Bezprzewodowe sieci komputerowe Media, podstawy, protokoły, telefonia cyfrowa, wifi, HiPeRLAN, IrDA, Bluetooth... OGr, 12 czerwiec 2005, 00:00

Transkrypt

1 Bezprzewodowe sieci komputerowe Media, podstawy, protokoły, telefonia cyfrowa, wifi, HiPeRLAN, IrDA, Bluetooth... OGr, 12 czerwiec 2005, 00:00 1.) Rozwój sieci komputerowych Dzisiejsze sieci komputerowe wywodzą się w prostej linii od systemów wielodostępowych, w których użytkownicy za pośrednictwem terminali korzystali z jednego komputera centralnego. Z czasem powstały terminale, które potrafiły już częściowo same przeprowadzać obliczenia, przez co została odciążona jednostka centralna. Następnie zaczęto łączyć ze sobą komputery obliczeniowe, które już samodzielnie potrafiły przeprowadzać wszystkie operacje obliczeniowe. Jednak połączenia te były bardzo ograniczone, wykorzystywany sprzęt musiał być produkcji jednej firmy i wszystkie stacje musiały pracować pod takim samym systemem operacyjnym. Z czasem ograniczenia te wyeliminowano i sieci stały się bardziej otwarte i uniwersalne. Początkowo sieci tworzone były z myślą o wymianie informacji między komputerami i ich użytkownikami. Zazwyczaj były to sieci umożliwiające transmisje na znaczne odległości z bardzo niską prędkością. Następnie przyszła era sieci lokalnych, które wprowadziły małą rewolucję w pracy biurowej. Sieci te umożliwiały komunikację na małym obszarze (np. budynek) ze znacznymi prędkościami. Sieci te oprócz przesyłania informacji umożliwiały współużytkowanie bardzo drogich na tamte czasy urządzeń biurowych, jak np. drukarki, skanery czy plotery. Jednak w początkowej fazie istnienia były to rozwiązania bardzo drogie i pozwalały sobie na nie duże firmy. W późniejszym czasie sieci stały się bardziej uniwersalne i tanie. Powstało dużo firm produkujących coraz lepszy sprzęt. Sieci zaczęto wykorzystywać w procesach produkcyjnych i w domach. Sieci zaczęły być wykorzystywane nie tylko do pracy ale także w życiu codziennym. Aktualnie wykorzystywane są w każdej gałęzi przemysłu i towarzyszą nam praktycznie na każdym kroku, często nawet nie zdając sobie sprawy ludzie korzystają z dobrodziejstw sieci komputerowych. Do pewnego czasu do tworzenia sieci jako medium transmisyjne wykorzystywano tylko przewody elektryczne np. skrętkę czy kabel współosiowy. Rozwój transmisji optycznej spowodował, że do tworzenia sieci zaczęto wykorzystywać także światłowody, które charakteryzują się dużą prędkością i mniejszą podatnością na zakłócenia niż przewody elektryczne. Jednak media te posiadały dużo wad. Na sieci tworzone takimi metodami potrzeba dużo nakładów na okablowanie budynków, tworzenie takiej sieci stało się długotrwałe. Tworzenie sieci tymczasowych sprawiło dość dużo problemów a sieci mobile były teoretycznie niemożliwe do stworzenia. Problemy zaczęły się także pojawiać przy łączeniu na dużych obszarach, które nie są wyposażone w Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 1

2 środki łączności. Z tego powodu pojawiło się zainteresowanie innymi rozwiązaniami, takimi jak połączenia radiowe czy satelitarne, a w ostatnich czasach także laser i promieniowanie bliskie podczerwieni. 2.) Dlaczego sieć bezprzewodowa? Można postawić sobie pytanie, po co korzystać z mediów bezprzewodowych skoro media kablowe mają bardzo dobre parametry? Istnieje szereg takich sytuacji, w których użycie kabla staje się nieopłacalne lub wręcz niemożliwe. Pierwszym przykładem może być bardzo duży obszar, na którym nie ma żadnych łącz telekomunikacyjnych. Wykorzystanie łącza konwencjonalnego łączy się z położeniem kilkudziesięciu kilometrów kabla, co może być bardzo drogie i długotrwałe. Zamiast tego można zastosować transmisję radiową, która przy wykorzystaniu mocnych nadajników i anten może mieć spory zasięg. Jeśli natomiast w połączeniu tym ważna będzie szybkość transmisji, można wykorzystać laser, który umożliwia bardzo wysokie transfery. Media bezprzewodowe umożliwiają bardzo szybkie tworzenie sieci tymczasowych, które w ostatnim czasie są bardzo popularne na naradach czy szkoleniach. Stworzenie sieci mobilnej z wykorzystaniem kabli jest praktycznie niemożliwe lub mobilność stacji ogranicza się do długości kabla. W takim przypadku na pomoc przychodzi sieć radiowa, której głównym atutem jest jej mobilność. Rosnące zainteresowanie siecią powoduje, że sieci pracują w coraz gorszych warunkach np. w fabrykach gdzie promieniowanie elektromagnetyczne może być bardzo duże. W takim przypadku wykorzystanie sieci konwencjonalnej staje się praktycznie niemożliwe lub jest bardzo drogie. W takim przypadku można użyć sieci wykorzystujących promieniowanie świetlne, które jest bardzo odporne na zakłócenia, możemy użyć np. sieć wykorzystującą jako media światło bliskie podczerwieni. W metropoliach, gdzie występuje duża urbanizacja, może wystąpić konieczność połączenia dwóch oddalonych od siebie budynków. Położenie kabla w takich warunkach może być bardzo drogie. W takiej sytuacji lepiej wykorzystać drogę radiową, co stanie się bardziej opłacalne niż np. dzierżawa łącza. Sieci bezprzewodowe mogą być też bardzo szeroko stosowane na obszarach aktywnych sejsmiczne. W Polsce nie ma takich obszarów ale w czasie powodzi 1997 roku wiadomości z odciętych od świta rejonów przychodziły właśnie drogą radiową. 3.) Media transmisyjne w sieciach bezprzewodowych W każdej sieci występują media transmisyjne, w sieciach bezprzewodowych także one występują choć nie są one tak oczywiste jak w sieciach konwencjonalnych. W sieciach przewodowych i bezprzewodowych wykorzystuje się fale elektromagnetyczne. Różnica polega na tym, że w sieciach kablowych Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 2

