Mở rộng phổ bằng cách nhảy tần. Trải phổ nối tiếp trực tiếp. Đa truy cập phân chia mã. Mở rộng phổ nhảy tần Mở rộng phổ nhảy tần (Fr

Ban đầu, phương pháp trải phổ được tạo ra cho mục đích tình báo và quân sự. Ý tưởng chính của phương pháp này là phân phối tín hiệu thông tin trên một băng tần vô tuyến rộng, điều này cuối cùng khiến việc triệt tiêu hoặc chặn tín hiệu trở nên khó khăn hơn nhiều. Sơ đồ trải phổ đầu tiên được phát triển được gọi là kỹ thuật nhảy tần. Một sơ đồ trải phổ hiện đại hơn là phương pháp trải phổ nối tiếp trực tiếp. Cả hai phương pháp đều được sử dụng trong các tiêu chuẩn và sản phẩm không dây khác nhau.

Trải phổ nhảy tần (FHSS)

Để đảm bảo rằng lưu lượng vô tuyến không thể bị chặn hoặc bị triệt tiêu bởi nhiễu băng tần hẹp, người ta đã đề xuất truyền với sự thay đổi sóng mang liên tục trong dải tần số rộng. Kết quả là công suất tín hiệu được phân bổ trên toàn bộ phạm vi và việc nghe ở một tần số cụ thể chỉ tạo ra một tiếng ồn nhỏ. Chuỗi tần số sóng mang là giả ngẫu nhiên, chỉ có máy phát và máy thu biết. Nỗ lực triệt tiêu tín hiệu trong một phạm vi hẹp nhất định cũng không làm suy giảm tín hiệu quá nhiều vì chỉ một phần nhỏ thông tin bị triệt tiêu.

Ý tưởng của phương pháp này được minh họa trong hình. 1.10.

Trong một khoảng thời gian cố định, việc truyền được thực hiện trên tần số sóng mang không đổi. Ở mỗi tần số sóng mang, các phương pháp điều chế tiêu chuẩn như FSK hoặc PSK được sử dụng để truyền thông tin rời rạc. Để máy thu đồng bộ với máy phát, các bit đồng bộ được truyền trong một khoảng thời gian để cho biết thời điểm bắt đầu của mỗi giai đoạn truyền. Vì vậy, tốc độ hữu ích của phương pháp mã hóa này ít hơn do chi phí đồng bộ hóa liên tục.

Cơm. 1.10. Mở rộng phổ bằng cách nhảy tần

Tần số sóng mang thay đổi theo số lượng kênh con tần số được tạo bởi thuật toán số giả ngẫu nhiên. Chuỗi giả ngẫu nhiên phụ thuộc vào một số tham số gọi là ban đầu con số. Nếu máy thu và máy phát biết thuật toán và giá trị của hạt giống thì chúng sẽ thay đổi tần số theo cùng một chuỗi, được gọi là chuỗi nhảy tần giả ngẫu nhiên.

Nếu tần số thay đổi kênh con thấp hơn tốc độ truyền dữ liệu trong kênh thì chế độ này được gọi là mở rộng phổ chậm(Hình 1.11a); nếu không thì chúng ta đang giải quyết mở rộng phổ nhanh(Hình 1.11b).

Phương pháp trải phổ nhanh có khả năng chống nhiễu cao hơn vì nhiễu băng hẹp triệt tiêu tín hiệu trong một kênh con cụ thể không dẫn đến mất bit vì giá trị của nó được lặp lại nhiều lần trong các kênh con tần số khác nhau. Ở chế độ này, hiệu ứng nhiễu giữa các ký hiệu không xuất hiện, vì vào thời điểm tín hiệu bị trễ dọc theo một trong các đường dẫn đến, hệ thống có thời gian để chuyển sang tần số khác.

Phương pháp trải phổ chậm không có đặc tính này nhưng nó thực hiện đơn giản hơn và tốn ít chi phí hơn.

phóng to hình ảnh
Cơm. 1.11. Mối quan hệ giữa tốc độ dữ liệu và tần số thay đổi kênh con

Phương pháp FHSS được sử dụng trong công nghệ không dây IEEE 802.11 và Bluetooth.

Trong FHSS, cách tiếp cận sử dụng dải tần khác với các phương pháp mã hóa khác - thay vì sử dụng băng thông hẹp một cách tiết kiệm, người ta cố gắng chiếm toàn bộ dải tần có sẵn. Thoạt nhìn, điều này có vẻ không hiệu quả lắm - xét cho cùng, chỉ có một kênh hoạt động trong phạm vi tại bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên, tuyên bố sau không phải lúc nào cũng đúng - mã trải phổ cũng có thể được sử dụng để ghép nhiều kênh trên một phạm vi rộng. Đặc biệt, phương pháp FHSS cho phép bạn tổ chức hoạt động đồng thời của một số kênh bằng cách chọn các chuỗi giả ngẫu nhiên cho mỗi kênh sao cho tại mỗi thời điểm mỗi kênh hoạt động ở tần số riêng của nó (tất nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được nếu số kênh không vượt quá số kênh con tần số).

Phổ trải chuỗi trực tiếp (DSSS)

Phổ trải rộng tuần tự trực tiếp cũng sử dụng toàn bộ dải tần được phân bổ cho một liên kết không dây duy nhất. Không giống như phương pháp FHSS, toàn bộ dải tần được chiếm không phải bằng cách chuyển đổi liên tục từ tần số này sang tần số khác mà bằng cách thay thế từng bit thông tin bằng N-bit, do đó tốc độ truyền tín hiệu tăng lên N lần. Và điều này có nghĩa là phổ tín hiệu cũng mở rộng N lần. Chỉ cần chọn tốc độ dữ liệu và giá trị N phù hợp để phổ tín hiệu lấp đầy toàn bộ phạm vi là đủ.

Mục đích của mã hóa DSSS cũng giống như FHSS - để tăng khả năng chống nhiễu. Nhiễu băng tần hẹp sẽ chỉ làm biến dạng các tần số nhất định của phổ tín hiệu, do đó máy thu có khả năng nhận dạng chính xác thông tin được truyền đi.

