Метод расширения спектра методом прямой последовательности. Основы беспроводной технологии

Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) – метод основанный на периодической смене несущей частоты в соответствии с алгоритмом известном передатчику и приемнику. Принципы реализации: Диапазон частот радиоканала делится на пронумерованные подканалы; В процессе работы алгоритма генерируется псевдослучайная последовательность чисел, каждому числу сопоставляется номер частотного подканала; В процессе передачи одного отдельного бита частота может не изменяться (медленное расширение спектра) или изменяться несколько раз (быстрое расширение спектра); Для линейного кодирования используют частотную или фазовую модуляции.

Особенности метода: При прослушивании отдельного подканала получают шумоподобный сигнал не позволяющий восстановить передаваемые данные; В случае использования быстрого расширения спектра, искажение сигнала передаваемого по отдельному подканалу не приводит к потери передаваемого бита; В следствии смена несущих частот снижается эффект межсимвольной интерференции; Метод может использоваться для организации мультиплексирования нескольких потоков данных – для каждого потока выбираться отдельная псевдослучайная последовательность; Простота реализации.

Прямое последовательное расширение спектра Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) – метод основан на замене каждого передаваемого бита N битами, что влечет увеличение в N- раз тактовой частоты передатчика и расширение спектра. Принцип реализации: Каждый передаваемая двоичная единица заменяется последовательностью битов называемой элементарной (расширяющей) последовательностью. Двоичный ноль заменяется инверсным значением расширяющей последовательности. Бит расширяющей последовательности называется элементарным сигналом (чипом). Скорость передачи чипов называют чиповой скоростью. Кол-во битов в элементарной последовательности называют коэффициентом расширения;

Пример: Если в качестве элементарной последовательности используется (последовательность Баркера) Тогда для передачи будет передана следующая последовательность чипов:

Особенности метода: Чем больше коэффициент расширения тем шире спектр передаваемого сигнала; Метод в меньшей степени обеспечивает защиту от помех чем метод FHSS, поскольку искажение сигнала в узкой полосе частот может привести к ошибочному распознаванию принятого бита приемником;

Множественный доступ с кодовым разделением Множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiplexing Access, CDMA) основан на методе DSSS. Принципы реализации: В процессе передачи каждый узел CDMA-сети использует уникальную элементарную последовательность (э.п.) ; Обозначим m - длину расширяющей последовательности, Вектор соответствующий э. п. обозначим S, дополнение (инверсию) э.п. обозначим S (для записи вектора будем использовать биполярную запись: двоичный 0 будем обозначим -1, двоичную единицу +1). Элементарные последовательности выбираются так чтобы они были попарно ортогональны. Т.е. для каждых векторов S и T, их нормированное скалярное произведение ST должно быть равно 0: Σ i=1 m 1 – m S i T i = 0 ST

Из ST = 0 следует ST=0 Отметим, что нормированное скалярное произведение э.п. на саму себя равно 1. Σ i=1 m 1 – m SiSiSiSi SS = Σ i=1 m 1 – m Si2Si2 = Σ m 1 – m ±1 2 = = 1 SS = -1 Предположим, что все станции синхронизированы, т.е. все станции начинаю передачу битов данных одновременно. При одновременной передачи биполярные сигналы линейно складываются. Пример 1. Если станция A, B и C посылают соответственно +1, -1 и +1, то в результате получим +1.

Пример 2. Пусть станции A, B, C используют следующие э.п.: A: = () B: = () C: = () Рассмотрим примеры одновременной передачи данных этими станциями: _ _ 1 С = () _ 1 1 B+C = () 1 0 _ A+B = () A+B+C = ()

Приемнику заранее известны элементарные последовательности всех передающих станций. Для декодирования производится вычисление нормированного скалярного произведения принятой последовательности (суммы принятых сигналов) и элементарной последовательности станции. Пример 3. Пусть станции A, B и C передают соответственно 1, 0, 1 (в биполярной записи +1, -1, +1). Приемник получает сумму сигналов S=A+B+C, тогда SA = (A+B+C)A = AA + BA + CA = = 1 SB = (A+B+C)B = AB + BB + CB = = -1 SC = (A+B+C)C = AC + BC + CC = = 1 Пусть станции A, B и C передают соответственно 1, 0, _ (в биполярной записи +1, -1, _). Приемник получает сумму сигналов S=A+B, тогда SA = (A+B)A = AA + BA = 1+0 = 1 SB = (A+B)B = AB + BB = 0-1 = -1 SC = (A+B)C = AC + BC = 0+0 = 0

Особенности метода: Попарно ортогональные последовательности генерируются с помощью метода Уолша (коды Уолша); Чем длиннее э.п. тем больше вероятность ее корректного распознавания на фоне шумов (на практике часто применяют последовательности с 64 или 128 чипами); Для повышения надежности, используют коды с коррекцией ошибок. Для выравнивания мощностей сигналов принимаемых от различных станций применяют метод компенсации мощностей (чем слабее сигнал принимаемый от базовой станции тем более мощный сигнал должна передавать мобильная станция). Допущения в описании алгоритма: Синхронизация станций сети; Равенство мощностей всех принимаемых сигналов (равноудаленность мобильных станций от базовой станции); Знание базовой станцией э.п. всех передающих станций.