3 fala rozchodzi się wzdłuż linii przesyłowej (kabla) w przestrzeni ograniczonej. Natomiast w sieciach bezprzewodowych ograniczenie to teoretycznie nie istnieje, gdyż fale rozchodzą się w wolnej przestrzeni. Ogólnie rzec biorąc zakres częstotliwości rozchodzenia się fal w obu przypadkach jest zbliżony. Jednak rozwiązania bezprzewodowe mają jedną bardzo ważna wadę. Jest ona bardzo podatna na zakłócenia przez inne urządzenia emitujące fale elektromagnetyczne pracujące w pobliżu. Aktualnie spotykane urządzenia do transmisji bezprzewodowej wykorzystują jako media transmisyjne: - fale radiowe w tym mikrofale (narażone na zakłócenia) - światło z zakresu podczerwieni (odporne na zakłócenia) - laser (odporne na zakłócenia) 3.1.) Charakterystyka fal radiowych i mikrofal Fala radiowa jest to promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach: od częstotliwości słyszalnych (15 khz) do częstotliwości widzialnych (3 x 1014 Hz). Ponieważ tak duże szerokość ich widma powoduje duże zróżnicowanie właściwości fal radiowych, wprowadzono jego podział na podzakresy. W chwili obecnej obowiązuje, wprowadzony przez CCIR, dekadowy podział fal radiowych na zakresy, zgodny z Regulaminem Radiokomunikacyjnym. Ponieważ jednak klasyfikacja ta jest całkowicie formalna i nie wynika z właściwości poszczególnych zakresów fal, stosowany jest nadal podział tradycyjny. Propagacja fal radiowych Fale radiowe rozchodzą się w przestrzeni w sposób swobodny, mogą one podążać z nadajnika do odbiornika po różnych drogach. Dlatego więc sposoby propagacji fal radiowych są dokładnie sklasyfikowane. W przypadku komunikacji między jednostką na Ziemi a jednostką w kosmosie możemy założyć, że fale rozchodzą się po swobodnej i bliżej nie określonej przestrzeni. Natomiast gdy komunikacja odbywa się między jednostkami naziemnymi fale rozchodzą się w otoczeniu Ziemi. Fale bardzo długie i długie Fale te ulegają nieznacznemu tłumieniu oraz silnej dyfrakcji na powierzchni Ziemi. Dzięki temu fala powierzchniowa może się rozchodzić na bardzo duże odległości. W odległości 2000 km od nadajnika, natężenie fali powierzchniowej jest mniejsze od natężenia fali jonosferycznej i dlatego w komunikacji na bardzo duże odległości wykorzystuje się fale jonosferyczne. Fale bardzo długie i długie rozchodzą się w falowodzie kulistym ograniczonym powierzchnią Ziemi i dolną granicą jonosfery. Tłumienie tych fal w jonosferze podlega wahaniom dobowym, sezonowym i rocznym, wpływ na nie ma także aktywność Słońca. Wskutek tego warunki Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 3

4 propagacji fal bardzo długich i długich ulegają małym i powolnym zmianom w czasie. Propagacja fal średnich W tym zakresie ( khz) znaczenie ma fala powierzchniowa jak i jonosferyczna. W ciągu dnia największy wpływ na zasięg ma fala powierzchniowa gdyż fale tłumione są w dolnych warstwach jonosfery. Zasięg ten maleje wraz ze wzrostem długości fali i spadkiem konduktywności gruntu. W nocy zaś tłumienie w jonosferze znacznie maleje i wtedy o zasięgu decyduje fala jonosferyczna. Przy odbiorze fal średnich w nocy możliwe jest wystąpienie tzw. zjawiska luksemburskiego, zjawisko to polega na wystąpieniu przesłuchów z dwóch różnych stacji, nawet jeśli ich częstotliwości znacznie różnią się od siebie. Zjawisko to występuje gdy fale dwóch nadajników rozchodzą się częściowo po wspólnej drodze. Propagacja fal krótkich W zakresie fal krótkich (3 30 MHz) fala powierzchniowa jest bardzo silnie tłumiona i w odległości kilku kilometrów od nadajnika odbiór tej fali jest niemożliwy. Fale jonosferyczne w tym zakresie pozwalają na osiągnięcie bardzo dużych zasięgów, nawet obszar całego globu. Zakres użytecznych fal krótkich jest ograniczony u dołu przez tak zwaną wartość LUF a u góry przez wartość MUF. Wartość LUF (ang. Lowest Usable Frequency) jest to najniższa częstotliwość użytkowa przy której można uzyskać stabilną łączność między dwoma punktami. Z kolei wartość MUF (ang. Maximal Usable Frequency) jest maksymalną częstotliwością użytkową. Powyżej tej wartości sygnał nie będzie odbijany przez jonosferę. Dla częstotliwości większej niż wartość MUF nawet znacznie zwiększenie mocy nadajnika nie powoduje nawiązania łączności, podczas gdy dla częstotliwości bliskich wartości LUF wzrost tłumienia można zrekompensować zwiększeniem mocy nadajnika. W celu uzyskania jak najlepszej częstotliwości roboczej powstała tak zwana wartość FOT (fr. Frequence Optimum de Trafic). Jest to optymalna częstotliwość robocza, która zapewnia stabilny sygnał i przyjmuje się FOT=0,85xMUF. Na propagacje jonosfery w komunikacji na falach krótkich ma duży wpływ pora roku, pora dnia czy aktywność słoneczna, wpływając z kolei na wartości LUF i MUF. Przeciętny wpływ tych czynników objawia się następująco: - wartości LUF wykazują na krótkich dystansach maksimum w godzinach popołudniowych i spadają poza zakres fal krótkich w nocy, natomiast na długich dystansach mają one przebieg nieregularny, - wartości MUF w nocy są większe latem niż zimą, - wartości MUF są większe w dzień niż w nocy. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 4

5 Rozchodzenie się fali jonosferycznej Propagacja fal ultrakrótkich Fale ultra krótkie i mikrofale (30 MHz 300 GHz) przy rozchodzeniu się wykazują właściwości bardzo zbliżone do promieni widzialnych. Prawa optyki geometrycznej nie obowiązują jednak ściśle i dzięki temu odbiór możliwy jest nie tylko w granicach zasięgu optycznego. W procesie propagacji fal duże znaczenie mają następujące zjawiska: - refrakcja troposferyczna, - dyfrakcja fal wokół powierzchni Ziemi oraz przeszkód terenowych, - rozpraszanie fal w troposferze, - odbicie od śladów meteorów. Cechą charakterystyczną fal ultrakrótkich jest ich rozpraszanie w jonosferze i troposferze. Zjawisko rozpraszania troposferycznego umożliwia łączność na znaczne odległości, przy zastosowaniu mocnych nadajników (rzędu 100 kw) i anten o dużym zysku energetycznym można osiągnąć stabilną łączność przy 1000 km z szerokością pasma 5 MHz. Z kolei roproszenie jonosferyczne pozwala na osiągnięcie odległości 2000 km przy szerokości pasma 6kHz. Odbicie fal od śladów meteorów może być także wykorzystywane do osiągnięcia znacznych odległości. Przy wykorzystaniu małych nadajników i prostych anten można uzyskać odległość 2000 km przy szerokości pasma 3kHz. Jednak łącze to charakteryzuje krótkim czasem trwania. Współczynnik wykorzystania łącza, określany jako stosunek czasu istnienia łącza do całkowitego czasu transmisji wynosi od 3 do 16%.[2] Propagacja mikrofal Mikrofale (fale elektromagnetyczne o częstotliwości powyżej 300 MHz) rozchodzą się w sposób zbliżony do promieni świetlnych. Częstotliwości z tego zakresu wykorzystywane są w radiowych sieciach lokalnych, pracujących wewnątrz budynków, a także np. w systemach telefonii komórkowej. Na propagacje mikrofal duży wpływ ma środowisko pracy sieci, czyli ukształtowanie terenu oraz wyposażenie wewnątrz budynków. W skutek istnienia różnorodnych przeszkód fale ulegają zjawiskom optyki geometrycznej: odbiciu, załamaniu i rozproszeniu. 4.) Struktura systemu transmisyjnego Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 5

