. Principii de bază și metode de extindere a semnalului

În cazul în care cercetătorii și dezvoltatorii de sisteme de comunicații radio (RCS) se confruntă cu problema asigurării unei comunicații fiabile în condiții de interferență organizată și neintenționată, propagarea pe mai multe căi a undelor radio, precum și implementarea accesului multiplu atunci când lucrează în rețele radio de pachete , cele mai bune rezultate pot fi obținute atunci când sunt utilizate în semnale cu spectru extins RCS. Principiile de bază ale metodelor cunoscute de împrăștiere a spectrului de semnale, care reflectă în mod adecvat esența lor fizică, sunt date în: ... împrăștierea spectrului unui semnal este o metodă de transmisie în care semnalul ocupă o bandă de frecvență mai largă decât banda minim necesara pentru transmiterea informatiilor; extinderea benzii de frecvență a semnalului este asigurată de un cod special care nu depinde de informațiile transmise; pentru comprimarea ulterioară a benzii de frecvență a semnalului și recuperarea datelor, se folosește și un cod special în dispozitivul de recepție, similar codului din emițătorul CPC și sincronizat cu acesta... Astfel, metoda de transmitere a informațiilor cu spectru împrăștiat constă în : pe partea de transmisie - în modularea simultană și independentă a parametrilor semnal cu un cod special (funcția de răspândire a spectrului) și un mesaj transmis; pe partea de recepție - în demodularea sincronă a semnalului în conformitate cu funcția de împrăștiere a spectrului și restabilirea mesajului transmis.

În ciuda faptului că principiile extinderii spectrului de semnale în formă generală erau cunoscute deja în anii 20-30 ai secolului XX, baza teoretică pentru dezvoltarea SRS cu astfel de semnale a fost formula fundamentală a K.E. Shannon

care, caracterizând capacitățile limitative ale unui canal Gaussian, extinde radical înțelegerea posibilității de transmitere a informațiilor prin canale de comunicație radio cu zgomot alb Gaussian aditiv cu bandă limitată (AWGN).

Astfel, din (1.1) rezultă că capacitatea (bit/s) a unui canal de comunicație radio, după ce acesta este specificat, sub influența interferenței (zgomot) Gaussian aditiv cu putere medie limitată (W) poate fi asigurată fie prin utilizarea o bandă de frecvență largă (Hz) cu un raport semnal/interferență scăzut sau - o bandă de frecvență îngustă (Hz) cu un raport semnal/interferență mai mare, unde este puterea medie a semnalului. Prin urmare, poate exista un compromis între lățimea de bandă a canalului și raportul semnal-interferență al canalului respectiv. În acest caz, în conformitate cu dependența (1.1), cel mai potrivit este schimbarea puterii semnalului cu lățimea de bandă a canalului. De exemplu, este necesar să se furnizeze debit/s cu raportul semnal-zgomot =. Pe baza (1.1), canalul de comunicație radio trebuie să aibă o lățime de bandă MHz. Cu un raport semnal/interferență mai mare, de exemplu, capacitatea biților/biților canalului de comunicație radio poate fi realizată într-o bandă de frecvență kHz destul de îngustă. Formula (1.1) indică, de asemenea, că pentru un raport semnal/interferență dat într-un canal de comunicație radio cu AWGN, debitul poate fi crescut prin extinderea corespunzătoare a spectrului de semnal.

Pentru raporturi semnal-zgomot mici, expresia (1.1) ia forma:

(1.2a)

unde 1,44 este modulul de tranziție de la logaritmii binari la cei naturali; în cazul rapoartelor mari, rezultă din (1.1) cu o bună aproximare că

. (1.2b)

Capacitatea maximă pentru un canal de comunicație radio gaussian este la

, (1,2v)

unde este densitatea spectrală de putere unidirecțională a zgomotului alb.

Expresia (1.2c) indică faptul că într-un canal zgomotos, chiar și în cazul limită la, raportul semnal-interferență trebuie să depășească o anumită valoare de prag. Deci, pentru a transmite un pic de informație, energia semnalului necesară este (sau).

Dacă debitul este egal cu rata de transmisie a informațiilor necesară, atunci de la (1.1) și (1.2) este clar că canalul de comunicație radio poate funcționa cu un exces semnificativ al puterii de interferență față de puterea semnalului util. Prin urmare, metodele de extindere a spectrului de semnale sunt utilizate pe scară largă în SRS speciale, care trebuie să ofere o comunicare fiabilă în condiții de bruiaj electronic (ERS).

