X.1 BEZDRÁTOVÉ LANy Osnova
4. Bezdrátové lokální sítě 4.1 Bezdrátová média Rádiové kmitočtové spektrum Útlum přenosu Interference se sousedními kanály Mnohacestné šíření Zařízení Topologie
4.2 Přenosové systémy Rádiové systémy
Přímé rozprostření spektra pseudonáhodnou posloupností Rozprostření spektra rychlým přepínáním nosného kmitočtu Modulace jednoho nosného kmitočtu Modulace mnoha nosných kmitočtů
1
4. Bezdrátové lokální sítě Lokální sítě LAN, o kterých se dosud hovořilo používaly jako fyzické přenosové medium buď kroucené páry metalických vodičů, nebo koaxiální kabely. Hlavní část finančních prostředků takto realizovaných LANů připadla na instalaci fyzických drátových kabelů. A navíc při změně rozmístění počítačů bylo třeba finanční prostředky investovat do pokládky nové kabeláže, lišící se od původní instalace. To byl jeden důvod, proč se bezdrátové LANy, které nevyžadují fyzická metalická přenosová média, začaly rozvíjet. Druhým důvodem byl rozvoj příručních terminálů a přenosných počítačů. Pokroková technologie způsobila, že výkonnost přenosných zařízení začala být srovnatelná s mnohými stabilně instalovanými počítači. I když prvotním důvodem pro používání takových zařízení byla portabilita, tak tato zařízení musela často komunikovat s jinými počítači. Mohlo se jednat o jiné přenosné počítače, nebo pravděpodobněji o počítače (servery) připojené k drátovým LAN. Jako příklad mohou sloužit příruční terminály v maloobchodech, které potřebují komunikovat s velkým centrálním počítačem z důvodu aktualizace záznamů o stavu skladových zásob, nebo přenosné počítače ošetřovatelek v nemocnici, které umožňují přistup k záznamu pacientů v databázi hlavního počítače. Schéma dvou aplikací bezdrátových LAN je uvedeno v obr. 24 (a). Ze schématu prvé aplikace je vidět, že přístup k počítači serveru drátové LAN se realizuje přes přenosnou přístupovou jednotku (portable access unit-PAU). Typický rozsah pokrytí zajišťovaný PAU se pohybuje mezi 50 a 100 m, a velké instalace mají mnoho takových jednotek rozmístěno kolem počítačového serveru. 2
Obr.24 Bezdrátové LANy: (a) aplikační topologie (b) technologické problémy 3
Aplikace které připojují mnoho přenosných zařízení pomocí přenosné přístupové jednotky PAU k drátové LAN představují tzv. infrastrukturu bezdrátové lokální sítě. Ve druhé aplikaci mohou přenosné počítače komunikovat s jinými přenosnými počítači a tak vytvořit jednoúčelovou bezdrátovou LAN. To se může realizovat například v konferenčním sále během zasedání nebo na letišti. Protože takové sítě vznikají jen podle potřeby, často se jim říká ad hoc bezdrátové LAN. Stejně jako u drátových LAN, i zde existuje mnoho problémů, které musí provoz LAN respektovat. Tyto problémy shrnuje obr. 24 (b).
4.1 Bezdrátová média Pro bezdrátové LAN se používají dva typy médií, rádiové kmitočtové spektrum a infračervené optické spektrum.
Rádiové kmitočtové spektrum Radiové kmitočtové spektrum se používá extenzivně v mnoha aplikacích zahrnujících televizní přenosy a telefonní sítě s buněčnou strukturou. Protože radiové vlny se mohou snadno šířit překážkami, k jakým patří například zdi a dveře, tak musí být využívání radiového spektra podrobeno pečlivé kontrole. Široký rozsah aplikací rovněž znamená, že radiové spektrum představuje nedostatkovou komoditu, takže některé způsoby jeho využití potřebují oficiální alokaci. Z historického hlediska se taková alokace prováděla v národním měřítku, ale s rostoucím počtem mezinárodních dohod jsou vybraná kmitočtová pásma rezervována pro ty aplikace, které mají mezinárodní důležitost. Z požadavků kladených na rádiové vyzařování signálů ve specifickém kmitočtovém pásmu a na rádiové přijímače selektivně vybírající pouze signály z takového pásma 4
vyplývá, že obvodové řešení rádiových systémů je rafinovanější, než řešení systémů s infračerveným spektrem. Nicméně široké použití rádiového spektra zejména v různých masově vyráběných zákaznických produktech znamená, že stavební prvky těchto produktů lze implementovat do speciálních rádiových systémů za mírnou cenu.
Útlum přenosu Všechny radiové přijímače jsou navrženy tak, aby mohly pracovat se specifickým poměrem SNR, což znamená že poměr výkonu přijatého signálu k výkonu přijatého šumu nesmí klesnout pod specifickou hodnotu. Z obecného hlediska složitost přijímače a tím i jeho cena roste s poklesem odstupu SNR. Pokles ceny přenosných počítačů nicméně znamená, že cena jednotky rozhraní s rádiovou sítí musí být srovnatelná s cenou přenosných zařízení. Proto musí být poměr SNR na vstupu rádiového přijímače udržován na přijatelné výši. V praxi závisí poměr SNR na mnoha vzájemně souvisejících parametrech, přičemž každý z nich musí být brán v úvahu při návrhu radiového přijímače. Jak je všeobecně známo, tak velikost šumu přijímače je funkcí dvou parametrů, okolní teploty, která ovlivňuje výkon termálního šumu a šíří pásma přijatého signálu; čím větší je šíře pásma nebo teplota, tím větší je výkon šumu. Výkon signálu na vstupu přijímače je funkcí nejenom výkonu vysílaného signálu, ale také funkcí vzdálenosti vysílače od přijímače. Ve volném prostoru klesá výkon radiového signálu nepřímo úměrně se čtvercem vzdálenosti od zdroje. Kromě toho je tento pokles ještě výraznější v interiéru vlivem instalovaného nábytku a přítomných osob a dále vlivem interferencí vysílaného signálu s odraženými signály od zmíněných objektů. 5
Tyto vlivy se kombinují a působí ztrátu přenášeného signálu rádiovým kanálem. Proto je správná funkce rádiového přijímače podmíněna přijatelnou úrovní SNR a tedy co největším výkonem vysílače a/nebo omezeným rozsahem pokrytí. V praxi přenosných počítačů je výkon vysílaného signálu omezen spotřebou jednotky rozhraní radiové sítě, která zvyšuje zatížení napájecí baterie přenosného zařízení. Proto je rozsah pokrytí ad hoc bezdrátových LAN menší než u LAN s bezdrátovou infrastrukturou.
Interference se sousedními kanály Protože rádiové signály procházejí většinou objektů jen s mírným útlumem, tak jiné vysílače pracující ve stejném kmitočtovém pásmu a v sousedních místnostech téže budovy nebo v jiných budovách mohou vyvolat interference. Protože mnoho ad hoc LANů může působit v sousedních místnostech, musí být technika upravena tak, aby byla možná koexistence zařízení pracujících ve stejném kmitočtovém pásmu. Protože topologie infrastruktury bezdrátových LANů je známá a celkový rozsah pokrytí bezdrátové sítě je mnohem větší v podstatě stejný jako u existujících drátových LAN můžeme dostupnou síře pásma rozdělit na několik dílčích pásem tak, aby prostor pokrytý sousedním dílčím pásmem využíval odlišné kmitočtové spektrum. Řešení problému je naznačeno v obr.25(a) a je známé jako trojitě se opakující buněčná struktura (three-cell repeat pattern). Struktury s větším počtem opakujících se buněk jsou rovněž možné. Šíře pásma kterou má každé buňka k dispozici se volí tak, aby předem definovaný počet uživatelů v dané oblasti měl zajištěnu přijatelnou úroveň služby. To umožňuje lepší využití dostupné šíře pásma.
6
Protože všechny sousední buňky pracují v odlišných kmitočtových pásmech, tak se lépe redukuje interference ze sousedních kanálů (adjacent channel interference).
