ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γεροφώτης Αλέξανδρος (ΑΕΜ:4717) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ:Τραϊανός Β. Γιούλτσης Γεώργιος Κ. Καραγιαννίδης Οκτώβριος 2006

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή... 1 Εισαγωγή στα ασύρματα δίκτυα Γενικά Τα πρότυπα IEEE HIPERLAN/ MMAC HomeRF Bluetooth & IEEE IEEE (Μητροπολιτικά Ασύρματα Δίκτυα-WMAN) Κινητή Τηλεφωνία GSM, GPRS, EDGE UMTS/IMT Θεωρητική Ανάλυση Ασύρματων Δικτύων Αρχές Επεξεργασίας σήματος Αναλογικά - Ψηφιακά Συστήματα Διαμόρφωση Πολυπλεξία & Πολλαπλή Πρόσβαση/Προσπέλαση Κωδικοποίηση Αρχές Διάδοσης Διάδοση Κεραίες Μοντέλα Διάδοσης Εμπειρικά Μοντέλα Εξωτερικού Χώρου Εμπειρικά Μοντέλα Εσωτερικού Χώρου Πειραματική Εφαρμογή - Προσομοίωση Προσομοίωση Μετρήσεις - Αποτελέσματα Μοντέλο Motley-Keenan Μοντέλο Cost-231 One-Slope Μοντέλο Cost-231 Multi-Wall Μοντέλο Cheung-Sau-Murch Σύγκριση Εξοπλισμός - Εγκατάσταση Ακρωνύμια Βιβλιογραφία

3 Εισαγωγή Οι τηλεπικοινωνίες τα τελευταία χρόνια παρουσιάζουν μεγάλη πρόοδο. Δίκτυα υπολογιστών και τηλεπικοινωνιών αρχίζουν πλέον να συγκλίνουν ενώ εν τω μεταξύ αυξάνεται η ζήτηση σε κινητά συστήματα. Έτσι η εξάπλωση της κινητής τηλεφωνίας και του διαδικτύου επέφερε μια σημαντική ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων υπολογιστών, τα οποία αρχίζουν να αντικαθιστούν τα αντίστοιχα ενσύρματα. Πρότυπα σε Ευρώπη, Αμερική και Ιαπωνία έχουν ως σκοπό να κάνουν συμβατά όλα τα ασύρματα δίκτυα, προσπαθώντας ταυτόχρονα να προσφέρουν αρκετό εύρος ζώνης για τις απαιτητικές εφαρμογές πολυμέσων και συνδεσιμότητα με τα ενσύρματα δίκτυα. Η αύξηση όμως του εύρους ζώνης, που είναι δεδομένη στα ενσύρματα δίκτυα οπτικών ινών, προαπαιτεί αύξηση των χρησιμοποιούμενων συχνοτήτων λειτουργίας, κάτι που κάνει δυσκολότερη την διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ανάλογα με τον τύπο και τις απαιτήσεις των ασυρμάτων δικτύων, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι υπολογισμού της εμβέλειας τους και της απαιτούμενης ισχύος εκπομπής, για την υποστήριξη των τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση κάποιων εμπειρικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται στα ασύρματα δίκτυα και η πειραματική και προγραμματιστική εφαρμογή τους στη Βιομηχανική, Επιστημονική και Ιατρική ζώνη (ISM) στα 2.4 GHz, ιδιαίτερα δημοφιλή τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της απελευθέρωσης της. Αποτελείται από τρία τμήματα. Το πρώτο αποτελεί μια ιστορική αναδρομή και μια περιγραφή του χώρου των σημερινών τηλεπικοινωνιών. Στο δεύτερο τμήμα γίνεται αναφορά στις βασικές έννοιες των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και κάποιων διαδεδομένων εμπειρικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται. Στο τελευταίο κεφάλαιο παραθέτονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της πειραματικής εφαρμογής των μοντέλων καθώς και μια εφαρμογή που αναπτύχθηκε στο Matlab για τον σκοπό αυτό. 1

