П.2 Проблемы беспроводных сетей

Недостатки беспроводных сетей (по сравнению с кабельными)

1. Негарантированное время доставки сообщений (Используемый механизм случайного доступа к каналу CSMA/CA не гарантирует доставку в заранее известное время)

2. Низкая помехозащищенность. Беспроводные сети гораздо сильнее подвержены влиянию электромагнитных помех.

3. Низкая надежность связи. Связь может исчезнуть при несвоевременной смене батарей питания, изменении расположения узлов сети или появлении объектов, вносящих отражение, преломление или рассеяние радиоволн.

4. Ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов (обычно не более 100м внутри помещения).

5. Резкое падение пропускной способности сети при увеличении количества одновременно работающих станций.

6. Возможность утечки информации, незащищенность от искусственно созданных помех, возможность незаметного управления технологическим процессом посторонними лицами.

Основными причинами вышеперечисленных проблем беспроводных сетей являются интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние и снижение мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.

Мощность радиоволны уменьшается по мере удаления от антенны вследствие расхождения пучка, рассеяния и поглощения волн препятствиями. Поэтому каждый участник беспроводной сети имеет ограниченную зону уверенного приема, которая приближенно представляется в форме сферы. Это приводит к необходимости располагать передающие станции таким образом, чтобы зоны уверенного приема перекрывались во избежание потери сообщений и снижения скорости передачи.

Ограниченность радиуса действия передатчиков привела к появлению ячеистых сетей, в которых информация передается не через общий канал связи, как в проводных сетях, а от узла к узлу, используя промежуточные узлы сети в качестве ретрансляторов и маршрутизаторов. При выходе из строя или удалении из сети некоторых узлов сеть автоматически находит новый маршрут, чтобы доставить данные адресату. Добавление к сети нового устройства также может происходить автоматически, то есть ячеистые сети обладают свойством самоорганизации.

В точке приема волна является суперпозицией множества волн, имеющих разные фазы и направления волнового вектора. Наложение волн приводит к интерференции, которая может быть конструктивной (когда сигнал в точке приема усиливается) или деструктивной (если сигнал ослабляется – эффект «замирания»). Деструктивная интерференция может привести к потере связи, уменьшению скорости передачи, передаче сообщений с ошибками.

Существуют и другие причины искажений передаваемого сигнала: паразитное взаимовлияние соседних каналов, помехи от работающих двигателей, разряды статического электричества и др. Это может привести к потере пакета, повторной передаче и, как следствие непредвиденной задержке в канале. Интенсивность потока ошибок зависит от мощности источников помех, типа модуляции, мощности передатчика, частотного диапазона и обычно изменяется с течением времени.

«Проблема пространственной непротиворечивости»

Когда система использует широковещательный режим передачи без уведомления о получении, предполагается, что все приемники должны получить одни и те же данные одновременно. Однако вследствие ошибок в канале некоторые потребители могут получить ошибочные данные. Такая ошибка особенно нежелательна, если широковещательный режим используется для обеспечения синхронной работы нескольких контроллеров в одном и том же технологическом процессе, поскольку она приведет к рассинхронизации процесса. Или в системе с режимом одновременного ввода несколькими устройствами сигналов датчиков. В сетях с передачей маркера помехи могут привести к потере маркера и отключению устройств с потерянным маркером на несколько периодов обращения маркера по логическому кольцу.

Широкополосная передача

Одним из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех является применение широкополосной модуляции. В беспроводных сетях используются два метода: широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) и с перескоком с одной несущей на другую (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum).

Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита). Для сетей Wi-Fi она составляет 22 МГц. Энергия сигнала оказывается «размазанной» по всему спектру, спектральная мощность сигнала оказывается в 11 раз меньше в той же полосе частот, что и исходный сигнал. Практически мощность передатчика выбирают таким образом, чтобы сигнал был сравним по спектральной мощности с «шумом» («отбеливание» сигнала).

Последовательность импульсов, кодирующая сигнал, имеет автокорреляционную функцию с одним ярко выраженным максимумом (например, последовательность Баркера в сетях Wi-Fi: лог.1 – это последовательность из 11 символов 11100010010, лог.0 – инверсная 00011101101). Для выделения полезного сигнала на фоне «шума» в приемнике должна храниться копия передаваемого сигнала (код Баркера). То есть в приемнике осуществляется оптимальная фильтрация – импульсная характеристика входного сигнала в приемнике является копией сигнала передатчика, сдвинутого на величину не менее длительности выделяемого импульса.