Obr.25 Rádiové rušení: (a) Interference ze sousedních kanálů, alokační strategie; (b) Interference mezi sousedními symboly; (c)Rayleighův únik 7
Mnohacestné šíření Rádiové signály stejně jako optické signály jsou ovlivněny mnohacestným šířením. V každém časovém okamžiku přijímač získává z jednoho vysílače signál , který se šíří po mnoha různých cestách. Tomuto jevu se říká mnohacestná disperze nebo rozptyl zpoždění (multipath dispersion or delay spred). Tento jev způsobuje interference mezi sousedními symboly (intersymbol interference-ISI). Je znázorněn v obr.25(b). Čím kratší bude bitový interval, tím větší bude interference mezi sousedními symboly. Kromě toho rušení známé jako selektivní frekvenční únik je vyvoláno změnami drah šíření různých přijatých signálů. To vyvolá nárůst vzájemných fázových posuvů, což může při radiových kmitočtech zvýšit útlum drah šíření různých odražených signálů v porovnání s přímou dráhou šíření a v krajním případě jejich vzájemné vyrušení. Tento jev je označován jako Rayleighův únik a je znázorněn v obr.25 (c). V praxi je amplituda odražené vlny mnohem menší, než amplituda přímé vlny a dále je závislá na vlastnostech odrazového materiálu. Jeden způsob řešení tohoto problému je založen na skutečnosti, že délka vln rádiových kmitočtů je velmi krátká - zlomky metru - a tudíž citlivá na malé změny v umístění antény. K překonání tohoto vlivu často stačí použít dvě antény fyzicky umístěné ve vzdálenosti jedné čtvrtiny délky vlny. Signály přijaté z obou antén se potom sčítají a vytvářejí výsledný přijatý signál. Tato technika je označována jako prostorová diversita (space diversity). Alternativním řešením je vyrovnávání (equalization). Zpožděné a tlumené obrazy přímého signálu - ekvivalenty odražených signálů šířených různými cestami - se odečtou od skutečně přijatého signálu. 8
Protože odražené signály se mění v závislosti na různých vzdálenostech vysílače a přijímače, tak proces musí být adaptivní. Proto se použitý obvod označuje jako adaptivní vyrovnavač. Je jasné, že požití takového obvodů zvedne cenu použitého přijímače,
Infračervené spektrum Infračervené vysílače a detektory se používají v mnoha různých aplikacích zahrnujících přenosy po optických vláknech a dálkové ovládače pro TV přijímače, CD přehrávače a VCR. Kmitočty infračerveného spektra jsou mnohem vyšší, než kmitočty rádiového spektra -vyšší než 1014 Hz- a normální vysílače a přijímače infračervených signálů klasifikujeme spíše jejich vlnovou délkou, než jejich kmitočty. Vlnovou délku měříme v nanometrech (nm) -1nm = 10-9 m- což je vzdálenost, kterou světlo urazí za dobu trvání jednoho kmitu (cyklu). Takže: Vlnová délka, λ= c/f kde c je rychlost světla (3⋅⋅108 ms-1) a f kmitočet v Hz. Dvě nejpoužívanější infračervená zařízení mají vlnové délky 800 nm a 1300 nm. Výhodou infračerveného spektra před spektrem rádiovým je to, že pro jeho použití prakticky neexistují žádná omezení. Infračervené záření má také podobné vlnové délky jako viditelné světlo a tudíž se chová podobně: je např. odráženo lesklými povrchy, prochází sklem ale ne stěnami nebo jinými neprůhlednými objekty. Takže infračervené emise se omezují na jedinou místnost, což u bezdrátových aplikací redukuje interference mezi sousedními kanály. Jiný problém spojený s použitím infračerveného světla spočívá v jeho interferenci se světlem pozadí.
9
Sluneční světlo a světlo produkované optickými vlákny a zdroji fluorescentního záření obsahuje infračervenou složku s dostatečnou úrovní. Světlo pozadí je přijímáno detektorem společně s infračerveným světlem emitoru. Výkon šumu může být dosti velký, takže aby mohl být zachován vyhovující odstup signálu od šumu, musí se zvýšit výkon signálu. V praxi může být ztráta přenosu infračerveného signálu velká. Infračervené emitory mají poměrně malou účinnost přeměny elektrického výkonu na optický výkon. Všechny tyto vlivy zvyšují požadavky na bateriové zdroje přenosných zařízení. K redukci úrovně šumu se v běžné praxi používá optický pásmový filtr, který odfiltruje ty kmitočtové složky infračerveného spektra, které leží mimo kmitočtové pásmo vysílaného signálu.
Zařízení U bezdrátových LAN je intenzita infračerveného výstupu emitoru elektricky ovládána modulovaným signálem. Změny intenzity infračerveného signálu jsou přijímány detektorem, který provádí přímou konverzi těchto změn na ekvivalentní elektrický signál. Tento způsob provozu je označován jako modulace intenzity s přímou detekcí (intenzity modulation with direct detection - IMDD). V praxi se používají různé modulační metody včetně modulace v základním pásmu. Existují dva druhy infračervených emitorů: Laserové diody a světlo emitující diody. Laserové diody jsou intenzivně využívány v systémech pro přenos s optickými vlákny. Tyto diody představují zdroj koherentního světla, tedy světla s velmi úzkým kmitočtovým pásmem (typicky mezi 1 a 5 nm) a které koncentrují výkon do úzkého svazku.
10
Protože u bezdrátových aplikací LAN se světlo nešíří omezeným prostorem optického vlákna, tak laserový světelný zdroj musí být tak zvaně difúzní či rozptýlený. Jinak by totiž mohlo dojít k poškození oka. Naproti tomu LED diody produkují světlo v pásmu vlnových délek od 25 do 100nm. I při malém výstupním výkonu jsou docela bezpečné. Dosažitelná šíře pásma s LED diodami je kolem 20 MHz, a to omezuje maximální přenosovou rychlost do 10Mbps. Nízká cena LED diod opravňuje jejich použití pro uvedené rychlosti přenosu. Pro přenosové rychlosti větší než 10Mbps se musí použít laserové diody. Dostupná šíře pásma u laserových diod je několik stovek MHz. Široké pásmo kmitočtů - šíře spektra - spojené s LED diodami znamená, že v přijímači se musí použít optický širokopásmový filtr, aby bylo možné detekovat veškerý vyslaný signál. Ale to zvyšuje úroveň přijatého šumu, takže při vysokých rychlostech bude realizace přijímače obtížnější.
Topologie Infračervené spoje mohou být použity dvěma možnými způsoby: spojení bod k bodu, nebo spojení difusní. Při spojení bod k bodu je emitor umístěn přímo k detektoru v praxi k fotodiodě - takže lze použít méně výkonný emitor a méně citlivý detektor. Tento způsob provozu se lépe hodí pro realizaci bezdrátového spojení mezi dvěma blízkými zařízeními. Například může umožnit přenosnému počítači zavádět soubory do jiného počítače. Mnoho aplikací bezdrátových LAN vyžaduje provoz označovaný jako one-to-many. Při tomto způsobu provozu je výstup infračerveného zdroje opticky rozptýlen tak, že se jeho světlo šíří v širokém prostorovém úhlu. Jedná se o tak zvaný difusní režim (diffused mode): existují tři alternativní způsoby difusního režimu (obr.26). 11
Obr.26 Způsoby využití infračerveného spektra: (a) Point-to-point; (b) Pasivní satelit; (c) Aktivní satelit Základní režim v obr.26(a) se vyznačuje existencí širokoúhlého optického emitoru a detektoru v každém počítači. Infračervený výstupní signál jakéhokoliv emitoru je přijat po mnoha odrazech od stěn místnosti všemi detektory. Důsledkem tohoto provozního režimu je to, že mnoho kopií signálu jednoho zdroje dorazí do každého detektoru v různých časových okamžicích určených fyzickou dráhou šíření každého signálu. 12
Jedná se tedy o disperzi způsobenou rozličnými dráhami šíření a jejímž důsledkem je rozptyl dob zpoždění, takže impulzy jednotlivých bitů vysílaných posloupností se zploští. Stejně jako u radiových vln se amplituda různě odrážených signálů v porovnání s amplitudou většiny přímých signálů mění a to v závislosti na délce dráhy šíření a na útlumu. V typické místnosti/kanceláři může rozptyl zpoždění významných signálů dosáhnout hodnoty až 100 nanosekund. Tento způsob provozu vyhovuje pouze při rychlostech přenosu do 1Mbps, protože při vyšších rychlostech roste povážlivě vliv interferencí mezi symboly. U infračervených (a radiových) signálů se vliv rozptylu doby šíření dá snížit nejen pomocí vyrovnavačů, ale i aplikací směrových emitorů a detektorů -u rádiových signálů směrovými anténami- jak naznačuje obr.26(b). Při tomto řešení jsou všechny emitory a detektory zaměřeny do jediného bodu, kopulovitého odrážeče na stropě, kterému se říká satelit. Pro maximalizaci výkonu přijímaného signálu a minimalizaci odrazů je signál zdroje opticky soustředěn do poměrně úzkého svazku. Tvar satelitního kopulovitého odrážeče je volen tak, aby všechny vysílané signály mohly být přijímány všemi detektory. Pro redukci vlivu šíření po mnoha dráhách je zakřivení detektorů malé, takže všechny detektory přijímají od satelitu pouze přímé signály. Satelit v popsaném systému funguje pouze jako světelný odrážeč. Z těchto důvodů musí být výkon emitovaného signálu poměrně značný, aby úroveň signálu přijatá detektorem byla přijatelná. U přenosných zařízení, která získávají energii z baterií, je to značná nevýhoda a proto další zlepšení předchozího systému spočívá ve využití aktivního satelitu na obr.26 (c). 13
U tohoto řešení jsou na povrchu satelitu rovnoměrně rozmístěny detektory (fotodiody) a infračervené emitory. Všechny signály přijaté jedním nebo věším množstvím detektorů jsou potom reprodukovány emitory. To znamená, že výkon emitovaného signálu každým přenosným zařízením může být mnohem nižší, protože se požaduje pouze přímá cestu k satelitu.