6 4.1.) System transmisji radiowej Aby wykorzystać fale radiowe do transmisji danych cyfrowych niezbędne jest przekształcenie tych danych do postaci akceptowalnej przez dane systemy transmisyjne. Przetwarzanie to odbywa się w sposób podobny jak dla transmisji analogowych przez wykorzystywanie technik modulacji, przy czym w systemach łączności cyfrowej wykorzystuje się inne metody modulacji. System radiokomunikacji cyfrowej Sygnał wejściowy z modulatora trafia do nadajnika, skąd za pomocą medium transmisyjnego (w tym przypadku fali radiowej) trafia do odbiornika. Z odbiornika sygnał trafia do systemu demodulacji składającego się z dekodera i układu decyzyjnego. Możliwe są dwa rodzaje detekcji: - detekcja koherentna, technika ta wymaga sinusoidalnego sygnału odniesienia, - zsynchronizowanego w fazie i częstotliwości z odebranym sygnałem nośnym, - detekcja niekoherentna, nie wymagająca takiego sygnału. Modulacja jest to modyfikacja przebiegu nośnego wielkiej częstotliwości za pomocą sygnału informacyjnego małej częstotliwości (sygnału w paśmie podstawowym). W zależności od tego, który z parametrów przebiegu nośnego jest modyfikowany sygnałem informacyjnym, wyróżnia się modulacje amplitudy (AM), częstotliwości (FM) lub fazy (PM). W cyfrowych systemach radiowych występują dwa etapy modulacji. Pierwszy z nich to modulacja cyfrowa, w której modyfikowany parametr przybiera tylko pewne określone wartości. Proces ten wykonywany jest przez modem, na wyjściu którego pojawia się zmodulowana fala podnośna (ang. subcarrier frequency), zwana też częstotliwością pośrednią (ang. intermediate freauency). Drugi etap to modulacja analogowa przebiegu nośnego wielkiej częstotliwości falą podnośną, odbywająca się w nadajniku. Należy zwrócić uwagę na fakt, że przed wykorzystaniem sygnału informacyjnego w procesie modulacji może on zostać poddany filtracji, korekcji lub innym przekształceniom w celu poprawy parametrów systemu, np. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 6

7 ograniczenia szerokości pasma. W celu zwiększenia szybkości bitowej przy niezmienionej szybkości modulacji stosuje się modulacje wielowartościowe (np. 4, 8 lub 16 wartościowe) zamiast binarnych (2 wartościowych). W metodach tych często stosowana jest także modulacja mieszana, będąca kombinacją dwóch podstawowych metod modulacji. Modulacja wielowartościowa, ze względu na większą liczbę rozróżnialnych stanów sygnału, a więc i mniejszą odporność sygnału na błędy, wymaga jednak lepszego toru transmisji. Do transmisji cyfrowej wykorzystuje się najczęściej fale radiowe z zakresów VHF ( MHz) i UHF ( MHz), oraz rzadziej spotykany zakres SHF (3 30 GHz). Wykorzystywanie fal LF ( khz) i MF ( khz) mogło by się wydawać dość atrakcyjne ze względu na swój duży zasięg, jednak fale te mają dość ograniczoną szerokość pasma transmisji, a co za tym idzie prędkości transmisji uzyskiwane w tych pasmach jest mało zadowalająca. Fale z zakresu HF (3 30 MHz) podlegają bardzo dużym i częstym zmianom propagacji, więc uzyskanie stabilnej transmisji staje się bardzo trudne. Również w zakresie HF istnieją znaczne ograniczenia związane z szerokością pasma częstotliwości. Tym niemniej fale z tych zakresów są dość często używane w amatorskich transmisjach radiowych z prędkościami rzędu 300 b/s. Fale z zakresów VHF i UHF nie podlegają już takim dużym ograniczeniom związanym z szerokością pasma częstotliwości. Korzystając z zakresu SHF wykorzystuje się fale zbliżone do dolnej granicy tego zakresu, ze względu na znaczny wzrost tłumienia fal radiowych powyżej 10 GHz, tym niemniej częstotliwości wyższe znajdują zastosowanie w sieciach lokalnych. Fale z zakresu UHF są najczęściej stosowanymi zakresami w sieciach lokalnych. W zależności od stosowanego sprzętu można osiągnąć prędkości teoretyczne od 1 Mbps do nawet 54 Mbps. 5.) Problemy z dostępem do łącza w sieciach bezprzewodowych Sieci bezprzewodowego wykazują wiele różnic w stosunku do sieci przewodowych. W wielu przypadkach stosowanie w sieciach bezprzewodowych rozwiązań znanych z sieci przewodowych jest niemożliwe bądź nieefektywne. Dotyczy to również protokołów dostępu do łącza transmisyjnego. W sieciach bezprzewodowych bez przeszkód można stosować jedynie protokoły dostępu sterowanego, jak np. odpytywanie czy przekazywanie żetonu. Pierwszy z nich może być stosowany, jeżeli stacja centralna posiada łączność z każdą z pozostałych stacji; drugi natomiast gdy wszystkie stacje sieci posiadają wzajemną łączność, podobnie jak w analogicznej sieci przewodowej. W drugim z wymienionych przypadków można także stosować protokoły rywalizacyjne, jednak warunek ten nie musi być spełniony. W przypadku stosowania protokołów rywalizacyjnych w sieciach bezprzewodowych pojawia się szereg problemów związanych ze zjawiskami nie występującymi w sieciach przewodowych. Najważniejsze z tych problemów to: Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 7

8 - zjawisko odkrytej stacji - zjawisko ukrytej stacji - interferencje - efekt przechwytywania. 5.1.) Zjawisko odkrytej stacji Zjawisko odkrytej stacji (ang. Exposed terminal) występuje w przypadku kiedy nie wszystkie stacje w sieci mają ze sobą bezpośrednią łączność. O stacji odkrytej mówimy wtedy, kiedy stacja znajduje się w zasięgu nadawcy informacji, ale poza zasięgiem stacji odbierającej te dane. Powoduje to spadek ogólnej przepustowości w sieci wskutek zbędnego wstrzymywania transmisji. Przykład: Stacja B nadaje sygnał do stacji A. Stacja C jest w zasięgu stacji B, więc wykrywa transmisje i wstrzymuje swój transfer do stacji D. Transmisja ta nie spowodowałaby kolizji w stacji A z danymi ze stacji B gdyż stacja A jest poza zasięgiem stacji B, a mimo to transmisja zostaje wstrzymana. Przykład ten zilustrowano na rysunku 4. Zjawisko odkrytej stacji W ramach zjawiska odkrytej stacji wyróżnia się: - odkryty nadajnik - odkryty odbiornik Rozróżnienie to jest możliwe w sieciach, w których wysyłane są ramki sterujące np. ramka RTS od stacji, która będzie wysyłać i CTS od stacji, która jest adresatem i jest gotowa na przyjęcie transmisji. Odkryty nadajnik Zjawisko okrytego nadajnika występuje, kiedy stacja odkryta (rysunek 4 stacja C) ma dane do wysłania do stacji D. Wprawdzie transmisja ta nie spowoduje kolizji w transmisji B do A, ale odpowiedz od stacji D może wywołać taką kolizje. Ponieważ nie możliwa jest prawidłowa komunikacja między C i D stacja C wstrzymuje transmisje do stacji D. Odkryty odbiornik Zjawisko to ma miejsce w przypadku, gdy stacja odkryta (rysunek 4 stacja C) jest adresatem informacja ze stacji D. Stacja D wysyła do stacji C ramkę sterującą RTS, która w stacji C ulega kolizji z danymi ze stacji B. W takim przypadku stacja powinna poinformować o fakcie, iż jest odkrytym odbiornikiem, jednak nie może tego zrobić, gdyż nie docierają do niej żadne Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 8

