1. Wprowadzenie 3 urządzenia transmisji bezprzewodowej 12



Pobieranie 140.17 Kb.
Strona1/6
Data08.05.2016
Rozmiar140.17 Kb.
  1   2   3   4   5   6






Andrzej Grzywak
Sieci Bezprzewodowe

Spis treści


1. Wprowadzenie 3

2. urządzenia transmisji bezprzewodowej 12

3. realizacjA komunikacji bezprzewodowej w sieciach komputerowych 14

4. Istniejące systemy transmisji bezprzewodowej 17

5. Problemy w transmisji radiowej 20

6. Pikosieci i sieci lokalne 23

6.1. Sieci typu piconet oparte o standard Blue Tooth 23

6.2. Sieci lokalne oparte o standard 802.11 28

7. Sieci oparte o protokół WAP 35

8. Wnioski końcowe 43

9. LITERATURA 44

10. Spis tablic 45

11. Spis ilustracji 46

1.Wprowadzenie


Bezprzewodowe media komunikacyjne są stosowane w wielu dziedzinach życia od wielu lat (radio, telewizja, telekomunikacja). W ostatnich latach media bezprzewodowe (fale radiowe i podczerwień) są również coraz częściej stosowane w sieciach komputerowych lokalnych i rozległych. Występuje wiele przypadków, dla których media komunikacyjne bezprzewodowe są korzystniejsze od przewodowych. O wyborze decydują względy ekonomiczne, organizacyjne bądź techniczne. Typowe przypadki, dla których transmisja bezprzewodowa w sieciach komputerowych jest pożądana lub wręcz konieczna, to:

  • stacje robocze, które mają komunikować się ze sobą, rozmieszczone są na dużym obszarze ubogim w środki łączności przewodowej, np. telefonicznej. Transmisja radiowa jest wówczas względnie prostym i tanim sposobem uzyskania łączności na stosunkowo duże odległości,

  • stacje robocze, które mogą się poruszać względem siebie. W tym przypadku zalety transmisji bezprzewodowej są najbardziej oczywiste, ponieważ przewody elektryczne praktycznie uniemożliwiają swobodne poruszanie się stacji. Coraz powszechniejsze będzie wyposażenie komputerów przenośnych w środki łączności bezprzewodowej,

  • sieć komputerowa, która charakteryzuje się dużymi wahaniami obciążenia. Zastosowanie mediów bezprzewodowych w takich przypadkach może być korzystniejsze ze względów ekonomicznych,

  • sieć lokalna, zawierająca niewielką liczbę stacji zlokalizowanych na stosunkowo małym obszarze , jeśli wykonanie połączeń przewodowych jest niewygodne lub kosztowne.

Aktualnie w sieciach komputerowych stosowane są dwa podstawowe rodzaje bezprzewodowych mediów komunikacyjnych:



  • fale elektromagnetyczne radiowe (w tym transmisja satelitarna),

  • promieniowanie podczerwone (ang. infrared),

  • promieniowanie laserowe.

Podczas gdy w komunikacji przewodowej stosowane są fale elektromagnetyczne rozchodzące się wzdłuż linii przesyłowej w przestrzeni organicznej, komunikacja bezprzewodowa wykorzystuje fale elektromagnetyczne rozchodzące się w wolnej przestrzeni. Ogólnie rzecz biorąc, zakresy częstotliwości fal elektromagnetycznych wykorzystywanych do transmisji są zbliżone dla mediów przewodowych i bezprzewodowych, stosowanie tych drugich daje jednak nowe możliwości związane z propagacją fal nie ograniczoną do linii transmisyjnej.

Przedział częstotliwości fal radiowych wykorzystywanych do transmisji rozciąga się od 30 kHz do 300 GHz, aczkolwiek technicznie możliwe jest stosowanie do tego celu także częstotliwości niższych. Odpowiada to długościom fali od 1 mm do 10 km. Ponieważ właściwości fizyczne fali elektromagnetycznej ulegają zmianie wraz ze zmianą jej długości, dokonano podziału tego przedziału na zakresy (Tablica 1).


