Сверхширокополосные технологии передачи информации

Из-за высокого эффективного усиления системы UWB могут работать с очень малой средней мощностью передатчика. Была продемонстрирована полнодуплексную связь по технологии UWB с центральной частотой 1,7 ГГц на дистанции свыше 900 м и скоростью 32 кбит/с. При этом средняя мощность передатчика составляла около 2 мВт. Система одновременно определяла расстояние с точностью до 3 см. Разработана полнодуплексная система 1,3 ГГц передачи со скоростью 39 156 кбит/с на дистанции до 16 км. Средняя мощность ее передатчика 250 мкВт.

Средняя мощность излучения UWB-устройств может быть чрезвычайно низкой, поэтому они не должны мешать существующим радиотехническим системам, работая в одном с ними диапазоне. Так как сверхширокополосный сигнал распределен по столь широкому спектру, обнаружить его, а тем более перехватить или заглушить весьма проблематично.

При малой мощности UWB-системы способны передавать данные со скоростями свыше 20 Мбит/с причем внутри помещений и объектов со сложной архитектурой. Телефония, локальные сети, системы «последней мили» и т.д. во всех этих областях могут использоваться UWB-системы. Кроме этого, UWB-системы могут широко применяться в локации, системах позиционнирования. медицинской технике транспорте и т.д.

 

 

2 Общие сведения о технологии организации сетей Ad Нос

 

Беспроводные самоорганизующиеся сети (Ad Нос) среди оборудования сетей радиодоступа занимают особое место, так как призваны решать задачу связи в системах с переменной топологией или с изменяющимся расположением абонентов. В таких сетях допустимо несколько путей прохождения сигнала через ближайшие АС-ретрансляторы (рисунок 10).

Рисунок 10 – Структура соединения сети Ad Hoc

 

В данной сети возникает проблема управления на разных уровнях открытой модели информационных систем (OSI). В частности, физический уровень должен адаптироваться к изменениям доступной линии радиосвязи и смене самой линии. Уровень управления множественным доступом (MAC) должен минимизировать наложение передаваемых пакетов в общем канале удаленного доступа. На сетевом уровне должны определяться наиболее выгодная из доступных линия и полоса частот (выгодный путь) исходя из доступной информации.

Должна иметь место функция  интеграции с традиционными сетями и обеспечиваться автоконфигурация в соответствии с требуемыми изменениями.

На транспортном уровне должна быть возможность ведения статистики по задержке сигнала и потерянным пакетам.

Доступ к каналу осуществляется на основе технологий множественного доступ с контролем несущей и избежанием коллизий (CSMA/CA) и множественного доступа с разделением по времени (TDMA). Обеспечиваются управление маршрутизацией и топологией сети. Маршрутизация в Ad Hoc сетях упрощается благодаря кластеризации и организации слоев. Протокол доступа к общему каналу, основан на обнаружении коллизий (наложений сигналов) и позволяет использование Ad Hoc технологии для организации сетей.

К особенностям Ad Нос - сетей относятся:

а) БС не устанавливаются стационарно в фиксированных точках;

б) высокая динамика топологии сети и многоскачковый режим передачи;

в ) АН - сети автоматически адаптируются к изменениям структуры сети;

г) АН - сетям присущи ошибки, шум и случайные соединения.

Маршрутизация в сетях  осуществляется на основе множества  алгоритмов. В настоящее время используются три стратегии маршрутизации: беспетлевая, локализованная и однонаправленная. Для построения алгоритмов используются различные показатели качества маршрутизации: число скачков, суммарные затраты мощности излучения для передачи сигнала от источника к получателю сообщения и т.д.

Технология Ad Нос широко применяется в сетях прямого радиодоступа стандартов 802.11, 802.15.1, 802.15.4 и благодаря своим свойствам завоевывает все большую популярность.

С помощью данной технологии решаются задачи по повышению эффективности сетей с точки зрения расхода (мощности) энергии.

Мощность излучения одного радиоэлектронного средства для осуществления связи

(7)

где  Р_прд – мощность передатчика;

Р_прм – мощность приемника;

R – расстояние;

- длина волны.

