Расширение спектра
В данной лекции мы рассмотрим основные принципы технологии расширения спектра сигнала.
Расширение спектра – технология, говоря простыми словами, в которой модулированный сигнал представляется сигналом с полосой, намного превышающую полосу информационного сигнала.
Современные мобильные средства коммуникации основаны на технологии расширения спектра и широко распространены под названием «CDMA».
Рассмотрим стандарт CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемый в настоящее время. Технология расширения спектра впервые была предложена для мобильных коммуникаторов в 1980-х годах, коммерческим распространением занялась впервые компания Qualcomm Inc, представившая данный стандарт формате DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). Коммерческая эксплуатация стандарта IS-95 началась в 1996 году в США. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США.
Разновидности множественного доступа: Множественный доступ – проблема нумерации пользователей, которые хотят использовать одинаковый электромагнитный спектр. Она может быть решена несколькими способами:
- Выбор с разделением по частоте (сигналы распространяются только между конкретными коммуникаторами);
- Пространственная фильтрация;
- Множественный доступ с разделением по частоте (FDMA);
- Множественный доступ с разделением по времени (TDMA);
- Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA).
TDMA (Time Division Multiple Access- множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени.
FDMA (Frequency Division Multiple Access- множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты.
CDMA (Code Division Multiple Access- множественный доступ с кодовым разделением) - технология мобильной связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию.
В основном CDMA используется в качестве термина для системы модуляции информации в сигнал, имеющий более широкую полосу пропускания, т.е. расширение спектра. Это расширение осуществляется посредством двоичного "кода", который, как правило, очень длинный, и для большинства замечаний и соображений, носит случайный характер. Конечно код не является случайным, он вполне предсказуем, и часто используется термин псевдо-случайный (запутанной термин сам по себе).
Одно из фундаментальных понятий, определяющее помехоустойчивость и эффективность системы CDMA, - «база сигнала» (в англоязычной литературе используется термин «processing gain»). Физический смысл этого понятия - увеличение полосы частот передаваемого сигнала относительно исходного (измеряется в децибелах). Для систем с расширенным спектром база сигнала определяется как отношение ширины полос излучаемого и исходного сигналов. Однако чаще величина базы сигнала (В) вычисляется как произведение ширины спектра (F) на длительность элементарного символа (Т). Для широкополосных сигналов база значительно превышает 1 (В>>1). Ясно, чем шире полоса частот в эфире и ниже скорость входного сигнала, тем больше база сигнала и, соответственно, выше помехоустойчивость.
Однако важно понимать, что база сигнала - это характеристика не всей CDMA-системы, а только ее отдельного канала. Поясним сказанное на примере. Так, при чиповой скорости 1,2288 Мчип/с (IS-95) и информационной скорости 9,6 кбит/c база сигнала равна 21,1 дБ (1,2288x103 /9,6 = 128). База сигнала пропорциональна скорости его передачи.
Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.
Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости
передачи данных требуют широкую полосу частот, поэтому ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.
Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости.
В передатчике узкополосный информационный сигнал умножается на опорную псевдошумовую N-символьную последовательность, а полученный сигнал модулируется методом BPSK или QPSK (прямая операция). База результирующего сигнала равна числу символов псевдослучайной последовательности (B = N). При этом использование шумоподобных сигналов с высокой тактовой частотой приводит к тому, что исходный узкополосный
сигнал «размазывается» в широкой полосе и становится меньше уровня шума.
В приемнике исходный сигнал восстанавливается с помощью псевдослучайной последовательности известной структуры (обратная операция). Иные сигналы, поступающие на данный приемник, воспринимаются как шум.
Аналогичным образом происходит подавление мощных узкополосных помех от других работающих передатчиков. В приемнике такая помеха тоже «размазывается» в широкой полосе частот и после фильтрации лишь незначительно ухудшает качество связи. При дальнейшей цифровой обработке помехи можно подавить полностью.
Кроме наиболее часто применяемого метода DS-CDMA существуют и другие технологии расширения спектра, например с помощью нескольких несущих - MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA) или скачкообразной перестройки частоты - FHCDMA (Frequency Hopping CDMA). Особенности этих технологий будут рассмотрены в следующих номерах журнала.
Цифровая обработка сигнала в реальном масштабе времени до передачи по РЧ. Принцип построения передатчика/приемника тот же, что и при DS-CDMA, только к ЦАП поступает уже конечный модулированный сигнал. В передатчике/приемнике используется особый фильтр, имеющий название фильтр приподнятого косинуса, который минимизирует межсимвольные искажения путем представления части спектра простейшей формы в косинусоиду, приподнятую таким образом, что чтобы она «сидела» на горизонтальной оси.
Чиппинг - любая операция, посредством которой символы (биты) разбиваются (чиппуются) на меньшие интервалы по времени. Операции скрэмблирования, каналообразования и расширения представляют собой оперцию чиппинга.
Скрэмблирование - это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с помощью случайной последовательности. После скремблирования появление «1» и «0» в выходной последовательности равновероятны. Скремблирование - обратимый процесс, то есть исходное сообщение можно восстановить применив обратный алгоритм.
Каналообразование - обратимое преобразование цифрового потока путм разбиения информационного сигнала на чипы с помощью фиксированной последовательности.
Комплексное представление.
Отметим, что комплексное представление является чисто математическим и вводится для удобства записи. В сетях третьего поколения CDMA используются все три представления в комплексном виде. Каналообразование в Uplink-системе осуществляется первым методом представления, а в Downlink-системе – вторым.
Каждый пользователь имеет уникальный расширяющий/ каналообразующий код, скорее всего, ортогональный код Уолша. При нисходящей передачи сигнала берется за основу реальная часть при комплексном представлении чиппованной последовательности и передается с той же скоростью. Переданные закодированные сигналы будут синхронизированы. Каждая подвижная станция знает код скремблирования текущей базовой станции, и ее установленный (и единственный) код расширения - отсюда и восстанавливаются переданные данные.
