Inițial, metoda cu spectru răspândit a fost creată în scopuri militare și de informații. Ideea principală a metodei este de a distribui semnalul de informații pe o bandă radio largă, ceea ce va face în cele din urmă mult mai dificilă suprimarea sau interceptarea semnalului. Prima schemă de spectru extins dezvoltată este cunoscută sub numele de metoda agilității frecvenței. O schemă mai modernă a spectrului de răspândire este metoda de răspândire în serie directă. Ambele metode sunt utilizate în diverse standarde și produse wireless.
Spectrul de răspândire cu salt de frecvență (FHSS) Spectrul de răspândire
Pentru a preveni interceptarea sau suprimarea traficului radio de zgomotul de bandă îngustă, s-a propus transmiterea cu o schimbare constantă a purtătoarei pe o gamă largă de frecvențe. Drept urmare, puterea semnalului a fost distribuită pe întreaga gamă, iar ascultarea unei anumite frecvențe a dat doar o cantitate mică de zgomot. Secvența de frecvență purtătoare a fost pseudo-aleatorie, cunoscută doar de emițător și receptor. O încercare de a suprima semnalul într-un interval îngust, de asemenea, nu a degradat prea mult semnalul, deoarece doar o mică parte a informației a fost suprimată.
Ideea acestei metode este ilustrată în Fig. 1.10.
Într-un interval de timp fix, transmisia se realizează la o frecvență purtătoare constantă. La fiecare frecvență purtătoare pentru transmiterea de informații discrete, standard metode de modulare, cum ar fi FSK sau PSK . Pentru ca receptorul să se sincronizeze cu transmițătorul, biții de sincronizare sunt transmiși o perioadă de timp pentru a indica începutul fiecărei perioade de transmisie. Deci viteza utilă a acestei metode de codare este mai mică din cauza supraîncărcării constante de sincronizare.
Orez. 1.10.
Frecvența purtătoarei se modifică în conformitate cu numărul de subcanale de frecvență generate de algoritmul numere pseudoaleatoare. Secvență pseudorandom depinde de un anumit parametru, care este numit primar număr. Dacă receptorul și transmițătorul cunosc algoritmul și valoarea numărului inițial, atunci ele schimbă frecvențele în aceeași secvență, numită secvență pseudo-aleatorie de salt de frecvență.
Dacă frecvența de schimbare a subcanalelor este mai mică decât rata de date din canal, atunci acest mod este apelat spectru de răspândire lentă(Fig. 1.11a); altfel avem de-a face spectru de răspândire rapidă(Fig. 1.11b).
Metoda spectrului de răspândire rapidă este mai rezistentă la interferență, deoarece interferența în bandă îngustă care suprimă un semnal într-un anumit subcanal nu are ca rezultat o pierdere a unui bit, deoarece valoarea sa este repetată de mai multe ori în diferite subcanale de frecvență. În acest mod, efectul interferenței intersimbol nu apare, deoarece în momentul în care sosește un semnal întârziat de-a lungul uneia dintre căi, sistemul are timp să comute la o altă frecvență.
Metoda de răspândire lentă a spectrului nu are această proprietate, dar este mai ușor de implementat și implică mai puține cheltuieli generale.
Tehnicile FHSS sunt utilizate în tehnologiile wireless IEEE 802.11 și Bluetooth.
În FHSS, abordarea utilizării intervalului de frecvență nu este aceeași ca și în alte metode de codificare - în loc să se utilizeze economic o lățime de bandă îngustă, se încearcă ocuparea întregului interval disponibil. La prima vedere, acest lucru nu pare foarte eficient - la urma urmei, un singur canal operează în interval la un moment dat. Cu toate acestea, ultima afirmație nu este întotdeauna adevărată - codurile cu spectru împrăștiat pot fi utilizate și pentru a multiplexa mai multe canale pe o gamă largă. În special, metodele FHSS fac posibilă organizarea funcționării simultane a mai multor canale selectând pentru fiecare canal astfel de secvențe pseudoaleatoare astfel încât în fiecare moment de timp fiecare canal să funcționeze la propria frecvență (desigur, acest lucru se poate face numai dacă numărul de canale nu depășește numărul de subcanale de frecvență).
Spectrul de răspândire secvenţial direct (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS)
Metoda cu spectru de răspândire în serie directă utilizează, de asemenea, întreaga gamă de frecvență alocată pentru o legătură fără fir. Spre deosebire de metoda FHSS, întreaga gamă de frecvență este ocupată nu prin trecerea constantă de la frecvență la frecvență, ci prin înlocuirea fiecărui bit de informație cu N-biți, astfel încât viteza ceasului de semnalizare crește de N ori. Și asta, la rândul său, înseamnă că spectrul semnalului este, de asemenea, extins de N ori. Este suficient să alegeți rata de date și valoarea lui N în mod corespunzător, astfel încât spectrul semnalului să umple întregul interval.
Scopul codării DSSS este același cu codarea FHSS, care este de a îmbunătăți imunitatea la zgomot. Interferența în bandă îngustă va distorsiona doar anumite frecvențe ale spectrului de semnal, astfel încât receptorul va putea recunoaște corect informațiile transmise cu un grad ridicat de probabilitate.
Se numește codul care înlocuiește unitatea binară a informațiilor originale secvență de expansiune, și fiecare bit dintr-o astfel de secvență este un cip.
În consecință, este apelată viteza de transmisie a codului rezultat cip viteză. Zero binar este codificat cu valoarea inversă a secvenței de împrăștiere. Receptorii trebuie să cunoască secvența de răspândire pe care o folosește emițătorul pentru a înțelege informațiile transmise.
Numărul de biți din secvența de împrăștiere determină factorul de împrăștiere al codului sursă. Ca și în cazul FHSS, orice fel de modulație, cum ar fi BFSK, poate fi utilizat pentru a codifica biții din codul rezultat.
Cu cât factorul de răspândire este mai mare, cu atât spectrul semnalului rezultat este mai larg și gradul de suprimare a interferențelor este mai mare. Dar, în același timp, intervalul de spectru ocupat de canal crește. De obicei, factorul de expansiune are o valoare între 10 și 100.
