Беспроводная связь - Краткое руководство

Беспроводная связь предполагает передачу информации на расстояние без помощи проводов, кабелей или любых других видов электрических проводников.

Беспроводная связь - это широкий термин, который включает в себя все процедуры и формы подключения и связи между двумя или более устройствами с использованием беспроводного сигнала через технологии и устройства беспроводной связи.

Особенности беспроводной связи

Развитие беспроводной технологии принесло много улучшений с ее эффективными функциями.

  • Расстояние передачи может составлять от нескольких метров (например, пульт дистанционного управления телевизором) до тысяч километров (например, радиосвязь).

  • Беспроводная связь может использоваться для сотовой связи, беспроводного доступа в Интернет, беспроводной домашней сети и так далее.

  • Другие примеры применения беспроводной технологии радио включают устройства GPS, устройства открывания гаражных ворот, беспроводные компьютерные мыши, клавиатуры и гарнитуры, наушники, радиоприемники, спутниковое телевидение, широковещательное телевидение и беспроводные телефоны.

Беспроводная связь - преимущества

Беспроводная связь предполагает передачу информации без какого-либо физического соединения между двумя или более точками. Из-за отсутствия какой-либо «физической инфраструктуры» беспроводная связь имеет определенные преимущества. Это часто может включать в себя расстояние или пространство.

Беспроводная связь имеет несколько преимуществ; наиболее важные из них обсуждаются ниже -

Рентабельность

Проводная связь предполагает использование соединительных проводов. В беспроводных сетях связь не требует сложной физической инфраструктуры или методов обслуживания. Следовательно, стоимость снижается.

Example - Любая компания, предоставляющая услуги беспроводной связи, не несет больших затрат, и, как следствие, может дешево взимать плату с клиентов.

Гибкость

Беспроводная связь позволяет людям общаться независимо от их местонахождения. Необязательно находиться в офисе или какой-либо телефонной будке, чтобы передавать и получать сообщения.

Горняки в глубинке могут полагаться на спутниковые телефоны, чтобы звонить своим близким и, таким образом, помогают улучшить свое общее благосостояние, поддерживая связь с людьми, которые для них больше всего значат.

Удобство

Устройства беспроводной связи, такие как мобильные телефоны, довольно просты и поэтому позволяют использовать их всем, где бы они ни находились. Нет необходимости физически подключать что-либо, чтобы получать или передавать сообщения.

Example- Услуги беспроводной связи также можно увидеть в интернет-технологиях, таких как Wi-Fi. Теперь, когда сетевые кабели не мешают движению, мы можем подключиться практически к любому, где угодно и когда угодно.

Скорость

Улучшения также можно увидеть в скорости. Точность и скорость подключения к сети или доступности были значительно улучшены.

Example- Беспроводной пульт дистанционного управления может управлять системой быстрее, чем проводной. Беспроводное управление машиной может легко прекратить ее работу, если что-то пойдет не так, тогда как прямое управление не может действовать так быстро.

Доступность

Беспроводная технология обеспечивает легкий доступ, поскольку удаленные районы, где невозможно правильно проложить линии заземления, легко подключаются к сети.

Example- В сельской местности теперь возможно онлайн-образование. Педагогам больше не нужно ехать в отдаленные районы, чтобы преподавать уроки. Благодаря прямой трансляции их учебных модулей.

Постоянная связь

Постоянная связь также гарантирует, что люди могут относительно быстро реагировать на чрезвычайные ситуации.

Example - Беспроводной мобильный телефон может обеспечить вам постоянное соединение, даже если вы перемещаетесь с места на место или во время путешествия, в то время как проводная наземная линия - нет.

Среди различных терминов, используемых в мобильной телефонии, здесь будут рассмотрены наиболее часто используемые.

Mobile Station (MS)- Мобильная станция (MS) передает информацию пользователю и изменяет ее в соответствии с протоколами передачи радиоинтерфейса для связи с BSS. Информация пользователя передается с MS через микрофон и динамик для речи, клавиатуру и дисплей для обмена короткими сообщениями и кабельное соединение для других терминалов данных. Мобильная станция имеет два элемента: мобильное оборудование (ME) и модуль идентификации абонента (SIM).

Mobile Equipment (ME)- ME - это аппаратное обеспечение, которое покупатель приобретает у производителя оборудования. Аппаратная часть содержит все компоненты, необходимые для реализации протоколов для взаимодействия с пользователем и радиоинтерфейса с базовыми станциями.

Subscriber Identity Module (SIM)- Это смарт-карта, выпущенная при подписке для идентификации характеристик пользователя, таких как адрес и тип услуги. Звонки в GSM направляются на SIM-карту, а не на терминал.

SMS также хранятся на SIM-карте. Он содержит личную информацию каждого пользователя, что позволяет использовать ряд полезных приложений.

Base Station (BS)- Базовая станция передает и принимает пользовательские данные. Когда мобильный телефон отвечает только за передачу и прием данных своего пользователя, базовая станция способна обрабатывать вызовы нескольких абонентов одновременно.

Base Transceiver Station (BTS)- Передача пользовательских данных происходит между мобильным телефоном и базовой станцией (BS) через базовую приемопередающую станцию. Приемопередатчик - это схема, которая передает и принимает, т. Е. Выполняет и то, и другое.

Mobile Switching Center (MSC)- MSC - это аппаратная часть беспроводного коммутатора, которая может обмениваться данными с коммутаторами PSTN с использованием протокола системы сигнализации 7 (SS7), а также с другими MSC в зоне покрытия поставщика услуг. MSC также обеспечивает связь с другими проводными и беспроводными сетями, а также поддерживает регистрацию и поддержание соединения с мобильными станциями.

На следующем изображении показаны части различных подсистем. HLR, VLR, EIR и AuC являются подсистемами подсистемы сети.

Channels - Это диапазон частот, выделенный определенной услуге или системе.

Control Channel - Радиоканал, используемый для передачи установки вызова, запроса вызова, инициирования вызова и других целей радиомаяка или управления.

Forward Control Channel(FCC) - Радиоканал, используемый для передачи информации с базовой станции на мобильный

Reverse Channel(RC) - Радиоканал, используемый для передачи информации с мобильного на базовую станцию.

Voice Channel(VC) - Радиоканал, используемый для передачи голоса или данных.

Handoff - Это определяется как перевод вызова с канала или базовой станции на другую базовую станцию.

Roamer - Мобильная станция, работающая в зоне обслуживания, отличной от той, в которой услуга была подписана.

Transceiver - Устройство, способное одновременно передавать и принимать радиосигналы.

Схемы множественного доступа используются, чтобы позволить многим мобильным пользователям одновременно совместно использовать ограниченный объем радиочастотного спектра.

Методы множественного доступа

В системах беспроводной связи часто бывает желательно разрешить абоненту одновременно отправлять информацию с мобильной станции на базовую станцию, одновременно принимая информацию от базовой станции на мобильную станцию.

Сотовая система делит любую заданную область на соты, где мобильный объект в каждой соте связывается с базовой станцией. Основная цель при проектировании сотовой системы - это возможностьincrease the capacity of the channel, т. е. обрабатывать как можно больше вызовов в данной полосе пропускания с достаточным уровнем качества обслуживания.

Есть несколько способов разрешить доступ к каналу. К ним в основном относятся следующие:

  • Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA)
  • Множественный доступ с временным разделением (TDMA)
  • Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)
  • Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA)

В зависимости от того, как доступная полоса пропускания распределяется между пользователями, эти методы можно классифицировать как narrowband и wideband системы.

Узкополосные системы

Системы, работающие с каналами, значительно более узкими, чем ширина полосы когерентности, называются узкополосными системами. Узкополосная TDMA позволяет пользователям использовать один и тот же канал, но выделяет уникальный временной интервал каждому пользователю на канале, таким образом разделяя небольшое количество пользователей по времени на одном канале.

Широкополосные системы

В широкополосных системах ширина полосы пропускания одного канала намного больше, чем ширина полосы когерентности канала. Таким образом, замирания из-за многолучевого распространения не сильно влияют на принимаемый сигнал в широкополосном канале, а частотно-избирательные замирания возникают только в небольшой части полосы пропускания сигнала.

Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA)

FDMA - это базовая технология для расширенных услуг мобильной связи. Особенности FDMA следующие.

