Технологии расширения спектра

Для того, чтобы послать радиосигнал большой мощности в СВЧ-диапазоне, нужен дорогостоящий передатчик с усилителем и дорогостоящая антенна большого диаметра. Для того, чтобы принять без помех сигнал малой мощности, также нужна дорогая большая антенна и дорогой приемник с усилителем.

Так обстоит дело при использовании обычного "узкополосного" радиосигнала, когда передача происходит на одной определенной частоте, а точнее, в узкой полосе радио-спектра, окружающей эту частоту (частотном канале). Картину усложняют еще и различные взаимные помехи между узкополосными сигналами большой мощности, передаваемыми близко друг от друга или на близких частотах. В частности, узкополосный сигнал может быть просто заглушен (случайно или намеренно) передатчиком достаточной мощности, настроившимся на ту же частоту.

Именно эта незащищенность от помех обычного радиосигнала вызвала к жизни разработку, сначала для военных применений, совершенно иного принципа радиопередачи, называемого технологией широкополосного сигнала, или шумоподобного сигнала (обоим вариантам термина соответствует аббревиатура Spread Spectrum). После многих лет успешного оборонного использования эта технология нашла и гражданское применение, и именно в этом качестве она будет здесь обсуждаться.

Обнаружилось, что кроме своих характеристических свойств (собственная помехозащищенность и низкий уровень создаваемых помех), данная технология оказалась относительно дешевой при массовом производстве. Экономичность происходит за счет того, что вся сложность широкополосной технологии запрограммирована в нескольких микроэлектронных компонентах ("чипах"), а стоимость микроэлектроники при массовом производстве очень мала. Что же касается остальных компонентов широкополосных устройств - СВЧ-электроники, антенн - то они дешевле и проще, чем в обычном "узкополосном" случае, за счет чрезвычайно малой мощности используемых радиосигналов.

Идея Spread Spectrum состоит в том, что для передачи информации используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется при обычной (в узком частотном канале) передаче. Разработано два принципиально различающихся между собой метода использования такой широкой полосы частот - метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Оба эти метода предусматриваются стандартом 802.11 (Radio-Ethernet).

Современное состояние беспроводной связи определяется ситуацией со стандартом IEEE 802.11. Разработкой и совершенствованием стандарта занимается рабочая группа по беспроводным локальным сетям (Working Group for Wireless Local Area Networks) комитета по стандартизации Института Инженеров Электротехники и Электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) под председательством Вика Хэйса (Vic Hayes) из компании Lucent Technologies. В группе около ста членов с решающим и около пятидесяти с совещательным голосом; они представляют практически всех изготовителей оборудования, а также исследовательские центры и университеты. Четыре раза в год группа собирается на пленарные заседания и принимает решения по совершенствованию стандарта.

Стандарт определяет один тип протокола доступа к среде MAC-уровня и три различных протокола для физических (PHY) каналов.

На MAC-уровне определяются базовые составляющие архитектуры сети и перечень услуг, предоставляемых этим уровнем. Предусмотрено два типовых варианта архитектуры беспроводных сетей:

Независимая конфигурация “ad-hoc”, когда станции могут связываться непосредственно друг с другом. Площадь такой сети и функциональные возможности ограничены.

Инфраструктурная конфигурация, при которой станции связываются через точку доступа, либо работающую автономно, либо подключенную к кабельной сети. Стандарт определяет интерфейс радиоканала между станциями и точкой доступа. Точки доступа могут соединяться между собой с помощью радиомостов или сегментов кабельной сети.

В стандарте зафиксирован протокол использования единой среды передачи, получивший название Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Вероятность конфликтов для беспроводных узлов минимизируется путем предварительной отправки всем узлам короткого сообщения (ready to send, RTS) об адресате и продолжительности предстоящей передачи. Узлы задерживают передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция отвечает на RTS посылкой (CTS), по которой передающий узел узнает, свободна ли среда и готов ли узел к приему. После приема пакета данных узел передает подтверждение (ACK) безошибочного приема. Если ACK не получено, пакет данных будет передан повторно.

Предусмотренная стандартом спецификация предписывает разбиение данных на пакеты, снабженные контрольной и адресной информацией. После этой информации, занимающей около 30 байт, следует информационный блок длиной до 2048 байт. Затем следует 4-байт CRC-код информационного блока. Стандарт рекомендует использовать пакеты длиной 400 байт для физического канала типа FHSS и 1500 или 2048 для канала DSSS.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, включающее аутентификацию (для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней) и шифрование данных по алгоритму RC4 с 40-разрядным ключом. Для портативных компьютеров стандарт предусматривает режим энергосбережения: перевод устройства в “дремлющий” режим и вывод его из этого состояния на непродолжительное время, необходимое для приема служебного сигнала от узлов сети, начинающих передачу. Предусмотрен также режим роуминга, позволяющий мобильному абоненту передвигаться между точками доступа без потери связи.