Если интервал между приемником и передатчиком разбить на два подинтервала и более длиной R/N метров (рисунок 11), то суммарная мощность передатчиков

(8)

где Р_прд – мощность передатчика;

Р_прм – мощность приемника;

R – расстояние;

N – число передатчиков;

- длина волны.

Сравнение с предыдущим выражением показывает, что выигрыш в мощности излучения составляет N раз

Рисунок 11 – Принцип уменьшения мощности излучения

В Ad Hoc сетях используются новые технологии обработки сигналов, в частности, технологии интеллектуальных антенн с адаптивным формированием диаграммы направленности; сотовые принципы построения.

Примером систем, где может получить широкое распространение технология беспроводной самоорганизующейся сети являются роботы и датчики (извещатели, сенсоры). Роботы представляют систему, в которой интеграция между процессами движения, полезной деятельности и сетевого взаимодействия изменяются в процессе действий, так как зависят от различных системных показателей качества, подсчитываемых в системе.

Сети сенсоров содержат внутри обслуживаемого производства значительное число точек подключения сенсоров, каждый из которых может быть удален друг от друга на расстояние, превышающее дальность связи, либо очень близко расположены между собой.

Места установки датчиков не проектируются  и не могут быть заранее определены. Это приводит к случайному расположению на территории обслуживания.

Это означает, что протоколы доступа  к общему каналу передачи должны быть самоорганизующимися.

 

 

2.1 Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth)

Стандарт Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400 - 2483,5 МГц. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков (FHSS). Способ модуляции - двухуровневая частотная манипуляция с фильтром Гаусса (GFSK), т.е. один модуляционный символ представляет один информационный бит.

Технология стандарта Bluetooth позволяет объединять в пикосети до восьми устройств. При этом в одном помещении может существовать до десяти таких сетей. С ее помощью обеспечивается реализация беспроводного ввода, организация каналов связи для различных устройств, а также временных локальных сетей и др.

Структура пикосетей, организованных на основе технологии 802.15.1 (рисунок  12), содержит главную абонентскую станцию  (master) и от одной до семи подчиненных абонентских станций (clave). Первая определяет параметры канала и моменты времени передачи, которые используются всеми входящими в пикосеть абонентские станции (АС). Пикосеть может содержать одну или несколько АС, совмещающих в себе функции «помощника» и «мастера». Комбинированные АС (АС-К) позволяют организовать связь между соседними пикосетями.

Рисунок 12 - Структура пикосетей на основе технологии стандарта Bluetooth

 

Разветвленная пикосеть позволяет эффективно использовать общую полосу частот. Все АС в  ней работают с общим физическим каналом; АС комбинированной пикосети используют другой логический физический канал (с другой последовательностью перестройки частоты). Увеличение числа одновременно работающих на одной территории пикосетей приводит к росту вероятности совпадения частот в двух и более логических каналах, что может спровоцировать снижение скорости передачи информации. Количество переприемов в сетях стандарта Bluetooth ограничено, их только три. Архитектура протоколов стандарта 802.15.1 может быть представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Стек протоколов Bluetooth

Физический уровень (PHY), или радиоинтерфейс описывает параметры устройств стандарта Bluetooth, необходимые для их взаимодействия в радиоканале.

По используемой выходной мощности оборудования различают два  класса устройств. К первому классу относится оборудование, выходная мощность передатчика которых находится в пределах 1...100 мВт. Во второй класс входят устройства с мощностью передатчиков от 0,25 до 2,5 мВт. В первом случае обязательна реализация управления мощностью излучения, а во втором - управление мощностью не обязательно.

Модуляция несущей осуществляется с помощью частотной модуляции  с гауссовским сглаживанием модулирующих импульсов

(9)

где  Т - длительность модулирующего импульса;

  - несущая частота, 115 кГц — девиация частоты;

rect_T (t) — функция временного окна;

Р - мощность сигнала.