4 1 Εισαγωγή στα ασύρματα δίκτυα 2

5 1.1. Γενικά Η γενική ζήτηση στην αγορά στο χώρο των τηλεπικοινωνιών είναι βασικά η συνδεσιμότητα, η φορητότητα και η απόδοση. Τα ενσύρματα δίκτυα προσφέρουν συνδεσιμότητα και απόδοση αλλά όχι φορητότητα. Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι η λύση σε αυτές τις απαιτήσεις. Μαζί με την ανάπτυξη του Διαδικτύου υπήρξε μια τεράστια ανάπτυξη στο χώρο των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Οι ψηφιακές ασύρματες επικοινωνίες δεν είναι νέα ιδέα. Ήδη από το 1901 ο Ιταλός φυσικός Γουλιέλμος Μαρκόνι επέδειξε στο κοινό έναν ασύρματο τηλέγραφο ανάμεσα στα πλοία και την ξηρά, χρησιμοποιώντας κώδικα Morse (το δυαδικό σύστημα της τελείας και παύλας). Έτος Συχνότητα Σύστημα Υπηρεσία MHz Αναλογικό Πρώτη ζεύξη πλοίου-ξηράς (Marconi) 1921, MHz Αναλογικό Εφαρμογές σε αστυνομικές υπηρεσίες (Detroit, NY) MHz Αναλογικό FM Εμπορικά Συστήματα MHz Αναλογικό FM Υπηρεσίες σε αστικά κέντρα (Wisconsin,Missouri) MHz Αναλογικό FM Υπηρεσίες σε αστικά κέντρα MHz Αναλογικό/duplex Υπηρεσίες σε αστικά κέντρα 1970 Ψηφιακό Σύστημα ALOHA (Hawaii) MHz Αναλογικό/duplex Πρώτα εμπορικά κυψελωτά συστήματα MHz Ψηφιακό/duplex Εφαρμογή του GSM στην Ευρώπη GHz Ψηφιακό/duplex Συστήματα 3 ης Γενιάς/Τυποποίηση >1994 > 2.4 GHz Ψηφιακό Ενοποίηση Ασυρμάτων Δικτύων, Ασύρματα LANs Σε μια πρώτη προσέγγιση, τα ασύρματα δίκτυα μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες: 1.Διασύνδεση συστήματος 2.Ασύρματα LANs 3.Ασύρματα WANs Η διασύνδεση συστήματος αναφέρεται στη διασύνδεση των εξαρτημάτων ενός υπολογιστή με τη χρήση ραδιοκυμάτων μικρής εμβέλειας. Το Bluetooth επιτρέπει τη διασύνδεση πληκτρολογίου, ποντικιού, εκτυπωτή, ακουστικών, ψηφιακών καμερών κ.ά. με τον κεντρικό υπολογιστή χωρίς καλώδια, απλώς και μόνο με την τοποθέτησή τους εντός της εμβέλειας του δικτύου. Το πρότυπο που καθορίζει τη λειτουργία των wireless PANs (Wireless Personal Area Networks) είναι το IEEE Στην απλούστερη μορφή τους, τα δίκτυα διασύνδεσης συστήματος χρησιμοποιούν το μοντέλο κυρίου υπηρέτη (master - slave), όπου ως master συνήθως ορίζεται η κεντρική μονάδα. Τα WPANs προσφέρουν ασύρματη δικτύωση δεδομένων για μικρές αποστάσεις (~10 μέτρα) σε ρυθμούς περίπου 1 Mbps. Το επόμενο βήμα προς τα πάνω στην ασύρματη δικτύωση είναι τα ασύρματα LANs. Αυτά είναι τα συστήματα στα οποία ο κάθε χρήστης έχει ένα ασύρματο modem και μια κεραία, μέσω των οποίων μπορεί να 3

6 επικοινωνεί με άλλα συστήματα. Τα ασύρματα LANs γίνονται όλο και πιο δημοφιλή εξαιτίας των πλεονεκτημάτων τους, δηλαδή τη φορητότητα, μειωμένη πολυπλοκότητα, ευελιξία και ευκολία εγκατάστασης, χρήση περιορισμένου χρόνου, ταχύτητα ανάπτυξης ασύρματου δικτύου, κατάλληλα για περιβάλλοντα όπου είναι δύσκολη η τοποθέτηση καλωδίων ή σε έκτακτη ανάγκη, εύκολη αλλαγή τοπολογίας ανάλογα με τις ανάγκες. Το πρότυπο που καθορίζει τη λειτουργία των ασύρματων LANs είναι το IEEE Γενικά πολλές οικιακές συσκευές ή συσκευές γραφείου, εκτός από τους υπολογιστές, έχουν τη δυνατότητα ασύρματης δικτύωσης, είτε μέσω WLAN είτε μέσω WPAN:τηλεοράσεις, DVD, βίντεο, βιντεοκάμερα, φωτογραφική μηχανή, στερεοφωνικό, τηλέφωνο, ενδοσυνεννόηση, τηλεομοιοτυπία (fax), φούρνος, ψυγείο, κλιματισμός, συναγερμός, κ.ά. Ο σημαντικότερος λόγος αυτής της ανάπτυξης των WLANs ήταν τα ασύρματα δίκτυα ευρείας ζώνης (wireless WANs), οι τεχνολογίες των οποίων βασίζονται στα πρότυπα κυψελωτής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G/2.5G) όπως τα GSM ή IS-95. Αυτές οι τεχνολογίες προσφέρουν βασικά υπηρεσίες φωνής και κάποιες υπηρεσίες δεδομένων σε χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων. Η 1η γενιά ήταν αναλογική και κάλυπτε μόνο φωνή. Η 2η γενιά ήταν ψηφιακή και κάλυπτε μόνο φωνή. Η 3η γενιά είναι ψηφιακή και καλύπτει φωνή και δεδομένα. Τα συστήματα 3ης γενιάς (3G) προσφέρουν υψηλότερους ρυθμούς με μέγιστη απόδοση 2 Mbps σε αποστάσεις χιλιομέτρων. Το GSM εξελίσσεται μέσω του GPRS (General Packet Radio Service), HSCSD και του EDGE (Enhanced Data rate for Global Evolution) σε παγκόσμια ενοποιημένα συστήματα UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Τα ασύρματα LANs λειτουργούν σε ταχύτητες μέχρι 50 Mbps περίπου, αλλά για αποστάσεις της τάξης των μέτρων. Είναι βασικά μια 4

