Hajaspektrijärjestelmän avainelementti on. Laajennettu ISO-alue: todella hyödyllinen ominaisuus vai näppärä markkinointitemppu? Langattoman tekniikan perusteet
Spektrin laajennus taajuushyppelyllä Spektrin laajennus taajuushyppelyllä ( Taajuushyppely Spread Spectrum (FHSS) on menetelmä, joka perustuu kantoaallon taajuuden säännölliseen muuttamiseen lähettimen ja vastaanottimen tunteman algoritmin mukaisesti. Toteutusperiaatteet: Radiokanavan taajuusalue on jaettu numeroituihin alikanaviin; Algoritmin toiminnan aikana generoidaan näennäissatunnainen numerosarja, jokaiseen numeroon liittyy taajuusalikanavanumero; Yhden yksittäisen bitin lähetyksen aikana taajuus ei välttämättä muutu (hidas leviäminen) tai vaihtuu useita kertoja (nopea leviäminen); Lineaariseen koodaukseen käytetään taajuus- tai vaihemodulaatiota.
Menetelmän ominaisuudet: Erillistä alikanavaa kuunneltaessa saadaan kohinamainen signaali, joka ei salli lähetetyn datan palautusta; Nopeaa hajaspektriä käytettäessä erillisen alikanavan kautta lähetetyn signaalin vääristyminen ei johda lähetetyn bitin katoamiseen; Tämän seurauksena kantoaaltotaajuuksien muuttaminen vähentää symbolien välisten häiriöiden vaikutusta; Menetelmän avulla voidaan järjestää useiden tietovirtojen multipleksointi - kullekin virralle valitaan erillinen näennäissatunnainen sekvenssi; Käyttöönoton helppous.
Direct Sequence Spread Spectrum Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) - menetelmä perustuu jokaisen lähetettävän bitin korvaamiseen N bitillä, mikä merkitsee N-kertaista lisäystä lähettimen kellotaajuudessa ja spektrin laajenemisessa. Toteutusperiaate: Jokainen lähetetty binääriyksikkö korvataan bittisekvenssillä, jota kutsutaan alkeissekvenssiksi (hajautus). Binäärinen nolla korvataan hajotussekvenssin käänteisarvolla. Hajotussekvenssibittiä kutsutaan alkeissignaaliksi (chip). Sirujen siirtonopeutta kutsutaan sirun nopeudeksi. Alkuperäisen sekvenssin bittien määrää kutsutaan hajautuskertoimeksi;
Esimerkki: Jos sirujärjestys on (Barker-sekvenssi), seuraava sirusekvenssi lähetetään lähetystä varten:
Menetelmän ominaisuudet: Mitä suurempi laajennuskerroin, sitä laajempi on lähetettävän signaalin spektri; Menetelmä tarjoaa vähemmän suojaa häiriötä vastaan kuin FHSS-menetelmä, koska signaalin vääristymä kapealla taajuuskaistalla voi johtaa vastaanotetun bitin virheelliseen tunnistamiseen;
Code Division Multiplexing Access (CDMA) perustuu DSSS-menetelmään. Toteutusperiaatteet: Lähetysprosessin aikana jokainen CDMA-verkkosolmu käyttää ainutlaatuista alkusekvenssiä (EP); Merkitään m:llä laajenevan sekvenssin pituus, e:tä vastaava Vektori. merkitsemme S:tä, e.p:n komplementtia (inversiota). merkitään S (vektorin kirjoittamiseen käytetään bipolaarista merkintää: binääri 0 merkitään -1:llä, binäärinen yksi +1). Elementaariset sekvenssit valitaan siten, että ne ovat pareittain ortogonaalisia. Nuo. kullekin vektorille S ja T niiden normalisoidun skalaaritulon ST on oltava yhtä suuri kuin 0: Σ i=1 m 1 – m S i T i = 0 ST
Arvosta ST = 0 seuraa ST=0. Huomaa, että normalisoitu skalaaritulo e.p. itsessään on yhtä suuri kuin 1. Σ i=1 m 1 – m SiSiSiSi SS = Σ i=1 m 1 – m Si2Si2 = Σ m 1 – m ±1 2 = = 1 SS = -1 Oletetaan, että kaikki asemat ovat synkronoituja, t.e. Kaikki asemat alkavat lähettää databittejä samanaikaisesti. Kun kaksinapaiset signaalit lähetetään samanaikaisesti, ne lisääntyvät lineaarisesti. Esimerkki 1. Jos asema A, B ja C lähettävät +1, -1 ja +1, tulos on +1.
Esimerkki 2. Käytä asemien A, B, C seuraavia ep.: A: = () B: = () C: = () Tarkastellaan esimerkkejä näiden asemien samanaikaisesta tiedonsiirrosta: _ _ 1 C = () _ 1 1 B+C = () 1 0 _ A+B = () A+B+C = ()
Vastaanotin tietää etukäteen kaikkien lähetysasemien perussekvenssit. Dekoodausta varten lasketaan vastaanotetun sekvenssin (vastaanotettujen signaalien summa) ja aseman perussekvenssin normalisoitu skalaaritulo. Esimerkki 3. Olkoon asemien A, B ja C lähettää vastaavasti 1, 0, 1 (kaksinapaisella merkinnällä +1, -1, +1). Vastaanotin vastaanottaa signaalien summan S=A+B+C, sitten SA = (A+B+C)A = AA + BA + CA = = 1 SB = (A+B+C)B = AB + BB + CB = = -1 SC = (A+B+C)C = AC + BC + CC = = 1 Anna asemien A, B ja C lähettää vastaavasti 1, 0, _ (kaksinapaisella merkinnällä +1, -1, _) . Vastaanotin vastaanottaa signaalien summan S=A+B, jolloin SA = (A+B)A = AA + BA = 1+0 = 1 SB = (A+B)B = AB + BB = 0-1 = - 1 SC = (A+B)C = AC + BC = 0+0 = 0
Menetelmän ominaisuudet: Parittaiset ortogonaaliset sekvenssit generoidaan Walsh-menetelmällä (Walsh-koodit); Mitä pidempi e.p. sitä suurempi on sen oikean tunnistamisen todennäköisyys kohinan taustalla (käytännössä käytetään usein 64 tai 128 chipin sekvenssejä); Luotettavuuden lisäämiseksi käytetään virheenkorjauskoodeja. Eri asemista vastaanotettujen signaalien tehon tasaamiseen käytetään tehon kompensointimenetelmää (mitä heikompi signaali vastaanotetaan tukiasemalta, sitä tehokkaampi signaali on lähetettävä matkaviestin). Algoritmin kuvauksen oletukset: Verkkoasemien synkronointi; Kaikkien vastaanotettujen signaalien tehojen yhtäläisyys (matkaviestimien yhtäläinen etäisyys tukiasemasta); Tukiaseman tuntemus e.p. kaikki lähetysasemat.
Kehysmuoto Kehyksen ohjaus KestoA.1A. 2A. 3Numero A.4Tiedot Tarkista summa VersionType DS:ään DS:stä MFRepeatPower Jatkuu WSubtypeO Kehystyypit: tietopalvelun ohjaus 1.Frame-ohjaus (2 tavua) Versio (2 bittiä) – protokollaversio; Tyyppi (2 bittiä) – kehystyyppi (informaatio, palvelu, ohjaus); Alatyyppi (4 bittiä) – kehyksen alatyyppi (CTS, RTS, signalointi, todennus jne.); Tietokehys:
DS:lle (1 bitti) – kehys lähetetään jakelujärjestelmän suuntaan; DS:stä (1 bitti) – kehys lähetetään suuntaan jakelujärjestelmästä; MF (enemmän fragmentteja, 1 bitti) – osoittaa, että toinen fragmentti seuraa; Repeat (1 bitti) – osoitus fragmentin toistuvasta lähettämisestä; Virta (1 bitti) – ohjaa asemaa siirtymään virransäästötilaan tai poistumaan siitä; Jatka (enemmän dataa, 1 bitti) – osoittaa, että lähettäjällä on enemmän kehyksiä edelleen lähetettävänä; W (1 bitti) – ilmaisee WEP-salauksen käytön; O (1 bitti) – ilmaisee tarpeen käsitellä kehyksiä tarkasti järjestyksessä;
2. Kesto (2 tavua) – ilmaisee arvioidun kehyksen lähetysajan ja kuittauksen vastaanoton (ACK) 3. A.1 (6 tavua) – lähettäjän osoite 4. A.2 (6 tavua) – vastaanottajan osoite 5. A .3 (6 tavua) – lähdesolun osoite 6.Number (2 tavua) – sisältää 4-bittisen fragmenttinumeron alikentän, jota käytetään fragmentointiin ja uudelleenkokoonpanoon, sekä 12-bittisen sarjanumero, käytetään kehysten numerointiin; 7. A.4 (6 tavua) – kohdesolun osoite; 8. Data (tavu) – lähetetty data; 9. Tarkistussumma (4 tavua). Kentät A3 ja A4 puuttuvat ohjauskehyksistä. Palvelukehyksissä (RTS, CTS, ACK) kentät A3, A4, Number, Data puuttuvat.