Mã thay thế đơn vị nhị phân của thông tin gốc được gọi là chuỗi trải rộng và mỗi bit của chuỗi như vậy là một con chip.

Theo đó, tốc độ truyền của mã kết quả được gọi là Chip tốc độ. Số 0 nhị phân được mã hóa dưới dạng nghịch đảo của chuỗi trải rộng. Người nhận phải biết trình tự lan truyền mà máy phát sử dụng để hiểu thông tin được truyền đi.

Số bit trong chuỗi trải phổ xác định hệ số trải phổ của mã nguồn. Giống như FHSS, bất kỳ loại điều chế nào, chẳng hạn như BFSK, đều có thể được sử dụng để mã hóa các bit của mã kết quả.

Hệ số trải phổ càng lớn thì phổ của tín hiệu thu được càng rộng và mức độ triệt tiêu nhiễu càng cao. Nhưng đồng thời, phổ chiếm giữ của kênh tăng lên. Thông thường hệ số mở rộng nằm trong khoảng từ 10 đến 100.

1.1. Mô tả ngắn gọn về việc mở rộng phổ tín hiệu bằng phương pháp nhảy tần

1.1.1. Nguyên tắc cơ bản và phương pháp mở rộng tín hiệu

Trong trường hợp các nhà nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin vô tuyến (RCS) phải đối mặt với vấn đề đảm bảo liên lạc đáng tin cậy trong điều kiện nhiễu có tổ chức và không chủ ý, truyền sóng vô tuyến đa đường, cũng như thực hiện đa truy cập khi làm việc trong mạng vô tuyến gói , kết quả tốt nhất có thể thu được khi sử dụng trong tín hiệu trải phổ RCS. Các nguyên tắc cơ bản của các phương pháp đã biết để trải phổ tín hiệu, phản ánh đầy đủ bản chất vật lý của chúng, được đưa ra trong: ...trải phổ của tín hiệu là phương pháp truyền trong đó tín hiệu chiếm một dải tần rộng hơn dải tần băng tần cần thiết tối thiểu để truyền thông tin; việc mở rộng dải tần tín hiệu được cung cấp bởi một mã đặc biệt không phụ thuộc vào thông tin truyền đi; Để nén dải tần tín hiệu và phục hồi dữ liệu sau đó, một mã đặc biệt cũng được sử dụng trong thiết bị thu, tương tự như mã trong máy phát CPC và được đồng bộ hóa với nó... Như vậy, phương thức truyền thông tin bằng trải phổ bao gồm: : về phía truyền - trong điều chế đồng thời và độc lập các tham số tín hiệu với một mã đặc biệt (chức năng trải phổ) và một tin nhắn được truyền đi; ở phía nhận - giải điều chế tín hiệu đồng bộ theo chức năng trải phổ và khôi phục tin nhắn được truyền.

Mặc dù thực tế là các nguyên tắc mở rộng phổ tín hiệu ở dạng tổng quát đã được biết đến từ những năm 20-30 của thế kỷ 20, cơ sở lý thuyết cho sự phát triển SRS với các tín hiệu như vậy là công thức cơ bản của K.E. Shannon

trong đó, đặc trưng cho khả năng hạn chế của kênh Gaussian, mở rộng hoàn toàn sự hiểu biết về khả năng truyền thông tin qua các kênh liên lạc vô tuyến với nhiễu Gaussian trắng phụ gia giới hạn băng tần (AWGN).

Do đó, từ (1.1), suy ra rằng dung lượng (bit/s) của kênh liên lạc vô tuyến, sau khi được chỉ định, dưới ảnh hưởng của nhiễu (nhiễu) bổ sung Gaussian với công suất trung bình giới hạn (W) có thể được đảm bảo bằng cách sử dụng dải tần số rộng ( Hz) có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp hoặc - dải tần hẹp (Hz) có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn, trong đó là công suất tín hiệu trung bình. Do đó, có thể có sự cân bằng giữa băng thông kênh và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của kênh đó. Trong trường hợp này, theo sự phụ thuộc (1.1), cách thích hợp nhất là trao đổi công suất tín hiệu lấy băng thông kênh. Ví dụ: cần cung cấp thông lượng bit/s với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu =. Dựa trên (1.1), kênh liên lạc vô tuyến phải có băng thông MHz. Ví dụ, với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn, dung lượng của bit/s kênh liên lạc vô tuyến có thể được thực hiện với dải tần kHz khá hẹp. Công thức (1.1) cũng chỉ ra rằng đối với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu nhất định trong kênh liên lạc vô tuyến có AWGN, thông lượng có thể tăng lên bằng cách mở rộng phổ tín hiệu tương ứng.

Đối với tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ, biểu thức (1.1) có dạng:

(1.2a)

trong đó 1,44 là mô đun chuyển từ logarit nhị phân sang logarit tự nhiên; trong trường hợp các tỷ số lớn, nó suy ra từ (1.1) với một xấp xỉ tốt rằng

. (1.2b)

Dung lượng tối đa cho kênh liên lạc vô tuyến Gaussian là ở mức

, (1,2v)

đâu là mật độ phổ công suất một chiều của nhiễu trắng.

Biểu thức (1.2c) chỉ ra rằng trong một kênh nhiễu, ngay cả trong trường hợp giới hạn at, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu phải vượt quá một giá trị ngưỡng nhất định. Vì vậy, để truyền một bit thông tin, năng lượng tín hiệu cần thiết là (hoặc).

Nếu thông lượng bằng tốc độ truyền thông tin yêu cầu thì từ (1.1) và (1.2) rõ ràng là kênh liên lạc vô tuyến có thể hoạt động với mức vượt quá đáng kể của công suất nhiễu so với công suất tín hiệu hữu ích. Do đó, các phương pháp mở rộng phổ tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong SRS đặc biệt, phải cung cấp khả năng liên lạc đáng tin cậy trong điều kiện gây nhiễu điện tử (ERS).

