U početku je metoda širenja spektra stvorena za obavještajne i vojne svrhe. Osnovna ideja metode je distribuiranje informacijskog signala preko širokog radio opsega, što u konačnici znatno otežava potiskivanje ili presretanje signala. Prva razvijena shema proširenog spektra poznata je kao tehnika skakanja frekvencije. Modernija shema širenja spektra je metoda direktnog serijskog širenja. Obje metode se koriste u raznim bežičnim standardima i proizvodima.
Frekventno skakanje šireg spektra (FHSS)
Kako bi se osiguralo da radio saobraćaj ne može biti presretnut ili potisnut uskopojasnim šumom, predloženo je odašiljanje sa stalnom promjenom nosioca unutar širokog frekventnog opsega. Kao rezultat toga, snaga signala je bila raspoređena po cijelom rasponu, a slušanje određene frekvencije proizvodi samo malu količinu šuma. Redoslijed nosećih frekvencija bio je pseudo-slučajan, poznat samo predajniku i prijemniku. Pokušaj potiskivanja signala u određenom uskom opsegu također nije previše degradirao signal, jer je samo mali dio informacija potisnut.
Ideja ove metode je ilustrovana na sl. 1.10.
Za fiksni vremenski period, prijenos se vrši na konstantnoj frekvenciji nosioca. Na svakoj frekvenciji nosioca, standardno metode modulacije, kao što su FSK ili PSK. Da bi se prijemnik sinhronizovao sa odašiljačem, sinhronizacioni bitovi se prenose tokom određenog vremenskog perioda koji označava početak svakog perioda prenosa. Dakle, korisna brzina ove metode kodiranja je manja zbog konstantnog opterećenja sinhronizacije.
Rice. 1.10.
Frekvencija nosioca se mijenja u skladu s brojem frekvencijskih podkanala generiranih algoritmom pseudo-slučajnih brojeva. Pseudoslučajni niz zavisi od nekog parametra koji se zove početni broj. Ako prijemnik i odašiljač znaju algoritam i vrijednost sjemena, tada mijenjaju frekvencije u istom nizu, koji se naziva pseudo-slučajna sekvenca skakanja frekvencije.
Ako je frekvencija promjena podkanala niža od brzine prijenosa podataka u kanalu, onda se ovaj način poziva sporo širenje spektra(Sl. 1.11a); inače imamo posla brzo širenje spektra(Sl. 1.11b).
Metoda brzog širenja spektra je otpornija na smetnje jer uskopojasna interferencija koja potiskuje signal u određenom podkanalu ne dovodi do gubitka bita jer se njegova vrijednost ponavlja nekoliko puta u različitim frekvencijskim podkanalima. U ovom režimu se ne pojavljuje efekat međusimbolske interferencije, jer do trenutka kada signal odložen duž jedne od staza stigne, sistem ima vremena da se prebaci na drugu frekvenciju.
Metoda sporog širenja spektra nema ovo svojstvo, ali je jednostavnija za implementaciju i uključuje manje troškove.
FHSS metode se koriste u IEEE 802.11 i Bluetooth bežičnim tehnologijama.
U FHSS-u, pristup korištenju frekvencijskog opsega se razlikuje od drugih metoda kodiranja - umjesto da se ekonomično koristi uski propusni opseg, pokušava se zauzeti cijeli raspoloživi raspon. Na prvi pogled, ovo ne izgleda baš efikasno – na kraju krajeva, samo jedan kanal radi u dometu u svakom trenutku. Međutim, potonja izjava nije uvijek tačna – kodovi proširenog spektra se također mogu koristiti za multipleksiranje više kanala u širokom rasponu. Konkretno, FHSS metode omogućavaju organiziranje istovremenog rada nekoliko kanala odabirom za svaki kanal takve pseudoslučajne sekvence tako da u svakom trenutku svaki kanal radi na svojoj frekvenciji (naravno, to se može učiniti samo ako broj kanala ne prelazi broj frekvencijskih podkanala).
Spektar širenja direktne sekvence (DSSS)
Direct Sequential Spread Spectrum također koristi cijeli raspon frekvencija dodijeljen jednoj bežičnoj vezi. Za razliku od FHSS metode, cijeli frekvencijski opseg nije zauzet stalnim prebacivanjem s frekvencije na frekvenciju, već zamjenom svakog bita informacije sa N-bitovima, tako da se brzina prijenosa signala povećava za N puta. A to, zauzvrat, znači da se spektar signala također širi N puta. Dovoljno je odabrati brzinu prenosa podataka i N vrijednost na odgovarajući način kako bi spektar signala ispunio cijeli raspon.
Svrha kodiranja DSSS metodom je ista kao i FHSS metodom - povećati otpornost na smetnje. Uskopojasne smetnje će izobličiti samo određene frekvencije spektra signala, tako da je vjerovatno da će prijemnik moći ispravno prepoznati prenesene informacije.
Poziva se kod koji zamjenjuje binarnu jedinicu izvorne informacije sekvenca širenja, a svaki bit takvog niza je čip.
U skladu s tim, naziva se brzina prijenosa rezultirajućeg koda čip brzina. Binarna nula je kodirana kao inverzna sekvenca širenja. Prijemnici moraju znati sekvencu širenja koju odašiljač koristi da bi razumjeli informacije koje se prenose.
Broj bitova u sekvenci širenja određuje faktor širenja izvornog koda. Kao i kod FHSS-a, bilo koja vrsta modulacije, kao što je BFSK, može se koristiti za kodiranje bitova koda rezultata.
Što je veći faktor širenja, širi je spektar rezultirajućeg signala i veći je stepen potiskivanja smetnji. Ali u isto vrijeme, spektar koji zauzima kanal se povećava. Obično se faktor ekspanzije kreće od 10 do 100.
Bežične tehnologije pružaju sigurnu i pouzdanu komunikaciju sa udaljenim proizvodnim lokacijama kada je upotreba kablovskih proizvoda ograničena. Za organizaciju održavanja, bežični uređaji prate stanje pumpi i mehanizama, prenose podatke sa udaljenih stanica za praćenje otpadnih voda i ulazno/izlaznih sistema.