Tehnologia wireless oferă comunicații sigure și fiabile către site-urile de producție la distanță unde utilizarea produselor prin cablu este limitată. Pentru a organiza întreținerea, dispozitivele wireless monitorizează starea pompelor și mecanismelor, transmit date de la stațiile de monitorizare a apelor uzate la distanță și sistemele de intrare/ieșire.
Într-o soluție, un sistem fără fir primește citiri de la o stație meteo și citiri de la apele uzate de producție chimică. Stația meteo din fabrică este situată la 2,5 kilometri de panoul de control principal și are un reportofon care colectează date de la anemometru (viteza vântului), termometru și higrometru. Reportofonul este conectat la un instrument fără fir Moore Industries WLM Remote RF care funcționează la 900 MHz utilizând tehnologia de schimbare a frecvenței spectrului extins (FHSS), transmitând date folosind o antenă director montată pe un suport înalt lângă stația meteo. Probleme serioase în timpul funcționării nu au apărut încă.
Părea că este imposibil să se organizeze o conexiune wireless cu stația de monitorizare a apelor uzate. Deși distanța de la stație până la panoul central de comandă este de doar 500 m, semnalul RF a trebuit să treacă prin clădirea cazanului cu patru etaje. Cu toate acestea, au fost efectuate teste înainte de instalare, iar rețeaua radio a funcționat fără probleme. Principala lecție din toate acestea este că tehnologia wireless funcționează chiar și acolo unde credeai că nu ar trebui să funcționeze. Tot ce trebuie să faceți este să testați sistemul.
Există multe tehnologii radio. Înțelegerea modului în care funcționează este necesară pentru a selecta cea mai bună soluție pentru o anumită aplicație. O rețea fără fir poate fi licențiată sau fără licență, Ethernet sau serială, bandă îngustă sau cu spectru extins, protocol securizat sau deschis, Wi-Fi... lista continuă. Acest articol este o introducere în tehnologia wireless.
banda RF
Gama de la 9 kiloherți (kHz) la mii de gigaherți (GHz) poate fi utilizată pentru comunicațiile fără fir. Frecvențele mai mari sunt spectrul infraroșu, spectrul de iluminare, razele X etc. Deoarece frecvențele radio sunt o resursă limitată utilizată de posturile de televiziune și radio, telefoanele mobile și alte dispozitive fără fir, benzile care pot fi utilizate pentru anumite tipuri de comunicații și transmisii de date sunt determinate de agențiile guvernamentale.
În Statele Unite, Comisia Federală de Comunicații (FCC) alocă frecvențe utilizatorilor non-guvernamentali. FCC a stabilit că echipamentele industriale, științifice și medicale trebuie să funcționeze pe benzile 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz și 5725-5875 MHz, sub rezerva limitelor de putere a semnalului, putere și alți parametri de transmisie radio. Aceste benzi nu sunt licențiate și pot fi utilizate liber conform reglementărilor FCC. Alte benzi din spectru pot fi utilizate după ce a fost acordată o licență. Tabelul 1 enumeră benzile de frecvență radio și aplicațiile acestora.
Sursa: http://encyclopedia.thefreedictionary.com/radio%20frequencyFrecvențe licențiate sau fără licență
Este necesară o licență acordată de Comisia Federală de Comunicații pentru a funcționa pe frecvența autorizată. În mod ideal, aceste frecvențe sunt imune la interferență, iar în caz de interferență, intrusul poate fi tras la răspundere legală. Dezavantajele sunt o procedură complicată și lungă pentru obținerea unei licențe, incapacitatea de a achiziționa dispozitive deja disponibile, deoarece acestea trebuie să fie fabricate pentru a funcționa la o frecvență licențiată și, desigur, costul obținerii unei licențe.
O frecvență fără licență este o frecvență definită de Comisia Federală de Comunicații ca fiind gratuită pentru utilizare fără a fi nevoie de înregistrare și autorizare. În funcție de locația sistemului, există restricții privind puterea semnalului. De exemplu, în SUA în intervalul de 900 MHz, puterea maximă este de 1 watt sau 4 wați EIRP (putere efectivă de radiație izotropă).
Avantajele utilizării frecvențelor fără licență sunt evidente: nu este nevoie să cheltuiți timp și bani pentru obținerea unei licențe; multi producatori furnizeaza pe piata produse care suporta aceste frecvente, cost redus de punere in functiune datorita absentei costurilor licentei. Dezavantajele constă în însăși ideea unei benzi fără licență: mai multe sisteme pot funcționa simultan pe aceeași frecvență, ceea ce duce la interferențe și pierderi în transmisia datelor. În acest caz, devine necesară utilizarea tehnologiei cu spectru răspândit. Transmițătoarele cu spectru extins sunt foarte eficiente în gestionarea interferențelor emergente și funcționează chiar și în medii cu zgomot RF.
Sisteme cu spectru extins
Spread spectrum este o tehnică care răspândește un semnal de frecvență radio pe o gamă largă de frecvențe la putere scăzută, în timp ce transmiterea printr-un semnal în bandă îngustă concentrează toată puterea pe o singură frecvență. Banda îngustă este un semnal care ocupă o gamă mică a spectrului de frecvențe radio. Un semnal de bandă largă ocupă un sector mult mai mare. Cele mai comune două tehnologii cu spectru împrăștiat sunt spectrul împrăștiat (FHSS) și spectrul împrăștiat cu secvență directă (DSSS).
După cum reiese din definiție, în dispozitivele cu salt de frecvență, frecvența de funcționare a emițătorului se modifică după un anumit interval de timp. Avantajele saltului sunt evidente: deoarece transmițătorul schimbă frecvența datelor atât de des încât doar un receptor reglat pe același algoritm este capabil să primească informații. Receptorul trebuie să aibă o secvență pseudo-aleatorie similară de frecvențe recepționate pentru a primi semnalul emițătorului la frecvența corectă la momentul potrivit. Figura 1 arată cum se modifică frecvența semnalului în timp. Fiecare hop are aceeași putere și aceeași perioadă de timp (timp pe canal). În figura 2, dependența timp-frecvență arată că saltul are loc la intervale regulate. Secvența de salt este pseudo-aleatorie.