Логические каналы линии «вниз» включают:
Пилотный канал;
Канал синхронизации;
Канал персонального вызова;
Канал прямого трафика.
В прямом канале (от БС к подвижной) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая
манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС.
Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.
На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН).
Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.
Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W0 ). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.
В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на МС: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале графика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно контролирует его. Для кодирования синхроканала используется функция W32 .
В обратном канале (линии «вверх») асинхронный вариант кодового разделения реализуется в комбинации с некогерентным приемом сигналов на БС. Благодаря этому отпадает необходимость в пилотном канале и канале синхронизации. В итоге остаются лишь два типа логических каналов линии «вверх»:
Канал доступа;
- канал обратного трафика.
Асинхронность кодового разделения делает нерациональным применение функций Уолша в роли каналообразующих последовательностей (сигнатур) физических каналов, так как при относительных временных сдвигах они не могут сохранять ортогональность и имеют весьма непривлекательные взаимные корреляционные свойства.
Канал доступа обеспечивает соединение МС и БС, пока МС не настроилась на назначенный ей канал обратного трафика. Процесс выбора канала доступа случаен – МС произвольно выбирает номер канала из определенного диапазона. Канал доступа используется для регистрации МС в сети, передачи на БС запроса на установление соединения, ответа на команды, переданные по каналу вызова и др. Скорость передачи данных по каналу доступа фиксирована и составляет 4,8 кбит/с.
Канал обратного трафика обеспечивает передачу речевой информации и данных абонента, а также управляющей информации с МС на БС, когда МС уже занимает выделенный ей физический канал.
Коды Уолша.
В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:
Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далекоблизко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.
Псевдо-случайная последовательность.
ПСП – это детерминированный периодический сигнал, который известен обоим корреспондентам. Он имеет все статистические свойства белого шума и для третьей стороны он будет казаться абсолютно случайным - псевдошумовым сигналом. Для того, чтобы ПСП была случайным процессом, необходимо выполнение ряда условий:
- число двоичных единиц не должно отличаться от числа двоичных нулей не более, чем на один элемент;
- ПСП должна обладать хорошими корреляционными свойствами, а, именно, уровни боковых лепестков АКФ такой последовательности должны иметь минимальный уровень.
Таким свойствам удовлетворяет множество последовательностей - последовательности Уолша, Баркера, Голда, М-последовательности и многие другие.
Регистр сдвига с обратной связью по переносу (FCSR, Feedback with carry shift register) - сдвиговый регистр, функция обратной связи и регистр переноса. Длина сдвигового регистра - количество битов. Когда нужно извлечь бит, все биты сдвигового регистра сдвигаются вправо на одну позицию. Новый крайний слева бит и новое значение регистра переноса определяются функцией остальных битов сдвигового регистра и регистра переноса (их биты складываются). Младший бит результата и становится новым крайним левым битом, а новым значением регистра переноса становится остальные биты результата (кроме младшего).
В отличие от LFSR, для FCSR существует задержка, прежде чем он перейдёт в циклический режим, то есть начнёт генерировать циклически повторяемую последовательность. В зависимости от выбранного начального состояния возможны 4 различных случая:
1. Начальное состояние может оказаться частью максимального периода.
2. Начальное состояние может перейти в последовательность максимального периода, после некоторой начальной задержки.
3. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность нулей.
4. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность единиц.
Последовательность Голда - псевдослучайная последовательность, образуемая путем сложения по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей.
Касами - тип псевдослучайных последовательностей. Применяются в CDMA. Значимость этих последовательностей происходит из-за их очень низкой взаимной корреляции. Код Касами длиныN = 2m − 1, где m - четное целое число, может быть получен, беря периодические выборки из М-
последовательности и выполняя суммирование по модулю 2 на циклически сдвигаемых последовательностях. Выборки берутся через каждые s = 2m / 2 + 1 элементов М-последовательности, чтобы сформировать периодическую последовательность и затем прибавляя эту последовательность постепенно к первоначальной М-последовательности по модулю 2, чтобы сформироватьs = 2m / 2 последовательностей Касами. Взаимная корреляционная функция двух последовательностей Касами принимает значения [-1, -s, s-2].
Ортогональные коды
Возможность адаптации системы к различным скоростям передачи обеспечивается за счет применения так называемых каналообразующих кодов (channelization code). Принцип их генерации можно проиллюстрировать (рис. 1) схемой кодового дерева для ортогональных кодов переменной длины
(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF).
На каждом уровне этого кодового дерева определены свои кодовые слова, длина каждого из которых равна коэффициенту расширения спектра (SF). Полное кодовое дерево содержит 8 уровней (последний, восьмой, соответствует коэффициенту SF=256).
Структура кодового дерева такова, что на каждом последующем уровне удваивается возможное число каналообразующих кодов. Так, если на уровне 2 образуется только 2 кода (SF=2), то на уровне 3 генерируется уже 4 кодовых слова (SF=4) и т.д. Ансамбль кодов OVSF не является фиксированным, а зависит от коэффициента расширения SF, т. е. фактически от скорости передачи по каналу.
Проблема ортогональности.
Предположим, существует простая система с двумя пользователями и двумя путями распространения сигнала. Два пути обладают относительной задержкой в один чип. Ортогональные коды Уолша используются для распространения последовательности данных.
В этом случае приемник будет извлекать из канала два различных сигнала для каждого пользователя, соответствующие двум различным путям, относительная задержка между ними будет один чип.
Для каждого пользователя, приемник будет получать два сигнала из канала, полезный сигнал (ПСП синхронизирован с этим сигналом) и его версия с задержкой.