Phương pháp trải phổ có thể dựa trên việc thay đổi (điều chế) biên độ, pha, tần số và vị trí thời gian (độ trễ) của tín hiệu theo một mã đặc biệt được tạo ra dựa trên chuỗi giả ngẫu nhiên.

Tuy nhiên, điều chế biên độ, theo nguyên tắc, không được sử dụng để tạo ra tín hiệu trải phổ, vì điều này tạo ra tín hiệu có công suất cực đại (tức thời), khá dễ dàng được phát hiện bởi các máy thu đơn giản của trạm trinh sát vô tuyến (RTR).

Do khả năng chống nhiễu không đủ, phương pháp mở rộng phổ bằng cách điều chỉnh vị trí thời gian (độ trễ) của tín hiệu, được gọi là phương pháp điều chế xung thời gian giả ngẫu nhiên (PVPM), không tìm thấy ứng dụng độc lập trong CRS. Với phương pháp PVIM, việc mở rộng phổ đạt được bằng cách nén tín hiệu thông tin trong miền thời gian. Việc giảm thời gian truyền của mỗi tín hiệu thông tin đi một hệ số sẽ dẫn đến việc mở rộng phổ tín hiệu một hệ số và làm giảm tổng thời gian truyền. Thông tin chỉ được truyền đi trong những khoảng thời gian nhất định, nối tiếp nhau theo mã đã chọn. Khi sử dụng phương pháp PVIM, cũng như phương pháp trải phổ do điều chế biên độ, sẽ xảy ra hệ số đỉnh lớn, dẫn đến lãng phí điện năng tiêu thụ của máy phát SRS.

Các phương pháp cơ bản, chính để mở rộng phổ tín hiệu, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phân phối thông tin, điều khiển và SRS hiện đại là:

Phương pháp điều chế trực tiếp sóng mang bằng chuỗi giả ngẫu nhiên (PSR);

Phương pháp điều chỉnh tần số hoạt động giả ngẫu nhiên (PRFC);

Phương pháp liên kết (tích hợp) sử dụng nhiều phương pháp khác nhau; ví dụ, phương pháp điều chế trực tiếp sóng mang PSP và phương pháp nhảy tần; Phương pháp PPRF và phương pháp PVIM và các kết hợp khác.

Trong phương pháp đầu tiên, việc mở rộng phổ tín hiệu đạt được thông qua điều chế trực tiếp tần số sóng mang PSP, các phần tử của tần số này được tạo ra ở tốc độ cao hơn đáng kể so với tốc độ truyền của các phần tử trong chuỗi thông tin, sau đó được chồng lên từng ký hiệu thông tin. Một ví dụ điển hình của các tín hiệu như vậy là tín hiệu băng rộng có khóa dịch pha (WWPS). Với dạng hình chữ nhật của các phần tử của chuỗi thông tin và sử dụng PSP, đảm bảo mở rộng phổ tín hiệu, PMSHPS nhị phân có thể được mô tả bằng biểu thức

Hình 1.4, a, b thể hiện dưới dạng lý tưởng hóa mật độ công suất phổ của tín hiệu và nhiễu băng tần hẹp tại các điểm đặc trưng trong sơ đồ cấu trúc của máy phát và máy thu của SRS với FMSPS.

Trong bộ lễ phục. Hình 1.4 cho thấy cách chuyển đổi phổ của tín hiệu hữu ích và phổ nhiễu băng hẹp được mở rộng trong các thiết bị truyền và nhận của SRS với FMSPS.

Phương pháp trải phổ

Ban đầu, các phương pháp trải phổ (PC hoặc SS - Spread-Spectrum) được sử dụng để phát triển các hệ thống thông tin và điều khiển quân sự. Trong Thế chiến thứ hai, trải phổ được sử dụng trong radar để chống lại sự can thiệp có chủ ý. Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ này được giải thích là do mong muốn tạo ra các hệ thống liên lạc vô tuyến hiệu quả để đảm bảo khả năng chống nhiễu cao khi truyền tín hiệu băng tần hẹp qua các kênh nhiễu và làm phức tạp việc chặn chúng.

Hệ thống thông tin liên lạc là hệ thống trải phổ trong các trường hợp sau:

Dải tần được sử dụng trong quá trình truyền rộng hơn nhiều so với dải tần tối thiểu cần thiết để truyền thông tin hiện tại. Trong trường hợp này, năng lượng của tín hiệu thông tin mở rộng trên toàn bộ dải tần với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm thấp, khiến tín hiệu khó phát hiện, chặn hoặc cản trở việc truyền tín hiệu bằng cách gây nhiễu. Mặc dù tổng công suất tín hiệu có thể lớn nhưng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở bất kỳ dải tần số nào đều nhỏ, khiến cho tín hiệu trải phổ khó bị phát hiện qua liên lạc vô tuyến và, trong bối cảnh thông tin bị che giấu bằng kỹ thuật steganographic, khó có thể phân biệt được bằng con người.

Việc trải phổ được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu trải phổ (hoặc mã), độc lập với thông tin được truyền đi. Sự hiện diện của năng lượng tín hiệu trong tất cả các dải tần làm cho tín hiệu vô tuyến trải phổ có khả năng chống nhiễu và thông tin được nhúng trong vùng chứa bằng phương pháp trải phổ có khả năng chống lại việc loại bỏ hoặc loại bỏ nó khỏi vùng chứa. Việc nén và các cuộc tấn công khác vào hệ thống thông tin liên lạc có thể loại bỏ năng lượng tín hiệu khỏi một số phần của phổ, nhưng do năng lượng đã được trải rộng trên toàn bộ phổ nên vẫn còn đủ dữ liệu ở các băng tần khác để khôi phục thông tin. Do đó, tất nhiên, nếu bạn không tiết lộ khóa được sử dụng để tạo tín hiệu mã, thì khả năng những người không được phép trích xuất thông tin sẽ giảm đáng kể.

