Bezdrátové systémy v přístupové síti
Autor: Z. Kocur, M. Šafránek <kocurz1(at)fel.cvut.cz?cc=safram1(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Bezdrátový přístup, Vydáno dne: 03. 02. 2008Wireless systems for access networks
Abstract
This work is an introduction to wireless networks, based on standards known as Wi-Fi and WiMAX. Next papers, which describe number of information from area of application, measuring and further development of those networks, based on experiments and gained practise of authors, will refer to this work.Konec 20. a počátek 21. století jsou charakteristické bouřlivým rozvojem internetu a služeb, které nabízí. K internetu se připojuje stále více zájemců a nároky na přenosovou kapacitu ke koncovým uživatelům se neustále zvětšují. Provoz on-line videa nebo hlasových služeb si žádá přenosové kapacity v jednotkách Mbit/s. V místech se špatnou dostupností xDSL služeb, je třeba přistoupit na jiné alternativy připojení.
Bezdrátové systémy nabízejí elegantní, spolehlivé a relativně levné řešení vysokorychlostního datového připojení. V současné době se nejvíce prosazují zařízení dle standardu IEEE 802.11 (Wi-Fi) a nově se na trhu objevují zařízení dle standardu IEEE 802.16 (WiMAX). Oba systémy mají mnoho společného, ale nabízené služby se výrazně odlišují.
Oba systémy se také odlišují tím, v jakých pásmech pracují. Sítě Wi-Fi jsou provozovány v tzv. pásmech ISM (Industrial Specific Medical). ISM pásma jsou celosvětově rozšířená bezlicenční pásma na frekvencích: 900 MHz, 2,4 – 2,48 GHz a 5,1 – 5,8 GHz. V České republice vymezuje provoz v bezlicenčních pásmech všeobecné oprávnění ČTÚ VO-R/12/08.2005-34. WiMAX narozdíl od Wi-Fi je v současné době provozován výhradně v licencovaných pásmech. V současné době se nejvíce využívá pásmo 3,5 GHz.
Bezdrátové sítě vznikly jako náhrada klasických kabelových sítí a jsou určeny k přenosu informace v místech, kde je realizace kabelového propojení nákladná, případně z technických důvodů nereálná (horské oblasti, městské aglomerace, budovy atd.).
 |
Obrázek 1. Distribuční systém (topologie bod- bod)
Typická bezdrátová síť se skládá z distribučního systému (Ethernet, ATM, SDH, atd.), který je na obrázku 1 označen DS, přístupového bodu a klientské stanice. Informace se mezi přístupovým bodem a stanicí zákazníka šíří volným prostorem (bezdrátovým médiem) v podobě elektromagnetického vlnění. Na rozdíl od kabelových sítí existuje v bezdrátových sítích mnohem větší volnost při návrhu topologie a následné realizaci sítě. V závislosti na určení bezdrátové sítě (distribuční, páteřní) lze bezdrátová zařízení mezi sebou propojit několika způsoby. V praxi jsou nejvíce provozovány sítě založené na topologii bod - bod nebo bod-mnoho bodů. První jmenovaná topologie se používá pro vytváření páteřních propojení. Tyto spoje mají větší přenosovou kapacitu a díky použití směrových antén jsou odolnější vůči rušení. Topologie bod - mnoho bodů (obrázek. 2) se používá v přístupových sítích a slouží k propojení koncových uživatelů s distribučním systémem. V distribučních sítích se většinou všichni uživatelé sdílejí jeden komunikační kanál, čímž se zvyšuje pravděpodobnost interferencí a stoupá šum na pozadí, který znehodnocuje komunikaci. Kromě těchto klasických topologií se v současné době objevují i sítě se zapojením v podobě mřížky, tzv. Mesh topologie, která je zobrazena na obrázku 3. V Mesh síti si jsou všechny komunikující stanice rovny a mohou mezi s sebou komunikovat bez přispění řídícího prvku. Síť má v sobě implementovány algoritmy pro automatické vyvažování provozního zatížení a změny v topologii při výpadku nebo nedostupnosti některé ze stanic. Jelikož každá klientská stanice funguje zároveň jako přístupový bod, výstavba celé sítě je ekonomičtější oproti sítím s přístupovými body a k nim připojeným klientům. Dualita zákaznických stanic nepřináší jen výhody, ale i jednu velkou nevýhodu, kterou je sdílení přenosové kapacity s ostatními připojenými zákazníky.
