Inizialmente, il metodo dello spettro diffuso è stato creato per scopi di intelligence e militari. L'idea principale del metodo è quella di distribuire il segnale informativo su un'ampia banda radio, il che alla fine renderà molto più difficile sopprimere o intercettare il segnale. Il primo schema di spettro diffuso sviluppato è noto come metodo di agilità di frequenza. Uno schema a spettro diffuso più moderno è il metodo di diffusione seriale diretta. Entrambi i metodi sono utilizzati in vari standard e prodotti wireless.
Spettro diffuso a salto di frequenza (FHSS) Spettro diffuso
Per evitare che il traffico radio venga intercettato o soppresso dal rumore a banda stretta, è stato proposto di trasmettere con un cambio di portante costante su un'ampia gamma di frequenze. Di conseguenza, la potenza del segnale è stata distribuita su tutta la gamma e l'ascolto di una certa frequenza ha prodotto solo una piccola quantità di rumore. La sequenza della frequenza portante era pseudo-casuale, nota solo al trasmettitore e al ricevitore. Anche un tentativo di sopprimere il segnale in un intervallo ristretto non ha degradato troppo il segnale, poiché solo una piccola parte dell'informazione è stata soppressa.
L'idea di questo metodo è illustrata in Fig. 1.10.
Durante un intervallo di tempo fisso, la trasmissione avviene a frequenza portante costante. Ad ogni frequenza portante per la trasmissione di informazioni discrete, standard metodi di modulazione, come FSK o PSK . Affinché il ricevitore si sincronizzi con il trasmettitore, i bit di sincronizzazione vengono trasmessi per un certo tempo per indicare l'inizio di ogni periodo di trasmissione. Quindi la velocità utile di questo metodo di codifica è inferiore a causa del sovraccarico di sincronizzazione costante.
Riso. 1.10.
La frequenza portante cambia in base al numero di sottocanali di frequenza generati dall'algoritmo del numero pseudo-casuale. Sequenza pseudocasuale dipende da qualche parametro, che viene chiamato primario numero. Se il ricevitore e il trasmettitore conoscono l'algoritmo e il valore del numero iniziale, cambiano le frequenze nella stessa sequenza, chiamata sequenza di salto di frequenza pseudo-casuale.
Se la frequenza di modifica dei sottocanali è inferiore alla velocità dati nel canale, viene chiamata questa modalità spettro a diffusione lenta(Fig. 1.11a); altrimenti ci stiamo occupando spettro a diffusione rapida(Fig. 1.11b).
Il metodo dello spettro a diffusione rapida è più resistente alle interferenze perché l'interferenza a banda stretta che sopprime un segnale in un particolare sottocanale non provoca una perdita di un bit, poiché il suo valore viene ripetuto più volte in diversi sottocanali di frequenza. In questa modalità, l'effetto dell'interferenza intersimbolica non appare, perché quando arriva un segnale ritardato lungo uno dei percorsi, il sistema ha il tempo di passare a un'altra frequenza.
Il metodo di diffusione dello spettro lento non ha questa proprietà, ma è più facile da implementare e comporta meno spese generali.
Le tecniche FHSS sono utilizzate nelle tecnologie wireless IEEE 802.11 e Bluetooth.
In FHSS, l'approccio all'utilizzo della gamma di frequenza non è lo stesso di altri metodi di codifica: invece di utilizzare economicamente una larghezza di banda ridotta, si tenta di occupare l'intera gamma disponibile. A prima vista, questo non sembra molto efficiente: dopo tutto, solo un canale funziona nell'intervallo in un dato momento. Tuttavia, l'ultima affermazione non è sempre vera: i codici a spettro esteso possono essere utilizzati anche per multiplexare più canali su un'ampia gamma. In particolare, i metodi FHSS consentono di organizzare il funzionamento simultaneo di più canali selezionando per ciascun canale tale sequenze pseudocasuali in modo che in ogni momento ogni canale funzioni alla propria frequenza (ovviamente, ciò può essere fatto solo se il numero di canali non supera il numero di sottocanali di frequenza).
Spettro di diffusione sequenziale diretto (Spettro di diffusione della sequenza diretta - DSSS)
Il metodo dello spettro diffuso seriale diretto utilizza anche l'intera gamma di frequenza assegnata per un collegamento wireless. A differenza del metodo FHSS, l'intera gamma di frequenze è occupata non da un passaggio costante da una frequenza all'altra, ma dalla sostituzione di ogni bit di informazione con N-bit, in modo che la velocità di clock di segnalazione aumenti N volte. E questo, a sua volta, significa che anche lo spettro del segnale viene ampliato N volte. È sufficiente scegliere opportunamente la velocità dei dati e il valore di N in modo che lo spettro del segnale riempia l'intero intervallo.
Lo scopo della codifica DSSS è lo stesso della codifica FHSS, che è migliorare l'immunità al rumore. L'interferenza a banda stretta distorce solo alcune frequenze dello spettro del segnale, in modo che il ricevitore sia in grado di riconoscere correttamente le informazioni trasmesse con un alto grado di probabilità.
Viene chiamato il codice che sostituisce l'unità binaria dell'informazione originale sequenza in espansione, e ogni bit di tale sequenza è un chip.
Di conseguenza, viene chiamata la velocità di trasmissione del codice risultante patata fritta velocità. Lo zero binario è codificato con il valore inverso della sequenza di diffusione. I ricevitori devono conoscere la sequenza di diffusione utilizzata dal trasmettitore per comprendere le informazioni trasmesse.
Il numero di bit nella sequenza di diffusione determina il fattore di diffusione del codice sorgente. Come con FHSS, qualsiasi tipo di modulazione, come BFSK, può essere utilizzata per codificare bit del codice risultante.
Maggiore è il fattore di diffusione, più ampio è lo spettro del segnale risultante e maggiore è il grado di soppressione dei disturbi. Ma allo stesso tempo, la gamma di spettro occupata dal canale aumenta. Tipicamente, il fattore di espansione ha un valore compreso tra 10 e 100.