  • FDMA выделяет разные поддиапазоны частот каждому пользователю для доступа к сети.
  • Если FDMA не используется, канал остается свободным, вместо того, чтобы выделять его другим пользователям.
  • FDMA реализован в узкополосных системах и менее сложен, чем TDMA.
  • Здесь выполняется жесткая фильтрация для уменьшения помех по соседнему каналу.
  • Базовая станция BS и мобильная станция MS передают и принимают одновременно и непрерывно в FDMA.

Множественный доступ с временным разделением (TDMA)

В случаях, когда непрерывная передача не требуется, вместо FDMA используется TDMA. Возможности TDMA включают следующее.

  • TDMA разделяет одну несущую частоту с несколькими пользователями, где каждый пользователь использует неперекрывающиеся временные интервалы.
  • Передача данных в TDMA не является непрерывной, а происходит пакетами. Следовательно, процесс передачи обслуживания проще.
  • TDMA использует разные временные интервалы для передачи и приема, поэтому дуплексеры не требуются.
  • TDMA имеет преимущество, заключающееся в том, что можно выделять разное количество временных интервалов в кадре для разных пользователей.
  • Пропускная способность может предоставляться по запросу разным пользователям путем объединения или переназначения временного интервала в зависимости от приоритета.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)

Метод множественного доступа с кодовым разделением каналов является примером множественного доступа, при котором несколько передатчиков используют один канал для одновременной отправки информации. Его особенности заключаются в следующем.

  • В CDMA каждый пользователь использует весь доступный спектр вместо выделения отдельной частоты.
  • CDMA настоятельно рекомендуется для передачи голоса и данных.
  • Хотя несколько кодов занимают один и тот же канал в CDMA, пользователи, имеющие одинаковый код, могут общаться друг с другом.
  • CDMA предлагает большую емкость воздушного пространства, чем TDMA.
  • Автоматическая связь между базовыми станциями очень хорошо обрабатывается CDMA.

Множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA)

Множественный доступ с пространственным разделением или множественный доступ с пространственным разделением - это метод, который представляет собой архитектуру MIMO (несколько входов и выходов) и используется в основном в беспроводной и спутниковой связи. Он имеет следующие особенности.

  • Все пользователи могут общаться одновременно по одному каналу.
  • SDMA полностью свободен от помех.
  • Один спутник может связываться с несколькими приемниками спутников той же частоты.
  • Используются направленные лучевые антенны, и, следовательно, базовая станция в SDMA может отслеживать движущегося пользователя.
  • Контролирует излучаемую энергию для каждого пользователя в космосе.

Множественный доступ Spread Spectrum

Множественный доступ с расширенным спектром (SSMA) использует сигналы с полосой пропускания передачи, величина которой превышает минимально требуемую полосу пропускания RF.

Существует два основных типа методов множественного доступа с расширенным спектром:

  • Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)
  • Спектр расширения прямой последовательности (DSSS)

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)

Это система цифрового множественного доступа, в которой несущие частоты отдельных пользователей изменяются псевдослучайным образом в широкополосном канале. Цифровые данные разбиваются на пакеты одинакового размера, которые затем передаются на разных несущих частотах.

Спектр распространения прямой последовательности (DSSS)

Это наиболее часто используемая технология для CDMA. В DS-SS сигнал сообщения умножается на псевдослучайный шумовой код. Каждому пользователю дается его собственное кодовое слово, которое ортогонально кодам других пользователей, и для обнаружения пользователя приемник должен знать кодовое слово, используемое передатчиком.

Комбинационные последовательности, называемые hybrid также используются как другой тип расширенного спектра. Time hopping также является другим типом, который редко упоминается.

Поскольку многие пользователи могут совместно использовать одну и ту же полосу расширенного спектра, не мешая друг другу, системы с расширенным спектром становятся bandwidth efficient в многопользовательской среде.

Беспроводной канал подвержен различным препятствиям передачи, таким как path loss, interference и blockage. Эти факторы ограничивают диапазон, скорость передачи данных и надежность беспроводной передачи.

Типы путей

Степень, в которой эти факторы влияют на передачу, зависит от условий окружающей среды и мобильности передатчика и приемника. Путь, по которому проходят сигналы, чтобы добраться до приемника, бывает двух типов, например:

Прямой путь

Переданный сигнал, когда он достигает приемника напрямую, можно назвать directpath а компоненты, присутствующие в сигнале, называются directpath components.

Многолучевость

Переданный сигнал, когда он достигает приемника в разных направлениях, претерпевая различное явление, такой путь называется multi-path а компоненты передаваемого сигнала называются multi-path components.

Они отражаются, дифрагируют и рассеиваются окружающей средой и достигают приемника со сдвигом по амплитуде, частоте и фазе относительно компонента прямого пути.

Характеристики беспроводного канала

Наиболее важные характеристики беспроводного канала:

  • Потеря пути
  • Fading
  • Interference
  • Доплеровский сдвиг

В следующих разделах мы обсудим эти характеристики каналов по очереди.

Потеря пути

Потери на трассе могут быть выражены как отношение мощности переданного сигнала к мощности того же сигнала, принятого приемником на заданном пути. Это функция расстояния распространения.

  • Оценка потерь на тракте очень важна для проектирования и развертывания сетей беспроводной связи.

  • Потери на трассе зависят от ряда факторов, таких как используемая радиочастота и характер местности.

  • Модель распространения в свободном пространстве - это простейшая модель потерь на трассе, в которой между передатчиком и приемником существует сигнал прямого тракта без атмосферного затухания или компонентов многолучевого распространения.

В этой модели соотношение между передаваемой мощностью Pt и полученная мощность Pr дан кем-то

$$P_{r} = P_{t}G_{t}G_{r}(\frac{\lambda}{4\Pi d})^2$$

где

  • Gt усиление антенны передатчика

  • Gr усиление антенны приемника

  • d это расстояние между передатчиком и приемником

  • λ это длина волны сигнала

Двусторонняя модель, также называемая двухпутной моделью, является широко используемой моделью потерь на трассе. Описанная выше модель свободного пространства предполагает, что существует только один единственный путь от передатчика до приемника.

В действительности сигнал доходит до приемника несколькими путями. Модель двух путей пытается уловить это явление. Модель предполагает, что сигнал достигает приемника двумя путями: один - по линии прямой видимости, а другой - по пути, по которому принимается отраженная волна.

Согласно двухпутной модели принимаемая мощность определяется выражением

$$P_{r} = P_{t}G_{t}G_{r}(\frac{h_{t}h_{r}}{d^2})^2$$

где

  • pt передаваемая мощность

  • Gt представляют усиление антенны на передатчике

  • Gr представляют усиление антенны на приемнике

  • d это расстояние между передатчиком и приемником

  • ht высота передатчика

  • hr высота ствольной коробки

Затухание

Замирание относится к колебаниям мощности сигнала при приеме на приемник. Затухание можно разделить на два типа:

  • Быстрое замирание / мелкомасштабное замирание и
  • Медленное замирание / крупномасштабное замирание

Быстрое замирание относится к быстрым колебаниям амплитуды, фазы или задержек из-за многолучевого распространения принимаемого сигнала из-за интерференции между несколькими версиями одного и того же переданного сигнала, поступающего в приемник в несколько разное время.

Время между получением первой версии сигнала и последнего отраженного сигнала называется delay spread. Многолучевое распространение передаваемого сигнала, которое вызывает быстрое замирание, происходит из-за трех механизмов распространения, а именно:

  • Reflection
  • Diffraction
  • Scattering

Несколько путей прохождения сигнала могут иногда конструктивно, а иногда и деструктивно складываться в приемнике, вызывая изменение уровня мощности принятого сигнала. Считается, что полученная одиночная огибающая сигнала с быстрым замиранием следует заRayleigh distribution чтобы убедиться, что между передатчиком и приемником нет прямой видимости.

Медленное затухание

Само название Slow Fading подразумевает, что сигнал затухает медленно. Характеристики медленного замирания приведены ниже.

  • Медленное замирание происходит, когда объекты, частично поглощающие передачу, находятся между передатчиком и приемником.

  • Медленное затухание называется так, потому что затухание может длиться несколько секунд или минут.

  • Медленное замирание может происходить, когда приемник находится внутри здания и радиоволна должна проходить через стены здания, или когда приемник временно экранирован от передатчика зданием. Препятствующие объекты вызывают случайное изменение мощности принимаемого сигнала.