  1. Zakresy fal elektromagnetycznych




Zakres

Długość fal

Oznaczenie

30 kHz ÷ 300 kHz

300 kHz ÷ 3 MHz

3 MHz ÷ 30 MHz

30 MHz ÷ 300 MHz

300 MHz ÷ 3 GHz

3 GHz ÷ 30 GHz

30 GHz ÷ 300 GHz


10 km ÷1 km

1 km ÷100 m

100 m ÷10 m

1 m ÷1 m


1m ÷10 cm

10 cm ÷1 cm

1 cm ÷1 mm


LF

MF

HF



VHF

UHF


SHF

EHF

W zakresach LF I MF (fale długie i średnie) istnieją znaczne ograniczenia na dostępną szerokość pasma, a więc prędkość transmisji w tych zakresach byłaby bardzo niska. Dlatego taż zakresy te nie są stosowane do transmisji danych cyfrowych, wymagających wysokiej jakości (duża szybkość, odporność na zaniki i zakłócenia) transmisji.

W zakresie HF (fale krótkie) ograniczenia na szerokość pasma są już mniej rygorystyczne i zakres tej jest używany między innymi w amatorskiej łączności cyfrowej w systemie Packet Radio. Prędkość transmisji nie przekracza 300 b/s. Propagacja fal krótkich zależy jednak od pory dnia i roku oraz, w mniejszym stopniu, od warunków atmosferycznych, częste są zatem zjawiska zaników fali, utrudniające nawiązanie i utrzymanie łączności. Z tego powodu dla potrzeb danych cyfrowych wykorzystuje się niemal wyłącznie fale ultrakrótkie z zakresów VHS, UHF i SHF. Zakres VHF wykorzystywany jest przede wszystkim w telemetrii, natomiast pasma UHF i SHF używane są głównie przez urządzenia do tworzenia fal radiowych sieci lokalnych.

Wśród cyfrowych systemów radiokomunikacyjnych można wyróżnić dwie grupy:


  • systemy wąskopasmowe,

  • systemy z widmem rozproszonym.

W systemach wąskopasmowych szerokość pasma dostępnego dla transmisji jest w przybliżeniu równa minimalnej szerokości wymaganej dla transmisji z przyjętą prędkością lub tylko nieznacznie od niej większą. Typowa szerokość pasma wynosi 12.5 lub 25 kHz, co umożliwia transmisję danych z prędkością odpowiednio 9.6 lub 19.2 kb/s.

W systemach z widmem rozproszonym szerokość pasma jest znacznie większa niż wymagana dla założonej prędkości transmisji.

Rozproszenie widma uzyskuje się obecnie dwoma metodami:



  • bezpośredniej modulacji przesyłanych danych pseudoprzypadkowym przebiegiem rozpraszającym (DSSS, ang. Direct Sequence Spread Spectrum),

  • pseudoprzypadkowych przeskoków częstotliwości nośnej (FHSS, ang. Frequency Hoping Spread Spectrum).

Podejście takie charakteryzuje się następującymi zaletami w stosunku do systemów wąskopasmowych:



  • utrudnione jest wykrywanie i rozpoznawanie takich sygnałów oraz przechwytywanie transmitowanej informacji,

  • sygnał ma wysoką odporność na zakłócenia,

  • możliwa jest praca we wspólnym kanale przy niskich mocach nadajników.

Systemy z widmem rozproszonym zostaną omówione w dalszych punktach publikacji.

Stosowanie fal radiowych jako medium transmisyjnego narzuca pewne ograniczenia na prędkość transmisji, ze względu na ograniczoną szerokość dostępnego pasma częstotliwości. Stosowanie różnych metod modulacji sygnału cyfrowego pozwala na uzyskanie różnych względnych prędkości transmisji.