Metodele cu spectru împrăștiat se pot baza pe modificarea (modularea) amplitudinii, fazei, frecvenței și poziției temporale (întârziere) a semnalului în conformitate cu un cod special generat pe baza unei secvențe pseudo-aleatoare.

Cu toate acestea, modulația de amplitudine nu este, de regulă, utilizată pentru a genera un semnal cu spectru împrăștiat, deoarece acesta produce un semnal cu o putere de vârf (instantanee) mare, care este destul de ușor de detectat de simple receptoare ale stațiilor de recunoaștere radio (RTR).

Din cauza imunității insuficiente la zgomot, metoda de extindere a spectrului prin modularea poziției temporale (întârziere) a semnalului, așa-numita metodă pseudo-aleatorie de modulare în timp-impuls (PVPM), nu își găsește aplicație independentă în CRS. Cu metoda PVIM, extinderea spectrului se realizează prin comprimarea semnalului informațional în domeniul timpului. Reducerea timpului de transmisie a fiecărui semnal de informație cu un factor duce la o extindere a spectrului de semnal cu un factor și reduce timpul total de transmisie. Informațiile sunt transmise numai la intervale de timp specificate, care se succed în conformitate cu codul selectat. La utilizarea metodei PVIM, precum și a metodei de răspândire a spectrului datorită modulării amplitudinii, apare un factor de creastă mare, care duce la consumul de energie irosit al transmițătorului SRS.

Principalele metode de bază pentru extinderea spectrului de semnale, utilizate pe scară largă în sistemele SRS moderne, de control și distribuție a informațiilor, sunt:

Metodă de modulare directă a unui purtător printr-o secvență pseudo-aleatorie (PSR);

Metoda de reglare pseudo-aleatorie a frecvenței de operare (PRFC);

Metoda de utilizare comună (integrată) a diverselor metode; de exemplu, metoda de modulare directă a purtătorului PSP și metoda saltului de frecvență; metoda PPRF și metoda PVIM și alte combinații.

În prima metodă, lărgirea spectrului de semnal se realizează prin modularea directă a frecvenței purtătoarei PSP, ale cărei elemente sunt generate cu o viteză semnificativ mai mare decât rata de transmisie a elementelor secvenței informaționale și apoi suprapuse fiecărui simbol informațional. Un exemplu tipic de astfel de semnale sunt semnalele de bandă largă cu deplasare de fază (WWPS). Cu o formă dreptunghiulară a elementelor secvenței informaționale și folosind PSP, care asigură extinderea spectrului semnalului, PMSHPS binar poate fi descris prin expresia

Figura 1.4, a, b prezintă într-o formă idealizată densitățile de putere spectrale ale semnalului și interferența în bandă îngustă în punctele caracteristice ale diagramelor structurale ale emițătorului și receptorului SRS cu FMSPS.

În fig. Figura 1.4 arată modul în care spectrul semnalului util este convertit și spectrul de interferență în bandă îngustă este extins în dispozitivele de transmisie și recepție ale SRS cu FMSPS.

Metode cu spectru răspândit

Inițial, metodele cu spectru răspândit (PC sau SS - Spread-Spectrum) au fost utilizate în dezvoltarea sistemelor militare de control și comunicații. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, spectrul extins a fost folosit în radar pentru a combate interferența intenționată. În ultimii ani, dezvoltarea acestei tehnologii se explică prin dorința de a crea sisteme de comunicații radio eficiente care să asigure imunitate ridicată la zgomot la transmiterea semnalelor în bandă îngustă pe canale zgomotoase și complicând interceptarea acestora.

Sistemul de comunicații este un sistem cu spectru extins în următoarele cazuri:

Banda de frecvență utilizată în timpul transmisiei este mult mai largă decât minimul necesar pentru transmiterea informațiilor curente. În acest caz, energia semnalului informațional se extinde pe întreaga bandă de frecvență cu un raport semnal-zgomot scăzut, făcând semnalul dificil de detectat, interceptat sau interferat cu transmisia sa prin introducerea interferenței. Deși puterea totală a semnalului poate fi mare, raportul semnal-zgomot în orice domeniu de frecvență este mic, ceea ce face ca semnalul cu spectru împrăștiat să fie dificil de detectat prin comunicațiile radio și, în contextul ascunderii informațiilor prin tehnici steganografice, greu de identificat prin oameni.