  • Медленное замирание может привести к изменению мощности принимаемого сигнала, хотя расстояние между передатчиком и приемником остается неизменным.

  • Медленное замирание также называют shadow fading поскольку объекты, вызывающие затухание, например большие здания или другие сооружения, блокируют прямой путь передачи от передатчика к приемнику.

Вмешательство

Беспроводная передача данных должна противодействовать помехам от самых разных источников. Две основные формы вмешательства:

  • Помехи по соседнему каналу и
  • Помехи в совмещенном канале.

В случае помех по соседнему каналу сигналы на соседних частотах имеют компоненты за пределами выделенных им диапазонов, и эти компоненты могут мешать текущей передаче на соседних частотах. Этого можно избежать, тщательно вводя защитные полосы между выделенными частотными диапазонами.

Co-channel interference, иногда также называемый narrow band interference, происходит из-за других близлежащих систем, использующих ту же частоту передачи.

Inter-symbol interference - это другой тип помех, при котором искажение принятого сигнала вызвано расширением во времени и последующим перекрытием отдельных импульсов в сигнале.

Adaptive equalization- это широко используемый метод борьбы с межсимвольными помехами. Он включает сбор рассеянной энергии символа в исходный временной интервал. В процессе коррекции используются сложные алгоритмы цифровой обработки.

Исходный протокол TCP / IP был определен как четыре программных уровня, построенных на оборудовании. Сегодня, однако, TCP / IP рассматривается как пятиуровневая модель с названиями уровней, аналогичными тем, которые используются в модели OSI.

Сравнение OSI и TCP / IP Suite

Когда мы сравниваем две модели, мы обнаруживаем, что в протоколе TCP / IP отсутствуют два уровня, сеанс и представление. Прикладной уровень в пакете обычно считается комбинацией трех уровней модели OSI.

Модель OSI определяет, какие функции принадлежат каждому из ее уровней, но уровни набора протоколов TCP / IP содержат относительно независимые протоколы, которые можно смешивать и согласовывать, в зависимости от потребностей системы. Термин иерархический означает, что каждый протокол верхнего уровня поддерживается одним или несколькими протоколами нижнего уровня.

Слои в TCP / IP Suite

Четыре уровня модели TCP / IP - это уровень хост-сеть, уровень Интернета / сети, транспортный уровень и уровень приложений. Назначение каждого уровня в наборе протоколов TCP / IP подробно описано ниже.

На изображении выше представлены уровни набора протоколов TCP / IP.

Физический слой

TCP / IP не определяет какой-либо конкретный протокол для физического уровня. Он поддерживает все стандартные и проприетарные протоколы.

  • На этом уровне связь осуществляется между двумя переходами или узлами: компьютером или маршрутизатором. Единица коммуникации - этоsingle bit.

  • Когда соединение устанавливается между двумя узлами, между ними проходит поток битов. Однако физический уровень обрабатывает каждый бит индивидуально.

Ответственность физического уровня, помимо доставки битов, совпадает с тем, что упоминалось для физического уровня модели OSI, но в основном зависит от базовых технологий, обеспечивающих ссылки.

Уровень канала передачи данных

TCP / IP также не определяет какой-либо конкретный протокол для уровня канала данных. Он поддерживает все стандартные и проприетарные протоколы.

  • На этом уровне также осуществляется связь между двумя переходами или узлами. Однако единицей связи является пакет, называемыйframe.

  • А frame представляет собой пакет, который инкапсулирует данные, полученные с сетевого уровня, с добавленным заголовком, а иногда и с трейлером.

  • Заголовок, помимо другой коммуникационной информации, включает в себя источник и место назначения кадра.

  • В destination address необходим для определения правильного получателя кадра, поскольку многие узлы могли быть подключены к ссылке.

  • В source address требуется для возможного ответа или подтверждения, что может потребоваться некоторыми протоколами.

На этом уровне поддерживаются протоколы LAN, Packet Radio и Point-to-Point.

Сетевой уровень

На сетевом уровне TCP / IP поддерживает Интернет-протокол (IP). Интернет-протокол (IP) - это механизм передачи, используемый протоколами TCP / IP.

  • IP передает данные в пакетах, называемых datagrams, каждый из которых транспортируется отдельно.
  • Дейтаграммы могут перемещаться по разным маршрутам, поступать не по порядку или дублироваться.

IP не отслеживает маршруты и не имеет возможности переупорядочить дейтаграммы после их прибытия в пункт назначения.

Транспортный уровень

Существует основное различие между транспортным и сетевым уровнями. Хотя все узлы в сети должны иметь сетевой уровень, только два конечных компьютера должны иметь транспортный уровень.

  • Сетевой уровень отвечает за отправку отдельных дейтаграмм с компьютера A на компьютер B; транспортный уровень отвечает за доставку всего сообщения, которое называетсяsegment, От а до б.

  • Сегмент может состоять из нескольких или десятков datagrams. Сегменты необходимо разбить на дейтаграммы, и каждая дейтаграмма должна быть доставлена ​​на сетевой уровень для передачи.

  • Поскольку Интернет определяет разные маршруты для каждой дейтаграммы, дейтаграммы могут поступать не по порядку и могут быть потеряны.

  • Транспортный уровень на компьютере B должен дождаться прибытия всех этих дейтаграмм, собрать их и сделать из них сегмент.

Традиционно транспортный уровень в пакете TCP / IP был представлен двумя протоколами: User Datagram Protocol (UDP) и Transmission Control Protocol (TCP).

Новый протокол под названием Stream Control Transmission Protocol (SCTP) был введен в последние несколько лет.

Уровень приложения

Уровень приложений в TCP / IP эквивалентен объединенным уровням сеанса, представления и приложения в модели OSI.

  • Прикладной уровень позволяет пользователю получить доступ к услугам нашего частного или глобального Интернета.

  • На этом уровне определены многие протоколы для предоставления таких услуг, как передача файлов электронной почты, доступ к всемирной паутине и т. Д.

  • Протоколы, поддерживаемые на этом уровне: TELNET, FTP и HTTP.

Сотовая сеть является базовой технологией для мобильных телефонов, систем персональной связи, беспроводных сетей и т. Д. Технология разработана для мобильных радиотелефонов, чтобы заменить мощные системы передатчика / приемника. Сотовые сети используют меньшую мощность, меньшую дальность действия и больше передатчиков для передачи данных.

Особенности сотовых систем

Беспроводные сотовые системы решают проблему спектральной перегрузки и увеличивают пропускную способность пользователей. Особенности сотовых систем следующие:

  • Предлагайте очень высокую емкость в ограниченном спектре.

  • Повторное использование радиоканала в разных сотах.

  • Включите фиксированное количество каналов для обслуживания сколь угодно большого количества пользователей, повторно используя канал во всей зоне покрытия.

  • Связь всегда осуществляется между мобильным телефоном и базовой станцией (а не напрямую между мобильными устройствами).

  • Каждой базовой станции сотовой связи выделяется группа радиоканалов в небольшой географической области, называемой сотой.

  • Соседним сотам назначаются разные группы каналов.

  • Ограничивая зону покрытия границей соты, группы каналов можно повторно использовать для покрытия разных сот.

  • Поддерживайте уровни помех в допустимых пределах.

  • Повторное использование частот или частотное планирование.

  • Организация беспроводной сотовой сети.

Сотовая сеть состоит из нескольких передатчиков малой мощности, каждый 100 Вт или меньше.

Форма ячеек

Зона покрытия сотовых сетей делится на cellsкаждая ячейка имеет свою собственную антенну для передачи сигналов. Каждая ячейка имеет свои частоты. Передача данных в сотовых сетях обслуживается передатчиком, приемником и блоком управления базовой станции.

Форма ячеек может быть квадратной или шестиугольной -

Квадрат

У квадратной ячейки четыре соседа на расстоянии d и четыре на расстоянии Root 2 d

  • Лучше, если все соседние антенны равноудалены
  • Упрощает выбор и переход на новую антенну

Шестиугольник

Настоятельно рекомендуется использовать шестиугольную ячейку для облегчения покрытия и расчетов. Он предлагает следующие преимущества -

  • Обеспечивает эквидистантные антенны
  • Расстояние от центра до вершины равно длине стороны

Повторное использование частоты

Повторное использование частот - это концепция использования одних и тех же радиочастот в пределах заданной области, которые разделены значительным расстоянием, с минимальными помехами, для установления связи.