Zarówno częstotliwość nośna, nie mogą być swobodnie dobierane. Przydziałem częstotliwości w poszczególnych krajach zajmują się agendy rządowe, w Polsce – Państwowa Agencja Radiokomunikacyjna (PAR). W niektórych krajach (USA, Europa Zachodnia, Japonia) dla potrzeb realizacji systemów transmisji bezprzewodowej, a zwłaszcza bezprzewodowych lokalnych sieci komputerowych, wydzielono pasma częstotliwości dla swobodnego wykorzystania, bez obowiązku starań o ich przydział. Są to pasma:



  • 902 ÷ 928 MHz – w USA,

  • 2.4 ÷ 2.4835 GHz – w USA, Europie Zachodnie i Japonii,

  • 5.725 ÷ 5.85 GHz – w USA.

Pasma te są określone mianem ISM (Industrial, Scientific & Medical). Urządzenia pracujące w tych pasmach wykorzystują rozpraszane widma sygnału.

Podczas projektowania cyfrowego systemu radiokomunikacyjnego należy uwzględnić cechy charakterystyczne fal radiowych, w szczególności zaś różnice między transmisją radiową a przewodową. Jest to konieczne w celu lepszego wykorzystania medium radiowego, a więc i uzyskania możliwie dobrych parametrów transmisji.
Struktura cyfrowego systemu radiokomunikacyjnego.

W celu wykorzystania fal radiowych jako medium służącego transmisji danych cyfrowych niezbędne jest przetworzenie tych danych na postać akceptowalną dla systemów transmisyjnych. Przetworzenie to, podobnie jak dla „tradycyjnej” transmisji analogowej, oparte jest na technice modulacji, przy czym w cyfrowych systemach łączności wykorzystuje się inne metody modulacji. Sygnał wyjściowy z modulatora przekazywany jest do nadajnika (rys.1), skąd, poprzez odpowiednie medium transmisyjne (w tym przypadku fale radiowe), trafia do odbiornika. W celu wyodrębnienia, z uzyskanego przebiegu, przesyłanych danych stosuje się demodulator, składający się z detektora i układu decyzyjnego. Możliwe są dwa rodzaje detekcji:



  • detekcja koherentna, wymagająca sinusoidalnego sygnału odniesienia, zsynchronizowanego w fazie i częstotliwości z odebranym sygnałem nośnym,

  • detekcja niekoherentna, nie wymagająca takiego sygnału.

Zadaniem układu decyzyjnego (tzw. synchronizatora elementowego) jest zdekodowanie zdemodulowanego sygnału i przekształcenie go w ciąg bitów danych.




    1. Schemat cyfrowego systemu radiokomunikacyjnego




W zależności od tego, który z parametrów przebiegu nośnego jest modyfikowany sygnałem informacyjnym, wyróżnia się modulację amplitudy (AM), częstotliwości (FM) lub fazy (PM). W cyfrowych systemach radiokomunikacyjnych 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. Drugi etap to modulacja analogowa przebiegu nośnego wielkiej częstotliwości falą podnośną, odbywającą 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. 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 modulacja mieszana, będąca kombinacją dwóch podstawowych metod modulacji. Modulacja wielowartościowa, ze względu na większą liczbę rozróżnialnych stanów sygnału, a więc i mniejszą odporność na błędy, wymaga jednak lepszego toru transmisyjnego.
Dobór parametrów systemu radiokomunikacyjnego

Projektując cyfrowy system radiokomunikacyjny należy dokonać wyboru częstotliwości nośnej oraz szerokości pasma. Wpływ na te czynniki ma rodzaj modulacji, w szczególności zaś jej szybkość oraz pożądana szybkość transmisji. Każda metoda modulacji charakteryzuje się maksymalną liczbą bitów przesyłanych w jednostce czasu przy określonej częstotliwości.

Kolejnym istotnym parametrem jest moc nadajnika. Zależy ona przede wszystkim od pożądanego zasięgu transmisji, lecz także od ukształtowania terenu, na którym planuje się rozmieszczenie sieci radiowej, oraz parametrów stosowanych anten.
Częstotliwości w systemach radiowych

Właściwości fal elektromagnetycznych, w tym radiowych zależą od ich częstotliwości. Ze względu na dużą liczbę nadających w zakresie fal długich i średnich (o częstotliwościach poniżej 3 MHz), istnieją duże ograniczenia na szerokość pasma. Z tego powodu do wykorzystania pozostają jedynie fale krótkie (3, 30 MHz) i ultrakrótkie (powyżej 30 MHz).

