10.5 Деякі особливості бездротових каналів.

Низка особливостей бездротової передачі даних не дозволяє використовувати багато методів, характерних|вдача| для кабельних| промислових мереж|сітей|. Бездротові трансивери не можуть передавати і приймати сигнал на одному і тому ж каналі. Це пов'язано зі швидким зменшенням щільності потужності випромінювання від відстані (Рис.10.1). Сигнал власного передавача виявляється|опиняється| на порядки|лади| сильніше сигналу, що приймається, і заглушає його. На відміну від цього, в кабельних| каналах обидва сигнали мають приблизно однакову потужність. Тому бездротові трансивери в принципі не можуть прослуховувати|прослухувати| лінію під час передачі, як це робиться|чинить|, наприклад, в CAN| або Ethernet|. Описана властивість робить|чинить| неможливим застосування|вживання| методів доступу до мережі|сіті|, заснованих на виявленні колізій.

Рис. 10.1. Ілюстрація «проблеми прихованого вузла»

Виявлення несучої частоти чужої станції, навіть при непрацюючому власному передавачі також виявляється|опиняється| проблематичним (рис. 10.1). На цьому рисунку три кола показують межі|кордони| прийому сигналів трьома станціями А, В і С. Припустимо|передбачатимемо|, що станція А передає повідомлення|сполучення| станції В. В цей час станція С| прослуховує|прослухує| ефір і не чує несучу складову, оскільки перебуває поза|зовні| зоною дії станції А. Виявивши відсутність несучої складової, станція С| починає|розпочинає,зачинає| передачу одночасно із станцією А, що призводить до втрати інформації, оскільки станція В може приймати лише один сигнал («проблема прихованого вузла»).

Для вирішення цієї проблеми можна використовувати сигнал «зайнято|позичати,посідати|», що подається станцією В. Однак найбільш загальне|спільне| вирішення проблеми запропоноване в стандарті IEEE| 802.11. Воно полягає в тому, що станція А починає сеанс зв'язку з обміну пакетами запиту на передачу RTS| (Request| To| Send|). Станція В може відповісти пакетом CTS| (Clear| To| Send| — «вільно»). Тільки|лише| при отриманні|здобутті| цього повідомлення|сполучення| станція А розпочинає передачу пакету даних. Будь-яка інша станція, що отримала|одержувала| пакет RTS| або CTS|, призначений не їй, залишатиметься в стані очікування|чекання|. Недоліком|нестачею| цього методу є|з'являється,являється| те, що сигнали RTS/CTS істотно|суттєвий| погіршують швидкість обміну між пристроями|устроями|, оскільки розміри їх пакетів порівнянні з|із| розмірами корисних даних.

Вищевикладене показує, що безпровідні канали не можуть використовувати метод доступу до каналу типу|типа| CSMA/CD. Для них застосовується метод CSMA/CA (Carrier| Sense| Multiple| Access| with| Collision| Avoidance| — множинний|численний| доступ з|із| контролем несучої і запобіганням колізіям). Від CSMA/CD він відрізняється тим, що колізії в нім не виявляються, тоді як в CSMA/CD колізії виявляються і приймаються заходи для їх розв’язання. Оскільки в CSMA/CA колізії не можуть бути виявлені, тому що приймач завжди заглушається сигналом свого передавача, то вживаються спеціальні заходи для зниження ймовірності ймовірності| виникнення колізій. Зокрема, використовують сигнали резервування каналу зв'язку, завдяки чому колізії виникають між короткими сигналами резервування, а не між довгими пакетами даних. Запобігання колізіям виконується завдяки тому, що станція, яка збирається почати|розпочинати,зачинати| передачу, інформує всіх учасників мережі|сіті| про це, резервуючи для себе певний проміжок часу. І лише після того, як всі станції прийняли цей сигнал, вона починає|розпочинає,зачинає| передачу|. Використовують також випадкову затримку після|потім| звільнення|визволення| каналу (у методі CSMA/CD передача починається|розпочинає,зачинає| відразу після|потім| звільнення|визволення| каналу), щоб|аби| зменшити ймовірність ймовірність колізії, оскільки дуже ймовірно|певно,мабуть|, що достатня кількість станцій чекають звільнення|визволення| каналу і можуть почати|розпочинати,зачинати| передачу відразу і одночасно, як тільки він звільниться|визволятиме|.