U jednom rješenju, bežični sistem prima očitanja meteorološke stanice i očitavanja protoka otpadne vode hemijske proizvodnje. Fabrička meteorološka stanica nalazi se 2,5 kilometra od glavne kontrolne table, a u njoj se nalazi snimač koji prikuplja podatke sa anemometra (brzina vetra), termometra i higrometra. Rekorder je povezan sa 900 MHz WLM Remote RF bežičnim uređajem kompanije Moore Industries koristeći tehnologiju Frequency Shift Spread Spectrum (FHSS) i prenosi podatke pomoću antene koja je postavljena na visokom nosaču u blizini meteorološke stanice. Tokom rada do sada nije bilo ozbiljnijih problema.
Činilo se nemogućim uspostaviti bežičnu komunikaciju sa stanicom za praćenje otpadnih voda. Iako je udaljenost od stanice do centralne centrale svega 500 m, radio frekvencijski signal je morao proći kroz četverospratnu zgradu kotlarnice. Međutim, prije instalacije su obavljena ispitivanja i radio mreža je radila bez problema. Glavna lekcija iz svega ovoga je da bežična tehnologija radi čak i tamo gdje ste mislili da ne bi trebala raditi. Sve što treba da uradite je da testirate sistem.
Postoji mnogo radio tehnologija. Razumijevanje mehanizama njihovog funkcioniranja neophodno je za odabir najboljeg rješenja za određenu primjenu. Bežična mreža može biti licencirana ili nelicencirana, Ethernet ili serijska, uskopojasna ili proširenog spektra, bezbedna ili otvorena protokola, Wi-Fi... lista se nastavlja. Ovaj članak predstavlja uvod u bežičnu tehnologiju.
Radio frekvencijski opseg
Raspon od 9 kiloherca (kHz) do hiljada gigaherca (GHz) može se koristiti za bežičnu komunikaciju. Više frekvencije - infracrveni spektar, svetlosni spektar, rendgenski zraci itd. Budući da su radio frekvencije ograničen resurs koji koriste televizijske i radio stanice, mobilni telefoni i drugi bežični uređaji, opsege koji se mogu koristiti za određene vrste komunikacija i prijenosa podataka određuju vladine agencije.
U Sjedinjenim Državama, Federalna komisija za komunikacije (FCC) dodjeljuje frekvencije nevladinim korisnicima. FCC je utvrdio da industrijska, naučna i medicinska oprema mora raditi u opsezima 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz i 5725-5875 MHz, podložno ograničenjima jačine signala, snage i drugih parametara radio prijenosa. Ovi opsezi nisu licencirani i mogu se slobodno koristiti u granicama FCC propisa. Drugi opsezi u spektru mogu se koristiti kada se licenca odobri. U tabeli 1 prikazani su rasponi radiofrekventnog spektra i područja njihove primjene.
Izvor: http://encyclopedia.thefreedictionary.com/radio%20frequencyLicencirane ili nelicencirane frekvencije
Za rad na licenciranoj frekvenciji potrebna je licenca koju izdaje Federalna komisija za komunikacije. U idealnom slučaju, ove frekvencije su imune na smetnje, a ako do smetnji dođe, prekršilac se može smatrati zakonskom odgovornim. Nedostaci su složena i dugotrajna procedura za dobijanje licence, nemogućnost kupovine već dostupnih uređaja, budući da moraju biti proizvedeni da rade na licenciranoj frekvenciji, i, naravno, troškovi dobijanja licence.
Nelicencirana frekvencija je frekvencija koju je Federalna komisija za komunikacije definirala kao slobodnu za korištenje bez potrebe za registracijom i autorizacijom. Ovisno o lokaciji sistema, postoje ograničenja jačine signala. Na primjer, u SAD-u u opsegu od 900 megaherca maksimalna snaga je 1 vat ili 4 vata EIRP (efektivna izotropna snaga zračenja).
Prednosti korišćenja nelicenciranih frekvencija su očigledne: nema potrebe za gubitkom vremena i novca na dobijanje licence; Mnogi proizvođači opskrbljuju tržište proizvodima koji podržavaju ove frekvencije, niske troškove puštanja u rad zbog odsustva troškova licence. Nedostaci leže u samoj ideji nelicenciranog opsega: nekoliko sistema može raditi istovremeno na istoj frekvenciji, što dovodi do smetnji i gubitaka tokom prijenosa podataka. U ovom slučaju postoji potreba za korištenjem tehnologije proširenog spektra. Predajnici sa proširenim spektrom su veoma efikasni u eliminisanju smetnji i rade čak iu okruženjima RF šuma.
Sistemi šireg spektra
Prošireni spektar je tehnika koja širi RF signal u širokom rasponu frekvencija pri maloj snazi, dok prijenos kroz uskopojasni signal koncentriše svu snagu na jednu frekvenciju. Uskopojasni je signal koji zauzima mali raspon radiofrekventnog spektra. Širokopojasni signal zauzima mnogo veći sektor. Dvije najčešće tehnologije proširenog spektra su frekventno skakanje proširenog spektra (FHSS) i širenje spektra direktnog niza (DSSS).
Kao što je jasno iz definicije, kod uređaja za skakanje frekvencije radna frekvencija predajnika se mijenja nakon određenog vremenskog intervala. Prednosti skakanja su očigledne: budući da predajnik mijenja frekvenciju prijenosa podataka toliko često da samo prijemnik konfiguriran prema istom algoritmu može primiti informaciju. Prijemnik mora imati sličan pseudo-slučajni slijed primljenih frekvencija kako bi primio signal predajnika na ispravnoj frekvenciji u pravo vrijeme. Slika 1 pokazuje kako se frekvencija signala mijenja tokom vremena. Svaki korak prijelaza ima istu snagu i vrijeme zadržavanja (vrijeme rada na kanalu). Na slici 2 odnosa vrijeme-frekvencija, može se vidjeti da se skok događa u pravilnim intervalima. Redoslijed skokova je pseudo-slučajan.
