Принципы работы беспроводной сети radio ethernet

4.2.1.Беспроводные сети RADIO ETHERNET выполняются на основе стандарта IEEE 802.11 и предусматривают организацию беспроводной связи на ограниченной территории с предоставлением нескольким абонентам равноправного доступа к общему радиоканалу.

Физический канал может быть реализован либо на базе передачи сигнала в инфракрасном диапазоне частот, либо путем формирования широкополосного радиосигнала с использованием прямого расширения спектра (DSSS) или скачкообразной перестройки частоты (FHSS). Оборудование, использующее инфракрасное излучение, может применяться только в условиях прямой видимости, а характеристики этих устройств весьма сильно зависят от погодных условий. Поэтому данный вариант применим в основном для установки связи внутри помещений. Две другие технологии, DSSS и FHSS, ориентированы на работу в двух диапазонах – 915 МГц и 2,4 ГГц. Известно, что частотный диапазон 900 МГц перегружен различными средствами связи, и потому устройства, рассчитанные на применение в этом диапазоне, рекомендовано устанавливать внутри помещений. Оборудование же, работающее в области частот 2,4 ГГц, можно применять как внутри, так и вне зданий.

При использовании технологии FHSS передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в определенной последовательности, которая кажется случайной. Схема предусматривает разбивку выделенной полосы частот на 79 поддиапазонов шириной 1 MГц каждый. В качестве модуляции применяется двухуровневое Гауссовое переключение частот (2-level GFSK), что позволяет достичь скорости передачи данных 1 Мбит/с.

В технологии DSSS весь диапазон 2,4 ГГц делится на пять перекрывающихся 26-мегагерцевых поддиапазонов. Информация передается по каждому из каналов без переключения на другие. Значение каждого бита кодируется с помощью избыточной 11-битной последовательности Баркера (Barker) – {10110111000}. Эта последовательность имеет определенные математические свойства, делающие ее весьма эффективной для кодирования. Над исходным потоком битов выполняется операция XOR с кодовым словом Баркера, в результате чего получается последовательность данных, называемых чипами (chips). Другими словами, каждый бит данных кодируется с помощью 11-битного кода Баркера или каждая группа из 11 чипов кодирует один бит данных как показано на рис.4.2. Затем каждая 11-битная последовательность чипов модулируется несущей частотой.

Рис.4.2. Кодирование битов данных с помощью избыточной 11-битной кодовой последовательности Баркера

Если в качестве схемы модуляции используется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK), т.е. один фазовый сдвиг на каждый бит, то скорость передачи составит 1 Мбит/с. Для достижения в два раза большей скорости применяется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), при которой помощью четырех сдвигов фаз удается закодировать два бита в одном символе.

Каждый из двух определенных стандартом RADIO ETHERNET методов широкополосной передачи имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достичь большей по сравнению с FHSS пропускной способности (2 Мбит/с на один канал и 6 Мбит/с – на три), обеспечивает более высокую устойчивость к узкополосным помехам и большую дальность связи. Однако технология DSSS требует более сложного и дорогого оборудования, чем технология FHSS. Поэтому нет ничего удивительного в том, что FHSS-устройства (более простые и дешевые) выпускают гораздо больше компаний. Еще одно достоинство FHSS-устройств (в отличие от DSSS) – способность сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех. Правда, часто они сами создают помехи обычным узкополосным устройствам, но это помехи с низкой спектральной плотностью мощности.

RADIO ETHERNET, как и обычный кабельный стандарт Ethernet, использует "коллизионный" метод доступа к общему каналу, однако в нем предусмотрена фаза предварительного резервирования канала, коллизии допустимы только при резервировании, а собственно передача происходит без коллизий. Основной механизм доступа к среде для RADIO ETHERNET – многостанционный доступ с обнаружением несущей и предотвращением конфликтов CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).

4.2.2.Существенно повысить помехоустойчивость передаваемых данных в сетях RADIO ETHERNET позволяет применение технологи расширения спектра сигнала.

Основная идея технологии расширения спектра (Spread Spectrum SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру. Именно это позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Рассмотрим более подробно, как это происходит.

При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Из курса математики и физики известно, что любую функцию и соответственно любой сигнал можно представить в виде дискретного или непрерывного набора гармоник – синусоидальных сигналов с определенным образом подобранными весовыми коэффициентами и частотами. Такое представление называют преобразованием Фурье, а сами частоты гармонических сигналов образуют спектральное разложение функции.

К примеру, при передаче прямоугольного импульса длительностью спектр сигнала описывается функцией , где – частота спектральной составляющей.