Формат кадра Управление кадром ДлительностьA.1А. 2А. 3НомерА.4Данные Контрольная сумма ВерсияТип К DS От DS MFПовторПитание Продол- жение WПодтипO Типы кадров: информационные служебные управляющие 1.Управление кадром (2 байта) Версия (2 бита) – версия протокола; Тип (2 бита) – тип кадра (информационный, служебный, управляющий); Подтип (4 бита) – подтип кадра (CTS, RTS, сигнальный, аутенитификация и т. д.); Информационный кадр:

К DS (1 бит) – кадр передается в направлении к распределительной системы; От DS (1 бит) – кадр передается в направлении от распределительной системы; MF (больше фрагментов, 1 бит) – указывает на то, что далее следует еще один фрагмент; Повтор (1 бит) – указание на повторную посылку фрагмента; Питание (1 бит) – указание станции перейти в режим пониженного энергопотребления или выйти из него; Продолжение (больше данных, 1 бит) – указывает на то, что у отправителя имеются еще кадры для пересылки; W (1 бит) – указывает на использование шифрования по алгоритму WEP; O (1 бит) – указывает на необходимость обработки кадров строго по порядку;

2. Длительность (2 байта) – указание предположительного времени передачи кадра и получения подтверждения (ACK) 3. A.1 (6 байт) – адрес отправителя 4. A.2 (6 байт) – адрес получателя 5. A.3 (6 байт) – адрес исходной ячейки 6.Номер (2 байта) – содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров; 7. A.4 (6 байт) – адрес целевой ячейки; 8. Данные (байт) – передаваемые данные; 9. Контрольная сумма (4 байта). В управляющих кадрах отсутствуют поля A3 и A4. В служебных кадрах (RTS, CTS, ACK)отсутствуют поля A3, A4, Номер, Данные.

Уменьшение зоны радиопокрытия до минимально приемлемой (идеал – зона радиопокрытия не должна выходить за пределы контролируемой территории). Разграничение доступа, основанное на MAC-аутентификации. Использование уникальных последовательность частотных прыжков в технологии FHSS. Фильтрация устройств по заранее заданным IP-адресам. Использование WEP (Wired Equivalent Privacy) - шифрование на основе алгоритма RC4 с 64 и 128-битовыми ключами (в алгоритме были найдены серьезные уязвимости). Методы защиты реализуемые в оборудовании WiFi:

Аутентификация и авторизация на основе стандарта IEEE 802.1x - использование серверов AAA (например RADIUS) и динамических ключей шифрования. Использование протокола WPA и WPA2 (Wi-Fi Protected Access). WPA реализует принцип временных ключей шифрования и взаимосвязан с TKIP Temporal Key Integrity Protocol (WPA был разработан как замена WEP). В 2008 г. В технологии WPA найдены уязвимости. WPA2 реализует стандарт i – надежный протокол безопасности использующий алгоритм шифрования AES (Advanced Encryption Standart). Реализация WiFi сетей на основе VPN - развертывание виртуальной частной сети поверх имеющейся беспроводной.

Большинство современных цифровых камер предлагают пользователям возможность выбирать между применением штатного диапазона ISO и его расширенным режимом.

Опытные фотографы хорошо понимают, какие функции камеры реально полезны, а какие в работе практически не используются и добавлены производителем в качестве маркетингового хода. Новички же при выборе фотоаппарата могут легко запутаться во всем многообразии опций, например, что такое ISO и как правильно выбрать рабочий диапазон ISO.

Выбор между штатным и расширенным диапазоном ISO

При изменении значения ISO на цифровой фотокамере пользователь регулирует силу сигнала, меняя тем самым отношение принудительного усиления к считывающей способности световоспринимающего сенсора. Существуют определенные минимальные и максимальные значения усиления ISO - именно этот диапазон называется штатным. После уменьшения или превышения штатных показателей датчики камеры не смогут адекватно считывать данные.

До некоторого времени верхний порог значения светочувствительности считался незыблемым, однако бурное развитие аппаратной части и программного обеспечения современных фотокамер позволило замахнуться на невероятные высоты. То же самое касается и нижнего значения диапазона ISO - современная техника позволяет существенно снизить его. По сути, фотосъемка с использованием расширенного диапазона ISO напоминает постобработку фотографии в компьютере, только этот процесс происходит непосредственно в самой камере.

Как увеличенный диапазон ISO может повлиять на снимки

В камерах с большим диапазоном ISO используют датчики со стандартной светочувствительностью, такие же, как и в обычных фотоаппаратах. Расширенные диапазоны ISO, такие как, например, ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 получаются путем использования обычных сенсоров и электронных схем, светочувствительность которых повышается с помощью программного обеспечения. Из этого следует, что расширенный диапазон ISO - это не более чем маркетинговый ход.

Заявления о том, что камера может снимать до ISO 102400, впечатляют начинающих фотографов, но это не значит, что при покупке камеры они покупают датчик с такой высокой светочувствительностью. На самом деле эти значения достигаются, благодаря программному обеспечению, и проявляются зачастую в низком качестве снимков с большим количеством цифрового шума.

Фотографии, полученные на экстремально высоких значениях ISO, будут хорошо выглядеть только при условии черно-белой съемки, что сводит на нет подобное преимущество камер с расширенным диапазоном ISO.

