Моделирование беспроводной системы передачи звука «Bluetooth» в программной среде MathLab

     Одним из наиболее эффективных методов  повышения достоверности и надежности передачи данных является помехоустойчивое кодирование, позволяющее за счет внесения дополнительной избыточности (увеличение минимального кодового расстояния) в кодовых комбинациях передаваемых сообщений обеспечить возможность обнаружения и исправления одиночных, кратных и групповых ошибок.

     Минимальное кодовое расстояние характеризует  помехоустойчивость и избыточность сообщений. В зависимости от величины минимального кодового расстояния существуют коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки.

     Кодовое расстояние - d определяется как количество единиц в результате суммирования по модулю два двух кодовых комбинаций. Минимальное кодовое расстояние d₀ - минимальное из кодовых расстояний всех возможных кодовых комбинаций.

     Для обнаружения r ошибок минимальное кодовое  расстояние равно: 

      d₀ ³ r+1. (1)

     

     

     Для обнаружения r ошибок и исправления s ошибок минимальное кодовое расстояние равно: 

     d₀ ³ r+s+1. (2) 

     Только  для исправления ошибок минимальное  кодовое расстояние равно: 

     d₀ ³ 2s+1. (3)

 

2. Концепция и технические  принципы беспроводной  передачи информации

     2.1 Концепция беспроводной  передачи информации

     В целом, технологии беспроводной передачи данных, как и кабельные технологии, можно разделить на две большие  группы. В одной из них обеспечивается установление прямого соединения на все время сеанса связи, независимо от реальной загрузки канала - так же, как это происходит в кабельных сетях с коммутацией каналов. Такие технологии обеспечивают синхронную связь - на одном конце происходит передача, а на другом, в то же самое время, - прием. Технологии другой группы аналогичны системам с коммутацией пакетов - в них не обеспечивается синхронность, но зато и соединение устанавливается только на время реальной передачи, поэтому наличествующая емкость канала используется значительно более эффективно. Технологии первого типа больше подходят для телефонных переговоров (хотя они широко  применяются и для передачи данных), технологии второго типа предназначены в первую очередь для передачи данных.

     По  способу радиочастотной модуляции  все технологии можно разделить на узкополосные и широкополосные. При использовании технологии первой группы передача ведется в узком диапазоне вблизи строго определенной частоты. Отсюда - взаимные наводки, необходимость 'делить' эфир, невозможность работы двух устройств в непосредственной близости друг от друга. Широкополосные технологии, называемые так потому, что в них для передачи информации используется значительно более широкий диапазон, чем при обычных методах модуляции, обладают более высокой помехоустойчивостью по отношению к узкополосным шумам и более экономно используют спектр.

     

     

     Можно перечислить, как минимум пять технологий беспроводной передачи данных вне помещений:

     1. Радиорелейные линии. Это системы,  построенные на основе узкополосных  технологий и предназначенные  для передачи данных с большими скоростями (до 155 Мбит/с) на высокой частоте. Они робота-ют по синхронной технологии. Для использования этой технологии необходимо обеспечить прямую видимость между ретрансляторами.¹

     2. Радио X.25. Эта технология также  основана на узкополосной технологии передачи данных. Она работает на относительно низкой частоте (400 - 500 МГц), и поэтому в ней предъявляются менее жесткие требования к прямой видимости между передающей и приемной станциями. Как следует из самого названия, здесь данные передаются по методу коммутации пакетов.

     3. Устройства CDPD (Cellular Digital Packet Data). Это беспроводные устройства, при передаче кодирующие данные по широкополосной технологии и работающие в асинхронном режиме. Они обеспечивают невысокие скорости обмена информации (до 19200 bps).

     4. Широкополосные радиомодемы. Они  работают по методу синхронной связи на частотах 2,4 и 5,7 ГГц, обеспечивая высокую скорость передачи данных (до 2 Мбит/с).

     5. Беспроводные сети Ethernet. Эти средства  связи работают по широкополосной технологии и передают данные в асинхронном режиме. Они обеспечивают достаточно высокие скорости обмена данными (до 4 Мбит/с) при экономичном расходовании полосы пропускания (что свойственно средствам асинхронной передачи данных).

     

     Для организации беспроводной передачи данных между локальными сетями или  между компьютером и опорной сетью наиболее привлекательна именно последняя технология, представляющая собой, по существу, 'привычную' для компьютера среду, где в качестве носителя используются радиоволны.

     Radio-Ethernet - это стандарт организации беспроводных  коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети: несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи. Согласно этому стандарту канал может быть организован по любой из следующих трех технологий:

     1. Передача в инфракрасном спектре;

     2. Передача широкополосного сигнала (ШПС) по методу прямой последовательности (DSSS);

     3. Передача широкополосного сигнала  по методу частотных скачков  (FHSS).

     Сети  инфракрасного диапазона ориентированы  в первую очередь на использование  внутри помещений. Обе широкополосные технологии (DSSS и FHSS) предлагаются в двух частотных диапазонах: один в диапазоне 902-928 МГц, другой в диапазоне от 2400 МГц до 2483,5 МГц. Последний мы кратко обозначим 2,4 ГГц и в дальнейшем основной акцент сделаем именно на нем, поскольку стандарт 802.1 1 регламентирует именно его. Кроме того, в Европе и России диапазон 915 МГц сильно загружен другими средствами связи и поэтому рекомендуется к использованию в основном внутри зданий.