Răspândirea spectrului se realizează folosind un așa-numit semnal de răspândire (sau cod), care este independent de informațiile transmise. Prezența energiei semnalului în toate intervalele de frecvență face ca semnalul radio cu spectru împrăștiat să fie rezistent la interferențe, iar informațiile încorporate în container folosind metoda cu spectru împrăștiat sunt rezistente la eliminarea sau scoaterea acestuia din container. Compresia și alte atacuri asupra unui sistem de comunicații pot elimina energia semnalului din unele porțiuni ale spectrului, dar deoarece energia a fost răspândită pe întregul spectru, există încă suficiente date în alte benzi pentru a recupera informațiile. Ca urmare, dacă, desigur, nu dezvălui cheia care a fost folosită pentru a genera semnalul de cod, probabilitatea ca persoane neautorizate să extragă informații este redusă semnificativ.

Reconstrucția informațiilor primare (adică „îngustarea spectrului”) se realizează prin compararea semnalului primit și o copie sincronizată a semnalului de cod.

Există trei metode principale de extindere a spectrului utilizate în comunicațiile radio:

Utilizarea PSP direct (RSPP);

Utilizarea saltului de frecvență;

Utilizarea compresiei folosind modulația liniară a frecvenței (LFM).

La răspândirea spectrului prin secvență directă, semnalul informațional este modulat de o funcție care preia valori pseudoaleatoare în limitele stabilite și este înmulțită cu o constantă de timp - frecvența (viteza) de repetare a parcelelor elementare (elemente de semnal). Acest semnal pseudo-aleatoriu conține componente la toate frecvențele, care, atunci când sunt extinse, modulează energia semnalului pe o gamă largă.

În metoda cu spectru extins cu salt de frecvență, transmițătorul schimbă instantaneu o frecvență a semnalului purtător cu alta. Cheia secretă în acest caz este legea pseudo-aleatorie a modificărilor de frecvență.

Cu compresia chirp, semnalul este modulat de o funcție a cărei frecvență variază în timp.

Este evident că oricare dintre aceste metode poate fi extinsă pentru a fi utilizată în domeniul spațial atunci când se construiesc sisteme steganografice.

Să luăm în considerare una dintre opțiunile de implementare a metodei RSPP, ai cărei autori sunt J.R. Smith și V.O. Comiskey. Algoritmul de modulație este următorul: fiecare bit al mesajului este reprezentat de o funcție de bază, dimensiune, multiplicată, în funcție de valoarea bitului (1 sau 0), cu +1 sau -1:

(11.7)

Mesajul modulat primit în acest caz este însumat pixel cu pixel cu o imagine container, care este o imagine semiton de dimensiune . Rezultatul este o imagine steched, cu .

Ideea metodei extinderea spectrului cu salt de frecvență Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) a apărut în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, când radioul era utilizat pe scară largă pentru comunicații secrete și controlul activelor militare, cum ar fi torpilele. Pentru a se asigura că traficul radio nu poate fi interceptat sau suprimat de zgomotul de bandă îngustă, s-a propus transmiterea cu o schimbare constantă a purtătorului într-un interval larg de frecvență. Ca rezultat, puterea semnalului a fost distribuită pe întreaga gamă, iar ascultarea unei anumite frecvențe producea doar o cantitate mică de zgomot. Secvența de frecvențe purtătoare a fost aleasă pseudo-aleatoriu, cunoscută doar de emițător și receptor. O încercare de a suprima un semnal într-un anumit interval îngust, de asemenea, nu a degradat prea mult semnalul, deoarece doar o mică parte a informației a fost suprimată.

Ideea acestei metode este ilustrată în Fig. 10.12.

Orez. 10.12. Extinderea spectrului prin salt de frecvență

Pe parcursul unui anumit interval de timp fix, transmisia se realizează pe o frecvență purtătoare constantă. La fiecare frecvență purtătoare, metode standard de modulare, cum ar fi FSK sau PSK, sunt utilizate pentru a transmite informații discrete. Pentru a menține receptorul sincronizat cu transmițătorul, biții de sincronizare sunt transmiși pentru o perioadă de timp pentru a indica începutul fiecărei perioade de transmisie. Deci viteza utilă a acestei metode de codare este mai mică datorită supraîncărcării constante de sincronizare.

Frecvența purtătoarei se modifică în funcție de numărul de subcanale de frecvență generate de algoritmul numere pseudoaleatoare. Secvența pseudo-aleatorie depinde de un parametru numit numărul de început. Dacă receptorul și emițătorul cunosc algoritmul și valoarea numărului inițial, atunci ele schimbă frecvențele în aceeași secvență, numită secvență de acordare a frecvenței pseudoaleatoare.