Внимательный пользователь обязательно заметит, что камера в расширенном диапазоне ISO делает кадры в формате JPEG, но не в RAW. Это связано с тем, что при съемке в режиме RAW формируется цифровой негатив с минимальной обработкой, так как это расширяет возможности при постобработке кадров с использованием фоторедакторов. (Стоит, правда, оговориться, что некоторые производители допускают возможность использования расширенного диапазона ISO при фотосъемке в RAW-формате.)

Определенная польза от использования увеличенного диапазона значений ISO может быть для фотографов, снимающих в формате JPEG, кто не обрабатывает в последствии изображения. Необходимо все-таки учесть, что на качество придется закрыть глаза.

СИСТЕМЫ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА

Термин расширение спектра был использован в многочисленных военных и коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектром каждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкой полосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.

Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением.

Широкополосные системы находят применение благодаря следующим потенциальным преимуществам:

Повышенной помехоустойчивости;

Возможности обеспечения кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе в системах, использующих технологию CDMA;

Энергетической скрытности благодаря низкому уровню спектральной плотности;

Высокой разрешающей способности при измерениях расстояния;

Защищенности связи;

Способности противостоять воздействию преднамеренных помех;

Повышенной пропускной способности и спектральной эффективности в некоторых сотовых системах персональной связи;

Постепенному снижению качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал;

Низкой стоимости при реализации;

Наличию современной элементной базы (интегральных микросхем).

Рисунок 6.1 – Структура системы с прямым расширением спектра

В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы.

С прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК,

С перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты,

Множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA),

С перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем),

С линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation),

Со смешанными методами расширения спектра.

Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей

На рисунке 6.1 приведена концептуальная схема системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (а - передатчик сигналов с PSK и с последующим спектра, б - передатчик с расширением спектра в полосе модулирующих частот, в - приемник). В первом модуляторе осуществляется фазовая манипуляция (PSK) сигнала промежуточной частоты двоичным цифровым сигналом передаваемого сообщения d(t) в формате без возвращения к нулю (NRZ) с частотой следования символов f b = 1/Т b .

В пределах одной соты системы подвижной радиосвязи, как правило, есть несколько абонентов, одновременно пользующихся связью, причем каждый из них использует одну и ту же несущую частоту fрч и занимает одну и ту же полосу частот Врч.

Процесс формирования сигналов с расширенным спектром в системах с многостанционным доступом происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляция посредством ПСП). Вторичная модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t). При таком перемножении формируется амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей. Первый и второй модуляторы можно поменять местами без изменения потенциальных характеристик системы.

Сигнал g(t)s(t) с расширенным спектром преобразуется вверх до нужной радиочастоты. Хотя преобразование частоты вверх и вниз является для большинства систем практически необходимым процессом, все же этот этап не является определяющим. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сигнал g(t)s(t) передается и принимается на промежуточной частоте, исключив из рассмотрения подсистемы преобразования частот вверх и вниз.

Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ.

Концепция систем с расширенным спектром путем программной перестройки рабочей частоты во многом схожа с концепцией систем с прямым расширением спектра. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход («перескок») с одной частоты на другую из множества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f1,...,fN, где N может достигать значений несколько тысяч и более. Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот) превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.

Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора. На рисунке 6.2 приведены упрощенные временные и спектральные диаграммы, качественно иллюстрирующие процессы расширения и сжатия спектра сигналов. В частности, в них отсутствует сигнал несущей.

Рисунок 6.2 - Диаграммы при расширении спектра

В системах с расширенным спектром путем перестройки рабочей частоты последняя сохраняется постоянной в течение каждого интервала перестройки, но изменяется скачком от интервала к интервалу. Частоты передачи формируются цифровым синтезатором частот, управляемым кодом («словами»), поступающим в последовательном либо параллельном виде и содержащим m двоичных символов (битов) Каждому m-битовому слову или его части соответствует одна из M = 2m частот. Хотя для осуществления перестройки частот имеется M = 2m, m = 2, 3, частот, но не все из них обязательно используются в конкретной системе. Системы с расширением спектра путем программной перестройки рабочей частоты подразделяются на системы с медленной, с быстрой и со средней скоростью перестройки.

В системах с медленной перестройкой скорость перестройки fh, меньше скорости передачи сообщений fb. Таким образом в интервале перестройки, прежде, чем осуществится переход на другую частоту, могут быть переданы два бита сообщения или более (в некоторых системах свыше 1000). В системах со средней скоростью перестройки скорость перестройки равна скорости передачи. Наибольшее распространение получили системы с быстрой и медленной перестройкой рабочей частоты.

Для синхронизации приемников при приеме сигналов с расширенным спектром может потребоваться три устройства синхронизации:

Фазовой синхронизации несущей (восстановления несущей);

Символьной синхронизации (восстановления тактовой частоты);

Временной синхронизации генераторов, формирующих кодовые или псевдослучайные последовательности.

Временная синхронизация обеспечивается в два этапа, в течение которых выполняются:

Поиск (первоначальная, грубая синхронизация);

Слежение (точная синхронизация).

На рисунке 6.3 изображены структурные схемы передающей и приемной частей системы с перестройкой частоты.