Повторное использование частоты дает следующие преимущества:

  • Разрешает связь внутри ячейки на заданной частоте
  • Ограничивает утечку энергии в соседние ячейки
  • Позволяет повторно использовать частоты в соседних ячейках
  • Использует одинаковую частоту для нескольких разговоров
  • От 10 до 50 частот на ячейку

Например, когда N ячейки используют одинаковое количество частот и Kбыть общим количеством частот, используемых в системах. Тогда каждыйcell frequency рассчитывается по формулам K/N.

В Advanced Mobile Phone Services (AMPS), когда K = 395 и N = 7, тогда частоты на соту в среднем будут 395/7 = 56. Здесь, cell frequency 56 лет.

Антенна и распространение волн играют жизненно важную роль в сетях беспроводной связи. Антенна - это электрический проводник или система проводников, которая излучает / собирает (передает или принимает) электромагнитную энергию в / из космоса. Идеализированная изотропная антенна излучает одинаково во всех направлениях.

Механизмы распространения

Беспроводные передачи передаются в трех режимах. Они -

  • Распространение земной волны
  • Распространение небесных волн
  • Распространение в прямой видимости

Ground wave propagation следует контуру земли, а sky wave propagation использует отражение как от Земли, так и от ионосферы.

Line of sight propagationтребует, чтобы передающая и приемная антенны находились в пределах прямой видимости друг друга. В зависимости от частоты основного сигнала отслеживается конкретный режим распространения.

Примеры связи земных и небесных волн: AM radio и international broadcastsнапример BBC. На частотах выше 30 МГц не работают ни земные, ни небесные волны, и связь осуществляется через линию прямой видимости.

Ограничения передачи

В этом разделе мы обсудим различные ограничения, влияющие на передачу электромагнитных волн. Начнем с затухания.

Затухание

Сила сигнала падает с увеличением расстояния до среды передачи. Степень затухания является функцией расстояния, среды передачи, а также частоты базовой передачи.

Искажение

Поскольку сигналы на разных частотах ослабляются в разной степени, сигнал, состоящий из компонентов в диапазоне частот, искажается, то есть форма принимаемого сигнала изменяется.

Стандартный метод решения этой проблемы (и восстановления исходной формы) состоит в усилении более высоких частот и, таким образом, выравнивании затухания по полосе частот.

Дисперсия

Дисперсия - это явление распространения выброса электромагнитной энергии во время распространения. Пакеты данных, отправляемые в быстрой последовательности, имеют тенденцию сливаться из-за разброса.

Шум

Наиболее распространенной формой шума является тепловой шум, который часто моделируется с помощью аддитивной гауссовой модели. Тепловой шум возникает из-за теплового возбуждения электронов и равномерно распределяется по частотному спектру.

Другие формы шума включают:

  • Inter modulation noise (вызвано сигналами, генерируемыми на частотах, которые являются суммой или разностью несущих частот)

  • Crosstalk (помеха между двумя сигналами)

  • Impulse noise (нерегулярные импульсы высокой энергии, вызванные внешними электромагнитными помехами).

Хотя импульсный шум может не оказывать значительного влияния на аналоговые данные, он оказывает заметное влияние на цифровые данные, вызывая burst errors.

На приведенном выше рисунке четко показано, как шумовой сигнал перекрывает исходный сигнал и пытается изменить его характеристики.

Затухание

Замирание относится к изменению силы сигнала в зависимости от времени / расстояния и широко распространено при беспроводной передаче. Наиболее частыми причинами замирания в беспроводной среде являются многолучевое распространение и мобильность (как объектов, так и взаимодействующих устройств).

Многолучевое распространение

В беспроводной среде сигналы распространяются с использованием трех принципов: отражения, рассеяния и дифракции.

  • Reflection возникает, когда сигнал встречает большую твердую поверхность, размер которой намного больше длины волны сигнала, например твердую стену.

  • Diffraction возникает, когда сигнал встречает край или угол, размер которого больше длины волны сигнала, например край стены.

  • Scattering происходит, когда сигнал встречает небольшие объекты размером меньше длины волны сигнала.

Одним из последствий многолучевого распространения является то, что несколько копий сигнала, распространяемого по множеству разных путей, прибывают в любую точку в разное время. Таким образом, на сигнал, полученный в точке, влияет не толькоinherent noise, distortion, attenuation, и dispersion в канале, но и interaction of signals распространяется по нескольким путям.

Распространение задержки

Предположим, мы передаем зондирующий импульс из какого-то места и измеряем полученный сигнал в месте получателя как функцию времени. Мощность принимаемого сигнала увеличивается во времени из-за многолучевого распространения.

Разброс задержки определяется функцией плотности результирующего разброса задержки во времени. Average delay spread и root mean square delay spread - два параметра, которые можно вычислить.

Доплеровское распространение

Это мера spectral broadeningвызвано скоростью изменения мобильного радиоканала. Это вызвано либо относительным движением между мобильной и базовой станцией, либо движением объектов в канале.

Когда скорость мобильного устройства высока, доплеровский разброс велик и результирующие изменения канала быстрее, чем у сигнала основной полосы частот, это называется fast fading. Когда изменения канала медленнее, чем изменения сигнала основной полосы частот, тогда возникающее замирание называетсяslow fading.

В некоторых случаях наблюдается снижение производительности, которое влияет на результат. Основной причиной этого может быть ухудшение мобильного канала. Чтобы решить эту проблему, есть три популярных метода:

Эквалайзер

Эквалайзер в приемнике компенсирует средний диапазон ожидаемых характеристик амплитуды и задержки канала. Другими словами, эквалайзер - это фильтр на мобильном приемнике, импульсная характеристика которого обратна импульсной характеристике канала. Такие эквалайзеры находят применение вfrequency selective fading каналы.

Разнообразие

Разнообразие - еще один метод, используемый для компенсации fast fadingи обычно реализуется с использованием двух или более приемных антенн. Обычно он используется для уменьшения глубины и продолжительности замираний, испытываемых приемником в канале с плоскими замираниями.

Кодирование каналов

Channel codingулучшает производительность линии мобильной связи за счет добавления избыточных битов данных в передаваемое сообщение. На участке основной полосы частот передатчика канальный кодер отображает последовательность цифрового сообщения в другую конкретную кодовую последовательность, содержащую большее количество битов, чем исходное, содержащееся в сообщении. Кодирование канала используется для исправленияdeep fading или же spectral null.

Выравнивание

Межсимвольная интерференция (ISI) была определена как одно из основных препятствий для высокоскоростной передачи данных по мобильным радиоканалам. Если ширина полосы модуляции превышаетcoherence bandwidth радиоканала (т. е. частотно-избирательное замирание), импульсы модуляции распространяются во времени, вызывая ISI.

Эквалайзер на входе приемника компенсирует средний диапазон ожидаемой амплитуды канала и характеристик задержки. Поскольку мобильные каналы замиранияrandom и time varyingэквалайзеры должны отслеживать изменяющиеся во времени характеристики мобильного канала и, следовательно, должны быть изменяющимися во времени или адаптивными. Адаптивный эквалайзер имеет две фазы работы:training и tracking.

Режим обучения

Первоначально передатчик отправляет известную обучающую последовательность фиксированной длины, чтобы эквалайзер приемника мог усреднить до правильной настройки. Training sequence обычно является псевдослучайным двоичным сигналом или фиксированным заданным битовым шаблоном.

Последовательность обучения предназначена для того, чтобы эквалайзер на приемнике мог получить proper filter coefficientв наихудшем состоянии канала. Таким образом, адаптивный фильтр на приемнике используетrecursive algorithm для оценки канала и оценки коэффициентов фильтра для компенсации канала.

Режим отслеживания

Когда обучающая последовательность завершена, коэффициенты фильтра близки к оптимальным. Сразу после обучающей последовательности отправляются пользовательские данные.

Когда данные пользователей получены, adaptive algorithms эквалайзера отслеживает изменяющийся канал. В результате адаптивный эквалайзер постоянно меняет характеристики фильтра с течением времени.

Разнообразие

Разнесение - это мощный приемник связи, который обеспечивает улучшение беспроводной связи по относительно низкой цене. Diversity techniques используются в системах беспроводной связи, чтобы в первую очередь улучшить характеристики радиоканала с замиранием.