Radiopeittoalueen pienentäminen hyväksyttävälle vähimmäistasolle (ihanteellinen - radiopeittoalueen ei tulisi ulottua valvotun alueen ulkopuolelle). MAC-todennukseen perustuva kulunvalvonta. Käyttämällä ainutlaatuisia taajuushyppelysarjoja FHSS-tekniikassa. Laitteiden suodatus ennalta määritettyjen IP-osoitteiden perusteella. WEP:n (Wired Equivalent Privacy) käyttö – RC4-algoritmiin perustuva salaus 64- ja 128-bittisillä avaimilla (algoritmista löydettiin vakavia haavoittuvuuksia). WiFi-laitteissa toteutetut suojausmenetelmät:
IEEE 802.1x -standardiin perustuva todennus ja valtuutus - AAA-palvelimien (esim. RADIUS) ja dynaamisten salausavaimien käyttö. Käyttö WPA-protokolla ja WPA2 (Wi-Fi Protected Access). WPA toteuttaa väliaikaisten salausavaimien periaatetta ja on yhdistetty TKIP Temporal Key Integrity Protocol -protokollaan (WPA kehitettiin WEP:n korvaamiseksi). Vuonna 2008 WPA-tekniikasta löydettiin haavoittuvuuksia. WPA2 toteuttaa i-standardin - luotettavan suojausprotokollan, joka käyttää AES (Advanced Encryption Standard) -salausalgoritmia. WiFi-verkkojen käyttöönotto VPN-pohjainen- virtuaalisen käyttöönotto yksityinen verkko olemassa olevan langattoman verkon yli.
Suora sekvenssimenetelmä (DSSS) voidaan ajatella seuraavasti. Koko käytetty "leveä" taajuuskaista on jaettu tiettyyn määrään alikanavia - 802.11-standardin mukaan näitä alikanavia on 11 Jokainen lähetetty informaatiobitti muunnetaan ennalta määrätyn algoritmin mukaan 11:n sekvenssiksi. bittiä, ja nämä 11 bittiä lähetetään ikään kuin samanaikaisesti ja rinnakkain (fyysisesti signaalit lähetetään peräkkäin) käyttäen kaikkia 11 alikanavaa. Vastaanoton yhteydessä vastaanotettu bittisekvenssi dekoodataan käyttäen samaa algoritmia kuin koodattaessa. Toinen vastaanotin-lähetin-pari voi käyttää erilaista koodaus-dekoodausalgoritmia, ja erilaisia algoritmeja voi olla paljon.
Ensimmäinen ilmeinen tulos tämän menetelmän käytöstä on lähetetyn tiedon suojaus salakuuntelulta ("ulkomainen" DSSS-vastaanotin käyttää eri algoritmia eikä pysty purkamaan tietoa muualta kuin sen lähettimestä).
Tässä tapauksessa lähetetyn signaalin tason suhde kohinatasoon (eli satunnaiseen tai tahalliseen häiriöön) pienenee huomattavasti, joten lähetetty signaali on jo erotettavissa yleisestä kohinasta. Mutta 11-kertaisen redundanssinsa ansiosta vastaanottava laite pystyy silti tunnistamaan sen.
Toinen erittäin hyödyllinen omaisuus DSSS-laitteet piilevät siinä, että niiden signaalin erittäin alhaisen tehotason vuoksi ne eivät käytännössä häiritse perinteisiä radiolaitteita (kapeakaistainen suuriteho), koska nämä erehtyvät laajakaistasignaalin kohinaan hyväksyttävien rajojen sisällä. Ja päinvastoin - tavalliset laitteet eivät häiritse laajakaistalaitteita, koska niiden suuritehoiset signaalit ovat "meluisia" vain omassa kapeassa kanavassaan eivätkä voi täysin peittää koko laajakaistasignaalia.
Laajakaistateknologioiden käyttö mahdollistaa radiospektrin saman osan käytön kahdesti - perinteisillä kapeakaistalaitteilla ja "päälle" laajakaistalaitteilla.
Tietosanakirja YouTube
1 / 3
☙◈❧ Sensei-3. ͟͟И͟͟с͟͟к͟͟о͟͟н͟͟н͟ы͟͟й͟͟ ͟͟Ш͟͟͟͟͟͟͟b͟͟͟͟͟͟h.͟ ☙◈❧ Anastasia Novyk äänikirjoja
2012 Crossing Over A New Beginning "FIRST EDITION"
☙◈❧ Ezoosmos ☙◈❧ Epätavallista kalastusta. Piilotettu todellisuus. Tamgan sääntö. Anastasia Novykh.
Tekniikka
Jokaiseen lähetettyyn informaatiobittiin (looginen 0 tai 1) on rakennettu ns. chip-sekvenssi. Jos informaatiobitit - loogiset nollat tai ykköset - potentiaalisen informaation koodauksen aikana voidaan esittää suorakulmaisten pulssien sarjana, niin jokainen yksittäinen siru on myös suorakulmainen pulssi, mutta sen kesto on useita kertoja lyhyempi kuin informaatiobitin kesto. Sirujen sekvenssi on suorakaiteen muotoisten pulssien sarja, eli nollia ja ykkösiä, mutta nämä nollat ja ykköset eivät ole informatiivisia. Koska yhden chipin kesto on n kertaa pienempi kuin informaatiobitin kesto, muunnetun signaalin spektrin leveys on n kertaa suurempi kuin alkuperäisen signaalin spektrin leveys. Tässä tapauksessa lähetetyn signaalin amplitudi pienenee n kertaa.
Informaatiobitteihin upotettuja sirujaksoja kutsutaan kohinakoodeiksi (PN-sequences), mikä korostaa sitä tosiasiaa, että tuloksena oleva signaali muuttuu kohinaiseksi ja sitä on vaikea erottaa luonnollisesta kohinasta.
Signaalispektrin laajentamiseen käytettyjen sirusekvenssien on täytettävä tietyt autokorrelaatiovaatimukset. Termi autokorrelaatio matematiikassa viittaa funktion samankaltaisuuden asteeseen itsensä kanssa eri ajankohtina. Jos valitset sirusekvenssin, jonka autokorrelaatiofunktiolla on selvä huippu vain yhden ajankohdan ajan, tällainen informaatiosignaali on mahdollista eristää kohinatasolla. Tätä varten vastaanotettu signaali kerrotaan vastaanottimessa samalla sirusekvenssillä, eli lasketaan signaalin autokorrelaatiofunktio. Tämän seurauksena signaalista tulee jälleen kapeakaistainen, joten se suodatetaan kapealla taajuuskaistalla ja kaikki alkuperäisen kaistan sisällä olevat häiriöt laajakaistasignaali, sirusekvenssillä kertomisen jälkeen siitä tulee päinvastoin laajakaistainen ja suodattimet katkaisevat sen, ja vain osa häiriöistä putoaa kapealle informaatiokaistalle, joka on huomattavasti vähemmän voimakas kuin vastaanottimen sisäänmenoon vaikuttava häiriö (jos Boatswain-algoritmilla varustettua vastaanotinta ei käytetä).
Voidaksesi lähettää suuritehoisen radiosignaalin mikroaaltoalueella, tarvitset kalliin lähettimen vahvistimella ja kalliin halkaisijaltaan suuren antennin. Signaalin vastaanottamiseksi ilman häiriöitä virta vähissä, tarvitset myös kalliin suuren antennin ja kalliin vastaanottimen vahvistimella.
Tämä pätee käytettäessä tavanomaista "kapeakaistaista" radiosignaalia, kun lähetys tapahtuu yhdellä tietyllä taajuudella tai tarkemmin sanottuna tätä taajuutta ympäröivän radiospektrin kapealla kaistalla (taajuuskanava). Kuvaa vaikeuttavat edelleen erilaiset keskinäiset häiriöt lähellä toisiaan tai vastaavilla taajuuksilla lähetettyjen suuritehoisten kapeakaistaisten signaalien välillä. Erityisesti kapeakaistainen signaali voi yksinkertaisesti tukkeutua (vahingossa tai tarkoituksella) riittävän tehon lähettimellä, joka on viritetty samalle taajuudelle.
Juuri tämä haavoittuvuus tavanomaisten radiosignaalien häiriöille johti täysin erilaisen radiolähetysperiaatteen kehittämiseen, alun perin sotilaskäyttöön, nimeltä Spread Spectrum tai Spread Spectrum -tekniikka. Useiden vuosien menestyksekkään puolustuskäytön jälkeen tämä tekniikka on löytänyt siviilisovelluksia, ja juuri siinä ominaisuudessa siitä keskustellaan täällä.
Todettiin, että sen tunnusomaisten ominaisuuksien lisäksi (oma melunsietokyky ja matala taso synnytetty häiriö), tätä tekniikkaa osoittautui suhteellisen halvaksi massatuotannossa. Kustannustehokkuus johtuu siitä, että laajakaistatekniikan monimutkaisuus on ohjelmoitu useisiin m("siruihin"), ja mikroelektroniikan kustannukset massatuotannossa ovat erittäin alhaiset. Mitä tulee laajakaistalaitteiden muihin komponentteihin - mikroaaltoelektroniikkaan, antenneihin - ne ovat halvempia ja yksinkertaisempia kuin tavallisessa "kapeakaistaisessa" tapauksessa käytettyjen radiosignaalien erittäin alhaisen tehon vuoksi.