Figura 1. Ca urmare a „sărituri”, frecvența purtătoarei se modifică. Puterea semnalului rămâne constantă.
DSSS combină un semnal de date cu o secvență de simboluri cunoscute sub denumirea de „cipuri” - astfel „împrăștiind” semnalul pe o lățime de bandă mai mare. Cu alte cuvinte, semnalul original este înmulțit cu un semnal de zgomot generat de o secvență pseudo-aleatorie de biți pozitivi și negativi. Receptorul înmulțește semnalul primit cu aceeași succesiune, obținând informația originală (deoarece 1 x 1=1 și -1 x-1 = 1).
Când semnalul este „răspândit”, puterea semnalului inițial de bandă îngustă este distribuită pe o gamă largă, reducând puterea la fiecare frecvență particulară (așa-numita densitate de putere scăzută). Figura 3 prezintă un semnal într-o parte îngustă a spectrului RF. În Figura 4, un semnal răspândit pe mai mult spectru are aceeași putere totală, dar mai puțină putere pe frecvență. Deoarece extinderea reduce puterea semnalului în anumite părți ale spectrului, semnalul poate fi perceput ca zgomot. Receptorul trebuie să recunoască și să demoduleze semnalul primit, ștergând semnalul inițial de „cipurile” adăugate.
Tehnologiile FHSS și DSSS sunt utilizate pe scară largă în industrie. În funcție de fiecare caz specific, o tehnologie sau alta poate fi cea mai bună soluție. În loc să dezbatem care dintre ele este mai bună, este mai important să înțelegeți diferențele și să alegeți tehnologia potrivită pentru aplicația dvs. În general, următoarele caracteristici influențează alegerea:
Lățimea de bandă
Colocare
Interferență
Raza de comunicare
Securitate
Lățimea de bandă
Lățime de bandă - cantitatea de date transmisă sau primită de sistem într-o secundă. Acesta este unul dintre cei mai importanți factori în alegerea tehnologiei potrivite. DSSS are un randament mai mare decât FHSS datorită utilizării mai eficiente a lățimii de bandă și lățimii de bandă mai mari. Pentru majoritatea sistemelor I/O distribuite industriale, debitul FHSS scăzut nu este o problemă majoră. Cu toate acestea, dacă dimensiunea rețelei sau rata de transfer de date crește, acestui indicator i se acordă mai multă atenție. Majoritatea transmițătoarelor radio FHSS au o lățime de bandă de 50-115 kbps pentru o rețea Ethernet. DSSS funcționează cu o lățime de bandă de 1-10 Mbps. Deși transmițătoarele DSSS au o lățime de bandă mai mare decât omologii FHSS. Găsirea unui dispozitiv DSSS care oferă aceeași securitate de rețea și aceeași gamă necesară pentru producția industrială și sistemele SCADA nu este ușoară.
Spre deosebire de transmițătoarele FHSS care operează în banda de 26 MHz la o frecvență de bază de 900 MHz (902-928 MHz) și de transmițătoarele DSSS care operează în banda de 22 MHz la 2,4 GHz, emițătoarele radio care utilizează frecvențe licențiate sunt limitate la spectrul de 12,5 kHz. Desigur, deoarece lățimea de bandă este limitată, debitul este, de asemenea, limitat. Majoritatea transmițătoarelor care funcționează pe o frecvență licențiată oferă un debit de la 6400 la 19200 biți pe secundă.
Colocare
Colocarea este înțeleasă ca posibilitatea de funcționare a mai multor rețele radio în imediata apropiere una de cealaltă. Tehnologia DSSS nu permite mai multor rețele radio să funcționeze una lângă alta, deoarece semnalul este răspândit pe o bandă de frecvență. De exemplu, în banda ISM de 2,4 GHz (bandă industrială, științifică și medicală), pot fi utilizate doar trei canale DSSS. Fiecare canal este extins până la 22 de megaherți ai spectrului, ceea ce permite doar trei rețele să funcționeze simultan fără suprapunere de frecvență.
Pe de altă parte, datorită utilizării diferitelor secvențe hop, mai multe rețele FHSS pot funcționa pe aceeași bandă de frecvență. O secvență de hop în care frecvențe diferite sunt utilizate în momente diferite în aceeași bandă de frecvență este numită și secvență de hop ortogonală. FHSS utilizează programe de secvențiere ortogonală pentru a permite rețelelor multiple să funcționeze fără interferențe. Acesta este un avantaj imens atunci când se dezvoltă rețele mari și necesitatea de a separa comunicațiile. Majoritatea studiilor de laborator arată că până la 15 rețele FHSS pot funcționa simultan și doar 3 rețele DSSS.
Evident, din cauza faptului că funcționează pe aceeași bandă de spectru de 12,5 MHz, radiourile de bandă îngustă nu pot fi amplasate prea aproape unele de altele.
Interferență
Interferență - zgomot radio în partea adiacentă sau în aceeași parte a spectrului de frecvență radio. Suprapunerea a două semnale poate genera o nouă undă radio sau poate duce la pierderea datelor transmise de semnalul de lucru. Tehnologia cu spectru răspândit este foarte bună pentru a face față zgomotului rezultat, deși diferite tehnologii abordează această problemă în moduri diferite. Când receptorul DSSS detectează zgomot în bandă îngustă, acesta înmulțește semnalul primit cu valoarea chipului pentru a reconstrui mesajul original. Astfel, semnalul original original este convertit într-un semnal de bandă îngustă cu putere mare; interferența, cum ar fi un semnal de bandă largă de putere redusă, este ignorată.
În esență, mecanismul care plasează semnalul DSSS sub nivelul de zgomot al rețelei radio permite ignorarea interferențelor de bandă îngustă atunci când semnalul este demodulat. Prin urmare, DSSS funcționează foarte bine cu zgomotul exterior, totuși, dacă interferența este de mare putere, pot apărea probleme serioase, deoarece. demodularea nu poate reduce semnalul de interferență sub puterea semnalului original.