     

     Диапазон  же 2,4 ГГц приемлем для работы как  внутри зданий, так и снаружи. При наружном использовании мощность передатчика не должна превышать 100 милливатт. Технология широкополосного сигнала и стандарт 802.11. Эта технология была изобретена как средство помехоустойчивой кодированной передачи информации с использованием сигнала малой мощности. Другое ее название — технология шумоподобного сигнала; в нем находит свое отражение кодирование информации при передаче и малая мощность радиосигнала. После многих лет успешного использования в оборонных отраслях это технология нашла и гражданское применение, и именно в таком качестве она описывается в стандарте 802.1 1 .

     При передаче информации по методу ШПС  используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется при обычной передаче. По существу, ШПС представляет собой метод модуляции несущей частоты полезным сигналом, отличный от общеизвестных методов амплитудной, частотной и фазовой модуляции. Разработаны два принципиально различающихся между собой метода ШПС - модуляции: прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Метод ШПС обеспечивает кодированную передачу данных. Принять передачу может только тот, чье оборудование 'знает', каким образом были закодированы данные в передаче. Кроме того, ШПС обеспечивает высокую степень защиты данных от помех при передаче. Наконец, использование ШПС позволяет двум передатчикам, настроенным на разные алгоритмы кодирования, передаваемой информации, работать в одной территориальной зоне в одном диапазоне частот без взаимных помех.

     Широкому  распространению технологии ШПС  также способствовала ее относительная дешевизна при массовом производстве.  Вся сложность широкополосной технологии запрограммирована в нескольких микроэлектронных компонентах, а стоимость микроэлектроники при массовом производстве весьма невелика. Что же касается остальных компонентов широкополосных устройств - СВЧ - электроники, антенн, - то за счет чрезвычайно малой мощности радиосигналов они оказываются дешевле и проще, чем в обычном “узкополосном” случае - например, на радиорелейных линиях. 
 
 
 

     2.2 Технические принципы  беспроводной передачи  информации 

     Метод прямой последовательности DSSS.Не вдаваясь в технические подробности, метод  прямой последовательности (DSSS) можно представить себе следующим образом. Вся используемая “широкая” полоса частот делится на некоторое число подканалов - по стандарту 802.11 их должно быть 11. Каждый передаваемый бит информации превращается по заранее зафиксированному алгоритму в последовательность из 11 “чипов”; интенсивность сигнала одного чипа близка к фоновой, однако при приеме последовательность чипов декодируется по тому же алгоритму, что и при кодировке, и таким образом полезный сигнал удается выделить на фоне шума. Другая пара приемник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки - декодировки, причем количество алгоритмов практически неограниченно. Первое очевидное преимущество этого метода — защита передаваемой информации от подслушивания (“чужой” DSSS-приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Кроме того, благодаря 11-кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень малой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии). Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности) — последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. Наконец, обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности “шумят” каждый только в своем узком канале и не могут целиком заглушить широкополосный сигнал.

     

     Метод частотных скачков (FHSS).При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот разделяется на

     

подканалы (по стандарту 802.11 их 79). В каждый момент времени каждый передатчик использует только один из подканалов, перескакивая с одного подканала на другой через определенные промежутки времени, не превышающие 20 мс. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что, не зная последовательности переключений принять сигнал нельзя. Другая пара передатчик-приемник должна использовать и другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории в пределах прямой видимости (в одной “ячейке”) таких последовательностей может быть много.

     Метод частотных скачков, так же как  и описанный выше метод прямой последовательности, гарантирует конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передачи. Последняя обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не принят, приемник выдает сообщение, и передача этого пакета повторяется на одном из следующих подканалов (в последовательности скачков).

     С другой стороны, поскольку при использовании  метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, Влияние узкополосных помех на передачу данных по методу DSSS (А) и FHSS (Б) трансляция на каждом подканале ведется на достаточно большой мощности, сравнимой с мощностью обычных узкополосных устройств, передача сигнала по описанному способу уже способна повлиять на передачи остальных участников диапазона.

     Сравнение методов DSSS и FHSS. Метод DSSS позволяет  достичь большей производительности, обеспечивает большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех) и большую дальность и связи. Кроме того, два устройства FHSS могут работать в непосредственной близости друг

     

от друга  без взаимных наводок. В то же время  продукция для FHSS выпускается значительно большим количеством компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что в отличие от DSSS они могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех, например, создаваемых DSSS-передатчиками; впрочем, при этом сами они создают помеху для обычных узкополосных устройств. Один из существенных недостатков FHSS - меньшая дальность связи вне зданий. Приведенное сравнение дает основания для следующих рекомендаций. FHSS-технология в любом из диапазонов 915 МГц и 2.4 ГГц, а также DSSS-технология в диапазоне 915 МГц должны применяться преимущественно внутри зданий или на частной территории при отсутствии помех радиоустройствам, включая широкополосные, находящимся вне этих зданий и территорий. В свою очередь, DSSS-технология в диапазоне 2,4 ГГц  наиболее приспособлена для наружного применения.