Dacă frecvența modificărilor subcanalului este mai mică decât rata de transmisie a datelor pe canal, atunci acest mod este apelat extinderea lentă a spectrului(Fig. 10.13, a); altfel avem de-a face extinderea rapidă a spectrului(Fig. 10.13, b).

Orez. 10.13. Relația dintre rata de date și frecvența schimbării subcanalului

Metoda lentă de răspândire a spectrului nu are această proprietate, dar este mai ușor de implementat și are costuri generale mai mici.

Metodele FHSS sunt utilizate în tehnologiile wireless IEEE 802.11 și Bluetooth. În metodele FHSS, abordarea utilizării intervalului de frecvență este diferită de alte metode de codare - în loc să se utilizeze economic o lățime de bandă îngustă, se încearcă ocuparea întregului interval disponibil. La prima vedere, acest lucru nu pare foarte eficient - la urma urmei, doar un canal funcționează în interval la un moment dat. Cu toate acestea, această din urmă afirmație nu este întotdeauna adevărată, deoarece codurile cu spectru împrăștiat pot fi utilizate și pentru a multiplexa mai multe canale pe o gamă largă. În special, metodele FHSS fac posibilă organizarea funcționării simultane a mai multor canale prin selectarea pentru fiecare canal a unor astfel de secvențe pseudo-aleatoare care, în fiecare moment de timp, oferă fiecărui canal posibilitatea de a funcționa la propria frecvență (desigur, aceasta poate doar se face dacă numărul de canale nu depășește numărul de subcanale de frecvență) .

Pentru a trimite un semnal radio de mare putere în intervalul de microunde, aveți nevoie de un transmițător scump, cu un amplificator și o antenă scumpă cu diametru mare. Pentru a primi un semnal de putere redusă fără interferențe, aveți nevoie, de asemenea, de o antenă mare scumpă și de un receptor scump cu un amplificator.

Acesta este cazul când se utilizează un semnal radio convențional de „bandă îngustă”, când transmisia are loc la o anumită frecvență sau, mai precis, într-o bandă îngustă a spectrului radio care înconjoară această frecvență (canal de frecvență). Imaginea este și mai complicată de diverse interferențe reciproce între semnalele de bandă îngustă de mare putere transmise aproape unele de altele sau la frecvențe similare. În special, un semnal în bandă îngustă poate fi pur și simplu blocat (accidental sau intenționat) de un transmițător de putere suficientă reglat la aceeași frecvență.

Această vulnerabilitate la interferența de la semnalele radio convenționale a fost cea care a condus la dezvoltarea, inițial pentru aplicații militare, a unui principiu de transmisie radio complet diferit, numit tehnologie Spread Spectrum sau Spread Spectrum. După mulți ani de utilizare cu succes în apărare, această tehnologie și-a găsit aplicații civile și tocmai în această calitate va fi discutată aici.

S-a constatat că, pe lângă proprietățile sale caracteristice (propria imunitate la zgomot și nivelul scăzut de interferență generată), această tehnologie s-a dovedit a fi relativ ieftină pentru producția de masă. Eficiența costurilor apare datorită faptului că toată complexitatea tehnologiei de bandă largă este programată în mai multe componente microelectronice („cipuri”), iar costul microelectronicii în producția de masă este foarte scăzut. În ceea ce privește componentele rămase ale dispozitivelor de bandă largă - electronice cu microunde, antene - sunt mai ieftine și mai simple decât în cazul obișnuit de „bandă îngustă”, datorită puterii extrem de scăzute a semnalelor radio utilizate.

Ideea Spread Spectrum este că o bandă de frecvență mult mai largă este utilizată pentru a transmite informații decât este necesar pentru transmisia convențională (într-un canal de frecvență îngust). Au fost dezvoltate două metode fundamental diferite pentru utilizarea unei benzi de frecvență atât de largi - metoda Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) și metoda Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Ambele metode sunt furnizate de standardul 802.11 (Radio-Ethernet).

Starea actuală a comunicațiilor fără fir este determinată de situația cu standardul IEEE 802.11. Standardul este dezvoltat și îmbunătățit de Grupul de lucru pentru rețele locale fără fir al Comitetului de standarde al Institutului de Ingineri Electrici și Electronici (IEEE), prezidat de Vic Hayes de la Lucent Technologies. Grupul are aproximativ o sută de membri cu vot decisiv și aproximativ cincizeci cu vot consultativ; ei reprezintă practic toți producătorii de echipamente, precum și centrele de cercetare și universitățile. De patru ori pe an, grupul se întrunește în ședințe plenare și ia decizii pentru îmbunătățirea standardului.

