Ministère des transports de la Fédération de Russie
Établissement d'enseignement de l'État
Éducation professionnelle supérieure
Académie d'État de Volga

Département de l'informatique, des systèmes de gestion et de télécommunication

Travaux de cours sur le sujet:
"Modulation avec expansion du spectre. Expansion directe du spectre "

Effectué
groupe d'étudiants R-312
Aminov A.R.

Vérifié
Preobrazhensky A.V.

N.novgorod
2009

Modulation avec expansion du spectre.
Très répandu réseaux sans fil, le développement de l'infrastructure de points chauds, l'émergence de technologies mobiles avec une solution sans fil intégrée (Intel Centrino) a conduit au fait que les utilisateurs finaux (sans parler de clientèle) Ils ont commencé à accorder plus d'attention aux solutions sans fil. Ces décisions sont principalement considérées comme un moyen de déployer des réseaux locaux sans fil mobiles et stationnaires et un moyen d'accès Internet rapide. Cependant, l'utilisateur final qui n'est pas un administrateur réseau, en règle générale, n'est pas trop bien versé dans technologies de réseauIl est donc difficile pour lui de choisir lors de l'achat d'une solution sans fil, en particulier compte tenu de la variété de produits proposés aujourd'hui.
Développement orageux de la technologie communication sans fil Il a conduit au fait que les utilisateurs n'avaient pas le temps de s'habituer à une norme sont obligés d'aller à un autre, offrant des taux de transmission encore plus élevés. Bien sûr, nous parlons d'une famille de protocoles de communication sans fil, appelés IEEE 802.11, qui comprend les protocoles suivants: 802.11, 802.11B, 802.11B +, \u200b\u200b802.11A, 802.11G. Récemment, il a commencé à parler de l'expansion du protocole 802.11G.
Différents types de réseaux sans fil diffèrent les uns des autres et un rayon d'action, ainsi que des taux de connexion et une technologie de codage de données. Ainsi, la norme IEEE 802.11b offre une vitesse de composition maximale de 11 Mbit / s, la norme IEEE 802.11B + - 22 Mbps, les normes IEEE 802.11G et 802.11A - 54 Mbps.
L'avenir de la norme 802.11a est plutôt brumeux. Sûrement en Russie et en Europe, cette norme ne sera pas généralisée, et aux États-Unis, où elle est maintenant utilisée, probablement, dans un proche avenir, il y aura une transition vers des normes alternatives. Mais la nouvelle norme 802.11G a des chances importantes de conquérir la reconnaissance du monde entier. Un autre avantage de la nouvelle norme 802.11G est qu'il est entièrement compatible avec les normes 802.11b et 802.11b +, c'est-à-dire que tout dispositif supportant la norme 802.11G fonctionnera (toutefois, à des vitesses de connexion inférieures) et dans les réseaux de 802.11 B / B + Normes et une norme de support de périphérique 802.11b / B + - dans les réseaux des normes 802.11G, bien que le taux de connexion inférieur.
La compatibilité des normes de 802.11g et 802.11b / B + est due au fait qu'ils assument l'utilisation de la même gamme de fréquences, et ensuite, tous les modes fournis dans des protocoles 802.11B / B + sont mis en œuvre dans la norme G. 802.11. Par conséquent, la norme 802.11B / B + peut être considérée comme un sous-ensemble de la norme 802.11G.
Niveau physique du protocole 802.11
Aperçu des familles 802.11B / G des protocoles 802.11B / G du protocole 802.11, qui, bien que cela ne se produise pas de sa forme pure, le proogéniteur de tous les autres protocoles. Dans la norme 802.11, comme dans toutes les autres normes de cette famille, l'utilisation de la plage de fréquences de 2400 à 2483,5 MHz est fournie, c'est-à-dire la plage de fréquences de largeur de 83,5 MHz, qui sera affichée plus tard, est divisée en plusieurs sous-canaux de fréquences. .
Technologie d'expansion du spectre
La base de tous les protocoles sans fil de la famille 802.11 est la technologie d'élargissement du spectre (Spead Spectrum, SS). Cette technologie implique qu'elle est à l'origine bande étroite (au sens de la largeur du spectre), le signal d'information utile pendant la transmission est converti de manière à ce que son spectre s'avère significativement plus large que le spectre du signal initial. C'est-à-dire que le spectre du signal est "barbouillé" dans la plage de fréquences. Simultanément avec l'élargissement du spectre du signal, la redistribution de la densité d'énergie spectrale du signal se produit - l'énergie du signal est également "tachetée" sur le spectre. En conséquence, la puissance maximale du signal converti s'avère de manière significativement inférieure à la puissance du signal source. Dans le même temps, le niveau du signal d'information utile peut être littéralement comparer avec le niveau de bruit naturel. En conséquence, le signal devient dans quel sens, invisible »- il est simplement perdu au niveau du bruit naturel.
En fait, il change la densité d'énergie spectrale du signal et est l'idée d'élargissement du spectre. Le fait est que si vous abordez le problème du transfert de données de la manière traditionnelle, c'est-à-dire que, comme cela se fait à la radio, où chaque station de radio est donnée à sa gamme de radiodiffusion, nous rencontrerons inévitablement un problème dans une limited Vue de la radio destinée au partage, il est impossible de "mener" tout le monde. Par conséquent, il est nécessaire de trouver un moyen de transférer des informations dans lesquelles les utilisateurs pouvaient coexister dans une plage de fréquences et en même temps ne pas interférer les uns avec les autres. C'est cette tâche qui résout la technologie de l'élargissement du spectre.
Les avantages des systèmes d'expansion du spectre
- Immunité de bruit élevée. Avec une bande limitée de la densité de brouillage spectrale, le rapport signal à bruit augmente dans les temps G P \u003d N SH / N, dans lequel le démarrage du signal source, le signal du signal après expansion du spectre, GP est le spectre coefficient d'expansion. Si le spectre d'interférences est uniforme (bruit blanc), le rapport signal à bruit ne s'améliore pas.
- Confidentialité de la communication. Le message ne peut pas être lu, ne sachant pas l'algorithme d'expansion du spectre.
- Capacité à transférer simultanément de nombreux messages sur une fréquence unique du support dans le système avec des canaux codés ( CDMA. (Division de code anglaise Accès multiple) - Accès multiple avec division codée.