Ширина спектра при скорости передачи 1 Мбит/с составляет 22МГц, а ширина частотного диапазона в Wi-Fi составляет 83.5 МГц, поэтому во всем диапазоне можно разместить только три неперекрывающихся канала. Стандарт делит весь диапазон на 11 перекрывающихся каналов, из которых только 1-й, 6-й и 11-й могут работать, не влияя друг на друга.

Достоинства DSSS: высокая устойчивость к узкополосным помехам и возможность восстановления информации при потере во время передачи нескольких бит в коде Баркера.

Метод FHSS использует тот же диапазон 2.4 ГГц шириной 83.5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую должна быть не менее 4 Гц для Wi-Fi и 1.6 кГц в сети Bluetooth.

Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи; т.е. время передачи увеличивается только за счет повторной передачи испорченных фрагментов.

Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станций очень низка. Поэтому метод FHSS позволяет использовать большое количество одновременно работающих станций в сети. Практически на одной и той же территории могут работать до 15 передатчиков.

FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с. Используется частотная модуляция с двумя дискретными значениями частот, позволяющая закодировать 4 бита информации.

Методы модуляции несущей

Идея модуляции состоит в том, чтобы перенести спектр информационного сигнала в область высоких частот (в диапазон 2.4 ГГц), что позволит передать его с помощью электромагнитной волны.

Электромагнитные волны возбуждаются в антенне током , который называется несущим колебанием или просто несущей. По крайней мере, один из параметров несущей зависит от времени: , , . Форма этой зависимости соответствует форме сигнала, который нужно передать с помощью радиоканала. Процесс управления параметрами несущей называется модуляцией. Если модулированные параметры изменяются скачкообразно между двумя значениями – это называется манипуляцией.

В зависимости от того, какой параметр зависит от времени, модуляция называется амплитудной, фазовой или частотной; амплитудно-фазовой, фазочастотной и т.п [1].

В общемвиде модуляция – изменение информативных параметров сигналов, рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой информацией [2]. Выделяют три типа сигнала-носителя: фиксированный уровень, колебания, импульсы.

Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

Фиксированный уровень сигнала-носителя

В качестве сигнала-носителя может выступать, например, значение напряжения (рис.1): t – время, U_н – нормальный уровень напряжения.

В этом случае возможна только прямая модуляция, при которой изменение уровня напряжения означает передачу того или иного сигнала.

Пример 1. Выполнить прямую модуляцию дискретного сигнала 0110.

Примем следующее: при уменьшении нормального уровня напряжения на ∆U передается двоичный 0, при увеличении нормального уровня на ту же величину передается двоичная 1. Для кодирования повторений цифр зададимся интервалом ∆t, в течение которого передается одна цифра.

Колебания (рис.2)

Этот сигнал характеризуется тремя информационными параметрами – амплитудой (U_н), частотой (1/(2∆t)) и фазой (равна нулю), поэтому возможны три вида модуляции: амплитудная, частотная, фазовая.

1. Амплитудная модуляция – связана с изменением амплитуды колебаний.

Пример 2. Выполнить амплитудную модуляцию для дискретного сигнала 0110, если сигналом-носителем является сигнал рисунка 2.

Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды на величину ∆U_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1.

2. Частотная модуляция – связана с изменением частоты колебаний.

Пример 3. Выполнить частотную модуляцию для дискретного сигнала 0110. Сигнал-носитель представлен на рисунке 2.

Пусть увеличение количества колебаний в период времени T = 2∆t в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.

3. Фазовая модуляция – передача дискретного сигнала связана со сменой фазы.

Пример 4. Выполнить фазовую модуляцию для дискретного сигнала 0110. Сигнал-носитель представлен на рисунке 2.

Пусть сдвиг по фазе на 90°означает передачу двоичной 1, отсутствие сдвига – двоичного 0.

Импульсы (рис.3)

Аналогично колебаниям этот вид сигнала позволяет выполнять три вида модуляции: амплитудно-импульсную, частотно-испульсную, время-импульсную.