Наступною|такою| проблемою є|з'являється,являється| електроживлення безпровідних мереж|сітей|, оскільки безпровідні пристрої|устрої| (в основному датчики) не повинні мати дротів (підключатися куди-небудь за допомогою дротів). Тому дуже актуальна проблема економії енергії батарей, пошук простих способів їх заміни, виключення|виняток| відмов внаслідок|внаслідок| розряду, пошук альтернативних джерел енергії. У літературі розглядаються|розглядують| варіанти передачі енергії живлення|харчування| електромагнітними хвилями, трансформаторами з|із| великим повітряним зазором (на відстань до декількох метрів), використовування енергії згорання|згоряти| палива|пального|, застосування|вживання| сонячних батарей.

ЛЕКЦІЯ 11| МЕТОДИ УСУНЕННЯ| ПЕРЕШКОД| ТА ПІДВИЩЕННЯ| НАДІЙНОСТІ| ЗВ’ЯЗКУ|

11.1 Широкосмугова передача.

11.2 Методи розширення спектру

11.3 Методи зменшення кількості помилок в каналі.

11.4 Передача повідомлень|сполучень| без підтвердження про отримання|здобуття|.

11.5 Питання безпеки.

11.1 Широкосмугова передача.

Одним з методів усунення впливу інтерференції хвиль і вузькосмугових перешкод є|з'являється,являється| застосування|вживання| широкосмугової модуляції. У безпровідних мережах|сітях| використовуються два методи: широкосмугова модуляція з|із| розширенням спектру прямою послідовністю імпульсів (DSSS| — Direct| Sequence| Spread| Spectrum|) і з|із| перемиканням з|із| однієї несучої на іншу (FHSS| — Frequency| Hopping| Spread| Spectrum|).

Метод DSSS| полягає в наступному|слідуючому|. Якщо один біт інформації представити|уявляти| прямокутним імпульсом, то ефективна ширина спектру імпульсу буде обернено пропорційна|пропорціональна| його тривалості. У методі DSSS| один прямокутний імпульс замінюють послідовністю з|із| 11 імпульсів, які в 11 разів коротше початкового. При цьому ефективна ширина спектру такої послідовності імпульсів виявляється|опиняється| в 11 разів ширше, ніж у|біля,в| вихідного одиночного імпульсу (біта), і для Wi-Fi| мереж|сітей| складає 22 Мгц. Оскільки енергія сигналу виявляється|опиняється| «розмазаною» по всьому спектру, то спектральна щільність потужності сигналу виявляється|опиняється| в 11 разів менше, якщо її вимірювати|виміряти| в тій же смузі частот, яку займав|позичав,посідав| первинний|початковий| прямокутний імпульс. Практично потужність передавача (близько 1 мВт|) для діапазону 2,4 Ггц вибирають так, щоб спектральна щільність корисного сигналу була порівнянна або навіть менше спектральної щільності шуму.

Для ще більшого зменшення спектральної щільності потужності сигналу його спектральна характеристика повинна бути близька до прямої лінії, паралельної осі абсцис, тобто сигнал повинен бути подібний до білого шуму. Для цього послідовність коротких імпульсів не повинна бути періодичною, вона повинна бути шумоподібною| (псевдовипадковою), з|із| малим часом автокореляції. Процес перетворення спектру сигналу до вказаного вигляду|виду| називають процесом «обілення» («вибілювання») спектру. Крім того, для полегшення виявлення сигналу в приймачі псевдовипадкова послідовність, вибрана для кодування, повинна бути такою, щоб|аби| її автокореляційна функція мала тільки|лише| один яскраво виражений|виказувати,висловлювати| максимум. Такій вимозі задовольняють, зокрема, послідовності Баркера. Послідовність (коду) Баркера завдовжки 11 імпульсів для кодування логічної одиниці використовується в мережах|сітях| Wi-Fi| і має вигляд|вид| 11100010010. Логічний нуль кодується інверсною послідовністю Баркера.