Slika 1. Kao rezultat "skokova", frekvencija nosioca se mijenja. Jačina signala ostaje konstantna.
DSSS kombinuje signal podataka sa nizom simbola poznatim kao "čipovi" - na taj način "šireći" signal preko veće širine pojasa. Drugim riječima, originalni signal se množi sa šumnim signalom generiranim pseudo-slučajnim nizom pozitivnih i negativnih bitova. Prijemnik množi primljeni signal istim nizom, dobijajući originalnu informaciju (pošto je 1 x 1=1 i -1 x-1 = 1).
Kada se signal „širi“, snaga originalnog uskopojasnog signala se distribuira u širokom opsegu, smanjujući snagu na svakoj specifičnoj frekvenciji (poznatoj kao niska gustina snage). Na slici 3 prikazan je signal u užem dijelu spektra radio frekvencija. Na slici 4, signal raširen po većem dijelu spektra ima istu ukupnu snagu, ali manju snagu po frekvenciji. Budući da širenje smanjuje jačinu signala u određenim dijelovima spektra, signal se može percipirati kao šum. Prijemnik mora prepoznati i demodulirati primljeni signal, brišući originalni signal od dodanih "čipova".
FHSS i DSSS tehnologije se široko koriste u industriji. Ovisno o svakom konkretnom slučaju, jedna ili druga tehnologija može biti najbolje rješenje. Umjesto rasprave koja je bolja, važnije je razumjeti razlike i odabrati tehnologiju koja je ispravna za vašu primjenu. Općenito, sljedeće karakteristike utiču na izbor:
Bandwidth
Kolokacija
Interferencija
Domet komunikacije
Sigurnost
Bandwidth
Propusnost je količina podataka koje sistem šalje ili prima u jednoj sekundi. Ovo je jedan od najvažnijih faktora pri odabiru potrebne tehnologije. DSSS ima veći kapacitet od FHSS-a zbog efikasnije upotrebe frekvencijskog opsega i rada u većem opsegu. Za većinu industrijskih distribuiranih I/O sistema, niska FHSS propusnost nije ozbiljan problem. Međutim, ako se poveća veličina mreže ili brzina prijenosa podataka, ovom pokazatelju se poklanja veća pažnja. Većina FHSS radio predajnika ima propusni opseg od 50-115 kbps za Ethernet mrežu. DSSS radi sa propusnošću od 1-10 Mbps. Iako DSSS predajnici imaju veću propusnost od svojih FHSS kolega. Pronalaženje DSSS uređaja koji pruža istu mrežnu sigurnost i domet potreban za industrijsku proizvodnju i SCADA sisteme nije lako.
Za razliku od FHSS predajnika koji rade u opsegu 26 MHz na osnovnoj frekvenciji od 900 MHz (902-928 MHz) i DSSS predajnika koji rade u opsegu 22 MHz na 2,4 GHz, radio predajnici koji koriste licencirane frekvencije su ograničeni na spektar od 12,5 kHz. Naravno, pošto je širina spektra ograničena, ograničena je i propusnost. Većina predajnika koji rade na licenciranoj frekvenciji nude propusnost od 6400 – 19200 bita u sekundi.
Kolokacija
Kolokacija se odnosi na mogućnost nekoliko radio mreža koje rade u neposrednoj blizini jedna drugoj. DSSS tehnologija ne dozvoljava više radio mreža da rade jedna pored druge, pošto je signal raširen u jednom frekventnom opsegu. Na primjer, unutar 2,4 GHz ISM (industrijski, naučni i medicinski) opseg, mogu se koristiti samo tri DSSS kanala. Svaki kanal je proširen na 22 megaherca spektra, što omogućava da samo tri mreže rade istovremeno bez preklapanja frekvencija.
S druge strane, zbog upotrebe različitih sekvenci skokova, nekoliko FHSS mreža može raditi na istom frekvencijskom opsegu. Niz skakanja u kojem se različite frekvencije koriste u različito vrijeme u istom frekvencijskom opsegu također se naziva ortogonalni niz. FHSS koristi programe ortogonalnog niza kako bi omogućio rad više mreža bez izazivanja smetnji. Ovo je ogromna prednost kada se razvijaju velike mreže i kada je potrebno razdvajanje komunikacija. Većina laboratorijskih studija pokazuje da do 15 FHSS mreža i samo 3 DSSS mreže mogu raditi istovremeno.
Očigledno, zbog rada na istom opsegu spektra od 12,5 megaherca, uskopojasni radio uređaji ne mogu biti locirani preblizu jedan drugom.
Interferencija
Interferencija je radio šum u susjednom ili istom dijelu spektra radio frekvencija. Preklapanje dva signala može generisati novi radio talas ili dovesti do gubitka podataka koje prenosi radni signal. Tehnologija proširenog spektra radi vrlo dobar posao u rješavanju ove buke, iako različite tehnologije rješavaju ovaj problem na različite načine. Kada DSSS prijemnik detektuje uskopojasni šum, primljeni signal se množi sa vrednošću čipa da bi se rekonstruisala originalna poruka. Tako se originalni originalni signal pretvara u uskopojasni signal velike snage; Smetnje, kao što je širokopojasni signal male snage, se zanemaruju.
U svojoj srži, mehanizam, koji postavlja DSSS signal ispod nivoa šuma radio mreže, omogućava da se uskopojasne smetnje ignorišu prilikom demodulacije signala. Dakle, DSSS radi veoma dobro sa spoljnim šumom, ali ako su smetnje velike snage, mogu nastati ozbiljni problemi, jer demodulacija ne može smanjiti signal smetnje ispod jačine originalnog signala.
S obzirom na to da FHSS radi sa propusnim opsegom od 83,5 MHz na 4 GHz i proizvodi signale velike snage na određenim frekvencijama (slično generiranju sinhroniziranih paketa podataka na uskom pojasu), čime se izbjegavaju smetnje ako uskopojasni generator šuma ne radi na jednoj od korištenih frekvencija . Uskopojasni šum, u najgorem slučaju, blokira nekoliko skokova, koje sistem može kompenzovati ponovnim prijenosom poruke na drugoj frekvenciji. Osim toga, FCC propisi zahtijevaju minimalno odvajanje frekvencija u nizu skokova, tako da je potencijal za uskopojasne smetnje signala minimiziran.