1. Амплитудно-импульсная модуляция – передача дискретного сигнала связана с изменением амплитуды импульсов.

Пример 5. Выполнить амплитудно-импульсную модуляцию для дискретного сигнала 0110. Сигнал-носитель представлен на рисунке 3. Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды импульса на величину ∆U_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1.

2. Частотно-импульсная модуляция – передача дискретного сигнала связана с изменением частоты импульсов.

Пример 6. Выполнить частотно-импульсную модуляцию для сигнала 0110. Сигнал-носитель представлен на рисунке 3.

Пусть увеличение частоты импульсов в период времени T в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.

3. Время-импульсная модуляция –передача дискретного сигнала связана с изменением продолжительности импульса τ.

Пример 7. Выполнить время-импульсную модуляцию для сигнала 0110. Сигнал-носитель представлен на рисунке 3.

Пусть увеличение продолжительности импульса на время ∆τ означает передачу двоичной 1, а уменьшение на ту же величину – передачу двоичного 0.

Количество информации, которое может быть внесено в сигнал, можно увеличить, используя несколько одновременно изменяемых параметров. В цифровых системах передачи модулируемые параметры изменяются дискретно. Поэтому количество информации, приходящееся на бодовый интервал, можно увеличить, увеличивая количество дискретных уровней.

Бодовым интервалом называют временной интервал, в течение которого параметры А, ω и φ остаются постоянными.

Виды фазовой модуляции

Поскольку изменение фазы можно представить с помощью изменений амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компонеты.

Двоичная фазовая модуляция – BPSK (Binary Phase Shift Keying): фаза принимает только два дискретных значения 0 и π.

Дифференциальная двоичная фазовая модуляция – DBPSK (Differential BPSK): логическим 0 и 1 соответствуют не абсолютные значения, а изменение фазы относительно предыдущего значения (лог.1 –фаза изменяется, лог.0 – фаза не изменяется). Аналогично NRZI-кодированию, когда логической единице соответствует изменение уровня сигнала, а логическому нулю – его отсутствие.

Квадратурная фазовая манипуляция – QPSK (Quаdгаturе Phase-Shift Keying): принимает значения 0 или1, и при этом принимает значения 1 и 0. Можно получить четыре состояния передаваемого сигнала в пределах бодового интервала.

Беспроводные сети используют также амплитудно-фазовую модуляци 16-QAM и 64-QAM, когда изменяется не только фаза, но и амплитуда колебания. Сигнал может принимать соответственно 16 и 64 бита информации на бодовый интервал, что увеличивает скорость передачи, но за счет снижения помехоустойчивости.

Метод доступа к каналу CSMA/CA

Беспроводные трансиверы не могут передавать и принимать сигналы на одном и том же канале. Сигнал собственного передатчика оказывается на порядок сильнее принимаемого сигнала и заглушает его. Поэтому беспроводной трансивер в принципе не может прослушивать линию во время передачи.

В связи с этим беспроводные каналы используют метод доступа к каналу CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий).

В проводных сетях используется метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Линия прослушивается, и если обнаруживается, что она свободна, начинается передача данных.

CSMA/CA включает специальные меры для снижения вероятности возникновения коллизий. Например, используются сигналы резервирования канала связи. Станция, которая собирается начать передачу, информирует об этом всех участников сети, резервируя для себя определенное время. После освобождения канала используется случайная задержка.

Проблемы достоверности и безопасности передачи информации

Ошибки в радиоканале появляются чаще, чем в кабеле, но носят характер сбоев, тогда как в проводных системах ошибки бывают катастрофическими и связаны с отказом оборудования.

Для увеличения достоверности передачи используют метод ARQ (Automatic Repeat reQuest – автоматический повтор в ответ на запрос):

- дополнительно к сообщению передается корректирующий код с большой избыточностью;

- одновременно отправляются несколько одинаковых пакетов; приемник делает повторный запрос, только если ни один из пакетов не был принят без ошибок;

- используются несколько антенн для повторной передачи сообщений.

Проблемы безопасности разделяются на задачи аутентификации (установление подлинности личности), которая выполняется с помощью идентификации имени пользователя и пароля; задачу разграничения прав доступа к системе и задачу защиты информации с помощью методов шифрования.

Дата добавления: 2014-01-07