Étaler le spectre

Terme élargir le spectre a été utilisé par de nombreux systèmes de communication militaires et commerciaux. Dans les systèmes à spectre étalé, chaque signal porteur de message nécessite une bande passante radiofréquence beaucoup plus large qu'un signal modulé classique. Une bande passante plus large permet

propriétés et caractéristiques difficiles à obtenir par d'autres moyens.

Le spectre étalé est une méthode de génération d'un signal à spectre étalé à l'aide d'un étage de modulation supplémentaire qui non seulement étale le spectre du signal, mais atténue également son effet sur d'autres signaux. La modulation supplémentaire n'a rien à voir avec le message transmis. Par conséquent, une telle extension de la bande passante ne nous permet pas d'affaiblir l'effet du bruit blanc gaussien additif (AWGN), comme cela se produit avec la modulation de fréquence à large bande.

Avantages des systèmes à spectre étalé

densité spectrale 4) Haute résolution dans les mesures de distance 5) Sécurité des communications 6) Capacité à résister aux interférences intentionnelles

8) Une diminution progressive de la qualité de la communication avec une augmentation du nombre d'utilisateurs occupant simultanément le même canal HF

9) Faible coût de mise en œuvre

10) Disponibilité d'une base d'éléments modernes (circuits intégrés).

Les principaux groupes de systèmes à spectre étalé

En fonction de l'architecture et des types de modulation utilisés,

Les systèmes à étalement de spectre peuvent être divisés en les groupes principaux suivants :

Systèmes à étalement de spectre direct basés sur des séquences pseudo-aléatoires (PRS), y compris les systèmes CDMA.

Systèmes de saut de fréquence (saut de fréquence), y compris les systèmes CDMA avec saut de fréquence lent et rapide.

Systèmes d'accès multiple à détection de porteuse (CSMA).

Systèmes avec restructuration de la position temporelle des signaux (temps "sautant").

Systèmes de modulation de puce. Systèmes à spectre étalé mixte.

Dans les systèmes de radiocommunication mobile et les réseaux locaux sans fil, les procédés d'étalement direct, d'accord de fréquence et d'étalement de détection de porteuse ont trouvé une large application.

Spectre à étalement direct utilisant des séquences pseudo-aléatoires

Riz. 1. Schéma fonctionnel

systèmes avec direct

élargir le spectre

signaux à travers

pseudo-aléatoire

séquences : a -

émetteur de signaux avec

PSK et au-delà

élargir le spectre; b - circuit équivalent de l'émetteur, dans lequel

élargir le spectre

réalisée en bande de base ; c - récepteur.

Le processus de génération de signaux à spectre étalé se déroule en deux étapes : modulation et spectre étalé (ou modulation secondaire au moyen d'une séquence pseudo-aléatoire). Secondaire

la modulation est effectuée en utilisant l'opération de multiplication idéale g (t) s (t) (Fig. 1). Dans cette multiplication, les formes

Signal porteur double bande modulé en amplitude.

Le signal PSK est défini par l'expression suivante :

où d (t) est un signal à deux niveaux non filtré ayant deux états : +1 et -1; ωpc - fréquence intermédiaire, Ps - puissance du signal.

En tant que signal d'étalement g(t), un signal de séquence pseudo-aléatoire (PRS) avec un taux de répétition de symboles f = 1/Tc est utilisé. À la suite de la remodulation, un signal PSK à spectre étalé est généré :

Ce signal FI est ensuite traduit jusqu'à la fréquence souhaitée à l'aide d'un synthétiseur de radiofréquence (RF). Ici, ω0 désigne soit l'intermédiaire ω IF soit la fréquence radio ω RF.

Ainsi, l'entrée du récepteur reçoit la somme de M signaux à spectre étalé indépendants occupant la même bande RF :

où M est le nombre d'utilisateurs (actifs) transmettant simultanément ; g i (t) -PSP i-ième paireémetteur-récepteur; s i (t) signal modulé; I (t) - interférence (intentionnelle ou intrinsèque); n (t) - ABGSH.

Dans le récepteur de l'utilisateur auquel le message est destiné, il existe un signal synchronisé dans le temps g i (t) qui fournit une compression

spectre et représentant une copie exacte du signal PRS de l'émetteur correspondant. Le signal PSK à bande étroite obtenu après compression du spectre est démodulé. L'exemple présenté utilise une modulation/démodulation de phase binaire. Cependant, la mise en œuvre d'autres types est possible.

modulations telles que MSK, GMSK, GFS ^ FBPSK et FQFSK.

Si un ensemble de signaux PRSP non corrélés est sélectionné, alors après l'opération de compression de spectre, seul le signal utile modulé est retenu. Tous les autres signaux, étant non corrélés, conservent leur large bande et ont une largeur spectrale qui dépasse la bande passante de coupure du filtre démodulateur.

les parties réceptrices du système sont illustrées à la Fig. 4. Ici, le générateur binaire PRS contrôle le synthétiseur de fréquence, à l'aide duquel s'effectue la transition ("saut") d'une fréquence à une autre à partir de l'ensemble des fréquences disponibles. Voici donc l'effet d'expansion

le spectre est obtenu grâce à un accord pseudo-aléatoire de la fréquence porteuse dont la valeur est choisie parmi les fréquences disponibles f j,. ... ... , fN,

où N peut atteindre des valeurs de plusieurs milliers ou plus.

Si le taux de restructuration des messages (taux de changement de fréquences)

dépasse le taux de transmission des messages, alors nous avons un système avec rapide accord de fréquence. Si la vitesse de syntonisation est inférieure à la vitesse

transmission de messages, de sorte que dans l'intervalle de réglage plusieurs bits sont transmis, alors nous avons un système avec accord de fréquence lent.

