Цифровые системы связи и передачи данных

Новая система предотвращения вторжений (IPS, Intrusion Prevention System) в беспроводной сети работает так же, как и ранее, и способна обнаруживать и реагировать на небезопасные (Rogue AP) точки доступа 802.11n. Обращаем ваше внимание, что возможно обнаружение устройств 802.11n, работающих только в режимах Non-HT или Mixed HT, но не в «чистом» режиме HT (Greenfield).

Практическая реализация стандарта IEEE 802.11n

Модель стандарта 802.11n, выполненная в Simulink, представлена на рис.

5.21–5.23.

Рис. 5.21. Модель IEEE 802.11n

273

Рис. 5.22. Modulator Bank SS1

274

Рис. 5.23. Блок демодуляции

275

Блок визуализации, который предназначен для отображения передаваемого сигнала, созвездия до и после эквалайзирования, спектра принимаемого сигнала до и после удаления нулевых значений и пилотных поднесущих, а также BER, бит рейта и SNR.

Результаты моделирования. В ходе выполнения данной работы были сняты зависимости PER от SNR для адаптивного алгоритма (рис. 5.24) и для каждого вида модуляции с определенной скоростью кодирования, которые используются в стандарте 802.11n.

Рис. 5.25. Зависимость PER от SNR для каждого вида модуляции

276

Согласно рис. 5.25 можно сделать вывод, что PER в зависимости от SNR достигает нуля быстрее для модуляции с меньшей кратностью, а для модуляции одной кратности — при меньшей скорости кодирования. При повышении показателя SNR используются менее помехоустойчивые виды модуляции, но при этом более высокоскоростные, что при большом значении SNR не только имеет место, но и является лучшим вариантом. Это объясняется тем, что PER при некотором значении SNR даже для такого, практически не помехоустойчивого вида модуляции достигает малого, приемлемого для передачи значения (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Bit rate при определенном параметре SNR при использовании четырех пространственных потоков

Стоит отметить, что рассматриваемая схема работает только в режиме Legacy, что подразумевает поддержку старых устройств и, таким образом, работу с полосой в 20 МГц. При работе в чистом режиме полоса составляет 40 МГц, что обычно используется в пяти гигагерцовом диапазоне. То есть в чистом режиме скорость передачи была бы в два раза больше — ее максимум составлял бы 600 Мбит/с.

Рассмотрен стандарт связи для передачи данных и управления БПЛАIEEE 802.11n. Установлено, что PER в зависимости от SNR (для стандарта802.11n) достигает нуля быстрее для модуляции с меньшей кратностью, а для модуляции одной кратности — при меньшей скорости кодирования. При повышении показателя SNR используются менее помехоустойчивые виды модуляции, но при этом более высокоскоростные, что при большом значении SNRне только имеет место, но и является лучшим вариантом. Это объясняется тем,

277

что PER при некотором значении SNR даже для такого, непомехоустойчивого вида модуляции достигает малого, приемлемого для передачи значения.

В ходе выполнения данной работы также установлено, что при повышении отношения сигнал/шум используются более высокоскоростные алгоритмы передачи путем изменения вида модуляции и скорости кодирования.

Проанализировано различие в скорости передачи при работе в различных режимах. В режиме Legacy максимальная скорость передачи составляет300 Мбит/с, что в два раза меньше максимальной скорости передачи для «чистого» режима. Это объясняется тем, что режим Legacy подразумевает совместимость стандарта 802.11n со старым устройствами, которые работают в диапазоне 2,4 ГГц и используют для передачи полосу в 20 МГц. Хотя стандарт 802.11n может поддерживать полосу в 40 МГц, но в диапазоне 2,4 ГГц, ввиду передачи в нем с различных старых устройств может произойти наложение 40-мегагерцового сигнала на соседние каналы в 20 МГц. Именно поэтому в режиме Legacy используется полоса в 20 МГц. В «чистом» режиме, который используется в диапазоне 5 ГГц, полоса составляет 40 МГц, что и объясняет большую скорость передачи.