7 επέκταση των LANs προσφέροντας υπηρεσίες δεδομένων υψηλής ταχύτητας (μέγιστο 54 Mbps). Επιπλέον, συστήματα WLAN όπως HIPERLAN/2, IEEE , ψηφιακή μετάδοση ήχου (Digital Audio Broadcast - DAB) και βίντεο (Digital Video Broadcast - DVD-T) γίνονται διαθέσιμα. Για μικρής εμβέλειας συνδεσιμότητα χρησιμοποιούνται συστήματα όπως το Bluetooth και το DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone) ενώ για σταθερή πρόσβαση συστήματα τύπου ψηφιακής συνδρομητικής γραμμής (xdsl) και πιο συγκεκριμένα ασύμμετρου DSL (ADSL) αυξάνουν σημαντικά το ρυθμό δεδομένων του χρήστη στη συνδρομητική γραμμή. Όλες αυτές οι τεχνολογίες μπορεί να είναι και μέρος συστημάτων πέρα από την τρίτη γενιά με τη λογική της σύγκλισης των τηλεπικοινωνιών, ενώ η διασύνδεση ως τώρα πετυχαίνεται μέσω ειδικών πυλών (gateways). Τα συστήματα WLAN είναι εφαρμόσιμα σε εταιρικά δίκτυα αλλά και ασύρματη πρόσβαση ως συμπλήρωμα στα κυψελωτά κινητά συστήματα (όπως GSM, UMTS), ενώ το φυσικό επίπεδο των συστημάτων HIPERLAN/2 BRAN του ETSI, IEEE a και MMAC της Ιαπωνίας εναρμονίζεται, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει παγκόσμια περιαγωγή. Τα WLANs με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και με IP δίκτυο ραχοκοκαλιά, επεκτείνουν το IP δίκτυο σε ασύρματο, φέρνοντας έτσι το ασύρματο IP το οποίο είναι μια βιώσιμη και πρακτική λύση της επόμενης γενιάς. Μια κάρτα WLAN b/g εμπορίου Με την αυξανόμενη ζήτηση πολυμέσων και τηλεπικοινωνιών η ανάγκη των WLANs για υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων είναι τεράστια. Το επόμενο βήμα είναι η ενοποίηση των υπηρεσιών φωνής-ήχου, δεδομένων και βίντεο. Κάποια συστήματα θα μπορούν για διαφορετικούς χρήστες να καλύψουν διαφορετικές ανάγκες. Θα μπορούν να προσφέρουν ρυθμούς μετάδοσης από 2 εώς 155 Mbps, τα τερματικά μπορεί να είναι κινητά (κινούμενα κατά την επικοινωνία) ή φορητά (ακίνητα κατά την επικοινωνία), το εύρος ζώνης μπορεί να είναι ορισμένο ή να διατίθεται δυναμικά ανάλογα με τις ανάγκες του χρήστη, η επικοινωνία μπορεί να 5

8 είναι άμεση μεταξύ των τερματικών ή μέσω ενός σταθμού βάσης, πιθανή χρήση τεχνολογίας ΑΤΜ, κτλ. Σε οποιαδήποτε περίπτωση φαίνεται να προκύπτουν δύο περιπτώσεις: τα WLANs μέσω της επικοινωνίας των υπολογιστών (π.χ. με IEEE ή με HIPERLAN) με κινητό ευρυζωνικό σύστημα, ως κυψελωτό σύστημα, θα προσφέρει πλήρη φορητότητα σε χρήστες B-ISDN. Το GSM (Group Special Mobile) είναι ένα καλό παράδειγμα συστήματος που πρόκειται να ενσωματώσει επιπλέον υπηρεσίες και δυνατότητες από αυτές που προσφέρονταν αρχικά. Η βάση της τεχνολογίας για τα WLANs αναπτύχθηκε στο δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο ως μέσο ασφάλειας των επικοινωνιών. Ακόμα και το ALOHA, η βάση του Ethernet και το πρώτο LAN, ήταν ασύρματο. Το σοβαρότερο ίσως πρόβλημα των ασύρματων επικοινωνιών ήταν ανέκαθεν το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Ένα μεγάλο κομμάτι του ραδιοφάσματος όντας δεσμευμένο για στρατιωτικούς σκοπούς, ραδιοφωνία (AM, FM), τηλεόραση ναυτιλία, δορυφορικά συστήματα και τηλεφωνικές ζεύξεις/καλύψεις, δεν απομένει μεγάλο περιθώριο για τη λειτουργία πραγματοποιήσιμων ασυρμάτων δικτύων τοπικής περιοχής. Με την παγκόσμια απελευθέρωση της ISM μπάντας (Βιομηχανική, Επιστημονική και Ιατρική ζώνη) στα 2.4 GHz, δηλαδή τη διαθεσιμότητα φάσματος, εμφανίστηκαν στην αγορά τα πρώτα προϊόντα για WLANs γύρω στο 1990, αν και λόγω της έλλειψης προτύπων άργησε η ευρεία χρήση τους. Σε αυτήν τη ζώνη δουλεύουνε επίσης τα τηλεχειριστήρια γκαράζ, τα ασύρματα ποντίκια, τα ασύρματα τηλέφωνα, κ.ά., τα οποία σύμφωνα με την FCC θα πρέπει να χρησιμοποιούν τεχνολογία διευρυμένου φάσματος για να μην προκαλούν παρεμβολές. Η Ένωση Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE-Institute of Electrical and Electronic Engineers) άρχισε τις προσπάθειες προτυποποίησης το 1990, οι οποίες κατέληξαν το 1997 στο πρότυπο IEEE Ωστόσο η ύπαρξη τριών τεχνολογιών σε αυτό το πρότυπο οδήγησε σε κάποια δυσαρέσκεια σε πωλητές και αγοραστές, οι οποίοι περίμεναν κάποια διασυνδεσιμότητα. Το επόμενης γενιάς πρότυπο b (αλλιώς ΗR ή high rate) το Σεπτέμβριο του 1999 έφερε ένα κύμα νέων κατασκευαστών όπως οι 3Com, Nokia, Ericsson, Buffalo Technology, Siemens, Cisco, Compaq. Η δύναμη πίσω από το Wi-Fi (Wireless Fidelity) είναι η Συμμαχία Συμβατότητας Ασύρματου Ethernet (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Σκοπός του οργανισμού αυτού είναι να εξασφαλίσει την διασυνδεσιμότητα των κατασκευαστών, κάνοντας έτσι το b συνώνυμο του Wi-Fi. 6