Рисунок 6.3 - Система с программной перестройкой частоты

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность ин­формационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних час­тот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радио­сигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного инфор­мационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименее воз­можное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т - длительность 1 бита цифрового сообщения. Функциональная схема модулятора показана на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Функциональная схема модулятора

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. За­дача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную точ­ную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй – косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках.

Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, пока­заны на рисунке 4.9.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтитель­ные для мобильной связи:

Постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

Компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излу­чения;

Хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Рисунок 6.5 - Формирование GMSK-сигнала

Обработка речи. Обработка речи в стандарте GSM осуществляется с целью обеспече­ния высокого качества передаваемых сообщений и реализации дополни­тельных сервисных возможностей. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы преры­вистой передачи речи(Discontinuous Transmission - DTX), которая обес­печивает включение передатчика, когда пользователь начинает разговор, и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детек­тором активности речи (Voice Activity Detector - VAD), который обес­печивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит так­же устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспери­ментально доказано, что отключение фонового шума на выходе прием­ника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и сни­жает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в пау­зах считается необходимым.. DTX-процесс в приемнике предполагает интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

Беспроводные технологии обеспечивают безопасную и надежную связь с удаленными участками производства, когда возможность использования кабельной продукции ограничена. Для организации технического обслуживания беспроводные устройства осуществляют контроль состояния насосов и механизмов, передают данные удаленных станций мониторинга сточных вод и систем ввода/вывода.

В одном из решений беспроводная система получает показания метеостанции и показания расхода сточных вод химического производства. Заводская метеостанция располагается в 2.5 километрах от главного пульта управления, и в ней установлен регистратор, собирающий данные анемометра (скорость ветра), термометра и гигрометра. Регистратор подключен к беспроводному прибору WLM Remote RF компании Moore Industries, работающему на частоте 900 МГц, используя технологию смены рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) , передает данные с помощью директорной антенны, установленной на высоком кронштейне неподалеку от метеостанции. Серьезных проблем при эксплуатации пока не возникало.

Казалось, что организовать беспроводную связь со станцией мониторинга сточных вод невозможно. Хотя расстояние от станции до центрального пульта управления всего лишь 500м, радиочастотный сигнал должен был пройти через четырехэтажное здание котельной. Тем не менее, перед монтажом были проведены испытания, и радиосеть работала без проблем. Главный урок из всего этого – беспроводная технология работает даже там, где, как вам казалось, работать не должна. Все что необходимо сделать – протестировать систему.

Существует множество радиотехнологий. Понимание механизмов их функционирования необходимо для выбора лучшего решения для конкретного приложения. Беспроводная сеть может быть лицензируемой или нелицензируемой, с Ethernet или последовательным интерфейсом, с узким диапазоном или расширенным спектром, с безопасным или открытым протоколом, Wi-Fi … список можно продолжать. Эта статья – введение в беспроводную технологию.

Диапазон радиочастот

Диапазон от 9 килогерц (кГц) до тысяч гигагерц (ГГц) может использоваться для организации беспроводной связи. Частоты выше – инфракрасный спектр, спектр освещения, рентгеновские лучи, и т.д. Так как радиочастоты – ресурс ограниченный, используемый теле- и радиостанциями, мобильными телефонами и другими беспроводными устройствами, диапазоны, которые могут использоваться для определенных типов коммуникаций и передачи данных, определяются правительственными учреждениями.

В Соединенных Штатах, Федеральная Комиссия Связи (FCC) распределяет частоты между неправительственными пользователями. FCC определила, что промышленное, научное, и медицинское оборудование должно работать в диапазонах 902-928 МГц, 2400-2483.5 МГц, и 5725-5875 МГц с ограничениями по силе сигнала, мощности и другим параметрам радиопередачи. Эти диапазоны являются нелицензируемыми и могут использоваться свободно в рамках предписаний FCC. Другие диапазоны в спектре могут использоваться после предоставления лицензии. В таблице 1 указаны диапазоны спектра радиочастот и сферы их применения.

Лицензируемые или нелицензируемые частоты

Лицензия, предоставляемая Федеральной комиссией связи, необходима для работы на лицензируемой частоте. В идеале эти частоты помехоустойчивы, и в случае возникновения помех, нарушитель может быть привлечен к юридической ответственности. Недостатки – сложная и длительная процедура получения лицензии, невозможность приобретения уже доступных устройств, так как они должны быть изготовлены для работы на лицензируемой частоте, и, конечно, затраты на получение лицензии.

Под нелицензируемой частотой понимается частота, определенная Федеральной Комиссией Связи, как свободная для использования без необходимости регистрации и авторизации. В зависимости от места расположения системы существуют ограничения по мощности сигнала. Например, в США в 900 мегагерцовом диапазоне максимальная мощность – 1 ватт или 4 ватта EIRP (эффективной изотропической мощности излучения).

Преимущества использования нелицензируемых частот очевидны: не нужно тратить время и деньги на получение лицензии; многие производители поставляют на рынок продукцию, поддерживающую эти частоты, низкая стоимость ввода в эксплуатацию из-за отсутствия затрат на лицензию. Недостатки лежат в самой идее нелицензируемого диапазона: на одной частоте могут работать одновременно несколько систем, что приводит к возникновению помех и потерям при передаче данных. В этом случае возникает необходимость использования технологии расширения спектра. Передатчики с расширяемым спектром очень эффективно справляются с возникающими помехами и работают даже в условиях радиочастотных шумов.