В такой системе приемнику предоставляется несколько копий одного и того же информационного сигнала, которые передаются по двум или более реальным или виртуальным каналам связи. Таким образом, основная идея разнообразия такова:repetition или же redundancy of information. Практически во всех приложениях решения о разнесении принимаются приемником и неизвестны передатчику.

Типы разнообразия

Затухание можно разделить на small scale и large scale fading. Мелкомасштабные замирания характеризуются глубокими и быстрыми колебаниями амплитуды, которые возникают, когда мобильный телефон перемещается на расстояния, составляющие всего несколько длин волн. Для узкополосных сигналов это обычно приводит кRayleigh faded envelope. Чтобы предотвратить возникновение глубоких замираний, методы микроскопического разнообразия могут использовать быстро меняющийся сигнал.

Если антенные элементы приемника разделены частью длины передаваемой волны, то различные копии информационного сигнала или, в общем, называемые ветвями, могут быть соответствующим образом объединены, или самая сильная из них может быть выбрана в качестве принятого сигнала. Такой метод разнообразия называетсяAntenna or Space diversity.

Частотное разнесение

Один и тот же информационный сигнал передается на разных несущих, частотное разделение между которыми составляет, по крайней мере, ширину полосы когерентности.

Временное разнообразие

Информационный сигнал передается многократно во времени с регулярными интервалами. Разделение междуtransmit times should be greater than the coherence time, Tc. Временной интервал зависит от скорости замирания и увеличивается с уменьшением скорости замирания.

Поляризационное разнообразие

Здесь электрические и магнитные поля сигнала, несущего информацию, изменяются, и многие такие сигналы используются для отправки одной и той же информации. Таким образомorthogonal type of polarization is obtained.

Угловое разнообразие

Здесь направленные антенны используются для создания независимых копий передаваемого сигнала по нескольким путям.

Космическое разнообразие

При пространственном разнесении имеется несколько приемных антенн, размещенных в разных пространственных положениях, что приводит к различным (возможно, независимым) принятым сигналам.

Разница между схемами разнесения заключается в том, что в первых двух схемах присутствует wastage of bandwidth из-за duplication of the informationсигнал для отправки. Таким образом, проблема устранена в оставшихся трех схемах, но стоимость увеличена.antenna complexity.

Корреляция между сигналами как функция расстояния между элементами антенны определяется соотношением -

$$\rho = J_0^2 \lgroup\frac{2\Pi d}{\lambda}\rgroup$$

Где,

  • J0 = Функция Бесселя нулевого порядка и первого рода

  • d = расстояние разноса в пространстве антенных элементов

  • λ = длина волны несущей.

В области компьютеров широкое использование групповых подключений стало неизбежным, что привело к появлению LANs(Локальные сети). Эти локальные сети относятся к категории небольших сетей в пределах одного здания или университетского городка.

WANs - это глобальные сети, которые покрывают более широкую территорию, например город, или ограниченную территорию, превышающую LAN. Wireless Personal Area Networks (PANs) являются следующим шагом по сравнению с беспроводными локальными сетями, охватывающими меньшие области с низким энергопотреблением, для создания сетей портативных и мобильных вычислительных устройств, таких как ПК, персональные цифровые помощники (КПК).

Основы WLAN

Чтобы понять разницу между проводными и беспроводными сетями, необходимо понимать технические аспекты WLAN. Затем изучается использование сетей WLAN и их цели проектирования. Также подробно описаны типы WLANS, их компоненты и их основные функции.

Стандарт IEEE 802.11

В этом разделе представлен известный стандартный ионный WLAN - стандарт IEEE 802.11. Объясняются уровень управления доступом к среде (MAC) и механизмы физического уровня. В этом разделе также рассматриваются некоторые дополнительные функции, такие как безопасность и качество обслуживания (QoS).

HIPERLAN Стандарт

В этом разделе описывается другой стандарт WLAN, стандарт HIPERLAN, который является европейским стандартом, основанным на радиодоступе.

блютус

В этом разделе рассматривается стандарт Bluetooth, который позволяет персональным устройствам обмениваться данными друг с другом при отсутствии инфраструктуры.

Основы WLAN

Хотя портативные терминалы и мобильные терминалы могут перемещаться из одного места в другое, доступ к портативным терминалам осуществляется только тогда, когда они неподвижны.

С другой стороны, мобильные терминалы (MT) более мощные, и к ним можно получить доступ, когда они находятся в движении. WLAN нацелены на поддержку действительно мобильных рабочих станций.

WLAN использует

Беспроводные компьютерные сети обладают разнообразными функциями. Сети WLAN очень гибкие и могут быть настроены в различных топологиях в зависимости от приложения. Некоторые возможные варианты использования WLAN описаны ниже.

  • Пользователи смогут выходить в Интернет, проверять электронную почту и получать мгновенные сообщения на ходу.

  • В районах, пострадавших от землетрясений или других стихийных бедствий, на объекте может отсутствовать подходящая инфраструктура. В таких местах WLAN удобны для создания сетей «на лету».

  • Есть много исторических зданий, где возникла необходимость в создании компьютерных сетей. В таких местах может быть запрещена проводка или конструкция здания может не обеспечивать эффективную проводку. WLAN - очень хорошее решение в таких местах.

Цели дизайна

Ниже приведены некоторые из целей, которые необходимо достичь при проектировании сетей WLAN.

  • Operational simplicity - Дизайн беспроводной локальной сети должен включать функции, позволяющие мобильному пользователю быстро настраивать и получать доступ к сетевым службам простым и эффективным способом.

  • Power efficient operation - Природа мобильных вычислительных устройств, таких как ноутбуки и КПК с ограниченным энергопотреблением, требует важного требования к беспроводным локальным сетям, работающим с minimal power consumption. Следовательно, конструкция WLAN должна включать в себя функции энергосбережения и использовать соответствующие технологии и протоколы для достижения этого.

  • License-free operation - Одним из основных факторов, влияющих на стоимость беспроводного доступа, является лицензионная плата за спектр, в котором работает конкретная технология беспроводного доступа. Low cost of accessявляется важным аспектом популяризации технологии WLAN. Следовательно, дизайн WLAN должен учитывать части частотного спектра. Для его работы, котораяdoes not require явный

  • Tolerance to interference - Распространение различных беспроводных сетевых технологий как для гражданских, так и для военных приложений привело к значительному increase in the interference level по всему радиочастотному спектру.

    При проектировании WLAN следует учитывать это и принимать соответствующие меры путем выбора технологий и протоколов для работы в присутствии помех.

  • Global Usability - Дизайн WLAN, выбор технологии и выбор диапазона рабочих частот должны учитывать преобладающие spectrum restrictionв странах по всему миру. Это гарантирует приемлемость технологии во всем мире.

  • Security - Присущая беспроводной среде широковещательная природа добавляет к требованию включения функций безопасности в конструкцию технологии WLAN.

  • Safety requirements - Конструкция технологии WLAN должна соответствовать требованиям безопасности, которые можно разделить на следующие.

    • Помехи медицинским и другим приборам.
    • Повышенный уровень мощности передатчиков, который может нанести вред здоровью.

    Хорошо спроектированная WLAN должна соответствовать ограничениям на излучение мощности, применимым в данном частотном спектре.

  • Quality of service requirements - Качество обслуживания (QoS) относится к обеспечению назначенных уровней производительности для мультимедийного трафика. При проектировании WLAN следует учитывать возможностьsupporting a wide variety трафика, в том числе мультимедийного.

  • Compatibility with other technologies and applications - Функциональная совместимость между различными LANS важна для эффективной связи между хостами, работающими с различными технологиями LAN.

Сетевая архитектура

Сетевая архитектура описывает типы WLAN, компоненты типичной WLAN и услуги, предлагаемые WLAN.

Инфраструктурные и специальные локальные сети

Сети WLAN можно в целом разделить на два типа, а именно: Infrastructure networks и Ad hoc LANs, основанный на базовой архитектуре.

Инфраструктурные сети

Инфраструктурные сети содержат специальные узлы, называемые Access Points (APs), которые подключены через существующие сети.

  • Точки доступа являются особенными в том смысле, что они могут взаимодействовать с беспроводными узлами, а также с существующей проводной сетью.
  • Другие беспроводные узлы, также известные как мобильные станции (STA), обмениваются данными через точки доступа.
  • Точки доступа также действуют как мосты с другими сетями.