U slučaju širokopojasnih smetnji, DSSS ne radi tako pouzdano. Budući da DSSS proširuje cijeli signal na 22 MHz propusnog opsega uz mnogo manju snagu, kada se superponira na tih 22 MHz šuma ili jači signal, do 100% DSSS prijenosa može biti blokirano, ali samo 25% FHSS prijenosa. U ovom slučaju, efikasnost FHSS-a se smanjuje, ali ne dolazi do potpunog gubitka podataka.
Licencirane frekvencije koriste vrlo uski pojas, tako da čak i male smetnje mogu uzrokovati gubitak informacija. U ovom slučaju, usmjerene antene i propusni filteri mogu se koristiti za uspostavljanje kontinuirane komunikacije, a protiv ometača se može poduzeti pravni postupak.
802.11 radio prijemnici su podložniji smetnjama jer toliko uređaja radi u ovom opsegu. Jeste li primijetili smetnje koje se javljaju na vašem bežičnom telefonu kada vaša mikrovalna pećnica radi? Oba uređaja rade u opsegu od 2,4 GHz, kao i ostali 802.11 uređaji. Kada koristite takve odašiljače, sigurnost mreže postaje ozbiljna briga.
Ako se prijemnik određenog predajnika nalazi bliže drugom odašiljaču nego svom, nastaje problem u interakciji prijemnika sa ovim predajnicima. Susedni predajnici mogu začepiti kanal prijemnika stranim signalima velike snage. U takvoj situaciji, većina DSSS sistema će otkazati. U istoj situaciji, nekoliko skokova FHSS sistema će biti blokirano, ali sveukupno neće poremetiti mrežu. U slučaju sistema koji radi na licenciranoj frekvenciji, efikasnost sistema će zavisiti od frekvencije stranog signala. Ako je frekvencija ovih signala bliska ili slična frekvenciji sistema, vaš signal će biti ometen, što dovodi do sudskog gonjenja počinitelja ako nema sličnu dozvolu
Domet komunikacije
Komunikacioni domet je određen mogućnošću organizovanja komunikacija, tj. jačina radio frekvencijske veze između predajnika i prijemnika i udaljenost na kojoj mogu održavati pouzdanu vezu. Kada radi na istoj snazi i koristeći isti modulacioni algoritam, radio predajnik od 900 MHz pruža pouzdaniju komunikaciju od predajnika od 2,4 GHz. Kako se frekvencija radiofrekvencijskog spektra povećava, opseg prijenosa podataka se smanjuje, pod uvjetom da svi ostali parametri ostanu nepromijenjeni. Sposobnost prodiranja kroz zidove i predmete također se smanjuje sa povećanjem učestalosti. Više frekvencije u spektru pokazuju reflektirajuća svojstva. Na primjer, radio talas od 2,4 GHz može se reflektirati od zidova zgrada i tunela. Ovo se može koristiti za širenje signala na velike udaljenosti. Moguće poteškoće su povezane s pojavom višeputnog širenja ili potpunim odsustvom signala zbog povratne refleksije.
Federalna komisija za komunikacije ograničava izlaznu snagu radio predajnika sa proširenim spektrom. DSSS prenosi podatke sekvencijalno pri maloj snazi, kao što je gore prikazano, i podliježe ograničenjima FCC-a. Ovo ograničava daljinu prijenosa DSSS radio predajnika, te ih čini neprikladnim za industrijsko tržište. FHSS predajnici, s druge strane, prenose signale velike snage na određenim frekvencijama u nizu skokova, ali prosječna snaga ostaje niska tako da zadovoljava propise. FHSS signal se prenosi većom snagom od DSSS signala, što mu omogućava rad na većim udaljenostima. Većina FHSS odašiljača može prenositi podatke preko 20 km ili čak na veće udaljenosti koristeći antene velikog pojačanja.
802.11 radio predajnici su dostupni u DSSS i FHSS formatima. Oni rade u širokom rasponu frekvencija i sa brzinama prijenosa podataka do 54 Mbit/s. Ali treba napomenuti da se navedena propusnost uvelike smanjuje s povećanjem udaljenosti između radio modema. Na primjer, udaljenost od 100 m smanjuje brzinu sa 54 Mbps na 2 Mbps. Ovo je idealno za male uredske ili kućne aplikacije, ali ne i za industrijske aplikacije gdje se podaci trebaju prenositi na nekoliko kilometara.
Budući da uskopojasni radio predajnici rade na niskim frekvencijama, oni mogu biti dobro rješenje ako FHSS ne može osigurati potreban raspon prijenosa. Potreba za korištenjem uskopojasnih licenciranih frekvencija javlja se kada je potrebno prenijeti podatke na veliku udaljenost, ili se prijenos mora odvijati bliže površini Zemlje, jer je organiziranje komunikacije u zoni vidljivosti nemoguće.
Sigurnost
Budući da DSSS signal ima vrlo malu snagu, hakerima ga nije lako otkriti. Jedna od glavnih prednosti DSSS-a je mogućnost smanjenja energije signala distribucijom snage originalnog uskopojasnog signala preko većeg frekvencijskog pojasa, čime se smanjuje spektralna gustoća snage. Ovo može smanjiti nivo signala do nivoa buke radio mreže, čineći ga “nevidljivim” za potencijalne napadače. Međutim, ako je "čip" poznat ili kratak, otkrivanje DSSS prijenosa i rekonstrukcija signala je mnogo lakše jer ima ograničen broj nosećih frekvencija. Mnogi DSSS sistemi nude šifriranje kao sigurnosnu funkciju, iako to povećava troškove sistema i smanjuje operativnu efikasnost zbog dodatne snage potrebne za kodiranje signala.