Для защиты от влияния  помех, действующих в диапазоне 2,4 ГГц, от многолучевых замираний и для реализации в системах стандарта Bluetooth способа множественного доступа к каналу предлагается использовать псевдослучайную перестройку частоты

Для применения псевдослучайной перестройки общая полоса 2,4. . .2,483 ГГц делится на 79 физических канала» шириной 1 МГц. Перестройка частоты происходит путем изменения частоты несущей с номинала одного канала на номинал другого в соответствии с задаваемой в стандарте псевдослучайной последовательностью (FHSS). Устройства одной пикосети используют общую псевдослучайную последовательность перестройки частоты. Каждая последовательность задает стой физический канал. Скорость изменения частоты 1600 раз/с. Длительность передачи сигнала на одной частоте кратна 0,625 мс. Во временном окне длительностью 0,625 мс (слоте) осуществляется передача пакета данных.

В системах стандарта Bluetooth применяется  временное разделение каналов (TDMA) и  временное разделение дуплексных каналов (TDD). Кроме того, для разделения сетей используются разные последовательности перестройки частоты.

На рисунке 14, а представлена временная диаграмма процесса передачи с использованием сигналов FHSS. В каждом окне может происходить передача пакета. Длина пакета кратна длительности окна и может быть равной одному, трем и пяти слотам. Каждый пакет независимо от его длины передается на одной частоте, а переход в следующем окне происходит на частоту, соответствующую передаче, если бы передача велась в каждом окне в согласии

с заданной последовательностью (рисунок 14, б).

 

Рисунок 14 - Временные диаграммы передачи сообщений в системах стандарта Bluetooth

 

Для разных сетей стандарта Bluetooth используются различные последовательности перестройки частоты. Вероятность совпадения частот передачи при равномерных законах выбора частот в последовательностях имеет вид

(10)

где  - биноминальный коэффициент;

i - число одновременно  действующих сетей стандарта Bluetooth;

-  число каналов с совпадающими  частотами;

N - число доступных каналов.

Для устранения конфликтов, наступающих из-за совпадения частот, используется автоматический запрос повтора передачи (ARQ).

В системах стандарта Bluetooth для связи между базовой станцией (БС) и АС применяются синхронные (с установлением соединения) и асинхронные (без установления соединения) каналы физического уровня.

Синхронные каналы (SCO) устанавливаются между БС и одной из АС. Синхронный канал с фиксированной скоростью передачи реализуется за счет резервирования интервалов времени передачи и приема (два временных окна). БС и АС поддерживают до трех синхронных каналов одновременно. В синхронных каналах повторная передача пакетов не применяется.

Синхронные каналы используются для передачи данных, требующих гарантированной пропускной способности и времени передачи (малой задержки, но без высоких требований к вероятности ошибки в канале). Например, при передаче речи допустима потеря до 10% пакетов (при приемлемой разборчивости). Требуемая для работы приложения скорость передачи обеспечивается за счет резервирования временных окон (слотов).

Асинхронный канал (ACL) обеспечивает связь БС со всеми АС сети стандарта Bluetooth. Во временных окнах, не занятых синхронными каналами, БС может передавать и принимать данные от любой АС, даже если с ней установлен обмен по синхронному каналу. В асинхронном канале для повышения достоверности предусмотрена повторная передача пакетов и коды с обнаружением ошибок. Соединение в таком канале происходит посредством коммутации пакетов. Пропускная способность в канале не резервируется.

Для повышения достоверности в канале также может использоваться сверточный код с кодовой скоростью 2/3.

В асинхронных каналах  скорость передачи информации меняется в зависимости от длины пакетов и способа защиты от ошибок. Минимальная скорость передачи в канале БС-АС составляет 108,2 кбит/с, максимальная - 721,0 кбит/с. В версии Bluetooth  2.0 + EDR максимальная скорость достигает 3 Мбит/с.

Формат пакета физического  уровня включает поля: кода доступа, заголовка и полезной нагрузки (рисунок  15).

 

Рисунок 15. - Формат пакета физического уровня: F - указатель переполнения буфера приема; А указатель ошибки приема пакета; S -  бит порядка передачи пакетов; НЕС - поле проверочных символов кода защиты от ошибок.

 

Поле кода доступа  содержит стартовый флаг (маркер), поле синхросигнала и закрывающий (стоповый) флаг.