Việc tái tạo thông tin sơ cấp (nghĩa là “thu hẹp phổ”) được thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu nhận được và bản sao đồng bộ của tín hiệu mã.

Có ba phương pháp mở rộng phổ chính được sử dụng trong thông tin vô tuyến:

Sử dụng PSP trực tiếp (RSPP);

Sử dụng nhảy tần;

Sử dụng nén bằng điều chế tần số tuyến tính (LFM).

Khi trải phổ theo chuỗi trực tiếp, tín hiệu thông tin được điều chế bằng một hàm lấy các giá trị giả ngẫu nhiên trong giới hạn đã thiết lập và được nhân với hằng số thời gian - tần số (tốc độ) lặp lại của các bưu kiện cơ bản (phần tử tín hiệu). Tín hiệu giả ngẫu nhiên này chứa các thành phần ở tất cả các tần số, khi được mở rộng sẽ điều chỉnh năng lượng tín hiệu trên một phạm vi rộng.

Trong phương pháp trải phổ nhảy tần, máy phát ngay lập tức thay đổi tần số này của tín hiệu sóng mang sang tần số khác. Khóa bí mật trong trường hợp này là quy luật thay đổi tần số giả ngẫu nhiên.

Với nén chirp, tín hiệu được điều chế bởi một hàm có tần số thay đổi theo thời gian.

Rõ ràng là bất kỳ phương pháp nào trong số này đều có thể được mở rộng để sử dụng trong miền không gian khi xây dựng hệ thống steganographic.

Hãy xem xét một trong các lựa chọn để triển khai phương pháp RSPP, tác giả của nó là J.R. Smith và V.O. Thuật toán điều chế như sau: mỗi bit của thông báo được biểu diễn bằng một số hàm cơ sở, thứ nguyên, được nhân lên, tùy thuộc vào giá trị của bit (1 hoặc 0), bằng +1 hoặc -1:

(11.7)

Tin nhắn đã điều chế nhận được trong trường hợp này được tổng hợp theo từng pixel bằng một hình ảnh vùng chứa, là hình ảnh bán sắc có kích thước . Kết quả là một hình ảnh stegan, với .

Ý tưởng của phương pháp mở rộng phổ nhảy tần Phổ nhảy tần (FHSS) có nguồn gốc từ Thế chiến thứ hai, khi sóng vô tuyến được sử dụng rộng rãi để liên lạc bí mật và kiểm soát các tài sản quân sự như ngư lôi. Để đảm bảo rằng lưu lượng vô tuyến không thể bị chặn hoặc bị triệt tiêu bởi nhiễu băng tần hẹp, người ta đã đề xuất truyền với sự thay đổi sóng mang liên tục trong dải tần số rộng. Kết quả là công suất tín hiệu được phân bổ trên toàn bộ phạm vi và việc nghe ở một tần số cụ thể chỉ tạo ra một tiếng ồn nhỏ. Chuỗi tần số sóng mang được chọn giả ngẫu nhiên, chỉ có máy phát và máy thu biết. Nỗ lực triệt tiêu tín hiệu trong một phạm vi hẹp nhất định cũng không làm suy giảm tín hiệu quá nhiều vì chỉ một phần nhỏ thông tin bị triệt tiêu.

Ý tưởng của phương pháp này được minh họa trong hình. 10.12.

Cơm. 10.12. Mở rộng phổ bằng cách nhảy tần

Trong một khoảng thời gian cố định nhất định, việc truyền được thực hiện trên tần số sóng mang không đổi. Ở mỗi tần số sóng mang, các phương pháp điều chế tiêu chuẩn như FSK hoặc PSK được sử dụng để truyền thông tin rời rạc. Để giữ cho máy thu được đồng bộ với máy phát, các bit đồng bộ được truyền trong một khoảng thời gian để cho biết sự bắt đầu của mỗi giai đoạn truyền. Vì vậy, tốc độ hữu ích của phương pháp mã hóa này ít hơn do chi phí đồng bộ hóa liên tục.

Tần số sóng mang thay đổi theo số lượng kênh con tần số được tạo bởi thuật toán số giả ngẫu nhiên. Chuỗi giả ngẫu nhiên phụ thuộc vào một số tham số gọi là số bắt đầu. Nếu máy thu và máy phát biết thuật toán và giá trị của số ban đầu thì chúng sẽ thay đổi tần số theo cùng một chuỗi, gọi là trình tự điều chỉnh tần số giả ngẫu nhiên.

Nếu tần số thay đổi kênh con thấp hơn tốc độ truyền dữ liệu trong kênh thì chế độ này được gọi là mở rộng phổ chậm(Hình 10.13, a); nếu không thì chúng ta đang giải quyết mở rộng phổ nhanh(Hình 10.13, b).

Cơm. 13/10. Mối quan hệ giữa tốc độ dữ liệu và tần số thay đổi kênh con

Phương pháp trải phổ chậm không có đặc tính này nhưng nó dễ thực hiện hơn và có chi phí đầu vào thấp hơn.

Phương pháp FHSS được sử dụng trong công nghệ không dây IEEE 802.11 và Bluetooth. Trong các phương pháp FHSS, cách tiếp cận sử dụng dải tần không giống như trong các phương pháp mã hóa khác - thay vì sử dụng băng thông hẹp một cách kinh tế, người ta cố gắng chiếm toàn bộ dải tần có sẵn. Thoạt nhìn, điều này có vẻ không hiệu quả lắm - xét cho cùng, chỉ có một kênh hoạt động trong phạm vi tại bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên, tuyên bố sau không phải lúc nào cũng đúng vì mã trải phổ cũng có thể được sử dụng để ghép nhiều kênh trên một phạm vi rộng. Đặc biệt, các phương pháp FHSS cho phép tổ chức hoạt động đồng thời của một số kênh bằng cách chọn cho mỗi kênh các chuỗi giả ngẫu nhiên sao cho tại mỗi thời điểm, mỗi kênh có cơ hội hoạt động ở tần số riêng của nó (tất nhiên, điều này chỉ có thể được thực hiện nếu số lượng kênh không vượt quá số lượng kênh con tần số).