Da bi se uspješno podesio na FHSS sistem koji radi, napadač mora znati korištene frekvencije, sekvencu skokova, vrijeme rada i metod šifriranja. S obzirom da opseg od 2,4 GHz ima vrijeme rada od 400 ms po kanalu i preko 75 kanala u upotrebi, gotovo je nemoguće otkriti i pratiti FHSS signal osim ako prijemnik nije konfiguriran za istu sekvencu skakanja. Osim toga, većina FHSS sistema dolazi s naprednim sigurnosnim karakteristikama kao što su dinamičko šifriranje ključa i kontrola ciklične redundance.
Danas bežične lokalne mreže (WLAN) postaju sve popularnije. Oni koriste standard 802.11, otvoreni protokol koji je razvio IEEE. Wi-Fi je standardni amblem koji koristi Wireless Ethernet Compatibility Association (WECA) za certifikaciju 802.11 proizvoda. Iako industrijski FHSS uređaji ne podržavaju Wi-Fi standard i stoga nisu kompatibilni s WLAN-om, može doći do smetnji kada rade zajedno zbog istog frekvencijskog opsega. Budući da većina Wi-Fi proizvoda radi u opsezima od 2,4 ili 5 gigaherca, možda bi bilo dobro koristiti frekvenciju od 900 MHz, uz odobrenje upravnog tijela (u Evropi je dozvoljeno samo 2,4 GHz). Ovo će također pružiti dodatnu zaštitu od RF sniffera (programa koje koriste hakeri) koji se koriste u popularnijem opsegu od 2,4 gigaherca.
Sigurnost mreže bežičnih tehnologija jedno je od pitanja o kojima se najviše raspravlja. Nedavni članci o "mašini koju kontrolišu hakeri" izazvali su sumnju potencijalnih i postojećih potrošača u efikasnost zaštite od neovlašćenih upada u bežičnu mrežu. Važno je shvatiti da su standardi 802.11 otvoreni standardi i stoga se mogu lako hakovati.
Razlog zabune u sigurnosnim pitanjima je nejasno razumijevanje tehnologije različitih bežičnih sistema. Danas je Wi-Fi (802.11a, b i g) nedvojbeno najbolja tehnologija za mnoge IT aplikacije u kući i maloj kancelariji. 802.11 je otvoreni standard, tako da je vještim hakerima lako zaobići sigurnost mreže i preuzeti kontrolu nad sistemom.
Pa kako se korisnici bežične tehnologije štite od ilegalnih uljeza? Mnoge aplikacije zasnovane na 802.11 nude malo ili nikakvu sigurnost, a korisnik mora biti upućen u postavljanje virtuelnih privatnih mreža (VPN-ova) ili drugih sigurnosnih mreža kako bi se zaštitio od napada. Uređaji drugih standarda koriste protokole proizvođača za zaštitu mreže od uljeza, zajedno sa sigurnosnim elementima svojstvenim tehnologiji proširenog spektra.
Ideja da mreže koje rade na licenciranoj frekvenciji pružaju veću sigurnost je pogrešna. Ako je frekvencija poznata, možete se uključiti u mrežu i, odabirom lozinke i razbijanjem sistema šifriranja, steći potpunu kontrolu. Sve prednosti sistema proširenog spektra nedostaju jer licencirane frekvencije rade u uskom opsegu. Preskakanje frekvencije sa proširenim spektrom trenutno je najpouzdanija i najsigurnija bežična tehnologija.
Mesh radio mreža
Mrežna radio mreža tehnologija se zasniva na sposobnosti radio predajnika da međusobno komuniciraju. Ovo rješenje pojavilo se ne tako davno i još uvijek nije široko korišteno u industriji. Postoje brojni problemi s kojima se programeri mesh tehnologije još ne mogu nositi, kao što su velika kašnjenja prijenosa podataka i niska propusnost. Koncept mesh mreže nije nov. Internet i telefonske mreže su odlični primjeri mesh umrežavanja u žičanom svijetu, u tim mrežama svaki čvor može inicirati komunikaciju s drugim čvorom i razmjenjivati informacije
U bežičnom svijetu, propusni opseg, ograničeni radio spektar i smetnje samo su neki od izazova s kojima se mesh mreže moraju suočiti. Ove mreže se trenutno još istražuju i razvijaju. Novije tehnologije mreža kao što su hibridne i strukturne mreže su se pojavile tek nedavno. Trenutno, još uvijek nema dovoljno podataka koji bi podržali pouzdanost i sigurnost mesh mreža potrebnih za korištenje u teškim industrijskim okruženjima.
Sažetak
Zaključno, izbor radio tehnologije ovisi o zahtjevima svake specifične primjene. Za većinu industrijskih aplikacija, najbolje rješenje je radio sa skakanjem frekvencije sa proširenim spektrom (slika 5), zbog njihove niže cijene u odnosu na radio uređaje koji rade na licenciranoj frekvenciji. Kada velike udaljenosti ograničavaju upotrebu FHSS čvorova sa repetitorima, čini se da je optimalno rješenje za bolju komunikaciju korištenje predajnika koji rade u uskom licenciranom frekvencijskom opsegu. Troškovi licenciranja mogu biti manji od troškova instaliranja dodatnih repetitora FHSS sistema.
Jedno od najjednostavnijih rješenja je da pozovete jednog ili više predstavnika proizvođača bežičnih uređaja u svoju tvornicu i procijenite izvodljivost predložene tehnologije. Na primjer, Moore Industries je instalirao jedan od svojih modula bežične veze (WLM) kao "demo" u objektu koji je gore spomenut, i montirao omnidirekcione antene i predajnike na udaljenim stanicama. Testovi su pokazali da čak ni četverospratna zgrada nije prepreka bežičnim komunikacijama.
Vjerujte mi, mogućnosti moderne bežične tehnologije mogu vas iznenaditi.