Системы с расширяемым спектром

Расширяемый спектр – это метод, расширяющий радиочастотный сигнал в широкий диапазон частот при низкой мощности, тогда как при передаче через узкополосный сигнал вся мощность концентрируется на одной частоте. Узкополосным называется сигнал, занимающий небольшой диапазон радиочастотного спектра. Широкополосный сигнал занимает гораздо больший сектор. Две самых распространенных технологии расширения спектра: скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) и расширение спектра сигнала прямой последовательностью (DSSS).

Как понятно из определения, в устройствах скачкообразного изменения частоты рабочая частота передатчика изменяется через определенный интервал времени. Преимущества скачкообразного изменения очевидны: поскольку передатчик меняет частоту передачи данных настолько часто, что только настроенный по такому же алгоритму приемник способен принять информацию. Приемник должен иметь аналогичную псевдослучайную последовательность принимаемых частот, чтобы в нужное время получить сигнал передатчика на правильной частоте. На рисунке 1 показано как частота сигнала изменяется во времени. Каждый скачкообразный переход имеет одинаковую мощность и время выдержки (время работы на канале). На рисунке 2 зависимости время-частота, видно, что скачок происходит через равные промежутки времени. Последовательность скачков является псевдослучайной.

Рисунок 1. В результате «скачков» несущая частота изменяется. Мощность сигнала остается постоянной.

DSSS объединяет сигнал данных с последовательностью символов, известных как ‘чипы’ – таким образом “расширяя” сигнал по большей полосе. Другими словами, исходный сигнал умножается на сигнал шума, сгенерированный псевдослучайной последовательностью положительного и отрицательного битов. Приемник, умножает полученный сигнал на ту же последовательность, получая исходную информацию (т.к. 1 x 1=1 и -1 x-1 = 1).

Когда сигнал “расширен”, мощность исходного узкополосного сигнала распределяется по широкому диапазону, уменьшая мощность на каждой конкретной частоте (т.н. низкая плотность мощности). На рисунке 3 показан сигнал на узкой части радиочастотного спектра. На рисунке 4, сигнал, расширенный на большую часть спектра, имеет такую же суммарную мощность, но меньшую мощность на каждую частоту. Так как расширение уменьшает силу сигнала на отдельных участках спектра, сигнал может восприниматься как шум. Приемник должен распознать и демодулировать полученный сигнал, очистив исходный сигнал от добавленных «чипов».

Технологии FHSS и DSSS широко используются в промышленности. В зависимости от каждого конкретного случая, та или иная технология может быть лучшим решением. Вместо дискуссий, какая из них лучше, гораздо важнее понимать различия и выбрать технологию, подходящую именно для вашего приложения. Вообще, на выбор влияют следующие характеристики:

Пропускная способность

Коллокация

Интерференция

Дальность связи

Безопасность

Пропускная способность

Пропускная способность – объем данных передаваемых или принимаемых системой за одну секунду. Это один из самых важных факторов при выборе необходимой технологии. DSSS имеет более высокую пропускную способность чем FHSS из-за более эффективного использования полосы частот и работе на большем диапазоне. Для большинства промышленных систем распределенного ввода-вывода данных низкая пропускная способность FHSS не является серьезной проблемой. Однако если увеличивается размер сети или скорость передачи дан ных, этому показателю уделяется боль шее внимание. Большинство радиопередатчиков FHSS имеют пропускную способность 50-115 кбит/с для сети Ethernet. DSSS работает с пропускной способностью 1-10 Мбит/с. Хотя DSSS-передатчики имеют более высокую пропускную способность, чем FHSS аналоги. Найти DSSS-устройство, обеспечивающее аналогичную сетевую безопасность и дальность работы, необхо димые для промышленного производства и SCADA-систем, не так просто.

В отличие от FHSS-передатчиков, работающих с диапазоном 26 мегагерц на базовой частоте 900 мегагерц (902- 928 МГц) и DSSS-передатчиков с диапа зоном 22 МГц на частоте 2.4 ГГц, радиопе редатчики, использующие лицензируемые частоты, ограничены спектром 12.5 кГц. Естественно, так как ширина спектра лимитирована, пропускная способность также ограничена. Большинство пере датчиков, работающих на лицензируемой частоте, предлагает пропускную способ ность 6400 – 19200 бит в секунду.

Коллокация

Под коллокацией понимается возмож ность работы нескольких радиосетей в не посредственной близости друг от друга. Технология DSSS не позволяет несколь- ким радиосетям функционировать по со седству, так как сигнал расширяется по одной полосе частот. Например, в пределах диапазона 2.4 ГГц ISM (промышленный, научный и медицинский диапазон), мож- но использовать только три DSSS канала. Каждый канал расширен до 22 мегагерц спектра, что позволяет работать без пере крытия частот только трем сетям одновре менно.

C другой стороны, благодаря исполь зованию различной последовательности скачков, на одном диапазоне частот могут функционировать несколько FHSS сетей. Последовательность скачков, при которой различные частоты используются в разное время на одной полосе частот, так же называется ортогональной последовательностью. В FHSS применяются программы ортогональной последовательности, обеспечивающие работу нескольких сетей без создания помех. Это – огромное преимущество при разработке больших сетей и необходимости разделения коммуникаций. Большинство лабораторных исследований показывает, что одновременно могут работать до 15 сетей FHSS и только 3 сети DSSS.