Având în vedere că FHSS funcționează cu o lățime de bandă de 83,5 MHz la 4 GHz și produce semnale de mare putere la anumite frecvențe (similar cu generarea de rafale de date sincronizate pe o bandă îngustă), evitând astfel interferența dacă generatorul de zgomot în bandă îngustă nu funcționează la o a frecventelor utilizate. Zgomotul de bandă îngustă, în cel mai rău caz, blochează mai multe hopuri, pe care sistemul le poate compensa prin transmiterea mesajului din nou pe o frecvență diferită. În plus, reglementările FCC necesită o separare minimă a frecvenței într-o secvență de hop, astfel încât potențialul de interferență a semnalului de bandă îngustă este minimizat.
În cazul interferenței în bandă largă, DSSS nu funcționează la fel de fiabil. Deoarece DSSS răspândește întregul semnal simultan în lățimi de bandă de 22 MHz cu mult mai puțină putere, dacă aceste 22 MHz de zgomot sau mai mult sunt suprapuse, până la 100% din transmisia DSSS poate fi blocată și doar 25% din transmisia FHSS. În acest caz, performanța FHSS scade, dar nu există o pierdere completă a datelor.
Frecvențele licențiate folosesc o lățime de bandă foarte îngustă, astfel încât chiar și interferențele mici pot provoca pierderi de informații. În acest caz, antenele direcționale și filtrele de trecere de bandă pot fi folosite pentru a stabili o comunicare continuă și pot fi luate măsuri legale împotriva interferenței.
Radiourile 802.11 sunt mai susceptibile la interferențe, deoarece atât de multe dispozitive funcționează în această bandă. Ați observat ce fel de interferență apare într-un telefon fără fir atunci când un cuptor cu microunde funcționează? Ambele dispozitive funcționează în banda de 2,4 GHz, ca și restul dispozitivelor 802.11. Atunci când utilizați astfel de transmițătoare, securitatea rețelei devine o preocupare majoră.
Dacă receptorul unui anumit emițător este situat mai aproape de un alt emițător decât de al său, există o problemă de interacțiune între receptor și acești transmițători. Emițătoarele învecinate pot înfunda canalul receptorului cu semnale străine de mare putere. Într-o astfel de situație, majoritatea sistemelor DSSS vor eșua. În aceeași situație, mai multe hop-uri ale sistemului FHSS vor fi blocate, dar în general nu vor perturba rețeaua. În cazul unui sistem care funcționează pe o frecvență autorizată, eficiența sistemului va depinde de frecvența semnalului fals. Dacă frecvența acestor semnale este apropiată sau asemănătoare cu frecvența sistemului, semnalul dumneavoastră va fi blocat, ceea ce dă naștere urmăririi penale a contravenientului, dacă acesta nu deține o licență similară.
Raza de comunicare
Raza de comunicare este determinată de posibilitatea organizării comunicării, i.e. puterea conexiunii RF dintre emițător și receptor și distanța la care pot menține o conexiune fiabilă. Când funcționează la aceeași putere și se utilizează același algoritm de modulație, un transmițător radio de 900 MHz oferă o conexiune mai fiabilă decât un transmițător de 2,4 GHz. Pe măsură ce frecvența spectrului de frecvență radio crește, distanța de transmisie a datelor scade, cu condiția ca toți ceilalți parametri să rămână neschimbați. Abilitatea de a pătrunde în pereți și obiecte scade și ea odată cu creșterea frecvenței. Frecvențele superioare din spectru prezintă proprietăți reflectorizante. De exemplu, unda radio de 2,4 GHz poate sări de pe pereții clădirilor și tunelurilor. Acesta poate fi folosit pentru a propaga semnalul pe distanțe lungi. Posibilele dificultăți sunt asociate cu apariția propagării pe mai multe căi sau cu absența completă a unui semnal din cauza reflexiei inverse.
FCC limitează puterea de ieșire a transmițătoarelor radio cu spectru împrăștiat. DSSS transmite în serie date la putere redusă, așa cum se arată mai sus și se încadrează în limitele FCC. Acest lucru limitează distanța de transmisie a transmițătoarelor radio DSSS și, astfel, le face nepotrivite pentru piața industrială. Transmițătoarele FHSS, pe de altă parte, transmit semnale de mare putere la anumite frecvențe într-o secvență de hop, dar puterea medie rămâne scăzută, așa că respectă reglementările. Semnalul FHSS este transmis la o putere mai mare decât semnalul DSSS, permițând operarea pe distanțe mai mari. Majoritatea transmițătoarelor FHSS pot transmite date pe o lungime de 20 km sau chiar pe distanțe mai mari folosind antene cu câștig mare.
Transmițătoare radio 802.11 disponibile în DSSS și FHSS. Acestea funcționează pe o gamă largă de frecvențe și cu rate de date de până la 54 Mbps. Dar trebuie remarcat faptul că lățimea de bandă indicată scade foarte mult odată cu creșterea distanței dintre modemurile radio. De exemplu, o distanță de 100 m reduce viteza de la 54 Mbps la 2 Mbps. Acesta este ideal pentru aplicații mici de birou sau acasă, dar nu pentru aplicații industriale în care datele trebuie transferate pe mai mulți kilometri.
Deoarece transmițătoarele radio în bandă îngustă funcționează la frecvențe joase, acestea pot fi o soluție bună dacă FHSS nu poate oferi intervalul de transmisie necesar. Necesitatea utilizării frecvențelor licențiate în bandă îngustă apare atunci când este necesară transmiterea datelor pe o distanță lungă sau transmisia trebuie să aibă loc mai aproape de suprafața Pământului, deoarece organizarea comunicației în zona de vizibilitate este imposibilă.
Securitate
Deoarece semnalul DSSS are o putere foarte mică, hackerilor nu este ușor să-l detecteze. Unul dintre principalele avantaje ale DSSS este capacitatea de a reduce energia semnalului prin răspândirea puterii semnalului original de bandă îngustă pe o lățime de bandă mai mare, reducând astfel densitatea spectrală a puterii. Acest lucru poate reduce nivelul semnalului la nivelul de zgomot al rețelei radio, făcându-l astfel „invizibil” pentru potențialii intrusi. În același timp, dacă „cipul” este cunoscut sau are o lungime mică, detectarea unei transmisii DSSS și recuperarea semnalului este mult mai ușoară deoarece are un număr limitat de frecvențe purtătoare. Multe sisteme DSSS oferă criptarea ca o caracteristică de securitate, deși aceasta crește costul sistemului și reduce eficiența operațională datorită puterii suplimentare utilizate pentru a codifica semnalul.