9 Ζώνες ISM Συχνότητα Μέγιστη Επιτρεπόμενη Ισχύς Εκπομπής Εφαρμογές -Ευρώπη (ETSI ) GHz 10mW/MHz (max 100) IEEE b/g, Bluetooth GHz 200 mw HIPERLAN/ GHz 1000mW IEEE a -ΗΠΑ, Καναδάς*, Λατινική Αμερική (FCC 15,247) GHz 1000mW GHz 2.5 mw/mhz (max 50) IEEE b/g, Bluetooth HIPERLAN/2, IEEE a, BWIF, IEEE GHz 12.5 mw/mhz (max 250) GHz 50 mw/mhz (max 1000) -Ιαπωνία (MPT 78,79) GHz 10mW/MHz (max 100) IEEE b/g, Bluetooth GHz 200 mw (εσωτερικό χώρο) *Στον Καναδά οι ζώνες των 5 GHz δεν είναι ακόμα διαθέσιμες. HIPERLAN/2, IEEE a Το διευρυμένο φάσμα (Spread Spectrum), το οποίο περιγράφει τεχνολογίες μεταφοράς φωνής και δεδομένων λειτουργώντας σε ένα εύρος συχνοτήτων, αποτελεί τον κυρίαρχο τρόπο λειτουργίας των εξοπλισμών σήμερα. Η τεχνολογία αυτή ουσιαστικά διευρύνει την ισχύ του σήματος σε μια μεγάλη ζώνη συχνοτήτων, κάτι που καθιστά τα σήματα δεδομένων πολύ λιγότερο επιρρεπή σε παρεμβολές και διαλείψεις από ότι οι συμβατικές μορφές διαμόρφωσης. Οι διαμορφωτές διευρυμένου φάσματος χρησιμοποιούν δύο μεθόδους για αυτό: frequency hopping (FHSS) ή direct sequence (DSSS). Άλλες τεχνολογίες όπως υπέρυθρες και UHF (στενής ζώνης) έχουν χρησιμοποιηθεί για χρόνια σε WLANs και καινούρια συστήματα τα οποία βασίζονται στην ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (OFDM) στην ζώνη των 5 GHz αναπτύσσονται για να επιτρέψουν υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Υψηλοί ρυθμοί δεδομένων όπως τα 54 Mbps απαιτούν υψηλό εύρος ζώνης και επομένως οι συχνότητες φορέα πρέπει να πάνε πολύ πάνω από τη ζώνη των UHF: Το HIPERLAN έχει ορισμένες τις ζώνες στα 5 και στα 17 GHz. Το MBS θα καταλάβει τις ζώνες στα 40 και στα 60 GHz. Ήδη η Ευρωπαϊκή Επιτροπή χρηματοδότησε μερικώς ορισμένα ερευνητικά προγράμματα για ευρυζωνικά συστήματα μετάδοσης στις συχνότητες GHz (AWACS Project), GHz (SAMBA Project) και 60 GHz (MEDIAN Project). Η πλειοψηφία των συσκευών WLANs είναι ικανές να εκπέμψουν μέχρι τα 300 m σε ανοιχτό περιβάλλον. Τα WLANs αποτελούνται από κάρτες διεπαφής δικτύου (Network Interface Cards), συχνά γνωστές ως σταθμοί (STAs) και ασύρματες γέφυρες τα σημεία πρόσβασης (Access Points). Οι σταθμοί και τα σημεία πρόσβασης διασυνδέουν το ασύρματο με το 7