La tecnologia wireless fornisce comunicazioni sicure e affidabili con siti di produzione remoti in cui l'uso di prodotti via cavo è limitato. Per organizzare la manutenzione, i dispositivi wireless monitorano lo stato di pompe e meccanismi, trasmettono dati da stazioni di monitoraggio remoto delle acque reflue e sistemi di input/output.
In un'unica soluzione, un sistema wireless riceve letture da una stazione meteorologica e letture da acque reflue di produzione chimica. La stazione meteorologica di fabbrica si trova a 2,5 chilometri dal pannello di controllo principale e dispone di un registratore che raccoglie i dati dall'anemometro (velocità del vento), dal termometro e dall'igrometro. Il registratore è collegato a uno strumento wireless WLM Remote RF di Moore Industries che opera a 900 MHz utilizzando la tecnologia FHSS ( Spread Spectrum Frequency Change ) e trasmette i dati utilizzando un'antenna regista montata su una staffa alta vicino alla stazione meteorologica. Non si sono ancora verificati seri problemi durante il funzionamento.
Sembrava impossibile organizzare una connessione wireless con la stazione di monitoraggio delle acque reflue. Sebbene la distanza dalla stazione al pannello di controllo centrale sia di soli 500 m, il segnale RF doveva passare attraverso l'edificio a quattro piani della caldaia. Tuttavia, i test sono stati eseguiti prima dell'installazione e la rete radio ha funzionato senza problemi. La lezione principale di tutto questo è che la tecnologia wireless funziona anche dove pensavi che non dovesse funzionare. Tutto quello che devi fare è testare il sistema.
Ci sono molte tecnologie radio. Capire come funzionano è necessario per selezionare la soluzione migliore per una particolare applicazione. Una rete wireless può essere concessa in licenza o senza licenza, Ethernet o seriale, banda stretta o spettro diffuso, protocollo sicuro o aperto, Wi-Fi... l'elenco potrebbe continuare. Questo articolo è un'introduzione alla tecnologia wireless.
Banda RF
La gamma da 9 kilohertz (kHz) a migliaia di gigahertz (GHz) può essere utilizzata per le comunicazioni wireless. Le frequenze più alte sono lo spettro infrarosso, lo spettro di illuminazione, i raggi X, ecc. Poiché le frequenze radio sono una risorsa limitata utilizzata dalle stazioni televisive e radiofoniche, dai telefoni cellulari e da altri dispositivi wireless, le bande che possono essere utilizzate per determinati tipi di comunicazioni e trasmissione di dati sono determinate dalle agenzie governative.
Negli Stati Uniti, la Federal Communications Commission (FCC) assegna le frequenze agli utenti non governativi. La FCC ha stabilito che le apparecchiature industriali, scientifiche e mediche devono funzionare sulle bande 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz e 5725-5875 MHz, soggette a limiti di potenza del segnale, potenza e altri parametri di trasmissione radio. Queste bande sono prive di licenza e possono essere utilizzate liberamente secondo le normative FCC. Altre bande dello spettro possono essere utilizzate dopo che è stata concessa una licenza. La tabella 1 elenca le bande dello spettro delle radiofrequenze e le loro applicazioni.
Fonte: http://encyclopedia.thefreedictionary.com/radio%20frequencyFrequenze con o senza licenza
Per operare sulla frequenza concessa è necessaria una licenza concessa dalla Federal Communications Commission. Idealmente, queste frequenze sono immuni da interferenze e, in caso di interferenza, l'intruso può essere ritenuto legalmente responsabile. Gli svantaggi sono una procedura complicata e lunga per ottenere una licenza, l'impossibilità di acquistare dispositivi già disponibili, poiché devono essere prodotti per funzionare a una frequenza concessa e, naturalmente, il costo per ottenere una licenza.
Una frequenza senza licenza è una frequenza definita dalla Federal Communications Commission come gratuita per l'uso senza necessità di registrazione e autorizzazione. A seconda della posizione del sistema, ci sono restrizioni sulla potenza del segnale. Ad esempio, negli Stati Uniti nella gamma 900 MHz, la potenza massima è di 1 watt o 4 watt di EIRP (potenza di radiazione isotropa effettiva).
I vantaggi dell'utilizzo di frequenze senza licenza sono evidenti: non c'è bisogno di spendere tempo e denaro per ottenere una licenza; molti produttori forniscono al mercato prodotti che supportano queste frequenze, basso costo di messa in servizio dovuto all'assenza di costi di licenza. Gli svantaggi risiedono nell'idea stessa di una banda senza licenza: più sistemi possono funzionare contemporaneamente sulla stessa frequenza, il che porta a interferenze e perdita nella trasmissione dei dati. In questo caso, diventa necessario utilizzare la tecnologia a spettro diffuso. I trasmettitori a spettro esteso sono molto efficaci nel gestire le interferenze emergenti e funzionano anche in ambienti con rumore RF.
Sistemi a spettro diffuso
Lo spettro diffuso è una tecnica che diffonde un segnale a radiofrequenza su un'ampia gamma di frequenze a bassa potenza, mentre la trasmissione attraverso un segnale a banda stretta concentra tutta la potenza su una frequenza. La banda stretta è un segnale che occupa una piccola gamma dello spettro delle radiofrequenze. Un segnale a banda larga occupa un settore molto più ampio. Le due tecnologie più comuni a spettro diffuso sono lo spread spectrum hopping (FHSS) e il direct sequence spread spectrum (DSSS).
Come risulta dalla definizione, nei dispositivi frequency hopping la frequenza operativa del trasmettitore cambia dopo un certo intervallo di tempo. I vantaggi dell'hopping sono evidenti: perché il trasmettitore cambia la frequenza dei dati così spesso che solo un ricevitore sintonizzato sullo stesso algoritmo è in grado di ricevere informazioni. Il ricevitore deve avere una sequenza pseudo-casuale simile di frequenze ricevute per ricevere il segnale del trasmettitore alla frequenza corretta al momento giusto. La figura 1 mostra come la frequenza del segnale cambia nel tempo. Ogni hop ha la stessa potenza e tempo di permanenza (tempo sul canale). Nella Figura 2, la dipendenza tempo-frequenza mostra che il salto avviene a intervalli regolari. La sequenza di salto è pseudo-casuale.