Pentru a se conecta cu succes la un sistem FHSS care rulează, un atacator trebuie să cunoască frecvențele utilizate, secvența hop, timpul de funcționare și metoda de criptare. Având în vedere că banda de 2,4 GHz are un timp de canal de 400 ms și peste 75 de canale în uz, este aproape imposibil să detectezi și să urmărești un semnal FHSS decât dacă receptorul este configurat pentru aceeași secvență de hop. În plus, majoritatea sistemelor FHSS vin cu funcții de securitate avansate, cum ar fi criptarea cheii dinamice și CRC.
Astăzi, rețelele locale fără fir (WLAN) devin din ce în ce mai populare. Ei folosesc standardul 802.11, un protocol deschis dezvoltat de IEEE. Wi-Fi este emblema standard folosită de Wireless Ethernet Compatibility Control Association (WECA) pentru a certifica produsele 802.11. Deși dispozitivele industriale FHSS nu acceptă standardul Wi-Fi și, prin urmare, nu sunt compatibile cu WLAN, pot apărea interferențe atunci când funcționează împreună din cauza funcționării în aceeași bandă de frecvență. Deoarece majoritatea produselor Wi-Fi operează în benzile de 2,4 sau 5 GHz, poate fi o idee bună să utilizați 900 MHz, cu permisiunea organului de conducere (doar 2,4 GHz este permis în Europa). De asemenea, va oferi protecție suplimentară împotriva sniffer-urilor RF (programe utilizate de hackeri) utilizate în banda de 2,4 GHz mai populară.
Securitatea rețelei a tehnologiilor wireless este una dintre cele mai discutate probleme. Articolele recente despre „mașina controlată de hacker” i-au făcut pe consumatorii potențiali și actuali să pună la îndoială eficiența protecției împotriva intruziunilor rețelei wireless. Trebuie înțeles că standardele 802.11 sunt standarde deschise, deci pot fi piratate cu ușurință.
Motivul confuziei în problemele de securitate este o înțelegere neclară a tehnologiei de funcționare a diferitelor sisteme fără fir. În prezent, Wi-Fi (802.11a, b și g) este, fără îndoială, cea mai bună tehnologie pentru multe aplicații IT, acasă și birouri mici. 802.11 este un standard deschis, așa că este ușor pentru un hacker calificat să ocolească securitatea rețelei și să preia controlul asupra sistemului.
Deci, cum se protejează utilizatorii tehnologiei fără fir de intruziuni? Multe aplicații bazate pe 802.11 oferă puțină sau deloc securitate, iar utilizatorul trebuie să fie bine versat în configurarea rețelelor private virtuale (VPN) sau a altor rețele de securitate, pentru a se proteja de atacuri. Dispozitivele altor standarde folosesc protocoalele producătorului pentru a proteja rețeaua de intruși, împreună cu utilizarea elementelor de securitate inerente tehnologiei cu spectru extins.
Ideea că rețelele care funcționează la o frecvență autorizată oferă o securitate mai mare este înșelătoare. Dacă frecvența este cunoscută, vă puteți conecta la rețea și, ghicind parola și spargerea sistemului de criptare, puteți prelua controlul deplin. Toate avantajele sistemelor cu spectru extins nu sunt disponibile deoarece frecvențele licențiate operează într-o bandă îngustă. Saltul de frecvență cu spectru extins este în prezent cea mai fiabilă și sigură tehnologie wireless.
Rețea radio mesh
Tehnologia rețelei radio mesh se bazează pe capacitatea emițătorilor radio de a comunica între ei. Această soluție a apărut nu cu mult timp în urmă și nu este încă utilizată pe scară largă în industrie. Există o serie de probleme cărora dezvoltatorii de tehnologie mesh nu au reușit încă să le facă față, cum ar fi întârzierea mare a transferului de date și debitul scăzut. Conceptul de rețea mesh nu este nou. Internetul și rețelele de telefonie sunt un exemplu excelent de rețea mesh într-o lume cu fir, în aceste rețele fiecare nod poate iniția comunicarea cu un alt nod și poate face schimb de informații.
În lumea wireless, lățimea de bandă, spectrul RF limitat și interferența sunt doar câteva dintre provocările cu care se confruntă rețelele mesh. Acum aceste rețele sunt încă cercetate și dezvoltate. Cele mai recente tehnologii mesh, cum ar fi rețelele hibride și structurate, au apărut abia recent. În prezent, există încă dovezi insuficiente pentru a susține fiabilitatea și siguranța rețelelor de plasă necesare pentru utilizare în medii industriale dure.
rezumat
În concluzie, alegerea tehnologiei radio depinde de cerințele fiecărei aplicații particulare. Pentru majoritatea aplicațiilor industriale, radiourile cu spectru extins cu salt de frecvență (Figura 5) sunt cea mai bună soluție datorită costului lor mai mic în comparație cu radiourile cu frecvență licențiate. Când distanțele mari limitează utilizarea nodurilor FHSS cu repetoare, cea mai bună soluție este utilizarea transmițătoarelor care funcționează într-o bandă îngustă de frecvență autorizată. Costul licenței poate fi mai mic decât costul instalării repetoarelor FHSS suplimentare.
Una dintre cele mai simple soluții este să invitați unul sau mai mulți reprezentanți ai unui producător de dispozitive wireless în fabrica dumneavoastră și să evaluați posibilitatea de a utiliza tehnologia propusă. De exemplu, Moore Industries a instalat unul dintre modulele lor de legături fără fir (WLM) ca „demo” la instalația menționată mai sus și a instalat antene și transmițătoare omnidirecționale la distanțe. Testele au arătat că nici măcar o clădire cu patru etaje nu este o piedică pentru comunicațiile wireless.
Crede-mă, posibilitățile tehnologiei wireless moderne te pot surprinde.