10 ενσύρματο δίκτυο. Τα τεχνικά θέματα των συστημάτων WLAN είναι το μέγεθος, η κατανάλωση ισχύος, ο ρυθμός δεδομένων, η συνολική ρυθμαπόδοση, η κάλυψη και η αντοχή στις παρεμβολές. Ιστορία των WLANs 1940 Η Τεχνολογία Διευρυμένου Φάσματος (Spread Spectrum) χρησιμοποιείται για πρώτη φορά Περιορισμένες εφαρμογές χρησιμοποιώντας τεχνολογία στενής ζώνης 1989 Η FCC αναθέτει για εμπορική χρήση τις ISM μπάντες συχνοτήτων (900 MHz, 2.4 MHz, 5 GHz) Προϊόντα των 900 MHz βγαίνουν στην αγορά. Η IEEE αρχίζει να δουλεύει σε ένα πρότυπο WLAN Προϊόντα των 2.4 GHz βγαίνουν στην αγορά Το πρότυπο IEEE εγκρίνεται Επικύρωση των a και b. Οι Lucent, 3Com, Cisco, Intersil, Nokia, Symbol δημιουργούν τη WECA. Προϊόντα b βγαίνουν στην αγορά Η WECA ορίζει το Wi-Fi ως κοινό όνομα του b. Το Ευρυζωνικό Frequency Hopping WBFH (NPRM) εγκρίνεται από την FCC. Η ομάδα εργασίας του βελτιώνει και ενισχύει το b. Η ομάδα εργασίας e δουλεύει σε θέματα ασφαλείας για τα Wi-Fi προϊόντα. Η ομάδα εργασίας f εξετάζει ενδο-αρ πρωτόκολλο για τα Wi-Fi προϊόντα. Η ομάδα εργασίας e εξετάζει επεκτάσεις υψηλότερης ταχύτητας στο b. Η συμμετοχή στη WECA ξεπερνά τις 60 εταιρείες, με πάνω από 50 Wi-Fi πιστοποιημένα προϊόντα >2000 H ομάδα ΙΕΕΕ εργασίας απελευθερώνει το πρότυπο g που πετυχαίνει ταχύτητες εώς 54 Mbps στη ζώνη των 2.4 GHz. 8

11 To HIPERLAN τύπου 2 (Τοπικό ΡαδιοΔίκτυο Υψηλής Απόδοσης-High Performance Radio LAN) ορίζεται από τον ETSI BRAN για τη ζώνη των 5 GHz και 17 GHz Τα πρότυπα Το μοντέλο Διασύνδεσης Ανοιχτών Συστημάτων (Open Systems Interconnection/OSI) αναπτύχθηκε ως γενικό πρότυπο διεθνούς τυποποίησης των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στα διάφορα επίπεδα των δικτύων από το Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (International Standards Organization/ISO). Για αυτόν το λόγο ονομάζεται μοντέλο αναφοράς ISO OSI και έχει ως σκοπό την πλήρη διασύνδεση και συμβατότητα μεταξύ των δικτύων ανεξάρτητα από κατασκευαστή, όσο αυτό είναι δυνατόν. Έχει επτά επίπεδα, το καθένα από τα οποία εκτελεί μια σαφώς καθορισμένη λειτουργία και μπορεί να συνεργάζεται με το αμέσως παραπάνω ή αμέσως παρακάτω επίπεδο. Για το κάθε επίπεδο ορίζονται από διάφορους οργανισμούς και για διάφορες περιπτώσεις ξεχωριστά διεθνή πρότυπα. Το μοντέλο φαίνεται σχηματικά παρακάτω: 9

12 Το επίπεδο που διαπραγματεύεται αυτή η εργασία είναι κυρίως το φυσικό αλλά θα παρουσιαστούν και πληροφορίες για το επίπεδο συνδέσμου. 10

13 IEEE Το πρότυπο IEEE για τα ασύρματα LANs αφορά τα δύο κατώτερα επίπεδα OSI. Tα δίκτυα μπορεί να είναι ισότιμα (ad hoc/peer-to-peer) ή με access point (infrastructure). Το αρχικό πρότυπο υποστήριζε τριών ειδών φυσικού επιπέδου: Υπέρυθρες(InfraRed), διευρυμένο φάσμα με άλματα συχνότητας (Frequency Hopping Spread Spectrum) και διευρυμένο φάσμα άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum). Ενώ η επέκταση b υποστηρίζει HR-DSSS (High Rate) στη ζώνη των 2.4 GHz με ρυθμούς δεδομένων εώς 11 Mbps, η επέκταση a είναι ένα πρότυπο που χρησιμοποιεί υψηλού ρυθμού δεδομένων OFDM διαμόρφωση και πετυχαίνει ρυθμούς ως και 54 Mbps στη ζώνη των 5GHz. Από την άλλη, το b έχει εμβέλεια 7 φορές μεγαλύτερη από το a. Το FHSS έχει μια τεχνική διαμόρφωσης Gaussian FSK με χαμηλό δείκτη διαμόρφωσης (Gaussian frequency shaping, BT, bandwidth symbol-time, product=0.5, δείκτης διαμόρφωσης h=0.34 στο 1MBps, 0.15 στα 2 Mbps), που δίνει ένα σχετικά στενό φάσμα εξόδου (1 MHz) ανά άλμα και επιτρέπει τους ρυθμούς μετάδοσης των 1 & 2 Mbps. Παρόλα αυτά, αυτές οι συνθήκες επιφέρουν μεγαλύτερη ευαισθησία σε θόρυβο. Το τελευταίο πρότυπο IEEE g χρησιμοποιεί επίσης OFDM αλλά στη ζώνη των 2.4 GHz και πετυχαίνει θεωρητικές ταχύτητες των 54 Mbps. Τα υπέρυθρα WLANs προσφέρουν μια εναλλακτική στα WLANs που βασίζονται στα ραδιοκύματα, λετουργώντας στο μήκος κύματος των 820 nm. Ως τώρα υπέρυθρες χρησιμοποιούνται κυρίως στα τηλεχειριστήρια τηλεοράσεων, βίντεο και στερεοφωνικών. Σε σχέση με τα ραδιοκύματα οι υπέρυθρες προσφέρουν υψηλότερη ασφάλεια και απόδοση, αφού δεν μεταδίδονται 11

