Przekaz radiowy, szumy i kod HDB Mikołaj Leszczuk Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Telekomunikacji 2010-10-24
Spis treści wykładu Definicja sieci bezprzewodowej Wireless LAN Elementy infrastruktury sieci bezprzewodowych Zalety sieci bezprzewodowych IEEE 802.x standardy sieci LAN i MAN Szumy Maska telekomunikacyjna Kod HDB-2, jako odpowiedź na przekłamania transmisji 2
Definicja sieci bezprzewodowej (1/2) Sieć bezprzewodowa (ang. Wireless LAN) to sieć lokalna zrealizowana bez użycia przewodów Medium przenoszące: o Fale radiowe (najczęściej) o Podczerwień Standardyzacja IEEE 802.x (najczęściej 802.11) 3
Definicja sieci bezprzewodowej (2/2) Szybkość przesyłania danych zależna od o Użytego standardu o Odległości pomiędzy użytymi urządzeniami Najczęściej stosowane/osiągane szybkości: o 11 Mbit/s o 22 Mbit/s o 44 Mbit/s o 55 Mbit/s 4
Elementy infrastruktury sieci bezprzewodowych Karty sieciowe, najczęściej typu o PCI o USB o PCMCIA Punkty dostępowe (ang. Access Point) Anteny Pozostałe: o Kable o Złącza o Konektory o Przejściówki o Rozdzielacze antenowe o Terminatory 5
Zalety sieci bezprzewodowych Mobilność końcówki mogą się przemieszczać Łatwość instalacji nie trzeba kłaść przewodów Elastyczność łatwe dokładanie nowych końcówek Zasięg od kilku metrów (w budynkach) do kilkudziesięciu kilometrów 6
IEEE 802.x standardy sieci LAN i MAN Rodzina standardów 802.x Standardy publikowane dla: o Sieci lokalnych optymizowanych pod kątem obszarów średniej wielkości: Local Area Networks (LANs) o Sieci miejskich optymizowanych pod kątem obszarów większych niż LAN: Metropolitan Area Networks (MANs) Zawartość standardów: o Model referencyjny standardów protokołów o Opisy samych sieci 7
IEEE 802.1 LAN/MAN Bridging... Dostęp do sieci nierutowalnej (tylko lokalnej=bez wyjścia na świat) Elementy usług i protokołów pozwalające na wymianę informacji zarządzających pomiędzy stacjami włączonymi do sieci: o LAN o MAN Również: specyfikacja zdalnie zarządzanych obiektów 8
IEEE 802.11 ( Wireless LANs ) cechy wspólne Wielodostęp (wspólne medium) Identyfikator sieci Bezpieczeństwo: o Szyfrowanie o Blokada wg adresów 9
Standardy IEEE 802.11 Grupa (rodzina) standardów IEEE Sporządzane przez grupę 11 z IEEE 802 Czasem określenie "802.11" używane w stosunku do pierwszego standardu grupy (formalnie przemianowanego na 802.11y) 802.11{a,b,g} zupełnie niezależnie protokoły skupiające się na kodowaniu 802.11{c-f,h-j,n} rozszerzenia usług i poprawki do innych standardów z rodziny 10
Zakres częstotliwości fal radiowych dla 802.11 Nie podlega koncesjonowaniu Możliwość instalowania sieci bez żadnych zezwoleń Ale... znaczne zakłócenia np. pochodzące od kuchenek mikrofalowych Dostępność standardów w Polsce 802.11{b,g} (niepełna) Ograniczenie w Polsce tylko pasmo od 2410 MHz do 2470 MHz czyli kanały od 1 do 12 11
Przegląd standardów 802.11 i ich daty publikacji Nazwa Szybkości [Mbit/s] Pasmo [GHz] 802.11(y) 1, 2 2,4-2,5 1997 802.11a 6, 9, 12, 24, 36, 48, 54 5,0 1999 802.11b 1, 2, 5,5, 11 2,4-2,5 1999 Data publikacji Uwagi Urządzenia dopiero w 2001 Rozszerzenie 802.1y do pracy z szybkością 5,5 oraz 11 Mb/s 802.11g 802.11n 100, 250 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, 54 2,4-2,5 2003 2,4 lub 5,0 2006 Zgodny w dół z 802.11b Wyższe wymagania co szybkości 12