Spread Spectrumin ideana on, että tiedon siirtämiseen käytetään paljon leveämpää taajuuskaistaa kuin mitä tarvitaan tavanomaiseen (kapealla taajuuskanavalla) lähetykseen. Näin laajan taajuuskaistan käyttöön on kehitetty kaksi pohjimmiltaan erilaista menetelmää - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) -menetelmä ja Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) -menetelmä. Molemmat menetelmät ovat 802.11 (Radio-Ethernet) -standardin tarjoamia.
Langattoman viestinnän nykytilan määrää IEEE 802.11 -standardin tilanne. Standardia kehittää ja parantaa IEEE:n (Institut of Electrical and Electronic Engineers) standardikomitean langattomien lähiverkkojen työryhmä, jonka puheenjohtajana toimii Lucent Technologiesin Vic Hayes. Ryhmässä on noin sata jäsentä ratkaisevalla äänellä ja noin viisikymmentä neuvonantajaäänellä; He edustavat käytännössä kaikkia laitevalmistajia sekä tutkimuskeskuksia ja yliopistoja. Neljä kertaa vuodessa ryhmä kokoontuu täysistunnossa ja tekee päätöksiä tason parantamiseksi.
Standardi määrittelee yhden tyypin MAC-kerroksen mediapääsyprotokollan ja kolme eri protokollaa fyysisille (PHY) linkeille.
MAC-kerros määrittelee verkkoarkkitehtuurin peruskomponentit ja luettelon tämän kerroksen tarjoamista palveluista. On kaksi vakiovaihtoehdot arkkitehtuuri langattomat nettiyhteydet:
Itsenäinen "ad-hoc"-konfiguraatio, jossa asemat voivat kommunikoida suoraan toistensa kanssa. Tällaisen verkon alue ja toiminnallisuus ovat rajalliset.
Infrastruktuurikonfiguraatio, jossa asemat kommunikoivat liityntäpisteen kautta, joka toimii joko itsenäisenä tai yhdistettynä kaapeliverkko. Standardi määrittelee radiokanavarajapinnan asemien ja tukiaseman välillä. Liityntäpisteet voidaan yhdistää toisiinsa radiosiltojen tai kaapeliverkkosegmenttien avulla.
Standardi perustaa protokollan yhden lähetysvälineen käyttämiseksi, nimeltään Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Langattomien solmujen ristiriitojen todennäköisyys minimoidaan lähettämällä ensin kaikille solmuille lyhytsanoma (valmis lähettämään, RTS) tulevan lähetyksen määränpäästä ja kestosta. Solmut viivästävät lähetystä ajan, joka vastaa mainostetun viestin kestoa. Vastaanottava asema vastaa RTS:lle viestillä (CTS), joka kertoo lähettävälle solmulle, onko media vapaa ja onko solmu valmis vastaanottamaan. Datapaketin vastaanottamisen jälkeen solmu lähettää kuittauksen (ACK) virheettömästä vastaanotosta. Jos kuittausta ei vastaanoteta, datapaketti lähetetään uudelleen.
Standardin tarjoama spesifikaatio edellyttää tietojen jakamista ohjaus- ja osoitetiedoilla varustettuihin paketteihin. Tätä tietoa, joka vie noin 30 tavua, seuraa jopa 2048 tavua pitkä tietolohko. Tätä seuraa tietolohkon 4-tavuinen CRC-koodi. Standardi suosittelee 400 tavun pituisten pakettien käyttöä fyysiselle FHSS-kanavalle ja 1500 tai 2048 tavua DSSS-kanavalle.
Standardi sisältää tietoturvan, mukaan lukien autentikoinnin (varmistaakseen, että verkkoon saapuva solmu on valtuutettu siihen) ja tietojen salauksen RC4-algoritmilla 40-bittisellä avaimella. Kannettavissa tietokoneissa standardi tarjoaa virransäästötilan: laite asetetaan "lepotilaan" ja tuodaan pois tästä tilasta lyhyeksi ajaksi, joka on tarpeen palvelusignaalin vastaanottamiseksi verkkosolmuista lähetyksen aloittamisesta. Käytettävissä on myös verkkovierailutila, jonka avulla matkapuhelintilaaja voi liikkua tukiasemien välillä menettämättä yhteyttä.
Spektrin laajennus
Fyysisellä tasolla standardi sallii yhden kahdesta radiokanavatyypistä ja yhden tyyppisen infrapunakanavan käytön. Molemmat radiokanavatyypit käyttävät hajaspektritekniikkaa, joka vähentää signaalin keskimääräistä tehospektritiheyttä jakamalla energiaa laajemmalle taajuuskaistalle kuin on tarpeen tietyn lähetysnopeuden aikaansaamiseksi. Tämä tekniikka vähentää syntyvien häiriöiden tasoa ja parantaa vastaanoton häiriönsietoa.
Ensimmäinen radiokanavatyyppi on Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY. Siirtonopeus on 1 Mbit/s (valinnainen 2 Mbit/s). 1 Mbit/s versio käyttää kaksitasoista Gaussin taajuusmodulaatiota (2GFSK), kun taas 2 Mbit/s versio nelitasoista Gaussista taajuusmodulaatiota (4GFSK). Nopeudella 1 Mbit/s signaalin taajuus muuttuu 1 μs:n viestisymbolin keston aikana Gaussin lain mukaan nimellisarvosta arvoon +170 kHz ja palaa nimellisarvoon. Nollan lähettämiseksi signaalin taajuudeksi muutetaan –170 kHz. 2 Mbps:lle on neljä taajuuspoikkeamatasoa (+225, +75, –75, –225 kHz), joten jokainen siru (symboli) kuljettaa kaksi viestibittiä. Signaalispektrin leveys tällaisella modulaatiolla on 1 MHz lähetysnopeudesta riippumatta. Tämä mahdollistaa 79 taajuusaseman käytön lähetykseen 2402-2480 MHz 1 MHz:n askelin. Spektrin laajentamiseksi signaalin taajuus muuttuu näennäissatunnaisen lain mukaan vähintään kerran 400 ms:ssa.
Toinen radiokanavatyyppi on Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Radio PHY. Tämä vaihtoehto mahdollistaa tiedonsiirron 1 ja 2 Mbit/s nopeuksilla. Siirtonopeudella 1 Mbit/s käytetään binaarista vaihesiirtoavainnusta (BPSK). Yhtä bittiä edustaa 11-elementtinen Barker-koodi, jonka muoto on 11100010010, ja nollabittiä edustaa käänteinen Barker-koodi. Barker-koodin perussymbolit eivät välitä bittejä kerralla koko Barker-koodilla - suoraan tai käänteisesti. Tämän avulla voit antaa signaalille kohinaominaisuuksia, jotka tarjoavat kohinansietokyvyn. Tällaisen signaalin spektrin leveys on 22 MHz. Nopeuksille 2 Mbit/s standardi tarjoaa kvadratuurisen vaihesiirtoavainnoinnin - QPSK. Tässä tapauksessa viestisymbolin keston aikana lähetetään kaksi bittiä. Tätä varten sinun ei tarvitse kahta, vaan neljää eri signaalia. Siksi yhdessä pääkantoaaltovärähtelyn kanssa käytetään ylimääräistä, joka on siirretty vaiheessa 90° suhteessa siihen. Kunkin näiden värähtelyjen vaihetta ohjataan suoralla tai käänteisellä Barker-sekvenssillä, ja molemmat värähtelyt lisätään. Siten symbolin keston aikana signaalilla on neljä vapausastetta, mikä mahdollistaa kahden bitin lähettämisen. Tässä tapauksessa lähetysnopeus kaksinkertaistuu säilyttäen samalla taajuuskaistan kuin binäärilähetyksessä. DSSS-signaali käyttää yhtä standardin määrittelemästä 14 limittäisestä taajuuskaistasta 83,5 MHz:n kokonaistaajuuskaistalla.
Infrapunakanavalle (Infrapuna PHY) standardi tarjoaa 1 Mbit/s nopeuden (valinnainen 2 Mbit/s) pulssipaikkamodulaatiolla. Tämäntyyppinen kanava ei ole kovin kiinnostava, koska standardin tarjoama lähetysalue ei ylitä 20 m.
On olemassa useita erilaisia hajaspektritekniikoita, mutta ymmärtääksemme paremmin 802.11-protokollaa, meidän tarvitsee vain tarkastella lähemmin Direct Sequence Spread Spectrumia (DSSS).
DSSS-tekniikkaa
Potentiaalikoodauksella informaatiobitit - loogiset nollat ja ykköset - lähetetään suorakaiteen muotoisina jännitepulsseina. Suorakaiteen muotoisella pulssilla, jonka kesto on T, on spektri, jonka leveys on kääntäen verrannollinen pulssin kestoon. Siksi mitä lyhyempi informaatiobitin kesto on, sitä suuremman spektrin tällainen signaali käyttää.