Figura 1. Come risultato dei "salti", la frequenza portante cambia. La potenza del segnale rimane costante.
DSSS combina un segnale dati con una sequenza di simboli nota come "chip", "diffondendo" così il segnale su una larghezza di banda maggiore. In altre parole, il segnale originale viene moltiplicato per un segnale di rumore generato da una sequenza pseudo-casuale di bit positivi e negativi. Il ricevitore moltiplica il segnale ricevuto per la stessa sequenza, ottenendo l'informazione originale (perché 1 x 1=1 e -1 x-1 = 1).
Quando il segnale è "diffuso", la potenza del segnale originale a banda stretta viene distribuita su un ampio intervallo, riducendo la potenza ad ogni particolare frequenza (la cosiddetta bassa densità di potenza). La figura 3 mostra un segnale in una parte ristretta dello spettro RF. Nella Figura 4, un segnale distribuito su più spettro ha la stessa potenza totale, ma meno potenza per frequenza. Poiché l'espansione riduce la potenza del segnale in alcune parti dello spettro, il segnale può essere percepito come rumore. Il ricevitore deve riconoscere e demodulare il segnale ricevuto, cancellando il segnale originale dai "chip" aggiunti.
Le tecnologie FHSS e DSSS sono ampiamente utilizzate nell'industria. A seconda di ogni caso specifico, una tecnologia o un'altra possono essere la soluzione migliore. Invece di discutere quale sia la migliore, è più importante capire le differenze e scegliere la tecnologia giusta per la tua applicazione. In generale, le seguenti caratteristiche influenzano la scelta:
Larghezza di banda
Collocazione
Interferenza
Gamma di comunicazione
Sicurezza
Larghezza di banda
Larghezza di banda: la quantità di dati trasmessi o ricevuti dal sistema in un secondo. Questo è uno dei fattori più importanti nella scelta della giusta tecnologia. DSSS ha un throughput maggiore rispetto a FHSS grazie a un utilizzo della larghezza di banda più efficiente e una maggiore larghezza di banda. Per la maggior parte dei sistemi di I/O distribuiti industriali, il basso throughput FHSS non rappresenta un grosso problema. Tuttavia, se le dimensioni della rete o la velocità di trasferimento dei dati aumentano, a questo indicatore viene prestata maggiore attenzione. La maggior parte dei trasmettitori radio FHSS ha una larghezza di banda di 50-115 kbps per una rete Ethernet. DSSS opera con una larghezza di banda di 1-10 Mbps. Sebbene i trasmettitori DSSS abbiano una larghezza di banda maggiore rispetto alle controparti FHSS. Trovare un dispositivo DSSS che fornisca la stessa sicurezza di rete e la stessa portata richiesta per la produzione industriale e i sistemi SCADA non è facile.
A differenza dei trasmettitori FHSS operanti nella banda 26 MHz a una frequenza base di 900 MHz (902-928 MHz) e dei trasmettitori DSSS operanti nella banda 22 MHz a 2,4 GHz, i trasmettitori radio che utilizzano frequenze concesse in licenza sono limitati allo spettro di 12,5 kHz. Naturalmente, poiché la larghezza di banda è limitata, anche il throughput è limitato. La maggior parte dei trasmettitori operanti su una frequenza concessa in licenza offre un throughput compreso tra 6400 e 19200 bit al secondo.
Collocazione
La collocazione è intesa come la possibilità di far funzionare più reti radio in stretta vicinanza l'una all'altra. La tecnologia DSSS non consente a più reti radio di operare fianco a fianco poiché il segnale è distribuito su una banda di frequenza. Ad esempio, all'interno della banda ISM a 2,4 GHz (banda industriale, scientifica e medica), possono essere utilizzati solo tre canali DSSS. Ogni canale è esteso fino a 22 megahertz dello spettro, il che consente a solo tre reti di operare contemporaneamente senza sovrapposizione di frequenza.
D'altra parte, a causa dell'uso di diverse sequenze di salti, più reti FHSS possono operare sulla stessa banda di frequenza. Una sequenza di salti in cui frequenze diverse vengono utilizzate in momenti diversi nella stessa banda di frequenza è anche chiamata sequenza di salti ortogonali. FHSS utilizza programmi di sequenziamento ortogonale per consentire a più reti di funzionare senza interferenze. Questo è un enorme vantaggio quando si sviluppano reti di grandi dimensioni e la necessità di separare le comunicazioni. La maggior parte degli studi di laboratorio mostra che fino a 15 reti FHSS possono funzionare contemporaneamente e solo 3 reti DSSS.
Ovviamente, poiché operano sulla stessa banda di spettro di 12,5 MHz, le radio a banda stretta non possono essere posizionate troppo vicine l'una all'altra.
Interferenza
Interferenza - rumore radio nella parte adiacente o nella stessa parte dello spettro delle radiofrequenze. La sovrapposizione di due segnali può generare una nuova onda radio o portare alla perdita dei dati trasmessi dal segnale di lavoro. La tecnologia a spettro esteso è molto efficace nel trattare il rumore risultante, sebbene tecnologie diverse affrontino questo problema in modi diversi. Quando il ricevitore DSSS rileva il rumore a banda stretta, moltiplica il segnale ricevuto per il valore del chip per ricostruire il messaggio originale. In tal modo, il segnale originale originale viene convertito in un segnale a banda stretta ad alta potenza; l'interferenza, come un segnale a banda larga a bassa potenza, viene ignorata.
Al centro, il meccanismo che posiziona il segnale DSSS al di sotto del rumore di fondo della rete radio consente di ignorare le interferenze a banda stretta quando il segnale viene demodulato. Pertanto, DSSS funziona molto bene con il rumore esterno, tuttavia, se l'interferenza è di alta potenza, possono sorgere seri problemi, perché. la demodulazione non è in grado di ridurre il segnale di interferenza al di sotto della potenza del segnale originale.
