Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Telekomunikacji 2010-10-24

Przekaz radiowy, szumy i kod HDB

Mikołaj Leszczuk

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 Fale radiowe (najczęściej) o Podczerwień

• Standardyzacja – IEEE 802.x (najczęściej 802.11)

3

Definicja sieci bezprzewodowej (2/2)

• Szybkość przesyłania danych – zależna od o Użytego standardu

o Odległości pomiędzy użytymi urządzeniami

• Najczęściej stosowane/osiągane szybkości: o 11 Mbit/s

o 22 Mbit/s

o 44 Mbit/s

o 55 Mbit/s

4

Elementy infrastruktury sieci bezprzewodowych

• Karty sieciowe, najczęściej typu o PCI

o USB

o PCMCIA

• Punkty dostępowe (ang. Access Point)

• Anteny

• Pozostałe: o Kable

o Złącza

o Konektory

o Przejściówki o Rozdzielacze

antenowe

o Terminatory

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 LAN

o MAN

• Również: specyfikacja zdalnie zarządzanych obiektów

8

IEEE 802.11 (“Wireless LANs”) – cechy wspólne

• Wielodostęp (wspólne medium)

• Identyfikator sieci • Bezpieczeństwo:

o Szyfrowanie

o Blokada wg adresów

9

• 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)

• 802.11a,b,g – zupełnie niezależnie protokoły skupiające się na kodowaniu

• 802.11c-f,h-j,n – rozszerzenia usług i poprawki do innych standardów z rodziny

Standardy IEEE 802.11

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 – 802.11b,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 Szybkości [Mbit/s] Pasmo [GHz]

Data publikacji

Uwagi

802.11(y) 1, 2 2,4-2,5 1997

802.11a 6, 9, 12, 24, 36, 48, 54 5,0 1999 Urządzenia dopiero w 2001

802.11b 1, 2, 5,5, 11 2,4-2,5 1999 Rozszerzenie 802.1y do pracy z szybkością 5,5 oraz 11 Mb/s

802.11g 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, 54

2,4-2,5 2003 Zgodny w dół z 802.11b

802.11n 100, 250 2,4 lub 5,0

2006 Wyższe wymagania co szybkości

12

802.11y

• Medium o Promieniowane podczerwone

o Fale radiowe

• Zastosowania w chwili wprowadzenia o Przemysł o Medycyna

• Zatrzymanie rozwoju 802.11 dla podczerwieni ze względu na konkurencję standardu IrDA

• Szybkie przejście do 802.11b wskutek o Niskiej wydajności o 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 Operatorów kablowych (aspekt cenowy)

o Starszego sprzętu do komunikacji mikrofalowej 14

• Źródło: Wikipedia

Compaq WL200 802.11b PCI card

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 Metal o Woda

o Beton

• Większy zasięg przy zastosowaniu wzmacniaczy o Do 8 km – praktycznie stosowane

o Do 120 km – tylko testowo 16

802.11b+ jako modyfikacja 802.11b

• Własne produkty niektórych producentów osiągające szybkości... o 22 Mbit/s

o 33 Mbit/s o 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 Krótszy zasięg

o 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 Jednokanałowe – bg

o 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

• Standardy 802.11 podstawą certyfikatów WiFi

• Zakres certyfikacji: o Wszystkie standardy 802.11 o Zasady dotyczące bezpieczeństwa o Wyraźne podawanie częstotliwości pracy

Certyfikaty WiFi

27

• 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.

IEEE 802.12 “demand priority access.”

28

• Sieć o zasięgu osobistym

• Bluetooth • Pasmo: 2,4 GHz • Przepustowość:

do 723 kbit/s • Wielodostęp

(wspólne medium)

IEEE 802.15 “Wireless Personal Area Networks”

29

IEEE 802.16 “Broadband Wireless Metropolitan Area Networks”

• BWA – ang. Broadband Wireless Access

• Szerokopasmowe sieci miejskie

• Konkurencja dla sieci... o Światłowodowych

o Kablowych

o xDSL

• Pasmo: od 2 GHz do 11 GHz

• Przepustowość: od 128 kbit/s do 1,5 Mbit/s

• Integracja usług: o Internet o Dane

o Audio

o Wideo

30

SZUMY

31 7/25/2009

Podział szumów z uwagi na widmo

• Szum biały o Całkowicie płaskie widmo sygnału

o Przez analogię do widma optycznego fali elektromagnetycznej

o Światło białe to de facto szum elektromagnetyczny mieszaniny wszystkich możliwych barw o całkowicie płaskim widmie