Aplikacija
Definicije
Band Frekvencija ili opseg frekvencija Frekvencijski opseg Frekvencijski opseg ili dužina radiofrekventnog spektra preko kojeg se signal prenosi. Širokopojasni kanal Radio kanal sa propusnim opsegom od 1,5 Mbit/s na opsegu od 1 MHz Kolokacija Rad nekoliko radio mreža istovremeno u jednoj zoni. Demodulacija Proces dobijanja i izdvajanja originalnog digitalnog signala iz modulisanog analognog nosećeg talasa Tehnologija Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Tehnologija modulacije koja kombinuje informacioni signal sa nizom bitova velike brzine poznatom kao "čip", čime se "širi" signal preko veće širine pojasa. Efektivna izračena snaga (EIRP) Snaga signala koju emituje antena. Jednaka snazi predajnika minus gubici u prijenosu (prouzrokovani koaksijalnim kablom, konektorima, gromobranima) plus pojačanje antene Evropski institut za telekomunikacijske standarde (ETSI) European Telecommunications Regulatory Authority. Federalna komisija za komunikacije (FCC) Regulatorno tijelo za komunikacije SAD Frekventno skakanje šireg spektra (FHSS) Tehnika modulacije u kojoj se frekvencija prijenosa (frekvencija nosioca) mijenja u pseudo-slučajnom nizu („skokovi”) u pravilnim vremenskim intervalima. Industrijski, naučni i medicinski (ISM) opsezi Opseg 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz, odnosno 5725-5875 MHz Interferencija Superpozicija dva ili više radio valova koji djeluju na susjednim ili zajedničkim frekvencijama, što dovodi do pojave dodatne valne strukture Međunarodna unija za telekomunikacije (ITU) Regulatorni organ UN za telekomunikacije Linija vidljivosti (LOS) Komunikacijski kanal između odašiljačke i prijemne antene bez fizičkih prepreka kao što su drveće ili zgrade. Balans snage Proračun koji uzima u obzir rad svih komponenti koje pojačavaju i prigušuju radio signal (predajnici, antene, kablovi, itd.) kako bi se odredila maksimalna udaljenost za uspostavljanje pouzdane radio komunikacije Višeputna propagacija Proces nastanka nekoliko kanala za širenje signala koji se razlikuju od prvobitnog Uskopojasni kanal Radio kanal sa propusnim opsegom od 50 bit/s do 64 kbit/s Nacionalna uprava za telekomunikacije i informacije (NTIA) Regulatorno tijelo koje dodjeljuje radio frekvencije američkim vladinim agencijama Omnidirekciona antena Antena koja prima i prenosi signale u svim smjerovima Spektralna gustina snage (PSD) Odnos ukupne snage propusnog opsega i propusnog opsega Proširenje spektra Metoda širenja radio frekvencijskog signala u širokom frekventnom opsegu pri maloj snazi, za razliku od koncentriranja sve snage na jednoj frekvenciji, u slučaju prijenosa podataka preko uskopojasnog kanala. Bandwidth Količina podataka koju sistem prima svake sekunde Primopredajnik Radio predajnik i radio prijemnik u zajedničkom kućištu Virtuelna privatna mreža (VPN) Privatna komunikacijska mreža koja koristi kriptografsko tuneliranje za osiguranje nezaštićenih mreža Protokol bežičnog šifriranja (WEP) Deo standarda IEEE 802.11 koji definiše bezbednosne zahteve bežične mreže Wireless Ethernet Compatibility Association (WECA) Certifikacijsko tijelo za WLAN tehnologiju Wireless Fidelity (Wi-Fi) Standardni logotip koji koristi WECA za identifikaciju certificiranih 802.11 proizvoda Bežične lokalne mreže (WLAN) Računarska mreža zasnovana na radio uređajima Direktorska antena Antena koja šalje i prima signale samo u uskom sektoru Većina modernih digitalnih fotoaparata korisnicima nudi mogućnost izbora između korištenja izvornog ISO raspona i proširenog ISO načina rada.
Iskusni fotografi dobro razumiju koje su funkcije fotoaparata zaista korisne, a koje se praktički ne koriste u svom radu, a proizvođač ih je dodao kao marketinški trik. Početnici, prilikom odabira kamere, mogu se lako zbuniti raznim opcijama, na primjer, šta je ISO i kako odabrati pravi radni ISO raspon.
Odaberite između prirodnog i proširenog ISO raspona
Prilikom mijenjanja ISO vrijednosti na digitalnom fotoaparatu, korisnik prilagođava jačinu signala, mijenjajući time omjer prinudnog pojačanja u odnosu na sposobnost senzora da prima svjetlost. Postoje određene minimalne i maksimalne vrijednosti ISO pojačanja - ovaj raspon se naziva standardnim. Kada se standardne vrijednosti smanje ili prekorače, senzori kamere neće moći adekvatno očitati podatke.
Do nekog vremena gornji prag vrijednosti fotoosjetljivosti smatran je nepokolebljivim, ali brz razvoj hardvera i softvera modernih kamera omogućio nam je da dosegnemo nevjerovatne visine. Isto vrijedi i za nižu vrijednost ISO raspona - moderna tehnologija može je značajno smanjiti. U suštini, snimanje fotografija pomoću proširenog ISO opsega je slično naknadnoj obradi fotografije na računaru, samo što se ovaj proces odvija direktno u samoj kameri.
Kako povećani ISO raspon može uticati na vaše fotografije
Kamere sa velikim ISO opsegom koriste senzore sa standardnom osetljivošću na svetlost, iste kao i kod konvencionalnih kamera. Prošireni ISO rasponi kao što su ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 postižu se korištenjem konvencionalnih senzora i elektronskih kola čija je osjetljivost na svjetlost poboljšana pomoću softvera. Iz toga slijedi da prošireni ISO raspon nije ništa drugo do marketinški trik.
Tvrdnje da kamera može snimiti do ISO 102400 su impresivne za buduće fotografe, ali to ne znači da kada kupuju fotoaparat kupuju senzor sa tako visokom osjetljivošću na svjetlo. Zapravo, ove vrijednosti se postižu zahvaljujući softveru, a često se manifestiraju u slikama niske kvalitete s puno digitalnog šuma.
Fotografije snimljene pri ekstremno visokim ISO vrijednostima izgledat će dobro samo u crno-bijeloj tehnici, negirajući tu prednost fotoaparata s proširenim ISO rasponima.