14 μέσα από τοίχους, ενώ παράλληλα δεν επηρεάζονται από παρεμβολές ή κοινές πηγές θορύβου. Όσο αφορά την απόδοση, οι υπέρυθρες έχουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης, καθιστώντας δυνατή την λειτουργία σε υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων. Αν και έχουν αυτά τα πλεονεκτήματα, δεν είναι κατάλληλες για κινητές εφαρμογές, εξαιτίας του περιορισμού της ορατότητας. Υπάρχουν δύο είδη υπέρυθρων LANs, διάχυτα (diffused) και σημείο-προς-σημείο (point-to-point). Παράμετροι WLAN-OFDM Ρυθμός Δεδομένων 6,9,12,18,24,36,48,54 Mbps Διαμόρφωση BPSK,QPSK,16-QAM,64-QAM Ρυθμός Κωδικοποίησης 1/2, 2/3, 3/4 Αριθμός Υποφορέων 52 Αριθμός Συχνοτήτων Πιλότων 4 Διάρκεια Συμβόλου OFDM 4μs Χρόνος Ασφαλείας (Guard Time) 800 nsec Απόσταση Υποφορέων 312,5 khz Εύρος Ζώνης 3 db 16,56 MHz Απόσταση Καναλιών 20 MHz Όλα τα φυσικά επίπεδα στο πρότυπο έχουν το ίδιο επίπεδο MAC που συνίσταται σε CSMA/CA. Αυτή η πρόσβαση ορίζει ένα κατώφλι ανώτερης και κατώτερης ισχύος αλλά και συμπεριφοράς σήματος, ώστε να αγνοεί σήματα που δεν είναι επιθυμητά (παρεμβολές από Bluetooth / φούρνους μικροκυμάτων), αλλά και να μπορεί να επιτελέσει handover μεταξύ διαφορετικών APs κατά την περιαγωγή. Μια ακόμη δυνατότητα των WLANs για αποφυγή παρεμβολών είναι η αυτόματη μεταφορά σε διαφορετικό κανάλι από αυτό όπου παρατηρείται η παρεμβολή. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί διαφορική λήψη στα WLANs για καλύτερη απόδοση. Η ασφάλεια των ασύρματων δικτύων είναι φυσικά ένα μεγάλο πρόβλημα αφού δεν υφίστανται υλικά όρια ή γαλβανικές συνδέσεις. Η επιτροπή προτύπων της ΙΕΕΕ είναι αρμόδια για την ανάπτυξη μηχανισμών ασφαλείας για όλα τα LANs της σειράς 802. Ορισμένα χαρακτηριστικά του προτύπου είναι τα ακόλουθα: - Υπηρεσία υποστήριξης ασύγχρονης και χρονικά ορισμένης παράδοσης - Συνέχιση υπηρεσιών σε εκτεταμένες περιοχές μέσω ενός συστήματος διανομής όπως το Ethernet - Ρυθμός μετάδοσης ως και 54 Mbps - Υποστήριξη των περισσότερων εφαρμογών της αγοράς - Υπηρεσίες πολλαπλής εκπομπής - Υπηρεσίες διαχείρισης δικτύου - Υπηρεσίες εγγραφής και πιστοποίησης 12

15 - Χρήση σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους Το πρότυπο υποστηρίζει δύο ειδών τοπολογίες: Δίκτυα Independent Basic Service Set (IBSS) Δίκτυα Extended Service Set (ESS) Αυτά τα δίκτυα χρησιμοποιούν μια βασική μονάδα δόμησης, που το πρότυπο αναφέρει ως Basic Service Set, μέσα στο οποίο οι σταθμοί μπορούν να κινούνται ελεύθερα και να μένουν πλήρως συνδεδεμένοι με το δίκτυο. Το BSS μπορεί να οριστεί ως μια ομάδα σταθμών που βρίσκονται σε ορισμένη γεωγραφική περιοχή και μπορούν να επικοινωνήσουν άμεσα μεταξύ τους. Όταν οι σταθμοί επικοινωνούν χωρίς τη βοήθεια κάποιας υποδομής, τότε το δίκτυο που προκύπτει είναι ένα IBSS/ad hoc δίκτυο. Σε αυτό το δίκτυο οποιοσδήποτε σταθμός μπορεί να συνδεθεί, χωρίς να χρειάζεται η μεταφορά της κίνησης σε ένα συγκεντρωτικό σημείο πρόσβασης/σταθμό βάσης. Τα δίκτυα υποδομής (infrastructure) μπορούν να προσφέρουν στους ασύρματους χρήστες συγκεκριμένες κοινές υπηρεσίες, καθώς και επέκταση εμβέλειας με τη χρήση σημείων πρόσβασης (Access Points). Σύμφωνα με το πρότυπο το σύστημα διανομής είναι ένα στοιχείο που διασυνδέει τα BSSs μέσα στο ESS μέσω AP. Επιπλέον, ένα τέτοιο δίκτυο μπορεί να προσφέρει πρόσβαση στο Διαδίκτυο μέσω μιας πύλης (portal) που διασυνδέει και ενοποιεί το δίκτυο με άλλα διαφορετικά. Το πρότυπο επιτρέπει επίσης περιαγωγή μεταξύ σημείων πρόσβασης στο ίδιο ή σε διαφορετικά κανάλια. 13