Расширение спектра

На физическом уровне стандарт допускает использование одного из двух типов радиоканалов и одного типа канала инфракрасного диапазона. Оба типа радиоканалов используют технологию расширения спектра, приводящую к уменьшению среднего значения спектральной плотности мощности сигнала благодаря распределению энергии в полосе частот, более широкой, чем необходимо для обеспечения заданной скорости передачи. Эта технология позволяет уменьшить уровень создаваемых помех и обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема.

Первый тип радиоканала — Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY. Предусмотрена скорость передачи 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с). Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссову частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK). При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссову закону от номинального значения до значения +170 кГц и возвращается к номинальному значению. Для передачи нуля частота сигнала изменяется на величину –170 кГц. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты (+225, +75, –75, –225 кГц), поэтому каждая элементарная посылка (символ) переносит два бита сообщения. Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц, независимо от скорости передачи. Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне от 2402 до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для расширения спектра частота сигнала изменяется по псевдослучайному закону не реже одного раза в 400 мс.

Второй тип радиоканала — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Radio PHY. В этом варианте предусматривается передача со скоростями 1 и 2 Мбит/с. При скорости передачи 1 Мбит/с используется двоичная фазовая манипуляция — Binary Phase Shift Keying (BPSK). Единичный бит представляется 11-элементным кодом Баркера вида 11100010010, а нулевой бит — инверсным кодом Баркера. Элементарные символы кода Баркера не переносят информации, биты передаются сразу всем кодом Баркера — прямым или инверсным. Это позволяет придать сигналу свойства шума, обеспечивающие помехоустойчивость. Ширина спектра такого сигнала составляет 22 МГц. Для скорости 2 Мбит/с стандарт предусматривает квадратурную фазовую манипуляцию — QPSK. На длительности символа сообщения в этом случае передаются два бита. Для этого необходимо уже не два, а четыре различных сигнала. Поэтому вместе с основным несущим колебанием используется дополнительное, сдвинутое относительно него по фазе на 90°. Фаза каждого из этих колебаний управляется прямой или инверсной последовательностью Баркера, и оба колебания складываются. Таким образом, на длительности символа сигнал имеет четыре степени свободы, позволяющие передавать два бита. При этом скорость передачи увеличивается вдвое при сохранении той же полосы частот, что и при двоичной передаче. Для передачи сигнала DSSS используется одна из 14 перекрывающихся частотных полос, определенных стандартом в общей полосе частот 83,5 МГц.

Для инфракрасного канала (Infrared PHY) стандарт предусматривает скорость 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с) с импульсно-позиционной модуляцией. Большого интереса этот тип канала не представляет, поскольку дальность передачи, предусмотренная стандартом, не превышает 20 м.

Существует несколько различных технологий уширения спектра, однако для дальнейшего понимания протокола 802.11 нам необходимо детально познакомиться лишь с технологией уширения спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Технология DSSS

При потенциальном кодировании информационные биты — логические нули и единицы — передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность информационного бита, тем больший спектр занимает такой сигнал.

Для преднамеренного уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в технологии DSSS в каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) в буквальном смысле встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты — логические нули или единицы — при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип — это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n-раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.

Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.

Как уширить спектр сигнала и сделать его неотличимым от естественного шума, понятно. Для этого, в принципе, можно воспользоваться произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Однако, возникает вопрос: а как такой сигнал принимать? Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так то просто, если вообще возможно. Оказывается, возможно, но для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот и любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Использование технологии уширения спектра позволяет предавать данные на уровне естественного шума.

Коды Баркера

Чиповых последовательностей, отвечающих указанным требованиям автокорреляции, существует достаточно много, но для нас особый интерес представляют так называемые коды Баркера, поскольку именно они используются в протоколе 802.11.

Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение.

В протоколах семейства 802.11 используется код Баркера длиной в 11 чипов (11100010010).

Для того чтобы передать сигнал логическая единица передается прямой последовательностью Баркера, а логический нуль – инверсной последовательностью.

Скорость 1 Мбит/с

В стандарте 802.11 предусмотрено два скоростных режима: 1 и 2 Мбит/с. Для кодирования данных на физическом уровне используется метод DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера. При информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составляет 11×106 чип/с, а ширина спектра такого сигнала составляет 22 МГц. Учитывая, что ширина частотного диапазона составляет 83,5 МГц, получаем, что всего в данном частотном дипазоне можно уместить 3 неперекрывающихся частотных канала. Весь частотный диапазон, однако, принято делить на 11 частотных перекрывающихся каналов по 22 МГц, отстоящих друг от друга на 5 МГц. К примеру, первый канал занимает частотный диапазон от 2400 до 2423 МГц и центрирован относительно частоты 2412 МГц. Второй канал центрирован относительно частоты 2417 МГц, а последний, 11 канал, центрирован относительно частоты 2462 МГц. При таком рассмотрении первый, шестой и 11 каналы не перекрываются друг с другом и имеют 3 мегагерцовый зазор друг относительно друга. Именно эти три канала могут использоваться независимо друг от друга.