Để gửi tín hiệu vô tuyến công suất cao trong phạm vi vi sóng, bạn cần một máy phát đắt tiền có bộ khuếch đại và ăng-ten đường kính lớn đắt tiền. Để nhận được tín hiệu công suất thấp mà không bị nhiễu, bạn cũng cần một ăng-ten lớn đắt tiền và một bộ thu đắt tiền có bộ khuếch đại.

Đây là trường hợp khi sử dụng tín hiệu vô tuyến “băng thông hẹp” thông thường, khi việc truyền xảy ra ở một tần số cụ thể, hay chính xác hơn là trong một dải hẹp của phổ vô tuyến bao quanh tần số này (kênh tần số). Bức tranh còn phức tạp hơn bởi nhiều sự can thiệp lẫn nhau giữa các tín hiệu băng hẹp công suất cao được truyền gần nhau hoặc ở tần số tương tự. Đặc biệt, tín hiệu băng hẹp có thể bị gây nhiễu (vô tình hoặc cố ý) bởi một máy phát có công suất đủ được điều chỉnh đến cùng tần số.

Chính lỗ hổng này trước sự can thiệp từ các tín hiệu vô tuyến thông thường đã dẫn đến sự phát triển, ban đầu dành cho các ứng dụng quân sự, một nguyên lý truyền dẫn vô tuyến hoàn toàn khác gọi là công nghệ Trải phổ hoặc Trải phổ. Sau nhiều năm sử dụng thành công cho mục đích quốc phòng, công nghệ này đã có những ứng dụng dân sự và chính trong khả năng đó nó sẽ được thảo luận ở đây.

Người ta nhận thấy rằng ngoài các đặc tính đặc trưng của nó (khả năng chống ồn và mức độ nhiễu thấp), công nghệ này còn tương đối rẻ để sản xuất hàng loạt. Hiệu quả về mặt chi phí xảy ra do thực tế là tất cả sự phức tạp của công nghệ băng thông rộng được lập trình thành một số linh kiện vi điện tử (“chip”) và chi phí của vi điện tử trong sản xuất hàng loạt là rất thấp. Đối với các thành phần còn lại của thiết bị băng thông rộng - thiết bị điện tử vi sóng, ăng-ten - chúng rẻ hơn và đơn giản hơn so với trường hợp “băng thông hẹp” thông thường do tín hiệu vô tuyến được sử dụng có công suất cực thấp.

Ý tưởng của Spread Spectrum là dải tần rộng hơn nhiều được sử dụng để truyền thông tin so với mức cần thiết để truyền thông thường (trong kênh tần số hẹp). Hai phương pháp khác nhau cơ bản để sử dụng dải tần rộng như vậy đã được phát triển - phương pháp Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và phương pháp Trải phổ nhảy tần (FHSS). Cả hai phương pháp này đều được cung cấp theo tiêu chuẩn 802.11 (Radio-Ethernet).

Trạng thái truyền thông không dây hiện tại được xác định bởi tình hình với tiêu chuẩn IEEE 802.11. Tiêu chuẩn này đang được phát triển và cải tiến bởi Nhóm làm việc về Mạng cục bộ không dây của Ủy ban Tiêu chuẩn của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE), do Vic Hayes của Lucent Technologies chủ trì. Nhóm có khoảng một trăm thành viên có phiếu quyết định và khoảng năm mươi thành viên có phiếu cố vấn; họ đại diện cho hầu hết các nhà sản xuất thiết bị cũng như các trung tâm nghiên cứu và trường đại học. Bốn lần một năm, nhóm họp phiên toàn thể và đưa ra quyết định cải thiện tiêu chuẩn.

Tiêu chuẩn xác định một loại giao thức truy cập phương tiện lớp MAC và ba giao thức khác nhau cho các liên kết vật lý (PHY).

Lớp MAC xác định các thành phần cơ bản của kiến trúc mạng và danh sách các dịch vụ được cung cấp bởi lớp này. Có hai kiến trúc mạng không dây điển hình:

Cấu hình “ad-hoc” độc lập, nơi các trạm có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Diện tích của mạng và chức năng như vậy bị hạn chế.

Cấu hình cơ sở hạ tầng trong đó các trạm giao tiếp thông qua một điểm truy cập, hoạt động độc lập hoặc được kết nối với mạng cáp. Tiêu chuẩn xác định giao diện kênh vô tuyến giữa các trạm và điểm truy cập. Các điểm truy cập có thể được kết nối với nhau bằng cầu nối vô tuyến hoặc các phân đoạn mạng cáp.

Tiêu chuẩn này thiết lập một giao thức để sử dụng một phương tiện truyền dẫn duy nhất, được gọi là Tránh va chạm đa truy cập Carrier Sense (CSMA/CA). Khả năng xung đột giữa các nút không dây được giảm thiểu bằng cách trước tiên gửi cho tất cả các nút một tin nhắn ngắn (sẵn sàng gửi, RTS) về đích và thời lượng của lần truyền sắp tới. Các nút trì hoãn việc truyền trong một khoảng thời gian bằng thời lượng tin nhắn được quảng cáo. Trạm nhận phản hồi RTS bằng một tin nhắn (CTS), thông báo cho nút gửi biết liệu phương tiện có rõ ràng hay không và nút đó có sẵn sàng nhận hay không. Sau khi nhận được gói dữ liệu, nút sẽ gửi xác nhận (ACK) về việc nhận không có lỗi. Nếu không nhận được ACK, gói dữ liệu sẽ được truyền lại.

Đặc điểm kỹ thuật được cung cấp bởi tiêu chuẩn yêu cầu dữ liệu phải được chia thành các gói được trang bị thông tin điều khiển và địa chỉ. Thông tin này chiếm khoảng 30 byte, theo sau là khối thông tin dài tới 2048 byte. Tiếp theo là mã CRC 4 byte của khối thông tin. Tiêu chuẩn khuyến nghị sử dụng các gói có độ dài 400 byte cho kênh vật lý FHSS và 1500 hoặc 2048 cho kênh DSSS.