Fale krótkie pozwalają na uzyskanie dużych zasięgów, obejmujących nawet całą kulą ziemską. Niestety propagacja fal krótkich silnie zależy od pory dnia i roku, dlatego też do łączności dziennej wykorzystuje się na ogół inne zakresy niż do łączności w nocy. Ponadto, ze względu na wielodrogowość propagacji, sygnał radiowy podlega różnorodnym zanikom, w wyniku których powstają między innymi strefy milczenia. W strefach tych odbiór jest niemożliwy, podczas gdy przed i za taką strefą łączność jest możliwa. W związku z ciągłą zmiennością parametrów łącza na falach krótkich, do łączności cyfrowej lepiej nadają się fale ultrakrótkie.
Dobór mocy nadajnika

W przypadku fal ultrakrótkich (30, 1000 MHZ), najczęściej stosowanych w radiowej łączności cyfrowej ze względu na korzystniejsze niż w przypadku fal krótkich parametry transmisji, występuje tzw. przyziemna propagacja fal. W propagacji tej, oprócz zjawisk rozpraszania fal duże znaczenie mają zjawiska odbicia, dyfrakcji i refrakcji. Tłumienność trasy przyziemnej jest znacznie większa niż trasy wolno-przestrzennej, a ponadto jest silnie zależna od rodzaju terenu. Ostatni czynnik ma szczególne znaczenie zwłaszcza dla sieci mobilnych.


Systemy radiowe z widmem rozproszonym

Metoda modulacji z widmem rozproszonym (ang. Spread Spectrum), w której szerokość pasma przesyłanego sygnału jest znacznie większa niż wymagana dla przesyłania informacji w paśmie podstawowym, charakteryzuje się następującymi zaletami w stosunku do klasycznych metod modulacji:



  • utrudnione jest wykrywanie i rozpoznawanie takich sygnałów oraz przechwytywanie transmitowanej informacji,

  • sygnał ma wysoką odporność na zakłócenia,

  • możliwa jest praca we wspólnym kanale przy niskich mocach nadajników.

W celu transmisji sygnału o poszerzonym widmie wykorzystuje się szerokopasmowy, pseudolosowy przebieg rozpraszający. Jest on wprowadzany wraz z przesyłanym sygnałem na wejście modulatora zarówno w nadajniku, jak i w odbiorniku. Istnieje klika metod rozpraszania sygnału:



  • bezpośrednia modulacja sygnału pseudolosowym przebiegiem szerokopasmowym (ang. Direct Sequence),

  • przeskoki częstotliwości nośnej (ang. Frequency Hoping),

  • przeskoki w czasie (ang. Time Hoping),

  • szerokopasmowa, liniowa modulacja częstotliwości (ang. Linear Frequency Modulation).

Wielodostęp uzyskuje się metodami:



  • rozdziału kodowego (ang. Code Division Multiple Access), w którym różnym stacjom podporządkowuje się różne przebiegi rozpraszające, dzięki czemu uzyskuje się zwiększenie liczby kanałów,

  • rozdziału czasowego (ang. Time Division Multiple Access), w którym stacje nadają naprzemiennie we wspólnym kanale.


Synchronizacja

Zapewnienie prawidłowego odbioru nadawanych sygnałów wymaga zsynchronizowania odbiornika z nadajnikiem. W przypadku systemów radiokomunikacyjnych proces synchronizacji przebiega w kilku etapach:



  • synchronizacja przebiegu nośnego (w przypadku demodulacji koherentnej),

  • synchronizacja zegara odbiornika z odebranym strumieniem danych cyfrowych (synchronizacja zegara odbiornika z odebranym strumieniem danych cyfrowych ( synchronizacja elementowa),

  • synchronizacja słowa, ramki lub pakietu (w zależności od systemu).

Synchronizacja przebiegu nośnego realizowana jest najczęściej w oparciu o układy pętli fazowej PLL (ang. Phase Lock Loop). Układy te zapewniają dostrojenie się do fazy sygnału odbieranego poprzez śledzenie przebiegu nośnego.