Очевидно, по причине работы на одном 12.5 мегагерцовом диапазоне спектра, узкополосные радиостанции не могут быть расположены слишком близко друг к другу.

Интерференция

Интерференция – радиошумы в соседней или той же части радиочастотного спектра. Наложение двух сигналов может генерировать новую радиоволну или привести к потерям данных, передаваемых рабочим сигналом. Технология расширения спектра очень хорошо справляется с возникающими шумами, хотя различные технологии решают эту проблему по-разному. Когда приемник DSSS обнаруживает узкополосный шум, происходит умножение полученного сигнала на значение «чипа» для восстановления исходного сообщения. Тем самым исходный первоначальный сигнал преобразовывается в узкополосный сигнал с большой мощностью; помехи, как широкополосный сигнал малой мощности, игнорируются.

В своей основе механизм, который размещает сигнал DSSS ниже уровня собственных шумов радиосети, позволяет игнорировать узкополосную интерференцию при демодуляции сигнала. Поэтому DSSS очень хорошо работает при сторонних шумах, однако если помеха имеет большую мощность, могут возникнуть серьезные проблемы, т.к. демодуляция не способна уменьшить сигнал помехи ниже мощности исходного сигнала.

Учитывая, что FHSS работает с полосой 83.5 МГц на частоте 4 ГГц и производит сигналы высокой мощности на определенных частотах (аналогично генерации синхронизированных пакетов данных на узкой полосе), тем самым, избегая помех, если узкополосный генератор шумов не работает на одной из используемых частот. Узкополосные шумы, в худшем случае, блокируют несколько скачков, которые система может компенсировать, передав сообщение еще раз на другой частоте. Кроме того, правила Федеральной комиссии связи требуют минимального разделения частоты в последовательности скачков, поэтому возможность создания помех узкополосным сигналом минимизирована.

В случае широкополосных помех, DSSS не работает так же надежно. Поскольку DSSS расширяет сразу весь сигнал на 22 МГц полосы с гораздо меньшей мощностью, при наложении на эти 22 мегагерца шума или более мощного сигнала, могут блокироваться до 100 % передачи DSSS, и только 25 % передачи FHSS. В этом случае, эффективность FHSS падает, но полной потери данных не происходит.

На лицензируемых частотах используется очень узкая полоса, поэтому даже небольшие помехи могут вызвать потерю информации. В этом случае направленные антенны и полосовые фильтры могут использоваться для организации непрерывной коммуникации, и в отношении организатора помех могут применяться юридические меры.

Радиоустройства стандарта 802.11 более подвержены воздействию помех, так как в этом диапазоне работают очень многие приборы. Вы замечали, какие помехи возникают в беспроводном телефоне при работе микроволновой печи? Оба устройства работают в 2.4 ГГц диапазоне, как и остальная часть устройств стандарта 802.11. При использовании таких передатчиков, сетевая безопасность становится серьезным предметом для беспокойства.

Если приемник определенного передатчика расположен к другому передатчику ближе, чем к собственному, возникает проблема взаимодействия приемника с этими передатчиками. Соседние передатчики могут забивать канал приемника посторонними сигналами высокой мощности. В такой ситуации большинство систем DSSS выйдут из строя. В такой же ситуации, несколько скачков FHSS-системы будут заблокированы, но в целом не нарушат работу сети. В случае системы работающей на лицензируемой частоте, эффективность работы системы будет зависеть от частоты постороннего сигнала. Если частота этих сигналов близка или аналогична частоте системы, ваш сигнал будет глушиться, что дает основания для юридического преследования нарушителя, если он не имеет аналогичную лицензию

Дальность связи

Дальность связи определяется возможностью организации коммуникаций, т.е. силой радиочастотной связи между передатчиком и приемником и расстоянием, на котором они могут поддерживать надежное соединение. При работе на одной мощности и с использованием одинакового алгоритма модуляции, радиопередатчик, работающий на частоте 900 МГц, обеспечивает более надежную связь, чем передатчик на 2.4 ГГц. При увеличении частоты радиочастотного спектра, дальность передачи данных уменьшается, при условии, что все остальные параметры остаются неизменными. Способность проникать через стены и объекты с увеличением частоты также уменьшается. Верхние частоты в спектре демонстрируют отражающие свойства. Например, радиоволна 2.4 ГГц может отражаться от стен зданий и туннелей. Это может использоваться для распространения сигнала на большие расстояния. Возможные сложности связаны с возникновением многолучевого распространения или полным отсутствием сигнала, из-за обратного отражения.

Федеральная комиссия связи ограничивает выходную мощность радиопередатчиков с расширенным спектром. DSSS последовательно передает данные с низкой мощностью, как показано выше, и попадает в ограничения Федеральной комиссии связи. Это ограничивает расстояние передачи радиопередатчиков DSSS, и таким образом делает их неподходящими для промышленного рынка. FHSS-передатчики, с другой стороны, передают сигналы высокой мощности на определенных частотах в последовательности скачков, но средняя мощность остается низкой, поэтому соответствует предписаниям. FHSS-сигнал передается с большей мощностью, чем сигнал DSSS, что позволяет работать на больших расстояниях. Большинство передатчиков FHSS могут передавать данные более чем на 20 км или еще большие расстояния, используя антенны с большим коэффициентом усиления.