802.11y Medium o Promieniowane podczerwone o Fale radiowe Zastosowania w chwili wprowadzenia o Przemysł o Medycyna Zatrzymanie rozwoju 802.11 dla podczerwieni ze względu na konkurencję standardu IrDA Szybkie przejście do 802.11b wskutek o Niskiej wydajności o Wysokiego zainteresowana 13
802.11b Szybkość przekazu do 11 Mbit/s przy użyciu standardowych anten Realne obniżenie szybkości do 5,5 Mbit/s przez niską sprawność protokołu Możliwość intencjonalnego obniżenia szybkości do 5,5 Mbit/s lub 1 Mbit/s Spektrum podzielone na 14 niezależnych kanałów o szerokości 22 MHz Zastosowanie w chwili wprowadzenia zastępowanie połączeń: o Operatorów kablowych (aspekt cenowy) o Starszego sprzętu do komunikacji mikrofalowej 14
Compaq WL200 802.11b PCI card Źródło: Wikipedia 15
Zasięg 802.11b Do 96 m na otwartej przestrzeni Do 46 m w pomieszczeniu Znaczne tłumienie (pochłanianie fal, obniżenie jakości sygnału) przez niektóre materiały o Metal o Woda o Beton Większy zasięg przy zastosowaniu wzmacniaczy o Do 8 km praktycznie stosowane o Do 120 km tylko testowo 16
802.11b+ jako modyfikacja 802.11b Własne produkty niektórych producentów osiągające szybkości... o 22 Mbit/s o 33 Mbit/s o 44 Mbit/s Oparte na standardzie ale nigdy nie uznane jako standard przez IEEE 17
Standard 802.11a Szybkość przekazu do 54 Mbit/s Szybkość średnia ok. 20 Mbit/s Możliwość intencjonalnego obniżenia szybkości o 48 Mbit/s o 36 Mbit/s o 34 Mbit/s o 18 Mbit/s o 12 Mbit/s o 9 Mbit/s o 6 Mbit/s Spektrum podzielone na 12 niezależnych kanałów: o 8 do pracy w budynkach o 4 do pracy między dwoma punktami (ang. point to point) Koncesyjność pasma 5 GHz w niektórych krajach 18
Popularność standardu 802.11a Niższa w porównaniu do standardu 802.11b Dodatkowe (prócz, miejscowej, koncesyjności pasma) problemy: o Krótszy zasięg o Większy pobór mocy Choć... wiele obecnie dostępnych na rynku urządzeń pracujących w obu standardach Niektóre karty pozwalające nawet na pracę w dwóch systemach równolegle 19
Standard 802.11g Szybkość przekazu do 54 Mbit/s Pasmo częstotliwości 2,4 GHz Podobnie jak 802.11b Całkowita zgodność "w dół" ze standardem 802.11b Praktyczna redukcja szybkości do 11 Mbit/s przy korzystaniu ze starszych urządzeń 20
Kompatybilność urządzeń 802.11g ze standardem Rozpoczęcie wdrażania standardu w produktach (karty, access pointy) wielu firm jeszcze przed jego wprowadzeniem Źródło potencjalnych problemów z kompatybilnością Całkowita zgodność od lata 2003 roku Obecnie większość produktów to produkty: o Jednokanałowe bg o Dwukanałowe abg 21
802.11 super G Popularna opcja producencka Możliwość łączenia pasma kilku kanałów w jedno Szybkość przekazu do 108 Mbit/s Dodatkowo poprawienie algorytmów zarządzania ruchem pakietów radiowych Wynik poprawa sprawności protokołu Brak wsparcia i kompatybilności ze wszystkimi urządzeniami 22
Standard 802.11n Szybkość przekazu 100 Mbit/s albo 250 Mbit/s Zwiększenie zasięgu Możliwość objęcia rozległych sieci bezprzewodowe Anteny MIMO (ang. Multiple Input, Multiple Output) 23
SISO, SIMO, MISO i MIMO Źródło: Wikipedia 24
Inne standardy 802.11 802.11d definicje pasm dla różnych krajów 802.11e wprowadzenie różnych priorytetów stacji w obrębie sieci 802.11f IAPP (ang. Inter-Access Point Protocol) 802.11h formalne wprowadzenie pasma 5 GHz i zgodność z normami EU 802.11i bezpieczeństwo 802.11j modyfikacja na potrzeby Japonii 25