Dato che l'FHSS opera con una larghezza di banda di 83,5 MHz a 4 GHz e produce segnali ad alta potenza a determinate frequenze (simili alla generazione di burst di dati sincronizzati su una banda stretta), evitando così interferenze se il generatore di rumore a banda stretta non funziona a una delle frequenze utilizzate. Il rumore a banda stretta, nel peggiore dei casi, blocca diversi salti, che il sistema può compensare trasmettendo nuovamente il messaggio su una frequenza diversa. Inoltre, le normative FCC richiedono una separazione di frequenza minima in una sequenza di salto, in modo da ridurre al minimo il potenziale di interferenza del segnale a banda stretta.
In caso di interferenza a banda larga, DSSS non funziona in modo affidabile. Poiché DSSS diffonde l'intero segnale in una sola volta in larghezze di banda di 22 MHz con molta meno potenza, se questi 22 MHz o più di rumore sono sovrapposti, è possibile bloccare fino al 100% della trasmissione DSSS e solo il 25% della trasmissione FHSS. In questo caso, le prestazioni di FHSS diminuiscono, ma non si verifica una perdita completa di dati.
Le frequenze concesse in licenza utilizzano una larghezza di banda molto stretta, quindi anche piccole interferenze possono causare la perdita di informazioni. In questo caso, è possibile utilizzare antenne direzionali e filtri passa-banda per stabilire una comunicazione continua e si possono intraprendere azioni legali contro l'interferente.
Le radio 802.11 sono più suscettibili alle interferenze perché molti dispositivi operano in questa banda. Hai notato che tipo di interferenza si verifica in un telefono cordless quando è in funzione un forno a microonde? Entrambi i dispositivi funzionano nella banda a 2,4 GHz, come il resto dei dispositivi 802.11. Quando si utilizzano tali trasmettitori, la sicurezza della rete diventa una delle principali preoccupazioni.
Se il ricevitore di un determinato trasmettitore si trova più vicino ad un altro trasmettitore che al proprio, c'è un problema di interazione tra il ricevitore e questi trasmettitori. I trasmettitori vicini possono intasare il canale del ricevitore con segnali estranei ad alta potenza. In una situazione del genere, la maggior parte dei sistemi DSSS fallirà. Nella stessa situazione, diversi salti di sistema FHSS verranno bloccati, ma in generale non interromperanno la rete. Nel caso di un sistema operante su una frequenza concessa, l'efficienza del sistema dipenderà dalla frequenza del segnale spurio. Se la frequenza di questi segnali è vicina o simile alla frequenza del sistema, il segnale verrà disturbato, il che dà luogo a un'azione legale contro il trasgressore se non dispone di una licenza simile.
Gamma di comunicazione
Il raggio di comunicazione è determinato dalla possibilità di organizzare le comunicazioni, ad es. la forza del collegamento RF tra il trasmettitore e il ricevitore e la distanza che possono mantenere una connessione affidabile. Quando funziona alla stessa potenza e si utilizza lo stesso algoritmo di modulazione, un trasmettitore radio da 900 MHz fornisce una connessione più affidabile rispetto a un trasmettitore da 2,4 GHz. All'aumentare della frequenza dello spettro delle radiofrequenze, la distanza di trasmissione dei dati diminuisce, a condizione che tutti gli altri parametri rimangano invariati. Anche la capacità di penetrare pareti e oggetti diminuisce con l'aumentare della frequenza. Le frequenze superiori nello spettro mostrano proprietà riflettenti. Ad esempio, l'onda radio a 2,4 GHz può rimbalzare sulle pareti di edifici e tunnel. Questo può essere utilizzato per propagare il segnale su lunghe distanze. Possibili difficoltà sono associate al verificarsi di propagazione multipath o alla completa assenza di un segnale a causa della riflessione posteriore.
La FCC limita la potenza di uscita dei trasmettitori radio a spettro diffuso. DSSS trasmette i dati in serie a bassa potenza come mostrato sopra e rientra nei limiti FCC. Ciò limita la distanza di trasmissione dei trasmettitori radio DSSS e quindi li rende inadatti al mercato industriale. I trasmettitori FHSS, d'altra parte, trasmettono segnali ad alta potenza a determinate frequenze in una sequenza di salti, ma la potenza media rimane bassa, quindi soddisfa i requisiti. Il segnale FHSS viene trasmesso a una potenza maggiore rispetto al segnale DSSS, consentendo il funzionamento su lunghe distanze. La maggior parte dei trasmettitori FHSS può trasmettere dati su 20 km o anche su distanze maggiori utilizzando antenne ad alto guadagno.
Trasmettitori radio 802.11 disponibili in DSSS e FHSS. Operano su un'ampia gamma di frequenze e con velocità di trasmissione dati fino a 54 Mbps. Ma va notato che la larghezza di banda indicata diminuisce molto con l'aumentare della distanza tra i modem radio. Ad esempio, una distanza di 100 m riduce la velocità da 54 Mbps a 2 Mbps. Questo è l'ideale per piccoli uffici o applicazioni domestiche, ma non per applicazioni industriali in cui i dati devono essere trasferiti per diversi chilometri.
Poiché i trasmettitori radio a banda stretta funzionano a basse frequenze, possono essere una buona soluzione se FHSS non è in grado di fornire il raggio di trasmissione richiesto. La necessità di utilizzare frequenze con licenza a banda stretta sorge quando è necessario trasmettere dati a lunga distanza, oppure la trasmissione deve avvenire più vicino alla superficie terrestre, poiché l'organizzazione della comunicazione nella zona della linea di vista è impossibile.
Sicurezza
Poiché il segnale DSSS ha una potenza molto bassa, non è facile per gli hacker rilevarlo. Uno dei principali vantaggi del DSSS è la capacità di ridurre l'energia del segnale diffondendo la potenza del segnale originale a banda stretta su una larghezza di banda maggiore, riducendo di conseguenza la densità spettrale di potenza. Ciò può ridurre il livello del segnale al livello di rumore della rete radio, rendendola così "invisibile" a potenziali intrusi. Allo stesso tempo, se il "chip" è noto o di piccola lunghezza, rilevare la trasmissione DSSS e recuperare il segnale è molto più semplice perché ha un numero limitato di frequenze portanti. Molti sistemi DSSS offrono la crittografia come funzionalità di sicurezza, sebbene ciò aumenti i costi del sistema e riduca l'efficienza operativa a causa della potenza aggiuntiva utilizzata per codificare il segnale.
