pobierz pdf

Przekaz radiowy, szumy i
kod HDB
Mikołaj Leszczuk
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i
Elektroniki
Katedra Telekomunikacji
2010-10-24
Spis treści wykładu
• Definicja sieci bezprzewodowej Wireless LAN
• Elementy infrastruktury sieci
bezprzewodowych
• Zalety sieci bezprzewodowych
• IEEE 802.x – standardy sieci LAN i MAN
• Szumy
• Maska telekomunikacyjna
• Kod HDB-2, jako odpowiedź na przekłamania
transmisji
2
Definicja sieci
bezprzewodowej (1/2)
• Sieć bezprzewodowa (ang. Wireless LAN) to sieć
lokalna zrealizowana bez użycia przewodów
• Medium przenoszące:
o
o
Fale radiowe (najczęściej)
Podczerwień
• Standardyzacja – IEEE 802.x (najczęściej 802.11)
3
Definicja sieci
bezprzewodowej (2/2)
• Szybkość przesyłania danych – zależna od
o
o
Użytego standardu
Odległości pomiędzy użytymi urządzeniami
• Najczęściej stosowane/osiągane szybkości:
o
o
o
o
11 Mbit/s
22 Mbit/s
44 Mbit/s
55 Mbit/s
4
Elementy infrastruktury sieci
bezprzewodowych
• Karty sieciowe,
najczęściej typu
o
o
o
PCI
USB
PCMCIA
• Punkty dostępowe
(ang. Access Point)
• Anteny
• Pozostałe:
Kable
Złącza
Konektory
Przejściówki
Rozdzielacze
antenowe
o Terminatory
o
o
o
o
o
5
Zalety sieci
bezprzewodowych
• Mobilność – końcówki mogą się
przemieszczać
• Łatwość instalacji – nie trzeba kłaść
przewodów
• Elastyczność – łatwe dokładanie nowych
końcówek
• Zasięg – od kilku metrów (w budynkach)
do kilkudziesięciu kilometrów
6
IEEE 802.x – standardy sieci LAN i
MAN
• Rodzina standardów 802.x
• Standardy publikowane dla:
o Sieci lokalnych – optymizowanych pod
kątem obszarów średniej wielkości:
Local Area Networks (LANs)
o Sieci miejskich – optymizowanych pod
kątem obszarów większych niż LAN:
Metropolitan Area Networks (MANs)
• Zawartość standardów:
o Model referencyjny standardów protokołów
o Opisy samych sieci
7
IEEE 802.1
“LAN/MAN Bridging...”
• Dostęp do sieci nierutowalnej (tylko
lokalnej=bez “wyjścia” na świat)
• Elementy usług i protokołów pozwalające
na wymianę informacji zarządzających
pomiędzy stacjami włączonymi do sieci:
o
o
LAN
MAN
• Również: specyfikacja zdalnie
zarządzanych obiektów
8
IEEE 802.11 (“Wireless LANs”) –
cechy wspólne
• Wielodostęp (wspólne medium)
• Identyfikator sieci
• Bezpieczeństwo:
o
o
Szyfrowanie
Blokada wg
adresów
9
Standardy IEEE 802.11
• Grupa (rodzina) standardów IEEE
• Sporządzane przez grupę 11 z IEEE 802
• Czasem określenie "802.11" używane w
stosunku do pierwszego standardu grupy
(formalnie przemianowanego na
802.11y)
• 802.11{a,b,g} – zupełnie niezależnie
protokoły skupiające się na kodowaniu
• 802.11{c-f,h-j,n} – rozszerzenia usług i
poprawki do innych standardów z rodziny
10
Zakres częstotliwości fal radiowych
dla 802.11
• Nie podlega koncesjonowaniu
• Możliwość instalowania sieci bez żadnych
zezwoleń
• Ale... znaczne zakłócenia np. pochodzące
od kuchenek mikrofalowych
• Dostępność standardów w Polsce –
802.11{b,g} (niepełna)
• Ograniczenie w Polsce – tylko pasmo od
2410 MHz do 2470 MHz czyli kanały od 1
do 12
11
Przegląd standardów 802.11 i ich
daty publikacji
Nazwa
802.11(y)
802.11a
Szybkości [Mbit/s]
1, 2
Pasmo
Data
[GHz] publikacji
2,4-2,5 1997
1999
Urządzenia dopiero w
2001
2,4-2,5 1999
Rozszerzenie 802.1y
do pracy z szybkością
5,5 oraz 11 Mb/s
6, 9, 12, 24, 36, 48, 54 5,0
802.11b
1, 2, 5,5, 11
802.11g
1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12,
2,4-2,5 2003
18, 24, 36, 48, 54
802.11n
100, 250
Uwagi
2,4 lub
5,0
2006
Zgodny w dół z
802.11b
Wyższe wymagania
co szybkości
12
802.11y
• Medium
o
o
Promieniowane podczerwone
Fale radiowe
o
o
Przemysł
Medycyna
• Zastosowania w chwili wprowadzenia
• Zatrzymanie rozwoju 802.11 dla
podczerwieni ze względu na konkurencję
standardu IrDA
• Szybkie przejście do 802.11b wskutek
o
o
Niskiej wydajności