Techniques de diffusion du spectre

Initialement, les méthodes à spectre étalé (PC ou SS - Spread-Spectrum) ont été utilisées dans le développement de systèmes de contrôle et de communication militaires. Pendant la Seconde Guerre mondiale, le spectre étalé a été utilisé dans les radars pour lutter contre les interférences intentionnelles. Ces dernières années, le développement de cette technologie s'explique par la volonté de créer des systèmes de communication radio efficaces pour assurer une immunité élevée au bruit lors de la transmission de signaux à bande étroite sur des canaux bruités et compliquer leur interception.

Un système de communication est un système à spectre étalé dans les cas suivants :

La bande de fréquence utilisée pour la transmission est beaucoup plus large que le minimum requis pour la transmission des informations courantes. Dans ce cas, l'énergie du signal d'information se dilate sur toute la bande passante avec un faible rapport signal sur bruit, de sorte que le signal est difficile à détecter, intercepter ou empêcher sa transmission en introduisant des interférences. Bien que la puissance totale du signal puisse être importante, le rapport signal sur bruit dans n'importe quelle gamme de fréquences est faible, ce qui rend le signal à spectre étalé difficile à détecter dans les communications radio et, dans le contexte de la dissimulation d'informations stéganographiques, difficile à distinguer par les humains .

L'étalement s'effectue à l'aide d'un signal dit d'étalement (ou code), indépendant de l'information transmise. La présence d'énergie de signal dans toutes les bandes de fréquences rend le signal radio à spectre étalé résistant aux interférences, et les informations intégrées dans le conteneur en utilisant la méthode à spectre étalé résistent à son élimination ou à son retrait du conteneur. La compression et d'autres types d'attaques sur un système de communication peuvent supprimer l'énergie du signal de certaines parties du spectre, mais comme ce dernier était réparti sur toute la plage, il y a suffisamment de données dans d'autres bandes pour récupérer des informations. En conséquence, si, bien sûr, vous ne divulguez pas la clé qui a été utilisée pour générer le signal de code, la probabilité de récupération d'informations par des personnes non autorisées est considérablement réduite.

La récupération des informations primaires (c'est-à-dire le « rétrécissement du spectre ») est effectuée en comparant le signal reçu et une copie synchronisée du signal de code.

Il existe trois manières principales d'étendre le spectre dans les communications radio :

Avec l'aide de PSP direct (RSPP);

Utilisation des sauts de fréquence ;

Via compression utilisant chirp.

Lors de l'étalement du spectre avec une séquence directe, le signal d'information est modulé par une fonction qui prend des valeurs pseudo-aléatoires dans les limites spécifiées et multiplié par une constante de temps - la fréquence (taux) des puces (puces). Ce signal pseudo-aléatoire contient des composantes à toutes les fréquences qui, lorsqu'elles sont étalées, modulent l'énergie du signal sur une large plage.

Dans le spectre étalé à sauts de fréquence, l'émetteur change instantanément une fréquence porteuse en une autre. La clé secrète dans ce cas est la loi pseudo-aléatoire de variation de fréquence.

En compression chirp, le signal est modulé par une fonction dont la fréquence change dans le temps.

Il est évident que n'importe laquelle de ces méthodes peut être étendue pour être utilisée dans le domaine spatial lors de la construction de systèmes stéganographiques.

Considérez l'une des options de mise en œuvre de la méthode RSPP, dont les auteurs sont J.R. Smith et V.O. Comiskey. L'algorithme de modulation est le suivant : chaque bit d'un message est représenté par une fonction de base, la dimension multipliée, selon la valeur du bit (1 ou 0), par +1 ou -1 :

Le message modulé reçu dans ce cas est pixel par pixel ajouté à l'image conteneur, qui est utilisée comme une image en niveaux de gris en taille. Le résultat est une image stégano, avec.

Les technologies sans fil assurent une communication sécurisée et fiable avec des sites de production distants lorsque l'utilisation de produits câblés est limitée. Pour l'organisation Entretien les appareils sans fil surveillent l'état des pompes et des mécanismes, transmettent les données aux stations de surveillance des eaux usées à distance et aux systèmes d'entrée/sortie.

Dans une solution, le système sans fil reçoit des lectures d'une station météorologique et des lectures d'un flux d'eaux usées de production chimique. La station météorologique de l'usine est située à 2,5 kilomètres du panneau de commande principal et dispose d'un enregistreur qui collecte les données de l'anémomètre (vitesse du vent), du thermomètre et de l'hygromètre. L'enregistreur est connecté à la technologie WLM Remote RF 900MHz de Moore Industries à spectre étalé de fréquence (FHSS) sans fil et transmet les données à l'aide d'une antenne Yagi montée sur un support haut près de la station météo. De graves problèmes pendant le fonctionnement ne se sont pas encore posés.

Il semblait que la communication sans fil avec la station de surveillance des eaux usées était impossible. Bien que la distance entre la station et la salle de contrôle centrale n'était que de 500 m, le signal RF devait traverser la chaufferie de quatre étages. Néanmoins, des tests ont été effectués avant l'installation et le réseau radio a fonctionné sans problème. La principale leçon de tout cela est que la technologie sans fil fonctionne même là où vous pensiez qu'elle ne devrait pas fonctionner. Tout ce que vous avez à faire est de tester le système.

Il existe de nombreuses technologies radio. Comprendre les mécanismes de leur fonctionnement est nécessaire pour sélectionner la meilleure solution pour une application spécifique. Un réseau sans fil peut être sous licence ou sans licence, Ethernet ou série, bande étroite ou spectre étalé, protocole sécurisé ou ouvert, Wi-Fi… la liste est longue. Cet article est une introduction à la technologie sans fil.