4.2 Vysílací schémata Odlišné vlastnosti šíření infračerveného a radiového signálu vedly ke vzniku odlišných vysílacích schémat. Každému typu přenosového média bude věnován samostatný popis.
Rádio Rádiové bezdrátové LANy používají čtyři způsoby vysílání, které využívají: přímé rozprostření spektra pseudonáhodnou binární posloupností, rozprostření spektra rychlým přepínáním nosného kmitočtu, modulaci jednoho nosného kmitočtu, modulaci mnoha nosných kmitočtů.
Přímé rozprostření spektra pseudonáhodnou binární posloupností. V porovnání s jinými aplikacemi radiového spektra jsou bezdrátové LANy novinkou. I když je k dispozici dostatek volného radiového spektra, jedná se obecně o velmi vysoké kmitočty v rozsahu desítek G Hz. Takové kmitočty nárokují nové stavební prvky, takže jejich cena je velká. To je výrazná nevýhoda bezdrátových aplikací LAN, protože cena srovnatelných karet síťového rozhraní pevných drátových LAN je v dnešní době velmi nízká. Kromě toho cena přenosných počítačů klesá, takže cena rozhraní bezdrátových LAN musí také klesnout. 14
Z těchto důvodů proto prvá norma pro bezdrátové LANy na bázi radiového spektra využívá takové kmitočtové pásmo, pro které jsou stavební prvky snadno dosažitelné za přijatelnou cenu. Jedná se totiž o jedno z kmitočtových pásem, které bylo ponecháno pro globální průmyslové, vědecké a lékařské aplikace (industrial, scientific, medical applications ISM). Příklady existujících aplikací těchto pásem zahrnují výkonná vysokofrekvenční topná zařízení a mikrovlnné trouby. Rádiový amatéři mohou rovněž používat toto pásmo často s velkými výkonovými úrovněmi. Aby byla možná koexistence takových aplikací, musí být zvolený systém přenosu vysoce odolný proti interferencím ze sousedních kanálů. U bezdrátových aplikací LAN se toho dosahuje technikou známou jako rozprostírání spektra. Existují dva způsoby rozprostření spektra, přímá aplikace pseudonáhodné binární posloupnosti a rychlé přepínání nosného kmitočtu. Princip rozprostření spektra přímou aplikací pseudonáhodné posloupnosti znázorňuje obr.27. Data zdroje určená k přenosu se zpracují obvodem exclusive-or zároveň s pseudonáhodnou binární posloupností, takže původní bity se rozptýlí do mnohem delší nové pseudonáhodné posloupnosti. Výsledný signál tedy po modulaci zabere při přenosu mnohem širší spektrum, než by zabralo spektrum původního signálu. A navíc spektrum výsledného signálu je rozptýlené, takže svým charakterem bude ostatním uživatelům stejného kmitočtového pásma připomínat pseudonáhodný šum. Všichni účastníci jedné bezdrátové LAN znají použitou pseudonáhodnou posloupnost. Před odesláním datového rámce se vyšle úvodní synchronizační skupina následovaná omezovačem začátku rámce.
15
Obr.27 Princip rozprostření spektra přímou aplikací pseudonáhodné binární posloupnosti Po demodulaci přeneseného signálu začnou všechny přijímače nejprve hledat známou úvodní posloupnostnormálně sled samých jedniček- a po jejím nalezení zahájí interpretaci přijatých binárních posloupností ve správných hranicích bitů datového zdroje. Potom počkají na příjem omezovače začátku rámce a začnou zpracovávat obsahy přijatých rámců. Oprávněného příjemce určí cílová adresa v záhlaví rámce. 16
Protože všechny stanice jedné bezdrátové lokální sítě obsazují stejné kmitočtové pásmo a používají stejnou pseudonáhodnou posloupnost, tak jejich přenosy budou interferovat. Proto se musí použít vhodná metoda MAC, aby v daném okamžiku mohl probíhat jen jeden přenos. Generování pseudonáhodné binární posloupnosti je v praxi poměrně jednoduché, protože se dá realizovat digitálními posuvnými registry a hradly exclusive-or zapojenými ve zpětnovazební smyčce. Princip znázorňuje obr.28(a). V tomto příkladu je použit jeden 3-bitový registr a jedno hradlo exclusive-or. Zapojení generuje posloupnost 7-mi pseudonáhodných 3-bitových kódových slov (chápaných jako stavy posuvného registru), než se situace začne opakovat. Všimněme si, že se stav 000 nevyskytuje, protože jinak by obsah registru po příchodu následujících taktovacích impulzů zůstal nezměněn. Z obecného hlediska může n-bitový posuvný registr nabývat maximálně 2n-1 stavů a pokud zapojení registru se zpětnými vazbami bude generovat všech 2n-1 možných stavů, pak půjde o generátor maximální délky. Výstupem paměťového prvku C posuvného registru je pseudonáhodná posloupnost se 7-bitovou strukturou 1110010. Pseudonáhodná posloupnost se aplikuje pomocí hradla exklusive-or na každý datový bit určený k přenosu. Budeme-li uvažovat 7-bitovou pseudonáhodnou strukturu vytvořenou zapojením z obr.28(a), pak její průběh B, průběh datových bitů o čtyřnásobné délce A a průběh výsledné vysílané posloupnosti A⊕ ⊕B znázorní obr.28(b). Poznamenejme, že místo jednoho datového bitu se odesílá 7-bitová posloupnost. Všimněme si dále, že v jedničkových pozicích datových bitů A je výstupní posloupnost A⊕ ⊕B inverzí kódové posloupnosti B. 17
Pseudonáhodné posloupnosti se také říká rozprostírací posloupnost (spreading sequence), každému bitu této posloupnosti čip, výsledné přenosové rychlosti čipová rychlost a počtu bitů rozprostírací posloupnosti rozprostírací činitel (spreading factor).
Obr.28 Principy přímého rozprostření spektra: (a) generátor pseudonáhodné posloupnosti; (b) generování rozprostírací posloupnosti; (c) schéma vysílače a přijímače;(d) schéma synchronizace 18
Rozprostírací činitel určuje vlastnosti rozprostřeného spektra systému. Běžně se vyjadřuje v decibelech (dB) a proto je označován jako zpracovatelský zisk (processing gain). Systém rozprostřeného spektra a s rozprostíracím činitelem 10:1 má zpracovatelský zisk 10 dB, 100:1 20 dB atd. V kontextu k odstupu signál-šum (SNR), který je rovněž vyjadřován v dB, se zpracovatelský zisk efektivně odečítá od SNR. Takže systém bez rozprostřeného spektra může například požadovat pro uspokojivý přenos odstup signál-šum 10 dB, ale systém s rozprostřeným spektrem a zpracovatelským ziskem 10 dB bude moci uspokojivě pracovat dokonce i při stejném výkonu signálu a šumu. Schéma zapojení jednoduchého rádiového vysílače a přijímače s pseudonáhodnou binární posloupností je znázorněno v obr.28(c). Po zpracování každého datového bitu a pseudonáhodné posloupnosti hradlem exklusive-or je výsledný bitový signál o velké přenosové rychlosti použit k modulaci nosného kmitočtu a pomocí směšovače se jeho spektrum dostane do požadovaného kmitočtového pásma. Typické modulační systémy používají dvoustavovou modulaci s klíčováním fázového posuvu (BPSK) a čtyřstavovou kvadraturní modulaci s klíčováním fázového posuvu (QPSK). Proto musí přijímač pracovat synchronně s přijímaným signálem, aby mohly být výsledky operací hradla exklusive-or správně interpretovány v hranicích datového bitu (symbolu). K zajištění správné funkce se proto na začátku každého rámce vyšle úvodní synchronizační struktura, která slouží přijímači k synchronizaci hodin (bitů) a symbolů. Schematický diagram synchronizačního modulu je znázorněn v obr.28(d).