Радиопередатчики стандарта 802.11, доступны в формате DSSS и в FHSS. Они работают на широком диапазоне частот и со скоростью передачи данных до 54 Мбит/с. Но необходимо отметить, что указанная пропускная способность, очень сильно уменьшается с ростом расстояния между радиомодемами. Например, расстояние 100 м уменьшает скорость с 54 Мбит/с до 2 Мбит/с. Это идеально для небольших офисных или домашних приложений, но не для промышленных приложений, где необходимо передавать данные на несколько километров.

Так как узкополосные радиопередатчики работают на низких частотах, они могут быть хорошим решением в случае, если FHSS не могут обеспечить необходимую дальность передачи. Потребность в использовании узкополосных лицензируемых частот, возникает, когда нужно передать данные на большое расстояние, или передача должна проходить ближе к поверхности Земли, так как организация связи в зоне прямой видимости невозможна.

Безопасность

Так как сигнал DSSS имеет очень маленькую мощность, хакерам не так просто его обнаружить. Одно из главных достоинств DSSS – способность уменьшить энергию сигнала, распределяя мощность первоначального узкополосного сигнала по большей полосе частот, уменьшая в результате спектральную плотность мощности. Это может снизить уровень сигнала до уровня собственных шумов радиосети, таким образом, делая его “невидимым” для потенциальных злоумышленников. В то же время, если «чип», известен или имеет небольшую длину, обнаружить передачу DSSS и восстановить сигнал намного легче, поскольку он имеет ограниченное число несущих частот. Многие системы DSSS предлагают шифрование как функцию безопасности, хотя это увеличивает стоимость системы и уменьшает эффективность работы, вследствие использования дополнительной мощности на кодирование сигнала.

Для успешной настройки на работающую FHSS-систему, злоумышленник должен знать используемые частоты, последовательность скачков, время работы, и метод шифрования. Учитывая, что для диапазона 2.4 ГГц время работы на канале 400 мс и более 75 используемых каналов, почти невозможно обнаружить и следовать за сигналом FHSS, если приемник не сконфигурирован на ту же последовательность скачков. Кроме того, большинство систем FHSS поставляются с расширенными функциями безопасности, такими как динамическое шифрование ключа и контроль циклического избыточного кода.

Сегодня беспроводные локальные сети (WLAN) становятся все более и более популярными. Они используют стандарт 802.11, открытый протокол, разработанный IEEE. Wi-Fi – эмблема стандарта, используемая Ассоциацией контроля совместимости с беспроводным Ethernet (WECA), для сертификации продуктов 802.11. Хотя промышленные FHSS-устройства не поддерживают стандарт Wi-Fi, и поэтому не совместимы с WLAN, при их совместной работе, из-за работы в одной полосе частот, могут возникать помехи. Так как большинство продуктов Wi-Fi работают в 2.4 или 5 гигагерцовых диапазонах, хорошей идеей может оказаться использование, с разрешения руководящего органа, частоты 900 МГц, (в Европе допускается работа только на 2.4 ГГц). Это также обеспечит дополнительную защиту от радиочастотных снифферов (программ, используемых хакерами) применяемых в более популярном 2.4 гигагерцовом диапазоне.

Сетевая безопасность беспроводных технологий является одним из самых обсуждаемых вопросов. Последние статьи о “машине, управляемой хакерами” заставили потенциальных и существующих потребителей засомневаться в эффективности защиты от несанкционированных проникновений в беспроводную сеть. Необходимо понимать, что стандарты 802.11 – стандарты открытые, поэтому легко могут быть взломаны.

Причиной возникшей неразберихи в вопросах безопасности является нечеткое понимание технологии работы различных беспроводных систем. На сегодняшний момент, Wi-Fi (802.11a, b, и g), возможно является лучшей технологией для многих IT-приложений, дома и в небольшом офисе. 802.11 – открытый стандарт, поэтому квалифицированному хакеру достаточно просто обойти защиту сети и перехватить управление системой.

Так как же пользователи беспроводной технологии защищают себя от незаконных проникновений? Во многих приложениях на базе стандарта 802.11 безопасность практически не обеспечивается, и пользователь должен хорошо разбираться в настройке виртуальных частных сетей (VPN), или других сетей безопасности, чтобы защитить себя от нападений. Устройства других стандартов используют протоколы компаний-производителей для защиты сети от злоумышленников, наряду с применением элементов обеспечения безопасности, присущих технологии расширения спектра.

Представление о том, что сети, работающие на лицензируемой частоте, обеспечивают большую безопасность, ошибочно. Если частота известна, можно настроиться на сеть, и подобрав пароль и взломав систему шифрования, получить полный контроль. Все преимущества систем с расширяемым спектром отсутствуют, так как лицензируемые частоты работают в узкой полосе. Скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра в настоящий момент является самой надежной и безопасной беспроводной технологией.