Les canaux de trafic avec cette méthode de séparation du support sont créés en attribuant chaque utilisateur d'un code numérique séparé qui s'étend sur toute la largeur de la bande. Il n'y a pas de séparation temporaire, tous les abonnés utilisent constamment toute la largeur du canal. La bande de fréquences d'un canal est très large, la diffusion des abonnés est superposée les unes sur les autres mais, étant donné que leurs codes sont différents, ils peuvent être différenciés.
Les canaux codés à la technologie d'accès multiples sont connus depuis longtemps. En URSS, le premier travail consacré à ce sujet a été publié en 1935 par D. Ageev.)
- Possibilité de transférer un signal de faible puissance. L'énergie du signal est enregistrée élevée en raison d'une augmentation de la durée du signal. La sécurité énergétique est assurée. Le signal n'est pas détecté, mais est perçu comme du bruit.
- Haute résolution (Le spectre plus large, plus le front du signal). Le moment du démarrage du signal est déterminé très précisément, ce qui est important pour les systèmes de mesure de la distance à temps du signal qui passe et de synchroniser l'émetteur et le récepteur.
Les méthodes d'expansion de spectre les plus courantes
- Expansion directe du spectre (Séquençage direct) à l'aide du signal de modulation de la séquence pseudo-aléatoire binaire (PSP). La largeur du spectre est limitée à la durée minimale techniquement réalisée du symbole élémentaire de la PSP. Le spectre se développe à des dizaines de Megahertz.
- Défilement de la réorganisation de la fréquence porteuse Saut de fréquence).Généralement utilisé la manipulation de fréquence m-arous. M symboles correspond à des fréquences de M séparées les unes des autres à l'intervalleRÉ. f. La fréquence centrale F 0 de cette plage change avec des sauts sous la commande de la PSP dans la bande de Perestroïka plusieurs fois pendant la transmission d'un symbole de message (réarrangement rapide) ou avec un intervalle égal à la durée de plusieurs caractères (Perestroika lente). En raison des sauts de fréquence, il est difficile de maintenir la cohérence du signal. Par conséquent, la démodulation est généralement incohérente. Pour assurer l'orthogonalité des signaux, la distance entre les fréquences doit satisfaire la conditionRÉ. f \u003d m / t s, numéro de cellule M. Le spectre peut s'étendre à plusieurs Gigahertz: le coefficient d'expansion du spectre est supérieur à celui d'une expansion directe.
Expansion directe du spectre
Avec codage potentiel, les bits d'information sont des zéros logiques et des unités - transmis par des impulsions de stress rectangulaire. L'impulsion rectangulaire de la durée T a un spectre, dont la largeur est inversement proportionnelle à la durée d'impulsion. Par conséquent, moins la durée du bit d'information, plus le spectre occupe grandement un tel signal.
Pour l'élargissement délibéré du spectre du signal à bande étroite originale dans la technologie DSSS dans chaque bit d'information transmis (logique 0 ou 1), la séquence de jetons dits est intégrée au sens littéral. Si des bits d'information sont des zéros logiques ou des unités - avec un codage potentiel d'informations, vous pouvez être représenté comme une séquence impulsions rectangulaires, Chaque puce individuelle est également une impulsion rectangulaire, mais sa durée est plusieurs fois inférieure à la durée du bit d'information. La séquence de puces est une séquence d'impulsions rectangulaires, c'est-à-dire des zéros et des unités, mais ces zéros et les unités ne sont pas des informations. Depuis la durée d'une puce dans N fois inférieure à la durée du bit d'information, la largeur du spectre de signal transformé sera en N fois plus grande que la largeur du spectre de signal d'origine. Dans le même temps, l'amplitude du signal transmis diminuera dans N fois.
Les séquences de copeaux intégrées aux bits d'information sont appelées codes de type bruit (séquences PN), qui soulignent le fait que le signal résultant devient semblable au bruit et il est difficile de distinguer du bruit naturel.
Comment gagner le spectre du signal et le rendre indiscernable du bruit naturel, compréhensible. Pour cela, en principe, il est possible d'utiliser une séquence arbitraire (aléatoire). Cependant, la question se pose: quel est un tel signal? Après tout, si cela devient du bruit, le signal d'information utile n'est pas aussi simple, voire possible. Il est possible, mais pour cela, vous devez choisir la séquence de puce en conséquence. Les séquences de puces utilisées pour élaborer le spectre du signal doivent satisfaire certaines exigences d'autocorrélation. Sous le terme autocorrélation en mathématiques impliquant le degré de similitude de la fonction à différents moments à temps. Si vous choisissez une séquence d'une telle puce pour laquelle la fonction d'autocorrélation aura un pic de poinçon fortement prononcé pour un moment donné, un tel signal d'information peut être attribué au niveau de bruit. Pour ce faire, dans le récepteur, le signal résultant est multiplié par la même séquence de puces, c'est-à-dire que la fonction de signal d'autocorrélation est calculée. En conséquence, le signal devient une bande étroite, elle est donc filtrée dans une bande de bande étroite et toute interférence entrante dans le signal à large bande de départ, après avoir multiplié la séquence de copeaux, au contraire, il devient large bande et coupé en filtres, et seulement Une partie de l'interférence tombe dans une puissance de bande d'information étroite est nettement inférieure à celle d'une interférence agissant à l'entrée du récepteur.
Exigences de base pour PSP
- L'imprévisibilité de l'apparition des signes 1 et 0, due auquel le spectre du signal devient uniforme et la définition de l'algorithme de la formation de la PSP dans sa partie de longueur limitée est impossible.
- la présence d'un ensemble important de différents PSP de même longueur pour construire des systèmes avec des canaux codés.
- Bonnes propriétés de corrélation de la PSP décrite par les fonctions d'autocorrélation (FA) et de corrélation mutuelle (FVK), périodique et apériodique.
Caractéristiques des séquences pseudo-aléatoires (PSP)
Les caractéristiques de la PSP sont les fonctions d'autocorrélation (FA) et de corrélation mutuelle (FVK), périodique et apériodique. Les faveurs et les FVK sont calculés en comptant la différence de nombre de décharges coïncidants et non coïncidants des PSP comparés pendant les décalages de l'un d'entre eux.
Périodiques et fvk
etc.................