Tiêu chuẩn này cung cấp khả năng bảo mật dữ liệu, bao gồm xác thực (để xác minh rằng một nút vào mạng được ủy quyền trong đó) và mã hóa dữ liệu bằng thuật toán RC4 với khóa 40 bit. Đối với máy tính xách tay, tiêu chuẩn cung cấp chế độ tiết kiệm năng lượng: đặt thiết bị ở chế độ “ngủ” và đưa thiết bị ra khỏi trạng thái này trong một thời gian ngắn cần thiết để nhận tín hiệu dịch vụ từ các nút mạng bắt đầu truyền. Ngoài ra còn có chế độ chuyển vùng cho phép thuê bao di động di chuyển giữa các điểm truy cập mà không bị mất kết nối.

Phần mở rộng phổ

Ở lớp vật lý, tiêu chuẩn cho phép sử dụng một trong hai loại kênh vô tuyến và một loại kênh hồng ngoại. Cả hai loại kênh vô tuyến đều sử dụng công nghệ trải phổ, giúp giảm mật độ phổ công suất trung bình của tín hiệu bằng cách phân phối năng lượng trên dải tần rộng hơn mức cần thiết để cung cấp tốc độ truyền nhất định. Công nghệ này làm giảm mức độ nhiễu được tạo ra và tăng khả năng chống nhiễu.

Loại kênh vô tuyến đầu tiên là Đài phát thanh trải phổ nhảy tần (FHSS). Tốc độ truyền 1 Mbit/s được cung cấp (tùy chọn 2 Mbit/s). Phiên bản 1 Mbit/s sử dụng điều chế tần số Gaussian hai cấp (2GFSK), trong khi phiên bản 2 Mbit/s sử dụng điều chế tần số Gaussian bốn cấp (4GFSK). Ở tốc độ 1 Mbit/s, tần số tín hiệu thay đổi trong khoảng thời gian ký hiệu tin nhắn là 1 μs, theo định luật Gaussian, từ giá trị danh nghĩa đến giá trị +170 kHz và trở về giá trị danh nghĩa. Để truyền số 0, tần số tín hiệu được thay đổi thành –170 kHz. Đối với 2 Mbps, có bốn mức bù tần số (+225, +75, –75, –225 kHz), do đó mỗi chip (ký hiệu) mang hai bit thông báo. Độ rộng phổ tín hiệu với cách điều chế như vậy là 1 MHz, bất kể tốc độ truyền. Điều này cho phép sử dụng 79 vị trí tần số để truyền trong dải từ 2402 đến 2480 MHz với các bước 1 MHz. Để mở rộng phổ, tần số tín hiệu thay đổi theo quy luật giả ngẫu nhiên ít nhất 400 ms một lần.

Loại kênh vô tuyến thứ hai là Đài phát thanh trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Tùy chọn này cung cấp khả năng truyền ở tốc độ 1 và 2 Mbit/s. Với tốc độ truyền 1 Mbit/s, khóa dịch pha nhị phân (BPSK) được sử dụng. Bit một được biểu thị bằng mã Barker 11 phần tử có dạng 11100010010 và bit 0 được biểu thị bằng mã Barker nghịch đảo. Các ký hiệu cơ bản của mã Barker không mang thông tin; các bit được truyền cùng lúc bởi toàn bộ mã Barker - trực tiếp hoặc nghịch đảo. Điều này cho phép bạn cung cấp các đặc tính nhiễu tín hiệu mang lại khả năng chống nhiễu. Độ rộng phổ của tín hiệu như vậy là 22 MHz. Đối với tốc độ 2 Mbit/s, tiêu chuẩn này cung cấp khóa dịch pha cầu phương - QPSK. Trong trường hợp này, hai bit được truyền trong suốt thời gian của ký hiệu thông báo. Để làm điều này, bạn không cần hai mà là bốn tín hiệu khác nhau. Do đó, cùng với rung động sóng mang chính, một rung động bổ sung được sử dụng, lệch pha 90° so với nó. Pha của mỗi dao động này được điều khiển bởi chuỗi Barker trực tiếp hoặc nghịch đảo và cả hai dao động đều được thêm vào. Do đó, trong suốt thời gian của một ký hiệu, tín hiệu có bốn bậc tự do, cho phép truyền hai bit. Trong trường hợp này, tốc độ truyền được tăng gấp đôi trong khi vẫn duy trì cùng dải tần như với truyền nhị phân. Tín hiệu DSSS sử dụng một trong 14 dải tần chồng chéo được xác định theo tiêu chuẩn trong dải tần tổng thể 83,5 MHz.

Đối với kênh hồng ngoại (Hồng ngoại PHY), tiêu chuẩn cung cấp tốc độ 1 Mbit/s (2 Mbit/s tùy chọn) với điều chế vị trí xung. Loại kênh này không được quan tâm nhiều vì phạm vi truyền dẫn theo tiêu chuẩn không vượt quá 20 m.

Có một số công nghệ trải phổ khác nhau, nhưng để hiểu rõ hơn về giao thức 802.11, chúng ta chỉ cần xem xét kỹ hơn về Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

công nghệ DSSS

Với mã hóa tiềm năng, các bit thông tin - số 0 và số 1 logic - được truyền dưới dạng xung điện áp hình chữ nhật. Một xung hình chữ nhật có độ dài T có phổ có độ rộng tỷ lệ nghịch với độ rộng xung. Do đó, thời lượng của bit thông tin càng ngắn thì phổ mà tín hiệu đó chiếm giữ càng lớn.