Synchronizacja elementowa (bitowa) zapewnia rozpoznawanie wartości bitu we właściwym momencie. Najczęściej spotykaną metodą uzyskiwania synchronizacji jest stosowanie kodowania samosynchronizującego. Przebieg danych zakodowany taką metodą zawiera także informację pozwalającą na wydzielenie impulsów zegara. Przykładem takiego kodu jest kod RZ (ang. Retrum to Zero) lub kodu typu Manchaster. W przypadku odbioru sygnałów zaszumionych można posłużyć się filtrami pasmowymi lub układami pętli fazowej.

Synchronizacja ramki jest konieczna w celu prawidłowego rozpoznania początku i końca ramki, oczywiście pod warunkiem, że uzyskana jest synchronizacja elementowa (błąd synchronizacji elementowej, np. zgubienie lub powielenie bitu danych, powoduje błąd synchronizacji ramki). Najczęściej synchronizację ramki uzyskuje się poprzez wprowadzenie specjalnych ciągów bitowych, które nie występują w ciągu danych (przezroczystość protokołu).


Propagacja sygnałów radiowych wielkiej częstotliwości

Do tworzenia sieci bezprzewodowych stosuje się najczęściej urządzenia pracujące w zakresie od kilkuset MHz do kilkunastu GHz. Przy takich częstotliwościach fale radiowe zachowują się podobnie jak promienie świetlne, tzn. ulegają odbiciom, załamaniom, rozproszeniu i blokowaniu przez różne obiekty, np. budynki czy przedmioty wewnątrz budynków. Transmisja radiowa napotyka wówczas następujące problemy:



  • zaniki chwilowe, spowodowane np. poruszaniem się ludzi lub przedmiotów, lub krótkotrwałymi zakłóceniami elektromagnetycznymi,

  • zaniki wywołane docieraniem do odbiornika fal różniących się w fazie (fale w przeciwfazie wygaszają się wzajemnie), np. prostej i odbitej (rozproszenie lokalne),

  • różnice w czasie propagacji fal zmierzających do odbiornika różnymi drogami, np. wprost i po wielokrotnym odbiciu (rozproszone opóźnienia, ang. delay spread).


Fale podczerwone

Fale podczerwone to promieniowanie, którego zakres długości fal rozciąga się od 780 nm do 105 nm, przy czy do transmisji danych cyfrowych wykorzystuje się obecnie tylko bliską podczerwień o długości fali z zakresu 780 ÷ 1500 nm, najczęściej około 850 ÷950 nm.

Wykorzystanie podczerwieni do realizacji łączności w sieciach komputerowych nie wymaga uzyskania przydziału pasma od agencji odpowiedzialnej za gospodarkę częstotliwościami ani opłat za użytkowanie pasma, stąd stanowią one zachęcającą alternatywę dla sieci radiowych, szczególnie w Polsce, gdzie brak pasm ISM, a użytkowanie przydzielonych przez PAR częstotliwości jest kosztowne. Ponadto w systemach transmisyjnych wykorzystujących fale podczerwone uzyskuje się większe prędkości, bliskie prędkościom stosowanym w sieciach kablowych, jednak zasięg transmisji jest mniejszy niż w sieciach radiowych.

Możliwe są trzy sposoby wykorzystywania podczerwieni jako medium transmisyjnego:



  • podczerwień skupiona,

  • podczerwień rozproszona,

  • podczerwień pseudo-rozproszona.

Połączenie za pomocą podczerwieni skupionej jest możliwe, jeżeli stacje są nieruchome względem siebie. Umożliwia to stosowanie bardzo wąskiej wiązki promieniowania i ograniczenie mocy nadajników. Stwarza to pewne problemy podczas instalacji sieci (dokładne nakierowanie nadajników) oraz podczas jej użytkowania (możliwość przerwania połączenia przez personel lub drgania). Systemy wykorzystujące podczerwień skupioną umożliwiają osiągnięcie wysokich prędkości transmisji (do 50 Mb/s) na względnie duże odległości (co najmniej 30 m).