Standardul definește un tip de protocol de acces media la nivel MAC și trei protocoale diferite pentru legăturile fizice (PHY).

Stratul MAC definește componentele de bază ale arhitecturii rețelei și lista serviciilor furnizate de acest nivel. Există două arhitecturi tipice de rețea fără fir:

Configurație „ad-hoc” independentă, unde stațiile pot comunica direct între ele. Aria unei astfel de rețele și funcționalitatea sunt limitate.

O configurație de infrastructură în care stațiile comunică printr-un punct de acces, fie funcționând de sine stătător, fie conectate la o rețea de cablu. Standardul definește interfața canalului radio dintre stații și punctul de acces. Punctele de acces pot fi conectate între ele folosind punți radio sau segmente de rețea prin cablu.

Standardul stabilește un protocol pentru utilizarea unui singur mediu de transmisie, numit Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Probabilitatea de conflicte pentru nodurile wireless este minimizată trimițând mai întâi tuturor nodurilor un mesaj scurt (gata de trimis, RTS) despre destinație și durata transmisiei viitoare. Nodurile întârzie transmiterea pentru un timp egal cu durata mesajului anunțat. Stația de recepție răspunde la RTS cu un mesaj (CTS), care spune nodului expeditor dacă mediul este clar și dacă nodul este gata să primească. După primirea unui pachet de date, nodul trimite o confirmare (ACK) de recepție fără erori. Dacă ACK-ul nu este primit, pachetul de date va fi retransmis.

Specificația furnizată de standard impune ca datele să fie împărțite în pachete echipate cu informații de control și adresare. Aceste informații, care ocupă aproximativ 30 de octeți, sunt urmate de un bloc de informații cu o lungime de până la 2048 de octeți. Acesta este urmat de un cod CRC de 4 octeți al blocului de informații. Standardul recomandă utilizarea pachetelor de 400 de octeți lungime pentru un canal fizic FHSS și 1500 sau 2048 pentru un canal DSSS.

Standardul prevede securitatea datelor, inclusiv autentificarea (pentru a verifica dacă un nod care intră în rețea este autorizat în el) și criptarea datelor folosind algoritmul RC4 cu o cheie de 40 de biți. Pentru computerele laptop, standardul prevede un mod de economisire a energiei: punerea dispozitivului într-un mod „sleep” și scoaterea acestuia din această stare pentru o perioadă scurtă de timp necesară pentru a primi un semnal de serviciu de la nodurile rețelei care încep transmisia. Există, de asemenea, un mod de roaming care permite unui abonat mobil să se deplaseze între punctele de acces fără a pierde conexiunea.

Extensie de spectru

La nivelul fizic, standardul permite utilizarea unuia dintre cele două tipuri de canale radio și a unui tip de canal infraroșu. Ambele tipuri de canale radio folosesc tehnologia cu spectru extins, care reduce densitatea spectrală a puterii medii a semnalului prin distribuirea energiei pe o bandă de frecvență mai largă decât este necesar pentru a asigura o rată de transmisie dată. Această tehnologie reduce nivelul de interferență generat și oferă o imunitate sporită la recepție la interferențe.

Primul tip de canal radio este Radio PHY cu spectru răspândit cu salt de frecvență (FHSS). Este furnizată o rată de transfer de 1 Mbit/s (opțional 2 Mbit/s). Versiunea de 1 Mbit/s folosește modulația de frecvență Gaussiană pe două niveluri (2GFSK), în timp ce versiunea de 2 Mbit/s utilizează modulația de frecvență Gaussiană pe patru nivele (4GFSK). La o viteză de 1 Mbit/s, frecvența semnalului se modifică pe durata simbolului mesajului de 1 μs, conform legii Gauss, de la valoarea nominală la o valoare de +170 kHz și revine la valoarea nominală. Pentru a transmite zero, frecvența semnalului este schimbată la –170 kHz. Pentru 2 Mbps există patru niveluri de offset de frecvență (+225, +75, –75, –225 kHz), astfel încât fiecare cip (simbol) poartă doi biți de mesaj. Lățimea spectrului de semnal cu o astfel de modulație este de 1 MHz, indiferent de viteza de transmisie. Acest lucru face posibilă utilizarea a 79 de poziții de frecvență pentru transmisie în intervalul de la 2402 la 2480 MHz în pași de 1 MHz. Pentru a extinde spectrul, frecvența semnalului se modifică conform unei legi pseudo-aleatoare cel puțin o dată la 400 ms.

Al doilea tip de canal radio este Radio PHY cu spectru răspândit în secvență directă (DSSS). Această opțiune asigură transmisia la viteze de 1 și 2 Mbit/s. La o rată de transfer de 1 Mbit/s, este utilizată codarea binară cu deplasare de fază (BPSK). Unul bit este reprezentat de un cod Barker cu 11 elemente de forma 11100010010, iar bitul zero este reprezentat de un cod Barker invers. Simbolurile elementare ale codului Barker nu transportă informații; biții sunt transmiși odată de întregul cod Barker - direct sau invers. Acest lucru vă permite să oferiți semnalului proprietăți de zgomot care asigură imunitate la zgomot. Lățimea spectrului unui astfel de semnal este de 22 MHz. Pentru viteze de 2 Mbit/s, standardul oferă codare cu deplasare de fază în cuadratură - QPSK. În acest caz, doi biți sunt transmisi pe durata simbolului mesajului. Pentru a face acest lucru, aveți nevoie nu de două, ci de patru semnale diferite. Prin urmare, împreună cu vibrația purtătorului principal, se folosește una suplimentară, decalată în fază cu 90° față de aceasta. Faza fiecăreia dintre aceste oscilații este controlată de o secvență Barker directă sau inversă și se adaugă ambele oscilații. Astfel, pe durata unui simbol, semnalul are patru grade de libertate, permițând transmiterea a doi biți. În acest caz, viteza de transmisie este dublată, menținând aceeași bandă de frecvență ca și în cazul transmisiei binare. Semnalul DSSS utilizează una dintre cele 14 benzi de frecvență suprapuse definite de standard în banda de frecvență totală de 83,5 MHz.

Pentru canalul infraroșu (Infrared PHY), standardul oferă o viteză de 1 Mbit/s (opțional 2 Mbit/s) cu modulare în poziție a impulsului. Acest tip de canal nu prezintă un mare interes, deoarece raza de transmisie prevăzută de standard nu depășește 20 m.

Există mai multe tehnologii diferite cu spectru răspândit, dar pentru a înțelege mai bine protocolul 802.11, trebuie doar să aruncăm o privire mai atentă la Spectrul de răspândire a secvenței directe (DSSS).

Tehnologia DSSS

Cu codificarea potențialului, biții de informații - zerouri și unuri logice - sunt transmisi ca impulsuri de tensiune dreptunghiulare. Un impuls dreptunghiular de durata T are un spectru a cărui lățime este invers proporțională cu durata impulsului. Prin urmare, cu cât durata bitului de informație este mai scurtă, cu atât spectrul ocupat de un astfel de semnal este mai mare.

Pentru a lărgi în mod deliberat spectrul unui semnal inițial de bandă îngustă, tehnologia DSSS înglobează literalmente o secvență de așa-numite cipuri în fiecare bit de informații transmis (0 sau 1 logic). Dacă biții de informații - zerouri logice sau unu - în timpul potențialului codificare a informațiilor pot fi reprezentați ca o secvență de impulsuri dreptunghiulare, atunci fiecare cip individual este, de asemenea, un impuls dreptunghiular, dar durata lui este de câteva ori mai mică decât durata bitului de informație. Secvența de jetoane este o secvență de impulsuri dreptunghiulare, adică zerouri și unu, dar aceste zerouri și unu nu sunt informaționale. Deoarece durata unui cip este de n ori mai mică decât durata bitului de informație, lățimea spectrului semnalului convertit va fi de n ori mai mare decât lățimea spectrului semnalului original. În acest caz, amplitudinea semnalului transmis va scădea de n ori.

Secvențele de cip încorporate în biții de informații sunt numite coduri asemănătoare zgomotului (PN-secvențe), ceea ce subliniază faptul că semnalul rezultat devine asemănător zgomotului și este greu de distins de zgomotul natural.