Portée RF

La gamme de 9 kilohertz (kHz) à des milliers de gigahertz (GHz) peut être utilisée pour les communications sans fil. Fréquences plus élevées - spectre infrarouge, spectre d'éclairage, rayons X, etc. Étant donné que les fréquences radio sont une ressource limitée utilisée par les stations de télévision et de radio, téléphones portables et d'autres appareils sans fil, les portées pouvant être utilisées pour certains types de communications et de transmission de données sont déterminées par les agences gouvernementales.

Aux États-Unis, la Federal Communications Commission (FCC) attribue des fréquences aux utilisateurs non gouvernementaux. La FCC a déterminé que les équipements industriels, scientifiques et médicaux doivent fonctionner dans les bandes 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz et 5725-5875 MHz avec des restrictions sur la force du signal, la puissance et d'autres paramètres de transmission radio. Ces bandes sont sans licence et peuvent être utilisées librement selon les réglementations de la FCC. D'autres bandes du spectre peuvent être utilisées après autorisation. Le tableau 1 répertorie les gammes de spectre radioélectrique et leurs domaines d'application.

Fréquences autorisées ou non autorisées

Une licence de la FCC est requise pour opérer sur la fréquence autorisée. Idéalement, ces fréquences sont à l'abri des interférences, et en cas d'interférence, le contrevenant peut être tenu responsable. Les inconvénients sont la procédure compliquée et longue pour obtenir une licence, l'impossibilité d'acheter des appareils déjà disponibles, car ils doivent être fabriqués pour fonctionner sur une fréquence sous licence, et, bien sûr, le coût d'obtention d'une licence.

La fréquence sans licence fait référence à une fréquence déterminée par la FCC comme étant libre d'utilisation sans avoir besoin d'enregistrement et d'autorisation. Des limitations de puissance de signal existent en fonction de l'emplacement du système. Par exemple, aux États-Unis dans la gamme 900 mégahertz, la puissance maximale est de 1 watt ou 4 watts EIRP (puissance de rayonnement isotrope effective).

Les avantages d'utiliser des fréquences sans licence sont évidents : il n'est pas nécessaire de consacrer du temps et de l'argent à l'obtention d'une licence ; de nombreux fabricants fournissent au marché des produits prenant en charge ces fréquences, des coûts de mise en service faibles en raison de l'absence de coûts de licence. Les inconvénients résident dans l'idée même d'une portée sans licence : plusieurs systèmes peuvent fonctionner simultanément sur la même fréquence, ce qui entraîne des interférences et des pertes lors de la transmission des données. Dans ce cas, il devient nécessaire d'utiliser la technologie à spectre étalé. Les émetteurs à spectre étalé sont très efficaces pour gérer les interférences résultantes et fonctionnent même dans des environnements de bruit RF.

Systèmes à spectre étalé

L'étalement de spectre est une technique qui étend un signal radiofréquence sur une large gamme de fréquences à faible puissance, alors que lorsqu'il est transmis via un signal à bande étroite, toute la puissance est concentrée sur une seule fréquence. La bande étroite est un signal qui occupe une petite plage du spectre des fréquences radio. Le signal large bande occupe un secteur beaucoup plus vaste. Les deux technologies d'étalement de spectre les plus courantes sont le saut de fréquence avec étalement de spectre (FHSS) et l'étalement de spectre à séquence directe (DSSS).

Comme il ressort de la définition, dans les dispositifs à saut de fréquence, la fréquence de fonctionnement de l'émetteur change sur un certain intervalle de temps. Les avantages du saut sont évidents : puisque l'émetteur change la fréquence de transmission si souvent que seul un récepteur réglé sur le même algorithme est capable de recevoir l'information. Le récepteur doit avoir une séquence pseudo-aléatoire similaire de fréquences reçues afin de recevoir le signal de l'émetteur à la bonne fréquence au bon moment. La figure 1 montre comment la fréquence d'un signal change au fil du temps. Chaque saut a la même puissance et le même temps de séjour (temps d'exécution du canal). Sur la figure 2, la relation temps-fréquence, on peut voir que le saut se produit à intervalles réguliers. La séquence de saut est pseudo-aléatoire.

Figure 1. En raison du "saut", la fréquence porteuse change. La force du signal reste constante.

DSSS combine le signal de données avec une séquence de symboles connus sous le nom de « puces » - « étalant » ainsi le signal sur une plus grande bande passante. En d'autres termes, le signal original est multiplié par un signal de bruit généré par une séquence pseudo-aléatoire de bits positifs et négatifs. Le récepteur multiplie le signal reçu par la même séquence, recevant l'information initiale (puisque 1 x 1 = 1 et -1 x-1 = 1).

Lorsqu'un signal est « étalé », la puissance du signal à bande étroite d'origine est répartie sur une large plage, diminuant la puissance à n'importe quelle fréquence donnée (aka faible densité de puissance). La figure 3 montre un signal sur une portion étroite du spectre RF. Sur la figure 4, un signal étalé sur la majeure partie du spectre a la même puissance totale, mais moins de puissance par fréquence. Étant donné que l'élargissement réduit la force du signal dans des parties spécifiques du spectre, le signal peut être perçu comme du bruit. Le récepteur doit reconnaître et démoduler le signal reçu, en supprimant les puces ajoutées du signal d'origine.

