Лекция 31. Беспроводные сети Radio-Ethernet.

Radio-Ethernet

[6]Радиосистемы, использующие расширение спектра методом прямой последовательности (так называемые RadioEthernet) на сегодняшний день уже достаточно хорошо опробованы для связи локальных сетей, удаленных друг от друга на расстояния в десятки километров. Кроме того, эти системы позволяют строить сети типа точка-многоточка, которые описываются и характеризуются как сети микросотовой связи, в которых абоненты имеют фиксированное положение. Беспроводная сеть передачи данных состоит из базовых станций, увязанных между собой в единую инфраструктуру и соединенных с информационным центром – источником информации для потребителей, являющихся абонентами этой сети. Структура сети обеспечивает двунаправленный обмен информацией между абонентом и информационным центром (Internet провайдером) либо другим абонентом, подключенным к сети. Таким образом, имеется постоянная связь одного либо нескольких офисов с информационным центром либо другим офисом. Структура сохраняется даже при смене местоположения абонента, главное установить связь с сетью, что возможно из любой точки города. Рассмотрим характеристики микросотовой системы связи, использующей оборудование, присутствующее сегодня на рынке и имеющее скорость до 11Мбит/с. Наиболее распространены сегодня устройства, производимые компаниями Aironet Wireless Technology Inc., Lucent Technologies, BreezeCom. В ряду устройств, позволяющих построить систему передачи данных, есть как радиобриджи – устройства, подключаемые к компьютерам с помощью стандартных сетевых средств, так и радиокарты – предназначенные для использования как платы расширения стандартных персональных компьютеров. При этом система допускает использование в режиме базовых станций только радиобриджи, а в режиме клиента – и радиобриджи, и радиокарты. Базовая станция, как и в системах сотовой связи, устанавливается так, чтобы обеспечивать покрытие определенной зоны обслуживания. При этом применяются различные типы антенн – от простейших штыревых с круговой диаграммой направленности, до сложных систем секторных антенн, позволяющих изменять диаграмму направленности излучения в зависимости от потребностей. Каждый радиобридж, работающий в режиме базовой станции на скорости 2Мбит/с, позволяет обслуживать 10-15 абонентов, при этом средняя скорость работы каждого из абонентов будет не ниже 64Кбит/с. Увеличение количества абонентов допустимо, но приводит к деградации скоростных характеристик канала. Кроме того, в непосредственной близости, на одной крыше без применения специальных технических мер можно устанавливать до трех комплектов сотообразующего оборудования, а с применением этих мер – до шести. Таким образом, количество обслуживаемых абонентов одной базовой станцией может достигать 45 или даже 90. Взаимоувязка базовых станций между собой, а также привязка их к информационным ресурсам – поставщикам информации может осуществляться самыми различными способами, как традиционными оптоволоконными или проводными, так и радиосредствами. Применение самого быстродействующего оборудования, работающего со скоростью 11Мбит/с в сочетании с увеличением плотности расположения базовых станций позволит существенно увеличить количество абонентов и скорость доступа для каждого из них.

Radio-Ethernet - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи информации. Радиоканалы, согласно этому стандарту, могут быть организованы на основе технологий широкополосного сигнала (ШПС) по методу прямой последовательности (DSSS) или частотных скачков (FHSS) Радиомодули, реализующие технологию ШПС (DSSS и FHSS) функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.11 – Radio Ethernet в диапазоне частот 2,4 ГГц. В режиме FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами).

В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, так что до трех таких каналов может использоваться независимо и одновременно на одной территории (дополнительные каналы определены в перехлест с основными тремя, чтобы иметь возможность отстроиться от помех, если они все же возникли). Номинальная скорость каждого канала 2 Мбит/с В режиме DSSS максимальная скорость передачи данных достигает 11 Мбит/с. В режиме FHSS скорость передачи данных не превышает 4 Мбит/с. Пропускная способность базовых станций может быть повышена в 3-6 раз за счет применения нескольких одновременно работающих устройств.

Метод доступа к общему каналу - коллизионный, но, в отличие от обыкновенного кабельного Ethernet'а, имеется фаза предварительного резервирования канала, так что коллизии между абонентами допускаются только при резервировании (в процессе "соревнования" за занятие канала), а собственно передача данных начинается уже без возможности коллизий. Такой метод называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) и описан в стандарте 802.11

Системы ШПС или Spread Spectrum (распределенный спектр) первоначально разрабатывались как в США, так и в России, преимущественно для применения в военных целях для обеспечения повышенной защищенности от помех, а также достижения высокого уровня секретности при передаче сообщений. Принцип работы устройств ШПС состоит в "размазывании" радиосигнала в широкой полосе частот с использованием специальных алгоритмов распределения. Генерация ШПС осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства имеющие различные PN фактически не "слышат" друг друга. Поскольку мощность сигнала распределяется по широкой полосе, он оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале. Это обстоятельство и дало название методу - шумоподобные сигналы. В методе FHSS приемник и передатчик синхронно каждые несколько миллисекунд перестраиваются на различные несущие частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым псевдослучайной последовательностью. Лишь приемник, использующий ту же самую последовательность может принять сообщение. При этом предполагается, что другие системы работающие в том же частотном диапазоне используют иную последовательность и поэтому практически не мешают друг другу. Для тех случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте. В методе DHSS в передаваемый в радиоканале сигнал вносится значительная избыточность путем передачи каждого бита информации одновременно в нескольких (порядка 10) частотных каналах. Обратное сжатие в приемнике осуществляется при помощи коррелятора, использующего ту же самую кодовую последовательность. После коррелятора сигнал может быть подвергнут дополнительной узкополосной фильтрации, улучшающей отстройку от мешающих передатчиков. С повышением избыточности кодирования увеличивается соотношение сигнал/шум.