Alun perin kapeakaistaisen signaalin spektrin tarkoituksella laajentamiseksi DSSS-tekniikassa jokainen lähetetty informaatiobitti (looginen 0 tai 1) kirjaimellisesti niin kutsuttujen sirujen sekvenssi on upotettu. Jos informaatiobitit - loogiset nollat tai ykköset - potentiaalisen informaation koodauksen aikana voidaan esittää suorakulmaisten pulssien sarjana, niin jokainen yksittäinen siru on myös suorakulmainen pulssi, mutta sen kesto on useita kertoja lyhyempi kuin informaatiobitin kesto. Sirujen sekvenssi on suorakaiteen muotoisten pulssien sarja, eli nollia ja ykkösiä, mutta nämä nollat ja ykköset eivät ole informatiivisia. Koska yhden chipin kesto on n kertaa pienempi kuin informaatiobitin kesto, muunnetun signaalin spektrin leveys on n kertaa suurempi kuin alkuperäisen signaalin spektrin leveys. Tässä tapauksessa lähetetyn signaalin amplitudi pienenee n kertaa.
Informaatiobitteihin upotettuja sirujaksoja kutsutaan kohinakoodeiksi (PN-sequences), mikä korostaa sitä tosiasiaa, että tuloksena oleva signaali muuttuu kohinaiseksi ja sitä on vaikea erottaa luonnollisesta kohinasta.
On selvää, kuinka signaalin spektriä voidaan laajentaa ja tehdä siitä erottumattomaksi luonnollisesta melusta. Tätä varten voit periaatteessa käyttää mielivaltaista (satunnaista) sirusekvenssiä. Herää kuitenkin kysymys: kuinka vastaanottaa tällainen signaali? Loppujen lopuksi, jos siitä tulee kohinaista, hyödyllisen informaatiosignaalin eristäminen siitä ei ole niin helppoa, ellei mahdotonta. Osoittautuu, että se on mahdollista, mutta tätä varten sinun on valittava sirusekvenssi vastaavasti. Signaalispektrin laajentamiseen käytettyjen sirusekvenssien on täytettävä tietyt autokorrelaatiovaatimukset. Termi autokorrelaatio matematiikassa viittaa funktion samankaltaisuuden asteeseen itsensä kanssa eri ajankohtina. Jos valitset sirusekvenssin, jonka autokorrelaatiofunktiolla on selvä huippu vain yhden ajankohdan ajan, tällainen informaatiosignaali on mahdollista eristää kohinatasolla. Tätä varten vastaanotettu signaali kerrotaan vastaanottimessa samalla sirusekvenssillä, eli lasketaan signaalin autokorrelaatiofunktio. Tämän seurauksena signaalista tulee jälleen kapeakaistainen, joten se suodatetaan kapealla taajuuskaistalla ja kaikki häiriöt, jotka osuvat alkuperäisen laajakaistasignaalin kaistalle sirusekvenssillä kertomisen jälkeen, päinvastoin muuttuvat laajakaistaiseksi ja katkeavat. suodattimilla, ja vain osa häiriöistä putoaa kapealle informaatiokaistalle, tehon mukaan on huomattavasti pienempi kuin vastaanottimen sisäänmenoon vaikuttava häiriö (kuva 7.1).
Barkerin koodit
Vastaavat sirusekvenssit määritellyt vaatimukset Autokorrelaatioita on melko paljon, mutta ns. Barker-koodit kiinnostavat meitä erityisesti, koska niitä käytetään 802.11-protokollassa.
Barker-koodeilla on tunnetuista näennäissatunnaisista sekvensseistä parhaat kohinanomaiset ominaisuudet, mikä on johtanut niiden laajaan käyttöön.
802.11-protokollaperhe käyttää Barker-koodia, joka on 11 merkkiä pitkä (11100010010).
Signaalin lähettämiseksi looginen lähetetään suoralla Barker-sekvenssillä ja looginen nolla käänteisellä sekvenssillä.
Nopeus 1 Mbps
802.11-standardi tarjoaa kaksi nopeustilaa: 1 ja 2 Mbit/s. Tietojen koodaamiseen fyysisessä kerroksessa käytetään DSSS-menetelmää 11-sirun Barker-koodeilla. Tietonopeudella 1 Mbit/s yksittäisten Barker-sekvenssisirujen nopeus on 11×106 chip/s, ja tällaisen signaalin spektrin leveys on 22 MHz. Ottaen huomioon, että taajuusalueen leveys on 83,5 MHz, havaitsemme, että yhteensä 3 ei-päällekkäistä taajuuskanava. Koko taajuusalue on kuitenkin yleensä jaettu 11 päällekkäiseen 22 MHz:n taajuuskanavaan, jotka sijaitsevat 5 MHz:n päässä toisistaan. Esimerkiksi ensimmäinen kanava on taajuusalueella 2400 - 2423 MHz ja on keskitetty suhteessa taajuuteen 2412 MHz. Toinen kanava on keskitetty 2417 MHz:iin ja viimeinen, kanava 11, on keskitetty 2462 MHz:iin. Näin katsottuna ensimmäinen, kuudes ja 11. kanava eivät mene päällekkäin ja niiden välinen ero on 3 megahertsiä. Näitä kolmea kanavaa voidaan käyttää toisistaan riippumatta.
Differentiaalista binaarivaiheen siirtonäppäintä (DBPSK) käytetään moduloimaan sinimuotoista kantoaaltosignaalia (prosessi, joka on tarpeen kantoaaltosignaalin ilmoittamiseksi). Tässä tapauksessa informaation koodaus tapahtuu sinimuotoisen signaalin vaihesiirron vuoksi edelliseen signaalitilaan verrattuna. Binäärivaihemodulaatio tarjoaa kaksi mahdollista vaihesiirtoarvoa - 0 ja π. Tällöin looginen nolla voidaan lähettää samanvaiheisella signaalilla (vaihesiirto on 0) ja looginen nolla voidaan lähettää signaalilla, joka on siirretty π:llä.
Nopeus 2 Mbps
Tietonopeus 1 Mbit/s on pakollinen IEEE 802.11 -standardissa (Basic Access Rate), mutta 2 Mbit/s (Enhanced Access Rate) -nopeus on valinnainen. Tietojen lähettämiseen tällä nopeudella käytetään samaa DSSS-tekniikkaa 11-sirun Barker-koodeilla, mutta differentiaalista kvadratuurivaiheen siirtoa käytetään kantoaallon moduloimiseen. Suhteellisella kvadratuurivaihemodulaatiolla vaihesiirtymä voi saada neljä eri arvoa: 0, π/2, π ja 3π/2. Neljää eri signaalitilaa käyttämällä on mahdollista koodata kahden informaatiobitin (kaksoiskappaleen) sekvenssi yhteen diskreettiin tilaan ja siten kaksinkertaistaa tiedonsiirtonopeus. Esimerkiksi dibitti 00 voi vastata 0:n vaihesiirtoa; dibitti 01 - vaihesiirto, joka on yhtä suuri kuin π/2; kaksibitti 11 - vaihesiirto, joka on yhtä suuri kuin π; dibit 10 - vaihesiirto yhtä suuri kuin 3π/2.
Yhteenvetona, ottaen huomioon 802.11-protokollan fyysisen kerroksen, toteamme, että tiedon nopeudella 2 Mbit/s Barker-sekvenssin yksittäisten sirujen nopeus pysyy samana, eli 11 × 10 6 chip/s, ja siksi lähetettävän signaalin spektrin leveys ei muutu.
7.2 7.2 Fyysinen kerros 802.11b/b+ protokolla
Heinäkuussa 1999 käyttöön otettu IEEE 802.11b -protokolla on eräänlainen laajennus 802.11-perusprotokollalle ja tarjoaa 1 ja 2 Mbit/s nopeuksien lisäksi 5,5 ja 11 Mbit/s nopeuksia. Toimimaan 1 ja 2 Mbit/s nopeuksilla käytetään Barker-koodeja käyttävää spektrin hajautustekniikkaa ja 5,5 ja 11 Mbit/s nopeuksilla ns. komplementaarisia koodeja (Complementary Code Keying, CCK).
CCK-sekvenssit
Täydentävillä koodeilla tai CCK-sekvensseillä on se ominaisuus, että niiden autokorrelaatiofunktioiden summa mille tahansa muulle sykliselle siirrolle kuin nolla on aina nolla.
IEEE 802.11b -standardissa me puhumme monimutkaisista komplementaarisista 8-sirun sekvensseistä, jotka on määritelty kompleksisten elementtien joukolle.
Tässä kannattaa tehdä pieni lyyrinen poikkeama, jotta lukija ei vieraantuisi käytetyn matemaattisen laitteen monimutkaisuudesta. Kompleksilukujen matematiikka voi herättää paljon negatiivisia muistoja, koska se liittyy johonkin täysin abstraktiin. Mutta tässä tapauksessa kaikki on melko yksinkertaista. Kattava signaaliesitys on vain kätevä matemaattiset laitteet edustamaan vaihemoduloitua signaalia.