Результат сужения четырех принимаемых сигналов в случае двухканальной передачи двум пользователям будет:
B N (bit of interest) от сужения нужного сигнала пользователя;
- 0 из сужения ортогональных шумоподобных сигналов, отсутствие помехи из-за использования кодов Уолша;
- нежелательные условия, когда сужение является причиной задержки полезного сигнала и помехи.
Многолучевость.
Для кодовой последовательности с идеальными корреляционными свойствами, автокорреляционная функция дает ноль а выходе в интервале , где Tc – время чипа. Это значит, что полезный сигнал (основной путь) и задержанная версия этого сигнала на время, большее 2Tc , приняты на приемнике, тогда, с условиями когерентной демодуляции/сужения спектра, приемник определит задержанный сигнал как помеху. К тому же уровень мощности задержанного сигнала меньше, чем полезного в виду отражений при многолучевости, следовательно, задержанный сигнал в виде помехи «размазывается» по всей пропускной полосе, а приемник принимает лишь полезный сигнал.
Проблема «близкий - далекий».
Несмотря на высокую эффективность технологии CDMA у нее есть и ряд недостатков. Один из них - высокая чувствительность к разбросу мощностей мобильных станций. Наиболее сложная ситуация возникает вследствие проблемы «дальний-ближний» (far-near problem), когда мобильная станция, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех систем мобильной связи, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.
Детектирование.
Приемник имеет доступ к банку кодов, который хранит все коды, выделяемые на базовых станциях (БС). Для конкретного пользователя, БС знает, какой код ожидать и детектирование кода происходит путем сопоставления полученной последовательности с ожидаемым кодом. Операция корреляции осуществляется сужением, которое может выполняться в согласованном фильтре. Перед началом корреляции получатель должен знать точный момент времени. Синхронизация достигается при использовании пилот-сигнала, который расположен перед передаваемой информацией. Пилот-сигнал одинаков для всех пользователей. Когда синхронизация выполнена, согласованный фильтр начинает операцию корреляции: если корреляция выше заранее определенного порога, согласованный фильтр положительно определен пользователем.
Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта 1S-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.
Rake-приемник.
Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями.
Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль задержки при многолучевом распространении используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника Rake с наибольшими пиковыми значениями.
В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный
Беспроводные технологии обеспечивают безопасную и надежную связь с удаленными участками производства, когда возможность использования кабельной продукции ограничена. Для организации технического обслуживания беспроводные устройства осуществляют контроль состояния насосов и механизмов, передают данные удаленных станций мониторинга сточных вод и систем ввода/вывода.
В одном из решений беспроводная система получает показания метеостанции и показания расхода сточных вод химического производства. Заводская метеостанция располагается в 2.5 километрах от главного пульта управления, и в ней установлен регистратор, собирающий данные анемометра (скорость ветра), термометра и гигрометра. Регистратор подключен к беспроводному прибору WLM Remote RF компании Moore Industries, работающему на частоте 900 МГц, используя технологию смены рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) , передает данные с помощью директорной антенны, установленной на высоком кронштейне неподалеку от метеостанции. Серьезных проблем при эксплуатации пока не возникало.
Казалось, что организовать беспроводную связь со станцией мониторинга сточных вод невозможно. Хотя расстояние от станции до центрального пульта управления всего лишь 500м, радиочастотный сигнал должен был пройти через четырехэтажное здание котельной. Тем не менее, перед монтажом были проведены испытания, и радиосеть работала без проблем. Главный урок из всего этого – беспроводная технология работает даже там, где, как вам казалось, работать не должна. Все что необходимо сделать – протестировать систему.
Существует множество радиотехнологий. Понимание механизмов их функционирования необходимо для выбора лучшего решения для конкретного приложения. Беспроводная сеть может быть лицензируемой или нелицензируемой, с Ethernet или последовательным интерфейсом, с узким диапазоном или расширенным спектром, с безопасным или открытым протоколом, Wi-Fi … список можно продолжать. Эта статья – введение в беспроводную технологию.
Диапазон от 9 килогерц (кГц) до тысяч гигагерц (ГГц) может использоваться для организации беспроводной связи. Частоты выше – инфракрасный спектр, спектр освещения, рентгеновские лучи, и т.д. Так как радиочастоты – ресурс ограниченный, используемый теле- и радиостанциями, мобильными телефонами и другими беспроводными устройствами, диапазоны, которые могут использоваться для определенных типов коммуникаций и передачи данных, определяются правительственными учреждениями.
В Соединенных Штатах, Федеральная Комиссия Связи (FCC) распределяет частоты между неправительственными пользователями. FCC определила, что промышленное, научное, и медицинское оборудование должно работать в диапазонах 902-928 МГц, 2400-2483.5 МГц, и 5725-5875 МГц с ограничениями по силе сигнала, мощности и другим параметрам радиопередачи. Эти диапазоны являются нелицензируемыми и могут использоваться свободно в рамках предписаний FCC. Другие диапазоны в спектре могут использоваться после предоставления лицензии. В таблице 1 указаны диапазоны спектра радиочастот и сферы их применения.
Лицензия, предоставляемая Федеральной комиссией связи, необходима для работы на лицензируемой частоте. В идеале эти частоты помехоустойчивы, и в случае возникновения помех, нарушитель может быть привлечен к юридической ответственности. Недостатки – сложная и длительная процедура получения лицензии, невозможность приобретения уже доступных устройств, так как они должны быть изготовлены для работы на лицензируемой частоте, и, конечно, затраты на получение лицензии.
Под нелицензируемой частотой понимается частота, определенная Федеральной Комиссией Связи, как свободная для использования без необходимости регистрации и авторизации. В зависимости от места расположения системы существуют ограничения по мощности сигнала. Например, в США в 900 мегагерцовом диапазоне максимальная мощность – 1 ватт или 4 ватта EIRP (эффективной изотропической мощности излучения).
Преимущества использования нелицензируемых частот очевидны: не нужно тратить время и деньги на получение лицензии; многие производители поставляют на рынок продукцию, поддерживающую эти частоты, низкая стоимость ввода в эксплуатацию из-за отсутствия затрат на лицензию. Недостатки лежат в самой идее нелицензируемого диапазона: на одной частоте могут работать одновременно несколько систем, что приводит к возникновению помех и потерям при передаче данных. В этом случае возникает необходимость использования технологии расширения спектра. Передатчики с расширяемым спектром очень эффективно справляются с возникающими помехами и работают даже в условиях радиочастотных шумов.
Расширяемый спектр – это метод, расширяющий радиочастотный сигнал в широкий диапазон частот при низкой мощности, тогда как при передаче через узкополосный сигнал вся мощность концентрируется на одной частоте. Узкополосным называется сигнал, занимающий небольшой диапазон радиочастотного спектра. Широкополосный сигнал занимает гораздо больший сектор. Две самых распространенных технологии расширения спектра: скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) и расширение спектра сигнала прямой последовательностью (DSSS).
Как понятно из определения, в устройствах скачкообразного изменения частоты рабочая частота передатчика изменяется через определенный интервал времени. Преимущества скачкообразного изменения очевидны: поскольку передатчик меняет частоту передачи данных настолько часто, что только настроенный по такому же алгоритму приемник способен принять информацию. Приемник должен иметь аналогичную псевдослучайную последовательность принимаемых частот, чтобы в нужное время получить сигнал передатчика на правильной частоте. На рисунке 1 показано как частота сигнала изменяется во времени. Каждый скачкообразный переход имеет одинаковую мощность и время выдержки (время работы на канале). На рисунке 2 зависимости время-частота, видно, что скачок происходит через равные промежутки времени. Последовательность скачков является псевдослучайной.
DSSS объединяет сигнал данных с последовательностью символов, известных как ‘чипы’ – таким образом “расширяя” сигнал по большей полосе. Другими словами, исходный сигнал умножается на сигнал шума, сгенерированный псевдослучайной последовательностью положительного и отрицательного битов. Приемник, умножает полученный сигнал на ту же последовательность, получая исходную информацию (т.к. 1 x 1=1 и -1 x-1 = 1).
Когда сигнал “расширен”, мощность исходного узкополосного сигнала распределяется по широкому диапазону, уменьшая мощность на каждой конкретной частоте (т.н. низкая плотность мощности). На рисунке 3 показан сигнал на узкой части радиочастотного спектра. На рисунке 4, сигнал, расширенный на большую часть спектра, имеет такую же суммарную мощность, но меньшую мощность на каждую частоту. Так как расширение уменьшает силу сигнала на отдельных участках спектра, сигнал может восприниматься как шум. Приемник должен распознать и демодулировать полученный сигнал, очистив исходный сигнал от добавленных «чипов».
Технологии FHSS и DSSS широко используются в промышленности. В зависимости от каждого конкретного случая, та или иная технология может быть лучшим решением. Вместо дискуссий, какая из них лучше, гораздо важнее понимать различия и выбрать технологию, подходящую именно для вашего приложения. Вообще, на выбор влияют следующие характеристики:
Пропускная способность
Коллокация
Интерференция
Дальность связи
Безопасность
Пропускная способность
Пропускная способность – объем данных передаваемых или принимаемых системой за одну секунду. Это один из самых важных факторов при выборе необходимой технологии. DSSS имеет более высокую пропускную способность чем FHSS из-за более эффективного использования полосы частот и работе на большем диапазоне. Для большинства промышленных систем распределенного ввода-вывода данных низкая пропускная способность FHSS не является серьезной проблемой. Однако если увеличивается размер сети или скорость передачи дан ных, этому показателю уделяется боль шее внимание. Большинство радиопередатчиков FHSS имеют пропускную способность 50-115 кбит/с для сети Ethernet. DSSS работает с пропускной способностью 1-10 Мбит/с. Хотя DSSS-передатчики имеют более высокую пропускную способность, чем FHSS аналоги. Найти DSSS-устройство, обеспечивающее аналогичную сетевую безопасность и дальность работы, необхо димые для промышленного производства и SCADA-систем, не так просто.
В отличие от FHSS-передатчиков, работающих с диапазоном 26 мегагерц на базовой частоте 900 мегагерц (902- 928 МГц) и DSSS-передатчиков с диапа зоном 22 МГц на частоте 2.4 ГГц, радиопе редатчики, использующие лицензируемые частоты, ограничены спектром 12.5 кГц. Естественно, так как ширина спектра лимитирована, пропускная способность также ограничена. Большинство пере датчиков, работающих на лицензируемой частоте, предлагает пропускную способ ность 6400 – 19200 бит в секунду.
Под коллокацией понимается возмож ность работы нескольких радиосетей в не посредственной близости друг от друга. Технология DSSS не позволяет несколь- ким радиосетям функционировать по со седству, так как сигнал расширяется по одной полосе частот. Например, в пределах диапазона 2.4 ГГц ISM (промышленный, научный и медицинский диапазон), мож- но использовать только три DSSS канала. Каждый канал расширен до 22 мегагерц спектра, что позволяет работать без пере крытия частот только трем сетям одновре менно.
C другой стороны, благодаря исполь зованию различной последовательности скачков, на одном диапазоне частот могут функционировать несколько FHSS сетей. Последовательность скачков, при которой различные частоты используются в разное время на одной полосе частот, так же называется ортогональной последовательностью. В FHSS применяются программы ортогональной последовательности, обеспечивающие работу нескольких сетей без создания помех. Это – огромное преимущество при разработке больших сетей и необходимости разделения коммуникаций. Большинство лабораторных исследований показывает, что одновременно могут работать до 15 сетей FHSS и только 3 сети DSSS.
Очевидно, по причине работы на одном 12.5 мегагерцовом диапазоне спектра, узкополосные радиостанции не могут быть расположены слишком близко друг к другу.
Интерференция – радиошумы в соседней или той же части радиочастотного спектра. Наложение двух сигналов может генерировать новую радиоволну или привести к потерям данных, передаваемых рабочим сигналом. Технология расширения спектра очень хорошо справляется с возникающими шумами, хотя различные технологии решают эту проблему по-разному. Когда приемник DSSS обнаруживает узкополосный шум, происходит умножение полученного сигнала на значение «чипа» для восстановления исходного сообщения. Тем самым исходный первоначальный сигнал преобразовывается в узкополосный сигнал с большой мощностью; помехи, как широкополосный сигнал малой мощности, игнорируются.
В своей основе механизм, который размещает сигнал DSSS ниже уровня собственных шумов радиосети, позволяет игнорировать узкополосную интерференцию при демодуляции сигнала. Поэтому DSSS очень хорошо работает при сторонних шумах, однако если помеха имеет большую мощность, могут возникнуть серьезные проблемы, т.к. демодуляция не способна уменьшить сигнал помехи ниже мощности исходного сигнала.
Учитывая, что FHSS работает с полосой 83.5 МГц на частоте 4 ГГц и производит сигналы высокой мощности на определенных частотах (аналогично генерации синхронизированных пакетов данных на узкой полосе), тем самым, избегая помех, если узкополосный генератор шумов не работает на одной из используемых частот. Узкополосные шумы, в худшем случае, блокируют несколько скачков, которые система может компенсировать, передав сообщение еще раз на другой частоте. Кроме того, правила Федеральной комиссии связи требуют минимального разделения частоты в последовательности скачков, поэтому возможность создания помех узкополосным сигналом минимизирована.
В случае широкополосных помех, DSSS не работает так же надежно. Поскольку DSSS расширяет сразу весь сигнал на 22 МГц полосы с гораздо меньшей мощностью, при наложении на эти 22 мегагерца шума или более мощного сигнала, могут блокироваться до 100 % передачи DSSS, и только 25 % передачи FHSS. В этом случае, эффективность FHSS падает, но полной потери данных не происходит.
На лицензируемых частотах используется очень узкая полоса, поэтому даже небольшие помехи могут вызвать потерю информации. В этом случае направленные антенны и полосовые фильтры могут использоваться для организации непрерывной коммуникации, и в отношении организатора помех могут применяться юридические меры.
Радиоустройства стандарта 802.11 более подвержены воздействию помех, так как в этом диапазоне работают очень многие приборы. Вы замечали, какие помехи возникают в беспроводном телефоне при работе микроволновой печи? Оба устройства работают в 2.4 ГГц диапазоне, как и остальная часть устройств стандарта 802.11. При использовании таких передатчиков, сетевая безопасность становится серьезным предметом для беспокойства.
Если приемник определенного передатчика расположен к другому передатчику ближе, чем к собственному, возникает проблема взаимодействия приемника с этими передатчиками. Соседние передатчики могут забивать канал приемника посторонними сигналами высокой мощности. В такой ситуации большинство систем DSSS выйдут из строя. В такой же ситуации, несколько скачков FHSS-системы будут заблокированы, но в целом не нарушат работу сети. В случае системы работающей на лицензируемой частоте, эффективность работы системы будет зависеть от частоты постороннего сигнала. Если частота этих сигналов близка или аналогична частоте системы, ваш сигнал будет глушиться, что дает основания для юридического преследования нарушителя, если он не имеет аналогичную лицензию
Дальность связи определяется возможностью организации коммуникаций, т.е. силой радиочастотной связи между передатчиком и приемником и расстоянием, на котором они могут поддерживать надежное соединение. При работе на одной мощности и с использованием одинакового алгоритма модуляции, радиопередатчик, работающий на частоте 900 МГц, обеспечивает более надежную связь, чем передатчик на 2.4 ГГц. При увеличении частоты радиочастотного спектра, дальность передачи данных уменьшается, при условии, что все остальные параметры остаются неизменными. Способность проникать через стены и объекты с увеличением частоты также уменьшается. Верхние частоты в спектре демонстрируют отражающие свойства. Например, радиоволна 2.4 ГГц может отражаться от стен зданий и туннелей. Это может использоваться для распространения сигнала на большие расстояния. Возможные сложности связаны с возникновением многолучевого распространения или полным отсутствием сигнала, из-за обратного отражения.
Федеральная комиссия связи ограничивает выходную мощность радиопередатчиков с расширенным спектром. DSSS последовательно передает данные с низкой мощностью, как показано выше, и попадает в ограничения Федеральной комиссии связи. Это ограничивает расстояние передачи радиопередатчиков DSSS, и таким образом делает их неподходящими для промышленного рынка. FHSS-передатчики, с другой стороны, передают сигналы высокой мощности на определенных частотах в последовательности скачков, но средняя мощность остается низкой, поэтому соответствует предписаниям. FHSS-сигнал передается с большей мощностью, чем сигнал DSSS, что позволяет работать на больших расстояниях. Большинство передатчиков FHSS могут передавать данные более чем на 20 км или еще большие расстояния, используя антенны с большим коэффициентом усиления.
Радиопередатчики стандарта 802.11, доступны в формате DSSS и в FHSS. Они работают на широком диапазоне частот и со скоростью передачи данных до 54 Мбит/с. Но необходимо отметить, что указанная пропускная способность, очень сильно уменьшается с ростом расстояния между радиомодемами. Например, расстояние 100 м уменьшает скорость с 54 Мбит/с до 2 Мбит/с. Это идеально для небольших офисных или домашних приложений, но не для промышленных приложений, где необходимо передавать данные на несколько километров.
Так как узкополосные радиопередатчики работают на низких частотах, они могут быть хорошим решением в случае, если FHSS не могут обеспечить необходимую дальность передачи. Потребность в использовании узкополосных лицензируемых частот, возникает, когда нужно передать данные на большое расстояние, или передача должна проходить ближе к поверхности Земли, так как организация связи в зоне прямой видимости невозможна.
Так как сигнал DSSS имеет очень маленькую мощность, хакерам не так просто его обнаружить. Одно из главных достоинств DSSS – способность уменьшить энергию сигнала, распределяя мощность первоначального узкополосного сигнала по большей полосе частот, уменьшая в результате спектральную плотность мощности. Это может снизить уровень сигнала до уровня собственных шумов радиосети, таким образом, делая его “невидимым” для потенциальных злоумышленников. В то же время, если «чип», известен или имеет небольшую длину, обнаружить передачу DSSS и восстановить сигнал намного легче, поскольку он имеет ограниченное число несущих частот. Многие системы DSSS предлагают шифрование как функцию безопасности, хотя это увеличивает стоимость системы и уменьшает эффективность работы, вследствие использования дополнительной мощности на кодирование сигнала.
Для успешной настройки на работающую FHSS-систему, злоумышленник должен знать используемые частоты, последовательность скачков, время работы, и метод шифрования. Учитывая, что для диапазона 2.4 ГГц время работы на канале 400 мс и более 75 используемых каналов, почти невозможно обнаружить и следовать за сигналом FHSS, если приемник не сконфигурирован на ту же последовательность скачков. Кроме того, большинство систем FHSS поставляются с расширенными функциями безопасности, такими как динамическое шифрование ключа и контроль циклического избыточного кода.
Сегодня беспроводные локальные сети (WLAN) становятся все более и более популярными. Они используют стандарт 802.11, открытый протокол, разработанный IEEE. Wi-Fi – эмблема стандарта, используемая Ассоциацией контроля совместимости с беспроводным Ethernet (WECA), для сертификации продуктов 802.11. Хотя промышленные FHSS-устройства не поддерживают стандарт Wi-Fi, и поэтому не совместимы с WLAN, при их совместной работе, из-за работы в одной полосе частот, могут возникать помехи. Так как большинство продуктов Wi-Fi работают в 2.4 или 5 гигагерцовых диапазонах, хорошей идеей может оказаться использование, с разрешения руководящего органа, частоты 900 МГц, (в Европе допускается работа только на 2.4 ГГц). Это также обеспечит дополнительную защиту от радиочастотных снифферов (программ, используемых хакерами) применяемых в более популярном 2.4 гигагерцовом диапазоне.
Сетевая безопасность беспроводных технологий является одним из самых обсуждаемых вопросов. Последние статьи о “машине, управляемой хакерами” заставили потенциальных и существующих потребителей засомневаться в эффективности защиты от несанкционированных проникновений в беспроводную сеть. Необходимо понимать, что стандарты 802.11 – стандарты открытые, поэтому легко могут быть взломаны.
Причиной возникшей неразберихи в вопросах безопасности является нечеткое понимание технологии работы различных беспроводных систем. На сегодняшний момент, Wi-Fi (802.11a, b, и g), возможно является лучшей технологией для многих IT-приложений, дома и в небольшом офисе. 802.11 – открытый стандарт, поэтому квалифицированному хакеру достаточно просто обойти защиту сети и перехватить управление системой.
Так как же пользователи беспроводной технологии защищают себя от незаконных проникновений? Во многих приложениях на базе стандарта 802.11 безопасность практически не обеспечивается, и пользователь должен хорошо разбираться в настройке виртуальных частных сетей (VPN), или других сетей безопасности, чтобы защитить себя от нападений. Устройства других стандартов используют протоколы компаний-производителей для защиты сети от злоумышленников, наряду с применением элементов обеспечения безопасности, присущих технологии расширения спектра.
Представление о том, что сети, работающие на лицензируемой частоте, обеспечивают большую безопасность, ошибочно. Если частота известна, можно настроиться на сеть, и подобрав пароль и взломав систему шифрования, получить полный контроль. Все преимущества систем с расширяемым спектром отсутствуют, так как лицензируемые частоты работают в узкой полосе. Скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра в настоящий момент является самой надежной и безопасной беспроводной технологией.
Технология ячеистой радиосети основана на способности радиопередатчиков взаимодействовать друг с другом. Это решение появилось не так давно и еще не столь широко используется в промышленности. Существует ряд проблем, с которыми разработчики ячеистой технологии пока не могут справиться, например, большая задержка передачи данных и низкая пропускная способность. Концепция ячеистой сети не нова. Интернет и телефонные сети – превосходный пример ячеистой сети в проводном мире, в этих сетях каждый узел может инициировать коммуникацию с другим узлом и обмениваться информацией
В беспроводном мире, полоса пропускания, ограниченный спектр радиочастот и помехи – только часть проблем, с которыми приходится сталкиваться ячеистым сетям. Сейчас эти сети все еще исследуются и развиваются. Новейшие ячеистые технологии, такие как гибридная и структурная ячеистая сети появились совсем недавно. В настоящее время все еще недостаточно данных, подтверждающих необходимую для использования в тяжелых промышленных условиях надежность и безопасность ячеистых сетей,.
В заключении можно сказать, что выбор радио-технологии зависит от требований каждого конкретного приложения. Для большинства промышленных производств лучшим решением являются радиоустройства со скачкообразной сменой рабочей частоты с расширением спектра (рисунок 5), благодаря более низкой стоимости в сравнении с радиостанциями, работающими на лицензируемой частоте. Когда большие расстояния ограничивают использование FHSS-узлов с повторителями, для лучшей связи оптимальным решением представляется использование передатчиков, работающих в узкой полосе лицензируемой частоты. Стоимость лицензирования может оказаться меньше стоимость установки дополнительных повторителей FHSS-системы.
Одно из самых простых решений – пригласить одного или нескольких представителей компании-производителя беспроводных устройств на ваш завод и оценить возможность использования предлагаемой технологии. Например, Moore Industries установили на предприятии, упомянутом выше, в качестве «демо-версии» один из своих Wireless Link Module (WLM), и смонтировали всенаправленные антенны и передатчики на удаленных станциях. Испытания показали, что даже четырехэтажное здание не является помехой для беспроводных коммуникаций.
Поверьте, возможности современной беспроводной технологии могут удивить вас.
Определения
| Полоса | Частота или диапазон частот |
| Диапазон частот | Диапазон частот, или длина радиочастотного спектра на котором передается сигнал. |
| Широкополосный канал | Радиоканал с шириной полосы пропускания от 1.5 Мбит/с на полосе 1 МГц |
| Коллокация | Работа нескольких радиосетей одновременно в одной зоне. |
| Демодуляция | Процесс получения и выделения первоначального цифрового сигнала из модулированной аналоговой несущей волны |
| Технология расширения спектра сигнала прямой последовательностью (DSSS) | Технология модуляции, объединяющая информационный сигнал с высокоскоростной битовой последовательностью, известный как «чип», тем самым «расширяя» сигнал на большую полосу. |
| Эффективная излучаемая мощность (EIRP) | Мощность сигнала излучаемая антенной. Равна мощность передатчика минус потери при передаче (вызванные коаксиальным кабелем, коннекторами, молниеотводами) плюс усиление антенны |
| Европейский институт стандартизации электросвязи (ETSI) | Европейский регулирующий орган по телекоммуникациям. |
| Федеральная комиссия связи (FCC) | Регулирующий орган США по коммуникациям |
| Скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) | Техника модуляции, при которой частота передачи (несущая частота) изменяется в псевдослучайной последовательности («скачет») через регулярные временные интервалы. |
| Промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазоны | Диапазоны 902-928 MГц, 2400-2483.5 MГц, и 5725-5875 MГц соответственно |
| Интерференция | Наложение двух и более радиоволн, работающих на соседних или общих частотах, приводящее к появлению дополнительной волновой структуры |
| Международный союз электросвязи (ITU) | Регулирующий орган ООН по телекоммуникациям |
| Линия прямой видимости (LOS) | Канал связи между передающей и принимающей антеннами, не имеющий физический препятствий, таких как деревья или здания. |
| Баланс мощности | Расчет, принимающий во внимание работу всех компонентов, усиливающих и ослабляющих радиосигнал (передатчики, антенны, кабели и т.д.) для определения максимальной дистанции для организации надежной радиосвязи |
| Многолучевое распространение | Процесс возникновения нескольких каналов распространения сигнала, отличных от первоначального |
| Узкополосный канал | Радиоканал с шириной полосы пропускания от 50 бит/с до 64 кбит/с |
| Национальная Администрация по Телекоммуникациям и Информации (NTIA) | Регулирующий орган, распределяющий радиочастоты между правительственными организациями США |
| Всенаправленная антенна | Антенна, получающая и передающая сигналы во всех направлениях |
| Спектральная плотность мощности (PSD) | Отношение общей мощность полосы к ширине полосы |
| Расширение спектра | Метод расширения радиочастотного сигнала по широкой полосе частот с низкой мощностью, в отличии от концентрации всей мощности на единичной частоте, в случае передачи данных по узкополосному каналу. |
| Пропускная способность | Объем данных, получаемых системой каждую секунду |
| Трансивер | Радиопередатчик и радиоприемник в общем корпусе |
| Виртуальная частная сеть (VPN) | Сеть для закрытых коммуникаций, использующая криптографическое туннелирование для обеспечения безопасности незащищенных сетей |
| Протокол шифрования в беспроводной связи (WEP) | Часть стандарта IEEE 802.11 определяющая требования обеспечения безопасности беспроводной сети |
| Ассоциация контроля совместимости с беспроводным Ethernet (WECA) | Сертифицирующий орган технологии WLAN |
| Wireless Fidelity (Wi-Fi) | Логотип стандарта, используемый WECA для обозначения сертифицированных продуктов стандарта 802.11 |
| Wireless Local Area Networks (WLAN) | Компьютерная сеть на базе радиоустройств |
| Директорная антенна | Антенна, отправляющая и получающая сигналы только в узком секторе |
Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямого последовательного расширения. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.
Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот была псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.
Идею этого метода иллюстрирует рис. 1.10 .
В течение фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции , такие как FSK или PSK . Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.
Рис.
1.10.
Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.
Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 1.11а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 1.11б).
Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.
Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и сопряжен с меньшими накладными расходами.
Методы FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth .
В FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования - вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным - ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо - коды расширенного спектра можно использовать и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей , чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).
В методе прямого последовательного расширения спектра также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от метода FHSS , весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N-битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.
Цель кодирования методом DSSS та же, что и методом FHSS , - повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.
Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью , а каждый бит такой последовательности - чипом.
Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.
Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS , для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK .
Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и выше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значение от 10 до 100.
Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямого последовательного расширения. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.
Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS)
Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот была псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.
Идею этого метода иллюстрирует рис. 1.10.
В течение фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.
Рис. 1.10. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты
Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.
Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 1.11а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 1.11б).
Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.
Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и сопряжен с меньшими накладными расходами.
увеличить изображение
Рис. 1.11. Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканаловМетоды FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth.
В FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования - вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным - ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо - коды расширенного спектра можно использовать и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).
Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS)
В методе прямого последовательного расширения спектра также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от метода FHSS, весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N-битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.
Цель кодирования методом DSSS та же, что и методом FHSS, - повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.
Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью , а каждый бит такой последовательности - чипом.
Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.
Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS, для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK.
Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и выше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значение от 10 до 100.
1.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ
1.1.1. Основные принципы и методы расширения спектра сигналов
В случае, когда перед исследователями и разработчиками систем радиосвязи (СРС) встает проблема обеспечения надежной связи в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн, а также осуществления многостанционного доступа при работе в пакетных сетях радиосвязи, наилучшие результаты могут быть получены при использовании в СРС сигналов с расширением спектра . Основные принципы известных методов расширения спектра сигналов, адекватно отражающие их физическую сущность, приведены в : ...расширение спектра сигнала есть способ передачи, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации; расширение полосы частот сигнала обеспечивается специальным кодом, который не зависит от передаваемой информации; для последующего сжатия полосы частот сигнала и восстановления данных в приемном устройстве также используется специальный код, аналогичный коду в передатчике СРС и синхронизированный с ним... Таким образом, способ передачи информации с расширением спектра заключается: на передающей стороне – в одновременной и независимой модуляции параметров сигнала специальным кодом (расширяющей спектр функцией) и передаваемым сообщением; на приемной стороне – в синхронной демодуляции сигнала в соответствии с расширяющей спектр функцией и восстановлении переданного сообщения .
Несмотря на то, что принципы расширения спектра сигналов в общем виде были известны уже в 20-30-х годах XX века, теоретической базой для разработки СРС с такими сигналами стала фундаментальная формула К.Е. Шеннона
которая, характеризуя предельные возможности гауссовского канала, кардинальным образом расширяет представление о возможности передачи информации по каналам радиосвязи с ограниченным по полосе аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ).
Так, из (1.1) следует, что пропускная способность (бит/с) канала радиосвязи, после того как она задана, в условиях действия аддитивной гауссовской помехи (шума) с ограниченной средней мощностью (Вт) может быть обеспечена либо использованием широкой полосы частот (Гц) с малым отношением сигнал-помеха , либо – узкой полосы частот (Гц) с более высоким отношением сигнал-помеха , где - средняя мощность сигнала. Следовательно, между полосой пропускания канала и отношением сигнал-помеха в этом канале возможен взаимообмен. При этом в соответствии с зависимостью (1.1) наиболее целесообразным является обмен мощности сигнала на полосу пропускания канала. Например, требуется обеспечить пропускную способность бит/с при отношении сигнал-помеха =. На основе (1.1) канал радиосвязи должен иметь полосу МГц. При большем отношении сигнал-помеха, например , пропускная способность канала радиосвязи бит/с может быть реализована достаточно узкой полосой частот кГц. Формула (1.1) указывает и на то, что при заданном отношении сигнал-помеха в канале радиосвязи с АБГШ пропускная способность может быть увеличена путем соответствующего расширения спектра си шала .
При малых отношениях сигнал-помеха выражение (1.1) принимает вид:
(1.2а)
где 1,44 - модуль перехода от двоичных логарифмов к натуральным; в случае больших отношений из (1.1) с хорошим приближением следует, что
. (1.2б)
Предельное значение пропускная способность для гауссовского канала радиосвязи имеет при
, (1.2в)
где - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума.
Выражение (1.2в) указывает на то, что в канале с шумами даже в предельном случае при отношение сигнал-помеха должно превышать определенное пороговое значение. Так, для передачи бита информации требуемая энергия сигнала (или ) .
Если пропускная способность равна требуемой скорости передачи информации , то из (1.1) и (1.2) видно, что при канал радиосвязи может работать при значительном превышении мощности помехи над мощностью полезного сигнала . Поэтому методы расширения спектра сигналов находят широкое применение в специальных СРС, которые должны обеспечивать надежную связь в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП).
Методы расширения спектра могут базироваться на изменении (модуляции) амплитуды, фазы, частоты и временного положения (задержки) сигнала в соответствии со специальным кодом, формируемым на основе псевдослучайной последовательности.
Однако амплитудная модуляция для формирования сигнала с расширением спектра, как правило, не применяется, так как при этом получается сигнал с большим значением пиковой (мгновенной) мощности, который достаточно легко обнаруживается простыми приемниками станций радиотехнической разведки (РТР) .
Из-за недостаточной помехозащищенности самостоятельное применение в СРС не находит и метод расширения спектра за счет модуляции временного положения (задержки) сигнала, так называемый метод псевдослучайной время-импульсной модуляции (ПВИМ) . При методе ПВИМ расширение спектра достигается путем сжатия информационного сигнала во временной области. Сокращение времени передачи каждого информационного сигнала в раз приводит к расширению спектра сигнала в раз и уменьшает до общее время передачи. Информация передается только в заданные интервалы времени, которые следуют друг за другом в соответствии с выбранным кодом. При использовании метода ПВИМ, как и метода расширения спектра за счет амплитудной модуляции, имеет место большой пикфактор, что приводит к нерациональному расходованию мощности передатчика СРС.
Основными, базовыми методами расширения спектра сигналов, широко применяемыми в современных СРС, системах управления и распределения информации, являются:
Метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП);
Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ);
Метод совместного (комплексного) использования различных методов; например, метода непосредственной модуляции несущей ПСП и метода ППРЧ; метода ППРЧ и метода ПВИМ и другие сочетания.
При первом методе расширение спектра сигнала достигается за счет непосредственной модуляции несущей частоты ПСП , элементы которой генерируются со скоростью , значительно превышающей скорость передачи элементов информационной последовательности , и затем накладываются на каждый информационный символ. Типовым примером таких сигналов являются фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМШПС) . При прямоугольной форме элементов информационной последовательности и при использовании ПСП , обеспечивающей расширение спектра сигнала, двоичный ФМШПС можно описать выражением
На рис.1.4, а, б в идеализированном виде изображены спектральные плотности мощности сигнала и узкополосной помехи в характерных точках структурных схем передатчика и приемника СРС с ФМШПС.
На рис. 1.4 видно, как происходит преобразование спектра полезного сигнала и расширение спектра узкополосной помехи в передающем и приемном устройствах СРС с ФМШПС.