Для модуляции синусоидального несущего сигнала (процесс, необходимый для информационного наполнения несущего сигнала) используется относительная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Key, DBPSK). При этом кодирование информации происходит за счет сдвига фазы синусоидального сигнала по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Двоичная фазовая модуляция предусматривает два возможных значения сдвига фазы — 0 и π. Тогда логический нуль может передаваться синфазным сигналом (сдвиг по фазе равен 0), а единица — сигналом, который сдвинут по фазе на π.

Скорость 2 Мбит/с

Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна и скорость в 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости используется та же технология DSSS с 11-чиповыми кодами Баркера, но для модуляции несущего колебания применяется относительная квадратурная фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shiftey). При относительной квадратурной фазовой модуляции сдвиг фаз может принимать четыре различных значения: 0, π/2, π и 3π/2. Используя четыре различных состояния сигнала, можно в одном дискретном состоянии закодировать последовательность двух информационных бит (дибит) и тем самым в два раза повысить информационную скорость передачи. К примеру, дибиту 00 может соответствовать сдвиг фазы, равный 0; дибиту 01 — сдвиг фазы, равный π/2; дибиту 11 — сдвиг фазы, равный π; дибиту 10 — сдвиг фазы, равный 3π/2.

В заключение рассмотрения физического уровня протокола 802.11 отметим, что при информационной скорости 2 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера остается прежней, то есть 11×10⁶ чип/с, а следовательно, не меняется и ширина спектра передаваемого сигнала.

7.2 7.2 Физический уровень протокола 802.11b/b+

Протокол IEEE 802.11b, принятый в июле 1999 года, является своего рода расширением базового протокола 802.11 и кроме скоростей 1 и 2 Мбит/с предусматривает скорости 5,5 и 11 Мбит/с. Для работы на скоростях 1 и 2 Мбит/с используются технология уширения спектра с использованием кодов Баркера, а для скоростей 5,5 и 11 Мбит/с используются так называемые комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK).

CCK-последовательности

Комплементарные коды или CCK-последовательности обладают тем свойством, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю.

В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных 8-чиповых последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов.

Тут стоит сделать небольшое лирическое отступление, дабы не оттолкнуть читателя сложностью используемого математического аппарата. Математика комплексных чисел может вызывать массу негативных воспоминаний, ассоциируясь с чем-то уж совсем абстрактным. Но в данном случае все достаточно просто. Комплексное представление сигнала — это лишь удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала.

Используя множество комплексных элементов {1, –1, j, –j} можно сформировать восемь одинаковых по модулю, но отличающихся по фазе комплексных чисел. То есть, элементы 8-чиповой CCK-последовательности могут принимать одно из следующих восьми значений: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Основное отличие CCK-последовательностей от рассмотренных ранее кодов Баркера заключается в том, что существует не строго заданная последовательность, посредством которой можно было кодировать либо логический нуль, либо единицу, а целый набор последовательностей. Учитывая, что каждый элемент 8-сиповой последовательности может принимать одно из восьми значений в зависимости от значения фазы, ясно, что можно скомбинировать 8⁸=16777216 вариантов последовательностей, однако, не все они будут комплементарными. Но даже с учетом требования комплементарности можно сформировать достаточно большое число разных CCK-последовательностей. Это обстоятельство позволяет кодировать в одном передаваемом символе несколько информационных бит и тем самым повысить информационную скорость передачи.

Вообще говоря, использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бит на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом в обоих случаях символьная скорость передачи составляет 1,385×10⁶ символов в секунду (11/8 = 5,5/4 = 1,385), а учитывая, что каждый символ задается 8-чиповой последовательностью, получаем, что в обоих случаях скорость следования отдельных чипов составляет 11×10⁶ чипов в секунду. Соответственно, и ширина спектра сигнала как при скорости 11 Мбит/с и 5,5 Мбит/с составляет 22 МГц.

Рассматривая возможные скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с в протоколе 802.11b, мы до сих пор оставляли без внимания вопрос, зачем нужна скорость 5,5 Мбит/с, если использование CCK-последовательностей позволяет передавать данные на скорости 11 Мбит/с. Теоретически это действительно так, но только если не учитывать при этом помеховой обстановки. В реальных условиях зашумленность каналов передачи и соответственно соотношение уровней шума и сигнала может оказаться таковым, что передача на высокой информационной скорости, то есть когда в одном символе кодируется множество информационных бит, может оказаться невозможной по причине их ошибочного распознавания. Не вдаваясь в математические детали, отметим лишь, что чем выше зашумленность каналов связи, тем меньше информационная скорость передачи. При этом важно, что приемник и передатчик правильно анализировали помеховую обстановку и выбирали приемлемую скорость передачи.