 |
Obrázek 2. Topologie bod – mnoho bodů
V průběhu vývoje bezdrátových sítí vzniklo a stále vzniká mnoho prostředků a metod pro zkvalitnění komunikace mezi bezdrátovými zařízeními. Cílem vývojářů je vytvořit bezdrátový přenosový systém, kterým lze bezchybně přenést velké množství dat a jehož pořizovací náklady jsou úměrné jeho užitné hodnotě. Následující odstavce jsou věnovány zevrubnému popisu nejpoužívanějších způsobů komunikace v rádiovém kanálu současných bezdrátových zařízení určených pro lokální a přístupové sítě (Wi-Fi, WiMAX).
 |
Obrázek 3. Topologie Mesh
Bezdrátové systémy pro obousměrnou komunikaci (duplexní) mohou existovat ve variantě s frekvenčním dělením FDD (Frequency Division Duplex) a časovým dělením TDD (Time Division Duplex). V systémech s frekvenčním dělením je vysílání a příjem realizován na rozdílných kanálech. U systému s časovým dělením probíhá komunikace na jednom kanálu, ale v rozdílných časových okamžicích. Princip obou systémů je znázorněn na obrázku 4. Systémy s frekvenčním dělením nabízejí vyšší přenosové rychlosti, odolnost a dosah, ale na úkor použití dvou frekvenčních kanálů. Systémy s časovým dělením potřebují kanál jen jeden, ale jsou náchylnější na ztrátu kvality přijímaného signálu a vykazují horší vlastnosti při mobilitě uživatele.
 |
Obrázek 4. Princip frekvenčního a časového dělení
Bezdrátové systémy používají pro přenos informací volným prostorem elektromagnetické vlny (tzv. nosné vlny), na kterých jsou namodulována uživatelská data. V současné době existují dva druhy systémů: Systémy, které používají jednu nosnou, ty se označují zkratkou SC (Single Carrier) a systémy, které používají více nosných vln. Tyto systémy se označují zkratkou MC (Multi Carrier). Typickým zástupcem MC systému je Ortogonální frekvenční multiplex OFDM (Orthogonaly Frequency Division Multiplex). U SC je typickým zástupcem systém s přímým rozprostíráním spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) a systém s rozprostíráním spektra pomocí frekvenčního skákání FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).
Systém DSSS je systém s přímým rozprostíráním spektra, kdy rozprostírání spektra se děje přidáním redundantních informací do přenášených dat. Takto rozprostřený signál je pak méně náchylný k chybám způsobených během přenosu přes rádiové rozhraní. Rozprostírání se provádí tak, že každý bit přenášené informace je pomocí funkce XOR skombinován s pseudonáhodným numerickým kódem. Tento pseudonáhodný numerický kód se nazývá „rozprostírací posloupnost“. Bity této posloupnosti se nazývají „čipy (chips)“, přičemž jejich čipová rychlost je obvykle podstatně vyšší než bitová rychlost přenášených dat. Takto rozprostřená posloupnost je pak modulována na nosnou frekvenci a přenášena přes radiové prostředí. Způsob rozprostírání spektra je patrný z obrázků. 5 a 6.
 |
Obrázek 5. Způsob přímého rozprostírání spektra
 |
Obrázek 6. Princip rozprostření spektra
Další možností rozprostírání spektra je frekvenční skákání. Podstata systému FHSS spočívá v tom, že vstupní datová posloupnost je vysílána na několika frekvencích. Tyto frekvence jsou měněny podle pseudonáhodné posloupnosti, která musí být známa jak na vysílací straně, tak i na přijímací a v obou zařízeních musí být tato posloupnost synchronizována. Frekvenční skákání může být realizováno dvěma způsoby. Buď jako rychlé frekvenční skákání FFHSS (Fast Frequency Hopping Spread Spectrum) a nebo pomalé frekvenční skákání SFHSS (Slow Frequency Hopping Spread Spectrum). U pomalého frekvenčního skákání je rychlost pseudonáhodné posloupnosti, podle které se ve frekvenci skáče, pomalejší než rychlost posloupnosti datové. Pokud je tomu naopak, pak se jedná o rychlé frekvenční skákání. Ve skutečnosti to pak znamená, že při pomalém frekvenčním skákání je několik bitů datové posloupnosti odesláno na jedné frekvenci a pak se skočí na jinou frekvenci a zde je odesláno opět několik bitů. V případě rychlého frekvenčního skákání je jeden bit datové posloupnosti vysílán na několika frekvencích. Velká výhoda systémů, které pracují podle FHSS, je že jsou odolné vůči rušení. Nevýhodou pak, že tyto systémy dosahují malých přenosových rychlostí. Další nevýhoda FHSS je produkce značného rušení pro okolní systémy, které pracují ve stejném pásmu. Skákání mezi kmitočty totiž působí jako impulsní rušení. V praxi se ukázalo, že lze provozovat v jedné oblasti maximálně 20 stanic, založených na FHSS.