Ячеистая радиосеть

Технология ячеистой радиосети основана на способности радиопередатчиков взаимодействовать друг с другом. Это решение появилось не так давно и еще не столь широко используется в промышленности. Существует ряд проблем, с которыми разработчики ячеистой технологии пока не могут справиться, например, большая задержка передачи данных и низкая пропускная способность. Концепция ячеистой сети не нова. Интернет и телефонные сети – превосходный пример ячеистой сети в проводном мире, в этих сетях каждый узел может инициировать коммуникацию с другим узлом и обмениваться информацией

В беспроводном мире, полоса пропускания, ограниченный спектр радиочастот и помехи – только часть проблем, с которыми приходится сталкиваться ячеистым сетям. Сейчас эти сети все еще исследуются и развиваются. Новейшие ячеистые технологии, такие как гибридная и структурная ячеистая сети появились совсем недавно. В настоящее время все еще недостаточно данных, подтверждающих необходимую для использования в тяжелых промышленных условиях надежность и безопасность ячеистых сетей,.

Резюме

В заключении можно сказать, что выбор радио-технологии зависит от требований каждого конкретного приложения. Для большинства промышленных производств лучшим решением являются радиоустройства со скачкообразной сменой рабочей частоты с расширением спектра (рисунок 5), благодаря более низкой стоимости в сравнении с радиостанциями, работающими на лицензируемой частоте. Когда большие расстояния ограничивают использование FHSS-узлов с повторителями, для лучшей связи оптимальным решением представляется использование передатчиков, работающих в узкой полосе лицензируемой частоты. Стоимость лицензирования может оказаться меньше стоимость установки дополнительных повторителей FHSS-системы.

Одно из самых простых решений – пригласить одного или нескольких представителей компании-производителя беспроводных устройств на ваш завод и оценить возможность использования предлагаемой технологии. Например, Moore Industries установили на предприятии, упомянутом выше, в качестве «демо-версии» один из своих Wireless Link Module (WLM), и смонтировали всенаправленные антенны и передатчики на удаленных станциях. Испытания показали, что даже четырехэтажное здание не является помехой для беспроводных коммуникаций.

Поверьте, возможности современной беспроводной технологии могут удивить вас.

Приложение

Определения

Расширение спектра

Термин расширение спектра был использован многочисленных военныхи коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектромкаждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкойполосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные

свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.

Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением. Поэтому подобное расширение полосы непозволяет ослабить влияние аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), как это происходит при широкополосной частотной модуляции.

Преимущества систем с расширенным спектром

спектральной плотности 4) Высокая разрешающая способность при измерениях расстояния 5) Защищённость связи6) Способность противостоять воздействию преднамеренных помех

8) Постепенное снижение качества связи при увеличении числа пользователей одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал

9) Низкая стоимость при реализации

10) Наличие современной элементнойбазы (интегральных микросхем).

Основные группы систем с расширенным спектром

В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции,

системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы:

Системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК (CDMA).

Системы с перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты.

Системы множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA).

Системы с перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем).

Системы с линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation). Системы со смешанными методами расширения спектра.

В подвижных системах радиосвязи и беспроводных локальных сетях нашли широкое применение методы прямого расширения спектра, перестройки рабочей частоты и расширения спектра с контролем несущей.

Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей

Рис. 1. Структурная схема

системы с прямым

расширением спектра

сигналов с помощью

псевдослучайной

последовательности: а -

передатчик сигналов с

PSK и последующим

расширением спектра; б - эквивалентная схема передатчика, в которой

расширение спектра

осуществляется в полосе модулирующих частот; в - приемник.

Процесс формирования сигналов с расширенным спектром происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляции посредством псевдослучайной последовательности). Вторичная

модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t) (рис.1).При таком перемножении формирует

амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей.

PSK сигнал определяется следующим выражением:

где d(t) - нефильтрованный двухуровневый сигнал, имеющий два состояния: +1 и -1; ωпч - промежуточная частота,Ps - мощность сигнала.

В качестве сигнала расширения спектра g(t) используется сигнал псевдослучайной последовательности (ПСП) с частотой следованиясимволов f= 1/Тс. В результате повторной модуляции формируется PSKсигнал с расширенным спектром:

Этот сигнал промежуточной частоты затем переносится вверх на необходимую частоту с помощью синтезатора радиочастоты (РЧ). Здесьω0 обозначает либо промежуточнуюω ПЧ либо радиочастотуωРЧ.

Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ:

где М - число одновременно передающих (активных) пользователей; g i (t) -ПСП i-й пары передатчик-приемник; s i (t) модулированный сигнал; I(t) -помеха (преднамеренная или собственная);n(t) - АБГШ.

В приемнике пользователя, которому предназначено сообщение, имеетсясинхронизированный во времени сигналg i (t) обеспечивающий сжатия

спектра и представляющий точную копию сигнала ПСП соответствующего передатчика. Полученный после сжатия спектра узкополосный PSK сигнал демодулируется. В приведенном примере используется двоичная фазовая модуляция/демодуляция. Однако возможна реализация и других видов

модуляции, таких, как МSК, GМSК, GFS^ FВРSК и FQFSК.

Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора.

приемной частей системыизображенына рис.4. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход(«перескок») с одной частоты на другую измножества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения

спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f j ,. . . , f N ,

где N может достигать значений несколько тысяч и более.

Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот)

превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости

передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.