9 ramki sterujące. 5.2.) Zjawisko ukrytej stacji Zjawisko ukrytej stacji (ang. Hidden terminal) podobnie jak w poprzednim problemie może wystąpić, kiedy nie wszystkie stacje w sieci mają bezpośrednią łączność. O stacji ukrytej mówimy wtedy, kiedy stacja znajduje się w zasięgu stacji odbierającej dane, ale poza zasięgiem stacji wysyłającej dane. Stacja ta nie wykryje transmisji więc rozpocznie nadawanie w ten sposób powstaną kolizje co bardzo pogarsza prędkość łącza. Przykład: Stacja A nadaje do stacji B. Stacje A i C są poza swoimi zasięgami, więc transmisja ta nie zostanie wykryta w stacji C, która przyjmie że łącze jest wolne i zacznie nadawanie do stacji B lub D. Zjawisko ukrytej stacji W ramach zjawiska ukrytej stacji wyróżnia się: - ukryty nadajnik - ukryty odbiornik Rozróżnienie to jest możliwe w sieciach, w których wysyłane są ramki sterujące np. ramka RTS od stacji, która będzie wysyłać i CTS od stacji, która jest adresatem i jest gotowa na przyjęcie transmisji. Ukryty nadajnik Zjawisko to występuje kiedy stacja ukryta (rysunek 5 stacja C) posiada jakieś dane do wysłania. Stacja ta nie znajduje się w zasięgu stacji A i nie wie że stacja ta ma zamiar wysyłać dane do stacji B. W takim przypadku stacja B powinna powiadomić stacje C o tym, że zamierza przyjmować dane od stacji A. Ukryty odbiornik Zjawisko to występuje w przypadku gdy stacja ukryta (rysunek 5 stacja C) jest adresatem danych od stacji D. Stacja D wysyła ramkę RTS do stacji C, jednak stacja C nie może wysłać potwierdzenia CTS gdyż spowodowało by to kolizje w stacji B. W tym przypadku stacja C musi wysłać informacje do stacji D o wstrzymaniu transmisji, informacja ta musi być wysłana na innym kanale. 5.3.) Interferencje Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 9

10 O zjawisku interferencji (zakłócania transmisji) mówimy gdy jedna ze stacji jest poza zasięgiem zarówno odbiornika jak i nadajnika. Jednak jest ona na tyle blisko że może zakłócać transmisje innych stacji. Stacja taka powinna zakończyć nadawanie, jeżeli inne transmisje są w toku. Jednak w przeciwieństwie do poprzednich zjawisk w tym problemie ani nadajnik ani odbiornik nie jest w stanie poinformować stacji zakłócającej o tym fakcie i nakazać jej przerwanie nadawania. 5.4.) Efekt przechwytywania Efekt przechwytywania (ang. Capture effect) występuje w sieciach bezprzewodowych, jeżeli do odbiornika docierają dwa sygnały o różnych mocach np. jeżeli dwa nadajniki są o różnych mocach lub w różnych odległościach od odbiornika. Podczas kolizji dwóch ramek to właśnie ta silniejsza może zostać odczytana bezbłędnie. Efekt ten jest zatem pozytywny, gdyż poprawia on wykorzystanie kanału transmisyjnego. Negatywnym skutkiem przechwytywania jest brak możliwości nasłuchu łącza podczas nadawania. Nasłuchy takie są wykorzystywane w sieciach Ethernet w celu wykrywania kolizji. Dlatego w sieciach radiowych do detekcji kolizji wykorzystuje się system potwierdzeń. Każda wysłana ramka musi zostać potwierdzona przez odbiorcę negatywnie bądź pozytywnie. Brak jakiegokolwiek potwierdzenia tak jak ma to miejsce w efekcie przechwytywania może być potraktowany przez nadawcę jako kolizja. 5.5.) Strefa Frensela Strefa Fresnela to jedno z najważniejszych pojęć pojawiające się w tematyce radiowej z którym koniecznie trzeba się zapoznać. Jest nią obszar aktywnie uczestniczący w przenoszeniu energii sygnału radiowego. Kształt tego obszaru w przekroju wzdłużnym jest elipsą, a w przekroju poprzecznym jest okręgiem. Promień tego okręgu zmienia się na długości całego łącza radiowego i przyjmuje wartość maksymalną w połowie odległości między antenami. Największe znaczenie ma pierwsza strefa Fresnela, gdyż to właśnie w niej przenoszona jest prawie cała energia sygnału radiowego. Poniżej znajduje się obrazek pokazujący strefe fernsela razem ze wzorem i jego zależnościami. Kształt strefy Fresnela. R1 jest to promień I strefy. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 10

11 dkm = d1km+d2km, jest to odległość między masztami d1km odległość od pierwszej anteny w km d2km odległość od drugiej anteny w km Na tym rysunku widać że instalacja została źle wykonana. Instalator nie zapewnił widoczności optycznej anten więc anteny nie widzą się radiowo. Łącze nie działa. Kolejny przykład źle wykonanej instalacji. Obecność przeszkód w pierwszej strefie Fresnela powoduje, że łącze radiowe nadal nie działa albo działanie łącza jest na tyle słabe,że nie pozwala na prawidłowe korzystanie z niego. Instalacja wykonana poprawnie. Widoczność anten i brak przeszkód w pierwszej strefie Fresnela. Łącze zostało zestawione. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 11

12 W praktyce zapewnienie czystości 60% I strefy Fresnela gwarantuje minimalne starty mocy. Niektórzy providerzy internetowi zajmujący się dostarczaniem internetu drogą radiową nie dbają o czystość I strefy Fresnela ( albo o niej nie wiedzą ) mało tego próbują zestawiać połączenia radiowe przez drzewa i inne bariery nienaturalne co w rezultacie przynosi różne konsekwencje np. nagły spadek mocy w momencie gdy liście wyrosną na drzewach czy też całkowity zanik łącza w trakcie wahań pogodowych. Dlatego też jeśli jesteśmy zainteresowani internetem drogą radiową to warto się spytać naszego przyszłego providera internetowego czy mamy zapewnioną I strefe Fresnela? Długość łącza radiowego 60% promienia I strefy Fresnela, 2,4GHz [m] 0,1 1,1 0,7 0,2 1,5 1,0 0,5 2,4 1,6 1 3,4 2,3 2 4,7 3,3 3 5,8 4,0 4 6,7 4,6 5 7,5 5,2 6 8,2 5,7 7 8,9 6,1 8 9,5 6,6 9 10,1 7, ,6 7,3 60% promienia I strefy Fresnela, 5GHz [m] Zależność promienia I strefy Fresnela w funkcji długości łącza radiowego dla systemów działających na częstotliwości 2,4GHz. W zależności tej widać, że im dłuższa długość łącza radiowego tym większy staje się promień w I strefie fresnela. Czyli oznacza to że przy zestawianiu połączeń radiowych na coraz większką odległość musimy pamiętać o jeszcze lepszej widoczności optycznej no i co zarazem idzie w parze o jak najmniejsze zakłócenia w tej strefie. Kolejnym czynnikiem kształtującym strefe fresnela w przypadku dystansów wynoszących parę kilometrów i więcej jest krzywizna ziemi.dla dystansu 5 km wysokość przeszkód w środku łącza wzrasta o 1 m, a dla dystansu 10km już o 4 m. Antena powinna być zawieszona na wysokości, spełniającej warunek: zawieszenie anteny = wysokość najwyższej przeszkody na torze + 0,6 R1 + krzywizna ziemi Przy dużych odległościach należy stosować bardziej dokładne metody wyznaczania wysokości zawieszenia anten, bazujące na profilu hipsometrycznym terenu oraz metodach uwzględniających refrakcję wiązki Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 12