Wysokiego zainteresowana
13
802.11b
• Szybkość przekazu do 11 Mbit/s przy
użyciu standardowych anten
• Realne obniżenie szybkości do 5,5 Mbit/s
przez niską sprawność protokołu
• Możliwość intencjonalnego obniżenia
szybkości do 5,5 Mbit/s lub 1 Mbit/s
• Spektrum podzielone na 14 niezależnych
kanałów o szerokości 22 MHz
• Zastosowanie w chwili wprowadzenia –
zastępowanie połączeń:
o
o
Operatorów kablowych (aspekt cenowy)
Starszego sprzętu do komunikacji
14
mikrofalowej
•
Compaq WL200 802.11b PCI card
Źródło: Wikipedia
15
Zasięg 802.11b
• Do 96 m na otwartej przestrzeni
• Do 46 m w pomieszczeniu
• Znaczne tłumienie (pochłanianie fal,
obniżenie jakości sygnału) przez
niektóre materiały
o
o
o
Metal
Woda
Beton
• Większy zasięg przy zastosowaniu
wzmacniaczy
o
o
Do 8 km – praktycznie stosowane
Do 120 km – tylko testowo
16
802.11b+ jako modyfikacja
802.11b
• Własne produkty niektórych
producentów osiągające szybkości...
o
o
o
22 Mbit/s
33 Mbit/s
44 Mbit/s
• Oparte na standardzie ale nigdy nie
uznane jako standard przez IEEE
17
Standard 802.11a
• Szybkość przekazu do 54
Mbit/s
• Szybkość średnia – ok.
20 Mbit/s
• Możliwość
intencjonalnego
obniżenia szybkości
o 48 Mbit/s
o 36 Mbit/s
o 34 Mbit/s
o 18 Mbit/s
o 12 Mbit/s
o 9 Mbit/s
o 6 Mbit/s
• Spektrum podzielone
na 12 niezależnych
kanałów:
o 8 do pracy w
budynkach
o 4 do pracy między
dwoma punktami
(ang. point to
point)
• Koncesyjność pasma
5 GHz w niektórych
krajach
18
Popularność standardu 802.11a
• Niższa w porównaniu do standardu
802.11b
• Dodatkowe (prócz, miejscowej,
koncesyjności pasma) problemy:
o
o
Krótszy zasięg
Większy pobór mocy
• Choć... wiele obecnie dostępnych na rynku
urządzeń pracujących w obu standardach
• Niektóre karty pozwalające nawet na
pracę w dwóch systemach równolegle
19
Standard 802.11g
•
•
•
•
Szybkość przekazu do 54 Mbit/s
Pasmo częstotliwości 2,4 GHz
Podobnie jak 802.11b
Całkowita zgodność "w dół" ze standardem
802.11b
• Praktyczna redukcja szybkości do 11
Mbit/s przy korzystaniu ze starszych
urządzeń
20
Kompatybilność urządzeń 802.11g
ze standardem
• Rozpoczęcie wdrażania standardu w
produktach (karty, access pointy) wielu
firm jeszcze przed jego wprowadzeniem
• Źródło potencjalnych problemów z
kompatybilnością
• Całkowita zgodność od lata 2003 roku
• Obecnie większość produktów to produkty:
o
o
Jednokanałowe – bg
Dwukanałowe – abg
21
802.11 super G
• Popularna opcja producencka
• Możliwość łączenia pasma kilku kanałów w
jedno
• Szybkość przekazu do 108 Mbit/s
• Dodatkowo – poprawienie algorytmów
zarządzania ruchem pakietów radiowych
• Wynik – poprawa sprawności protokołu
• Brak wsparcia i kompatybilności ze
wszystkimi urządzeniami
22
Standard 802.11n
• Szybkość przekazu – 100 Mbit/s albo
250 Mbit/s
• Zwiększenie zasięgu
• Możliwość objęcia rozległych sieci
bezprzewodowe
• Anteny MIMO (ang. Multiple Input,
Multiple Output)
23
SISO, SIMO, MISO i MIMO
Źródło:
Wikipedia
24
Inne standardy 802.11
• 802.11d – definicje pasm dla różnych
krajów
• 802.11e – wprowadzenie różnych
priorytetów stacji w obrębie sieci
• 802.11f – IAPP (ang. Inter-Access Point
Protocol)
• 802.11h – formalne wprowadzenie
pasma 5 GHz i zgodność z normami EU
• 802.11i – bezpieczeństwo
• 802.11j – modyfikacja na potrzeby Japonii
25
Problem kompatybilności urządzeń
• Gwałtowny rozwój bezprzewodowych sieci
komputerowych
• Rezultat – powstanie potrzeby testowania
poszczególnych urządzeń na zdolność
współpracy między sobą
• Odpowiedź na problem – stworzenie
certyfikatu i logo WiFi (ang. Wireless
Fidelity)
26
Certyfikaty WiFi
• Standardy 802.11 podstawą certyfikatów
WiFi
• Zakres certyfikacji:
o
o
o
Wszystkie standardy 802.11
Zasady dotyczące bezpieczeństwa
Wyraźne podawanie częstotliwości pracy
27
IEEE 802.12
“demand priority access.”