Сравнивая методы широкополосной передачи, можно увидеть, что каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (до 11 Мбит/с) и, кроме того, обеспечивают большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех) и большую дальность связи. Оборудование DSSS несколько сложнее и дороже FHSS. Продукция для FHSS выпускается значительно большим количеством компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех - например, создаваемых DSSS-передатчиками; но это оборачивается тем, что сами они мешают обычным узкополосным устройствам. Сравнивая эти два метода, можно видеть, что вариант со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу. DSSS сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FHSS сигнал. Потенциально более низкое соотношение сигнал-шум в методе DSSS компенсируется высоким усилением в канале обработки сигнала. Системы с прямой последовательностью в состоянии принимать и осуществлять корреляционную обработку сигнала с мощностью ниже среднего уровня шумов в канале.

Преимущества радиооборудования, выполненного по технологии Spread Spectrum очевидны:

• высокая скорость передачи информации - до 11 Мбит/cек на одно устройство

• малая интегральная мощность, обеспечивающая санитарную  безопасность и малые помехи для других пользователей эфира

• высокая помехоустойчивость, обусловленная избыточностью данных в радиоканале

• качество связи, практически не зависящее от погодных условий 

• возможность работы нескольких сетей в одной полосе частот с малым влиянием одной на другую

• высокая конфиденциальность передачи данных.

Таблица. Коды сканирования клавиш 83-клавишной клавиатуры

Клавиша	Код сканирования	Клавиша	Код сканирования
Esc	1	\ |	43
1 !	2	Z	44
2 @	3	X	45
3 #	4	C	46
4 $	5	V	47
5 %	6	B	48
6 ^	7	N	49
7 &	8	M	50
8 *	9	, <	51
9 (	10	. >	52
0 )	11	/ ?	53
- _	12	Shift (правая)	54
= +	13	PrtScr	55
Backspace	14	Alt	56
Tab	15	Space	57
Q	16	Caps Lock	58
W	17	F1	59
E	18	F2	60
R	19	F3	61
T	20	F4	62
Y	21	F5	63
U	22	F6	64
I	23	F7	65
O	24	F8	66
P	25	F9	67
[ {	26	F10	68
] }	27	Num Lock	69
Enter	28	Scroll Lock	70
Ctrl	29	Home 7	71
A	30	↑ 8	72
S	31	PgUp 9	73
D	32	- (на малой цифр. клав-ре)	74
F	33	← 4	75
G	34	5 (на малой цифр. клав-ре)	76
H	35	→ 6	77
J	36	+ (на малой цифр. клав-ре)	78
K	37	End 1	79
L	38	↓ 2	80
; :	39	PgDown 3	81
‘ “	40	Ins 0	82
` ~	41	Del .	83
Shift (левая)	42

Драйвер клавиатуры различает следующие типы клавиш:

1. клавиши-переключатели;

2. кодовые клавиши.

Клавиши-переключатели служат для изменения состояния клавиатуры. К клавишам-переключателям относятся клавиши Ins, Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock, Alt, Ctrl, Shift (левая и правая), а также комбинация Ctrl+NumLock. Для хранения статуса (состояния) клавиш-переключателей в области данных BIOS, находящейся в ОЗУ, зарезервировано два байта.

Если драйвер клавиатуры получил код нажатия (отпускания) клавиши-переключателя, то соответствующий бит статуса устанавливается в единицу (нуль). В результате появляется возможность распознать одновременное нажатие клавиши-переключателя и какой-либо другой клавиши. Дополнительно к этому за каждой логически фиксирующейся клавишей-переключателем (Ins, Caps Lock и Num Lock) закреплен еще один бит в статусе, содержимое которого определяет состояние соответствующего режима (вставки, ввода прописных букв и фиксации цифр). При включении режима указанный бит устанавливается драйвером клавиатуры в единицу, а при выключении – сбрасывается.

К кодовым клавишам относятся все остальные клавиши. Они служат для непосредственного ввода символов.

При считывании драйвером клавиатуры нажатия такой клавиши в компьютер передается двухбайтовый код, называемый двухбайтовым кодом символа. Структура этого кода определяется в соответствии с расширенным кодом ASCII.

Если была нажата клавиша на клавиатуре пишущей машинки и клавиатура находится только на нижнем или верхнем регистре, а также если была нажата клавиша на малой цифровой клавиатуре (только в режиме фиксации цифр), то первым (младшим) байтом двухбайтового кода символа будет расширенный код ASCII соответствующего символа, а вторым (старшим ) – код сканирования соответствующей клавиши.

В противном случае, т.е. когда нажатой клавише или комбинации клавиш не соответствует никакой расширенный код ASCII (с учетом состояния клавиатуры - регистра), будет сформирован двухбайтовый код, называемый расширенным кодом клавиши. Расширенный код клавиши в первом (младшем) байте содержит нулевой код (ASCII-код символа NUL), а во втором (старшем) – двоичное число, однозначно определяющее нажатую клавишу (или комбинацию клавиш). Последнее число часто совпадает с кодом сканирования клавиши. К клавишам, после обработки нажатий которых выдается расширенный код клавиши, относятся функциональные клавиши, клавиши малой цифровой клавиатуры в режиме управления курсором, а также комбинации различных клавиш с Alt, Shift и Ctrl.