Les technologies FHSS et DSSS sont largement utilisées dans l'industrie. Selon chaque cas particulier, telle ou telle technologie peut être la meilleure solution... Au lieu de discuter de celle qui est la meilleure, il est beaucoup plus important de comprendre les différences et de choisir la technologie qui convient à votre application. En général, les caractéristiques suivantes affectent le choix :

Bande passante

Collocation

Ingérence

Portée de communication

Sécurité

Bande passante

Le débit est la quantité de données transmises ou reçues par le système en une seconde. C'est l'un des plus facteurs importants lors du choix de la technologie requise. DSSS a une bande passante plus élevée que FHSS en raison d'une utilisation plus efficace de la bande passante et de plus de bande passante. Pour la plupart des systèmes d'E/S distribués industriels, le faible débit FHSS n'est pas une préoccupation majeure. Cependant, si la taille du réseau ou le taux de transfert de données augmente, une plus grande attention est accordée à cet indicateur. La plupart des émetteurs radio FHSS ont une bande passante de 50-115 kbps pour Réseaux Ethernet... DSSS fonctionne à une bande passante de 1 à 10 Mbps. Bien que les émetteurs DSSS aient une bande passante plus élevée que leurs homologues FHSS. Il n'est pas facile de trouver un appareil DSSS qui offre la même sécurité et la même portée réseau que celles requises pour la fabrication industrielle et les systèmes SCADA.

Contrairement aux émetteurs FHSS fonctionnant dans la bande de 26 mégahertz à 900 mégahertz (902-928 MHz) de fréquence de base et aux émetteurs DSSS fonctionnant dans la bande de 22 MHz à 2,4 GHz, les émetteurs radio utilisant des fréquences sous licence sont limités au spectre de 12,5 kHz. Naturellement, le spectre étant limité, la bande passante est également limitée. La plupart des émetteurs de fréquence sous licence offrent une bande passante de 6400 à 19200 bps.

Collocation

La colocalisation fait référence à la capacité de plusieurs réseaux radio à fonctionner à proximité les uns des autres. La technologie DSSS ne permet pas à plusieurs réseaux radio de fonctionner dans le voisinage, car le signal est réparti sur une bande de fréquence. Par exemple, dans la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) 2,4 GHz, seuls trois canaux DSSS peuvent être utilisés. Chaque canal est étendu à 22 mégahertz du spectre, ce qui permet à seulement trois réseaux de fonctionner simultanément sans chevauchement de fréquences.

D'autre part, du fait de l'utilisation de séquences de sauts différentes, plusieurs réseaux FHSS peuvent fonctionner sur la même gamme de fréquences. Une séquence de sauts dans laquelle différentes fréquences sont utilisées à différents moments sur la même bande de fréquences est également appelée séquence orthogonale. FHSS utilise des programmes de séquençage orthogonal pour garantir que plusieurs réseaux fonctionnent sans interférence. C'est un énorme avantage lors de la conception de grands réseaux et la nécessité de séparer les communications. La plupart des études en laboratoire montrent que jusqu'à 15 réseaux FHSS peuvent fonctionner simultanément et seulement 3 réseaux DSSS.

De toute évidence, en raison du fonctionnement sur la même bande spectrale de 12,5 mégahertz, les radios à bande étroite ne peuvent pas être situées trop près les unes des autres.

Ingérence

Interférence - bruit radio dans une partie adjacente ou la même partie du spectre de fréquences radio. La superposition des deux signaux peut générer une nouvelle onde radio ou entraîner une perte de données dans le signal de travail. La technologie à spectre étalé gère très bien ce bruit, bien que différentes technologies résolvent ce problème de différentes manières. Lorsque le récepteur DSSS détecte un bruit à bande étroite, le signal reçu est multiplié par la valeur de la puce pour reconstruire le message d'origine. Ainsi, le signal original d'origine est converti en un signal à bande étroite avec une puissance élevée ; les interférences, telles qu'un signal à large bande de faible puissance, sont ignorées.

Fondamentalement, un mécanisme qui place le signal DSSS en dessous du bruit de fond d'un réseau radio permet d'ignorer les interférences à bande étroite lorsque le signal est démodulé. Par conséquent, DSSS fonctionne très bien avec le bruit externe, cependant, si l'interférence a une puissance élevée, de graves problèmes peuvent survenir. la démodulation n'est pas en mesure de réduire le signal d'interférence en dessous de la puissance du signal d'origine.

Considérant que FHSS fonctionne à 83,5 MHz à 4 GHz et produit des signaux de haute puissance à des fréquences spécifiques (semblables à la génération de paquets de données synchronisés à bande étroite), évitant ainsi les interférences si le générateur de bruit à bande étroite ne fonctionne pas à l'une des fréquences utilisées. Le bruit à bande étroite, dans le pire des cas, bloque plusieurs sauts, que le système peut compenser en transmettant à nouveau le message sur une fréquence différente. De plus, les réglementations de la FCC exigent une division de fréquence minimale dans une séquence de sauts, de sorte que le potentiel d'interférence de signal à bande étroite est minimisé.

Dans le cas d'interférences à large bande, le DSSS ne fonctionne pas de manière aussi fiable. Étant donné que DSSS étend l'intégralité du signal dans des bandes passantes de 22 MHz à une puissance beaucoup plus faible, lorsqu'il est superposé à ce signal de bruit de 22 mégahertz ou supérieur, jusqu'à 100 % des transmissions DSSS peuvent être bloquées, mais seulement 25 % des transmissions FHSS. Dans ce cas, l'efficacité de FHSS diminue, mais la perte complète de données ne se produit pas.

Les fréquences sous licence utilisent une bande passante très étroite, de sorte que même de légères interférences peuvent entraîner une perte d'informations. Dans ce cas, des antennes directionnelles et des filtres passe-bande peuvent être utilisés pour assurer une communication continue et des poursuites judiciaires peuvent être engagées contre l'auteur de l'interférence.