Méthode expansion du spectre de la fréquence de saut (Spectrum à propagation de la fréquence de fréquence) est basé sur un changement permanent de support dans une large gamme de fréquences.

Fréquence porteuse F1, ..., FN change de manière aléatoire après une certaine période de temps, appelée coupure (puce) Conformément à l'algorithme sélectionné pour le développement de la séquence pseudo-aléatoire. Chaque fréquence est utilisée la modulation (FSK ou PSK). La transmission à une fréquence est effectuée dans un intervalle de temps fixe pendant lequel une partie de données (données) est transmise. Au début de chaque période de transmission, la synchronisation avec l'émetteur utilise des synchronisations permettant de réduire le taux de transmission utile.

En fonction du taux de modifications porteuses, 2 modes d'expansion de spectre sont distingués:

· Expansion de spectre lente - dans une période de coupure, plusieurs bits sont transmis;

· Expansion rapide du spectre - Un bit est transmis sur plusieurs périodes de coupure, répétées plusieurs fois.

Dans le premier cas période de transfert de donnéesmoins période de transmission des puces, dans le second - plus.

La méthode d'expansion rapide de spectre fournit un transfert de données plus fiable s'il existe un bruit en raison de multiples répétitions du même bit à différentes fréquences, mais plus compliquée dans la mise en œuvre que la méthode d'expansion lente du spectre.

Expansion directe du spectre successif

La méthode de dilatation de spectre séquentielle directe (SPECTRUM DE SEQUENCE DIRE-DIRECT) est la suivante.

Chaque "single" dans les données transmis est remplacée par une séquence binaire de N.un peu appelé séquence en expansion et le bit "zéro" est codé par la valeur inverse de la séquence d'expansion. Dans ce cas, le taux de transfert d'horloge augmente dans N.une fois, par conséquent, le spectre du signal se développe également dans N.temps.

Savoir dédié à transmission sans fil (lignes de communication) Gamme de fréquences, vous pouvez sélectionner de manière appropriée le taux de transfert de données et la valeur. N.De sorte que le spectre du signal remplit toute la gamme.

L'objectif principal du codage DSSS ainsi que du FHSS est une augmentation de l'immunité de bruit.

Vitesse de puce- le taux de transfert du code résultant.

Coefficient d'expansion- Nombre de bits N.dans la séquence d'expansion. D'habitude N.est dans la gamme de 10 à 100. Plus le plus N.Plus le spectre du signal transmis est grand.

DSSS est moins protégé de l'interférence que la méthode d'expansion rapide du spectre.

Accès de division multiple de code

Les méthodes d'expansion du spectre sont largement utilisées dans les réseaux cellulaires, en particulier, lors de la mise en œuvre de la méthode d'accès CDMA (accès multiple de la division de code) - accès de division multiple de code . CDMA peut être utilisé conjointement avec FHSS, mais dans des réseaux sans fil plus souvent que les DSSS.

Chaque nœud de réseau utilise sa propre séquence d'extension sélectionnée de sorte que le nœud de réception puisse sélectionner des données à partir du signal total.

L'avantage de CDMA est l'augmentation de la sécurité et la sécurisation du transfert de données: ne pas connaître la séquence étendue, il est impossible de recevoir un signal et de détecter parfois sa présence.

Technologie WiFi. Technologie Wimis. Réseaux personnels sans fil. Technologie Bluetooth. Technologie Zigbee. Réseaux tactiles sans fil. Comparaison de la technologie sans fil.

Technologie WiFi

La technologie LAN sans fil (WLAN) est déterminée par la pile de protocoles IEEE 802.11, qui décrit la couche physique et le niveau de canal avec deux sous-dresseurs: Mac et LLC.

Au niveau physique, plusieurs options spécifiques sont définies, qui diffèrent:

· Gamme de fréquences d'occasion;

· La méthode de codage;

· Taux de transfert des données.

Options pour la construction de LANS sans fil de Standard 802.11, appelée WiFi.

IEEE 802.11 (Option 1):

· Moyen de transmission - rayonnement IR;

· Transmission dans la zone de visibilité directe;

· Utilisez 3 variantes de propagation de rayonnement:

Antenne non directionnelle;

Réflexion du plafond;

Rayonnement directionnel focal ("point point").

IEEE 802.11 (option 2):

· Méthode de codage - FHSS: jusqu'à 79 bande passante de fréquence

1 MHz, la durée de chacun d'eux est de 400 ms (fig.3.49);

· Avec 2 états du signal, il existe une bande passante du milieu de transmission dans 1 Mbps, à 4 à 2 Mbps.

IEEE 802.11 (option 3):

· Environnement de transmission - gamme à micro-ondes 2,4 GHz;

· Méthode de codage - DSSS avec code 11 bits comme une séquence étendue: 10110111000.

IEEE 802.11A:

1) plage de fréquences - 5 GHz;

2) Vitesses de transmission: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps;

3) Méthode de codage - OFDM.

Désavantages:

· Équipement trop coûteux;

· Dans certains pays, les fréquences de cette gamme sont soumises à des licences.

IEEE 802.11B:

1) plage de fréquences - 2,4 GHz;

2) Vitesse de transmission: jusqu'à 11 Mbps;

3) Méthode de codage - Mise à jour des DSS.

IEEE 802.11G:

1) plage de fréquences - 2,4 GHz;

2) vitesse maximum Transmissions: jusqu'à 54 Mbps;

3) Méthode de codage - OFDM.

En septembre 2009, la norme IEEE 802.11N a été approuvée. Son utilisation augmentera le taux de transfert de données presque quatre fois par rapport aux dispositifs de normes 802.11G. Théoriquement 802.11N est capable de fournir un taux de transfert de données à 600 Mbps. Rayon d'exploitation de réseaux sans fil IEEE 802.11 - jusqu'à 100 mètres.

Technologie Wimchi.

La technologie de large bande sans fil sans fil WiMAX Wireless est représentée par la norme IEEE 802.16 et était initialement destinée à créer des réseaux sans fil étendus (jusqu'à 50 km) liés à la classe de réseaux régionaux ou urbains.