Несмотря на бесконечный спектр сигнала, наиболее весомые гармоники, т.е. вносящие значительный вклад в результирующий сигнал, сосредоточены в небольшой частотной области, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса. Таким образом, с хорошей степенью точности исходный сигнал можно представить как суперпозицию гармоник в спектральной полосе, ширина которой равна длительности импульса . Соответственно, чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Для того, чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, т.е. увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Фактически информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов -чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, так как ширину спектра можно с хорошей степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Дело в том, что наряду с расширением спектра сигнала уменьшается и спектральная плотность энергии. То есть энергия сигнала как бы «размазывается» по всему спектру. Результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос – для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции. Под корреляцией в математике понимают степень взаимного подобия двух функций, т.е. насколько две различные функции похожи друг на друга. Соответственно под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Например, если некоторая функция зависит (меняется) от времени и эта зависимость выражается в виде , то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени и в момент времени . Степень соответствия этих двух функций друг другу в различные моменты времени и называются автокорреляцией.

Оказывается, что можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определенный интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. То есть функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных (но не единственная) таких последовательностей – код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются соответственно прямая и инверсная последовательности.

Для упрощения вычисления автокорреляционной функции последовательности Баркера можно рассчитать разницу между числом совпадений и несовпадений между отдельными чипами последовательности при их циклическом почиповом сдвиге относительно друг друга.

Как видно из таблицы 4.1, кодовая последовательность Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком, соответствующим наложению функции самой на себя. Проведя аналогичные расчеты, нетрудно убедиться, что другие последовательности не обладают подобным свойством, т.е. имеют несколько пиков корреляции, которые значительно снижают помехоустойчивость передаваемого сигнала.

В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника.

Таблица 4.1

Вычисление автокорреляционной функции кодовой

последовательности Баркера

Сдвиг	Последовательность	Результат корреляции
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1
												-1

Итак, основной смысл использования кодов Баркера заключается в том, чтобы, имея возможность передавать сигнал практически на уровне помех, гарантируя высокую степень достоверности принимаемой информации (рис.4.3).

Рис.4.3. Использование технологии расширения спектра

4.2.3.Как известно, радиоволны приобретают способность переносить информацию в том случае, если они определенным образом модулируются. При этом необходимо, чтобы модуляция синусоидального несущего сигнала соответствовала требуемой последовательности информационных бит.

Квадратурная амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation – QAM) является распространенным методом модуляции, применяемым беспроводных сетях. Данный метод модуляции совмещает в себе амплитудную и фазовую модуляции.

В методе модуляции QAM использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной несущей частоте, но при этом задействованы две копии несущей частоты, сдвинутые относительно друг друга на 90^о. В методе модуляции QAM обе несущие являются амплитудно-модулированными. Схема метода модуляции QAM показана на рис.4.4.

Рис.4.4. Схема метода модуляции QAM

Со скоростью R бит/с на вход модулятора поступает поток двоичных данных. Этот поток разбивается на два потока (биты попеременно распределяются по двум отдельным потокам), передаваемых со скоростью R/2 бит/с каждый. Верхний поток модулируется на несущей частоте , для чего двоичный поток умножается на несущую частоту. Таким образом, двоичный нуль представляется отсутствием несущей волны, а двоичная единица – наличием несущей волны постоянной амплитуды. Для модулирования нижнего потока та же несущая волна смещается на 90^о. Затем два модулированных сигнала складываются и передаются вместе. Суммарный переданный сигнал можно записать следующим образом:

.

При использовании двухуровневой амплитудной манипуляции каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток – в одном из 2×2=4 состояний. При использовании четырехуровневой манипуляции (т.е. четырех различных уровней амплитуды) объединенный поток будет находиться в одном из 4×4=16 состояний. Уже реализованы системы, имеющие 64 или даже 256 состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы.

4.2.4.Распространение сигналов в открытой среде, какой является радиоэфир, сопровождается возникновением всякого рода помех, источником которых могут служить и сами распространяемые сигналы. Классический пример такого рода помех - эффект многолучевой интерференции сигналов, заключающийся в том, что в результате многократных отражений сигнала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют и разные длины, и потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, — противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.

Поэтому при более высоких скоростях передачи применяется принципиально иной метод кодирования данных – ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Идея OFDM заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой. Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а, следовательно, и отсутствие межканальной интерференции как показано на рис.4.5.

Рис.4.5. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противодействием многолучевому распространению. Сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал GI (Guard Interval) - циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа (рис.4.6).

Рис.4.6. Охранный интервал GI

Охранный интервал GI является избыточной информацией и снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис.4.7).

Рис.4.7. Пример предотвращение межсимвольной интерференции за счет использования охранных интервалов

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

Дата добавления: 2015-07-24