• Specyfikacja:
• charakterystyk kontroli dostepu do medium (MAC)
dla priorytetowych metod dostępu na żądanie,
• zarządzania podwarstwą,
• warstw fizycznych,
• mediów, które obsługują priorytetową metodę
dostępu:
o kabel symetryczny (skrętka) 100 Ω (Kategorie
3...5),
o kabel symetryczny ekranowany 150 Ω,
o światłowód.
28
IEEE 802.15
“Wireless Personal Area Networks”
• Sieć o zasięgu
osobistym
• Bluetooth
• Pasmo: 2,4 GHz
• Przepustowość:
do 723 kbit/s
• Wielodostęp
(wspólne
medium)
29
IEEE 802.16 “Broadband Wireless
Metropolitan Area Networks”
• BWA – ang. Broadband
Wireless Access
• Szerokopasmowe sieci
miejskie
• Konkurencja dla sieci...
o
o
o
Światłowodowych
Kablowych
xDSL
• Pasmo: od 2 GHz do 11
GHz
• Przepustowość: od 128
kbit/s do 1,5 Mbit/s
• Integracja usług:
o
o
o
o
Internet
Dane
Audio
Wideo
30
SZUMY
7/25/2009
31
Podział szumów z uwagi na widmo
• Szum biały
o
o
o
Całkowicie płaskie widmo sygnału
Przez analogię do widma optycznego fali elektromagnetycznej
Światło białe to de facto szum elektromagnetyczny mieszaniny
wszystkich możliwych barw o całkowicie płaskim widmie
• Szum różowy
o
o
o
Szum o widmie z przewagą częstotliwości niskich
Różowe światło o przewadze niskich częstotliwości
Inaczej szum 1/f
o
o
o
o
Albo szum brązowy, także szum Browna ☺
Szum o jeszcze większej przewadze częstotliwości niskich
Znowu przez analogię do światła
Światło barwy czerwonej, gdy ma jeszcze większą przewagę
niskich częstotliwości
• Szum czerwony
7/25/2009
32
Szum biały
Źródło: Wikipedia
7/25/2009
33
Szum różowy
Źródło: Wikipedia
7/25/2009
34
Szum czerwony
Źródło: Wikipedia
7/25/2009
35
Inne pojęcia związane z szumem
• Szum akustyczny – dźwięk, którego widmo
jest w większości zakresu słyszalności
zrównoważone
• Niektóre źródła powstawania szumu:
Szum termiczny – główne źródło zakłóceń w układach
elektronicznych
o Szum śrutowy – fluktuacje prądu elektrycznego, związane z
ziarnistą naturą ładunku elektrycznego
o
7/25/2009
36
Definicja
MASKA TELEKOMUNIKACYJNA
7/25/2009
37
Maska telekomunikacyjna –
definicja (1/2)
• Konieczność zapewnienia ściśle określonego
kształtu sygnału przenoszonego przez tor
transmisyjny
• Przyczyna – możliwość niewłaściwego
interpretowania danych przez odbiornik
• Zwykle – brak idealności kształtu
odebranego impulsu
38
Maska telekomunikacyjna –
definicja (2/2)
• Maska telekomunikacyjna – określenie
dopuszczalnego odchylenia kształtu impulsu
sygnału cyfowego
• Jeśli sygnał nie wykracza poza ramy maski
=> założenie, że odbiornik prawidłowo
sygnał
o
o
Odbierze i
Zinterpretuje
o
o
Może to być niemożliwe lub
Może nastąpić jego przekłamanie (w zależności od charakteru
tych zniekształceń)
• W przeciwnym przypadku:
39
Wymagania
MASKA TELEKOMUNIKACYJNA
7/25/2009
40
Maska telekomunikacyjna –
wymagania
• Istnienie wymagań impulsy w zakresie:
o
o
Amplitudy
Kształtu
o
o
PCM
PDH
• Zakres wymagań – urządzenia
telekomunikacyjne:
• Szczegółowa standardyzacja:
Zalecenie Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej ITU-T
G.703
o "Wymagania techniczno-eksploatacyjne dla teletransmisyjnych
plezjochronicznych systemów cyfrowych"
o
41
Maska telekomunikacyjna – wyciąg
z wymagań
Przepływność
Impedancja
wyjściowa
Kod
kb/s
Ω
-
139 264
Znamionowa
amplituda
Tolerancja
impulsu
amplitudy
V
% U znam.