19
Synchronizace hodin (s čipovou rychlostí) se realizuje některou běžnou metodou, založenou na aplikaci číslicového fázového závěsu. Synchronizace symbolů (s datovou rychlostí) se realizuje tak, že se před začátkem každého rámce vyšle úvodní synchronizační struktura s obsahem binárních jedničkových symbolů (datových bitů). Přijatá rozprostírací úvodní synchronizační posloupnost projde n-bitovým posuvným registrem (n udává počet bitů rozprostírací posloupnosti) a je porovnána na bázi čip-po-čipu se známou posloupností odpovídající jedničkovému datovému bitu. Budou-li dva bity v určité čipové pozici stejné, pak se vygeneruje souhlas (A), zatím co v případě rozdílnosti bitů, nesouhlas (D). Míra rozdílnosti mezi dvěma symboly se potom vyjádří rozdílem počtu hodnot D a počtu hodnot A. Tato míra určuje hodnozu autokorelační funkce. Takže při lokalizaci známého symbolu bude hodnotou autokorelační funkce maximální pozitivní hodnota odpovídající počtu čipů rozprostírající posloupnosti. Přijímač se zasynchronizuje se symboly. Spolehlivost tohoto procesu je determinována autokorelací mezi zvolenou rozprostírající posloupností a jejími posunutými verzemi. To je zejména důležité v případě, kdy se v přijaté (demodulované) rozprostírající posloupnosti vyskytnou chyby vlivem šumu. Situaci dobře ilustruje obr.29. Typickou posloupností v systémech s pseudonáhodně rozprostřeným spektrem je posloupnost 10110111000. Ta je jedním z příkladů tzv. Barkerovy posloupnosti. Budeme-li chtít určit a zakreslit autokorelaci této posloupnosti pro ± 10 bitů (čipů) na obě její strany, musíme se podívat na obr.29.
20
Část obr.29(a) znázorňuje přijatou bitovou (čipovou) posloupnost včetně analýzy oken koincidujících s rozprostírací posloupností (synchronizační symbol).
Obr. 29 Příklad synchronizace: (a) Příklad autokorelace; (b) Autokorelační graf Zřejmě v této pozici všechny bity souhlasí a autokorelace se rovná +11. Dva ostatní příklady odpovídají situaci plus nebo minus 1 bitu rozprostírací posloupnosti. A jak můžeme vidět, to dává hodnotu -1. Ve skutečnosti tato pseudonáhodná posloupnost dá v každé bitové pozici hodnotu autokrelace -1. Autokorelační graf znázorňuje obr.29(b). Z obrázku je patrné, že výstupní signál ze synchronizačního modulu bude pozitivní jen při přijetí synchronizačního symbolu. 21
Rozprostření spektra rychlým přepínáním nosiče Princip rozprostření spektra přepínáním kmitočtu je znázorněn v obr. 30(a).
nosného
Obr. 30 Rozprostření spektra přepínáním nosiče: (a)princip činnosti; (b)rychlé přepínání; (c)pomalé přepínání 22
Přidělené kmitočtové pásmo je rozděleno na řadu dílčích subpásem s menší šířkou, označených jako kanály. Každý kanál má stejně široké kmitočtové pásmo určené rychlostí přenosu dat a použitým způsobem modulace. Vysílač potom použije každý kanál jen po krátkou dobu, než se přepne na jiný kanál. Po zvolení jiného kanálu je nosný kmitočet ve středu tohoto subpásma modulován bity, které se v daném okamžiku vysílají. Struktura využívání kanálů je pseudonáhodná a je označována jako přepínací sekvence, doba využití každého kanálu jako čipová perioda a rychlost přepínání jako čipová rychlost. Podle poměru čipové rychlosti k rychlosti datového zdroje se používají dva režimy přepínaní nosného kmitočtu. Ty jsou zachyceny v obr. 30(b) a 30(c). Je-li čipová rychlost vyšší než rychlost přenosu dat, označuje se takový provoz jako rychlé přepínání kmitočtu, zatím co při čipové rychlosti nižší než rychlost přenosu dat jako pomalé přepínání kmitočtu. V obou případech se použitý nosný kmitočet nachází ve středu každého kanálu. Výhoda metody přepínání kmitočtu proti přímé aplikaci pseudonáhodné posloupnosti je její schopnost vyloučit použití některých dílčích úzkopásmových kanálů ležících v rozsahu celkově přiděleného kmitočtového pásma. To může být zvlášť užitečné v případě využití pásem průmyslovými, vědeckými a lékařskými aplikacemi (ISM) z důvodu přítomnosti jednoho nebo několika vysoce výkonných zdrojů interferencí, jejichž úzké pásmo leží v rozsahu kmitočtového pásma využívaného LAN. I když přímá aplikace pseudonáhodné posloupnosti rozptýlí interferenční signál v rozsahu přiděleného kmitočtového pásma, tak přesto výkonné zdroje rušení mohou vyvolat interference, a znemožnit využití určitých pásem. Ale přepínání nosiče může taková dílčí pásma vyloučit. 23
Tato technika je mimořádně výhodná při pomalém přepínání, protože při rychlém přepínání dochází během jednoho datového bitu k několikanásobnému přepnutí kmitočtu a proto pouze jeden čip bude ovlivněn. V takovém případě se dá nejpravděpodobněji vyslaný bit (0 nebo 1) určit pomocí majoritního rozhodování. Ale systémy s rychlým přepínáním nosného kmitočtu jsou mnohem dražší, než systémy s pomalým přepínáním nosného kmitočtu. Rovněž také proto, že vysílač i přijímač musí být v synchronizmu - to znamená, že přepínání kmitočtů musí probíhat souběžně- systémy s pomalým přepínáním kmitočtu se dají snáze synchronizovat. Proto systémy s pomalým přepínáním představují pro bezdrátové LANy lacinější alternativu.
Modulace jednoho nosného kmitočtu V tomto případě přenášená data modulují vhodným modulačním obvodem jediný nosný kmitočet uprostřed přiděleného kmitočtového pásma. V principu se pouze jedná o rozšířenou aplikaci modulačních technik, které se používají pro přenos dat analogovou komutovanou telefonní sítí jen s tím rozdílem, že bezdrátové LANy nárokují mnohem větší bitovou rychlost a tím i mnohem širší kmitočtové pásmo. V dané souvislosti je třeba připomenout, že modulační systémy využívají různé modulační parametry, k nimž patří amplituda, kmitočet, fáze, nebo jejich kombinace. Nicméně velká šíře pásma nárokovaná bezdrátovými LANy mluví proti amplitudové modulaci, protože výkonové zesilovače, které jsou v širokém pásmu lineární, jsou drahé a spotřebovávají mnoho energie. Normálně se používají systémy s modulací fáze jednoho nosiče s konstantní amplitudou, jako systém kvadraturní modulace s klíčovaním fázového posuvu nebo jeho varianty. 24
Kromě toho, jak bylo vysvětleno již dříve, u bitových rychlostí překračujících hodnotu 1-2Mbps dochází vlivem disperse mnoha drah šířením k nárůstu úrovně ISI a tudíž k nutnosti použití sofistikovaných vyrovnávacích obvodů.
Modulace mnoha dílčích nosných kmitočtů Při tomto přístupu se nejprve velká bitová rychlost binárního signálu určeného k přenosu rozdělí na několik pomalejších bitových toků. Každý takový pomalejší bitový tok je potom použit k modulaci jednoho dílčího nosiče z přiděleného kmitočtového pásma jako u systému s jedním nosným kmitočtem. V tomto případě ale vlivem nižší bitové rychlosti dílčího kanálu se úroveň ISI sníží, takže aplikace vyrovnavačů nebude nutná. I když selektivní kmitočtový únik může stále působit, tak je pravděpodobné, že jen jeden (nebo malý počet) z dílčích nosičů bude ovlivněn. K omezení zbytkové chybovosti kanálu se dají například použít bezpečnostní konvoluční kódy. V praxi se používají dílčí nosné kmitočty, které jsou celistvými násobky prvého dílčího nosného kmitočtu f1,2f1, 3f1, atd.- takže se systému říká ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (orthogonal frekvency division multiplexing-OFDM). Před vlastním přenosem jsou individuálně modulované dílčí nosné kmitočty sloučeny do jediného složeného signálu pomocí matematického postupu známého jako rychlá Fourierova transformace (FFT). Tímto postupem se vytvoří výstupní signál, který má v časové oblasti podobnou šíři pásma, jako pásmo nárokované systémem s jediným nosným kmitočtem. V tomto případě ale přijímač realizuje zpětnou FFT, kterou se signál převede zpět do původního tvaru s mnoha nosiči. Demodulované pomalé datové toky se potom rekombinují do rychlého binárního výstupního toku. 25
Optimální volba mezi dvěma modulačními systémy je dána cenou - a nároky na výkonnost procesu zpracování vyrovnávacích operací v porovnání s nároky na výkonnost operací FFT.