13 radiowej. Kolejnym krokiem w projektowaniu łącz radiowych jest wyznaczenie poziomu tłumienia sygnału radiowego. Sygnał radiowy propagując w przestrzeni ulega osłabieniu w miarę jak oddala się od anteny nadawczej. Odległość [km] Tłumienie 2,4GHz Tłumienie 5GHz 0,1 80,4 86,4 0,2 86,4 92,4 0,5 94,4 100, ,4 106, ,4 112, ,9 116, ,4 118, ,4 120, ,0 122, ,3 123, ,5 124, ,5 125, ,4 126,4 Reguła 6db. Jak widać z powyższej tabelki dwukrotny przyrost odległości powoduje wzrost tłumienia sygnału o 6dB, a dwukrotny spadek odległości powoduje spadek tłumienia sygnału o 6dB. Prostota tej reguły pozwala na szybkie zapamiętanie zależności tłumienia sygnału radiowego w funkcji odległości. Wystarczy zapamiętać, że na dystansie 1km w paśmie 2,4GHz tłumienie wynosi 100dB. Czyli po zastosowaniu reguły 6dB dla 2, 4, 8km otrzymuje się wartości tłumienia: 106, 112, 118dB. Dla odległości 500m, 250m, 125m tłumienie wyniesie: 94, 88, 82dB. Reguła 6dB także stosuje się do pasma 5GHz i innych, przy czym tłumnie w paśmie 5GHz dla odległości 1km wynosi 106dB, czyli widzimy, że reguła 6dB przekłada się także na częstotliwości. Dla lepszego pokazania tłumienia sygnału w wolnej przestrzeni przedstawie Model FSL ( Free space loss ) gdyż największy problem sprawia oszacowanie tłumienia między nadajnikiem a odbiornikiem w sieciach bezprzewodowych. Projektując łącze zewnętrzne możemy skorzystać z tegoż właśnie modelu, aby oszacować to tłumienie. Model FSL to model propagacji w wolnej przestrzeni, który zakłada że: - między nadajnikiem a odbiornikiem nie ma przeszkód, - do odbiornika nie dochodzą fale odbite, - nie jest przysłonięta 1 strefa Fresnela, - model nie uwzględnia wpływu zaników ani zakłóceń zewnętrznych Tłumienie wolnej przestrzeni jest definiowane jako strata sygnału na skutek sferycznego rozpraszania fal radiowych w przestrzeni. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 13

14 FSL dla częstotliwości 2,4 GHz dane jest wzorem: Lp (db) = log10 D, gdzie D odległość FSL dla częstotliwości 5,4 GHz dane jest wzorem: Lp (db) = log10 D, gdzie D odległość Oznacza to że przy użyciu anten o tej samej sile i wraz ze wzrostem odległości między nadajnikiem a odbiornikiem wrasta tłumienie i spada sygnał. Nie należy też zapominać o tłumieniu w deszczu i w gazie gdzyż są to zjawiska powszechnie uznawane za niekorzystne dla działania systemów radiowych w praktyce jednak dla systemów 2,4Ghz oraz 5Ghz są nieszkodliwe. W zastosowaniach profesjonalnych inżynierowie używają bardzo rozbudowanych modeli często opracowywanych do własnych potrzeb np: - model propagacyjny z przesłoniętą strefą Fresnela - model propagacyjny uwzględniający tłumienie ścian w budynku ale to już zostawmy profesjonalistą gdyż nie jest możliwe wykorzystywanie takich modeli w amatorskich obliczeniach. Obliczenia RSL ( Resive signal level ) Podstawą do obliczenia zasięgu jest zrobienie bilansu łącza radiowego i obliczenie poziomu odbieranego sygnału RSL. Jest to niezwykle przydatna rzecz gdyż musimy wiedzieć jakich urządzeń, anten czy też kabli i złączek należy użyć i jak wysoko aby nasze połączenie radiowe było bardzo stabilne o jaknajwiększej przepustowości. RSLdBm = TSL CLT + GTdB FSL + GRdB CLR Składniki bilansu energetycznego TSLdBm poziom sygnał na zaciskach nadajnika (moc nadajnika) RSLdBm poziom sygnału na wejściu odbiornika FSLdB starty sygnału w wolnej przestrzeni GTdBi zysk anteny nadawczej GRdBi zysk anteny odbiorczej Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 14

15 CLT starty sygnału w przewodzie i w złączach CLR - starty sygnału w przewodzie i w złączach Nadajnik wysyła sygnał wielkiej częstotliwości do przyłączonego kabla z mocą TSLdBm. Sygnał po przejściu do zacisków anteny nadawczej ulega stłumieniu o wartość CLT. Następnie antena wypromieniowuje sygnał i jednocześnie ogniskuje go w kącie połowy mocy, uzyskując w ten sposób efekt wzmocnienia. Po przebyciu odległości dkm fala radiowa ulega osłabieniu o FSLdB.Antena odbiorcza zamieniając falę elektromagnetyczną na sygnał w.cz. zwiększa jego poziom o GrdBI. Sygnał po przejściu przez kabel do odbiornika pojawia się na jego zaciskach przyjmując wartość RSLdBm. RSLdBm = TSL CLT + GTdB FSL + GRdB CLR Aby uodpornić się na zjawisko chwilowego spadku mocy sygnału wprowadza się do obliczeń parametr e, tj. margines na zanik. Typowa jego wartość wynosi 10dB. FM = RSL- RSLFM RSLFM jest to poziom odbieranego sygnału w zaniku. Jeżeli chcemy aby RSLFM = - 80dBm to wymaga się aby projekt łącza radiowego był wykonany na RSL = - 70dBm Naszym celem jest dobranie takich anten, aby uzyskać przez większość czasu wymagany poziom sygnału - 80dBm. Większość urządzeń bezprzewodowych WLAN pracuje wtedy z największą prędkością. 6.) Protokoły dostępu do łącza W sieciach bezprzewodowych stosuje się wiele różnych protokołów rywalizacyjnych. Najstarsze z tych protokołów cechuje duża prostota, przez co ich efektywność pozostawia dużo do życzenia. Dlatego też obecnie stosuje się protokoły o wiele bardziej skomplikowane, a co za tym idzie ich efektywność znacznie się zwiększyła. 6.1.) Protokół Aloha Protokół Aloha jest najstarszym i najbardziej znanym protokołem dostępu do Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 15