IEEE 802.16 ou IEEE 802.16-2001 (décembre 2001), qui est la première norme "point multiple", a été axée sur le travail dans un spectre de 10 à 66 GHz et, par conséquent, nécessitait l'émetteur et le récepteur dans le domaine de la La vue, qui est un inconvénient important, en particulier dans les conditions de la ville. Selon les spécifications décrites, le réseau 802.16 pourrait servir jusqu'à 60 clients avec la vitesse du canal T-1 (1,554 Mbps).

IEEE 802.16A, IEEE 802.16-2004 et IEEE 802.16E (WiMax mobile) sont apparus plus tard, dans lesquels l'exigence de visibilité directe entre l'émetteur et le récepteur a été supprimée.

Les principaux paramètres des normes de technologie WIMAX énumérées.

Considérer le secteur technologie des différencesWifi du wifi.

1. Petite mobilité.Initialement, la norme a été développée pour une communication sans fil fixe sur de longues distances et fournie à la mobilité des utilisateurs dans le bâtiment. Seulement en 2005, IEEE 802.16E a été développé, orienté vers utilisateurs mobiles. Actuellement, les nouvelles spécifications 802.16F et 802.16H sont en cours de développement pour les réseaux d'accès bénéficiant d'un support pour les clients mobiles (mobiles) à des vitesses de leur mouvement jusqu'à 300 km / h.

2. Utilisez plus de radio et d'émetteurs de qualitédétermine les coûts de construction de réseau plus élevés. 3. Grandes distancesun certain nombre de problèmes spécifiques sont nécessaires pour transmettre des données: la formation de différents signaux de puissance, l'utilisation de systèmes de modulation multiples, des problèmes de protection des informations.

4. Un grand nombre d'utilisateursdans une cellule.

5. Débit plus élevéfourni à l'utilisateur.

6. Service de trafic multimédia de haute qualité.

Il a été cru à l'origine que IEEE 802.11 – ethernet analogique mobile, 802.16 - Sans fil analogue stationnaire télévision par câble . Cependant, l'émergence et le développement de la technologie WiMAX (IEEE 802.16E) de soutenir les utilisateurs mobiles rend cette approbation controversée.

Méthodes d'expansion des spectres

Initialement, les méthodes d'expansion du spectre (spectre PC ou SS-Spread-Spread) ont été utilisées dans le développement de systèmes de gestion et de communication militaires. Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'expansion du spectre a été utilisée dans le radar pour lutter contre les interférences intentionnelles. Ces dernières années, le développement de cette technologie s'explique par le désir de créer des systèmes de communication de radio efficaces pour assurer une immunité de bruit élevée lors du transfert de signaux à bande étroite à travers les canaux de bruit et les complications de leur interception.

Le système de communication est un système avec un spectre prolongé dans les cas suivants:

La bande de fréquences utilisée pendant la transmission est significativement plus large que le minimum nécessaire pour transmettre des informations actuelles. De plus, l'énergie du signal d'information se développe à toute la bande passante de la bande de fréquence avec un rapport signal / bruit faible, à la suite de laquelle le signal est difficile à détecter, d'intercepter ou d'empêcher sa transmission en imposant des interférences. Bien que la puissance du signal total puisse être grande, le rapport signal à bruit dans une plage de fréquences est faible, ce qui rend un signal avec un spectre prolongé est difficile à déterminer avec les communications radio et, dans le contexte de cacher des informations sur les méthodes stéganographiques, difficile à distinguer la personne.

L'extension de spectre est réalisée à l'aide du signal dite vaste (ou de code), qui ne dépend pas des informations transmises. La présence d'énergie de signal dans toutes les gammes de fréquences constitue un signal radio avec un spectre prolongé résistant aux interférences et aux informations intégrées au conteneur en développant le spectre résistant à son élimination ou à son élimination du récipient. La compression et d'autres types d'attaques sur le système de communication peuvent éliminer l'énergie du signal de certaines sections du spectre, mais comme celle-ci a été distribuée sur toute la plage, il reste une quantité suffisante de données dans d'autres bandes pour restaurer les informations. En conséquence, si, bien entendu, ne pas divulguer la clé utilisée pour générer un signal de code, la probabilité d'extraction d'informations par des personnes non autorisées est considérablement réduite.

La restauration des informations primaires (c'est-à-dire que le "spectre de rétrécissement") est réalisée en mappant le signal résultant et la copie synchronisée du signal de code.

Les communications radio utilisent trois moyens principaux d'élargir le spectre:

Avec l'aide de PSP direct (RSPP);

Avec l'aide de la réassurance de fréquence de saut de saut;

Utilisation de la compression à l'aide de la modulation de fréquence linéaire (LFM).

Lorsque le spectre est en expansion de la séquence directe, le signal d'information est modulé par une fonction qui accepte des valeurs pseudo-aléatoires dans les limites et est multipliée par une constante de temps - la fréquence (vitesse) des colis élémentaires (éléments de signal) . Ce signal pseudo-aléatoire contient des composants à toutes les fréquences, qui, avec leur extension, modulent l'énergie du signal dans une large plage.

Dans le procédé d'expansion du spectre à l'aide de la reconstruction de fréquences de sauts, l'émetteur change instantanément une fréquence du signal de support à un autre. La clé secrète est la loi pseudo-aléatoire du changement de fréquence.

Lorsque la compression utilise un signal llé, le signal est modulé par une fonction dont la fréquence change au fil du temps.

Il est évident que l'une de ces méthodes peut être étendue à une utilisation dans la zone spatiale lors de la construction de systèmes de stéganographe.

Considérons l'un des modes de réalisation de la méthode RSPP, dont les auteurs sont Smith (J.R. Smith) et le COMMISSKEY (V.O. Comiskey). L'algorithme de modulation est la suivante: chaque lot du message est représenté par une fonction de base, la dimension multipliée, en fonction de la valeur du bit (1 ou 0), par +1 ou -1:

(11.7)

Le message modulé obtenu en même temps, résumé pixelly avec un conteneur d'image, qui utilise une image de demi-teintes de la taille. Le résultat est l'image matelassée, quand .

Afin d'envoyer un signal radio haute puissance dans la plage micro-ondes, un émetteur coûteux avec un amplificateur et une antenne coûteuse de grande diamètre sont nécessaires. Afin de prendre un signal à faible consommation sans interférence, une chère antenne nombreuse et un récepteur coûteux avec un amplificateur sont également nécessaires.