Để cố ý mở rộng phổ của tín hiệu băng tần hẹp ban đầu, công nghệ DSSS nhúng một chuỗi cái gọi là chip vào mỗi bit thông tin được truyền đi (logic 0 hoặc 1). Nếu các bit thông tin - số 0 hoặc số 1 logic - trong quá trình mã hóa thông tin tiềm năng có thể được biểu diễn dưới dạng một chuỗi xung hình chữ nhật, thì mỗi chip riêng lẻ cũng là một xung hình chữ nhật, nhưng thời lượng của nó nhỏ hơn vài lần so với thời lượng của bit thông tin. Chuỗi các chip là một chuỗi các xung hình chữ nhật, nghĩa là các số 0 và 1, nhưng các số 0 và 1 này không mang tính thông tin. Vì thời lượng của một chip nhỏ hơn n lần so với thời lượng của bit thông tin nên độ rộng phổ của tín hiệu được chuyển đổi sẽ lớn hơn n lần so với độ rộng phổ của tín hiệu gốc. Trong trường hợp này, biên độ của tín hiệu truyền đi sẽ giảm đi n lần.

Các chuỗi chip được nhúng trong các bit thông tin được gọi là mã giống nhiễu (chuỗi PN), nhấn mạnh thực tế là tín hiệu thu được trở nên giống nhiễu và khó phân biệt với nhiễu tự nhiên.

Rõ ràng là làm thế nào để mở rộng phổ tín hiệu và làm cho nó không thể phân biệt được với nhiễu tự nhiên. Để làm điều này, về nguyên tắc, bạn có thể sử dụng chuỗi chip (ngẫu nhiên) tùy ý. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra: làm thế nào để nhận được tín hiệu như vậy? Rốt cuộc, nếu nó trở nên giống nhiễu, thì việc tách tín hiệu thông tin hữu ích khỏi nó không phải là điều dễ dàng, nếu không muốn nói là không thể. Hóa ra là có thể, nhưng để làm được điều này, bạn cần phải chọn chuỗi chip cho phù hợp. Chuỗi chip được sử dụng để mở rộng phổ tín hiệu phải đáp ứng các yêu cầu tự tương quan nhất định. Thuật ngữ tự tương quan trong toán học đề cập đến mức độ giống nhau của một hàm với chính nó tại các thời điểm khác nhau. Nếu bạn chọn một chuỗi chip mà chức năng tự tương quan sẽ đạt đỉnh rõ rệt chỉ trong một thời điểm, thì tín hiệu thông tin như vậy sẽ có thể bị cô lập ở mức nhiễu. Để làm điều này, tín hiệu nhận được được nhân trong máy thu với cùng một chuỗi chip, nghĩa là tính toán chức năng tự tương quan của tín hiệu. Kết quả là tín hiệu lại trở thành băng hẹp nên bị lọc trong dải tần hẹp và bất kỳ nhiễu nào nằm trong dải của tín hiệu băng thông rộng ban đầu, sau khi nhân với chuỗi chip, ngược lại, sẽ trở thành băng thông rộng và bị cắt bỏ. bởi các bộ lọc và chỉ một phần nhiễu rơi vào dải thông tin hẹp, tùy theo công suất nhỏ hơn đáng kể so với nhiễu tác động ở đầu vào máy thu (Hình 7.1).

Mã Barker

Có khá nhiều chuỗi chip đáp ứng các yêu cầu tự tương quan được chỉ định, nhưng cái gọi là mã Barker được chúng tôi đặc biệt quan tâm vì chúng được sử dụng trong giao thức 802.11.

Mã Barker có đặc tính giống nhiễu tốt nhất trong số các chuỗi giả ngẫu nhiên đã biết, điều này khiến chúng được sử dụng rộng rãi.

Họ giao thức 802.11 sử dụng mã Barker dài 11 chip (11100010010).

Để truyền tín hiệu, tín hiệu logic được truyền theo chuỗi Barker trực tiếp và số 0 logic được truyền theo chuỗi nghịch đảo.

Tốc độ 1 Mb/giây

Chuẩn 802.11 cung cấp hai chế độ tốc độ: 1 và 2 Mbit/s. Để mã hóa dữ liệu ở lớp vật lý, phương pháp DSSS với mã Barker 11 chip được sử dụng. Với tốc độ thông tin 1 Mbit/s, tốc độ của các chip tuần tự Barker riêng lẻ là 11×106 chip/s và độ rộng phổ của tín hiệu đó là 22 MHz. Xét rằng độ rộng của dải tần là 83,5 MHz, chúng tôi thấy rằng tổng cộng 3 kênh tần số không chồng chéo có thể phù hợp với dải tần này. Tuy nhiên, toàn bộ dải tần thường được chia thành 11 kênh tần số chồng chéo 22 MHz, cách nhau 5 MHz. Ví dụ: kênh đầu tiên chiếm dải tần từ 2400 đến 2423 MHz và được căn giữa so với tần số 2412 MHz. Kênh thứ hai tập trung ở tần số 2417 MHz và kênh cuối cùng, kênh 11, tập trung ở tần số 2462 MHz. Khi xem theo cách này, các kênh thứ nhất, thứ sáu và thứ 11 không trùng lặp với nhau và có khoảng cách 3 megahertz so với nhau. Ba kênh này có thể được sử dụng độc lập với nhau.

Khóa dịch pha nhị phân vi sai (DBPSK) được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu sóng mang hình sin (một quá trình cần thiết để thông báo tín hiệu sóng mang). Trong trường hợp này, mã hóa thông tin xảy ra do sự dịch pha của tín hiệu hình sin so với trạng thái tín hiệu trước đó. Điều chế pha nhị phân cung cấp hai giá trị dịch pha có thể có - 0 và π. Sau đó, số 0 logic có thể được truyền bằng tín hiệu cùng pha (độ dịch pha là 0) và số 0 logic có thể được truyền bằng tín hiệu được dịch pha bởi π.