75CMI
0,50
+/- 10
34 368
75HDB-3
1,00
+/- 10
8 448
75HDB-3
2,37
+/- 10
2 048
75HDB-3
2,37
+/- 10
2 048
120HDB-3
3,00
+/- 10
Codirectional
Contradirectional –
AMI Centralized –
120AMI
1,00
+/- 10
64
7/25/2009
42
Przykłady porównania przebiegów z maskami
telekomunikacyjnymi, zmierzone przebiegi są prawidłowe
(nie wykraczają poza ramy masek)
MASKA TELEKOMUNIKACYJNA
43
Przykład maski telekomunikacyjnej
dla przebiegu PDH 140 Mbit/s
Porównanie przebiegu nieramkowanego 140
Mbit/s (nałożone na siebie 100 impulsów),
wyjście niesymetryczne 75 Ω, kod CMI, sygnał
"same jedynki" z maską telekomunikacyjną
7/25/2009
44
Przykład maski telekomunikacyjnej
dla przebiegu PCM 2 Mbit/s
Porównanie przebiegu nieramkowanego 2 Mbit/s
(nałożone na siebie 100 impulsów), wyjście
symetryczne 120 Ω, kod HDB-3, sygnał "same
jedynki" z maską telekomunikacyjną
7/25/2009
45
Niepożądane zjawiska skutkujące
modyfikacją sygnału względem
wyjścia nadajnika
• Odbicia
• Spadki:
o
o
Napięcia
Mocy
o
o
Odbiorników
Nadajników
• Nieliniowość stopni mocy:
• Fluktuacja fazy
46
Odpowiedź na przekłamania transmisji
KOD HDB-2
7/25/2009
47
Kod HDB-2
• Kod HDB-2 (ang. „High Density Bipolar
Code”)
• Kod transmisyjny
• Zadanie: odpowiednie kształtowanie
właściwości transmisyjnych sygnału
liniowego
• Kody transmisyjne powinny posiadać wiele
cech niezbędnych do realizacji transmisji
przy istniejących ograniczeniach ze strony:
o
o
Kanału transmisyjnego, i
Współpracujących z nim urządzeń
7/25/2009
48
Najbardziej pożądane właściwości
sygnału
• Brak składowej stałej
• Niski poziom widma gęstości mocy w
pobliżu częstotliwości f=0
• Koncentracja widma gęstości mocy w jak
najwęższym paśmie
• Możliwość odtworzenia elementowej
podstawy czasu
• Odporność na zakłócenia
7/25/2009
49
Kod HDB-2 jako przykład kodu z grupy
kodów pseudoternarnych (1/2)
• Kod pseudoternarny – 3 stany sygnału
kodowego mimo jedynie 2 stanów sygnału
informacyjnego
• Elementy liniowe o czasie trwania równym
połowie okresu charakterystycznego T
50
Kod HDB-2 jako przykład kodu z grupy
kodów pseudoternarnych (2/2)
• Zwiększenie liczby poziomów do trzech:
o
o
o
o
Zapewnienie korzystnych własności widmowych sygnału
Zmniejszenie zniekształceń interferencyjnych
Powiększenie zasięgu
Podniesienie jakości transmisji
• Częste zmiany stanu sygnału nawet wtedy
gdy stan sygnału danych nie ulega zmianie
• Efekt: zapewnienie dobrych właściwości
synchronizacyjnych uzyskuje się przez
51
Zasada kodowania –
odwzorowywania
• „1” – przemiennie w impulsy:
o
o
Dodatnie
Ujemne
• „0”
Zerowy poziom sygnału (gdy nie występuje sekwencja
zawierająca więcej niż dwa „0”)
o Impuls zakłócający regułę przemienności, tzn. impulsem
o polaryzacji zgodnej z polaryzacją ostatniego impulsu (w
sekwencjach dłuższych, każde trzecie zero)
o
52
Impulsy zakłócające
• Zmiana polaryzacji z impulsu na impuls
• Eliminacja zastępowania długich sekwencji
zer sekwencjami impulsów o jednakowej
polaryzacji
• Zapobieganie uwypukleniu niepożądanej
niskoczęstotliwościowej części widma
53
Dokładna reguła tworzenia sygnału
liniowego kodu
Bity danych
1
Elementy sygnału
B
00V
Jeżeli za ostatnim elementem V