C'est le cas lorsque vous utilisez un signal radio "à bande étroite" conventionnelle lorsque la transmission se produit à une fréquence spécifique, ou plutôt dans une bande de spectre radioélectrique étroite entourant cette fréquence (canal de fréquence). L'image complique les diverses interférences mutuelles entre les signaux de puissance élevée haute bande transmis proches les uns des autres ou des fréquences de fermeture. En particulier, le signal à bande étroite peut simplement être branché (aléatoirement ou délibérément) l'émetteur de puissance suffisante configuré sur la même fréquence.

C'était non-protégé de l'interférence d'un signal radio régulier qui a provoqué un développement de la vie, d'abord pour les applications militaires, un principe complètement différent de la transmission radio, appelée technologie à large bande, ou signal ressemblant à un bruit (les deux variantes du terme correspondent à la Abréviation de spectre étalé). Après de nombreuses années d'utilisation réussie de la défense, cette technologie a également trouvé des applications civiles et elle est à ce titre que cela sera discuté ici.

Il a été constaté que, outre ses propriétés caractéristiques (immunité sonore et son faible niveau d'interférence), cette technologie Il s'est avéré être relativement bon marché avec la production de masse. L'efficacité se produit en raison du fait que toute la complexité de la technologie à large bande est programmée dans plusieurs composants microélectroniques ("puces") et le coût de la microélectronique avec la production de masse est très faible. En ce qui concerne les composants restants des appareils à large bande - Electronics à micro-ondes, les antennes sont moins chères et plus faciles que dans le cas habituel «bande étroite», en raison de la puissance extrêmement faible des signaux radio utilisés.

L'idée d'étalement spectre est qu'une bande de fréquences significativement plus grande est utilisée pour transmettre des informations que nécessaire lorsqu'elle est requise (dans un canal de fréquence étroite). Deux méthodes fondamentalement différentes d'utilisation d'une bande de fréquences aussi large sont développées - la méthode de séquence directe (Séquence directe - DSSS) et la méthode de spectre de fréquence (FHSS). Ces deux méthodes sont prévues par la norme 802.11 (Radio-Ethernet).

Condition moderne La communication sans fil est déterminée par la norme IEEE 802.11. Développer et améliorer la norme est engagée groupe de travail LAN sans fil (groupe de travail pour sans fil Zone locale Réseaux) Comité sur l'Institut de normalisation des ingénieurs en génie électrique et de l'électronique (Institut d'ingénieurs électriques et électroniques, IEEE), présidé par Vika Hayes (Vic Hayes) de Lucen Technologies. Dans un groupe d'environ une centaine de membres ayant une cinquantaine de personnes décisives avec une voix consultative; Ils représentent presque tous les fabricants d'équipements, ainsi que des centres de recherche et des universités. Quatre fois par an, le groupe se rend aux sessions plénières et prend des décisions sur l'amélioration de la norme.

La norme définit un type de protocole d'accès à l'environnement de niveau MAC et à trois protocoles différents pour les canaux physiques (phy).

Au niveau MAC, les composants de base de l'architecture de réseau et la liste des services fournis par ce niveau sont déterminés. Il existe deux variantes typiques de l'architecture des réseaux sans fil:

Configuration indépendante "ad-hoc" lorsque des stations peuvent les contacter directement les uns avec les autres. La zone d'un tel réseau et une fonctionnalité est limitée.

La configuration de l'infrastructure à laquelle les stations sont liées à travers le point d'accès ou fonctionnant de manière autonome ou connectée au réseau câblé. La norme définit l'interface radio-chaîne entre les stations et le point d'accès. Les points d'accès peuvent être connectés les uns aux autres à l'aide de segments de ressources radio ou de réseau de câbles.

La norme a enregistré un protocole d'utilisation d'un seul milieu de transmission appelé support de collision multiples d'accès multiple (CSMA / CA). La probabilité de conflits pour les nœuds sans fil est minimisée par la pré-envoi à tous les nœuds de messages courts (prêt à envoyer, RTS) sur le destinataire et la durée de la transmission à venir. Les nœuds retardent la transmission pendant un temps égal à la durée annoncée du message. La station de réception répond à la parcelle RTS (CTS), dans laquelle l'unité de transmission apprend si le support est libre et que le nœud reçoit. Après avoir reçu le paquet de données, le nœud transmet une confirmation (ACK) d'une réception sans erreur. Si ACK n'est pas reçu, le paquet de données sera à nouveau transmis.

La spécification prévue par la norme prescrit la fractionnement des données sur des packages fournis avec des informations de contrôle et d'adresses. Après cette information occupant environ 30 octets, un bloc d'information est jusqu'à 2048 octets longs. Suit ensuite le code CRC de 4 octets du bloc d'information. La norme recommande d'utiliser des packs de longueur de 400 octets pour le type de canal physique de type FHSS et 1500 ou 2048 pour le canal DSSS.

La norme prévoit la fourniture de la sécurité des données qui inclut l'authentification (pour vérifier que le nœud pénètre dans le réseau est autorisé en elle) et chiffrer des données sur l'algorithme RC4 avec une clé 40 bits. Pour ordinateurs portables La norme prévoit le mode d'économie d'énergie: traduction du périphérique sur le mode "Dormant" et la sortie de cet état du temps courte requis pour recevoir un signal de service à partir des nœuds de réseau commençant la transmission. Il y a aussi un mode d'itinérance qui permet abonneur mobile Déplacer entre les points d'accès sans perte de communication.

Expansion du spectre

Au niveau physique, la norme nous permet d'utiliser l'un des deux types de canaux radio et un type de canal de la plage infrarouge. Les deux types de canaux radio utilisent la technologie d'expansion du spectre entraînant une diminution du signal moyen de la densité spectrale de puissance du signal en raison de la répartition de l'énergie dans la bande de fréquences, plus large que nécessaire pour fournir un débit de transmission donné. Cette technologie vous permet de réduire le niveau d'interférence et offre une consommation de repas accrue.