Infračervené spektrum Přenos dat pomocí infračervených signálů se dá realizovat mnoha způsoby, které zahrnují přímou modulaci a modulaci nosiče.
Přímá modulace Na rozdíl od radiových přenosů, které musí pracovat ve specifickém kmitočtovém pásmu, je infračervený signál omezen na jedinou místnost, takže se dá signál infračerveného zdroje modulovat přímo, binární 1 vytvořit zapnutím emitoru a binární 0 vypnutím emitoru. Tento typ modulace je označován jako on-off klíčování (OOK) a je široce využíván přenosovými systémy s optickými vlákny. Jedná se o jednoduchou modulaci, která pro realizaci potřebuje poměrně nenáročnou elektroniku. Princip systému znázorňuje obr.31(a). Stejně jako při přenosu v základním pásmu po pevných přenosových mediích musí přijímač udržovat hodinovou/bitovou synchronizaci. Před modulací se proto bitová posloupnost zdroje kóduje jednou ze standardních metod, k nimž například patří kódování Manchester nebo NRZI s vkládáním nulového bitu a DPLL.
26
Obr.31 Infračervené kódování a modulační systémy: (a) schéma přímé modulace; (b) pulzní polohová modulace;(c) schéma modulace nosiče Kromě výše uvedených metod se u optických systémů redukuje požadovaný výkon infračerveného LED zdroje technikou, označovanou jako pulzní polohová modulace (pulse-position modulation-PPM). Princip činnosti PPM znázorňuje obr.31(b). Zde se bitová posloupnost určená k přenosu nejprve rozdělí do skupin o n-bitech. Časový interval nárokovaný každou skupinou se rozdělí na 2n úseků a v každém z nich se vyšle jeden impuls. V uvažovaném příkladu je n = 2, takže v jednom ze 4 úseků časového intervalu se vyšle jeden impuls. Systémy se skupinami o 4 bitech (n = 4) a tudíž se 16 úseky časového intervalu se také používají u rychlých systémů 1-2Mbps. 27
To je maximální velikost skupiny, kterou lze použit u soudobých dostupných zařízení. Při vyšších bitových rychlostech se kromě toho normálně vyžadují vyrovnávací obvody, které redukují vliv rozptylu drah šíření. Jak bylo již dříve vysvětleno, tak se pro potlačení interferencí způsobených slunečním zářením a umělým osvětlením používají optické filtry. Vliv jakýchkoliv zbytkových interferencí se projevuje růstem úrovně nulového signálu fotodiody a v mezním případě chybnou interpretací přijímaného signálu. To je další faktor, který omezuje bitovou rychlost on-off klíčování (OOK) na hodnotu kolem 2 Mbps.
Modulace nosného kmitočtu Vyšších bitových rychlostí se dosahuje pomocí modulačních technik, jako u rádiových systémů s modulací nosného kmitočtu. Schéma řešení představuje obr. 31(c). Za příklad modulačních metod může sloužit FSK a PSK. Protože v takových systémech jsou binární data přenášena pomocí modulace - kmitočtu nebo fáze- nosného signálu, tak výstupní signál z infračerveného detektoru přijímače musí projít před demodulací přídavným elektronickým filtrem. Takový filtr propustí pouze omezené pásmo kmitočtů kolem nosiče, které obsahuje zdrojová data. Důsledkem je další odfiltrování zbytkových interferenčních signálů, které ve svém důsledku zlepšuje činnost systému s přímou modulací. Dosažitelné rychlosti leží v intervalu 2-4 Mbps. Při vyšších bitových rychlostech jsou omezujícím faktorem interference mezi sousedními symboly (ISI) způsobené různými dráhami šíření, takže se musí požít technika pro jejich potlačení. Jeden způsob spočívá v modulaci několika dílčích nosných kmitočtů. U takového systému se přidělená šíře pásma rozdělí na několik dílčích pásem (sub-bands). 28
Každé z nich přenáší část datového toku. Například při dvou dílčích pásmech bude každé z nich přenášet střídavě bity z datového toku. To znamená, že každé dílčí pásmo bude přenášet data poloviční bitovou rychlostí, takže se trvání každého bitového intervalu prodlouží proti původnímu dvakrát. To sníží vliv ISI na signál a bitovou rychlost bude možné zvýšit na hodnotu 10Mbps. Je zřejmé, že prodloužení periody signálu zvýší složitost elektroniky vysílače a přijímače.
4.3 Metody řízení přístupu k médiu Rádiové vlny a infračervené světlo se šíří širokopásmovým médiem, což znamená, že všechny vyslané zprávy jsou přijaty všemi přijímači, které jsou v prostoru pokrytí vysílače. Z této skutečnosti vyplývá, že širokopásmové médium může použít jen jeden vysílač, takže u bezdrátových LAN stejně jako u drátových LAN je třeba zajistit metodu MAC. Hlavními metodami MAC pro bezdrátové LANy jsou CDMA, CSMA/CD, CSMA/CA, TDMA a FDMA. CDMA Mnohonásobný přístup s kódovým dělením (code-division multiple access-CDMA) se speciálně využívá u rádiových systémů s rozprostřeným spektrem. Základem provozních režimů rádiových systémů s rozprostíráním spektra je přímá aplikace pseudonáhodné posloupnosti a rychlé přepínání nosného kmitočtu. Proto u takových systémů lze každému uzlu přidělit jinou pseudonáhodnou posloupnost, přičemž všechny uzly mohou znát kompletní soubor těchto posloupností. Chce-li vysílač nějakého uzlu komunikovat s jiným uzlem, tak jednoduše vybere a použije pseudonáhodnou posloupnost zvoleného adresáta.
29
Tímto způsobem se dají realizovat současné přenosy mezi různými páry uzlů. V praxi je to možné pouze u systémů s rychlým přepínáním nosného kmitočtu, protože s přímou aplikací pseudonáhodné posloupnosti by se mohl uplatnit vliv blízkého a vzdáleného konce (near-far effect) znázorněný v obr. 32.