16 Το βασικό πλεονέκτημα των ισότιμων δικτύων (ad hoc/peer-to-peer) έναντι των δικτύων υποδομής (infrastructure) είναι η ευκολία εγκατάστασής τους άμεσα και οπουδήποτε, ενώ το μειονέκτημά τους είναι η εμβέλεια. To b καθορίζει ότι ένας δέκτης πρέπει να είναι ικανός να λαμβάνει με ρυθμό σφάλματος frame (Frame Error Rate) μικρότερο από 8*10-2, χρησιμοποιώντας frames των 1024 bytes ή ρυθμό σφάλματος bit BER=10-5. Η απαιτούμενη ευαισθησία για το παραπάνω BER είναι -93 dbm όταν λειτουργεί στο 1 Mbps, -90 dbm στα 2 Mbps, -87 dbm στα 5.5 Mbps και -84 dbm στα 11 Mbps. Η συγκαναλική παρεμβολή είναι μια παράμετρος κλειδί που καθορίζει την πιθανότητα επαναχρησιμοποίησης μιας συχνότητας, όταν χτίζεται ένα κυψελωτό σύστημα. Αυτό καθορίζει πόσο μακριά πρέπει να είναι κυψέλες που χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι, έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρήση όλου του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε κάθε κυψέλη. Το πρότυπο δεν καθορίζει κάποια απαίτηση για το λόγο συγκαναλικό σήμα προς παρεμβολές (CSIR). Ένα καλό σύστημα θα έπρεπε να σχεδιαστεί με 14

17 τέτοιον τρόπο, ώστε ο λόγος αυτός να είναι τουλάχιστον 7dB. Επιπλέον, σύμφωνα με το πρότυπο, πρέπει ένα σύστημα να λειτουργεί επιτυχώς ακόμη και αν η ισχύς γειτονικού καναλιού είναι 35 db μεγαλύτερη. Ο έλεγχος ισχύος είναι υποχρεωτικός για συστήματα ικανά να εκπέμψουν πάνω από 100 mw. Σε αυτή την περίπτωση πρέπει να παρέχονται το πολύ 4 επίπεδα ισχύος, ένα από τα οποία να πέφτει κάτω από το όριο των 100 mw. Επιπλέον, η εμβέλεια μπορεί να αυξηθεί με τη μείωση όμως του ρυθμού δεδομένων. Οι χαμηλότεροι ρυθμοί δεδομένων είναι πιο ανθεκτικοί σε υψηλές απώλειες διαδρομής, υψηλό θόρυβο και υψηλή επίδραση διαλείψεων. Η αλλαγή μεταξύ των λειτουργιών 1:11 Μbps βασίζεται στη χρήση μιας συνάρτησης του χρόνου και την εξέταση των χαμένων πακέτων βεβαίωσης λήψης (ACKnowledge). Όταν ένα πακέτο ACK δεν λαμβάνεται ύστερα από επιτυχείς μεταδόσεις, τότε ξαναγίνεται προσπάθεια στον ίδιο ρυθμό δεδομένων (11 Mbps). Εάν και πάλι δεν φτάσει επιβεβαίωση, τότε η επόμενη προσπάθεια γίνεται στον αμέσως επόμενο ρυθμό δεδομένων (5,5 Mbps). Με αυτόν τον τρόπο προσπαθεί να βρει το σύστημα τον κατάλληλο ρυθμό δεδομένων λειτουργίας. Όταν τα λαμβανόμενα ACKs ξεπεράσουν σε αριθμό τα ACKs που δεν ελήφθησαν, τότε επιχειρείται αύξηση του ρυθμού δεδομένων. Παράμετροι b a g Συχνότητα 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz Εμβέλεια (με πανκατευθυντικές κεραίες) Πρόσβαση Καναλιού Ως 60 m (11 Mbps) Ως 100 m (2 Mbps) Ως 30 m (24 Mbps) Ως 60 m (6 Mbps) Ως 100 m CSMA/CA CSMA/CA CSMA/CA -6,9 Mbps (OFDM BPSK) -6,9 Mbps (OFDM BPSK) Ρυθμός Δεδομένων -1,2 Mbps (BPSK/QPSK) -5,5/11 Mbps (CCK) -12/18 Mbps (OFDM QPSK) -24/36 Mbps (OFDM 16-QAM) -12/18 Mbps (OFDM QPSK) -24/36 Mbps (OFDM 16-QAM) -54 Mbps (OFDM 64-QAM) -54 Mbps (OFDM 64-QAM) 15