Käyttämällä kompleksielementtijoukkoa (1, –1, j, –j) on mahdollista muodostaa kahdeksan kompleksilukua, jotka ovat suuruudeltaan identtisiä, mutta eri vaiheissa. Eli 8-siruisen CCK-sekvenssin elementeillä voi olla jokin seuraavista kahdeksasta arvosta: 1, –1, j, –j, 1+j, 1–j, –1+j, –1–j. Suurin ero CCK-sekvenssien ja aiemmin käsiteltyjen Barker-koodien välillä on, että sitä ei ole tiukasti annettu järjestys, jonka kautta oli mahdollista koodata joko looginen nolla tai ykkönen, mutta koko joukko sekvenssejä. Ottaen huomioon, että jokainen 8-sip-sekvenssin elementti voi ottaa yhden kahdeksasta arvosta vaihearvosta riippuen, on selvää, että 8 8 =16777216 sekvenssivaihtoehtoa voidaan yhdistää, mutta kaikki eivät ole toisiaan täydentäviä. Mutta myös täydentävyyden vaatimus huomioon ottaen on mahdollista muodostaa riittävä iso luku erilaisia CCK-sekvenssejä. Tämä seikka mahdollistaa useiden informaatiobittien koodaamisen yhteen lähetettyyn symboliin ja siten tiedonsiirtonopeuden lisäämiseen.
Yleisesti ottaen CCK-koodeja käyttämällä voit koodata 8 bittiä merkkiä kohden nopeudella 11 Mbit/s ja 4 bittiä merkkiä kohti nopeudella 5,5 Mbit/s. Lisäksi molemmissa tapauksissa symbolinopeus lähetys on 1,385×10 6 symbolia sekunnissa (11/8 = 5,5/4 = 1,385), ja kun otetaan huomioon, että jokainen symboli on määritelty 8 chipin sekvenssillä, saadaan, että molemmissa tapauksissa yksittäisten pelimerkkien nopeus on 11 ×10 6 pelimerkkiä sekunnissa. Vastaavasti signaalin spektrin leveys molemmilla nopeuksilla 11 Mbit/s ja 5,5 Mbit/s on 22 MHz.
Ottaen huomioon mahdolliset siirtonopeudet 5,5 ja 11 Mbit/s 802.11b-protokollassa, olemme toistaiseksi jättäneet käsittelemättä kysymystä, miksi tarvitaan 5,5 Mbit/s nopeutta, jos CCK-sekvenssien käyttö mahdollistaa datan siirron nopeus 11 Mbit/s. Teoriassa tämä on totta, mutta vain, jos et ota huomioon häiriöympäristöä. SISÄÄN todelliset olosuhteet Lähetyskanavien kohinataso ja vastaavasti kohinan ja signaalin tasojen suhde voi olla sellainen, että lähetys suurella informaationopeudella, eli kun useita informaatiobittejä on koodattu yhteen symboliin, voi olla mahdotonta niiden virheellisen tunnistamisen vuoksi. Menemättä matemaattisiin yksityiskohtiin toteamme vain, että mitä korkeampi viestintäkanavien kohinataso on, sitä pienempi tiedonsiirtonopeus. On tärkeää, että vastaanotin ja lähetin analysoivat oikein häiriöympäristön ja valitsevat hyväksyttävän lähetysnopeuden.
Liittyviä tietoja.
Hajaspektrimenetelmät
Aluksi hajaspektrimenetelmiä (PC tai SS - Spread-Spectrum) käytettiin sotilaallisten ohjaus- ja viestintäjärjestelmien kehittämisessä. Toisen maailmansodan aikana hajaspektriä käytettiin tutkassa tahallisten häiriöiden torjumiseksi. SISÄÄN viime vuodet Tämän tekniikan kehitys selittyy halulla luoda tehokkaita radioviestintäjärjestelmiä korkean kohinansietokyvyn varmistamiseksi lähetettäessä kapeakaistaisia signaaleja kohinaisten kanavien yli ja vaikeuttaa niiden sieppausta.
Viestintäjärjestelmä on hajaspektrijärjestelmä seuraavissa tapauksissa:
Lähetyksen aikana käytetty taajuuskaista on paljon leveämpi kuin nykyisen tiedon lähettämiseen vaadittava minimi. Samalla energiaa informaatiosignaali ulottuu koko taajuuskaistalla alhaisella signaali-kohinasuhteella, mikä tekee signaalin havaitsemisen, sieppaamisen tai häiriön aiheuttaman lähetyksen häiritsemisen vaikeaksi. Vaikka signaalin kokonaisteho voi olla suuri, signaali-kohinasuhde millä tahansa taajuusalueella on pieni, mikä tekee hajaspektrisignaalin havaitsemisen vaikeaksi radioviestinnässä, ja steganografisilla tekniikoilla piilotetun tiedon yhteydessä sitä on vaikea havaita. ihmisiä.
Spektrin hajautus suoritetaan ns. hajotussignaalilla (tai koodilla), joka on riippumaton siirrettävästä tiedosta. Signaalienergian läsnäolo kaikilla taajuusalueilla tekee hajaspektriradiosignaalista häiriönkestävän, ja hajaspektrimenetelmällä säiliöön upotettu tieto kestää sen poistamista tai poistamista säiliöstä. Kompressio ja muut tietoliikennejärjestelmää vastaan kohdistuvat hyökkäykset voivat poistaa signaalienergiaa joistakin spektrin osista, mutta koska energia on hajautunut koko spektriin, muilla kaistoilla on edelleen riittävästi dataa tiedon palauttamiseksi. Tämän seurauksena, jos et tietenkään paljasta avainta, jota käytettiin koodisignaalin luomiseen, todennäköisyys, että asiattomat henkilöt poimivat tietoja, pienenee merkittävästi.
Ensisijaisen tiedon rekonstruktio (eli "spektrin kaventaminen") suoritetaan vertaamalla vastaanotettua signaalia ja koodisignaalin synkronoitua kopiota.
Radioviestinnässä käytetään kolmea päämenetelmää spektrin laajentamiseen:
Suoran PSP:n (RSPP) käyttö;
Taajuushyppelyn käyttö;
Pakkaaminen lineaarista taajuusmodulaatiota (LFM) käyttäen.
Hajautettaessa spektriä suoralla sekvenssillä, informaatiosignaali moduloidaan funktiolla, joka ottaa näennäissatunnaiset arvot vahvistetuissa rajoissa ja kerrotaan aikavakiolla - alkeispakettien (signaalielementtien) toistotaajuudella (nopeudella). Tämä näennäissatunnainen signaali sisältää komponentteja kaikilla taajuuksilla, jotka laajennettaessa moduloivat signaalin energiaa laajalla alueella.
Taajuushyppelyhajaspektrimenetelmässä lähetin vaihtaa välittömästi kantoaaltosignaalin taajuuden toiseksi. Salainen avain tässä tapauksessa on pseudosatunnainen taajuuden muutoslaki.
Chirp-pakkauksessa signaali moduloidaan funktiolla, jonka taajuus vaihtelee ajan myötä.
On selvää, että mitä tahansa näistä menetelmistä voidaan laajentaa käytettäväksi spatiaalisella alueella steganografisia järjestelmiä rakennettaessa.
Tarkastellaan yhtä vaihtoehtoa RSPP-menetelmän toteuttamiseksi, jonka kirjoittajat ovat J.R. Smith ja V.O. Comiskey. Modulaatioalgoritmi on seuraava: sanoman jokaista bittiä edustaa jokin kantafunktio, ulottuvuus, kerrottuna bitin arvosta (1 tai 0) riippuen +1:llä tai -1:llä:
(11.7)
Tässä tapauksessa vastaanotettu moduloitu viesti summataan pikseli kerrallaan säiliökuvan kanssa, joka on koon puolisävykuva. Tuloksena on suunniteltu kuva, jossa 
.
Spektrin laajennus
Tällä luennolla tarkastellaan signaalin levitystekniikan perusperiaatteita.
Hajaspektri puhuu tekniikasta yksinkertaisilla sanoilla, jossa moduloitua signaalia edustaa signaali, jonka kaistanleveys on paljon suurempi kuin informaatiosignaalin kaistanleveys.
Moderni mobiililaitteet viestintä perustuu hajaspektriteknologiaan ja sitä käytetään laajalti nimellä "CDMA".
Harkitse CDMA IS-95 (cdmaOne) -standardia tällä hetkellä yleisimmin käytettynä. Hajaspektriteknologiaa ehdotettiin ensimmäisen kerran matkaviestimille 1980-luvulla, ja Qualcomm Inc. kaupallisti sen ensimmäisenä. tämä standardi DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) -muoto. IS-95-standardin kaupallinen käyttö alkoi vuonna 1996 Yhdysvalloissa. TIA:ssa kirjanpidossa käytetään lyhennettä IS (interim standard) ja numero tarkoittaa sarjanumeroa. TIA/EIA/IS-95 standardin koko nimestä käy selvästi ilmi, että YVA, joka yhdistää seitsemän suuria organisaatioita USA.