Les radios 802.11 sont plus sensibles aux interférences car de nombreux appareils fonctionnent dans cette plage. Avez-vous remarqué quel type d'interférence se produit dans Téléphone sans fil lors de l'utilisation d'un four à micro-ondes ? Les deux appareils fonctionnent dans la bande 2,4 GHz, comme le reste des appareils 802.11. Avec ces émetteurs, la sécurité du réseau devient une préoccupation majeure.

Si le récepteur d'un certain émetteur est situé plus près d'un autre émetteur que du sien, il y a un problème d'interaction du récepteur avec ces émetteurs. Les émetteurs voisins peuvent obstruer le canal du récepteur avec des signaux parasites de haute puissance. Dans une telle situation, la plupart des systèmes DSSS échoueront. Dans la même situation, plusieurs sauts du système FHSS seront bloqués, mais ne perturberont généralement pas le réseau. Dans le cas d'un système fonctionnant sur une fréquence autorisée, l'efficacité du système dépendra de la fréquence du signal étranger. Si la fréquence de ces signaux est proche ou similaire à la fréquence du système, votre signal sera brouillé, ce qui donne lieu à des poursuites judiciaires contre le contrevenant s'il ne dispose pas d'une licence similaire.

Portée de communication

La portée de la communication est déterminée par la possibilité d'organiser les communications, c'est-à-dire la force de la liaison radiofréquence entre l'émetteur et le récepteur et la distance sur laquelle ils peuvent maintenir une connexion fiable. Lorsqu'il fonctionne à la même puissance et en utilisant le même algorithme de modulation, un émetteur radio 900 MHz fournit des communications plus fiables qu'un émetteur 2,4 GHz. Au fur et à mesure que la fréquence du spectre des fréquences radio augmente, la portée de transmission des données diminue, à condition que tous les autres paramètres restent inchangés. La capacité de pénétrer les murs et les objets diminue également avec une fréquence croissante. Les hautes fréquences du spectre sont réfléchissantes. Par exemple, une onde radio de 2,4 GHz peut rebondir sur les murs des bâtiments et des tunnels. Cela peut être utilisé pour propager un signal sur de longues distances. Des difficultés potentielles sont associées à l'apparition d'une propagation par trajets multiples ou à l'absence totale d'un signal en raison de la rétro-réflexion.

La FCC limite la puissance de sortie des émetteurs radio à spectre étalé. Le DSSS transmet systématiquement des données à faible puissance comme indiqué ci-dessus et est soumis aux restrictions de la FCC. Cela limite la distance de transmission des émetteurs radio DSSS et les rend donc inadaptés au marché industriel. Les émetteurs FHSS, quant à eux, transmettent des signaux de forte puissance à certaines fréquences dans une séquence de sauts, mais la puissance moyenne reste faible et est donc conforme. Le signal FHSS est transmis à une puissance plus élevée que le signal DSSS, ce qui permet un fonctionnement longue distance. La plupart des émetteurs FHSS peuvent transmettre des données sur 20 km ou plus en utilisant des antennes à gain élevé.

Émetteurs radio 802.11, disponibles au format DSSS et en FHSS. Ils fonctionnent sur une large plage de fréquences et des débits de données jusqu'à 54 Mbps. Mais il faut noter que la bande passante spécifiée diminue très fortement avec une augmentation de la distance entre les modems radio. Par exemple, une distance de 100 m réduit la vitesse de 54 Mbps à 2 Mbps. C'est idéal pour les petites applications de bureau ou à domicile, mais pas pour les applications industrielles où les données doivent être transmises sur plusieurs kilomètres.

Étant donné que les émetteurs radio à bande étroite fonctionnent à des fréquences basses, ils peuvent être une bonne solution si FHSS ne peut pas fournir la portée de transmission requise. La nécessité d'utiliser des fréquences à bande étroite sous licence survient lorsque vous devez transmettre des données sur une longue distance ou que la transmission doit avoir lieu plus près de la surface de la Terre, car l'organisation de la communication dans la ligne de mire est impossible.

Sécurité

Étant donné que le signal DSSS a une très faible puissance, il n'est pas si facile pour les pirates de le détecter. L'un des principaux avantages du DSSS est sa capacité à réduire l'énergie du signal en répartissant la puissance du signal à bande étroite d'origine sur une bande passante plus large, ce qui entraîne une densité spectrale de puissance plus faible. Cela peut réduire le niveau du signal jusqu'au niveau de bruit de fond du réseau radio, le rendant ainsi « invisible » pour les intrus potentiels. En même temps, si la "puce" est connue ou est de courte longueur, il est beaucoup plus facile de détecter la transmission DSSS et de récupérer le signal, car elle a nombre limité fréquences porteuses. De nombreux systèmes DSSS offrent le cryptage comme fonction de sécurité, bien que cela augmente le coût du système et diminue l'efficacité en utilisant une puissance supplémentaire pour crypter le signal.

Pour s'adapter avec succès à un système FHSS en cours d'exécution, un attaquant doit connaître les fréquences utilisées, la séquence de sauts, la durée d'exécution et la méthode de cryptage. Avec des temps d'exécution de canal de 400 ms et plus de 75 canaux utilisés pour la bande 2,4 GHz, il est presque impossible de détecter et de suivre le signal FHSS à moins que le récepteur ne soit configuré pour la même séquence de sauts. De plus, la plupart des systèmes FHSS sont dotés de fonctions de sécurité avancées telles que le cryptage de clé dynamique et le contrôle de redondance cyclique.