Apendice
Definiții
Grup Frecvență sau interval de frecvență Gama de frecvente Gama de frecvență sau lungimea spectrului de frecvență radio pe care este transmis un semnal. canal de bandă largă Canal radio cu o lățime de bandă de 1,5 Mbps sau mai mult pe o bandă de 1 MHz Colocare Operarea simultană a mai multor rețele radio într-o zonă. Demodularea Procesul de obținere și extragere a unui semnal digital original dintr-o undă purtătoare analogică modulată Tehnologia Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). O tehnologie de modulație care combină un semnal de informație cu o secvență de biți de mare viteză, cunoscută sub numele de „cip”, „împrăștiind” astfel semnalul pe o lățime de bandă mai mare. Puterea radiată efectivă (EIRP) Puterea semnalului emis de antenă. Este egală cu puterea transmițătorului minus pierderile de transmisie (cauzate de coaxial, conectori, paratrăsnet) plus câștigul antenei Institutul European de Standarde de Telecomunicații (ETSI) Autoritatea Europeană de Reglementare în Telecomunicații. Comisia Federală de Comunicații (FCC) Autoritatea de Reglementare a Comunicațiilor din SUA Salt de frecvență cu spectru extins (FHSS) O tehnică de modulație în care frecvența de transmisie (frecvența purtătoare) se modifică într-o secvență pseudo-aleatorie („sărituri”) la intervale de timp regulate. Benzile industriale, științifice și medicale (ISM). Benzile 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz și, respectiv, 5725-5875 MHz Interferență Suprapunerea a două sau mai multe unde radio care operează la frecvențe adiacente sau comune, ducând la apariția unei structuri de undă suplimentare Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor (ITU) Autoritatea Națiunilor Unite de Reglementare în Telecomunicații Linia de vedere (LOS) Un canal de comunicație între antenele de transmisie și de recepție, care este liber de obstacole fizice, cum ar fi copaci sau clădiri. Balanța puterii Calcul care ține cont de funcționarea tuturor componentelor care amplifică și atenuează semnalul radio (emițătoare, antene, cabluri etc.) pentru a determina distanța maximă pentru stabilirea unei comunicații radio fiabile Căi multiple Procesul de apariție a mai multor canale de propagare a semnalului, diferite de originalul canal de bandă îngustă Canal radio cu lățime de bandă de la 50 biți/s la 64 kbit/s Administrația Națională a Telecomunicațiilor și Informației (NTIA) Organism de reglementare care alocă frecvențe radio agențiilor guvernamentale din SUA Antenă omnidirecțională O antenă care primește și transmite semnale în toate direcțiile Densitatea spectrală de putere (PSD) Raportul dintre puterea totală a lățimii de bandă și lățimea de bandă Spread Spectrum O metodă de răspândire a unui semnal RF pe o bandă largă de frecvență cu putere redusă, spre deosebire de concentrarea întregii puteri la o singură frecvență, în cazul transmisiei de date în bandă îngustă. Lățimea de bandă Cantitatea de date primită de sistem în fiecare secundă transceiver Emițător și receptor radio într-o carcasă comună Rețea privată virtuală (VPN) O rețea de comunicații privată care utilizează tunelul criptografic pentru a securiza rețelele nesigure Protocol de criptare fără fir (WEP) Parte a standardului IEEE 802.11 care definește cerințele de securitate a rețelei fără fir Asociația de control al compatibilității Ethernet fără fir (WECA) Autoritate de certificare pentru tehnologia WLAN Fidelitate fără fir (Wi-Fi) Sigla standard utilizată de WECA pentru a identifica produsele certificate 802.11 Rețele locale fără fir (WLAN) Rețea de calculatoare bazată pe dispozitive radio Antena director Antenă care trimite și primește semnale doar într-un sector îngust Cele mai multe camere digitale moderne oferă utilizatorilor posibilitatea de a alege între utilizarea intervalului ISO standard și modul său extins.
Fotografii cu experiență știu bine care funcții ale camerei sunt cu adevărat utile și care nu sunt practic utilizate în muncă și adăugate de producător ca un strat de marketing. Începătorii, atunci când aleg o cameră, se pot confunda cu ușurință în toată varietatea de opțiuni, de exemplu, ce este ISO și cum să aleagă intervalul de operare ISO corect.
Alegeți între intervalul ISO standard și extins
Când schimbă valoarea ISO pe o cameră digitală, utilizatorul ajustează puterea semnalului, schimbând astfel raportul câștig forțat la lizibilitatea senzorului de lumină. Există anumite valori minime și maxime de câștig ISO \u200b\u200b - acest interval este numit standard. După scăderea sau depășirea valorilor nominale, senzorii camerei nu vor putea citi în mod adecvat datele.
Până la un timp, pragul superior al valorii ISO a fost considerat de neclintit, dar dezvoltarea rapidă a hardware-ului și software-ului camerelor moderne a făcut posibilă țintirea la înălțimi incredibile. Același lucru este valabil și pentru valoarea mai mică a intervalului ISO - tehnologia modernă o poate reduce semnificativ. De fapt, realizarea de fotografii folosind un interval ISO extins este ca și post-procesarea unei fotografii într-un computer, doar că acest proces are loc direct în camera în sine.
Cum poate afecta intervalul ISO crescut fotografiile
Camerele cu o gamă ISO mare utilizează senzori cu sensibilitate standard la lumină, la fel ca în camerele convenționale. Intervalele ISO extinse precum ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 sunt obținute prin utilizarea senzorilor convenționali și a circuitelor electronice, a căror sensibilitate este mărită de software. De aici rezultă că gama ISO extinsă nu este altceva decât un truc de marketing.
Afirmațiile că camera poate filma până la ISO 102400 sunt impresionante pentru fotografi începători, dar asta nu înseamnă că cumpără un senzor cu o sensibilitate atât de mare la lumină atunci când cumpără o cameră. De fapt, aceste valori sunt atinse datorită software-ului și se manifestă adesea într-o calitate slabă a imaginii, cu mult zgomot digital.
Fotografiile realizate la ISO extrem de ridicate vor arăta bine doar atunci când sunt fotografiate în alb-negru, ceea ce anulează avantajul similar al camerelor cu intervale ISO extinse.