Ad hoc LAN

Для специальных локальных сетей не требуется фиксированная инфраструктура. Эти сети можно настроить "на лету" в любом месте. Узлы напрямую взаимодействуют друг с другом для пересылки сообщений через другие узлы, к которым есть прямой доступ.

Беспроводная технология Bluetooth - это технология связи малого радиуса действия, предназначенная для замены кабелей, соединяющих портативное устройство, и обеспечения высокого уровня безопасности. Технология Bluetooth основана наAd-hoc technology также известный как Ad-hoc Pico nets, которая представляет собой локальную сеть с очень ограниченным покрытием.

История Bluetooth

Технология WLAN обеспечивает подключение устройств к услугам на основе инфраструктуры через поставщика услуг беспроводной связи. Потребность в беспроводном взаимодействии личных устройств друг с другом без установленной инфраструктуры привела к появлениюPersonal Area Networks (PANs).

  • Проект Bluetooth от Эрикссон в 1994 году определяет стандарт для сетей PAN, обеспечивающий связь между мобильными телефонами с использованием маломощных и недорогих радиоинтерфейсов.

  • В мае 1988 года такие компании, как IBM, Intel, Nokia и Toshiba, присоединились к Ericsson, чтобы сформировать группу особых интересов Bluetooth (SIG), целью которой была разработка фактического стандарта для сетей PAN.

  • IEEE одобрил основанный на Bluetooth стандарт под названием IEEE 802.15.1 для беспроводных персональных сетей (WPAN). Стандарт IEEE охватывает приложения MAC и физического уровня.

BluetoothСпецификация подробно описывает весь стек протоколов. Bluetooth использует радиочастоту (RF) для связи. Он используетfrequency modulation генерировать радиоволны в ISM группа.

Использование Bluetooth благодаря его особенностям значительно расширилось.

  • Bluetooth предлагает единую структуру для подключения и обмена данными между широким спектром устройств.

  • Технология Bluetooth получила глобальное признание, так что любое устройство с поддержкой Bluetooth почти во всем мире может быть подключено к устройствам с поддержкой Bluetooth.

  • Низкое энергопотребление технологии Bluetooth и дальность действия до десяти метров проложили путь для нескольких моделей использования.

  • Bluetooth предлагает интерактивную конференцию путем создания специальной сети портативных компьютеров.

  • Модель использования Bluetooth включает беспроводной компьютер, домофон, беспроводной телефон и мобильные телефоны.

Пикосети и Scatternets

Электронные устройства с поддержкой Bluetooth подключаются и обмениваются данными по беспроводной сети через устройства ближнего действия, известные как Piconets. Устройства Bluetooth существуют в небольших специальных конфигурациях с возможностью действовать либо как ведущее, либо как ведомое устройство, спецификация позволяет механизм дляmaster и slaveпоменять свои роли. Конфигурация точка-точка с одним мастером и одним подчиненным - это самая простая конфигурация.

Когда более двух устройств Bluetooth связываются друг с другом, это называется PICONET. Пикосеть может содержать до семи ведомых устройств, сгруппированных вокруг одного ведущего устройства. Устройство, которое инициализирует создание пикосети, становитсяmaster.

Мастер отвечает за управление передачей, разделяя сеть на серию временных интервалов между участниками сети, как часть time division multiplexing схема, которая показана ниже.

Особенности пикосетей заключаются в следующем -

  • В пикосети синхронизация различных устройств и последовательность скачкообразной перестройки частоты отдельных устройств определяется часами и уникальным 48-bit address мастера.

  • Каждое устройство может обмениваться данными одновременно с семью другими устройствами в одной пикосети.

  • Каждое устройство может одновременно связываться с несколькими пикосетями.

  • Пикосети устанавливаются динамически и автоматически, когда устройства с поддержкой Bluetooth входят в пикосети и выходят из них.

  • Между ведомыми устройствами нет прямого соединения, и все соединения по сути являются ведущими или ведомыми.

  • Подчиненным устройствам разрешается передавать, как только они были опрошены мастером.

  • Передача начинается во временном интервале от ведомого к ведущему сразу после пакета опроса от ведущего.

  • Устройство может быть членом двух или более пикосетей, перескакивая с одной пикосети на другую, регулируя синхронизацию режима передачи и последовательность скачкообразной перестройки частоты, диктуемую ведущим устройством второй пикосети.

  • Он может быть подчиненным в одной пикосети и главным в другой. Однако он не может быть мастером более одного раза в пикосети.

  • Устройства, находящиеся в соседних пикосетях, обеспечивают мост для поддержки соединений внутри пикосетей, позволяя сборкам связанных пикосетей формировать физически расширяемую инфраструктуру связи, известную как Scatternet.

Спектр

Технология Bluetooth работает в нелицензируемом промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне от 2,4 до 2,485 ГГц, используя полнодуплексный сигнал со скачкообразной перестройкой спектра с номинальной скоростью 1600 скачков в секунду. Диапазон ISM 2,4 ГГц доступен и нелицензирован в большинстве стран.

Спектр

Рабочий диапазон Bluetooth зависит от устройства Радиомодули класса 3 имеют радиус действия до 1 метра или 3 фута Радиомодули класса 2 чаще всего используются в мобильных устройствах имеют радиус действия 10 метров или 30 футов Радиомодули класса 1 используются в основном в промышленных случаях иметь дальность действия 100 метров или 300 футов.

Скорость передачи данных

Bluetooth поддерживает скорость передачи данных 1 Мбит / с для версии 1.2 и скорость передачи данных 3 Мбит / с для версии 2.0 в сочетании со скоростью передачи ошибок.

Появление Интернета вызвало революционные изменения в использовании компьютеров и поиске информации. Интернет повлиял на традиционный способ обмена информацией, и теперь почти каждый город, каждый город и каждая улица имеют доступ к Интернету.

Дома, школы и предприятия сегодня подключаются к Интернету различными способами. Один из методов - услуга беспроводного Интернета - обеспечивает доступ в Интернет для клиентов без необходимости прокладки кабеля под землей, оптоволокна или других видов коммерческих сетевых кабелей. По сравнению с более устоявшимися проводными услугами, такими как DSL и кабельный Интернет, беспроводные технологии обеспечивают дополнительное удобство и мобильность в компьютерных сетях.

В следующих разделах описываются все популярные типы доступных беспроводных Интернет-услуг.

Спутниковый Интернет

Спутник, представленный в середине 1990-х годов, стал первым массовым потребительским беспроводным Интернет-сервисом. По сравнению с другими формами беспроводного Интернета, спутниковая связь имеет преимущество:availability. Требуется лишь небольшойdish antenna, satellite modem и план подписки, спутник работает почти во всех сельских районах, не обслуживаемых другими технологиями.

Однако спутник также предлагает относительно невысокую производительность беспроводного Интернета. Спутник страдает отhigh latency(задержка) соединения из-за сигналов на большие расстояния должны проходить между Землей и орбитальными станциями. Satellite также поддерживает относительно небольшую пропускную способность сети.

Публичные сети Wi-Fi

Некоторые муниципалитеты создали свои публичные услуги беспроводного Интернета, используя Wi-Fiтехнологии. Эти так называемыеmesh networksобъедините множество точек беспроводного доступа вместе, чтобы охватить большие городские районы. Отдельные точки доступа Wi-Fi также обеспечивают общедоступный беспроводной доступ в Интернет в некоторых местах.

Wi-Fi - это недорогой вариант по сравнению с другими формами беспроводного Интернета. Оборудование недорогое (многие новые компьютеры имеют встроенное необходимое оборудование), а точки доступа Wi-Fi остаются бесплатными в некоторых регионах.

Фиксированная беспроводная широкополосная связь

Фиксированная беспроводная связь - это тип широкополосного доступа, в котором используются установленные антенны, направленные на вышки радиопередачи.

Мобильного широкополосного доступа

Сотовые телефоны существуют уже несколько десятилетий, но только недавно сотовые сети превратились в основную форму услуг беспроводного Интернета. С установленным адаптером сотовой сети или привязав сотовый телефон к портативному компьютеру,Internet connectivityможет поддерживаться в любой зоне с покрытием вышки сотовой связи. Услуга мобильного широкополосного доступа не будет функционировать без подписки на Интернет-данные от какого-либо провайдера.