Aujourd'hui sans fil réseaux locaux(WLAN) sont de plus en plus populaires. Ils utilisent la norme 802.11, un protocole ouvert développé par l'IEEE. Le Wi-Fi est un emblème standard utilisé par la Wireless Ethernet Compliance Control Association (WECA) pour certifier les produits 802.11. Bien que les appareils FHSS industriels ne prennent pas en charge Norme Wi-Fi, et ne sont donc pas compatibles avec le WLAN, s'ils travailler ensemble, en raison du fonctionnement dans la même bande de fréquence, des interférences peuvent se produire. Étant donné que la plupart des produits Wi-Fi fonctionnent dans les bandes 2,4 ou 5 GHz, il peut être judicieux d'utiliser 900 MHz, avec l'autorisation de l'instance dirigeante (seul 2,4 GHz est autorisé en Europe). Il fournira également une protection supplémentaire contre les renifleurs RF (programmes utilisés par les pirates) utilisés dans la bande 2,4 GHz plus populaire.

La sécurité du réseau des technologies sans fil est l'une des questions les plus discutées. Des articles récents sur la « machine contrôlée par des pirates » ont amené les consommateurs potentiels et existants à s'interroger sur l'efficacité de la protection contre les intrusions non autorisées dans réseau sans fil... Il est nécessaire de comprendre que les normes 802.11 sont des normes ouvertes, elles peuvent donc être facilement craquées.

La raison de la confusion dans les problèmes de sécurité est une mauvaise compréhension de la technologie de fonctionnement de divers systèmes sans fil. À ce jour, le Wi-Fi (802.11a, b et g) peut être meilleure technologie pour de nombreuses applications informatiques, à la maison et au petit bureau. 802.11 est une norme ouverte, donc un pirate informatique qualifié peut simplement contourner la sécurité du réseau et prendre le contrôle du système.

Alors, comment les utilisateurs Technologie sans fil se protéger des intrusions illégales ? De nombreuses applications basées sur 802.11 n'ont que peu ou pas de sécurité, et l'utilisateur doit bien maîtriser la configuration de réseaux privés virtuels (VPN) ou d'autres réseaux de sécurité, pour se protéger des attaques. Les appareils d'autres normes utilisent les protocoles du fabricant pour protéger le réseau contre les intrus, ainsi que les éléments de sécurité inhérents à la technologie à spectre étalé.

L'idée que les réseaux de fréquences sous licence offrent plus de sécurité est fausse. Si vous connaissez la fréquence, vous pouvez vous connecter au réseau, et en devinant le mot de passe et en brisant le système de cryptage, vous pouvez obtenir un contrôle total. Tous les avantages des systèmes à spectre étalé manquent car les fréquences autorisées fonctionnent dans une bande étroite. Saut de fréquence avec étalement du spectre dans actuellement est la technologie sans fil la plus fiable et la plus sécurisée.

Réseau radio maillé

La technologie de maillage radio est basée sur la capacité des émetteurs radio à communiquer entre eux. Cette solution est apparue il n'y a pas si longtemps et n'est pas encore largement utilisée dans l'industrie. Il existe un certain nombre de problèmes que les développeurs de maillage ne peuvent pas encore résoudre, tels que la latence élevée et la faible bande passante. Le concept de réseau maillé n'est pas nouveau. Les réseaux Internet et téléphoniques sont un excellent exemple de réseau maillé dans le monde filaire, dans ces réseaux, chaque nœud peut initier une communication avec un autre nœud et échanger des informations

Dans le monde du sans fil, la bande passante, le spectre radio limité et les interférences ne sont que quelques-uns des défis auxquels les réseaux maillés sont confrontés. Aujourd'hui, ces réseaux sont encore en cours de recherche et de développement. Les technologies maillées les plus récentes telles que les réseaux maillés hybrides et structurels sont très récentes. Actuellement, les données sont encore insuffisantes pour soutenir la fiabilité et la sécurité des réseaux maillés nécessaires à une utilisation dans des environnements industriels difficiles.

Résumé

En conclusion, on peut dire que le choix de la technologie radio dépend des exigences de chaque application spécifique. Pour la plupart des applications industrielles, les radios à étalement de spectre à saut de fréquence sont la meilleure solution (Figure 5) en raison de leur coût inférieur à celui des radios à fréquences sous licence. Lorsque les longues distances limitent l'utilisation des nœuds FHSS avec des répéteurs, par une meilleure communication la solution optimale semble être l'utilisation d'émetteurs fonctionnant dans une bande étroite de la fréquence autorisée. Le coût de licence peut être inférieur au coût d'installation de répéteurs FHSS supplémentaires.

L'une des solutions les plus simples consiste à inviter un ou plusieurs représentants du fabricant de l'appareil sans fil dans votre usine et à évaluer la faisabilité d'utiliser la technologie proposée. Par exemple, Moore Industries a installé l'un de ses modules de liaison sans fil (WLM) en tant que "démonstration" dans l'usine mentionnée ci-dessus, et a installé antennes omnidirectionnelles et des émetteurs dans des stations éloignées. Des tests ont montré que même un immeuble de quatre étages n'interfère pas avec les communications sans fil.

Croyez-moi, les possibilités de la technologie sans fil moderne peuvent vous surprendre.

Application

Définitions

L'étalement du spectre à sauts de fréquence (FHSS) est une technique basée sur le changement périodique de la fréquence porteuse selon un algorithme connu de l'émetteur et du récepteur. Principes de mise en œuvre : La gamme de fréquences d'un canal radio est divisée en sous-canaux numérotés ; Pendant le fonctionnement de l'algorithme, une séquence pseudo-aléatoire de nombres est générée, chaque nombre est associé à un numéro de sous-canal fréquentiel ; Lors de la transmission d'un seul bit, la fréquence peut ne pas changer (étalement lent) ou changer plusieurs fois (étalement rapide) ; La modulation de fréquence ou de phase est utilisée pour le codage linéaire.