Per sintonizzarsi correttamente su un sistema FHSS in esecuzione, un utente malintenzionato deve conoscere le frequenze utilizzate, la sequenza di salto, il tempo di funzionamento e il metodo di crittografia. Dato che la banda a 2,4 GHz ha un tempo di canale di 400 ms e oltre 75 canali in uso, è quasi impossibile rilevare e seguire un segnale FHSS a meno che il ricevitore non sia configurato per la stessa sequenza di salto. Inoltre, la maggior parte dei sistemi FHSS è dotata di funzionalità di sicurezza avanzate come la crittografia a chiave dinamica e CRC.
Oggi le reti locali wireless (WLAN) stanno diventando sempre più popolari. Usano lo standard 802.11, un protocollo aperto sviluppato dall'IEEE. Il Wi-Fi è l'emblema standard utilizzato dalla Wireless Ethernet Compatibility Control Association (WECA) per certificare i prodotti 802.11. Sebbene i dispositivi FHSS industriali non supportino lo standard Wi-Fi e quindi non siano compatibili con la WLAN, possono verificarsi interferenze quando funzionano insieme a causa del funzionamento nella stessa banda di frequenza. Poiché la maggior parte dei prodotti Wi-Fi opera nelle bande 2,4 o 5 GHz, potrebbe essere una buona idea utilizzare 900 MHz, previa autorizzazione dell'organo di governo (solo 2,4 GHz sono consentiti in Europa). Fornirà inoltre una protezione aggiuntiva contro gli sniffer RF (programmi utilizzati dagli hacker) utilizzati nella più popolare banda a 2,4 GHz.
La sicurezza della rete delle tecnologie wireless è una delle questioni più discusse. Articoli recenti sulla "macchina controllata dagli hacker" hanno messo in discussione i consumatori potenziali ed esistenti sull'efficacia della protezione dalle intrusioni della rete wireless. Deve essere chiaro che gli standard 802.11 sono standard aperti, quindi possono essere facilmente violati.
Il motivo della confusione nei problemi di sicurezza è una comprensione confusa della tecnologia di funzionamento di vari sistemi wireless. Al momento, il Wi-Fi (802.11a, b e g) è probabilmente la migliore tecnologia per molte applicazioni IT, casa e piccoli uffici. 802.11 è uno standard aperto, quindi è facile per un hacker esperto aggirare la sicurezza della rete e assumere il controllo del sistema.
In che modo quindi gli utenti della tecnologia wireless si proteggono dalle intrusioni? Molte applicazioni basate su 802.11 forniscono poca o nessuna sicurezza e l'utente deve essere esperto nella configurazione di reti private virtuali (VPN) o altre reti di sicurezza per proteggersi dagli attacchi. I dispositivi di altri standard utilizzano i protocolli del produttore per proteggere la rete dagli intrusi, insieme all'uso di elementi di sicurezza inerenti alla tecnologia a spettro esteso.
L'idea che le reti che operano a una frequenza concessa forniscano una maggiore sicurezza è fuorviante. Se la frequenza è nota, puoi sintonizzarti sulla rete e, indovinando la password e violando il sistema di crittografia, assumere il pieno controllo. Tutti i vantaggi dei sistemi a spettro esteso non sono disponibili perché le frequenze concesse in licenza operano in una banda stretta. Il salto di frequenza con spettro diffuso è attualmente la tecnologia wireless più affidabile e sicura.
Rete radio a maglie
La tecnologia della rete radio mesh si basa sulla capacità dei trasmettitori radio di comunicare tra loro. Questa soluzione è apparsa non molto tempo fa e non è ancora ampiamente utilizzata nell'industria. Ci sono una serie di problemi che gli sviluppatori di tecnologie mesh non sono ancora stati in grado di affrontare, come l'alto ritardo nel trasferimento dei dati e il basso throughput. Il concetto di rete mesh non è nuovo. Le reti Internet e telefoniche sono un ottimo esempio di rete mesh in un mondo cablato, in queste reti ogni nodo può avviare la comunicazione con un altro nodo e scambiare informazioni.
Nel mondo wireless, larghezza di banda, spettro RF limitato e interferenze sono solo alcune delle sfide che le reti mesh devono affrontare. Ora queste reti sono ancora oggetto di ricerca e sviluppo. Le ultime tecnologie mesh come le reti mesh ibride e strutturate sono emerse solo di recente. Al momento, non ci sono ancora prove sufficienti per supportare l'affidabilità e la sicurezza delle reti mesh necessarie per l'uso in ambienti industriali difficili.
Sommario
In conclusione, la scelta della tecnologia radio dipende dai requisiti di ogni particolare applicazione. Per la maggior parte delle applicazioni industriali, le radio frequency hopping a spettro esteso (Figura 5) sono la soluzione migliore a causa del loro costo inferiore rispetto alle radio a frequenza concesse in licenza. Quando le lunghe distanze limitano l'uso di nodi FHSS con ripetitori, la soluzione migliore è utilizzare trasmettitori operanti in una banda stretta di frequenza concessa. Il costo della licenza può essere inferiore al costo dell'installazione di ripetitori FHSS aggiuntivi.
Una delle soluzioni più semplici è quella di invitare nel proprio impianto uno o più rappresentanti del produttore del dispositivo wireless e valutare la possibilità di utilizzare la tecnologia proposta. Ad esempio, Moore Industries ha installato uno dei suoi moduli di collegamento wireless (WLM) come "demo" presso la struttura sopra menzionata e ha installato antenne e trasmettitori omnidirezionali in siti remoti. I test hanno dimostrato che anche un edificio di quattro piani non è un ostacolo alle comunicazioni wireless.
Credetemi, le possibilità della moderna tecnologia wireless potrebbero sorprendervi.