Moninkertaisen pääsyn tyypit: Monikäyttö on ongelma käyttäjien numeroinnissa, jotka haluavat käyttää samaa sähkömagneettista spektriä. Se voidaan ratkaista useilla tavoilla:
- Valinta taajuusjaolla (signaalit jaetaan vain tiettyjen kommunikaattorien kesken);
- Spatiaalinen suodatus;
- Frequency Division Multiple Access (FDMA);
- aikajakomonipääsy (TDMA);
- Code Division Multiple Access (CDMA).
TDMA (Time Division Multiple Access - monikäyttöinen pääsy aikajako) - menetelmä radiotaajuuksien käyttämiseksi, kun samalla taajuusvälillä on useita tilaajia, eri tilaajia käyttää eri aikavälejä (intervalleja) lähetykseen. TDMA antaa jokaiselle käyttäjälle täyden pääsyn taajuusväliin lyhyeksi ajaksi.
FDMA (Frequency Division Multiple Access - taajuusjakoinen monikäyttö) - menetelmä radiotaajuuksien käyttämiseksi, kun samalla taajuusalueella on vain yksi tilaaja, eri tilaajat käyttävät eri taajuuksia solun sisällä.
CDMA (Code Division Multiple Access - koodijakomonipääsy) on matkaviestintekniikka, jossa siirtokanavilla on yhteinen taajuuskaista, mutta eri koodimodulaatio.
Pohjimmiltaan CDMA:ta käytetään terminä informaation moduloimiseksi signaaliksi, jolla on leveämpi kaistanleveys, ts. spektrin laajennus. Tämä laajennus suoritetaan binaarisen "koodin" avulla, joka on yleensä hyvin pitkä ja useimmiten luonteeltaan satunnainen. Koodi ei tietenkään ole satunnainen, se on melko ennustettavissa, ja termiä pseudosatunnainen (sekava termi sinänsä) käytetään usein.
Yksi CDMA-järjestelmän kohinansietokyvyn ja tehokkuuden määrittävistä peruskäsitteistä on "signal base" (englanninkielisessä kirjallisuudessa käytetään termiä "processing gain"). Tämän käsitteen fyysinen merkitys on lähetettävän signaalin taajuuskaistan kasvu alkuperäiseen verrattuna (mitataan desibeleinä). Hajaspektrijärjestelmissä signaalikanta määritellään lähetetyn ja lähdesignaalin kaistanleveyden suhteeksi. Kuitenkin useammin signaalikannan (B) arvo lasketaan spektrin leveyden (F) ja alkeissymbolin keston (T) tulona. Laajakaistasignaalien kantavuus on merkittävästi suurempi kuin 1 (B>>1). On selvää, että mitä leveämpi taajuuskaista on ilmassa ja mitä pienempi tulosignaalin nopeus, sitä pienempi on enemmän pohjaa signaalin ja vastaavasti korkeamman kohinansietokyvyn.
On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että signaalikanta ei ole koko CDMA-järjestelmän ominaisuus, vaan vain sen erillinen kanava. Selvitetään tämä esimerkillä. Joten sirun nopeudella 1,2288 Mchip/s (IS-95) ja informaationopeudella 9,6 kbit/s signaalikanta on 21,1 dB (1,2288x103 / 9,6 = 128). Signaalin kanta on verrannollinen sen lähetysnopeuteen.
Laajakaista on järjestelmä, joka lähettää signaalin, joka kattaa erittäin laajan taajuuskaistan, ylittäen huomattavasti tiedon lähettämiseen tarvittavan vähimmäiskaistanleveyden. Laajakaistajärjestelmässä lähdekantataajuussignaali (esim. puhelinsignaali), jonka kaistanleveys on vain muutaman kilohertsin, jaetaan taajuuskaistalle, joka voi olla useita megahertsejä leveä. Tämä tehdään kaksoismoduloimalla kantoaaltoa lähetetyllä informaatiosignaalilla ja laajakaistaisella koodaussignaalilla. Laajakaistasignaalin pääominaisuus on sen kanta B, joka määritellään signaalin spektrin leveyden F ja sen jakson T tulona. Kun näennäissatunnaisen kohinalähteen signaali kerrotaan informaatiosignaalilla, jälkimmäisen energia on hajallaan laajalle taajuuskaistalle, ts. sen kirjo laajenee.
Tekniikka on optimoitu tarjoamaan nopeita multimediapalveluita, kuten video, Internet-yhteys ja videoneuvottelut; tarjoaa pääsyn jopa 2 Mbit/s lyhyillä etäisyyksillä ja 384 Kbit/s pitkillä etäisyyksillä täydellä liikkuvuudella. Sellaisia nopeusarvoja
Tiedonsiirto vaatii laajan taajuuskaistan, joten WCDMA-kaistanleveys on 5 MHz.
Teknologiaa voidaan lisätä olemassa oleviin GSM-verkot ja PDC, mikä tekee WCDMA-standardista lupaavimman verkkoresurssien käytön ja maailmanlaajuisen yhteensopivuuden kannalta.
Lähettimessä kapeakaistainen informaatiosignaali kerrotaan pseudokohinareferenssin N-symbolisekvenssillä, ja tuloksena oleva signaali moduloidaan käyttämällä BPSK:ta tai QPSK:ta (suora toiminta). Tuloksena olevan signaalin kanta on yhtä suuri kuin näennäissatunnaisen sekvenssin symbolien lukumäärä (B = N). Samaan aikaan kohinaa vastaavien signaalien käyttö korkealla kellotaajuus aiheuttaa alkuperäisen kapeakaistan
signaali "hajautuu" laajalle kaistalle ja siitä tulee kohinatason alapuolella.
Vastaanottimessa alkuperäinen signaali rekonstruoidaan käyttämällä tunnetun rakenteen omaavaa näennäissatunnaista sekvenssiä ( käänteinen toiminta). Muut tähän vastaanottimeen saapuvat signaalit havaitaan kohinaksi.
Samalla tavalla tukahdutetaan muiden toimivien lähettimien voimakkaat kapeakaistaiset häiriöt. Vastaanottimessa tällaiset häiriöt "leviävät" myös laajalle taajuuskaistalle ja heikentävät suodatuksen jälkeen vain vähän viestinnän laatua. Digitaalisella jatkokäsittelyllä häiriöt voidaan poistaa kokonaan.
Yleisimmin käytetyn DS-CDMA-menetelmän lisäksi on olemassa muita spektrinlaajennustekniikoita, esimerkiksi käyttämällä useita kantoaaltoja - MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA) tai taajuushyppelyä - FHCDMA (Frequency Hopping CDMA). Näiden teknologioiden ominaisuuksia käsitellään lehden tulevissa numeroissa.
Reaaliaikainen digitaalinen signaalinkäsittely ennen RF-lähetystä. Lähettimen/vastaanottimen rakentamisen periaate on sama kuin DS-CDMA:ssa, vain lopullinen moduloitu signaali syötetään DAC:hen. Lähetin/vastaanotin käyttää erityistä suodatinta, jota kutsutaan korotetuksi kosinisuodattimeksi, joka minimoi symbolien välisen vääristymän edustamalla osan spektristä yksinkertaisimmassa muodossaan kosiniaaltoksi, joka nostetaan niin, että se istuu vaaka-akselilla.
Chipaaminen on mikä tahansa toimenpide, jolla symbolit (bitit) jaetaan (sirutetaan) pienemmiksi aikaväleiksi. Sekoitus-, kanavointi- ja levitystoiminnot ovat haketustoimintoa.
Scrambling on digitaalisen virran palautuva muunnos muuttamatta lähetysnopeutta satunnaisen sekvenssin avulla. Sekoituksen jälkeen "1" ja "0" esiintyvät lähtösekvenssissä yhtä todennäköisinä. Sekoitus on palautuva prosessi, eli alkuperäinen viesti voidaan palauttaa käyttämällä käänteistä algoritmia.
Kanavointi on digitaalisen virran käännettävissä oleva muunnos jakamalla informaatiosignaali siruiksi kiinteää sekvenssiä käyttäen.
Kattava esitys.
Huomaa, että monimutkainen esitys on puhtaasti matemaattinen ja otetaan käyttöön merkinnän helpottamiseksi. Kolmannen sukupolven CDMA-verkoissa kaikkia kolmea esitystä käytetään integroidussa muodossa. Kanavaus Uplink-järjestelmässä suoritetaan ensimmäisellä esitysmenetelmällä ja Downlink-järjestelmässä toisella.
Jokaisella käyttäjällä on ainutlaatuinen hajautus-/kanavointikoodi, todennäköisimmin ortogonaalinen Walsh-koodi. Alavirran signaalilähetyksessä otetaan lähtökohtana sirutetun sekvenssin kompleksisen esityksen todellinen osa ja lähetetään samalla nopeudella. Lähetetyt koodatut signaalit synkronoidaan. Jokainen matkaviestin tietää nykyisen tukiaseman sekoituskoodin ja sen asetetun (ja ainoan) hajotuskoodin - tästä lähetetty data palautetaan.