Połączenie za pomocą podczerwieni rozproszonej jest możliwe w obszarze zamkniętym, np. wewnątrz budynków. Promienie emitowane przez nadajniki odbijają się od ścian, sufitów, itp., po czym trafiają do odbiorników. Istnieje możliwość swobodnego poruszania się stacji w obszarze pracy sieci. Ograniczeniu podlega natomiast zasięg (ze względu na moc nadajników) oraz prędkość transmisji (ze względu na zakłócenia spowodowane rozproszeniem sygnałów). Systemy wykorzystujące podczerwień rozproszoną umożliwiają osiągnięcie niskich prędkości transmisji (poniżej 10 Mb/s) i zasięgu do 10 m.

Połączenie za pomocą podczerwieni pseudo-rozproszonej wymaga zainstalowania w pomieszczeniu stacji centralnej, pośredniczącej w wymianie danych między pozostałymi stacjami. Stacja centralna charakteryzuje się szerokim kątem widzenia i dużą mocą nadajnika, podczas gdy pozostałe stacje mają charakter kierunkowy. Rozwiązanie takie umożliwia poruszanie się stacji, istnieje jednak ryzyko przerwania transmisji wskutek przesłonięcia stacji ruchomej. Prędkość transmisji wynosi do 20 MB/s.


Światło laserowe (monochromatyczne)

Podczas gdy fale radiowe i podczerwone można wykorzystywać do realizacji systemów transmisji zarówno rozsiewczej, jak i typu punkt-punkt, za pomocą światła laserowego realizuje się tylko te ostatnie. Jako możliwe jego zastosowania wymienia się: mosty do łączenia położonych w różnych budynkach kablowych segmentów LAN, połączenia terminali (nieruchomych) z komputerem centralnym, sieci typu Tolken Ring. Na krótkie odległości transmisja za pomocą światła laserowego może być prowadzona z dużymi prędkościami. Należy jednak pamiętać, że może ono być niebezpieczne dla ludzkiego oka. Ponadto, przy zastosowaniach na zewnątrz budynków, duży wpływ na jakość toru transmisyjnego mają warunki atmosferyczne.


Porównanie mediów bezprzewodowych

Spośród wymienionych mediów bezprzewodowych wszystkie charakteryzują się dość wysoką odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne. Najniższą odporność wykazują fale radiowe, szczególnie z zakresów o niższych częstotliwościach. Zakresy mikrofalowe, szczególnie w systemach wykorzystujących technikę rozpraszania widma, cechują się znacznie wyższą odpornością niż systemy wąskopasmowe. Wysoką odporność na zakłócenia mają także podczerwień i światło laserowe, jednak w przypadku wiązek skupionych można bardzo łatwo uniemożliwić łączność przez umieszczenie przeszkody na drodze sygnałów. Wady tej nie wykazują ani fale radiowe, ani podczerwień rozproszona.

Zasięg transmisji jest najniższy dla podczerwieni, największy zaś dla fal radiowych, o ile wykorzystuje się anteny kierunkowe. Zależność ta nie jest jednak regułą i zależy głównie od mocy stosowanych nadajników. Teoretycznie można wykorzystywać światło laserowe do komunikacji na bardzo duże odległości, wymaga to jednak bezpośredniej widoczności stacji i dużej mocy nadajników (rzędu kW). Prędkość transmisji jest znacznie wyższa dla podczerwieni i światła laserowego niż dla fal radiowych.

Koszt realizacji transmisji bezprzewodowej jest dość wysoki, szczególnie dla mostów bezprzewodowych oraz systemów na podczerwień lub światło laserowe. Ogólnie, systemy radiowe są najtańsze, jednak i od tej reguły można znaleźć odstępstwa. Mimo dość wysokich cen wprowadzenie łączności bezprzewodowej w pewnych przypadkach może być opłacalne. Jako przykłady można wymienić łączenie sieci na terenach nie wyposażonych w środki łączności przewodowej lub w centrach aglomeracji miejskich.


  1   2   3   4   5   6


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna