Mobilní sítě krátkého dosahu PAN , WLAN Ing. David Kopecký
[email protected] ČVUT FEL, katedra radioelektroniky 2007
Zařazení v klasifikaci telekomunikačních sítí Globální sítě GAN (Global Area Network) Dálkové sítě WAN (Wide Area Network) Metropolitní sítě MAN (Metropolitan Area Networks) Veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Network) • Lokální sítě LAN/WLAN (Wireless Local Area Network) • Personální sítě PAN/WPAN (Wireless Personal Area Network) • Osobní sítě BAN/WBAN (Wireless Body Area Network)
• • • •
Přehled bezdrátových sítí a jejich použití
Bluetooth, Zigbee, WirelessUSB Dosah – jednotky až desítky metrů Kmitočtová pásma 868MHz, 915MHz, 2450MHz Vysílací výkon – do 100mW/10mW/1mW Příkon (spící režimy) – do 100mA (1µA ‐ hybernace) Jednoduché řízení přenosu Módy přenosu podle typu a potřeb zařízení Velký počet zařízení Široká podpora výrobců speciálních čipů (Application‐ specific integrated circuit) • Nízká cena – od $1
• • • • • • • •
WiFi, WiMAX, HyperLan • • • • • • •
Dosah – stovky metrů Kmitočtová pásma – 2.4, 5 GHz Vysílací výkon – dle země do 1W Příkon – dle režimu Přenosové rychlosti do 250Mb/s Druhy provozu Ceny zařízení
BlueTooth (IEEE 802.15.1) Verze: 1.0 (1999),2.0 (2004)
• • • •
• • • • • •
Pracovní pásmo ‐ 2.402‐2.480GHz; 79 kanálů po 1MHz Rozprostření ‐ FHSS 1600 skoků/s Adresace ‐ 48 bitů (unikátní) Datová rychlost • Synchronní mód ‐ 3 x 64kb/s duplex • Asynchronní mód – Nesymetrický ‐ 721kb/s + 57kb/s – Symetrický ‐ 432,6kb/s Délka paketu ‐ 625μs Kryptografie ‐ 40 a 64 bitové kódování Výkon vysílače ‐ 1 – 100mW Citlivost přijímače ‐ 80 – 85dBm Dosah ‐ Typicky 10 – 100m Koexistence s WiFi ‐ AFH
Rozdělení BlueTooth zařízení Podle vysílaného výkonu: Třída
Pmax
Pnom
Pmin
1
100mW (20dBm)
nedefinováno
1mW (0dBm)
2
2.5mW (4dBm)
1mW (0dBm)
0.25mW (‐6dbm)
3
1mW (0dBm)
nedefinováno
nedefinováno
Stavy ve kterých se může zařízení nacházet: Pohotovostní (standby) Dotaz / Výzva (inquiry / page) Aktivní (active) Vyhledávací (sniff) Odložený (hold) Parkovací (park)
Piconet/Scatternet Scatternet
Piconet 1
Piconet Piconet 2
Rádiová vrstva • • • • • • •
GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) Jednička je kladná odchylka kmitočtu BT = 0,5 a modulační index = 0.28 ‐ 0.35 Symbolová rychlost 1Ms/s TDD (Time‐Division Duplex) Slot time = 0,625ms FHSS případně AFH
Komunikace master ‐ slave
Vrstvy pro síťové aplikace
ZigBee (IEEE 802.15.4) Low-Rate Wireless Personal Area Network
• průmyslová síť pro pomalý přenos dat v domácí a automatizační technice • • • • • • • •
Pracovní pásma ‐ 868MHz, 915MHz, 2.45GHz Rozprostření ‐ DSSS Adresace ‐ 16 bitů (až 64000 zařízení) Datová rychlost • Bezdrátové prodloužení RS‐232/RS‐485 • 250 kb/s (O‐QPSK) Výkon vysílače ‐ 1 mW Citlivost přijímače ‐ 90dBm Dosah ‐ až 75m (ve volném prostoru) Příkon 30mA (1µA v hybernaci)
Y37BKS
WirelessUSB Cypress Semiconductor (2001)