Caractéristiques de la méthode : Lors de l'écoute d'un sous-canal séparé, un signal semblable à du bruit est reçu qui ne permet pas de récupérer les données transmises ; Dans le cas de l'utilisation d'un étalement rapide du spectre, la distorsion du signal transmis sur un sous-canal distinct n'entraîne pas la perte du bit transmis ; En conséquence, le changement de fréquences porteuses réduit l'effet d'interférence entre symboles ; Le procédé peut être utilisé pour organiser le multiplexage de plusieurs flux de données - une séquence pseudo-aléatoire distincte est sélectionnée pour chaque flux ; Facilité de mise en œuvre.

Direct Sequence Spread Spectrum Le Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) est une méthode basée sur le remplacement de chaque bit transmis par N bits, ce qui entraîne une multiplication par N fréquence d'horlogeémetteur et étalement du spectre. Principe de mise en œuvre : Chaque un binaire transmis est remplacé par une séquence de bits appelée séquence élémentaire (d'étalement). Le zéro binaire est remplacé par l'inverse de la séquence d'étalement. Le bit de la séquence d'étalement est appelé puce. Le taux de transfert des puces est appelé taux de puce. Le nombre de bits dans une puce est appelé facteur d'étalement ;

Exemple : Si (séquence Barker) est utilisé comme séquence élémentaire Alors la séquence de puces suivante sera transmise pour transmission :

Caractéristiques de la méthode : Plus le coefficient d'expansion est grand, plus le spectre du signal transmis est large ; La méthode offre moins de protection contre les interférences que la méthode FHSS, car la distorsion du signal dans une bande de fréquence étroite peut conduire à une reconnaissance erronée du bit reçu par le récepteur ;

L'accès à multiplexage par répartition en code (CDMA) est basé sur la technique DSSS. Principes de mise en œuvre : Dans le processus de transmission, chaque nœud du réseau CDMA utilise une séquence élémentaire (EP) unique ; On note m - la longueur de la séquence en expansion, le vecteur correspondant à e notons S, le complément (inversion) de l'ep. notons S (pour écrire un vecteur nous utiliserons une notation bipolaire : le 0 binaire sera noté -1, le un binaire par +1). Les séquences élémentaires sont choisies de manière à être orthogonales deux à deux. Ceux. pour chacun des vecteurs S et T, leur produit scalaire normalisé ST doit être égal à 0 : Σ i = 1 m 1 - m S i T i = 0 ST

De ST = 0, il suit ST = 0 Notez que le produit scalaire normalisé de l'e.p. à lui-même est 1. Σ i = 1 m 1 - m SiSiSiSi SS = Σ i = 1 m 1 - m Si2Si2 = Σ m 1 - m ± 1 2 = = 1 SS = -1 Supposons que toutes les stations sont synchronisées, c'est-à-dire . e. toutes les stations commencent à transmettre des bits de données simultanément. Lors de la transmission simultanée, les signaux bipolaires sont ajoutés linéairement. Exemple 1. Si les stations A, B et C envoient respectivement +1, -1 et +1, le résultat est +1.

Exemple 2. Soit les stations A, B, C utiliser l'ep .: A: = () B: = () C: = () Considérons des exemples de transmission de données simultanée par ces stations: _ _ 1 C = () _ 1 1 B + C = () 1 0 _ A + B = () A + B + C = ()

Le récepteur connaît à l'avance les séquences élémentaires de toutes les stations émettrices. Pour le décodage, le produit scalaire normalisé de la séquence reçue (la somme des signaux reçus) et de la séquence élémentaire de la station est calculé. Exemple 3. Soit les stations A, B et C transmettent 1, 0, 1, respectivement (en notation bipolaire +1, -1, +1). Le récepteur reçoit la somme des signaux S = A + B + C, puis SA = (A + B + C) A = AA + BA + CA = = 1 SB = (A + B + C) B = AB + BB + CB = = -1 SC = (A + B + C) C = AC + BC + CC = = 1 Que les stations A, B et C transmettent respectivement 1, 0, _ (en notation bipolaire +1, -1, _ ). Le récepteur reçoit la somme des signaux S = A + B, puis SA = (A + B) A = AA + BA = 1 + 0 = 1 SB = (A + B) B = AB + BB = 0-1 = -1 SC = (A + B) C = AC + BC = 0 + 0 = 0

Caractéristiques de la méthode : Des séquences orthogonales par paires sont générées à l'aide de la méthode de Walsh (codes de Walsh) ; Plus l'e.p. plus la probabilité de sa reconnaissance correcte sur fond de bruit est grande (en pratique, des séquences à 64 ou 128 puces sont souvent utilisées); Pour améliorer la fiabilité, des codes de correction d'erreurs sont utilisés. Pour égaliser la puissance des signaux reçus de différentes stations, la méthode de compensation de puissance est utilisée (que signal plus faible reçu de la station de base encore plus signal fort doit être transmis par la station mobile). Hypothèses dans la description de l'algorithme : Synchronisation des stations du réseau ; Égalité des puissances de tous les signaux reçus (équidistance stations mobiles de la base); Connaissance station de base e.p. toutes les stations émettrices.