Appendice
Definizioni
Gruppo musicale Frequenza o gamma di frequenza Intervallo di frequenze La gamma di frequenze, o la lunghezza dello spettro di radiofrequenze, su cui viene trasmesso un segnale. canale a banda larga Canale radio con una larghezza di banda di 1,5 Mbps o più su una banda di 1 MHz Collocazione Gestione di più reti radio contemporaneamente in una zona. Demodulazione Il processo per ottenere ed estrarre un segnale digitale originale da un'onda portante analogica modulata Tecnologia Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Una tecnologia di modulazione che combina un segnale informativo con una sequenza di bit ad alta velocità, nota come "chip", "diffondendo" così il segnale su una larghezza di banda maggiore. Potenza effettiva irradiata (EIRP) Potenza del segnale emesso dall'antenna. Equivale alla potenza del trasmettitore meno le perdite di trasmissione (causate da cavi coassiali, connettori, parafulmini) più il guadagno dell'antenna Istituto europeo per gli standard di telecomunicazione (ETSI) Autorità europea di regolamentazione delle telecomunicazioni. Commissione federale per le comunicazioni (FCC) Autorità di regolamentazione delle comunicazioni degli Stati Uniti Frequency Hopping con Spread Spectrum (FHSS) Una tecnica di modulazione in cui la frequenza di trasmissione (frequenza portante) cambia in una sequenza pseudo-casuale ("salta") a intervalli di tempo regolari. Bande industriali, scientifiche e mediche (ISM). Bande 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz e 5725-5875 MHz rispettivamente Interferenza Sovrapposizione di due o più onde radio operanti a frequenze adiacenti o comuni, che porta alla comparsa di una struttura d'onda aggiuntiva Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) Autorità di regolamentazione delle telecomunicazioni delle Nazioni Unite Linea di vista (LOS) Un canale di comunicazione tra le antenne trasmittenti e riceventi libero da ostacoli fisici come alberi o edifici. Equilibrio di potere Calcolo che tiene conto del funzionamento di tutti i componenti che amplificano e attenuano il segnale radio (trasmettitori, antenne, cavi, ecc.) per determinare la distanza massima per stabilire una comunicazione radio affidabile Multipercorso Il processo dell'emergere di diversi canali di propagazione del segnale, diversi dall'originale canale a banda stretta Canale radio con larghezza di banda da 50 bit/s a 64 kbit/s Amministrazione nazionale delle telecomunicazioni e dell'informazione (NTIA) Organismo di regolamentazione che assegna le frequenze radio alle agenzie governative statunitensi Antenna omnidirezionale Un'antenna che riceve e trasmette segnali in tutte le direzioni Densità spettrale di potenza (PSD) Rapporto tra la potenza della larghezza di banda totale e la larghezza di banda Spettro diffuso Un metodo per diffondere un segnale RF su un'ampia banda di frequenza con bassa potenza, invece di concentrare tutta la potenza su un'unica frequenza, nel caso di trasmissione di dati a banda stretta. Larghezza di banda La quantità di dati ricevuti dal sistema ogni secondo ricetrasmettitore Trasmettitore e ricevitore radio in un alloggiamento comune Rete privata virtuale (VPN) Una rete di comunicazioni private che utilizza il tunneling crittografico per proteggere le reti non sicure Protocollo di crittografia wireless (WEP) Parte dello standard IEEE 802.11 che definisce i requisiti di sicurezza della rete wireless Associazione di controllo della compatibilità Ethernet wireless (WECA) Autorità di certificazione per la tecnologia WLAN Fedeltà wireless (Wi-Fi) Il logo standard utilizzato da WECA per identificare i prodotti certificati 802.11 Reti locali senza fili (WLAN) Rete di computer basata su dispositivi radio Antenna regista Antenna che invia e riceve segnali solo in un settore ristretto La maggior parte delle moderne fotocamere digitali offre agli utenti la possibilità di scegliere tra l'utilizzo della gamma ISO standard e la sua modalità estesa.
I fotografi esperti sanno bene quali funzioni della fotocamera sono davvero utili e quali praticamente non vengono utilizzate nel lavoro e aggiunte dal produttore come stratagemma di marketing. I principianti, quando scelgono una fotocamera, possono facilmente confondersi in tutta la varietà di opzioni, ad esempio cos'è l'ISO e come scegliere l'intervallo operativo ISO corretto.
Scelta tra gamma ISO standard ed estesa
Quando si modifica il valore ISO su una fotocamera digitale, l'utente regola la potenza del segnale, modificando così il rapporto tra guadagno forzato e leggibilità del sensore di luce. Esistono determinati valori di guadagno ISO minimo e massimo: è questo intervallo che viene chiamato standard. Dopo aver diminuito o superato i valori nominali, i sensori della telecamera non saranno in grado di leggere adeguatamente i dati.
Fino a qualche tempo la soglia superiore del valore ISO era considerata incrollabile, ma il rapido sviluppo dell'hardware e del software delle moderne fotocamere ha permesso di puntare ad altezze incredibili. Lo stesso vale per il valore più basso della gamma ISO: la tecnologia moderna può ridurlo in modo significativo. In sostanza, scattare foto utilizzando un intervallo ISO esteso è come eseguire la post-elaborazione di una foto su un computer, solo che questo processo avviene direttamente nella fotocamera stessa.
In che modo l'aumento della gamma ISO può influire sugli scatti
Le fotocamere con un'ampia gamma ISO utilizzano sensori con sensibilità alla luce standard, la stessa delle fotocamere convenzionali. Le gamme ISO estese come ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 sono ottenute utilizzando sensori e circuiti elettronici convenzionali, la cui sensibilità è aumentata dal software. Ne consegue che l'ampia gamma ISO non è altro che uno stratagemma di marketing.
Le affermazioni che la fotocamera può scattare fino a ISO 102400 sono impressionanti per i fotografi alle prime armi, ma ciò non significa che stiano acquistando un sensore con una sensibilità alla luce così elevata quando acquistano una fotocamera. Questi valori infatti si ottengono tramite software, e spesso si manifestano in una scarsa qualità dell'immagine con molto rumore digitale.
Le foto scattate a ISO estremamente elevati avranno un bell'aspetto solo se scattate in bianco e nero, il che annulla il vantaggio simile delle fotocamere con intervalli ISO estesi.