• Szum różowy o Szum o widmie z przewagą częstotliwości niskich

o Różowe światło o przewadze niskich częstotliwości o Inaczej szum 1/f

• Szum czerwony o Albo szum brązowy, także szum Browna

o Szum o jeszcze większej przewadze częstotliwości niskich

o Znowu przez analogię do światła

o Światło barwy czerwonej, gdy ma jeszcze większą przewagę niskich częstotliwości

7/25/2009 32

Szum biały Źródło: Wikipedia

33 7/25/2009

Szum różowy Źródło: Wikipedia

34 7/25/2009

Szum czerwony Źródło: Wikipedia

35 7/25/2009

Inne pojęcia związane z szumem

• Szum akustyczny – dźwięk, którego widmo jest w większości zakresu słyszalności zrównoważone

• Niektóre źródła powstawania szumu: o Szum termiczny – główne źródło zakłóceń w układach

elektronicznych

o Szum śrutowy – fluktuacje prądu elektrycznego, związane z ziarnistą naturą ładunku elektrycznego

7/25/2009 36

MASKA TELEKOMUNIKACYJNA Definicja

37 7/25/2009

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 Odbierze i o Zinterpretuje

• W przeciwnym przypadku: o Może to być niemożliwe lub

o Może nastąpić jego przekłamanie (w zależności od charakteru tych zniekształceń)

39

MASKA TELEKOMUNIKACYJNA Wymagania

40 7/25/2009

Maska telekomunikacyjna – wymagania

• Istnienie wymagań impulsy w zakresie: o Amplitudy

o Kształtu

• Zakres wymagań – urządzenia telekomunikacyjne: o PCM

o PDH

• Szczegółowa standardyzacja: o Zalecenie Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej ITU-T

G.703

o "Wymagania techniczno-eksploatacyjne dla teletransmisyjnych plezjochronicznych systemów cyfrowych"

41

Maska telekomunikacyjna – wyciąg z wymagań

Przepływność Impedancja wyjściowa Kod

Znamionowa amplituda impulsu

Tolerancja amplitudy

kb/s Ω - V % U znam.

139 264 75 CMI 0,50 +/- 10

34 368 75 HDB-3 1,00 +/- 10

8 448 75 HDB-3 2,37 +/- 10

2 048 75 HDB-3 2,37 +/- 10

2 048 120 HDB-3 3,00 +/- 10

64 120

Codirectional Contradirectional – AMI Centralized – AMI 1,00 +/- 10

7/25/2009 42

MASKA TELEKOMUNIKACYJNA

Przykłady porównania przebiegów z maskami telekomunikacyjnymi, zmierzone przebiegi są prawidłowe (nie wykraczają poza ramy masek)

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

44 7/25/2009

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

45 7/25/2009

Niepożądane zjawiska skutkujące modyfikacją sygnału względem

wyjścia nadajnika

• Odbicia

• Spadki: o Napięcia

o Mocy

• Nieliniowość stopni mocy: o Odbiorników

o Nadajników

• Fluktuacja fazy

46

KOD HDB-2 Odpowiedź na przekłamania transmisji

47 7/25/2009

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 Kanału transmisyjnego, i o 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 Zapewnienie korzystnych własności widmowych sygnału

o Zmniejszenie zniekształceń interferencyjnych

o Powiększenie zasięgu

o 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 Dodatnie

o Ujemne

• „0” o 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)

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 Elementy sygnału Warunki wyboru sekwencji

1 B

000

00V

Jeżeli za ostatnim elementem V występuje nieparzysta liczba elementów B

00B

Jeżeli za ostatnim elementem V występuje parzysta liczba elementów B

7/25/2009 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: o Wartość “0” przez pierwszą połowę odstępu

charakterystycznego T

o Wartość “±d” przez drugą połowę odstępu charakterystycznego (gdzie d to amplituda impulsu prostokątnego)

• 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: o 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.

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.pdf

• “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