Obr. 32 MAC u bezdrátové aplikace:vliv blízkého a vzdáleného konce s CDMA To se projeví tehdy, když druhý vysílač-například v obrázku uzel X- je v provozu a je fyzicky blíže k zamýšlenému přijímači -uzel A-, než jiný komunikující partner -uzel B. I když inverzní rozprostírací proces uzlu A potlačí přenos z uzlu X, tak (rozprostřený) interferenční signál z blízkého uzlu X může mít větší výkon, než požadovaný signál z uzlu B, což na druhé straně způsobí, že přijímač uzlu A nezaregistruje přenos. Vliv blízkéhovzdáleného konce je někdy označován jako vliv skrytého terminálu (hidden terminal effect). Ale při rychlém přepínání nosného kmitočtu je pravděpodobnost použití stejného kanálu ve stejném časovém okamžiku malá, protože oba vysílače neustále mění kmitočet kanálů. Pravděpodobnost lze dále snížit plánováním přepínacích posloupností. Nicméně nevýhodou obou systémů je to, že všechny uzly potřebují znát pseudonáhodnou posloupnost ostatních uzlů, což u bezdrátových LAN představuje organizační problém. 30
CSMA/CD U drátových LAN se jako MAC metoda často používá mnohonásobný přístup s nasloucháním nosné a s detekcí kolizí. U bezdrátových LAN může CSMA umožnit čekajícímu uzlu také pozdržet přenos v případě, že jiný uzel již využívá širokopásmové infračervené či rádiové médium. Nicméně rádiové a infračervené médium neumožňuje vysílat a přijímat současně, takže detekce kolizí je ve své základní podobě nepoužitelná. Ale pro bezdrátové LANy byla navržena varianta detekce kolizí s přívlastkem hřebenová (collision detection comb). Bude-li chtít nějaký uzel u této varianty vyslat rámec, musí nejprve vygenerovat krátkou pseudonáhodnou binární posloupnost -hřeben (comb)- a připojit ji před úvodní synchronizační skupinu (preamble) rámce. Uzel potom začne normálně monitorovat přítomnost nosné a v případě že je médium v klidu, pokračuje ve vysílání hřebenové posloupnosti. Při jedničkovém bitu (1) posloupnosti uzel vysílá po krátkou dobu signál, ale při nulovém bitu (0) posloupnosti se přepne do režimu pro příjem. Jestliže uzel detekuje v době příjmu přenos signálu, pak přestane usilovat o získání přístupu ke kanálu a počká až jiný vysílající uzel (uzly) dokončí přenos rámce. Princip fungování tohoto systému znázorňuje obr. 33. Obr.33 ukazuje generování hřebenových posloupností třemi uzly A, B a C, které usilují o získání přístupu ke kanálu. Protože prvým bitem pseudonáhodných posloupností generovaných všemi uzly je 1, tak žádný uzel nemonitoruje kanál a přenos probíhá bez detekce. Ve druhém intervalu hřebenové posloupnosti uzly A a C stále vysílají, ale uzel B je v příjmovém režimu, takže může detekovat signál a v tomto okamžiku přestat usilovat o přístup ke kanálu. 31
Obr.33 MAC u bezdrátové aplikace: CSMA/CD s hřebenovou posloupností Protože ve třetím intervalu je uzel B bez aktivity a oba uzly A i B jsou v příjmovém režimu, tak ani A ani C nebudou detekovat signál. Ve čtvrtém intervalu uzel A vysílá a uzel C je v příjmovém režimu, takže C bude detekovat signál a přestane usilovat o přístup ke kanálu. Uzel A je potom ponechán v klidu, a po úspěšném dokončení režimu soupeření pokračuje ve vysílání čekajícího rámce. Účinnost systému je determinována počtem bitů hřebenové pseudonáhodné posloupnosti, neboť při generování stejné posloupnosti dvěma uzly může dojít ke kolizi. V praxi bývá počet uzlů, které ve stejném okamžiku usilují o přístup k médiu obvykle malý, takže délka hřebenové posloupnosti může být také malá. Protože mezní rychlost přepínání mezi vysílacím a příjmovým režimem rádiového (nebo infračerveného) zařízení bývá kolem jedné mikrosekundy, tak kratší délka hřebenové posloupnosti redukuje délku intervalu pro detekci kolize. 32
CSMA/CA U bezdrátových LAN se používá i CSMA s potlačením kolizí. Princip činnosti této metody znázorňuje obr.34.
Obr. 34 MAC u bezdrátové aplikace: protokol CSMA/CA Z obrázku je patrné, že v době, kdy je médium v klidu uzel nezahajuje ihned přenos rámce, ale nejprve nějaký čas čeká. A když je médium stále v klidu, teprve potom uzel začne vysílat. Jestli-že ostatní uzly také čekají, pak uzel, který zvolil nejkratší dobu čekání získá přístup k médiu jako první. Ostatní uzly přestanou usilovat o získání přístupu k médiu. Účinnost této metody, stejně jako účinnost předchozího řešení je funkcí počtu čekacích intervalů -a tedy bitů pseudonáhodné posloupnostiv nejdelším časovém intervalu pro potlačení kolize. Další problém který se musí řešit při použití rádiového (a infračerveného) média spočívá v tom, že se neví (neexistuje žádná garance), zda zamýšlený účastník komunikace (uzel) je v rádiovém kontaktu se zdrojem (uzlem). Takže zamýšlený příjemce (příjemci) rámce nemusí tento rámec nikdy obdržet, protože není v rádiovém kontaktu s vysílačem i když algoritmy CSMA/CA nebo CSMA/CD zaručují uzlu přístup k médiu. 33
Z těchto důvodů se do protokolu MAC zařazuje doplňující procedura s názvem handshaking. Protože by se tato procedura měla aplikovat v různých typech MAC, jsou takové protokoly označovány zkratkou DFW MAC (Distributed foundation wireless MAC). Čtyřfázovou handshake proceduru znázorňuje obr.35. Tato procedura se má používat v obou algoritmech a v ad hoc aplikacích. Kdykoliv chce přenosná jednotka odeslat rámec, musí nejprve vyslat krátkou řídící zprávu/rámec s žádostí o vysílání RTS (request-to-send) buď vlastní přenosné přístupové jednotce (Portable access unit – PAU) nebo jiné přenosné jednotce jednou z popsaných MAC metodCSMA/CD nebo CSMA/CA.
Obr. 35 MAC v bezdrátové aplikaci:4-fázová handshake procedura v DFW MAC protokolu. 34
Řídící zpráva RTS obsahuje MAC adresu vysílacího a přijímacího uzlu. Za předpokladu přijetí žádosti o vysílání adresátem a za předpokladu, že adresát je připraven přijmout rámec, je jako odpověď odeslána zpráva/rámec CTS (clear-to-send) se stejným párem adres, ale v obráceném pořadí. Jestli-že ale adresát není připraven přijmout rámec, odešle odpověď RxBUSY (receiver-busy). Při pozitivní odpovědi vyšle žádající jednotka čekací rámec (DATA) a je-li tento rámec správně přijat, potvrdí adresát tuto skutečnost odesláním zprávy ACK (acknowledgment). Je-li ale rámec poškozen, pak je zpět odeslána zpráva NAK (negative acknowledgment) a zdroj se pokusí odeslání zopakovat. Procedura se opakuje s definovaným počtem pokusů. Je třeba připomenout, že všechny dohodnuté kontrolní zprávy se předávají pomocí konkrétní adoptované MAC metody. Obr.35 rovněž obsahuje diagram přechodu stavů uvažovaného protokolu. Protokol je ale ještě třeba doplnit při výskytu chyb o operace spojené s aplikacemi CRC. Obrázek naznačuje, že při vzniku chyb se použije časovač k inicializaci opakování přenosu narušeného rámce (zprávy). Normálně se v těchto situacích definuje limit pro počet opakování narušených zpráv. TDMA Princip činnosti mnohanásobného přístupu s využitím časového multiplexu (TDMA) v podmínkách bezdrátových LAN znázorňuje obr.36. U této metody má každý vysílač (uzel) přidělen specifický časový interval/úsek (slot) a v okamžiku kdy jej má k dispozici, vysílá s plnou šíří pásma po celý přidělený časový interval. Normálně je trvání každého časového intervalu krátké a je voleno s ohledem na malou pravděpodobnost vzniku chyb.
35
Velikost rámce je determinována délkou každého časového intervalu a počtem obsluhovaných stanic. Normálně se TDMA používá tehdy, když jedna (základní) stanice zodpovídá za realizaci všech přenosů. Například u pevné drátové instalace zodpovídá za strukturu časových intervalů/úseků přenosná přístupová jednotka (PAU)-obr.24. Každý přenosný počítač/terminál v rozsahu pokrytí základní stanice má přidělen specifický časový interval, nebo obvykleji samostatný (signalizační) časový interval, který umožňuje každému přenosnému zařízení předat žádost základní stanici o přidělení (volného) časového intervalu kdykoliv, když má rámec k odeslání. Přenos od základní stanice k přenosným zařízením se realizuje v širokopásmovém režimu využívajícím specifický časový interval - s adresou zamýšleného příjemce v záhlaví přenášeného rámce - nebo ve specifickém časovém intervalu sloužícího jako kanál pro signalizaci. Tento způsob provozu je také znám jako slotted Aloha with demand assignment. Alternativně může být využití časových intervalů řízeno zvláštním signalizačním intervalem (subslot) uvnitř každého normálního intervalu. Z obr.36 je vidět, že začátek každého časového intervalu je věnován ochrannému pásmu a synchronizační posloupnosti. Ochranné pásmo chrání rozptýlená přenosná zařízení a základní stanici před rozdíly dob šíření, zatím co synchronizační sled umožňuje, aby se přenosná zařízení a základní stanice přizpůsobily vysílači před příjmem obsahu časového intervalu.