Классические проводные сети породили ряд прикладных протоколов, таких как TELNET, FTP и SMTP. Архитектура протокола беспроводных приложений (WAP) направлена ​​на преодоление разрыва на уровне приложений между пользователями беспроводной связи и предлагаемыми им услугами.

Беспроводной интернет

Беспроводной Интернет относится к расширению услуг, предлагаемых Интернетом мобильным пользователям, позволяя им access information и dataнезависимо от их местонахождения. Врожденные проблемы, связанные с беспроводным доменом, мобильностью узлов и конструкцией существующих протоколов, используемых в Интернете, требуют нескольких решений для превращения беспроводного Интернета в реальность.

Основные проблемы, которые необходимо учитывать для беспроводного Интернета, следующие:

  • Адресная мобильность
  • Неэффективность протоколов транспортного уровня и
  • Неэффективность протоколов прикладного уровня

Адресная мобильность

Протокол сетевого уровня, используемый в Интернете, - это Интернет-протокол (IP), который был разработан для проводных сетей с фиксированными узлами. IP использует иерархическую адресацию с глобально уникальным 32-битным адресом, который состоит из двух частей.Network identifier и Host identifier.

Сетевой идентификатор относится к subnet addressк которому подключен хост. Схема адресации использовалась для уменьшения размера таблицы маршрутизации в основных маршрутизаторах Интернета, которые используют только сетевую часть IP-адреса для принятия решений о маршрутизации.

Эта схема адресации может не работать напрямую в беспроводном расширении Интернета, поскольку мобильные хосты могут перемещаться из одного subnet другому, но пакеты, адресованные мобильному хосту, могут быть доставлены в старую подсеть, к которой этот узел был первоначально подключен.

Неэффективность протоколов транспортного уровня

Транспортный уровень очень важен в Интернете, он обеспечивает настройку и поддержку end-to-end connections, надежный end-to-end delivery пакетов данных, flow control и congestion control. TCP является преобладающим протоколом транспортного уровня для проводных сетей, хотяUDP, некоторые приложения используют ненадежный протокол транспортного уровня без установления соединения.

Беспроводной Интернет требует эффективной работы протоколов транспортного уровня, поскольку беспроводная среда по своей природе ненадежна из-за ее изменяющихся во времени и зависимых от среды характеристик. Традиционный TCP вызываетcongestion control algorithmчтобы справиться с перегрузкой в ​​сетях. Если пакет данных или пакет ACK потерян, TCP предполагает, чтоloss is due to congestion и уменьшает размер окна перегрузки вдвое.

При каждой последующей потере пакетов congestion window is reduced, и, следовательно, TCP снижает производительность в беспроводных каналах. Даже в ситуациях, когда потеря пакетов вызванаlink error или же collision, TCP вызывает алгоритм управления перегрузкой, приводящий к очень низкой пропускной способности.

Идентификация реальной причины, которая привела к потере пакета, важна для повышения производительности TCP по беспроводным каналам. Некоторые из решений проблем транспортного уровня включают в себя:

  • Косвенный TCP (ITCP)
  • Snoop TCP и
  • Мобильный TCP

Неэффективность протоколов уровня приложений

Традиционные протоколы прикладного уровня, используемые в Интернете, такие как HTTP, TELNET, простой протокол передачи почты (SMTP) и несколько языков разметки, например HTMLбыли разработаны и оптимизированы для проводных сетей. Многие из этих протоколов не очень эффективны при использовании с беспроводными линиями связи.

Основные проблемы, препятствующие использованию HTTP в беспроводном Интернете, - это его работа без сохранения состояния, высокие накладные расходы из-за кодировки символов, избыточная информация, переносимая в HTTP-запросах, и открытие new TCP connection с каждой транзакцией.

Возможности портативных устройств ограничены, что затрудняет обработку дорогостоящих протоколов приложений с точки зрения вычислений и пропускной способности. Протокол беспроводного приложения (WAP) и оптимизация по сравнению с традиционным HTTP - вот некоторые из решений проблем прикладного уровня.

WAP означает протокол беспроводных приложений. WAP представляет собой набор протоколов, а не один протокол. WAP направлен на интеграцию простого легкого браузера, также известного как микробраузер, в карманные устройства, что требует минимального количества ресурсов, таких какmemory и CPU на этих устройствах.

WAP пытается компенсировать недостатки беспроводных портативных устройств и беспроводной связи, встраивая больше интеллектуальных возможностей в сетевые узлы, такие как routers, web servers, и BSs.

Основные цели набора протоколов WAP следующие.

  • Независимость от стандартов беспроводной сети
  • Взаимодействие между поставщиками услуг
  • Преодоление недостатков беспроводной среды
  • Преодоление недостатков карманных устройств
  • Повышение эффективности и надежности
  • Обеспечение безопасности, масштабируемости и расширяемости

Модель WAP

WAP использует подход клиент-сервер. Он определяет прокси-сервер, который действует как интерфейс между беспроводным доменом и основной проводной сетью. Этот прокси-сервер, также известный какWAP gateway, отвечает за широкий спектр функций, таких как трансляция протоколов и оптимизация передачи данных по беспроводной среде.

Части беспроводной сети состоят из -

  • Поставщик контента (сервер приложения или исходный сервер)
  • Мобильное устройство (WAP-клиент)
  • WAP шлюз
  • WAP прокси

Архитектура WAP была разработана так, чтобы точно следовать за Интернетом. Единственное отличие - наличие WAP-шлюза для трансляции между HTTP и WAP.

WAP-клиент

В отношении клиента WAP следует упомянуть три раздела: пользовательский агент WAE, пользовательский агент WTA и стек WAP.

  • WAE user agent - Пользовательский агент среды беспроводных приложений - это браузер, который отображает контент для отображения.

  • WTA user agent - Агент приложения беспроводной телефонии получает скомпилированные файлы WTA с сервера WTA и выполняет их.

  • WAP stack - Стек WAP позволяет телефону подключаться к шлюзу WAP с помощью протоколов WAP.

Сервер приложений

Элементом в сети, где размещаются информационные (веб, WAP) приложения, являются WAP-прокси, WAP-шлюз или WAP-сервер.

  • Proxy- Это промежуточный элемент, действующий как клиент и как сервер в сети, он расположен между клиентом и сервером. Клиент отправляет ему запросы, а он извлекает и кэширует необходимую информацию, связываясь с исходным сервером.

  • Gateway - Это промежуточный элемент, обычно используемый для соединения двух разных типов сетей.

Шлюз WAP - это в основном программное обеспечение, которое размещается между сетью, которая поддерживает WAP and IP packet network например Интернет.

Стек протоколов WAP

Стек протокола WAP показан на следующем рисунке -

Уровень приложения

Уровень приложений предоставляет среду приложения, предназначенную для разработки и выполнения переносимых приложений и служб. WAE состоит из двух различных пользовательских агентов, расположенных на стороне клиента.

Пользовательский агент WAE состоит из браузера и редактора текстовых сообщений вместе с пользовательским агентом WTA.

Сессионный уровень

Сеансовый уровень предоставляет методы для организованного обмена контентом между клиентскими / сервисными приложениями.

WAP содержит следующие компоненты -

  • Connection Oriented Session Services - Они работают через WTP.

  • Connectionless Session Services - Они работают непосредственно через WDP.

  • Session services - Эти функции помогают установить соединение между клиентом и сервером с помощью примитивных сообщений.

Primitives messagesопределяются как сообщения, которые клиент отправляет на сервер, чтобы запросить средство обслуживания. Клиент отправляет примитивы запроса и принимает примитив подтверждения, а сервер может отправлять примитивы ответа и принимать примитивы индикации.

Служба сеанса без установления соединения предоставляет только неподтвержденную службу. Чтобы начать сеанс, клиент вызывает примитивы WSP, которые предоставляют некоторые параметры, такие как адрес сервера, адрес клиента и заголовки клиентов. В некоторых отношениях WSP - это, по сути, двоичная форма HTTP.

Уровень транзакции

Предоставляет разные методы выполнения транзакции с разной степенью надежности.

Уровень безопасности

Дополнительный уровень, который обеспечивает при аутентификации конфиденциальность и безопасное соединение между приложениями. Он основан наSSL (Secure Socket Layer). Он предоставляет услуги, обеспечивающие конфиденциальность, аутентификацию сервера, аутентификацию клиента и целостность данных.