Un utente attento noterà sicuramente che la fotocamera nella gamma ISO estesa scatta fotogrammi in formato JPEG, ma non in RAW. Ciò è dovuto al fatto che quando si scatta in modalità RAW, si forma un negativo digitale con un'elaborazione minima, poiché ciò espande le possibilità durante la post-elaborazione dei fotogrammi utilizzando gli editor di foto. (Va notato, tuttavia, che alcuni produttori consentono l'uso di una gamma ISO estesa durante le riprese in formato RAW.)
Potrebbe esserci qualche vantaggio nell'utilizzare una gamma ISO più ampia per i fotografi JPEG che non eseguono la post-elaborazione delle immagini. Tuttavia, bisogna tener conto del fatto che la qualità dovrà chiudere gli occhi.
Lo spettro diffuso gioca un ruolo estremamente importante nelle tecnologie di comunicazione radio. Questo metodo non rientra in nessuna delle categorie definite nel capitolo precedente perché può essere utilizzato per trasmettere dati sia digitali che analogici utilizzando un segnale analogico.
Inizialmente, il metodo dello spettro diffuso è stato creato per scopi di intelligence e militari. L'idea principale del metodo è distribuire il segnale informativo su un'ampia banda della gamma radio, il che alla fine renderà molto più difficile sopprimere o intercettare il segnale. Il primo schema di spettro diffuso sviluppato è noto come metodo di agilità di frequenza. Uno schema a spettro diffuso più moderno è il metodo della sequenza diretta. Entrambi i metodi sono utilizzati in vari standard e prodotti wireless.
Di seguito, dopo una breve rassegna, questi metodi a spettro diffuso sono discussi in dettaglio. Inoltre, in questo capitolo verrà esplorato il metodo di accesso multiplo a spettro diffuso.
Per quanto incredibile possa sembrare, l'agilità di frequenza è stata inventata dalla star del cinema di Hollywood Hedy Lamarr nel 1940 all'età di 26 anni. Nel 1942 Lamarr brevettò la sua invenzione (Brevetto USA 2.292.387 dell'11 agosto 1942) con un socio che iniziò a prendere parte ai lavori poco dopo. La ragazza non ha ricevuto alcun profitto dal brevetto, considerando il metodo di comunicazione che ha scoperto essere il suo contributo alla partecipazione degli Stati Uniti alla seconda guerra mondiale.
7.1. Il concetto di spettro diffuso
Sulla fig. 7.1 mostra gli elementi chiave di un sistema a spettro esteso. Il segnale di ingresso va al codificatore di canale, che genera un segnale analogico con una larghezza di banda relativamente stretta centrata su una frequenza specifica. Il segnale viene quindi modulato con una sequenza di numeri chiamata codice di diffusione o sequenza di diffusione. Di solito, anche se non sempre, il codice interno viene generato da un generatore di numeri casuali. Come risultato della modulazione, la larghezza di banda del segnale trasmesso viene notevolmente ampliata (in altre parole, lo spettro del segnale viene ampliato). Alla ricezione, il segnale viene demodulato utilizzando lo stesso codice di diffusione. L'ultimo passaggio consiste nell'inviare il segnale al decoder del canale per il recupero dei dati.
Riso. 7.1. Schema generale di un sistema di comunicazione digitale che utilizza lo spettro diffuso
Il surplus di spettro offre i seguenti vantaggi.
Immunità del segnale a vari tipi di rumore, nonché alla distorsione causata dalla propagazione multipath. Per la prima volta, lo spettro diffuso è stato utilizzato per scopi militari a causa della resistenza del segnale diffuso ai tentativi di disturbo.
Lo spettro diffuso consente di nascondere e crittografare i segnali. Solo un utente che conosce il codice di estensione può recuperare i dati crittografati.
Più utenti possono utilizzare la stessa banda di frequenza contemporaneamente con un'interferenza reciproca estremamente ridotta. Questa funzione viene utilizzata in una tecnologia di comunicazione mobile nota come code division multiplexing (CDM) o code division multiple access (CDMA).
Metodo diffusione dello spettro a salto di frequenza (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) si basa su un cambiamento costante della portante all'interno di un'ampia gamma di frequenze.
La frequenza portante F1, ..., FN cambia casualmente dopo un certo periodo di tempo, chiamato periodo limite (chip) , in accordo con l'algoritmo scelto per generare una sequenza pseudo-casuale. Ogni frequenza è modulata (FSK o PSK). La trasmissione ad una frequenza avviene per un intervallo di tempo fisso, durante il quale viene trasmessa una determinata porzione di dati (Dati). All'inizio di ogni periodo di trasmissione, i bit di sincronizzazione vengono utilizzati per sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore, riducendo la velocità di trasmissione utile.
A seconda del tasso di cambio del vettore, ci sono 2 modalità a spettro esteso:
Lenta diffusione dello spettro: vengono trasmessi diversi bit in un periodo di taglio;
rapida diffusione dello spettro: un bit viene trasmesso per diversi periodi di interruzione, ovvero viene ripetuto più volte.
Nel primo caso periodo di trasmissione dei dati meno periodo di trasferimento del chip, nel secondo - altro.
Il metodo dello spettro ad espansione rapida fornisce una trasmissione dati più affidabile in presenza di interferenze dovute alla ripetizione ripetuta del valore dello stesso bit a frequenze diverse, ma è più difficile da implementare rispetto al metodo dello spettro ad ampio spettro lento.
Spettro diffuso seriale diretto
Il metodo Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) è il seguente.
Ogni "uno" bit nei dati trasmessi viene sostituito da una sequenza binaria di n po' chiamato sequenza in espansione , e il bit "zero" è codificato dal valore inverso della sequenza di spargimento. In questo caso, il baud rate viene aumentato di n volte, quindi, anche lo spettro del segnale si espande n una volta.
Conoscendo la gamma di frequenza assegnata alla trasmissione wireless (linee di comunicazione), è possibile selezionare opportunamente la velocità di trasferimento dati e il valore n in modo che lo spettro del segnale riempia l'intera gamma.
L'obiettivo principale della codifica DSSS, come FHSS, è migliorare l'immunità al rumore.