Format de trame Contrôle de trame Durée A.1A. 2A. 3NumberA.4Data Checksum VersionType K DS From DS MFReturn Power Continue WSubtypeO Types de trame : contrôle de service d'information 1.Contrôle de trame (2 octets) Version (2 bits) - version de protocole ; Type (2 bits) - type de trame (information, service, contrôle); Sous-type (4 bits) - sous-type de trame (CTS, RTS, signalisation, authentification, etc.) ; Cadre informatif :

Vers DS (1 bit) - la trame est transmise vers le système de distribution ; À partir de DS (1 bit) - la trame est transmise dans le sens du système de distribution ; MF (plus de fragments, 1 bit) - indique qu'un autre fragment suit ; Répéter (1 bit) - indication de l'envoi répété du fragment ; Alimentation (1 bit) - indique à la station d'entrer ou de sortir du mode faible consommation ; Continuation (plus de données, 1 bit) - indique que l'expéditeur a plus de trames à envoyer ; W (1 bit) - indique l'utilisation du cryptage à l'aide de l'algorithme WEP ; O (1 bit) - indique la nécessité de traiter les trames strictement dans l'ordre ;

2. Durée (2 octets) - indication du temps estimé de transmission et de confirmation de trame (ACK) 3. A.1 (6 octets) - adresse de l'expéditeur 4. A.2 (6 octets) - adresse du destinataire 5. A.3 (6 octets) - adresse de cellule source 6. Nombre (2 octets) - contient un sous-champ de numéro de fragment de 4 bits utilisé pour la fragmentation et le réassemblage, et un numéro de séquence de 12 bits utilisé pour la numérotation des trames ; 7. A.4 (6 octets) - adresse de la cellule cible ; 8. Données (octet) - données transmises ; 9. Somme de contrôle (4 octets). Les champs A3 et A4 manquent dans les trames de contrôle. Les trames de service (RTS, CTS, ACK) n'ont pas les champs A3, A4, Number, Data.

Réduire la zone de couverture radio au minimum acceptable (idéal - la zone de couverture radio ne doit pas dépasser la zone contrôlée). Contrôle d'accès basé sur l'authentification MAC. Utilisation d'une séquence de sauts de fréquence unique dans la technologie FHSS. Filtrage des appareils par adresses IP prédéfinies. Utilisation de WEP (Wired Equivalent Privacy) - cryptage basé sur l'algorithme RC4 avec des clés 64 et 128 bits (de graves vulnérabilités ont été trouvées dans l'algorithme). Méthodes de protection mises en œuvre dans les équipements WiFi :

Authentification et autorisation basées sur IEEE 802.1x - utilisant des serveurs AAA (tels que RADIUS) et des clés de chiffrement dynamiques. Usage Protocole WPA et WPA2 (accès protégé Wi-Fi). WPA implémente le principe des clés de chiffrement temporaires et est interconnecté avec le protocole TKIP Temporal Key Integrity (WPA a été développé pour remplacer le WEP). En 2008, des vulnérabilités ont été découvertes dans la technologie WPA. WPA2 implémente la norme i - un protocole de sécurité robuste utilisant le Cryptage AES(Standard d'encryptage avancé). Implémentation WiFi basée sur VPN - Déployez un réseau privé virtuel sur un réseau sans fil existant.

L'étalement du spectre joue un rôle extrêmement important dans les technologies de communication radio. Cette méthode ne rentre dans aucune des catégories définies dans le chapitre précédent car il peut être utilisé pour transmettre à la fois des données numériques et analogiques à l'aide d'un signal analogique.

Le spectre étalé a été créé à l'origine à des fins de renseignement et militaires. L'idée principale de la méthode est de distribuer le signal d'information sur une large bande de la portée radio, ce qui compliquera considérablement la suppression ou l'interception du signal. Le premier schéma d'étalement de spectre développé est connu sous le nom de technique de saut de fréquence. Un schéma d'étalement de spectre plus moderne est la méthode de séquence directe. Les deux méthodes sont utilisées dans diverses normes et produits sans fil.

Ci-dessous, après un bref aperçu, les techniques de spectre étalé nommées sont discutées en détail. De plus, ce chapitre explorera la méthode d'accès multiple à étalement de spectre.

Aussi incroyable que cela puisse paraître, la star de cinéma hollywoodienne Hedy Lamarr a inventé l'expansion du spectre par réglage de fréquence en 1940 à l'âge de 26 ans. En 1942, Lamarr fait breveter son invention (brevet américain 2 292 387 du 11 août 1942) avec un partenaire qui commence à participer aux travaux un peu plus tard. La jeune fille n'a tiré aucun profit du brevet, compte tenu du mode de communication qu'elle a découvert comme sa contribution à la participation des États-Unis à la Seconde Guerre mondiale.

7.1. Concept de spectre étalé

En figue. 7.1 résume les éléments clés d'un système à spectre étalé. Le signal d'entrée est transmis à un codeur de canal, qui génère un signal analogique avec une bande passante relativement étroite centrée sur une fréquence spécifique. Le signal est ensuite modulé avec une séquence de nombres appelée code d'étalement ou séquence d'étalement. Habituellement, mais pas toujours, le code d'étalement est généré par un générateur de nombres aléatoires. En raison de la modulation, la bande passante du signal transmis est considérablement élargie (en d'autres termes, le spectre du signal est élargi). A réception, le signal est démodulé à l'aide du même code d'étalement. La dernière étape est que le signal est envoyé au décodeur de canal pour la récupération des données.

Riz. 7.1. Régime général système numérique communications à spectre étalé

Un excès de spectre permet d'obtenir les bénéfices suivants.

Immunité du signal à divers types de bruit, ainsi qu'aux distorsions causées par la propagation par trajets multiples. C'était la première fois que le spectre étalé était utilisé à des fins militaires en raison de la robustesse du signal étendu aux tentatives de brouillage.

Le spectre étalé vous permet de masquer et de crypter les signaux. Seul un utilisateur connaissant le code d'extension peut récupérer les données cryptées.

Plusieurs utilisateurs peuvent utiliser la même bande de fréquence en même temps avec très peu d'interférences mutuelles. Cette propriété est utilisée dans la technologie communications mobiles connu sous le nom de multiplexage par répartition en code (CDM) ou d'accès multiple par répartition en code (CDMA).