Между веб-сервером и шлюзом WAP открывается стандартный сеанс SSL, а сеанс WTLS инициализируется между gateway и mobile device. Зашифрованный контент отправляется через это соединение с сервера на шлюз, который переводит его и отправляет на мобильный телефон. Сделка междуSSL и WTLS занимает место в памяти шлюза WAP.

Транспортный уровень

Это нижний уровень, связанный с услугой передачи, предлагаемой оператором. Услуги переноса - это связь между мобильным телефоном и базовыми станциями. Они включаютSMS, CSD, USSD, GSM, GPRS, DECT, CDMA, FDMA, и TDMA.

Физический уровень подготавливает данные к отправке с мобильного устройства по эфирным службам и отправляет данные, используя службу переноса, реализованную в сети, в которой работает устройство. WDPимеет интерфейс с различными сетями-носителями, поэтому он должен иметь реализацию, специфичную для канала-носителя. WDP - единственный уровень, который необходимо переписать для поддержки различных сетей передачи данных. Уровень WTP реализует простойrequest-response transaction ориентированный протокол вместо механизма соединения с трехсторонним рукопожатием.

Спутник - это объект, который вращается вокруг другого объекта. Например, Земля - ​​спутник Солнца, а Луна - спутник Земли.

А communication satellite это microwave repeater stationв пространстве, которое используется для передачи сигналов электросвязи, радио и телевидения. Спутник связи обрабатывает данные, поступающие с одной земной станции, преобразует данные в другую форму и отправляет их на вторую земную станцию.

Как работает спутник

Две станции на Земле хотят общаться посредством радиовещания, но находятся слишком далеко, чтобы использовать обычные средства связи. Две станции могут использовать релейную станцию ​​для связи. Одна земная станция передает сигнал на спутник.

Uplink frequency- частота, на которой наземная станция обменивается данными со спутником. Спутниковый транспондер преобразует сигнал и отправляет его на вторую земную станцию, и это называетсяDownlink frequency. Вторая земная станция также взаимодействует с первой таким же образом.

Преимущества спутника

Преимущества спутниковой связи следующие:

  • Зона покрытия намного выше, чем у наземных систем.
  • Стоимость передачи не зависит от зоны покрытия.
  • Возможна более высокая пропускная способность.

Недостатки спутника

К недостаткам спутниковой связи можно отнести следующие:

  • Вывод спутников на орбиты - дорогостоящий процесс.
  • Полоса пропускания постепенно исчерпывается.
  • Большая задержка распространения для спутниковых систем по сравнению с обычными наземными системами.

Основы спутниковой связи

Процесс спутниковой связи начинается в earth station. Здесь установка предназначена для передачи и приема сигналов со спутника на орбите вокруг Земли. Земные станции отправляют информацию на спутники в виде мощных высокочастотных (диапазон ГГц) сигналов.

Спутники receive и retransmit сигналы возвращаются на землю, где они принимаются другими земными станциями в зоне покрытия спутника. Satellite's footprint это область, которая принимает сигнал полезной мощности со спутника.

Система передачи от земной станции к спутнику через канал называется uplink. Система от спутника до земной станции через канал называетсяdownlink.

Спутниковые диапазоны частот

Спутниковые полосы частот, которые обычно используются для связи, являются Cband, Ku-band, и Ka-band. C-диапазон и Ku-диапазон - это обычно используемые сегодня спутники частотные спектры.

Важно отметить, что существует обратная зависимость между частотой и длиной волны, т.е. когда частота увеличивается, длина волны уменьшается, это помогает понять взаимосвязь между antenna diameter и transmission frequency. Антенны большего размера (спутниковые тарелки) необходимы для сбора сигнала с увеличивающейся длиной волны.

Орбиты Земли

Спутник, запускаемый в космос, должен быть помещен на определенную орбиту, чтобы обеспечить определенный путь для его вращения, чтобы поддерживать доступность и выполнять свои задачи, будь то научные, военные или коммерческие. Такие орбиты, которые назначаются спутникам относительно Земли, называютсяEarth Orbits. Спутники на этих орбитах являются спутниками на околоземной орбите.

Важными видами земных орбит являются:

  • Гео-синхронная околоземная орбита
  • Гео-стационарная околоземная орбита
  • Средняя околоземная орбита
  • Низкая околоземная орбита

Спутники с геосинхронной околоземной орбитой (GEO)

Спутник с геосинхронной околоземной орбитой находится на высоте 22 300 миль над Землей. Эта орбита синхронизирована сside real day(т.е. 23 часа 56 минут). Эта орбита можетhave inclination and eccentricity. Он не может быть круглым. Эта орбита может быть наклонена к полюсам Земли. Но при наблюдении с Земли он кажется неподвижным.

Та же геосинхронная орбита, если она circularа в плоскости экватора она называется геостационарной орбитой. Эти спутники размещены на расстоянии 35 900 км / с (так же, как и геосинхронные) над экватором Земли, и они продолжают вращаться относительно направления Земли (с запада на восток). Эти спутники считаютсяstationary относительно земли и, следовательно, название подразумевает.

Спутники с геостационарной околоземной орбитой используются для прогнозирования погоды, спутникового телевидения, спутникового радио и других видов глобальной связи.

На приведенном выше рисунке показана разница между геосинхронной и геостационарной орбитами. Ось вращения указывает на движение Земли.

Здесь важно отметить, что каждая геостационарная орбита является геосинхронной орбитой. Но каждая геосинхронная орбита НЕ является геостационарной орбитой.

Спутники на средней околоземной орбите (СОО)

Спутниковые сети на средней околоземной орбите (MEO) будут двигаться по орбите на расстоянии около 8000 миль от поверхности Земли. Сигналы, передаваемые со спутника MEO, проходят меньшее расстояние. Это приводит к повышению уровня сигнала на принимающей стороне. Это показывает, что на приемной стороне можно использовать более компактные и легкие приемные терминалы.

Поскольку сигнал распространяется на меньшее расстояние к спутнику и от него, задержка передачи меньше. Transmission delay можно определить как время, необходимое сигналу, чтобы добраться до спутника и вернуться на принимающую станцию.

Для связи в реальном времени чем меньше задержка передачи, тем лучше будет система связи. Например, если спутнику GEO требуется 0,25 секунды для полета туда и обратно, то спутнику MEO требуется менее 0,1 секунды, чтобы совершить такой же рейс. СОО работает в диапазоне частот 2 ГГц и выше.

Спутники на низкой околоземной орбите (НОО)

Спутники LEO в основном делятся на три категории, а именно: маленькие LEO, большие LEO и Mega-LEO. НОО будут двигаться по орбите на расстоянии от 500 до 1000 миль над поверхностью Земли.

Это относительно небольшое расстояние сокращает задержку передачи до 0,05 секунды. Это дополнительно снижает потребность в чувствительном и громоздком приемном оборудовании. Маленькие LEO будут работать в диапазоне 800 МГц (0,8 ГГц). Большие LEO будут работать в диапазоне 2 ГГц или выше, а Mega-LEOs будут работать в диапазоне 20-30 ГГц.

Более высокие частоты, связанные с Mega-LEOs переводит в большую пропускную способность информации и уступает возможности схемы передачи видео с малой задержкой в ​​реальном времени.

Высокогорные платформы с длительным сроком службы (HALE)

Экспериментальные платформы HALE - это в основном высокоэффективные и легкие самолеты с оборудованием связи. Это будет действовать какvery low earth orbit geosynchronous satellites.

Эти корабли будут питаться от батарей и солнечных батарей или от высокоэффективных турбинных двигателей. Платформы HALE предложатtransmission delays of less than 0.001 seconds на высоте всего 70000 футов и даже better signal strength для очень легких переносных приемных устройств.

Орбитальные слоты

Здесь может возникнуть вопрос, что при более чем 200 satellitesтам, на геостационарной орбите, как нам удержать их от столкновения друг с другом или от попыток использовать одно и то же место в космосе? Чтобы решить эту проблему, международные регулирующие органы, такие как Международный союз электросвязи (ITU) и национальных правительственных организаций, таких как Федеральная комиссия по связи (FCC) обозначают места на геостационарной орбите, где могут быть расположены спутники связи.

Эти местоположения указываются в градусах долготы и называются orbital slots. FCC и ITU постепенно уменьшили требуемый интервал до 2 градусов для спутников C-диапазона и Ku-диапазона из-за огромного спроса на орбитальные слоты.