Velocità del truciolo– velocità di trasmissione del codice risultante.
Fattore di espansione- numero di bit n in ordine crescente. Solitamente nè compreso tra 10 e 100. Più n, maggiore è lo spettro del segnale trasmesso.
Il DSSS è meno immune alle interferenze rispetto allo spettro a diffusione rapida.
Accesso multiplo a divisione di codice
I metodi di diffusione dello spettro sono ampiamente utilizzati nelle reti cellulari, in particolare quando si implementa il metodo di accesso CDMA (Code Division Multiple Access) - accesso multiplo a divisione di codice . CDMA può essere utilizzato in combinazione con FHSS, ma più comunemente con DSSS nelle reti wireless.
Ciascun nodo di rete utilizza la propria sequenza di diffusione, scelta in modo che il nodo ricevente possa estrarre i dati dal segnale di somma.
Il vantaggio di CDMA sta nella maggiore sicurezza e segretezza della trasmissione dei dati: senza conoscere la sequenza di diffusione, è impossibile ricevere un segnale, e talvolta anche rilevarne la presenza.
Tecnologia Wi-Fi. Tecnologia Wimax. Reti personali senza fili. Tecnologia Bluetooth. Tecnologia Zigbee. Reti di sensori wireless. Confronto di tecnologie wireless.
Tecnologia Wi-Fi
La tecnologia Wireless LAN (WLAN) è definita dallo stack di protocollo IEEE 802.11, che descrive uno strato fisico e uno strato di collegamento dati con due sottolivelli: MAC e LLC.
A livello fisico sono definite diverse varianti di specifiche, che differiscono:
la gamma di frequenza utilizzata;
Il metodo di codifica
la velocità di trasferimento dei dati.
Opzioni per la realizzazione di LAN wireless dello standard 802.11, denominate WiFi.
IEEE 802.11 (opzione 1):
mezzo di trasmissione - radiazione infrarossa;
trasmissione in linea di vista;
Vengono utilizzate 3 varianti di propagazione della radiazione:
Antenna omnidirezionale;
Riflessione dal soffitto;
Radiazione direzionale focalizzata ("punto a punto").
IEEE 802.11 (opzione 2):
metodo di codifica - FHSS: fino a 79 bande di frequenza
1 MHz, la durata di ciascuno dei quali è di 400 ms (Fig. 3.49);
· a 2 stati del segnale, la larghezza di banda del mezzo trasmissivo è 1 Mbps, a 4 - 2 Mbps.
IEEE 802.11 (opzione 3):
mezzo trasmissivo - banda microonde 2,4 GHz;
Metodo di codifica - DSSS con codice a 11 bit come sequenza espandibile: 10110111000.
IEEE 802.11a:
1) gamma di frequenza - 5 GHz;
2) velocità di trasferimento: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps;
3) metodo di codifica - OFDM.
Svantaggi:
Attrezzatura troppo costosa
· In alcuni paesi, le frequenze in questa gamma sono soggette a licenza.
IEEE 802.11b:
1) gamma di frequenza - 2,4 GHz;
2) velocità di trasferimento: fino a 11 Mbps;
3) metodo di codifica - DSSS modernizzato.
IEEE 802.11g:
1) gamma di frequenza - 2,4 GHz;
2) velocità di trasferimento massima: fino a 54Mbps;
3) metodo di codifica - OFDM.
Nel settembre 2009 è stato approvato lo standard IEEE 802.11n. Il suo utilizzo aumenterà la velocità di trasferimento dei dati di quasi quattro volte rispetto ai dispositivi standard 802.11g. Teoricamente, 802.11n è in grado di fornire velocità di trasferimento dati fino a 600 Mbps. La portata delle reti wireless IEEE 802.11 è fino a 100 metri.
Tecnologia WiMax
La tecnologia di accesso wireless a banda larga WiMax ad alta larghezza di banda è rappresentata dal gruppo di standard IEEE 802.16 ed è stata originariamente progettata per costruire reti wireless estese (fino a 50 km) appartenenti alla classe delle reti regionali o metropolitane.
Lo standard IEEE 802.16 o IEEE 802.16-2001 (dicembre 2001), che è stato il primo standard punto-multipunto, era focalizzato sul funzionamento nello spettro da 10 a 66 GHz e, di conseguenza, richiedeva che trasmettitore e ricevitore fossero in linea di vista, che è uno svantaggio significativo, soprattutto in città. Secondo le specifiche descritte, la rete 802.16 potrebbe servire fino a 60 client a una velocità di collegamento T-1 (1,554 Mbps).
Successivamente sono comparsi gli standard IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e (WiMax mobile), in cui è stato rimosso il requisito della linea di vista tra trasmettitore e ricevitore.
I parametri principali degli standard tecnologici WiMax elencati.
Considera il principale differenze tecnologiche Wi-Max da Wi-Fi.
1. Poca mobilità. Inizialmente, lo standard è stato sviluppato per la comunicazione wireless fissa su lunghe distanze e prevedeva la mobilità degli utenti all'interno dell'edificio. Solo nel 2005 è stato sviluppato lo standard IEEE 802.16e per gli utenti mobili. Attualmente sono in fase di sviluppo nuove specifiche 802.16f e 802.16h per reti di accesso che supportano il funzionamento di client mobili (mobili) alla loro velocità fino a 300 km/h.
2. Utilizzo di radio e trasmettitori migliori comporta costi più elevati per la costruzione di una rete. 3. lunghe distanze per la trasmissione dei dati devono essere risolti alcuni problemi specifici: la formazione di segnali di diversa potenza, l'uso di più schemi di modulazione ei problemi di sicurezza dell'informazione.
4. Numero elevato di utenti in una cella.
5. Maggiore produttività fornito all'utente.
6. Elevata qualità del servizio per il traffico multimediale.
Inizialmente si pensava che l'IEEE 802.11 – analogo mobile di Ethernet, 802.16 - senza fili televisione via cavo analogica fissa. Tuttavia, l'avvento e lo sviluppo della tecnologia WiMax (IEEE 802.16e) per supportare gli utenti mobili rende questa affermazione discutibile.