Pažljiv korisnik će svakako primetiti da kamera u proširenom ISO opsegu snima kadrove u JPEG formatu, ali ne i u RAW. To je zbog činjenice da se pri snimanju u RAW modu formira digitalni negativ uz minimalnu obradu, jer to proširuje mogućnosti za naknadnu obradu kadrova pomoću foto editora. (Vrijedi napomenuti, međutim, da neki proizvođači dopuštaju mogućnost korištenja proširenog ISO raspona prilikom snimanja u RAW formatu.)
Korištenje većeg ISO raspona može imati neke koristi za JPEG fotografe koji ne obrađuju slike naknadno. I dalje je potrebno uzeti u obzir da ćete morati zatvoriti oči pred kvalitetom.
Široki spektar igra vitalnu ulogu u radio komunikacijskim tehnologijama. Ova metoda ne spada ni u jednu od kategorija definiranih u prethodnom poglavlju jer se može koristiti za prijenos digitalnih i analognih podataka korištenjem analognog signala.
U početku je metoda širenja spektra stvorena za obavještajne i vojne svrhe. Osnovna ideja metode je distribuiranje informacijskog signala preko širokog radio opsega, što u konačnici znatno otežava potiskivanje ili presretanje signala. Prva razvijena shema proširenog spektra poznata je kao tehnika skakanja frekvencije. Modernija shema proširenog spektra je metoda direktne sekvence. Obje metode se koriste u raznim bežičnim standardima i proizvodima.
U nastavku, nakon kratkog pregleda, ove metode proširenog spektra su detaljno razmotrene. Osim toga, u ovom poglavlju će se istražiti metoda višestrukog pristupa proširenog spektra.
Koliko god nevjerovatno zvučalo, proširenje spektra korištenjem metode podešavanja frekvencije izmislila je holivudska filmska zvijezda Hedy Lamarr 1940. godine u dobi od 26 godina. Godine 1942. Lamarr je patentirala svoj izum (US Patent 2,292,387 od 11. avgusta 1942.) zajedno sa partnerom koji je počeo da učestvuje u radu nešto kasnije. Djevojčica nije dobila nikakvu zaradu od patenta, s obzirom da je način komunikacije koji je otkrila njen doprinos učešću SAD-a u Drugom svjetskom ratu.
7.1. Koncept proširenog spektra
Na sl. Slika 7.1 prikazuje ključne elemente sistema proširenog spektra. Ulazni signal se dovodi do kanalnog enkodera, koji generiše analogni signal sa relativno uskim opsegom usredsređenim na određenu frekvenciju. Signal se zatim modulira pomoću niza brojeva koji se naziva kod za širenje ili sekvenca širenja. Tipično, iako ne uvijek, kod ekstenzije se generiše pomoću generatora slučajnih brojeva. Kao rezultat modulacije, širina pojasa emitovanog signala je značajno proširena (drugim riječima, širi se spektar signala). Jednom primljen, signal se demodulira koristeći isti kod za širenje. Posljednji korak je slanje signala dekoderu kanala za vraćanje podataka.
Rice. 7.1. Opšti dijagram digitalnog komunikacionog sistema koji koristi prošireni spektar
Višak spektra pruža sljedeće prednosti.
Otpornost signala na različite vrste šuma, kao i na izobličenja uzrokovana višestrukim širenjem. Široki spektar je prvi put korišten u vojne svrhe zbog otpornosti na pokušaje ometanja.
Široki spektar omogućava skrivanje i šifrovanje signala. Samo korisnik koji zna šifru ekstenzije može vratiti šifrirane podatke.
Više korisnika može istovremeno koristiti isti frekvencijski opseg uz vrlo malo smetnji. Ovo svojstvo se koristi u tehnologiji mobilnih komunikacija poznatoj kao multipleksiranje s podjelom koda (CDM) ili višestruki pristup s podjelom koda (CDMA).
Metoda proširenje spektra sa skokovima frekvencije (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) se zasniva na stalnoj promeni nosioca u širokom frekventnom opsegu.
Noseća frekvencija F1, ..., FN se nasumično mijenja nakon određenog vremenskog perioda, tzv prekidni period (čip) , u skladu sa odabranim algoritmom za generisanje pseudo-slučajnog niza. Modulacija se primjenjuje na svakoj frekvenciji (FSK ili PSK). Prijenos na jednoj frekvenciji vrši se u fiksnom vremenskom intervalu, tokom kojeg se prenosi određeni dio podataka (Data). Na početku svakog perioda prenosa, sinhronizacioni bitovi se koriste za sinhronizaciju prijemnika sa predajnikom, što smanjuje korisnu brzinu prenosa.
Ovisno o brzini promjene nosioca, postoje 2 moda proširenja spektra:
· sporo širenje spektra – nekoliko bitova se prenosi u jednom graničnom periodu;
· brzo širenje spektra - jedan bit se prenosi u nekoliko graničnih perioda, odnosno ponavlja se nekoliko puta.
U prvom slučaju period prenosa podataka manje period prenosa čipa, u drugom – više.
Metoda brzog širenja spektra pruža pouzdaniji prijenos podataka u prisustvu smetnji zbog ponovljenog ponavljanja iste vrijednosti bita na različitim frekvencijama, ali je složenija za implementaciju od metode sporog širenja spektra.
Direktno serijski prošireni spektar
Metoda širenja spektra direktnog niza (DSSS) je sljedeća.
Svaki "jedan" bit u prenesenim podacima je zamijenjen binarnim nizom N bit, koji se zove sekvenca širenja , a “nulti” bit je kodiran inverznom vrijednošću sekvence širenja. U ovom slučaju, brzina prijenosa se povećava za N puta, stoga se i spektar signala širi za N jednom.
Poznavajući frekvencijski opseg dodijeljen za bežični prijenos (komunikacijska linija), možete odabrati brzinu prijenosa podataka i vrijednost u skladu s tim N tako da spektar signala ispunjava cijeli opseg.
Glavna svrha DSSS kodiranja, poput FHSS-a, je povećanje otpornosti na buku.