• Bezdrátové prodložení pro USB rozhraní • • • •
• • • •
Pracovní pásma ‐ 2.4GHz, 79 kanálů Rozprostření ‐ DSSS/bez Adresace ‐ 8bitů (jako USB) Datová rychlost • Bezdrátové prodloužení USB • 250 kb/s (DSSS) • 1Mb/s (GFSK) Výkon vysílače ‐ 2,5 mW Citlivost přijímače ‐ 95dBm Dosah ‐ až 50m Příkon 50mA (1µA v hybernaci)
WirelessUSB CIRF69213 (Cypress)
WLAN ‐ WiFi (IEEE 802.11a/b/g, 802.11n)
• Bezdrátová LAN • Pracovní pásma ‐ 2.412 ‐ 2.484 GHz, 14 kanálů (ISM) ‐ 5.47 ‐ 5.725 GHz, • Rozprostření ‐ FHSS,DSSS,OFDM • Modulace ‐ BPSK, QPSK, 8PSK, 64QAM • Adresace ‐ MAC • Datová rychlost • 1Mb/s – 250Mb/s • Výkon vysílače ‐ 100 mW • Citlivost přijímače ‐ 95dBm • Dosah ‐ stovky metrů • Příkon ‐ v závislosti na vysílaném výkonu
Dokumenty a doporučení • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
IEEE 802.11 ‐ Původní standard pro 1 a 2 Mbit/s rychlost s frekvencí 2.4 GHz (1999) IEEE 802.11a ‐ 54 Mbit/s, 5 GHz standard (1999, produkty od 2001) IEEE 802.11b ‐ Vylepšení 802.11 s podporou 5.5 a 11 Mbit/s (1999) IEEE 802.11c ‐ Bezdrátové přemostění (bridge); obsaženo v IEEE 802.1D standardu (2001) IEEE 802.11d ‐ Mezinárodní roamingový dodatek (2001) IEEE 802.11e ‐ Vylepšení QoS, včetně dlouhých (burst) paketů (2005) IEEE 802.11F ‐ Komunikace mezi bezdrátovými přístupovými body (2003) Stažen v březnu 2006. IEEE 802.11g ‐ 54 Mbit/s, 2.4 GHz standard (zpětně kompatibilní s 802.11b) (2003) IEEE 802.11h ‐ Správa spektra 802.11a (5 GHz) pro Evropu (2004) IEEE 802.11i ‐ Vylepšený autentifikační a šifrovací algoritmus (WPA2) (2004) IEEE 802.11j ‐ Dodatek pro Japonsko; nové frekvenční pásma pro multimedia (2004) IEEE 802.11k ‐ Vylepšení správy rádio zrdojů pro vysoké frekvence. (Navazuje na IEEE 802.11j) IEEE 802.11l ‐ (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11m ‐ Správa standardu: přenosové metody a drobné úpravy. IEEE 802.11n ‐ Vylepšení pro vyšší datovou propustnost (MIMO ‐ Multiple Input ‐ Multiple Output) IEEE 802.11o ‐ (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11p ‐ Bezdrátový přístup pro pohyblivé prostředí (auta, vlaky, sanitky) IEEE 802.11q ‐ (rezervováno a nebude použito, aby se nepletlo s 802.1Q) IEEE 802.11r ‐ Rychlé přesuny mezi přístupovými body (roaming) IEEE 802.11s ‐ Samoorganizující se bezdrátové sítě. (ESS Mesh Networking) IEEE 802.11T ‐ Předpověď bezdrátového výkonu ‐ testovací metody IEEE 802.11u ‐ Spolupráce se sítěmi mimo 802 standardy (například s mobilními sítěmi) IEEE 802.11v ‐ Správa bezdátových sítí (konfigurace klientských zařízení během připojení) IEEE 802.11w ‐ Chráněné servisní rámce IEEE 802.11x ‐ (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11y ‐ Pro běh ve frekvenčním pásmu 3650 ‐ 3700 MHz (veřejné pásmo v USA)
Hlavní kmitočtová pásma
Kalkulace trasy
http://www.jirous.com/vypocty/wi-fi/
Kmitočtová pásma 802.11b
DSSS
Barker ‐ sekvence • 11bit rozprostíraci sekvence • Kódový zisk 10,4 dB • Dobré autokorelační vlastnosti
Kodér vysílače
Přímé rozprostření
Kmitočtová maska pro 802.11b
Výkonová obálka 802.11
IEEE 802.11g/a
Kmitočtová maska 802.11a
PLCP rámec
Přístupová metoda • DCF (Distributed Coordination Function) • PCF (Point Cordination Function) ‐ volitelně • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). • DIFS (Distributed Inter Frame Space) • RTS (Request To Send) – krátký paket vyslaný stanicí pokud chce vysílat (obsahuje délku následujícího přenosu) • CTS (Clear To Send) – odpověď na RTS (opět s délkou následujícího přenosu) • RTS‐CTS – výhodný pouze pro dlouhé pakety
Komunikace ‐ ACK
Přístup k médiu
Skrytá stanice
Rozšíření přístupových metod (QoS) • IEEE 802.11e • ECDF (Enhanced Distribution Coordination Function ) • HCF (Hybrid Coordination Function ) – volitelný • HCCA (HCF Controlled Channel Access) • TSID (Traffic Stream Identifier) – 8 identifikátorů provozu
QoS pro 802.11
QoS (Quality of Service ) • vyjadřuje jeden z trendů vývoje technologií a služeb počítačových sítí ‐ poskytovat uživatelům služby s definovanou kvalitou • Volná kapacita sítě ‐ rozdíl mezi instalovanou kapacitou a zátěží neboli využitou kapacitou. • Ztrátovost paketů ‐ kolik procent paketů nedorazí od odesílatele k příjemci. • Zpoždění ‐ doba potřebná k přenosu paketu od odesílatele k příjemci. • Změna zpoždění ‐ Tato vlastnost je pro aplikace často důležitější než absolutní hodnota zpoždění.
Blokové schéma WLAN
Bloky CEM (Configurable Execution Module) pro realizaci WLAN na principech softwarového rádia
UWB IEEE802.15.3 • Bezdrátový přenos multimediálních dat, implementace QoS • • • • •
I‐UWB (impulse‐based UWB) MC‐UWB (Multicarrier UWB, OFDM) Šířka pásma 500MHz Kmitočtové pásmo 3.1–10.6 GHz Vysílaný výkon ‐41dBm/MHz!
• Datová rychlost • 100 Mb/s, 250Mb/s, 480Mb/s, 800 Mb/s • Boj o praktickou realizaci fyzické vrstvy – MB‐OFDM (MultiBand OFDM ) – DS‐CDMA (Direct‐Sequence Code‐Division Multiple Access)
Kmitočtový plán MB‐OFDM
Záklaní bloky UWB vysílače a příjímače
UWB transceiver
Literatura An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems Jeffrey H. Reed Publisher : Prentice Hall PTR Date : April 05, 2005 ISBN : 0‐13‐148103‐7 Pages : 672
Literatura Bluetooth Application Developer's Guide: The Short Range Interconnect Solution By Brian Senese, Gordon McNutt, Bill Munday, David Kammer Publisher: Syngress Publishing Pub Date: December 2001 ISBN: 1928994423 Pages: 556
Literatura Introduction to Bluetooth Technology by Lawrence Harte Althos Pub Date: January, 2004 ISBN: 0974694355 Pages: 60
Literatura IEEE 802 Wireless Systems Protocols, Multi‐hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence Bernhard H. Walke ComNets, RWTH Aachen University, Germany Stefan Mangold Swisscom Innovations, Switzerland Lars Berlemann ComNets, RWTH Aachen University, Germany
John Wiley & Sons Ltd, Pub Date: January, 2004 ISBN‐13 978‐0‐470‐01439‐4
Zkratky