5.4. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА IEEE 802.15.4 (ZIGBEE)

Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить WiFi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB и относительно новую технологию — ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленные применения.

Каждая из этих технологий имеет свои уникальные характеристики, которые определяют соответствующие области применения (рис. 5.27).

Рис. 5.27. Внешний вид микросхемы ZigBee

278

Анализ беспроводных технологий показывает, что высокоскоростные технологии Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB предназначены в первую очередь для обслуживания компьютерной периферии и устройств мультимедиа. Они оптимизированы для передачи больших объемов информации на высоких скоростях, работают в основном по топологии «точка-точка» или «звезда» и малопригодны для реализации сложных разветвленных промышленных сетей с большим количеством узлов. Напротив, технология ZigBee имеет достаточно скромные показатели скорости передачи данных и расстояния между узлами, но обладает следующими важными с точки зрения применения в промышленности

преимуществами:

1.Она ориентирована на преимущественное использование в системах распределенного мульти-микропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков, где вопросы минимизации энергопотребления и процессорных ресурсов являются определяющими.

2.Предоставляет возможность организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных на текущий момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое автоматически определяется на аппаратном уровне.

3.Обеспечивает масштабируемость — автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел.

4.Гарантирует высокую надежность сети за счет выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах.

5.Поддерживает встроенные аппаратные механизмы шифрации сообщений AES-128, исключая возможность несанкционированного доступа в сеть.

Организация сети ZigBee

ZigBee — относительно новый стандарт беспроводной связи, который изначально разрабатывался как средство для передачи небольших объемов информации на малые расстояния с минимальным энергопотреблением. Фактически этот стандарт описывает правила работы программно-аппаратного комплекса, реализующего беспроводное взаимодействие устройств друг с другом.

Стек протоколов ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и

279

программные сетевые уровни, и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee. Модель реализации стандарта связи ZigBee представлена на рис. 5.28.

Рис. 5.28. Многоуровневая модель стандарта связи ZigBee

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет два нижних уровня стека: уровень доступа к среде (MAC) и физический уровень передачи данных в среде распространения (PHY), то есть нижние уровни протокола беспроводной передачи данных. Альянс определяет программные уровни стека ZigBee от уровня канала передачи данных (Data Link Control) до уровня профилей устройств (ZigBee Profiles). Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов. Уровень PHY осуществляет актива- цию-дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала. Важно понимать, что стандарт 802.15.4 — это физическое радио (микросхема радиоприемопередатчика), а ZigBee — это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.

Далее в структуре стека ZigBee следует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, органи-

280

зацию сети, формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.

Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK, CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных.

Для предотвращения нежелательных взаимодействий возможно использование временного разделения на основе протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий).

Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются»для приема сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять передачу данных. Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), что не позволяет использовать метод CSMA-CA для обнаружения коллизий — только для их предотвращения.

В спецификации стека предусмотрены три типа устройств: координатор, маршрутизатор и конечное устройство.

Координатор инициализирует сеть, управляет ее узлами, хранит информацию о настройках каждого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, а в процессе работы может являться источником, приемником и ретранслятором сообщений.

Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного узла к другому, и в процессе работы также может являться источником, приемником или ретранслятором сообщений. Если маршрутизаторы имеют соответствующие возможности, они могут определять оптимизированные маршруты к определенной точке и хранить их для последующего использования в таблицах маршрутизации.

Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником/приемником сообщений.

Среди свойств ZigBee следует особо выделить поддержку сложных топологий сетей. Именно за счет этого, при относительно малой максимальной дальности связи двух близлежащих устройств, возможно расширить зону

281

покрытия сети в целом. Также этому способствует 16-битная адресация, позволяющая объединять в одну сеть более 65 тыс. устройств (рис. 5.29).

Рис. 5.29. Динамика сети стандарта ZigBee

Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

Спецификация ZigBee-стека определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств

(табл. 5.3).

Таблица 5.3

Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

282