16 łącza w sieciach bezprzewodowych. Zasada działania sieci opartej na Aloha jest bardzo prosta. Sieć składa się z jednej jednostki centralnej o dużej mocy, do której podłączone są terminale robocze. Transmisja ze stacji roboczej do jednostki centralnej może odbyć się kiedykolwiek, jeżeli stacja robocza ma skompletowaną ramkę może ją natychmiast wysłać niezależnie od stanu łącza. W ten sposób w sieci powstaje bardzo duża ilość kolizji między ramkami wysyłanymi przez stacje. Ponieważ w sieci opartej na protokole Aloha jednostka centralna wysyła potwierdzenie dla każdej otrzymanej ramki, więc brak takiego potwierdzenia stacja robocza identyfikuje jako kolizje i po upływie losowo wybranego czasu ramka nadawana jest ponownie. Dzieje się tak aż do momentu kiedy stacja robocza otrzyma potwierdzenie od jednostki centralnej o poprawnym otrzymaniu ramki. Zasada działania protokołu Aloha 3.2.) Protokół s-aloha Protokół s-aloha tzw. Aloha szczelinowa jest w prostej ulepszoną wersją protokołu Aloha. Zasadniczą różnicą w tym protokole jest zastosowanie szczelin czasowych (ang. Time slot). Stacja robocza po skompletowaniu ramki musi się wstrzymać z jej nadawaniem do najbliższej szczeliny czasowej. Jeżeli w danej szczelinie czasowej nadawanie rozpoczęła więcej niż jedna stacja, oczywiście powstanie kolizja, ale jeżeli zaczęła nadawać tylko jedna stacja, ramka dotrze do serwera bez żadnych zniekształceń. Wprowadzenie szczelin czasowych dwukrotnie zwiększyło przepustowość łącza. Zasada działania protokołu s-aloha 6.3.) Protokół BTMA W protokole BTMA (ang. Busy Tone Multiple Access) kanał transmisyjny podzielony jest na dwa podkanały: - podkanał komunikatów do przesyłania danych - podkanał zajętości Każda stacja w sieci, która odbiera informacje z kanału komunikatów wysyła sygnał na kanał zajętości. Następnie każda ze stacji która ma jakieś informacje do wysłania sprawdza najpierw kanał zajętości. Gdy kanał ten jest wolny, wysyła swoje dane kanałem komunikatów. W przeciwnym przypadku odczekuje losowo wybrany czas i sprawdza kanał zajętości ponownie. Protokół ten jest próbą wykluczenia zjawiska ukrytej stacji. Jednak posiada on Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 16

17 poważną wadę. W protokole tym bardzo łatwo jest całkowicie sparaliżować sieć, przez ciągłe wysyłanie sygnału zajętości. 6.4.) Protokół CSMA/CA Protokół CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access witch Collision Avoidance) jest czasami wykorzystywany w bezprzewodowych sieciach lokalnych. Stacje przed wysłaniem danych sprawdza łącze pod względem zajętości. Jeżeli łącze jest wolne zaczyna nadawanie w przeciwnym wypadku odkłada nadawanie na losowo wybrany czas. Do detekcji kolizji w protokole tym wykorzystuje się mechanizm potwierdzeń tzn. każda stacja która jest adresatem ramki musi odesłać potwierdzenie (negatywne bądź pozytywne), każda przekłamana ramka zostaje wysłana ponownie. W protokole tym istnieją możliwości kolizji np. jeżeli dwie stacja zaczną nadawać jednocześnie lub prawie jednocześnie po okresie zajętości łącza. Protokół CSMA dzieli się na dwa protokoły: - bez wymuszenia transmisji stacja po stwierdzeniu zajętości łącza losowo wybiera czas następnej kontroli łącza. - z wymuszeniem transmisji stacja po stwierdzeniu zwolnienia łącza dzieli czas na szczeliny i dokonuje prób transmisji z prawdopodobieństwem p w kolejnych szczelinach. 6.5.) Protokoły MACA i MACAW Protokół MACA (ang. Multiple Access with Collision Avoidance) charakteryzuje się brakiem wykrywania fali nośnej. Transmisja poprzedzona jest jednak sygnałami sterującymi (nadajnik wysyła ramke RTS a odbiornik CTS). Mechanizm ten zapobiega zjawiskom ukrytej i odkrytej stacji. Stacja ukryta odbiera bowiem ramkę CTS odbiornika, a stacja odkryta odbiera ramkę RTS nadajnika. Ramki sterujące zawierają informacje o wielkości pakietu, przez co stacje mogą określić przewidywany czas. Idea negocjacji RTS-CTS w protokole MACA Protokół ten nie zapobiega jednak wszystkim możliwym kolizjom. Istnieje bowiem ryzyko kolizji ramek sterujących, aby temu zapobiec każda stacja losowo wybiera czas, który musi upłynąć, zanim rozpocznie się transmisja. Protokół MACAW jest w zasadzie rozwinięciem protokołu MACA. Do protokołu wprowadzono między innymi dodatkowe ramki sterujące: - DS (ang. Data Sending), oznacza ona rozpoczęcia nadawania danych. Ramka Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 17

18 ta informuje inne stacje o pomyślnym zakończeniu negocjacji RTS-CTS. - ACK (ang. Acknowledge), oznacza poprawny odbiór ramki. - RRTS (ang. Request for RTS), ramka ta wykorzystywana jest wówczas gdy stacja nie może odpowiedzieć na ramkę RTS z powodu wstrzymania transmisji. Po zakończeniu czasu wstrzymania transmisji stacja wysyła ramkę RRTS do nadawcy ramki RTS, co umożliwia przeprowadzenie negocjacji RTS-CTS. Protokół MACAW 6.6.) Protokoły FAMA FAMA (ang. Fllor Acquisition Multiple Access) określa grupę protokołów, które stosują wykrywanie nośnej i znany z protokołów MACA i MACAW mechanizm wymiany ramek sterujących, poprzedzających transmisję danych. Istotą protokołu FAMA jest dynamiczne zezwalanie poszczególnym stacjom na sterowanie kanałem. Podobne mechanizmy wykorzystywane są w protokołach z dynamiczną rezerwacją (np. SRMA, MSAP czy BRAM), jednak FAMA nie wykorzystuje osobnego kanału sterującego. Przed rozpoczęciem transmisji stacja musi uzyskać kontrolę nad kanałem. Mechanizm przekazywania sterowania odbywa się na zasadzie wymiany informacji sterującej, która jest przesyłana w jednym kanale z danymi w taki sposób, że mimo iż mogą nastąpić kolizje pomiędzy ramkami sterującymi, dane przesyłane są zawsze bez kolizji. Jest to możliwe jeżeli przestrzegane są określone zależności czasowe, m.in. czas transmisji ramek sterujących nie może być krótszy niż podwojony maksymalny czas propagacji w kanale. W sieciach bezprzewodowych korzystne jest przekazywanie sterowania oparte na zasadzie wymiany ramek sterujących RTS i CTS, ze względu na eliminacje zjawisk ukrytych stacji. Możliwa jest wymiana informacji sterujących bądź bez wykrywania nośnej, bądź też z wykrywaniem nośnej, np. bez wymuszania transmisji (ang. Nonpersistent). FAMA bez wykrywania nośnej odpowiada protokołowi MACA. Wadą tego protokołu jest możliwość wystąpienia kolizji między danymi a informacjami sterującymi, spowodowana różnicami w czasie propagacji. Cecha ta nie występuje, jeżeli przed nadaniem ramki sterującej stacja bada stan łącza i wstrzymuje transmisje do czasu jego zwolnienia. 6.7.) Protokoły MSAP i BRAM Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 18