Tốc độ 2 Mb/giây

Tốc độ thông tin 1 Mbit/s là bắt buộc trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 (Tốc độ truy cập cơ bản), nhưng tốc độ 2 Mbit/s (Tốc độ truy cập nâng cao) là tùy chọn. Để truyền dữ liệu ở tốc độ này, công nghệ DSSS tương tự với mã Barker 11 chip được sử dụng, nhưng Shiftey pha cầu phương vi sai được sử dụng để điều chỉnh sóng mang. Với điều chế pha cầu phương tương đối, độ dịch pha có thể nhận bốn giá trị khác nhau: 0, π/2, π và 3π/2. Sử dụng bốn trạng thái tín hiệu khác nhau, có thể mã hóa chuỗi hai bit thông tin (dibit) ở một trạng thái riêng biệt và do đó tăng gấp đôi tốc độ truyền thông tin. Ví dụ: bit 00 có thể tương ứng với độ dịch pha bằng 0; dibit 01 - độ lệch pha bằng π/2; bit 11 - độ lệch pha bằng π; dibit 10 - độ lệch pha bằng 3π/2.

Tóm lại, khi xem xét lớp vật lý của giao thức 802.11, chúng tôi lưu ý rằng ở tốc độ thông tin 2 Mbit/s, tốc độ của các chip riêng lẻ trong chuỗi Barker vẫn giữ nguyên, nghĩa là 11 × 10 6 chip/s, và do đó độ rộng phổ của tín hiệu truyền đi không thay đổi.

7.2 7.2 Lớp vật lý của giao thức 802.11b/b+

Giao thức IEEE 802.11b, được thông qua vào tháng 7 năm 1999, là một dạng mở rộng của giao thức 802.11 cơ bản và, ngoài tốc độ 1 và 2 Mbit/s, còn cung cấp tốc độ 5,5 và 11 Mbit/s. Để hoạt động ở tốc độ 1 và 2 Mbit/s, công nghệ trải phổ sử dụng mã Barker được sử dụng và đối với tốc độ 5,5 và 11 Mbit/s, cái gọi là mã bổ sung (Khóa mã bổ sung, CCK) được sử dụng.

Trình tự CCK

Mã bổ sung hoặc chuỗi CCK có đặc tính là tổng các hàm tự tương quan của chúng đối với bất kỳ dịch chuyển tuần hoàn nào khác 0 luôn bằng 0.

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b xử lý các chuỗi 8 chip bổ sung phức tạp được xác định trên một tập hợp các phần tử phức tạp.

Ở đây cần thực hiện một đoạn lạc đề trữ tình nhỏ để không khiến người đọc xa lánh bởi sự phức tạp của bộ máy toán học được sử dụng. Toán học về số phức có thể gợi lên rất nhiều ký ức tiêu cực, gắn liền với một cái gì đó hoàn toàn trừu tượng. Nhưng trong trường hợp này mọi thứ khá đơn giản. Biểu diễn phức tạp của tín hiệu chỉ là một công cụ toán học thuận tiện để biểu diễn tín hiệu được điều chế pha.

Sử dụng tập hợp các phần tử phức (1, –1, j, –j), có thể tạo thành 8 số phức có cùng độ lớn nhưng khác nhau về pha. Nghĩa là, các phần tử của chuỗi CCK 8 chip có thể nhận một trong tám giá trị sau: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Sự khác biệt chính giữa các chuỗi CCK và các mã Barker đã thảo luận trước đó là không có một chuỗi nào được xác định nghiêm ngặt mà qua đó số 0 logic hoặc số 1 có thể được mã hóa, mà là một tập hợp toàn bộ các chuỗi. Xem xét rằng mỗi phần tử của chuỗi 8 ngụm có thể nhận một trong tám giá trị tùy thuộc vào giá trị pha, rõ ràng là 8 8 = 16777216 tùy chọn chuỗi có thể được kết hợp, tuy nhiên, không phải tất cả chúng đều bổ sung cho nhau. Nhưng ngay cả khi tính đến yêu cầu về tính bổ sung, một số lượng khá lớn các chuỗi CCK khác nhau có thể được hình thành. Trường hợp này cho phép mã hóa một số bit thông tin trong một ký hiệu được truyền và do đó làm tăng tốc độ truyền thông tin.

Nói chung, việc sử dụng mã CCK cho phép bạn mã hóa 8 bit cho mỗi ký tự ở tốc độ 11 Mbit/s và 4 bit cho mỗi ký tự ở tốc độ 5,5 Mbit/s. Trong cả hai trường hợp, tốc độ truyền ký hiệu là 1,385 × 10 6 ký hiệu mỗi giây (11/8 = 5,5/4 = 1,385) và tính đến việc mỗi ký tự được chỉ định bởi một chuỗi 8 chip, chúng ta thu được điều đó trong cả hai trường hợp. tốc độ truyền của từng chip là 11×10 6 chip mỗi giây. Theo đó, độ rộng phổ tín hiệu ở cả hai tốc độ 11 Mbit/s và 5,5 Mbit/s đều là 22 MHz.

Xem xét tốc độ truyền có thể là 5,5 và 11 Mbit/s trong giao thức 802.11b, cho đến nay chúng ta vẫn chưa giải quyết được câu hỏi tại sao tốc độ 5,5 Mbit/s lại cần thiết nếu việc sử dụng chuỗi CCK cho phép dữ liệu được truyền ở tốc độ tốc độ 11 Mbit/s. Về mặt lý thuyết, điều này đúng, nhưng chỉ khi bạn không tính đến môi trường nhiễu. Trong điều kiện thực tế, mức nhiễu của các kênh truyền và theo đó, tỷ lệ giữa mức nhiễu và mức tín hiệu có thể khiến việc truyền ở tốc độ thông tin cao, nghĩa là khi nhiều bit thông tin được mã hóa thành một ký hiệu, có thể không thực hiện được do sự nhận biết sai lầm của họ. Không đi sâu vào chi tiết toán học, chúng tôi chỉ lưu ý rằng mức nhiễu của các kênh liên lạc càng cao thì tốc độ truyền tải thông tin càng thấp. Điều quan trọng là máy thu và máy phát phải phân tích chính xác môi trường nhiễu và chọn tốc độ truyền có thể chấp nhận được.

Thông tin liên quan.