36
Obr. 36 MAC v bezdrátové aplikaci: TDMA
FDMA Princip fungování mnohonásobného přístupu kmitočtového multiplexu (FDMA) znázorňuje FDMA se používá hlavně u rádiových systémů a jako TDMA potřebuje k řízení svého provozu stanici.
na bázi obr. 37. podobně základní
Obr.37 MAC v bezdrátové aplikaci: FDMA 37
Při použití FDMA je celé přidělené kmitočtové pásmo rozděleno na řadu dílčích kmitočtových pásem nebo kanálů podobně jako při rychlém přepínání nosného kmitočtu s rozprostíráním spektra. Ale v případě FDMA je jednou přidělený dílčí kmitočtový kanál využit po celou dobu přenosu rámce. Normálně se dílčí kanály přidělují pomocí separátního signalizačního kanálu na základě poptávky. Z obecného hlediska je základní stanice systému FDMA mnohem složitější než stanice TDMA. Proto se TDMA častěji uplatňuje. Při hybridní realizaci FDMA vytváří dílčí kanály, které potom slouží systému TDMA.
Další funkce U bezdrátových LAN musí vrstva řízení přístupu k přenosovému médiu plnit některé další funkce. K nim patří segmentování (fragmentation), řízení toku dat a četné změny přenosové rychlosti. Segmentování je nutné proto, že rádiové a infračervené přenosy vykazují vyšší chybovost. U různých drátových LAN mohou být rámce velké, protože použitá přenosová média- koaxiální kabely a pod - mají nízkou chybovost, řádově 10-9 až 10-11. Naproti tomu interference způsobené růzností drah šíření rádiových a infračervených signálů mohou zvýšit chybovost k hodnotám 10-3až 10-5. Proto je třeba při přenosu dat těmito médii použít kratší rámce. Jestliže vrstva řízení přístupu k médiu má plnit stejnou funkci jako příslušná vrstva u drátových LAN, tak u bezdrátových aplikací se musí provést segmentování příslušného rámce na mnoho kratších podrámců. Podobně i na přijímací straně musí zajistit inverzní operaci, tj. seřadit podrámce do původního tvaru před jejich doručením.
38
Systém řízení dohledu nad chybovostí je možné začlenit do DFW (distributed foundation wirelwss) protokolu. Jestliže vrstva MAC neprovádí žádnou kontrolu chybovosti, pak je každý nově sestavený rámec s chybami prostě vyřazen. Proto je nezbytné, aby vrstva MAC plnila funkci řízení toku dat. Jakmile je každý fragment předán fyzické vrstvě, tak vrstva MAC musí čekat na přenos tohoto fragmentu a teprve potom může přijmout další fragment. Běžně může být tok dat mezi dvěma vrstvami řízen kontrolními vazbami dříve uvedeného obr.35. Různé změny přenosové rychlosti jsou také nutné, protože fyzická vrstva může často zajišťovat provoz řadou alternativních rychlostí. Např. při rozprostření spektra pomocí přímé aplikace pseudonáhodné posloupnosti se využívá rychlost 1 a 2 Mbps, zatím co u infračerveného média se mohou data přenášet rychlostmi 1, 2, 4 nebo 10 Mbps. Normálně specifikuje provozní rychlost MAC vrstva parametrem základních požadavků (primitivů) služby v rámci fyzické vrstvy. Rychlost je určována kvalitou služby, kterou zajišťuje fyzická vrstva. Například při vysokém podílu narušených rámců při rádiovém přenosu se zvolí nižší přenosová rychlost, zatím co při provozu bez rušení se dá rychlost zvýšit. Fyzická vrstva, která zajišťuje příjem musí samozřejmě využívat stejnou rychlost a stejnou modulační metodu jako vrstva na vysílací straně a proto každou potřebnou změnu musí odsouhlasit obě komunikující strany Typicky se to realizuje při výměně dalších řídících parametrů obsažených v rámcích RTS a CTS. Taková výměna informací se provádí při nižší rychlosti a teprve v případě pozitivní odezvy přijímače se přenosová rychlost může zvýšit. 39
Normálně je běžná provozní rychlost volena v souladu s tabulkovými hodnotami podle různých destinací, aby se před každým přenosem zabránilo znemožnění dohody o volbě rychlosti.
4.4 Normy Do nedávné soby byly bezdrátové lokální sítě vyvíjeny různými společnostmi a proto se také velmi lišily. Z těchto důvodů se proto mezinárodní normalizační organizace snažily o sjednocování návrhů lokáních bezdrátových siřití, z nichž dvěma nejvýznamnějším se nakonec podařilo v normalizačních snahách uspět. Jednalo se o Americkou normu IEEE .11 a Evropskou normu Hipert LAN. Obě tyto normy využívají mnohé vlastnosti popsané v předchozích sekcích. Stejně jako u drátových LAN, ani v tomto případě neexistuje jediná norma. Například IEEE 802.11 se týká řady různých norem pro fyzickou vrstvu realizovanou médii dvou různých typů. Jedná se konkrétně o : 1 a 2 Mps s rozprostřením spektra přepínáním nosné 1 a 2 Mps s rozprostřením spektra přímou posloupností 1 a 2 Mps s přímou modulací infračerveného média 4Mbps s modulací infračerveného nosiče 10 Mbps s modulací mnoha infračervených subnosičů HiperLAN norma je určena pro obě infrastruktury a ad hoc aplikace. Některé provozní parametry jsou ještě dolaďovány, nicméně současné specifikace se vztahují k: Uživatelské přenosové rychlosti 10-20 Mbps Operačnímu dosahu 50 m Rádiovému přenosovému médiu Modulaci jediného nosiče s využitím modifikované verze klíčování fázovým posuvem QSK- a vyrovnavačem CSMA/CD nebo CSMA/CA MAC metodě 40
Aby bylo možné využít odlišné způsoby modulace a různá přenosová média, tak fyzická vrstva je rozdělena na dvě podvrstvy: podvrstvu konvergence fyzické vrstvy (PLC-physical layer konvergence) a podvrstvu závislou na fyzickém médiu (PMD-physical medium dependent). Podvrstva PMD je různá pro odlišné způsoby modulace a různé typy médií a její funkce se podle toho liší. PLC podvrstva plní konvergenční funkce nutné pro spolupráci plánovaných normovaných služeb rozhraní fyzické vrstvy se službami danými konkrétní použitou podvrstvou PMD.
5. Protokoly Definicemi různých protokolů sítí LAN pro fyzickou a spojovou vrstvu referenčního modelu ISO se zabývají normy IEEE 802. Tyto normy definují řadu norem, z nichž každá se vztahuje k určitému typu metody MAC. Různé normy IEEE a jejich vztah k referenčnímu modelu ISO představuje obr.38.
Obr.38 Soubor protokolů IEEE 802 41
Normy pro MAC jsou spolu se specifikacemi fyzických médií zahrnuty v následujících dokumentech IEEE: • IEEE 802.3: CSMA/CD pro sběrnicovou topologii • IEEE 802.3: Token pro sběrnicovou topologii • IEEE 802.3: Token pro kruhovou topologii • IEEE 802.3: Bezdrátové LAN Normám IEEE odpovídají relevantní normy ISO jen s malým rozdílem v číselném označení: ISO 8802.3, atd. Popisy funkcí MAC a fyzických vrstev, které byly uváděny v předchozím výkladu se týkaly těchto čtyř norem. I když interní operace každé z nich se liší, tak všechny popisují řadu normalizovaných služeb určených pro vrstvu řízení logického spoje (LLC- logical link control) a pro spolupráci s odpovídajícími normami MAC. Různé funkce spojené s MAC a fyzickými vrstvami jsou obecně realizovány, stejně jako u drátových LAN, mikroprogramově jednoúčelovými integrovanými obvody. Proto bude další výklad věnován pouze LLC a síťovým vrstvám a jednoduše bude definováno rozhraní mezi LLC a MAC vrstvami. V této souvislosti poznamenejme, že v síti LAN a ve vrstvách LLC a MAC existují pro spojen mezi dvěma konci (end-to-end) vhodné protokoly nahrazující mezilehlé přepínací uzly například sítí s přepojováním paketů. V kontextu referenčního modelu ISO vrstva MAC a LLC společně plní funkce řízení spojové vrstvy (obr.38). V tomto kontextu vrstvy MAC a LLC chápeme spíše jako podvrstvy než jako vrstvy. K funkcím spojové vrstvy patří tvorba rámců (signalizace začátku a konce každého rámce), detekce chyb, spolehlivá spojově-orientovaná služba, sledování provozního toku a řízení spoje. Proto podvrstva MAC zajišťuje tvorbu rámců a detekci chyb zatímco podvrstva LLC zbývající funkce. 42
5.1 Služby zajišťované podvrstvou MAC Bez ohledu na provozní režim nižší podvrstvy MACCSMA/CD, kruhové topologie s tokenem, sběrnicové topologie s tokenem, bezdrátové topologie je úkolem podvrstvy LLC přesun protokolu datové jednotky do odpovídající vrstvy. K základním prvkům služby pro uživatele patří: • MA_UNITDATA.žádost • MA_UNITDATA.indikace • MA_UNITDATA.potvrzení Diagram znázorňující časovou posloupnost výše uvedených základních prvků zachycuje obr.39. Základní prvek sloužící pro potvrzení u CSMA/CD LAN indikuje, že požadavek byl úspěšně (nebo neúspěšně) přenesen, zatímco u LAN s tokenem indikuje, že požadavek byl (nebo nebyl) úspěšně doručen.
