Это приводит к чрезвычайно значительной неравномерности в передаче данных. Вместо привычных для пользователей Интернета задержек в доли секунды, в этой сети паузы иногда измеряются минутами.

Технология широкополосного сигнала

Техника расширенного спектра разработана специально для беспроводной передачи. Она позволяет повысить помехоустойчивость кода для сигналов малой мощности, что очень важно в мобильных приложениях. Однако нужно подчеркнуть, что техника расширенного спектра —не единственная техника кодирования, которая применяется для беспроводных линий связи микроволнового диапазона. Здесь также применяются частотная (FSK) и фа­ зовая (PSK) манипуляции, описанные в предыдущей главе. Амплитудная манипуляция (ASK) не используется по той причине, что каналы микроволнового диапазона имеют широкую полосу пропускания, а усилители, которые обеспечивают одинаковый коэффи­ циент усиления для широкого диапазона частот, очень дороги.

Широкая полоса пропускания позволяет также применять модуляцию с несколькими несущими, когда полоса делится на несколько подканалов, каждый из которых имеет собственную несущую частоту. Соответственно, битовый поток делится на несколько подпотоков, текущих с более низкой скоростью. Затем каждый подпоток модулируется с помощью определенной несущей частоты, которая обычно кратна основной несущей ча­ стоте, то есть/о, 2/о, З/о и т. д. Модуляция выполняется с помощью обычных методов FSK или PSK. Такая техника называется ортогональным частотным мультиплексированием

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Перед передачей все несущие сворачиваются в общий сигнал путем быстрого преобразо­ вания Фурье. Спектр такого сигнала примерно равен спектру сигнала, кодируемого одной несущей. После передачи из общего сигнала путем обратного преобразования Фурье выделяются несущие подканалы, а затем из каждого канала выделяется битовый поток. Выигрыш в разделении исходного высокоскоростного битового потока на несколько низко­ скоростных подпотоков проявляется в том, что увеличивается интервал между отдельными символами кода. Это означает, что снижается эффект межсимвольной интерференции, появляющийся из-за многолучевого распространения электромагнитных волн.

Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

Идея метода расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) возникла во время Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и управления военными объектами, например торпедами. 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 выбиралась псевдослучайной, из­ вестной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком

диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая частьинформации.

Идею этого метода иллюстрирует рис. 10.12.

Частота А

Последовательность перестройки частот: F7-F3-F4-F^-F10-Fe-F2-F8-F5-Fg

Рис. 10.12. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

В течениеопределенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизмен­ ной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. 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 син­ хронизацию.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, выраба­ тываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависитот 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. 10.13, а)\ в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 10.13,6).

Методбыстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так какего значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени приходазадержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

такое событие, поочередно сравнивая получаемые биты с образцом последовательности. Действительно, если сравнить последовательность Баркера с такой же последователь­ ностью, но сдвинутой на один бит влево или вправо, то мы получим меньше половины совпадений значений битов. Значит, даже при искажении нескольких битов с большой долей вероятности приемник правильно определит начало последовательности, а значит, сможет правильно интерпретировать получаемую информацию.

Метод DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спек­ тра, так как мощная узкополосная помеха влияет на часть спектра, а значит, и на результат распознавания единиц или нулей.

Множественный доступ с кодовым разделением

Как и в случае FHSS, кодирование методом DSSS позволяет мультиплексировать не­ сколько каналов в одном диапазоне. Техника такого мультиплексирования называется

множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiplexing Access, CDMA). Она широко используется в сотовых сетях.

Хотя техника CDMA может применяться совместно с кодированием методом FHSS, на практике в беспроводной сети она чаще сочетается с методом DSSS.

Каждый узел сети, работающий по методу CDMA, посылает данные в разделяемую среду

вте моменты времени, когда это ему нужно, то есть синхронизация между узлами отсут­ ствует. Идея CDMA заключается в том, что каждый узел сети задействует собственное значение расширяющей последовательности. Эти значения выбираются так, чтобы при­ нимающий узел, который знает значение расширяющей последовательности передающего узла, мог выделить данные передающего узла из суммарного сигнала, образующегося

врезультате одновременной передачи информации несколькими узлами.