Problem kompatybilności urządzeń Gwałtowny rozwój bezprzewodowych sieci komputerowych Rezultat powstanie potrzeby testowania poszczególnych urządzeń na zdolność współpracy między sobą Odpowiedź na problem stworzenie certyfikatu i logo WiFi (ang. Wireless Fidelity) 26
Certyfikaty WiFi Standardy 802.11 podstawą certyfikatów WiFi Zakres certyfikacji: o Wszystkie standardy 802.11 o Zasady dotyczące bezpieczeństwa o Wyraźne podawanie częstotliwości pracy 27
IEEE 802.12 demand priority access. Specyfikacja: charakterystyk kontroli dostepu do medium (MAC) dla priorytetowych metod dostępu na żądanie, zarządzania podwarstwą, warstw fizycznych, mediów, które obsługują priorytetową metodę dostępu: o kabel symetryczny (skrętka) 100 Ω (Kategorie 3...5), o kabel symetryczny ekranowany 150 Ω, o światłowód. 28
IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks Sieć o zasięgu osobistym Bluetooth Pasmo: 2,4 GHz Przepustowość: do 723 kbit/s Wielodostęp (wspólne medium) 29
BWA ang. Broadband Wireless Access Szerokopasmowe sieci miejskie Konkurencja dla sieci... o Światłowodowych o Kablowych o xdsl IEEE 802.16 Broadband Wireless Metropolitan Area Networks Pasmo: od 2 GHz do 11 GHz Przepustowość: od 128 kbit/s do 1,5 Mbit/s Integracja usług: o Internet o Dane o Audio o Wideo 30
SZUMY 7/25/2009 31
Podział szumów z uwagi na widmo Szum biały o o o Całkowicie płaskie widmo sygnału Przez analogię do widma optycznego fali elektromagnetycznej Światło białe to de facto szum elektromagnetyczny mieszaniny wszystkich możliwych barw o całkowicie płaskim widmie Szum różowy o Szum o widmie z przewagą częstotliwości niskich o Różowe światło o przewadze niskich częstotliwości o Inaczej szum 1/f Szum czerwony o o o o Albo szum brązowy, także szum Browna Szum o jeszcze większej przewadze częstotliwości niskich Znowu przez analogię do światła Światło barwy czerwonej, gdy ma jeszcze większą przewagę niskich częstotliwości 7/25/2009 32
Szum biały Źródło: Wikipedia 7/25/2009 33
Szum różowy Źródło: Wikipedia 7/25/2009 34
Szum czerwony Źródło: Wikipedia 7/25/2009 35
Inne pojęcia związane z szumem Szum akustyczny dźwięk, którego widmo jest w większości zakresu słyszalności zrównoważone Niektóre źródła powstawania szumu: o Szum termiczny główne źródło zakłóceń w układach o elektronicznych Szum śrutowy fluktuacje prądu elektrycznego, związane z ziarnistą naturą ładunku elektrycznego 7/25/2009 36
Definicja MASKA TELEKOMUNIKACYJNA 7/25/2009 37
Maska telekomunikacyjna definicja (1/2) Konieczność zapewnienia ściśle określonego kształtu sygnału przenoszonego przez tor transmisyjny Przyczyna możliwość niewłaściwego interpretowania danych przez odbiornik Zwykle brak idealności kształtu odebranego impulsu 38
Maska telekomunikacyjna definicja (2/2) Maska telekomunikacyjna określenie dopuszczalnego odchylenia kształtu impulsu sygnału cyfowego Jeśli sygnał nie wykracza poza ramy maski => założenie, że odbiornik prawidłowo sygnał o o Odbierze i Zinterpretuje W przeciwnym przypadku: o o Może to być niemożliwe lub Może nastąpić jego przekłamanie (w zależności od charakteru tych zniekształceń) 39
Wymagania MASKA TELEKOMUNIKACYJNA 7/25/2009 40