Obr.39 Základní prvky uživatelské služby MAC: (a) CSMA/CD;(b)kruhová/sběrnicová topologie s tokenem 43
S každým základním prvkem služby jsou spojeny určité parametry. Prvek MA_UNITDATA.žádost zahrnuje požadovanou cílovou adresu (může se jednat o individuální, skupinovou nebo oběžníkovou adresu), obsluhovanou datovou jednotku (obsahující data určená k přenosu- k nimž patří LLC PDU) a třídu služby zahrnutou v PDU. Poslední požadavek se uplatňuje v kruhových nebo sběrnicových sítích s tokenem, jako například v protokolu MAC pro volbu priorit. Prvek MA_UNITDATA.potvrzení zahrnuje parametr, který specifikuje úspěch nebo neúspěch prvku MA_UNITDATA žádosti. Nicméně obr.39 naznačuje, že prvek s potvrzením není generován na základě odpovědi ze vzdálené podvrstvy LLC ale spíše lokální MAC entitou. Jestli-že parametr indikuje úspěch, tak to prostě znamená, že entita protokolu MAC (vrstva) byla při přenosu obsluhované datové jednotky síťovým médiem úspěšná. V případě neúspěchu parametr indikuje příčinu, proč pokus o přenos selhal. Za typický příklad parametru vyjadřujícího poruchu ve sběrnicové síti CSMA/CD mohou sloužit „přetrvávající kolize“ (excessuive collisions).
5.2 Podvrstva LLC Podvrstva řízení logického spoje vychází z protokolu HDLC (high-level data link kontrol) a z podpory dvou typů uživatelské služby: connectionless a connectionoriented. Nicméně ve všech instalacích LAN a zejména pak v technickém a kancelářském prostředí se používá pouze connectionless protokol pro vysílání dat bez potvrzení (SDN-send-data-with-no-acknoledge).K základnímu prvku uživatelské služby patří L_DATA.žádost a protože se jedná o protokol s nejvýhodnějším pokusem (best-try protocol) tak veškerá data se předávají pomocí 44
nečíslovaného informačního rámce (UT-unnumbered transfer). Vzájemné působení LLC a MAC podvrstvy znázorňuje obr.40. K základnímu prvku L_DATA.žádost patří následující parametry: jedná se o specifikace zdrojové (lokální) a cílové (vzdálené) adresy a o uživatekská data (služební datovou jednotku). V posledním případě jde vlastně o protokol datové jednotky síťové vrstvy (NPDL-networkleyer protocol data unit). Obě zdrojové a cílové adresy jsou zřetězením adresy MAC podvrsty koncového zařízení přenosu dat DTE a přídavné mezivrstvové adresy služebního přístupového bodu (SAP-service access point) LLC SAP. Toto opatření slouží pro účel mezivrstvového směrování v rámci DTE.
Obr.40 Vzájemné působené LLC/MAC podvrstev Podrobnější vzájemnou spolupráci LLC a MAC podvrstev znázorňuje obr.41. LLC podvrstva snímá ze dvou adresových parametrů základního služebního prvku „L_DATA.žádost“ adresy služebních přístupových bodů cílové a zdrojové LLC (DSAP a SSAP) a vkládá je do záhlaví LLC PDU. Tato podvrstva přidá k DSAP a SSAP protokol datové jednotky síťové vrstvě NPDU a předá výsledný LLC PDU MAC podvrstvě jako uživatelský datový MA_UNITDATA.žádost základního prvku MAC.
45
K ostatním parametrům spojeným s tímto základním prvkem patří cílové a zdrojové adresy (DA a SA) MAC podvrstvy, vyžádaná třída služby a počet oktetů (délkový indikátor) pole uživatelských dat. Při řízení sítě tokenem je k určení priority rámce použita protokolem MAC podvrstvy třída služby.
Obr.41 Základní prvky a parametry mezivrstvy
46
Po přijetí výzvy k vysílání entita MAC protokolu vytvoří rámec připravený pro přenos spojem. V případě sběrnicové CSMA/CD sítě vytvoří rámec s úvodní synchronizační skupinou a omezovačem začátku pole SFD, DA a SA poli a I polem a příslušným polem kontrolní posloupnosti rámce FCS.Kompletní rámec je pak vhodnou MAC metodou sériově bit po bitu vyslán do kabelového média. Podobná procedura je realizována v cílové DTE s výjimkou toho, že příslušná pole každého protokolu datové jednotky PDU jsou snímána a interpretována každou vrstvou. Uživatelské datové pole každého PDU je potom předáno nahoru do následující vrstvy společně s příslušnými adresovými parametry.
5.3 Síťová vrstva Prvotní úkolem síťové vrstvy je směrování zpráv vyšších protokolárních vrstev - v kontextu referenčního modelu ISO - sítí (sítěmi), která spojuje distribuovanou komunitu DTEs. Stejně jako u spojové vrstvy i síťová vrstva může pracovat buď v režimu bez přepojování, nebo v režimu s přepojováním. K adresaci a směrování zpráv (rámců) mezi koncovými zařízeními přenosu dat DTEs jedné sítě LAN se používají adresy bodů připojení (pointof-attachment) MAC podvrstvy. Protože LANy při vysokých přenosových rychlostech požívají média s malou chybovostí (BER) a krátkou dobou šíření mezi dvěma DTE, tak pravděpodobnost narušení zpráv bývá velmi malá. Pokud všechna DTE jsou připojena k jediné LAN, tak se normálně využívá služba vrstvy a protokol sítě bez přepojování. Požadované řízení provozního toku a sledování chybovosti je potom ponecháno protokolu nad ní ležící transportní vrstvy. 47
Protože LANy mají omezenou funkčnost, tak se síťové vrstvě často říká nulová nebo neaktivní vrstva. Primitivní servisní uživatelské funkce sítě a jejich parametry jsou uvedeny v obr.42.
Obr.42 Služby síťové vrstvy: (a) sekvenční časový diagram;(b) parametry služby Základní službu pro přesun zpráv s přívlastkem best- try představuje N_UNITDATA-žádost a indikace. Parametry DA a SA výše zmíněné služby představuje zřetězení adresy bodu připojení DTE (zdroje nebo místa určení) MAC podvrstvy a LLC SAP rozšířené adresy mezivrstvy. Přístupový bod síťové vrstvy (NSAP) rozšířené adresy mezivrstvy je také použit. Její role je stejná jako u LLC SAP a umožňuje směrování zpráv různými vrstvami s protokoly k různým aplikačním programům (AP) v rámci stejné DTE. Jako příklad může sloužit síťový server DTE, který podporuje elektronickou poštu a transfer souborů.
48
Parametr kvality služby (QOS-quality of service) obsahuje zpoždění doby šíření, prioritu zprávy a další specifikované parametry sítě. V případě jediné LAN pouze pole priority nemá žádný význam. Konečně parametr uživatelských dat se týká datové zprávy určené k přenosu. Základní prvek N_REPORT.indikace je použit poskytovatelem sítě-LLC a MAC podvrstvami- k hlášení jakýchkoliv poruchových stavů, které se mohou vyskytnout v souvislosti s žádostí o přenos. Jako příklad mohou při použití LAN s CSMA/CD řízením sloužit přetrvávající (Excessive) kolize. Proto můžeme přijmout závěr že protokol spojený se síťovou vrstvou je minimální. Zahrnuje tvorbu NPDU z parametrů spojených s příchozí N_UNITDATA.žádostí a jejím předáním LLC podvrstvě v parametru uživatelských dat L_DATA.žádosti. Podobně po příjmu NPDU z podvrstvy LLC-v parametru uživatelských dat připojených k L_DATA.indikací- protokol odebere z NPDU zdrojovou a cílovou síťovou adresu a předá ji společně se zbývajícími uživatelskými daty uživatelské transportní vrstvě pomocí N_UNIDTDATA.indikační funkce. V závěru poznamenejme, že v případě propojení řady sítí na rozdíl od jediné existující sítě LAS bude protokol síťové vrstvy mnohem složitější.Takové složité síti se říká internet a jejím složkám podsítě.
49