Le premier type de chaîne radio - Spectrum de fréquence Spectrum Spread Spread Spread (FHSS). Le taux de transmission est fourni à 1 Mbps (éventuellement 2 Mbps). La version 1 Mbps utilise une modulation de fréquence gaussienne à deux niveaux (2GFSK) et une version 2 Mbps - à quatre niveaux (4GFSK). À une vitesse de 1 Mb / s, la fréquence du signal varie de la durée du symbole de message égal à 1 μs, selon la loi gaussienne de la valeur nominale à la valeur de +170 kHz et revient à la valeur nominale. Pour transmettre zéro, la fréquence du signal varie selon la valeur de -170 kHz. Pour une vitesse de 2 Mbit / s, quatre niveaux de déviations de fréquence sont fournis (+225, +75, -75, -225 kHz), chaque emballage élémentaire (caractère) transfère deux bits du message. La largeur du spectre du signal à une telle modulation est de 1 MHz, quel que soit le taux de transmission. Cela permet d'utiliser pour transmettre 79 positions de fréquence dans la plage de 2402 à 2480 MHz en incréments de 1 MHz. Pour développer le spectre, la fréquence du signal varie de la loi pseudo-aléatoire au moins une fois toutes les 400 ms.

Le deuxième type de chaîne radio - SEQUENCE DIRECT SEQURE SPECTRUM (DSSS) Radio Phy. Dans ce mode de réalisation, la transmission avec des vitesses 1 et 2 Mbps. Lors de la transmission de 1 Mbps, une manipulation de phase binaire utilisée - Clé de déphasage binaire (BPSK). Un seul bit est représenté par le code Barker à 11 éléments du formulaire 11100010010 et le bit zéro - le code inverse de l'aboyeur. Les symboles élémentaires du code Barker ne tolèrent pas d'informations, les bits sont transmis à une fois tout le code de Barker - direct ou inverse. Cela vous permet de donner le signal aux propriétés du bruit fournissant une immunité de bruit. La largeur du spectre d'un tel signal est de 22 MHz. Pour une vitesse de 2 Mbps, la norme fournit une manipulation de phase quadrature - QPSK. La durée du symbole de message dans ce cas, deux bits sont transmis. Pour cela, plus deux, mais quatre signaux différents. Par conséquent, avec l'oscillation principale d'oscillation, un supplément, déplacé par rapport à celui-ci en phase est de 90 °. La phase de chacune de ces oscillations est contrôlée par une séquence directe ou inverse de Barker, et les deux oscillations sont pliées. Ainsi, pendant la durée du symbole, le signal comporte quatre degrés de liberté, vous permettant de transmettre deux bits. Dans le même temps, le débit de transmission est doublé tout en maintenant la même bande de fréquence que la transmission binaire. Pour transmettre le signal DSSS, l'une des 14 bandes de fréquences qui se chevauchent définies par la norme de la bande de fréquences totale de 83,5 MHz est utilisée.

Pour le canal infrarouge (PHY infrarouge), la norme prévoit la vitesse de 1 Mbps (éventuellement 2 Mbps) avec une modulation de position d'impulsion. De gros intérêt, ce type de canal ne représente pas, car la plage de transmission prévue par la norme ne dépasse pas 20 m.

Il existe toutefois plusieurs technologies d'élargissement de spectre différentes, cependant, pour une meilleure compréhension du protocole 802.11, nous devons être familiarisés en détail uniquement avec la technologie de spectre de spectre par séquence directe (spectre de la séquence directe, DSSS).

Technologie DSSS

Avec codage potentiel, les bits d'information sont des zéros logiques et des unités - transmis par des impulsions de stress rectangulaire. L'impulsion rectangulaire de la durée T a un spectre, dont la largeur est inversement proportionnelle à la durée d'impulsion. Par conséquent, moins la durée du bit d'information, plus le spectre occupe grandement un tel signal.

Pour l'élargissement délibéré du spectre du signal à bande étroite originale dans la technologie DSSS dans chaque bit d'information transmis (logique 0 ou 1), la séquence de jetons dits est intégrée au sens littéral. Si des bits d'information sont des zéros logiques ou des unités - avec le codage potentiel des informations, il peut être représenté comme une séquence d'impulsions rectangulaires, puis chaque puce est également une impulsion rectangulaire, mais sa durée est plusieurs fois inférieure à la durée du bit d'information . La séquence de puces est une séquence d'impulsions rectangulaires, c'est-à-dire des zéros et des unités, mais ces zéros et les unités ne sont pas des informations. Depuis la durée d'une puce dans N fois inférieure à la durée du bit d'information, la largeur du spectre de signal transformé sera en N fois plus grande que la largeur du spectre de signal d'origine. Dans le même temps, l'amplitude du signal transmis diminuera dans N fois.

Les séquences de copeaux intégrées aux bits d'information sont appelées codes de type bruit (séquences PN), qui soulignent le fait que le signal résultant devient semblable au bruit et il est difficile de distinguer du bruit naturel.

Comment gagner le spectre du signal et le rendre indiscernable du bruit naturel, compréhensible. Pour cela, en principe, il est possible d'utiliser une séquence arbitraire (aléatoire). Cependant, la question se pose: quel est un tel signal? Après tout, si cela devient du bruit, le signal d'information utile n'est pas aussi simple, voire possible. Il est possible, mais pour cela, vous devez choisir la séquence de puce en conséquence. Les séquences de puces utilisées pour élaborer le spectre du signal doivent satisfaire certaines exigences d'autocorrélation. Sous le terme autocorrélation en mathématiques impliquant le degré de similitude de la fonction à différents moments à temps. Si vous choisissez une séquence d'une telle puce pour laquelle la fonction d'autocorrélation aura un pic de poinçon fortement prononcé pour un moment donné, un tel signal d'information peut être attribué au niveau de bruit. Pour ce faire, dans le récepteur, le signal résultant est multiplié par la même séquence de puces, c'est-à-dire que la fonction de signal d'autocorrélation est calculée. En conséquence, le signal devient une bande étroite, elle est donc filtrée dans une bande de bande étroite et toute interférence entrante dans le signal à large bande de départ, après avoir multiplié la séquence de copeaux, au contraire, il devient large bande et coupé en filtres, et seulement Une partie de l'interférence tombe dans une bande d'information étroite, la puissance est nettement inférieure à celle d'une interférence à l'entrée du récepteur (Fig. 7.1).