19 Protokoły MSAP (ang. MiniSlotted Alternating Priorities) i BRAM (ang. Broadcast Recognizing Access Method) należą do grupy protokołów z dynamiczną rezerwacją, wykorzystują one jednak mechanizmy wykrywania nośnej. Wymagają one bezpośredniej łączności pomiędzy wszystkimi stacjami w przeciwnym wypadku protokoły te będą działać nieprawidłowo. Czas w tym protokole podzielony jest na szczeliny zwane miniszczelinami o długości równej maksymalnemu czasowi propagacji w sieci. Dostęp do łącza przydzielany jest na zasadzie priorytetów. Czyli stacja i po uzyskaniu dostępu do łącza może nadać całą wiadomość jaką ma przygotowaną do nadania. Inne stacje w tym czasie czekają na koniec transmisji i wykrywają go poprzez mechanizm wykrywania nośnej. Po wykryciu nie zajętości kanału transmisje może rozpocząć stacja i mod N +1, o ile posiada przygotowaną wiadomość do wysłania. W przypadku gdy stacja nie ma żadnej wiadomości do wysłania transmisje rozpoczyna następna stacja. Ideę tego protokołu przedstawia rysunek 10. Protokół BRAM jest uogólnieniem protokołu MSAP wersja priorytetowa jest tożsama z MSAP, czyli umożliwia każdej stacji wysyłanie całej informacji w jednym cyklu dostępu do łącza. Przeciwieństwem jej jest wersja sprawiedliwa, w której stacja może wysyłać co najwyżej jedną ramkę danych w jednym cyklu dostępu. Zasada działania protokołu MSAP 6.8.) Protokoły BAPU Wszystkie opisane powyżej protokoły, w których występuje próba wyeliminowania kolizji ramek przez stosowanie ramek sterujących, rozwiązuje jedynie problem ukrytego i odkrytego nadajnika. Uniknięcie zjawiska ukrytego i odkrytego odbiornika wymaga od protokołu dodatkowych działań. Ukryty nadajnik powinien wysłać informacje o wstrzymaniu transmisji i informacja ta powinna zostać przesłana na oddzielnym kanale. Odkryty odbiornik powinien odebrać informacje nawet gdy na kanale odbywa się jakaś inna transmisja. Stacja zakłócająca powinna być poinformowana o fakcie prowadzenia transmisji. W związku z tymi warunkami w protokole BAPU (ang. Basic Access prtocol solutions) proponuje się wyróżnienie kanału danych i kanału sterującego, przy czym kanał sterujący charakteryzuje się zwiększonym zasięgiem transmisji. Dzięki takiemu rozwiązaniu stacje mogą interferować w kanale danych, stają się stacjami ukrytymi bądź odkrytymi w kanale sterującym. W protokole - BAPU używa się pięciu podstawowych ramek sterujących: Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 19

20 - RTS (ang. Request To Send) zgłoszenie gotowości do nadawania, - CTS (ang. Clear To Send) zgłoszenie gotowości do odbioru, - DS (ang. Data Sending) sygnalizacja rozpoczęcia nadawania, - ACK (ang. Acknowledge) potwierdzenie otrzymania danych, - NCTS (ang. Not Clear To Send) brak gotowości do odbioru. 7.) Systemy cyfrowej transmisji bezprzewodowej Istnieje wiele rodzajów systemów transmisji, w których wykorzystuje się metody bezprzewodowe. Niektóre z nich pozwalają jedynie na transmisje danych inne natomiast na transmisje danych i głosu. Systemy te różnią się przeznaczeniem a co za tym idzie topologią i prędkościami przesyłu. Prędkości transmisji w systemach bezprzewodowych mogą wynosić od kilku kb/s do kilkunastu Mb/s, a obszary ich działania mogą obejmować jedno pomieszczenie bądź cały kontynent. Wśród systemów cyfrowej transmisji bezprzewodowej można wyróżnić: - systemy telefonii cyfrowej - sieci komórkowe - telefonię bezprzewodową - sieci rozległe - stacjonarne - mobilne - dyspozytorskie i trankingowe - sieci lokalne 7.1.) Systemy telefonii cyfrowej Systemy telefonii cyfrowej są aktualnie najbardziej popularnymi a co za tym idzie, najczęściej stosowanymi sieciami bezprzewodowymi. Dla wielu dużych firm telekomunikacyjnych jest to sprawa priorytetowa i nakłady na doskonalenie tej gałęzi komunikacji sięgają miliardów dolarów rocznie. Sieci te przeznaczone są przede wszystkim do transmisji głosu, jednak umożliwiają także transmisje danych, nierzadko ze znacznymi prędkościami ) Sieci komórkowe Sieci komórkowe to najczęściej używane sieci bezprzewodowe na świecie. Praktycznie w każdym z krajów rozwiniętych istnieje minimum jeden z operatorów udostępniających dobrodziejstwa sieci komórkowej. Najpopularniejszym standardem za świecie jest standard GSM. Standard GSM GSM (ang. Global System for Mobile communications) jest on europejskim standardem telefonii komórkowej i jest on najbardziej popularnym standardem Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 20

21 na świecie. Standard ten powstał w 1982 roku w ramach europejskiego porozumienia CEPT (fr. Conference Europeenne des Postes et Telecommunications). W chwili obecnej można wyróżnić cztery wersje systemu GSM GSM 900, GSM 1800, E-GSM, GSM 1900 różniące się między sobą zakresami częstotliwości radiowych wykorzystywanych do łączności między stacją ruchomą a stacją bazową. Częstotliwości sieci GSM 900, 1800 Zasada działania i architektura systemu GSM Cechą charakterystyczną telefonii komórkowej jest sposób wykorzystania pasma częstotliwości radiowej. Zajmowane pasmo podzielone jest na zbiór częstotliwości nośnych, zaś obszar działania sieci na fragmenty, zwane komórkami. Każda komórka zawiera jedną stację bazową, czyli nadajnik odbiornik radiowy, zapewniający łączność ze stacjami ruchomymi (telefonami komórkowymi). Ze względu na właściwości fal radiowych sąsiednie komórki zachodzą częściowo na siebie. W celu uniknięcia wzajemnego zakłócania się stacji bazowych, sąsiednie komórki wykorzystują różne częstotliwości nośne. Dość istotnym problemem jest projektowanie rozmieszczenia stacji bazowych. Ponieważ jedna stacja może obsłużyć określoną liczbę stacji ruchomych, pojemność systemu wzrasta wraz ze wzrostem komórek i zmniejszeniem się ich rozmiarów. Oczywiście nie ma sensu tworzenia małych komórek na obszarach o małym natężeniu ruchu. Dlatego też rozmiary komórek są mniejsze w centrach dużych miast. Jednym z podstawowych założeń telefonii komórkowej jest utrzymanie połączenia telefonicznego podczas przekraczania granic komórek. Ponieważ sąsiednie stacje bazowe nadają na różnych częstotliwościach, telefon musi mieć możliwość porównania mocy sygnałów, docierających z poszczególnych stacji. Oczywiści wszystkie zmiany stacji bazowych muszą być wykonywane bez wiedzy i ingerencji użytkownika. W skład systemów GSM wchodzą następujące elementy: - stacja ruchoma - stacja bazowa - części komunikacyjno bazowe - centrum eksploracji i utrzymania OMC (ang. Operation and Maintenance Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 21

22 Centre) Architektura systemu GSM Stacje ruchome Stacje ruchome składają się z dwóch podstawowych elementów: - wyposażenia ruchomego (ang. Mobile Equipment) - moduł SIM (ang. Subscriber Identity Module) Wyposażenie ruchome jest w zasadzie kompletnym terminalem GSM, jednak dopiero zainstalowanie w nim modułu SIM (tzw. karta SIM) umożliwia wykorzystanie w pełni terminalu. W pamięci modułu SIM zainstalowana jest informacja o abonencie danej karty, dzięki czemu użytkownik może korzystać z różnych terminali na własny koszt. Stacje bazowe Stacje bazowe BTS (ang. Base Transceiver Station) umożliwiają abonentowi danej sieci korzystanie z całości systemu w ramach jej zasięgu i ewentualnie korzystanie z innych systemów telekomunikacyjnych. Zadaniem takich stacji jest przede wszystkim wykonywanie szeregu procedur związanych z łącznością ze stacjami ruchomymi i co za tym idzie zapewnienie swobodnego przepływu głosu i danych pomiędzy stacją a telefonem. Część tych procedur wykonywana jest bezpośrednio w stacjach BTS a część w sterownikach tych stacji BSC. Sterownik BSC może obsługiwać do kilkunastu stacji bazowych BTS zazwyczaj są to stacje wchodzące w skład tego samego obszary przywołań. Część komutacyjno sieciowa W skład tej części sieci wchodzą: - centralne systemy ruchowe MSC - rejestry stacji własnych HLR - rejestry stacji obcych VLR - centrum identyfikacji Auc Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 22