 |
Obrázek 7. Princip FHSS
Systém OFDM je založen na převodu vstupního vysokorychlostního sériového datového toku na řadu pomalejších paralelních datových toků. Ty jsou poté modulovány na řadu sub-nosných vln a přenášeny k přijímači. Tam se opačným postupem demodulují a převádí na vysokorychlostní sériový signál [1].
Základní koncepce systému OFDM je zobrazena na obrázku 8. Na vstup je přiveden sériový binární datový tok. Ten se v sériově paralelním převodníku SPC cyklicky dělí do většího počtu N paralelních složek. Soustava všech paralelních modulačních symbolů vytváří OFDM symbol. Jeho jednotlivé složky se modulují na soustavu N sub-nosných vln a ty jsou vyslány k přijímači.
![Obrázek 8. Princip OFDM [1]](storage/200802032018_8_ofdm.png "Obrázek 8. Princip OFDM [1]") |
Obrázek 8. Princip OFDM [1]
 |
Obrázek 9. Částečný překryv nosných frekvencí
Spektrální účinnost OFDM systému je velmi vysoká díky částečnému překryvu sousedních sub-kanálů. Použité sub-nosné vlny vytvářejí ortogonální soustavu, a proto se tyto vlny vzájemně neovlivňují. Ukázka překryvu sub-nosných vln je na obrázku 9. Tato ortogonalita se však nedá ve skutečnosti dosáhnout realizací modulátoru podle obrázku 8. OFDM modulátor se realizuje digitálně pomocí signálového procesoru, který vykonává matematickou operaci inverzní Fourierovy transformace, která převádí signál z frekvenční oblasti (posloupnost subkanálů) na signál v časové oblasti (výsledný časový průběh superpozice subkanálů).
Další velkou výhodou principu rozložení přenášené informace do řady subkanálů (kanálů může být několik stovek) přináší výrazné potlačení vlivu interferencí způsobených vícecestným šířením signálu. Vícecestné šíření signálu je způsobeno odrazem od překážek a je znázorněno na obrázku 10.
 |
Obrázek 10. Princip vícecestného šíření signálu
Samozřejmě, že i systém OFDM má své nedostatky. Mezi hlavní nevýhody OFDM patří citlivost na frekvenční offset (jitter) subnosných vln nacházejících se velmi blízko sebe. Další nevýhodou je, že obálka časového průběhu signálu OFDM není konstantní, ale připomíná průběh gaussovského šumu. Přitom se signál OFDM vyznačuje velkou hodnotu CF (Crest Factor), který je definován jako poměr špičkového výkonu signálu ku jeho střednímu výkonu. Z tohoto důvodu je nutné zesilovat signály OFDM v lineárních zesilovačích a vede to k velkému ztrátovému výkonu koncových zesilovačů.
V následujícím článku budou popsány vlastnosti a funkce zařízení vyrobených dle standardu IEEE 802.11x. Tato zařízení používají výše zmíněné principy komunikace v rádiovém kanálu.
[2] Základy šíření vln pro plánování pozemních rádiových spojů. BEN - technická literatura, Praha. 2007. ISBN 978-80-7300-223-7. 200.
[3] Bezdrátové systémy v přístupové a lokální síti. Telekomunikace. roč. XLIV, č. 5/2007. ISSN 0040-2591. s. 20-22.
[4] Bezdrátové systémy v přístupové síti. Česká elektrotechnická společnost, Praha. roč. XLIV, č. 5/2007. ISBN 978-80-02-01922-0. s. 35-38.
Příspěvek vznikl v rámci projektu MPO FI-IM3/180.