Codes Barker

Les séquences de copeaux qui répondent aux exigences d'autocorrélation spécifiées n'existent pas beaucoup, mais pour nous, les codes dites BARX présentent un intérêt particulier, car ils sont utilisés dans le protocole 802.11.

Les codes Barker ont le meilleur parmi les séquences pseudo-aléatoires bien connues des propriétés de poinse, qui ont conduit leur utilisation généralisée.

Dans les protocoles de la famille 802.11, le code Barker de 11 puces (11100010010) est utilisé (11100010010).

Afin de transmettre le signal, l'unité logique est transmise à la séquence directe de l'aboyeur et le zéro logique est une séquence inverse.

Vitesse 1 Mbps

Dans la norme 802.11, deux modes à grande vitesse sont fournis: 1 et 2 Mbps. Pour le codage des données, la méthode DSSS avec des codes à 11 puce de Barker est utilisée pour coder les données. Avec une vitesse d'information de 1 Mbps, la vitesse de copeaux individuelles de la séquence Bixer est de 11 x 106 puce / s et la largeur du spectre d'un tel signal est de 22 MHz. Considérant que la largeur de la plage de fréquences est de 83,5 MHz, nous obtenons que, au total dans cette diphazone de fréquence, vous pouvez installer 3 non interprétatifs. canaux de fréquence. La gamme complète de fréquences est toutefois habituelle pour diviser sur 11 canaux de chevauchement des fréquences de 22 MHz, soit 5 MHz. Par exemple, la première chaîne occupe une plage de fréquences de 2400 à 2423 MHz et centrée par rapport à la fréquence de 2412 MHz. Le deuxième canal est centré sur la fréquence de 2417 MHz, et le dernier canal de 11 canaux est centré relativement à la fréquence de 2462 MHz. Avec un tel examen, les premiers, sixième et 11 canaux ne se chevauchent pas les uns avec les autres et ont 3 mégahertz Gap par rapport à l'autre. Ce sont ces trois canaux pouvant être utilisés indépendamment les uns des autres.

Pour moduler le signal de support sinusoïdal (le processus requis pour le remplissage des informations du signal de support) utilise la modulation de phase binaire relative (clé de décalage de phase binaire différentielle, DBPSK). Dans ce cas, le codage des informations se produit en raison du décalage de la phase du signal sinusoïdal par rapport à l'état précédent du signal. La modulation de phase binaire implique deux valeurs de déphasage possibles - 0 et π. Ensuite, le zéro logique peut être transmis par un signal de la syphase (le décalage de phase est 0) et un signal d'unité qui est décalé par la phase sur π.

Vitesse 2 Mbps

La vitesse d'information de 1 Mbps est obligatoire dans la norme IEEE 802.11 (taux d'accès de base), mais éventuellement et une vitesse dans 2 Mbps (taux d'accès amélioré). Pour transférer des données à une telle vitesse, la même technologie DSSS est utilisée avec des codes à 11 puces de Barker, mais une modulation de phase de quadrature relative est utilisée pour moduler l'oscillation de la porteuse (quadrature différentielle Squatey Squatey). Avec la modulation de phase quadrature relative, le quart de phase peut recevoir quatre valeurs différentes: 0, π / 2, π et 3π / 2. En utilisant quatre statuts différents du signal, dans un état discret, codez la séquence de deux bits d'information (DIBETES) et augmentez ainsi le taux d'information de la transmission deux fois. Par exemple, Dibeit 00 peut correspondre à un déphasage égal à 0; DIBIT 01 - Changement de phase égal à π / 2; DIBIT 11 - Changement de phase égal à π; DIBIT 10 - Changement de phase, égal à 3π / 2.

En conclusion du niveau physique du protocole 802.11, nous notons qu'avec une vitesse d'information de 2 Mbit / s, la vitesse des puces individuelles de la séquence de Barker reste la même, c'est-à-dire 11 × 10 6 puce / s, et donc , la largeur du spectre du signal transmis ne change pas.

7.2 7.2 Niveau physique du protocole 802.11b / B +

Le protocole IEEE 802.11B, adopté en juillet 1999, est une sorte d'expansion protocole de base 802.11 et outre les vitesses 1 et 2 Mbit / s, il fournit une vitesse de 5,5 et 11 Mbps. Pour fonctionner à des vitesses 1 et 2 Mbit / s, la technologie d'élargissement du spectre est utilisée à l'aide d'un code Barker, et des codes dites complémentaires sont utilisés pour des vitesses de 5,5 et 11 Mbps (clavier de code complémentaire, CCK).

Séquences CCK

Les codes complémentaires ou les séquences de CCK ont la propriété que la somme de leurs fonctions d'autocorrélation pour tout changement cyclique différent de zéro est toujours égale à zéro.

Dans la norme IEEE 802.11b, nous parlons de séquences complexes de 8 puces complémentaires définies sur l'ensemble des éléments complexes.

Il vaut la peine de faire une petite retraite lyrique, afin de ne pas pousser le lecteur avec la complexité de l'appareil mathématique utilisé. Les mathématiques de nombres complexes peuvent provoquer une masse de souvenirs négatifs, associés à quelque chose de complètement abstrait. Mais dans ce cas, tout est assez simple. Une représentation de signal intégrée n'est qu'un appareil mathématique pratique pour représenter le signal modulé par signal.

En utilisant une pluralité d'éléments complexes (1, -1, j, -j), vous pouvez former huit du même modulo, mais diffèrent dans la phase de nombres complexes. C'est-à-dire que les éléments de la séquence CCK à 8 puces peuvent prendre l'une des huit valeurs suivantes: 1, -1, j, -j, 1 + j, 1-j, -1 + j, -1-j. La principale différence de séquences de CCK à partir de codes à barcker précédemment discutées est qu'il n'ya pas de séquence strictement définie par laquelle il était possible d'encoder soit un zéro logique ou une unité, mais un ensemble complet de séquences. Considérant que chaque élément de la séquence 8-SIP peut prendre l'une des huit valeurs en fonction de la valeur de phase, il est clair que vous pouvez combiner 8 8 \u003d 16777216 des options de séquence, cependant, pas toutes sont complémentaires. Mais même en tenant compte des exigences de complémentarité, vous pouvez former un nombre suffisamment grand de différentes séquences de CCK. Cette circonstance vous permet de coder plusieurs bits d'informations dans un symbole transmis et augmentez ainsi le taux d'information du transfert.