Для того чтобы такую операцию демультиплексирования можно было выполнить, значения расширяющей последовательности выбираются определенным образом. Поясним идею CDMA на примере.

Пусть в сети работает четыре узла: А, В, С и D. Каждый узел использует следующие значе­ ния расширяющей последовательности:

Л: 0 1 0 1 0 1 0 1

В: 1 0 1 0 0 1 0 1 С: 1 0 0 1 1001

D: 1 1 1 1 1 1 1 1

Предположим также, что при передаче единиц и нулей расширяющей последовательности (то есть уже преобразованного исходного кода) используются сигналы, которые являются аддитивными и инверсными. Инверсность означает, что двоичная единица кодируется, например, синусоидой с амплитудой +Л, а двоичный ноль —синусоидой с амплитудой -А. Из условия аддитивности следует, что если фазы этих амплитуд совпадут, то при одно­ временной передача единицы и нуля мы получим нулевой уровень сигнала. Для упро­ щения записи расширяющей последовательности обозначим синусоиду с положительной амплитудой значением +1, а синусоиду с отрицательной амплитудой —значением -1. Для простоты допустим также, что все узлы сети CDMA синхронизированы.

Таким образом, при передаче единицы исходного кода 4 узла передают в среду такие по­ следовательности:

А:-1+1 -1+1-1 +1-1+1

В: +1-1 +1-1 -1+1 -1+1

С:+ 1 -1 -1 + 1 + 1 -1 -1 + 1

D: +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

При передаче нуля исходного кода сигналы расширяющей последовательности инверти­ руются.

Пустьтеперь каждый из 4-х узлов независимо от других передает в сеть один бит исходной

В среде 5 сети наблюдается такая последовательность сигналов:

А: -1 +1 -1 +1-1 +1 -1 +1

В:-1+1 -1+1 +1-1 +1-1

С :-1 + 1 + 1 -1 -1 + 1 + 1 -1

D:+1+1 +1+1 +1+1 +1+1

Всоответствии со свойством аддитивности получаем:

S:-2 +4 0+2 0+2 +2 0

Если, например, некоторый узел Е хочет принимать информацию от узла А, то он должен использовать свой демодулятор CDMA, задав ему в качестве параметра значение расши­ ряющей последовательности узла А.

Демодулятор CDMA последовательно складывает все четыре суммарных сигнала 5„ при­ нятые в течение каждого такта работы. При этом сигнал 5„ принятый в такте, на котором код расширения станции А равен +1, учитывается в сумме со своим знаком, а сигнал, принятый в такте, на котором код расширения станции А равен -1, добавляется в сумму с противоположным знаком. Другими словами, демодулятор выполняет операцию ска­ лярного умножения вектора принятых сигналов на вектор значения расширяющей по­ следовательности нужной станции:

S x A = (-2 +4 0+2 0+2 +2 0 )х ( - 1 +1 -1 +1-1 +1 -1 + 1 )-8 .

Для того чтобы узнать, какой бит послала станция А, осталось нормализовать результат, тоесть разделить его на количество разрядов в расширяющей последовательности: 8/8 * 1. Если бы станция хотела принимать информацию от станции В, то ей нужно было бы при демодуляции использовать код расширения станции £ (+ 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 -1 + 1 ):

S x В = (-2 +4 0 +2 0 +2 +2 0 ) х (+1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1) - -8.

После нормализации мы получаем сигнал -1, который соответствует двоичному нулю исходной информации станции В.

Мы объяснили только основную идею CDMA, предельно упростив ситуацию. На практике CDMAявляется весьма сложной технологией, которая оперирует не условными значения­ ми+1 и -1, а модулированными сигналами, например сигналами BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а сигналы, которые приходят от удаленных на различные расстояния от приемника узлов, имеют разную мощность. Проблема синхрони­ зации приемника и передатчика решается за счет передачи длинной последовательности определенного кода, называемого пилотным сигналом. Для того же, чтобы мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в CDMA применяются специ­ альные процедуры управления мощностью.