Maska telekomunikacyjna wymagania Istnienie wymagań impulsy w zakresie: o o Amplitudy Kształtu Zakres wymagań urządzenia telekomunikacyjne: o o PCM PDH Szczegółowa standardyzacja: o Zalecenie Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej ITU-T o G.703 "Wymagania techniczno-eksploatacyjne dla teletransmisyjnych plezjochronicznych systemów cyfrowych" 41
Maska telekomunikacyjna wyciąg z wymagań Przepływność Impedancja wyjściowa Kod Znamionowa amplituda impulsu Tolerancja amplitudy kb/s Ω - V % U znam. 139 264 75 CMI 0,50 +/- 10 34 368 75 HDB-3 1,00 +/- 10 8 448 75 HDB-3 2,37 +/- 10 2 048 75 HDB-3 2,37 +/- 10 2 048 120 HDB-3 3,00 +/- 10 64 Codirectional Contradirectional AMI Centralized 120 AMI 1,00 +/- 10 7/25/2009 42
Przykłady porównania przebiegów z maskami telekomunikacyjnymi, zmierzone przebiegi są prawidłowe (nie wykraczają poza ramy masek) MASKA TELEKOMUNIKACYJNA 43
Przykład maski telekomunikacyjnej dla przebiegu PDH 140 Mbit/s Porównanie przebiegu nieramkowanego 140 Mbit/s (nałożone na siebie 100 impulsów), wyjście niesymetryczne 75 Ω, kod CMI, sygnał "same jedynki" z maską telekomunikacyjną 7/25/2009 44
Przykład maski telekomunikacyjnej dla przebiegu PCM 2 Mbit/s Porównanie przebiegu nieramkowanego 2 Mbit/s (nałożone na siebie 100 impulsów), wyjście symetryczne 120 Ω, kod HDB-3, sygnał "same jedynki" z maską telekomunikacyjną 7/25/2009 45
Odbicia Spadki: o o Napięcia Mocy Niepożądane zjawiska skutkujące modyfikacją sygnału względem wyjścia nadajnika Nieliniowość stopni mocy: o o Odbiorników Nadajników Fluktuacja fazy 46
Odpowiedź na przekłamania transmisji KOD HDB-2 7/25/2009 47
Kod HDB-2 Kod HDB-2 (ang. High Density Bipolar Code ) Kod transmisyjny Zadanie: odpowiednie kształtowanie właściwości transmisyjnych sygnału liniowego Kody transmisyjne powinny posiadać wiele cech niezbędnych do realizacji transmisji przy istniejących ograniczeniach ze strony: o o Kanału transmisyjnego, i Współpracujących z nim urządzeń 7/25/2009 48
Najbardziej pożądane właściwości sygnału Brak składowej stałej Niski poziom widma gęstości mocy w pobliżu częstotliwości f=0 Koncentracja widma gęstości mocy w jak najwęższym paśmie Możliwość odtworzenia elementowej podstawy czasu Odporność na zakłócenia 7/25/2009 49
Kod HDB-2 jako przykład kodu z grupy kodów pseudoternarnych (1/2) Kod pseudoternarny 3 stany sygnału kodowego mimo jedynie 2 stanów sygnału informacyjnego Elementy liniowe o czasie trwania równym połowie okresu charakterystycznego T 50
Kod HDB-2 jako przykład kodu z grupy kodów pseudoternarnych (2/2) Zwiększenie liczby poziomów do trzech: o o o o Zapewnienie korzystnych własności widmowych sygnału Zmniejszenie zniekształceń interferencyjnych Powiększenie zasięgu Podniesienie jakości transmisji Częste zmiany stanu sygnału nawet wtedy gdy stan sygnału danych nie ulega zmianie Efekt: zapewnienie dobrych właściwości synchronizacyjnych uzyskuje się przez 51
Zasada kodowania odwzorowywania 1 przemiennie w impulsy: o o Dodatnie Ujemne 0 o Zerowy poziom sygnału (gdy nie występuje sekwencja o zawierająca więcej niż dwa 0 ) Impuls zakłócający regułę przemienności, tzn. impulsem o polaryzacji zgodnej z polaryzacją ostatniego impulsu (w sekwencjach dłuższych, każde trzecie zero) 52