Este clar cum să lărgi spectrul de semnal și să-l faci să nu se distingă de zgomotul natural. Pentru a face acest lucru, în principiu, puteți utiliza o secvență de cip arbitrară (aleatorie). Cu toate acestea, apare întrebarea: cum să primiți un astfel de semnal? La urma urmei, dacă devine asemănător zgomotului, atunci izolarea unui semnal de informare util de la acesta nu este atât de ușoară, dacă nu imposibilă. Se pare că este posibil, dar pentru aceasta trebuie să selectați secvența cipului în consecință. Secvențele de cip utilizate pentru a lărgi spectrul semnalului trebuie să satisfacă anumite cerințe de autocorelare. Termenul de autocorelare în matematică se referă la gradul de similitudine al unei funcții cu ea însăși în diferite momente de timp. Dacă selectați o secvență de cip pentru care funcția de autocorelare va avea un vârf pronunțat doar pentru un moment în timp, atunci un astfel de semnal de informare va fi posibil să fie izolat la nivelul de zgomot. Pentru a face acest lucru, semnalul primit este înmulțit în receptor cu aceeași secvență de cip, adică se calculează funcția de autocorelare a semnalului. Ca urmare, semnalul devine din nou în bandă îngustă, deci este filtrat într-o bandă îngustă de frecvență și orice interferență care se încadrează în banda semnalului original de bandă largă, după înmulțirea cu secvența de cip, dimpotrivă, devine în bandă largă și este tăiată. prin filtre și doar o parte din interferența se încadrează în banda îngustă de informații, în funcție de puterea este semnificativ mai mică decât interferența care acționează la intrarea receptorului (Fig. 7.1).

Codurile Barker

Există destul de multe secvențe de cip care îndeplinesc cerințele de autocorelare specificate, dar așa-numitele coduri Barker sunt de interes deosebit pentru noi, deoarece sunt utilizate în protocolul 802.11.

Codurile Barker au cele mai bune proprietăți asemănătoare zgomotului dintre secvențele pseudo-aleatorie cunoscute, ceea ce a condus la utilizarea lor pe scară largă.

Familia de protocoale 802.11 folosește un cod Barker care are o lungime de 11 jetoane (11100010010).

Pentru a transmite un semnal, unul logic este transmis printr-o secvență Barker directă, iar un zero logic printr-o secvență inversă.

Viteza 1 Mbps

Standardul 802.11 oferă două moduri de viteză: 1 și 2 Mbit/s. Pentru a codifica datele la nivelul fizic, se utilizează metoda DSSS cu coduri Barker cu 11 cipuri. Cu o viteză de informare de 1 Mbit/s, viteza cipurilor individuale de secvență Barker este de 11×106 cip/s, iar lățimea spectrului unui astfel de semnal este de 22 MHz. Având în vedere că lățimea intervalului de frecvență este de 83,5 MHz, constatăm că în acest interval de frecvență se pot încadra un total de 3 canale de frecvență care nu se suprapun. Întregul interval de frecvență, totuși, este de obicei împărțit în 11 canale de frecvență suprapuse de 22 MHz, distanțate la 5 MHz unul de celălalt. De exemplu, primul canal ocupă intervalul de frecvență de la 2400 la 2423 MHz și este centrat în raport cu frecvența de 2412 MHz. Al doilea canal este centrat la 2417 MHz, iar ultimul, canalul 11, este centrat la 2462 MHz. Când sunt privite în acest fel, primul, al șaselea și al 11-lea canal nu se suprapun unul cu celălalt și au un interval de 3 megaherți unul față de celălalt. Aceste trei canale pot fi utilizate independent unul de celălalt.

Tasta de schimbare de fază binară diferențială (DBPSK) este utilizată pentru a modula un semnal purtător sinusoidal (un proces necesar pentru a informa semnalul purtător). În acest caz, codificarea informațiilor are loc datorită unei defazări a semnalului sinusoidal în raport cu starea anterioară a semnalului. Modularea de fază binară oferă două valori posibile de defazare - 0 și π. Apoi, un zero logic poate fi transmis printr-un semnal în fază (defazatul este 0), iar unul logic poate fi transmis printr-un semnal care este defazat cu π.

Viteza 2 Mbps

O viteză de informare de 1 Mbit/s este obligatorie în standardul IEEE 802.11 (Rata de acces de bază), dar este posibilă opțional o viteză de 2 Mbit/s (Rata de acces îmbunătățită). Pentru a transmite date la această viteză, se folosește aceeași tehnologie DSSS cu coduri Barker cu 11 cipuri, dar se folosește Differential Quadrature Phase Shiftey pentru a modula unda purtătoare. Cu modularea de fază în cuadratura relativă, defazarea poate lua patru valori diferite: 0, π/2, π și 3π/2. Folosind patru stări diferite de semnal, este posibil să se codifice o secvență de doi biți de informații (dibiți) într-o stare discretă și, prin urmare, să se dubleze rata de transmisie a informațiilor. De exemplu, dibitul 00 poate corespunde unei schimbări de fază de 0; dibit 01 - defazare egală cu π/2; dibit 11 - defazaj egal cu π; dibit 10 - defazare egală cu 3π/2.

