Беспроводные сети связи 16 11 15

Структура беспроводных сетей

Беспроводная сеть состоит из нескольких компонентов, обеспечивающих связь с использованием радиоволн или ИК-излучения, распространяющихся через воздушную среду.

1. Пользователи

Под пользователем далее понимается все, что может непосредственно пользоваться услугами беспроводной сети. Это может быть человек, производственный робот. Пользователь начинает и заканчивает процесс применения беспроводной сети. Обычно пользователь оперирует компьютерным устройством.

Пользователи беспроводных сетей могут быть мобильными, "стационарными" и "портативными".

2. Компьютерные устройства:

принтер, настольный ПК, нетбук,

планшетный компьютер или КПК, мобильный телефон, устройство сбора данных и др.

Часть компьютерных устройств сконструированы для пользователей, другие — являются оконечными системами: серверы, базы данных, Web-узлы, системы управления предприятий.

Мобильные КУ компактны (небольшие экраны, клавиатуры с небольшим числом клавиш и малогабаритные батареи) обеспечивают работу мобильных приложений.

Стационарные КУ Переносные КУ

3. Платы интерфейса сети

Плата интерфейса сети, или сетевой адаптер (network interface card), обеспечивает интерфейс между компьютерным устройством и инфраструктурой беспроводной сети. В состав беспроводной платы интерфейса сети должна входить антенна, преобразующая электрические сигналы в радиоволны для передачи их через воздушную среду. Конструкции антенн могут быть внешними, внутренними, постоянными и съемными.

Функционирование платы интерфейса сети определяют стандарты на беспроводную сеть.

Различные форм-факторы плат беспроводных сетей, предназначенных для внутрен-

ней установки:

Шина ISA (Industry-Standard Architecture) - в настоящее время уже устаре-

ла.

1

CompactFlash - плата небольшого размера, весит 15 г и вдвое тоньше PC Card, низкое потребление мощности.

Адаптер протокола 802.11b/g LA-5127 Wireless Networker CompactFlash

Внешние сетевые интерфейсы могут быть подключены к КУ через параллельный, последовательный или USB-порт. Используются в основном для стационарных ПК.

4. Воздушная среда

обеспечивает распространение радиоволн, передающихся от одной точки к другой. Качество связи зависит от наличия препятствий и погодных условий.

5. Инфраструктура беспроводных сетей

Инфраструктуру беспроводной сети образуют

базовые станции,

контроллеры доступа,

программное обеспечение приложений, обеспечивающих установление соединений,

распределительная система.

Базовая станция (БС) обеспечивает передачу сигналов Бесп. Сет., распространяющихся через воздушную среду, в проводную сеть (распределительную систему). Т.е. БС обеспечивает доступ пользователей к множеству сетевых служб. Базовая станция часто содержит плату интерфейса Бесп. Сети, аналогичную плате интерфейса Бесп. Сети в компьютере пользователя.

Название БС зависит от выполняемых ею функций:

точка доступа ТД (access point) — это основная БС WLAN. Комплект ТД WLAN обеспечивает роуминг в пределах здания.

беспроводные шлюзы и маршрутизаторы LAN — это также БС с расширенными возможностями.

Шлюз обеспечивает контроль доступа и взаимодействие приложений. Маршрутизатор (router) обеспечивает работу нескольких компьютеров через одно широкополосное соединение.

3

Базовая станция может поддерживать соединения типа "точка-точка" (для протяженных беспроводных каналов связи) или "точка-несколько точек".

Контроллеры

Контроллер используется, если точек доступа более двух-трех. Реализуют следующие функции:

Аутентификация.

Шифрование данных

Роуминг через подсети.

Управление пропускной способностью.

Программное обеспечение необходимо для работы ряда приложений: несложных (доступ в Интернет, электронная почта), сложных (программа управления складом, программа создания моделей и др.).

Основными типами приложений, обеспечивающих установление соединения, являются:

эмулятор терминала

прямое соединение с базой данных (технология клиент-сервер)

промежуточное программное обеспечение

Распределительная система (обычно проводная) необходима для объединения в единое целое точек доступа, контроллеров доступа и серверов. В большинстве случаев роль распределительной системы выполняет сеть Ethernet.

Распространение электромагнитных волн.

Любая радиоволна в процессе распространения подвергается воздействию следующих факторов:

Затухание

Преломление

Отражение

Дифракция

Поглощение

Рассеяние

Интерференция

Затухание. В процессе распространения уменьшается амплитуда р/волны пропорционально квадрату расстояния от источника. В зависимости от чувствительности приемного устройства и мощности передающего существует предельное расстояние, ограниченное затуханием. В городах ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Преломление (рефракция) - искривление траектории радиоволн.

Отражение имеет место при падении волны на объекты с размерами много больше длины волны. Например, отражения от земли, стен зданий и т.п. При отражении угол падения равен углу отражения.

4

Дифракция. Дифракция это явление огибания волной препятствий, соизмеримых с длиной волны. В результате дифракции радиоволна изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути.

Поглощение. Когда радиоволна встречает препятствие, то часть еѐ энергии поглощается материалом, часть отражается, часть проходит сквозь материал. Степень поглощения зависит от длины волны.

Рассеяние на препятствиях. В процессе распространения волна переотражается и переизлучается на препятствиях меньше длины волны, что приводит к ослаблению прямого луча.