Impulsy zakłócające Zmiana polaryzacji z impulsu na impuls Eliminacja zastępowania długich sekwencji zer sekwencjami impulsów o jednakowej polaryzacji Zapobieganie uwypukleniu niepożądanej niskoczęstotliwościowej części widma 53
Dokładna reguła tworzenia sygnału liniowego kodu Bity danych Elementy sygnału Warunki wyboru sekwencji 1 B 000 00V 00B Jeżeli za ostatnim elementem V występuje nieparzysta liczba elementów B Jeżeli za ostatnim elementem V występuje parzysta liczba elementów B 7/25/2009 54
Opis elementów sygnału V element o polaryzacji zgodnej z poprzednim elementem niezerowym B element o polaryzacji przeciwnej do poprzedniego elementu niezerowego Elementy B i V: o Wartość 0 przez pierwszą połowę odstępu o charakterystycznego T Wartość ±d przez drugą połowę odstępu charakterystycznego (gdzie d to amplituda impulsu prostokątnego) Modyfikacja HDB-3 7/25/2009 55
HDB-3 7/25/2009 56
Kod HDB-2: Eliminacja długich sekwencji Dzięki eliminacji długich sekwencji zer kod HDB-2 posiada dobre właściwości synchronizujące W wyniku wprowadzenia elementów V, w sygnale nie mogą wystąpić zaniki zmian trwające dłużej niż przez 2 odstępy charakterystyczne T Wystarcza to do zachowania dobrych warunków synchronizacji bez ograniczeń dotyczących struktury danych 57
Kod HDB-2: Eliminacja składowej stałej Zasada kodowania eliminuje składową stałą i to w sposób niezależny od struktury danych. Maksymalna wartość bieżącej sumy cyfrowej nie przekracza wartości 2, a więc jest nieznacznie większa niż dla kodu bipolarnego. 58
Kod HDB-2: Nadmiar kodowania i widmo Nadmiar wynikający z kodowania trójstanowego (dwie informacje odwzorowywane w trzy poziomy sygnału) pozwala na wykrycie błędów transmisyjnych objawiających się zakłóceniami reguły przemienności biegunowości kolejnych impulsów B oraz V Kod HDB-2 posiada dobre własności widmowe: o Górna granica widma nie jest obniżona w stosunku do widma sygnału binarnego lecz istotna energetycznie jego część jest zawężona. o Dla dowolnego prawdopodobieństwa rozkładu informacji widmo nie zawiera części dyskretnej. 59
Kod HDB-2: Zmniejszenie czasu impulsu Zmniejszenie czasu trwania impulsu do połowy odstępu charakterystycznego pozwoliło na zwiększenie dopuszczalnego napięcia międzyszczytowego sygnału liniowego, przy tym samym poziomie zakłóceń w sąsiednich torach jak dla kodowania bipolarnego. 60
Kod HDB-2: Podstawowe wady kodu Do podstawowych wad kodu należy zaliczyć małą odporność na zakłócenia wynikające ze zwiększenia liczby poziomów elementów sygnału do trzech. Zasada kodowania wprowadza również możliwość powielania błędów (tzw. propagacje błędów). Wadą kodu HDB-2 jest niemożność natychmiastowego kodowania (i dekodowania), gdyż zarówno w nadajniku jak i odbiorniku przed nadaniem odpowiedniego impulsu są analizowane każde trzy pozycje ciągu binarnego. 61
Schemat montażowy kodera kodu HDB-2 62
Literatura (1/2) Lokalne sieci komputerowe, http://www.linuxpub.pl/download/sieci.p df Aloha Protocol - Computer Science - Provided by Laynetworks.com http://www.laynetworks.com/aloha%20protocol.htm CSMA http://www.cs.mu.oz.au/353/notes/node126.html 63
Literatura (2/2) 'Get IEEE 802'TM Home Page http://standards.ieee.org/getieee802/ Sieci Profil Dydaktyczny http://irogozinska.strony.wi.ps.pl/ Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/course/lan-pages/csma-cd.html 64