Loogisia downlink-kanavia ovat:
Pilot-kanava;
Synkronointi kanava;
Henkilökohtainen puhelukanava;
Suora liikennekanava.
SISÄÄN suora kanava(BS:stä matkaviestimeen) signaalimodulaatiota Walsh-funktioilla (binäärinen vaihesiirtoavainnus) käytetään erottamaan tietyn BS:n eri fyysiset kanavat; pitkä PSP-modulaatio (binäärivaihe
manipulointi) - viestien salaamista varten; lyhyen PSP:n modulointi (kahden saman ajanjakson PSP:n kvadratuurivaihesiirtoavainnus) - kaistanleveyden laajentamiseksi ja eri tukiasemien signaalien erottamiseksi toisistaan.
Eri asemien signaalien ero on varmistettu sillä, että kaikki BS:t käyttävät samaa lyhytkaistanleveysparia, mutta 64 näytteen siirtymällä eri asemien välillä, ts. Verkossa on yhteensä 511 koodia; tässä tapauksessa kaikilla yhden BS:n fyysisillä kanavilla on sama sekvenssivaihe.
BS:ään muodostetaan 4 tyyppistä kanavaa: pilottisignaalikanava (PI), synkronointikanava (SYNC), kutsukanava (PCN) ja liikennekanava (TCN).
Signaalit eri kanavia keskenään ortogonaaliset, mikä takaa niiden välisen keskinäisen häiriön puuttumisen samassa tukiasemassa. Järjestelmän sisäiset häiriöt johtuvat pääasiassa muiden tukiasemien lähettimistä, jotka toimivat samalla taajuudella, mutta eri syklisillä siirroilla.
Pilottisignaali lähetetään jatkuvasti. Sen lähettämiseen käytetään nolla-asteen Walsh-funktiota (W0). Pilottisignaali on kantoaaltosignaali, jota MS käyttää työsolun valitsemiseen (tehokkaimman signaalin perusteella) ja myös referenssisignaalina informaatiokanavasignaalien synkroniseen havaitsemiseen. Tyypillisesti noin 20 % kokonaistehosta lähetetään pilottisignaalissa, minkä ansiosta matkaviestin (MS) voi varmistaa tarkan kantoaaltotaajuuden valinnan ja signaalien koherentin vastaanoton.
Synkronointikanavassa (SYNC) 1,2 kbit/s nopeudella oleva tulovirta koodataan uudelleen 4,8 kbit/s nopeudella lähetettäväksi virraksi. Synkronointisanoma sisältää tekniset tiedot, jotka ovat tarpeen alkusynkronoinnin muodostamiseksi MS:ssä: tiedot tarkasta järjestelmäajasta, lähetysnopeudesta PCH-kanavalla sekä lyhyen ja pitkän koodin parametrit. Synkronointikanavan siirtonopeus on pienempi kuin kutsukanavalla (RSN) tai aikataulukanavalla (TSN), mikä lisää sen toiminnan luotettavuutta. Synkronointimenettelyn päätyttyä MS viritetään PCH-puhelukanavalle ja tarkkailee sitä jatkuvasti. Toimintoa W32 käytetään synkronointikanavan koodaamiseen.
Nousevassa kanavassa (uplink) on toteutettu asynkroninen koodijaon versio yhdessä signaalien epäkoherentin vastaanoton kanssa BS:ssä. Tämä eliminoi pilottikanavan ja synkronointikanavan tarpeen. Tämä jättää vain kahdentyyppisiä uplink-loogisia kanavia:
pääsy kanavaan;
- paluuliikennekanava.
Koodijaon asynkronia tekee Walsh-funktioiden käyttämisen fyysisten kanavien kanavan muodostavina sekvensseinä (allekirjoituksina) irrationaalista, koska suhteellisilla aikasiirtymillä ne eivät voi säilyttää ortogonaalisuutta ja niillä on erittäin epämiellyttävät ristikorrelaatioominaisuudet.
Pääsykanava tarjoaa yhteyden MS:n ja BS:n välillä, kunnes MS on viritetty sille osoitetulle paluuliikennekanavalle. Pääsykanavan valintaprosessi on satunnainen - MS valitsee satunnaisesti kanavanumeron tietystä alueesta. Pääsykanavaa käytetään rekisteröimään MS verkkoon, lähettämään yhteyden muodostamispyyntö BS:ään, vastaamaan puhelukanavan kautta lähetettyihin komentoihin jne. Tiedonsiirtonopeus pääsykanavalla on kiinteä ja on 4,8 kbit /s.
Paluuliikennekanava tarjoaa lähetyksen puheen tiedot ja tilaajatiedot sekä ohjaustiedot MS:ltä BS:lle, kun MS jo käyttää sille allokoitua fyysistä kanavaa.
Walsh koodit.
CDMA-standardi käyttää ortogonaalisia Walsh-koodeja koodijakoon. Walsh-koodit muodostetaan Walsh-matriisin riveistä:
Tämän matriisin erikoisuus on, että jokainen sen rivi on ortogonaalinen mihin tahansa muuhun tai loogisen negaatiooperaation avulla saatuun riviin nähden. IS-95-standardi käyttää 64. asteen matriisia. Digitaalisuodatinta käytetään signaalin eristämiseen vastaanottimen lähdössä. Ortogonaalisilla signaaleilla suodatin voidaan konfiguroida niin, että sen lähtö on aina looginen "0", ellei signaalia, jolle se on konfiguroitu, vastaanoteta. Walsh-koodausta käytetään lähtökanavassa (BS:stä AT:hen) käyttäjien erottamiseksi. IS-95-standardia käyttävissä järjestelmissä kaikki kaiuttimet toimivat samanaikaisesti samalla taajuuskaistalla. BS-vastaanottimien sovitetut suodattimet ovat lähes optimaalisia saman solun tilaajien keskinäisten häiriöiden olosuhteissa ja ovat erittäin herkkiä "kaukalle"-efektille. Järjestelmän tilaajakapasiteetin maksimoimiseksi on välttämätöntä, että kaikkien tilaajien päätelaitteet lähettävät sellaisen tehon signaalia, joka varmistaa BS:n vastaanottamien signaalien tason. Mitä tarkempi tehonsäätö, sitä suurempi on järjestelmän tilaajakapasiteetti.
Pseudosatunnainen sekvenssi.
PSP on deterministinen jaksollinen signaali, jonka molemmat kirjeenvaihtajat tuntevat. Sillä on kaikki valkoisen kohinan tilastolliset ominaisuudet ja kolmannelle osapuolelle se näyttää täysin satunnaiselta - pseudokohinasignaalilta. Jotta PSP olisi satunnainen prosessi, useiden edellytysten on täytyttävä:
- binääristen ykkösten lukumäärä ei saa poiketa binääristen nollien lukumäärästä enintään yhdellä elementillä;
- PSP:llä tulee olla hyvät korrelaatioominaisuudet, nimittäin tällaisen sekvenssin ACF-sivukeilojen tasoilla on oltava minimitaso.
Monet sekvenssit täyttävät nämä ominaisuudet - Walsh-, Barker-, Gold-sekvenssit, M-sekvenssit ja monet muut.
Siirtorekisteri siirtopalautteella (FCSR, Feedback with carry shift register) - siirtorekisteri, toiminto palautetta ja kantorekisteri. Pituus vuororekisteri- bittien määrä. Kun bitti on noudettava, kaikki siirtorekisterin bitit siirtyvät oikealle yhden paikan verran. Siirtorekisterin uusi vasemmanpuoleisin bitti ja uusi arvo määräytyvät siirtorekisterin ja siirtorekisterin jäljellä olevien bittien funktion mukaan (niiden bitit lasketaan yhteen). Tuloksen vähiten merkitsevästä bitistä tulee uusi vasemmanpuoleisin bitti ja tuloksen jäljelle jäävistä biteistä (paitsi vähiten merkitsevä bitti) tulee siirtorekisterin uusi arvo.
Toisin kuin LFSR, FCSR:ssä on viive ennen kuin se siirtyy sykliseen tilaan, eli se alkaa generoida syklisesti toistuvaa sekvenssiä. Valitusta alkutilasta riippuen 4 eri tapausta on mahdollista:
1. Alkutila voi olla osa enimmäisaika.
2. Alkutila voi siirtyä maksimijaksojaksoon jonkin alkuviiveen jälkeen.
3. Alkutila voi alkuviiveen jälkeen tuottaa nollien sarjan.
4. Alkutila voi alkuviiveen jälkeen tuottaa sarjan ykkösiä.
Goldin sekvenssi on näennäissatunnainen sekvenssi, joka muodostetaan lisäämällä modulo 2 kaksi näennäissatunnaista sekvenssiä.