De manière générale, l'utilisation de codes CCK vous permet de coder 8 bits par caractère à une vitesse de 11 Mbps et de 4 bits par symbole à une vitesse de 5,5 Mbps. Dans le même temps, dans les deux cas, le taux de transmission symbolique est de 1,385 × 10 6 caractères par seconde (11/8 \u003d 5,5 / 4 \u003d 1,385) et envisageant que chaque caractère est réglé sur une séquence à 8 puces, nous obtenons que Dans les deux cas, la vitesse des puces séparées suivantes est de 11 x 10 6 crches par seconde. En conséquence, la largeur du spectre du signal comme à une vitesse de 11 Mbps et de 5,5 Mbps est de 22 MHz.

Considérant les taux de transmission possibles de 5,5 et 11 Mbit / s dans le protocole 802.11B, nous avons toujours quitté la question, pourquoi avez-vous besoin d'une vitesse de 5,5 Mbps si l'utilisation de séquences CCK vous permet de transmettre des données à une vitesse de 11 Mbps . Théoriquement, cela est vrai, mais seulement si vous ne prenez pas compte de la situation d'interférence. Dans des conditions réelles, le bruit des canaux de transmission et, en conséquence, le rapport des niveaux de bruit et un signal peuvent être tels que la transmission à une vitesse d'information élevée, c'est-à-dire lorsque de nombreux bits d'information sont codés dans un symbole, il peut être impossible en raison de leur reconnaissance erronée. Sans entrer dans des détails mathématiques, nous notons que plus le noble des canaux de communication, le taux de transfert de moins d'informations. Dans ce cas, il est important que le récepteur et l'émetteur ont correctement analysé la situation d'interférence et ont choisi un taux de transmission acceptable.

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rÉ.irect. s.Épargner s.pays. s.pecturum.) - La modulation à large bande avec une expansion directe du spectre est l'une des trois méthodes d'expansion de spectre principal utilisés à ce jour (voir les méthodes d'expansion du spectre). Il s'agit d'un procédé de formation d'un signal radio à large bande auquel le signal binaire d'origine est converti en la séquence pseudo-aléatoire utilisée pour moduler le support. Utilisé dans les réseaux IEEE 802.11 et CDMA et CDMA pour une expansion intentionnelle du spectre de l'impulsion transmise.

La méthode de séquence directe (DSSS) peut être imaginée comme suit. Toute la bande "large" utilisée est divisée en un certain nombre de sous-canaux - selon la norme 802.11 de ces sous-canaux 11. Chaque bit d'information transmis est converti par un algorithme prédéterminé, à une séquence de 11 bits, et ces 11 bits sont transmis Comme il était simultanément et en parallèle (des signaux physiquement transmis séquentiellement) à l'aide de tous les 11 sous-canaux. Lors de la réception, la séquence résultante du bit est décodée à l'aide du même algorithme que lorsqu'elle est codée. Une autre paire d'un récepteur d'émetteur peut utiliser un autre algorithme de codage - décodage, et de tels algorithmes différents peuvent être beaucoup.

Le premier résultat évident de l'application de cette méthode consiste à protéger les informations transmises de l'oreillepuning (le récepteur DSSD "de quelqu'un d'autre" utilise un autre algorithme et ne peut pas décoder des informations non de son émetteur).

Dans le même temps, le rapport du niveau de signal transmis au niveau de bruit est considérablement réduit (c'est-à-dire des interférences aléatoires ou délibérées), de sorte que le signal transmis est déjà indiscernable dans le bruit général. Mais en raison de sa redondance à 11 fois, le dispositif de réception sera toujours en mesure de le reconnaître.

Un autre extraordinaire propriété utile Les appareils DSSS réside dans le fait qu'en raison d'un très faible niveau de puissance de son signal, ils ne créent pratiquement pas d'interférences avec des dispositifs radio classiques (puissance élevée à bande étroite), car ces derniers prennent un signal de bruit à large bande dans l'admissible. Inversement - Les dispositifs conventionnels n'interfèrent pas avec le haut débit, car leurs signaux de puissance élevés sont "bruyants" que chacun uniquement dans son canal étroit et ne peut pas entièrement noyer tout le signal large bande.

L'utilisation de technologies à large bande permet d'utiliser la même partie du spectre radioélectrique deux fois des dispositifs à bande étroite classique et de "sur eux" - haut débit.

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La technologie

Dans chaque lot d'informations transmis (logique 0 ou 1), la séquence de jetons dits est incorporée. Si des bits d'information sont des zéros logiques ou des unités - avec le codage potentiel des informations, il peut être représenté comme une séquence d'impulsions rectangulaires, puis chaque puce est également une impulsion rectangulaire, mais sa durée est plusieurs fois inférieure à la durée du bit d'information . La séquence de puces est une séquence d'impulsions rectangulaires, c'est-à-dire des zéros et des unités, mais ces zéros et les unités ne sont pas des informations. Depuis la durée d'une puce dans N fois inférieure à la durée du bit d'informations, la largeur du spectre du signal de transformateur sera dans N fois la largeur du spectre de signal d'origine. Dans le même temps, l'amplitude du signal transmis diminuera dans N fois.

Les séquences de puces utilisées pour élaborer le spectre du signal doivent satisfaire certaines exigences d'autocorrélation. Sous le terme autocorrélation en mathématiques impliquant le degré de similitude de la fonction à différents moments à temps. Si vous choisissez une séquence d'une telle puce pour laquelle la fonction d'autocorrélation aura un pic de poinçon fortement prononcé pour un moment donné, un tel signal d'information peut être attribué au niveau de bruit. Pour ce faire, dans le récepteur, le signal résultant est multiplié par la même séquence de puces, c'est-à-dire que la fonction de signal d'autocorrélation est calculée. En conséquence, le signal devient une bande étroite, elle est donc filtrée dans une bande de bande étroite et toute interférence entrante dans le signal à large bande de départ, après avoir multiplié la séquence de copeaux, au contraire, il devient large bande et coupé en filtres, et seulement Une partie de l'interférence tombe dans une alimentation d'information étroite est nettement inférieure à un obstacle agissant à l'entrée du récepteur (si le récepteur n'est pas utilisé avec l'algorithme Bottchman).