Интерференция (И.) опреде-

ляется взаимодействием в ка- кой-либо точке пространства двух или более радиоволн, созданных одним источником, но прошедших различные пути и

всвязи с этим имеющих различные фазы. В месте приема,

взависимости от фазы пришедших лучей сигнал может как увеличиться (разные лучи складываются), так и уменьшиться (разные лучи вычитаются).

5

Многолучевое распространение (МР) возникает, если, на антенну приѐмника приходят не только прямые лучи от источника, но и отраженные. МР приводит к эффекту замирания, т.е. изменению амплитуды, фазы и угла прихода р/волны.

замирания

Особенности распространения ЭМВ связаны с частотой излучения:

Чем выше несущая частота:

тем выше возможная скорость передачи информации.

тем хуже проникает сигнал через препятствия.

тем быстрее убывает энергия сигнала с расстоянием от источника.

Сигналы в диапазоне > 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц они начинают поглощаться водой.

Современные СБС работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц.

6

Стандартизация БСС

В стандартизации ШБС участвуют следующие организации:

Международные:

ISO – международная организация по стандартизации

ITU-T – сектор телекоммуникаций международного телекоммуникационного союза (работает с 1865 года).

IEC (МЭК) – международная электротехническая комиссия

IEEEИнститут инженеров электроники и электротехники.

Европейские:

ETSI - Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций CENELEC – Европейский комитет по стандартизации в области электротехники и электроники

Ecma International - ассоциация по стандартизации информационных и коммуникационных технологий.

Модуляция в беспроводных системах

В беспроводной технологии существуют три основные технологии кодирования или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал:

Амплитудная модуляция (Amplitude-Shift Keying - ASK);

Частотная модуляция (Frequency-Shift Keying - FSK);

Фазовая модуляция (Phase-Shift Keying - PSK).

При ASK 1 и 0 исходного сигнала представляются сигналами несущей частоты с двумя различными амплитудами (одна из амплитуд обычно выбирается равной нулю).

FSK имеет разновидности:

-BFSK – двоичная (Binary) FSK, в которой 1 и 0 представляются колебаниями двух различных частот, расположенных около несущей (рис. 1.5б). BFSK менее восприимчива к ошибкам, чем АSK.

-MFSK - многочастотная (Multiple) FSK, в которой используется более двух частот. В MFSK каждая сигнальная посылка представляет более одного бита. Входной поток

7

битов разбивается по два бита, после чего передается одна из четырех возможных двухбитовых комбинаций.

1 0

На рис. 1.6 представлен пример схемы MFSK

PSK – вид модуляции, в которой для передачи логических 0 и 1 используют сигналы одинаковой частоты и амплитуды, но смещѐнные относительно друг друга по фазе. Разновидности PSK:

BPSK (Binary PSK) - двоичная PSK, изменение фазы принимает всего два значения, логический 0 передается синфазным сигналом, а единица - сигналом, который сдвинут по фазе на 180°.

QPSK - квадратурная PSK, используются четыре различных фазы, смещенные

друг, относительно друга на 900 (, ), соответствующие четырем дискретным состояниям сигнала. Т.е. одно дискретное состояние фазы позволяет зако-

дировать два информационных бита. При этом скорость передачи данных повышается в два раза.

Временная диаграмма QPSK

МPSK (Multiple PSK) - многоуровневая фазовая модуляция с 8, 16 и др. различными фазами. Например, 8PSK – 8 разных значений фаз, одна фаза (символ) передает 3 информационных бита.

8

Дифференциальные PSK: DPSK, DQPSK. передаваемая информация представляется не сигнальными посылками, а изменениями между последовательными сигнальными посылками.

DPSK - дифференциальная PSK, сдвиг фаз выполняется относительно предыдущего переданного бита, а не относительно какого-то эталонного сигнала.

Сигналы PSK обычно представляют с помощью векторной диаграммы. При построении векторной диаграммы каждому значению сигнала ставится в соответствие вектор, длина которого — это условная амплитуда сигнала, а угол поворота вектора относительно горизонтальной оси - это фаза сигнала. Вектор сигнала BPSK принимает одно из двух значений: «+1» - при передаче информационного нуля и « 1» - при передаче информационной единицы (рисунок 5а). Если показывать лишь положение конца вектора, то векторную диаграмму называют сигнальным созвездием (рисунок 3.1б).

-1

Сигнальное созвездие QPSK-сигнала (рисунок 44) состоит из четырех точек с координатами (+1, +1), (+1, –1), (–1, +1), (–1, –1) по осям I(t) и Q(t). Эти четыре точки соответствуют четырем возможным парам бит исходного цифрового сигнала и образуют совокупность всех его возможных состояний. Каждой группе из двух битов соответствует фазовый угол, все фазовые углы отстоят друг от друга на 90°. Каждая сигнальная точка отстоит от оси I(t) и Q(t) на 45°. Все точки созвездия расположены на единичной окружности.

Описанную схему можно расширить: передавать, например, по три бита в каждый момент времени, используя для этого восемь различных углов сдвига фаз.

9

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - Квадратурная амплитудная модуляция -

разновидность многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции.

При использовании данного алгоритма передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной (I) и квадратурной (Q) компонент несущего гармонического колебания, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на π/2. Результирующий сигнал Z формируется при суммировании этих колебаний. Таким образом, QAM -модулированный дискретный сигнал может быть представлен соотношением:

Zm(t) = Imcos(2πft) + Qmsin(2πft)

При использовании двухуровневой квадратурной амплитудной модуляции (2QAM) результирующий сигнал будет иметь 4 различных состояния амплитуды и фазы. При использовании четырехуровневой - 16 состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы частот.

10