występuje nieparzysta liczba
elementów B
00B
Jeżeli za ostatnim elementem V
występuje parzysta liczba
elementów B
000
7/25/2009
Warunki wyboru sekwencji
54
Opis elementów sygnału
• V – element o polaryzacji zgodnej
z poprzednim elementem niezerowym
• B – element o polaryzacji przeciwnej
do poprzedniego elementu niezerowego
• Elementy B i V:
Wartość “0” przez pierwszą połowę odstępu
charakterystycznego T
o Wartość “±d” przez drugą połowę odstępu
charakterystycznego (gdzie d to amplituda impulsu
prostokątnego)
o
• Modyfikacja – HDB-3
7/25/2009
55
HDB-3
7/25/2009
56
Kod HDB-2:
Eliminacja długich sekwencji
• Dzięki eliminacji długich sekwencji zer kod
HDB-2 posiada dobre właściwości
synchronizujące
• W wyniku wprowadzenia elementów V,
w sygnale nie mogą wystąpić zaniki zmian
trwające dłużej niż przez 2 odstępy
charakterystyczne T
• Wystarcza to do zachowania dobrych
warunków synchronizacji bez ograniczeń
dotyczących struktury danych
57
Kod HDB-2:
Eliminacja składowej stałej
• Zasada kodowania eliminuje składową stałą
i to w sposób niezależny od struktury
danych.
• Maksymalna wartość bieżącej sumy
cyfrowej nie przekracza wartości 2, a więc
jest nieznacznie większa niż dla kodu
bipolarnego.
58
Kod HDB-2:
Nadmiar kodowania i widmo
• Nadmiar wynikający z kodowania
trójstanowego (dwie informacje
odwzorowywane w trzy poziomy sygnału)
pozwala na wykrycie błędów
transmisyjnych objawiających się
zakłóceniami reguły przemienności
biegunowości kolejnych impulsów B oraz V
• Kod HDB-2 posiada dobre własności
widmowe:
Górna granica widma nie jest obniżona w stosunku
do widma sygnału binarnego lecz istotna
energetycznie jego część jest zawężona.
o Dla dowolnego prawdopodobieństwa rozkładu
informacji widmo nie zawiera części dyskretnej.
o
59
Kod HDB-2:
Zmniejszenie czasu impulsu
Zmniejszenie czasu trwania impulsu do połowy odstępu
charakterystycznego pozwoliło na zwiększenie
dopuszczalnego napięcia międzyszczytowego sygnału
liniowego, przy tym samym poziomie zakłóceń w
sąsiednich torach jak dla kodowania bipolarnego.
60
Kod HDB-2:
Podstawowe wady kodu
• Do podstawowych wad kodu należy zaliczyć
małą odporność na zakłócenia wynikające
ze zwiększenia liczby poziomów elementów
sygnału do trzech.
• Zasada kodowania wprowadza również
możliwość powielania błędów (tzw.
propagacje błędów).
• Wadą kodu HDB-2 jest niemożność
natychmiastowego kodowania (i
dekodowania), gdyż zarówno w nadajniku
jak i odbiorniku przed nadaniem
odpowiedniego impulsu są analizowane
każde trzy pozycje ciągu binarnego.
61
Schemat montażowy kodera
kodu HDB-2
62
Literatura (1/2)
• „Lokalne sieci komputerowe”,
http://www.linuxpub.pl/download/sieci.p
df
• “Aloha Protocol - Computer Science Provided by Laynetworks.com”
http://www.laynetworks.com/ALOHA%20PROTOCOL.htm
• “CSMA”
http://www.cs.mu.oz.au/353/notes/node126.html
63
Literatura (2/2)
• “'Get IEEE 802'TM Home Page”
http://standards.ieee.org/getieee802/
• “Sieci – Profil Dydaktyczny”
http://irogozinska.strony.wi.ps.pl/
• “Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection (CSMA/CD)”
http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/course/lan-pages/csma-cd.html
64