Un utilizator atent va observa cu siguranță că camera din intervalul ISO extins ia cadre în format JPEG, dar nu și în RAW. Acest lucru se datorează faptului că atunci când fotografiați în modul RAW, se formează un negativ digital cu o procesare minimă, deoarece acest lucru extinde posibilitățile la postprocesarea cadrelor folosind editori foto. (Totuși, trebuie remarcat faptul că unii producători permit utilizarea unui interval ISO extins atunci când fotografiați în format RAW.)
Poate exista un anumit beneficiu în utilizarea intervalului ISO crescut pentru fotografi JPEG care nu postprocesează imaginile. Totuși, trebuie luat în considerare faptul că calitatea va trebui să-ți închidă ochii.
Spectrul răspândit joacă un rol extrem de important în tehnologiile de comunicații radio. Această metodă nu se încadrează în niciuna dintre categoriile definite în capitolul anterior deoarece poate fi utilizată pentru a transmite atât date digitale, cât și analogice folosind un semnal analogic.
Inițial, metoda cu spectru răspândit a fost creată în scopuri militare și de informații. Ideea principală a metodei este de a distribui semnalul de informații pe o bandă radio largă, ceea ce va face în cele din urmă mult mai dificilă suprimarea sau interceptarea semnalului. Prima schemă de spectru extins dezvoltată este cunoscută sub numele de metoda agilității frecvenței. O schemă mai modernă cu spectru răspândit este metoda secvenței directe. Ambele metode sunt utilizate în diverse standarde și produse wireless.
Mai jos, după o scurtă trecere în revistă, aceste metode cu spectru răspândit sunt discutate în detaliu. În plus, metoda de acces multiplu cu spectru răspândit va fi explorată în acest capitol.
Oricât de incredibil ar părea, agilitatea frecvenței a fost inventată de starul de film de la Hollywood Hedy Lamarr în 1940, la vârsta de 26 de ani. În 1942, Lamarr și-a brevetat invenția (S.U.A. 2.292.387 din 11 august 1942) cu un partener care a început să ia parte la lucrare puțin mai târziu. Fata nu a primit niciun profit din brevet, având în vedere că metoda de comunicare pe care a descoperit-o a fost contribuția ei la participarea SUA la al Doilea Război Mondial.
7.1. Conceptul de spectru răspândit
Pe fig. 7.1 prezintă elementele cheie ale unui sistem cu spectru răspândit. Semnalul de intrare ajunge la codificatorul de canal, care generează un semnal analogic cu o lățime de bandă relativ îngustă centrată pe o anumită frecvență. Semnalul este apoi modulat cu o secvență de numere numită cod de împrăștiere sau secvență de împrăștiere. De obicei, deși nu întotdeauna, codul de extensie este generat de un generator de numere aleatorii. Ca rezultat al modulării, lățimea de bandă a semnalului transmis este extinsă semnificativ (cu alte cuvinte, spectrul semnalului este extins). La recepție, semnalul este demodulat folosind același cod de împrăștiere. Ultimul pas este să trimiteți semnalul către decodorul de canal pentru recuperarea datelor.
Orez. 7.1. Schema generală a unui sistem de comunicații digitale folosind spectru împrăștiat
Surplusul de spectru oferă următoarele beneficii.
Imunitate la semnal la diferite tipuri de zgomot, precum și la distorsiunile cauzate de propagarea pe mai multe căi. Pentru prima dată, spectrul răspândit a fost folosit în scopuri militare datorită rezistenței semnalului de răspândire la încercările de bruiaj.
Spectrul extins vă permite să ascundeți și să criptați semnalele. Doar un utilizator care cunoaște codul extensiei poate recupera datele criptate.
Mai mulți utilizatori pot folosi aceeași bandă de frecvență în același timp cu interferențe reciproce extrem de reduse. Această caracteristică este utilizată într-o tehnologie de comunicații mobile cunoscută sub numele de multiplexare prin diviziune de cod (CDM) sau acces multiplu cu diviziune de cod (CDMA).
Metodă răspândirea spectrului cu salt de frecvență (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) se bazează pe o schimbare constantă a purtătorului într-un interval larg de frecvență.
Frecvența purtătoarei F1, ..., FN se modifică aleatoriu după o anumită perioadă de timp, numită perioada de limitare (cip) , în conformitate cu algoritmul ales pentru generarea unei secvențe pseudoaleatoare. Fiecare frecvență este modulată (FSK sau PSK). Transmisia la o frecvență se efectuează pentru un interval de timp fix, timp în care este transmisă o anumită porțiune de date (Date). La începutul fiecărei perioade de transmisie, biții de sincronizare sunt utilizați pentru a sincroniza receptorul cu transmițătorul, ceea ce reduce rata de transmisie utilă.
În funcție de rata de schimbare a purtătorului, există 2 moduri de spectru extins:
Răspândirea lentă a spectrului - mai mulți biți sunt transmisi într-o perioadă de tăiere;
răspândirea rapidă a spectrului - un bit este transmis pe mai multe perioade de tăiere, adică se repetă de mai multe ori.
În primul caz perioada de transmitere a datelor Mai puțin perioada de transfer de cip, în al doilea - mai mult.
Metoda cu spectru de răspândire rapidă oferă o transmisie de date mai fiabilă în prezența interferențelor din cauza repetării repetate a valorii aceluiași bit la frecvențe diferite, dar este mai dificil de implementat decât metoda cu spectru de răspândire lentă.
Spectru de răspândire în serie directă
Metoda Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) este după cum urmează.
Fiecare „un” bit din datele transmise este înlocuit cu o secvență binară de N bit numit secvență de expansiune , iar bitul „zero” este codificat de valoarea inversă a secvenței de împrăștiere. În acest caz, viteza de transmisie este crescută cu N de ori, prin urmare, spectrul semnalului se extinde și el N o singura data.
Cunoscând intervalul de frecvență alocat pentru transmisia fără fir (linii de comunicație), puteți selecta în mod corespunzător rata și valoarea datelor N astfel încât spectrul semnalului să umple întreaga gamă.
Scopul principal al codării DSSS, ca FHSS, este de a îmbunătăți imunitatea la zgomot.