Для виділення корисного сигналу з|із| такою малою потужністю на тлі|на фоні| шуму в приймачі повинна зберігатися копія передаваного сигналу (код Баркера). Це дозволяє використовувати дуже ефективні методи оптимальної фільтрації. Знаючи, що корисним сигналом є послідовність Баркера, в приймачі будують оптимальний фільтр з|із| імпульсною характеристикою, яка є масштабною копією вхідного сигналу, розташованою|схильною| дзеркально по осі часу щодо|відносно| вхідного сигналу і зрушена у бік запізнювання на величину не менше тривалісті імпульсу, що виділяється.

Ширина спектру сигналу в методі DSSS| при швидкості передачі 1Мбіт/с складає 22 Мгц, а ширина виділеного для Wi-Fi| частотного діапазону — 83,5 Мгц, тобто у всьому діапазоні можна розмістити лише три канали, що не перекриваються|перекривають|. Проте|однак| стандарт ділить весь діапазон на 11 каналів, що перекриваються|перекривають|, з|із| яких тільки|лише| три (1-й, 6-й і 11-й) можуть працювати, не впливаючи один на одного.

Достоїнствами методу DSSS| є|з'являються,являються| висока стійкість до вузькосмугових перешкод і можливість|спроможність| відновлення інформації при втраті під час передачі декількох бітів в коді Баркера.

Другим методом широкосмугової модуляції є|з'являється,являється| FHSS| — метод стрибкоподібної зміни несучої частоти. Він використовує той же діапазон 2,4 Ггц шириною 83,5 Мгц, в якому виділяється 79 частотних смуг, що не перекриваються|перекривають|, по 1 Мгц кожна. В процесі передачі несуча частота змінюється стрибкоподібно|стрибкоподібний|. Частота переходів з|із| однієї несучої на іншу повинна бути не менше 4 Гц для мережі|сіті| Wi-Fi| і 1,6 кГц| в мережі|сіті| Bluetooth|. Для прийому такого сигналу приймач і передавач містять|утримують| таблиці, в яких занесена одна і та ж послідовність зміни каналів. При такому способі передачі вузькосмугові перешкоди призводять до втрати лише тих фрагментів повідомлень|сполучень|, які передаються на частоті перешкоди, тобто фактично тільки|лише| до збільшення часу передачі за рахунок повторної передачі зіпсованих фрагментів.

Модифікацією FHSS| є|з'являється,являється| адаптивний метод AFH| (Adaptive| Frequency| Hopping|), в якому під час передачі виявляються і запам'ятовуються частоти, на яких передача виконувалася з|із| помилками контрольної суми. Ці частоти виключаються з|із| таблиці використовуваних частот.

Перехід з однієї частоти на іншу зменшує ймовірність взаємного впливу при спільній роботі декількох передавачів в мережі|сіті|, оскільки при 79 частотах ймовірність збігу частот двох працюючих станцій дуже низька (порядку| (1/79)² 1,6 • 10^-4). Тому метод FHSS| дозволяє використовувати більшу кількість одночасно працюючих станцій в мережі|сіті|. Практично на одній і тій же території можуть працювати до 15 передавачів.

FHSS| забезпечує швидкість передачі 1 і 2 Мбіт/с. Використовується частотна модуляція з|із| двома дискретними значеннями частот f₁| і f₂|, які дозволяють зробити чотири комбінації модульованих сигналів: , і закодувати таким чином 4 біта інформації.

На практиці системи з|із| FHSS| здатні|здібні| працювати при вищому рівні шуму, ніж DSSS|, завдяки тому, що вони займають|позичають,посідають| ширшу смугу частот (83,5 Мгц в порівнянні з 22 Мгц для DSSS|), а ймовірність того, що перешкода займатиме|позичатиме,посідатиме| смугу 83,5 Мгц, нижче, ніж вірогідність|ймовірність| заняття смуги 22 Мгц. Проте|однак| інтерференція, що призводить до завмирання сигналу, більше позначається на FHSS|, оскільки в DSSS| завмирання відбуваються|походять| тільки|лише| у вузькій смузі частот, що призводить до випадання декілька біт з|із| 11 переданих, а бітів, що залишилися, досить для безпомилкового розпізнавання закодованого значення «0»| або «1»|.