În concluzie, având în vedere stratul fizic al protocolului 802.11, observăm că la o viteză de informare de 2 Mbit/s, viteza cipurilor individuale din secvența Barker rămâne aceeași, adică 11 × 10 6 cip/s, și prin urmare, lățimea spectrului semnalului transmis nu se modifică.

7.2 7.2 Stratul fizic al protocolului 802.11b/b+

Protocolul IEEE 802.11b, adoptat în iulie 1999, este un fel de extensie a protocolului de bază 802.11 și, pe lângă viteze de 1 și 2 Mbit/s, oferă viteze de 5,5 și 11 Mbit/s. Pentru a opera la viteze de 1 și 2 Mbit/s se folosește tehnologia de răspândire a spectrului folosind coduri Barker, iar pentru viteze de 5,5 și 11 Mbit/s se folosesc așa-numitele coduri complementare (Complementary Code Keying, CCK).

secvențe CCK

Codurile complementare sau secvențele CCK au proprietatea că suma funcțiilor lor de autocorelare pentru orice deplasare ciclică, alta decât zero, este întotdeauna zero.

Standardul IEEE 802.11b se ocupă de secvențe complexe complementare cu 8 cipuri definite pe un set de elemente complexe.

Aici merită să facem o mică digresiune lirică pentru a nu înstrăina cititorul de complexitatea aparatului matematic folosit. Matematica numerelor complexe poate evoca o mulțime de amintiri negative, fiind asociată cu ceva complet abstract. Dar în acest caz totul este destul de simplu. O reprezentare complexă a unui semnal este doar un aparat matematic convenabil pentru reprezentarea unui semnal modulat în fază.

Folosind un set de elemente complexe (1, –1, j, –j), este posibil să se formeze opt numere complexe care sunt identice ca mărime, dar diferă ca fază. Adică, elementele secvenței CCK cu 8 cipuri pot lua una dintre următoarele opt valori: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Principala diferență dintre secvențele CCK și codurile Barker discutate anterior este că nu există o secvență strict definită prin care ar putea fi codificat fie un zero logic, fie unul, ci un întreg set de secvențe. Având în vedere că fiecare element al unei secvențe de 8 sirop poate lua una dintre cele opt valori în funcție de valoarea fazei, este clar că 8 8 =16777216 opțiuni de secvență pot fi combinate, totuși, nu toate vor fi complementare. Dar chiar și ținând cont de cerința de complementaritate, se poate forma un număr destul de mare de secvențe CCK diferite. Această împrejurare face posibilă codificarea mai multor biți de informație într-un simbol transmis și, prin urmare, creșterea ratei de transmitere a informațiilor.

În general, utilizarea codurilor CCK vă permite să codificați 8 biți pe caracter la 11 Mbit/s și 4 biți pe caracter la 5,5 Mbit/s. În ambele cazuri, viteza de transmisie simbolică este de 1,385×10 6 simboluri pe secundă (11/8 = 5,5/4 = 1,385), iar ținând cont că fiecare caracter este specificat printr-o secvență de 8 cipuri, obținem că în ambele cazuri rata de transmisie a cipurilor individuale este de 11×10 6 cipuri pe secundă. În consecință, lățimea spectrului de semnal la ambele viteze de 11 Mbit/s și 5,5 Mbit/s este de 22 MHz.

Având în vedere posibilele viteze de transmisie de 5,5 și 11 Mbit/s în protocolul 802.11b, am rămas până acum fără a ne adresa întrebarea de ce este necesară o viteză de 5,5 Mbit/s dacă utilizarea secvențelor CCK permite transmiterea datelor la o viteză de 11 Mbit/s. Teoretic, acest lucru este adevărat, dar numai dacă nu țineți cont de mediul de interferență. În condiții reale, nivelul de zgomot al canalelor de transmisie și, în consecință, raportul dintre nivelurile de zgomot și semnal pot fi astfel încât transmisia la o viteză mare a informației, adică atunci când mulți biți de informații sunt codificați într-un simbol, poate fi imposibilă din cauza recunoaşterea lor eronată. Fără a intra în detalii matematice, observăm doar că, cu cât nivelul de zgomot al canalelor de comunicație este mai mare, cu atât viteza de transmisie a informațiilor este mai mică. Este important ca receptorul și transmițătorul să analizeze corect mediul de interferență și să selecteze o rată de transmisie acceptabilă.

Informații conexe.