Viteza cipului– rata de transmisie a codului rezultat.
Factorul de expansiune- numărul de biți Nîn ordine de extindere. De obicei N este în intervalul de la 10 la 100. Cu atât mai mult N, cu atât spectrul semnalului transmis este mai mare.
DSSS este mai puțin imun la interferențe decât spectrul de răspândire rapidă.
Acces multiplu de diviziune de cod
Metodele de răspândire a spectrului sunt utilizate pe scară largă în rețelele celulare, în special, atunci când se implementează metoda de acces CDMA (Code Division Multiple Access) - acces multiplu prin diviziune de cod . CDMA poate fi utilizat împreună cu FHSS, dar mai frecvent cu DSSS în rețelele fără fir.
Fiecare nod de rețea folosește propria sa secvență de răspândire, care este aleasă astfel încât nodul receptor să poată extrage date din semnalul de sumă.
Avantajul CDMA constă în securitatea crescută și secretul transmisiei de date: fără a cunoaște secvența de răspândire, este imposibil să primiți un semnal și, uneori, chiar să detectați prezența acestuia.
Tehnologia WiFi. Tehnologia Wimax. Rețele personale fără fir. Tehnologia Bluetooth. Tehnologia Zigbee. Rețele de senzori fără fir. Comparația tehnologiilor wireless.
Tehnologia WiFi
Tehnologia LAN fără fir (WLAN) este definită de stiva de protocol IEEE 802.11, care descrie un strat fizic și un strat de legătură de date cu două substraturi: MAC și LLC.
La nivelul fizic, sunt definite mai multe variante de specificații, care diferă:
intervalul de frecvență utilizat;
Metoda de codificare
viteza de transfer de date.
Opțiuni pentru construirea de rețele LAN fără fir din standardul 802.11, numite WiFi.
IEEE 802.11 (opțiunea 1):
mediu de transmisie - radiație infraroșie;
transmisie în linia de vedere;
Sunt utilizate 3 variante de propagare a radiațiilor:
antenă omnidirecțională;
Reflecție din tavan;
Radiație direcțională focalizată ("punct-la-punct").
IEEE 802.11 (opțiunea 2):
metoda de codificare - FHSS: până la 79 de benzi de frecvență lățime
1 MHz, durata fiecăruia fiind de 400 ms (Fig. 3.49);
· la 2 stări ale semnalului, lățimea de bandă a mediului de transmisie este de 1 Mbps, la 4 - 2 Mbps.
IEEE 802.11 (opțiunea 3):
mediu de transmisie - banda de microunde 2,4 GHz;
Metoda de codificare - DSSS cu cod de 11 biți ca secvență de extindere: 10110111000.
IEEE 802.11a:
1) interval de frecvență - 5 GHz;
2) rate de transfer: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps;
3) metoda de codificare - OFDM.
Dezavantaje:
Echipament prea scump
· În unele țări, frecvențele din acest interval sunt supuse licenței.
IEEE 802.11b:
1) interval de frecvență - 2,4 GHz;
2) rata de transfer: până la 11 Mbps;
3) metoda de codificare - DSSS modernizat.
IEEE 802.11g:
1) interval de frecvență - 2,4 GHz;
2) rata maximă de transfer: până la 54 Mbps;
3) metoda de codificare - OFDM.
În septembrie 2009, a fost aprobat standardul IEEE 802.11n. Utilizarea acestuia va crește rata de transfer de date de aproape patru ori comparativ cu dispozitivele standard 802.11g. Teoretic, 802.11n este capabil să ofere rate de transfer de date de până la 600 Mbps. Raza de acțiune a rețelelor wireless IEEE 802.11 este de până la 100 de metri.
Tehnologia WiMax
Tehnologia de acces wireless în bandă largă WiMax este reprezentată de grupul de standarde IEEE 802.16 și a fost concepută inițial pentru a construi rețele wireless extinse (până la 50 km) aparținând clasei de rețele regionale sau metropolitane.
Standardul IEEE 802.16 sau IEEE 802.16-2001 (decembrie 2001), care a fost primul standard punct-la-multipunct, s-a concentrat pe operarea în spectrul de la 10 la 66 GHz și, prin urmare, a necesitat ca emițătorul și receptorul să fie în linia de vedere, ceea ce reprezintă un dezavantaj semnificativ, mai ales în oraș. Conform specificațiilor descrise, rețeaua 802.16 ar putea deservi până la 60 de clienți la o rată de legătură T-1 (1.554 Mbps).
Ulterior, au apărut standardele IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 și IEEE 802.16e (mobile WiMax), în care a fost eliminată cerința privind linia de vedere între emițător și receptor.
Principalii parametri ai standardelor de tehnologie WiMax enumerate.
Luați în considerare principalul diferențe de tehnologie WiMax de la WiFi.
1. Mobilitate redusă. Inițial, standardul a fost dezvoltat pentru comunicația wireless fixă pe distanțe lungi și a prevăzut mobilitatea utilizatorilor în interiorul clădirii. Abia în 2005 a fost dezvoltat standardul IEEE 802.16e pentru utilizatorii de telefonie mobilă. În prezent, noi specificații 802.16f și 802.16h sunt dezvoltate pentru rețelele de acces care acceptă operarea clienților mobili (mobili) la viteza lor de până la 300 km/h.
2. Folosind radiouri și transmițătoare mai bune duce la costuri mai mari pentru construirea unei rețele. 3. distante lungi pentru transmiterea datelor trebuie rezolvate o serie de probleme specifice: formarea semnalelor de diferite puteri, utilizarea mai multor scheme de modulație și problemele securității informației.
4. Numar mare de utilizatoriîntr-o singură celulă.
5. Debit mai mare furnizate utilizatorului.
6. Servicii de înaltă calitate pentru traficul multimedia.
Inițial se credea că IEEE 802.11 – analog mobil Ethernet, 802.16 – fără fir televiziune analogică fixă prin cablu. Cu toate acestea, apariția și dezvoltarea tehnologiei WiMax (IEEE 802.16e) pentru a sprijini utilizatorii de telefonie mobilă face ca această afirmație să fie discutabilă.