Brzina čipa– brzina prenosa rezultirajućeg koda.
Koeficijent ekspanzije– broj bitova N u rastućem nizu. Obično N je u rasponu od 10 do 100. Što više N, što je veći spektar emitovanog signala.
DSSS je manje imun na smetnje od brzog širenja spektra.
Višestruki pristup s podjelom koda
Metode proširenog spektra se široko koriste u ćelijskim mrežama, posebno kada se implementira CDMA (Code Division Multiple Access) metoda pristupa - kodna podjela višestruki pristup . CDMA se može koristiti zajedno sa FHSS-om, ali se u bežičnim mrežama češće koristi sa DSSS-om.
Svaki mrežni čvor koristi svoju vlastitu sekvencu širenja, koja je odabrana tako da prijemni čvor može izdvojiti podatke iz ukupnog signala.
Prednost CDMA je povećana sigurnost i tajnost prijenosa podataka: bez poznavanja sekvence širenja, nemoguće je primiti signal, a ponekad čak i otkriti njegovo prisustvo.
WiFi tehnologija. WiMax tehnologija. Bežične lične mreže. Bluetooth tehnologija. ZigBee tehnologija. Bežične senzorske mreže. Poređenje bežičnih tehnologija.
WiFi tehnologija
Tehnologija bežičnog LAN-a (WLAN) definisana je stekom protokola IEEE 802.11, koji opisuje fizički sloj i sloj veze podataka sa dva podsloja: MAC i LLC.
Na fizičkom sloju definirano je nekoliko opcija specifikacije koje se razlikuju:
· korišteni frekvencijski opseg;
· metoda kodiranja;
· brzina prenosa podataka.
Opcije za izgradnju bežičnih LAN-ova standarda 802.11, nazvanih WiFi.
IEEE 802.11 (opcija 1):
· prenosni medij – IC zračenje;
· transmisija pravolinijskog vida;
· Koriste se 3 opcije širenja zračenja:
Omnidirectional antenna;
Odraz sa stropa;
Fokalno usmereno zračenje („od tačke do tačke“).
IEEE 802.11 (opcija 2):
· metoda kodiranja – FHSS: do 79 frekventnih opsega
1 MHz, trajanje svakog od njih je 400 ms (slika 3.49);
· sa 2 stanja signala, propusnost medija za prenos je 1 Mbit/s, sa 4 - 2 Mbit/s.
IEEE 802.11 (opcija 3):
· medij prenosa – mikrotalasni opseg 2,4 GHz;
· metoda kodiranja – DSSS sa 11-bitnim kodom kao sekvencom širenja: 10110111000.
IEEE 802.11a:
1) frekvencijski opseg – 5 GHz;
2) brzine prenosa: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s;
3) metoda kodiranja – OFDM.
Nedostaci:
· preskupa oprema;
· u nekim zemljama, frekvencije u ovom opsegu podliježu licenciranju.
IEEE 802.11b:
1) frekvencijski opseg – 2,4 GHz;
2) brzina prenosa: do 11 Mbit/s;
3) metod kodiranja – modernizovani DSSS.
IEEE 802.11g:
1) frekvencijski opseg – 2,4 GHz;
2) maksimalna brzina prenosa: do 54 Mbit/s;
3) metoda kodiranja – OFDM.
U septembru 2009. odobren je standard IEEE 802.11n. Njegova upotreba će povećati brzinu prijenosa podataka za skoro četiri puta u odnosu na uređaje 802.11g standarda. Teoretski, 802.11n je sposoban da obezbedi brzine prenosa podataka do 600 Mbps. Domet bežičnih mreža IEEE 802.11 je do 100 metara.
WiMax tehnologija
Tehnologija bežičnog širokopojasnog pristupa WiMax širokog propusnog opsega predstavljena je grupom standarda IEEE 802.16 i prvobitno je bila namijenjena za izgradnju daljinskih (do 50 km) bežičnih mreža koje pripadaju klasi regionalnih ili metropolitanskih mreža.
IEEE 802.16 ili IEEE 802.16-2001 (decembar 2001.), prvi standard point-to-multipoint, bio je fokusiran na rad u spektru od 10 do 66 GHz i, kao rezultat toga, zahtijevao je da predajnik i prijemnik budu u liniji vidljivosti , što je značajan nedostatak, posebno u urbanim uslovima. Prema opisanim specifikacijama, mreža 802.16 mogla je opsluživati do 60 klijenata brzinom T-1 kanala (1.554 Mbit/s).
Kasnije su se pojavili standardi IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 i IEEE 802.16e (mobilni WiMax), u kojima je uklonjen zahtjev za linijom vidljivosti između predajnika i prijemnika.
Glavni parametri navedenih standarda WiMax tehnologije.
Pogledajmo glavno tehnološke razlike WiMax od WiFi-ja.
1. Niska mobilnost. Standard je prvobitno razvijen za fiksne bežične komunikacije na velikim udaljenostima i predviđen za mobilnost korisnika unutar zgrade. Tek 2005. godine razvijen je standard IEEE 802.16e, namijenjen mobilnim korisnicima. Trenutno se razvijaju nove specifikacije 802.16f i 802.16h za pristupne mreže koje podržavaju rad mobilnih klijenata pri brzinama do 300 km/h.
2. Upotreba boljih radio prijemnika i predajnika uzrokuje veće troškove izgradnje mreže. 3. Velike udaljenosti prijenos podataka zahtijeva rješavanje niza specifičnih problema: formiranje signala različite snage, korištenje nekoliko modulacijskih shema, problemi sigurnosti informacija.
4. Veliki broj korisnika u jednoj ćeliji.
5. Veća propusnost dostavljena korisniku.
6. Visok kvalitet usluge za multimedijalni promet.
Prvobitno se vjerovalo da IEEE 802.11 – mobilni analogni Ethernet, 802.16 – bežični fiksna analogna kablovska televizija. Međutim, pojava i razvoj WiMax (IEEE 802.16e) tehnologije za podršku mobilnim korisnicima čini ovu izjavu kontroverznom.