23 - rejestr identyfikacji wyposażenia EIR Centrale systemu ruchomego wykonują zadania komutacji między abonentami, z których co najmniej jeden jest abonentem sieci GSM. Jeżeli w połączeniu bierze udział abonent poza sieci GSM wykorzystywana jest wtedy centrala GMSC (ang. Gateway Mobile Station Switching Centre). Rejestr HLR zawiera informacje o abonencie danej sieci. Dane tam zawarte służą do identyfikacji abonenta i określenie aktualnego położenia terminalu GSM. Z kolei rejestr VLR zawiera informacje o abonentach znajdujących się w tej samej strefie obsługiwanej przez jedną centralę MSC. Gdy tylko abonent przekroczy granicę danej komórki, automatycznie następuje aktualizacja danych w obu tych rejestrach. Centrum identyfikacji AuC służy do zabezpieczenia systemu przed niepożądanym dostępem osób trzecich i zwiera on informacje niezbędne do identyfikacji abonenta. Natomiast rejestr EIR przetrzymuje informacje niezbędne do identyfikacji stacji ruchomej. Budowa ramki w systemach GSM W każdym z kanałów częstotliwościowych o szerokości 200 khz jednostką transmisji jest tzw. ramka TDMA (ang. Time Division Multiple Access) o długości 4,615 ms, składająca się z ośmiu szczelin czasowych o czasie trwania 577 ms, zawierających po 156,25 bitów każda. Ciąg cyklicznie powtarzanych szczelin czasowych o określonym numerze (0 7) tworzy kanał fizyczny, w którym można przesłać informacje sterujące lub sygnał mowy. Tak więc szerokość pasma pojedynczego kanału fizycznego wynosi 25 khz. Technika TDMA pozwala także na uniknięcie jednoczesnego nadawania i odbioru, ponieważ nadawanie stacji ruchomej jest opóźnione w stosunku do odbioru o czas trwania trzech szczelin czasowych (1,73 ms). W pojedynczej szczelinie czasowej nadawany jest pakiet, składający się na ogół ze 148 bitów. Czas transmisji pakietu wynosi 546 ms, tak więc można zachować na granicach pakietu odstęp ochronny o czasie trwania około 30 ms. Ramki TDMA wykorzystywane są do tworzenia ramek wyższego rzędu tzw. wieloramek. Do ramek wyższego rzędu zalicza się wieloramki mowy (czas trwania ramki to 120 ms) i wieloramki sterujące (czas trwania ramki to 235 ms). Wieloramki służą następnie do tworzenia superramki. Superramka zawiera 1326 ramek TDMA, czyli 26 ramek mowy lub 51 ramek sterujących. Superramki tworzą natomiast hieperramkę. Hiperramka zawiera 2048 superramek. Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 23

24 Zasada tworzenia ramek w systemie GSM Telefonia bezprzewodowa Telefonia bezprzewodowa jest drugim rodzajem występującym w telefonii cyfrowej. System ten w odróżnieniu od telefonii komórkowej używany jest na małych obszarach roboczych np. w fabrykach, halach. Telefonia bezprzewodowa jest także często wykorzystywana jako uzupełnienie sieci komórkowych. Standard DECT Standard DECT (ang. Digital Enhanced Cordless Telecommunications) jest to europejski standard telefonii bezprzewodowej. Prace nad tym standardem rozpoczęły się w 1988 roku i został on oficjalnie zakończony w 1992 roku. Został on stworzony przez ETSI. Standard ten jest bardzo popularnym standardem telefonii bezprzewodowej w Europie można go wykorzystywać między innymi: - jako uzupełnienie sieci komórkowych - w bezprzewodowych sieciach firmowych z centralą abonencką - w bezprzewodowych pętlach abonenckich itp. System ten jest bardzo często wykorzystywany w łączności między pracownikami np. w dużych centrach handlowych, fabrykach czy na lotniskach. Zasada działania i architektura systemu DECT System DECT to standard telefonii bezprzewodowej, który obejmuje grupę rozwiązań technicznych dla zapewnienia dwukierunkowego, bezprzewodowego przesyłania mowy. System ten musi zapewnić wysoką jakość połączenia przy dość znacznych odległościach rzędu kilkuset metrów od stacji bazowej. W strukturze tego systemu można wyróżnić części ruchome PP (aparaty telefoniczne), które to komunikują się z częściami stałymi RFP (stacje bazowe). Stacje bazowe tworzą tzw. mikrokomórki, których zasięg nie przekracza kilkuset metrów. Stacje bazowe często połączone są z centrum sterowania CCFP, które odpowiada za połączenia abonenta sieci DECT z inną usługą telekomunikacyjną np. z telefonem konwencjonalnym. Zespół stacji bazowych i centrum sterowania (rysunek 14) tworzą tzw. system FP (ang. Fixed Part). Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 24

25 Struktura pakietu i organizacja kanału Standard DECT wykorzystuje pasmo częstotliwości MHz. Dwukierunkowość łącza uzyskuje się metodą podziału czasowego TDD (ang. Time Division Duplex). Pasmo częstotliwości podzielone jest na 10 kanałów częstotliwościowych o szerokości 1,728 MHz. Każdy kanał dzielony jest następnie na 12 szczelin czasowych dla każdego kierunku, tak więc w systemie dostępnych jest 120 kanałów dwukierunkowych lub 240 jednokierunkowych. Struktura systemu DECT Czas trwania szczeliny wynosi 417 ms, z czego 365 ms służy przesyłowi informacji, zaś pozostałe 52 ms stanowi przedział ochronny. Przesyłanie informacji zawiera dane sterujące oraz sygnały użytkownika. Kanały transmisyjne w standardzie DECT Ciekawą cechą standardu DECT jest dynamiczne przydzielanie kanałów. Wszystkie ze stacji bazowych prowadzą ciągłe nadawanie informacji sterujących na co najmniej jednym z kanałów. Stacje ruchome przeszukują całe dostępne pasmo w celu uzyskania jak najlepszego sygnału i dostrajają się do najlepszej stacji bazowej po czym kontynuują przeszukiwanie pasma. Tak jak w przypadku pasma dokonywany jest wybór kanału. W przypadku dokonania połączenia stacja ruchoma zgłasza żądanie do stacji bazowej o przydzielenie konkretnego kanału. Jeśli kanał wybrany przez stacje ruchomą jest wolny, stacja bazowa przydziela jej ten kanał. W przypadku gdy stacja ruchoma wykryje pogorszenie jakości transmisji i znajdzie lepszy kanał zgłasza prośbę przełączenia na inny kanał do stacji bazowej. Systemy DECT potrafią także przełączać stacje ruchome pomiędzy swoimi stacjami bazowymi. Ma to miejsce w sytuacji gdy inna stacja bazowa oferuje lepszą jakość połączenia niż Realitynet.pl - przystępnie o komputerach 25