Kasami on eräänlainen pseudosatunnainen sekvenssi. Käytetään CDMA:ssa. Näiden sekvenssien merkitys johtuu niiden erittäin alhaisesta ristikorrelaatiosta. Kasami-koodi, jonka pituus on N = 2m − 1, jossa m on parillinen kokonaisluku, voidaan saada ottamalla jaksollisia näytteitä M-
sekvenssejä ja suorittaa modulo 2 summauksen syklisesti siirretyille sekvensseille. Näytteitä otetaan joka s = 2m / 2 + 1 M-sekvenssin elementti jaksollisen sekvenssin muodostamiseksi ja sitten tämä sekvenssi lisätään asteittain alkuperäiseen M-sekvenssiin modulo 2, jolloin muodostuu s = 2m / 2 Kasami-sekvenssiä. Kahden Kasami-sekvenssin ristikorrelaatiofunktio saa arvot [-1, -s, s-2].
Ortogonaaliset koodit
Mahdollisuus mukauttaa järjestelmä eri siirtonopeuksille varmistetaan käyttämällä ns. kanavointikoodeja. Niiden luomisen periaatetta voidaan havainnollistaa (kuva 1) koodipuukaaviolla ortogonaalisille muuttujapituisille koodeille
(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF).
Tämän koodipuun jokaisella tasolla on omat koodisanansa, joiden kunkin pituus on yhtä suuri kuin hajotustekijä (SF). Täydellinen koodipuu sisältää 8 tasoa (viimeinen, kahdeksas, vastaa kerrointa SF=256).
Koodipuun rakenne on sellainen, että jokaisella seuraavalla tasolla mahdollinen kanavan muodostavien koodien määrä kaksinkertaistuu. Joten jos tasolla 2 generoidaan vain 2 koodia (SF = 2), niin tasolla 3 generoidaan 4 koodisanaa (SF = 4) jne. OVSF-koodien ensemble ei ole kiinteä, vaan riippuu hajautuskertoimesta SF, eli itse asiassa kanavan siirtonopeudesta.
Ortogonaalisuuden ongelma.
Oletetaan, että on yksinkertainen järjestelmä, jossa on kaksi käyttäjää ja kaksi signaalipolkua. Näiden kahden polun suhteellinen latenssi on yksi siru. Ortogonaalisia Walsh-koodeja käytetään datasekvenssin levittämiseen.
Tässä tapauksessa vastaanotin poimii kanavalta kaksi eri signaalia jokaiselle käyttäjälle, jotka vastaavat kahta eri polkua, joiden välinen suhteellinen viive on yksi siru.
Vastaanotin vastaanottaa jokaiselle käyttäjälle kaksi signaalia kanavalta, halutun signaalin (PRP on synkronoitu tämän signaalin kanssa) ja sen viivästetyn version.
Tulos neljän vastaanotetun signaalin kaventamisesta kaksikanavaisessa lähetyksessä kahdelle käyttäjälle on:
B N (kiinnostava bitti) kapenemisesta haluttu signaali käyttäjä;
- 0 ortogonaalisten kohinan kaltaisten signaalien kapenemisesta, ei häiriöitä Walsh-koodien käytön vuoksi;
- ei-toivotut olosuhteet, kun kaventuminen aiheuttaa halutun signaalin viivettä ja häiriöitä.
Monitie.
Koodisekvenssille, jolla on ihanteelliset korrelaatioominaisuudet, autokorrelaatiofunktio antaa nollatuloksen välillä , jossa Tc on alibitin aika. Tämä tarkoittaa, että haluttu signaali (pääpolku) ja tämän signaalin viivästetty versio, joka on yli 2Tc, vastaanotetaan vastaanottimessa, minkä jälkeen vastaanotin tunnistaa koherentissa demodulaatiossa/alashajotusolosuhteissa viivästyneen signaalin häiriöksi. Lisäksi viivästetyn signaalin tehotaso on pienempi kuin hyödyllinen johtuen heijastuksista monitien aikana, joten häiriön muodossa oleva viivästynyt signaali "takertuu" koko kaistanleveydelle ja vastaanotin vastaanottaa vain hyödyllisen signaalin.
"Lähellä - kaukainen" ongelma.
CDMA-tekniikan korkeasta tehokkuudesta huolimatta sillä on myös useita haittoja. Yksi niistä on korkea herkkyys matkaviestimien tehon hajaantumiselle. Vaikein tilanne syntyy ”kaukan lähellä”-ongelman takia, kun lähellä tukiasemaa sijaitseva matkaviestin toimii suurella teholla, mikä aiheuttaa ei-hyväksyttävän korkean häiriötason vastaanottaessaan muita, ”kaukaisia” signaaleja, mikä johtaa laskuun. sisään kaistanleveys järjestelmät kokonaisuutena. Tämä ongelma esiintyy kaikissa matkaviestinjärjestelmissä, mutta suurin signaalin vääristymä esiintyy yhteisellä taajuuskaistalla toimivissa CDMA-järjestelmissä, jotka käyttävät ortogonaalista kohinaa muistuttavia signaaleja. Jos näistä järjestelmistä puuttuisi tehonsäätö, ne olisivat huomattavasti heikompia kuin TDMA-pohjaiset solukkoverkot. Siksi CDMA-järjestelmien avainongelmana voidaan pitää kunkin aseman yksilöllistä tehonsäätöä.
Havaitseminen.
Vastaanottimella on pääsy koodipankkiin, joka tallentaa kaikki sille varatut koodit tukiasemia(BS). Tietylle käyttäjälle BS tietää, mitä koodia odottaa, ja koodi havaitaan vertaamalla vastaanotettua sekvenssiä odotettuun koodiin. Korrelaatiooperaatio suoritetaan kavennuksella, joka voidaan suorittaa sovitetussa suodattimessa. Ennen kuin korrelaatio voi alkaa, vastaanottajan on tiedettävä tarkka ajankohta. Synkronointi saadaan aikaan käyttämällä pilottisignaalia, joka sijaitsee ennen lähetettyä tietoa. Pilottisignaali on sama kaikille käyttäjille. Kun synkronointi on valmis, sovitettu suodatin aloittaa korrelaatiotoiminnon: jos korrelaatio on ennalta määritellyn kynnyksen yläpuolella, käyttäjän määrittelemä sovitettu suodatin on positiivinen.
Vastaanotetun signaalin ja samasta lähettimessä käytetystä näennäissatunnaisesta kohinalähteestä (PRN) tulevan signaalin kertominen tiivistää hyödyllisen signaalin spektriä ja laajentaa samanaikaisesti taustamelun ja muiden häiriölähteiden spektriä. Tuloksena oleva vahvistus signaali-kohinasuhteessa vastaanottimen lähdössä on laajakaista- ja kantataajuisen signaalin kaistanleveyden suhteen funktio: mitä suurempi spektrin hajautus, sitä suurempi vahvistus. Aikatasolla tämä on radiokanavan digitaalisen virran lähetysnopeuden ja perusinformaatiosignaalin lähetysnopeuden suhteesta. 1S-95-standardissa suhde on 128-kertainen eli 21 dB. Tämä mahdollistaa järjestelmän toiminnan häiriötasolla, joka ylittää hyödyllisen signaalin tason 18 dB:llä, koska signaalin käsittely vastaanottimen lähdössä edellyttää signaalitason ylittävän häiriötason vain 3 dB:llä. Todellisissa olosuhteissa häiriötaso on paljon pienempi. Lisäksi signaalispektrin laajentamista (1,23 MHz asti) voidaan pitää taajuusdivsovelluksena. Radiotiellä etenevä signaali on alttiina häipymiselle etenemisen monitieluonteen vuoksi. Taajuusalueella tämä ilmiö voidaan esittää lovisuodattimen vaikutuksena, jonka kaistanleveys vaihtelee (yleensä enintään 300 kHz). SISÄÄN AMPS-standardi tämä vastaa kymmenen kanavan vaimennusta ja sisään CDMA-järjestelmä Vain noin 25 % signaalin spektristä on vaimennettu, mikä ei aiheuta erityisiä vaikeuksia signaalin palauttamisessa vastaanottimessa.
Rake vastaanotin.
Tulosignaalien digitoidut näytteet vastaanotetaan RF-tuloasteilta ja ne esitetään kvadratuuri-I- ja Q-haareina (eli vastaanottimen lähdön alipäästösuodattimen kompleksilukumuoto). Koodigeneraattorit ja korrelaattori suorittavat käyttäjän tiedonsiirtosymbolien pakkaamisen ja summauksen. Kanavalaite käyttää pilottisymboleja kanavan tilan estimoimiseen, jonka vaikutusta kompensoidaan sitten vastaanotettujen symbolien vaiheensiirtimellä. Viive kompensoidaan symbolien saapumisajan erolla kullakin polulla. Rake-summain lisää sitten kompensoidut kanavasymbolit tarjoten näin monitiediversiteettiä keinona torjua häipymistä.
Näytössä on myös sovitettu suodatin, jota käytetään määrittämään ja päivittämään kanavan nykyinen monitieviiveprofiili. Tätä mitattua ja mahdollisesti keskiarvoista monitieviiveprofiilia käytetään sitten korkeimpien huippujen Rake-vastaanottimen polun lähtöjen summaamiseen.
Tyypillisissä toteutuksissa Rake-vastaanotin suorittaa sirunopeuden käsittelyä (korrelaattori, koodigeneraattori, sovitettu