18 HIPERLAN/2 Το HIPERLAN προορίζεται για ασύρματη επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών, σταθμών εργασίας, διακομιστών, εκτυπωτών και άλλων δικτυακών συσκευών στα 5 GHz και αναπτύσσεται από τον ETSI. Ανήκει στην οικογένεια προτύπων BRAN (Broadband Radio Access Network) η οποία περιλαμβάνει τα HIPERLAN/1,/2, HIPERACCESS (σταθερό ασύρματο ευρυζωνικό σημείο προς πολλά σημεία) και το HIPERLINK (ασύρματη ευρυζωνική διασύνδεση). Τα HIPERLAN δουλεύουν στα 5 GHz ενώ το HIPERLINK στα 17 GHz. Το HIPERLINK/1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ευρυζωνικό και ευέλικτο ad hoc LAN και να συνδεθεί επομένως με άλλα LAN. Υποστηρίζει μέχρι 5 κανάλια το καθένα από τα οποία υποστηρίζει Μbps. Η εμβέλειά του φτάνει τα 50 μέτρα σε εσωτερικό χώρο. Η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) δεν είναι εγγυημένη αφού το εύρος ζώνης δεν δεσμεύεται ρητά. Το HIPERLAN/2 προορίζεται να προσφέρει τοπική ασύρματη πρόσβαση σε δίκτυα υποδομής IP, ATM και UMTS με σταθερά αλλά και κινητά τερματικά που αλληλεπιδρούν με σημεία πρόσβασης τα οποία με τη σειρά τους είναι συνδεμένα με κάποιο IP, ATM ή UMTS σταθερό δίκτυο. Επιπλέον, ένα τέτοιο ασύρματο δίκτυο πρόσβασης θα μπορεί να προσφέρει ποιότητα υπηρεσιών (QoS) αλλά και ρυθμούς δεδομένων, που ένας χρήστης θα περίμενε από ένα ενσύρματο IP ή ATM δίκτυο. Το HIPERLAN/2 υποστηρίζει υψηλή ταχύτητα (ως και 54 Mbps) και φορητότητα σε τοπική περιοχή. Ευρείας περιοχής φορητότητα (όπως περιαγωγή=roaming) μπορεί να υποστηριχθεί με άλλα πρότυπα εκτός του BRAN. Πρότυπο HIPERLAN1 HIPERLAN2 HIPERACCESS HIPERLINK Τύπος Ασύρματο LAN Ασύρματη πρόσβαση IP, ATM, UMTS (μικρής εμβέλειας) Ασύρματη απομακρυσμένη πρόσβαση Ασύρματη διασύνδεση ευρείας ζώνης Ζώνη Συχνοτήτων Ρυθμός Δεδομένων IP, ATM 5 GHz 5 GHz Διάφορες ζώνες 17 GHz 19 Mbps 25 Mbps 25 Mbps 155 Mbps Πρότυπα Οικογένειας BRAN 16

19 Το φυσικό επίπεδο κατά OSI βασίζεται στο σχέδιο διαμόρφωσης ορθογώνιας πολυπλεξίας διαίρεσης στο χρόνο (OFDM). Το μέγιστο όριο ενεργούς ισοτροπικής εκπεμπόμενης ισχύος είναι 200 mw στα GHz (εσωτερικού χώρου) και 1 W στα GHz (εσωτερικού και εξωτερικού χώρου) MMAC Το υπουργείο ταχυδρομείων και τηλεπικοινωνιών της Ιαπωνίας δημιούργησε την επιτροπή μελέτης του MMAC το 1995 για να εξετάσει τα ευρυζωνικά κινητά τηλεπικοινωνιακά συστήματα επόμενης γενιάς. Τα MMACs είναι κινητά συστήματα που μπορούν να μεταδώσουν πληροφορίες πολυμέσων υψηλής ποιότητας, με υπερυψηλές ταχύτητες, «οπουδήποτε και οποτεδήποτε», με άμεση σύνδεση σε δίκτυα οπτικών ινών. (i)ασύρματη πρόσβαση υψηλής ταχύτητας:αυτά είναι κινητά συστήματα που μπορούν να μεταδώσουν σε ταχύτητες ως και 30 Mbps, χρησιμοποιώντας την μπάντα των SHF και άλλες μπάντες (3-60 GHz). Χρησιμοποιείται για κινητές τηλεφωνικές συνδιαλέξεις με βίντεο και το πρότυπο σχεδιάστηκε για εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους. (ii)w-lan υπερυψηλής ταχύτητας: Αυτό το δίκτυο μπορεί να εκπέμψει ως και με 156 Mbps, χρησιμοποιώντας τη μιλλιμετρική μπάντα συχνοτήτων ( GHz). Χρησιμοποιείται για υψηλής ποιότητας, εσωτερικού χώρου τηλεοπτικές συνδιαλέξεις. (iii)κινητή πρόσβαση στα 5 GHz:Αυτή η ασύρματη πρόσβαση είναι τύπου ATM και Ethernet WLAN για εσωτερική και εξωτερική χρήση. Το κάθε σύστημα μπορεί να εκπέμψει μέχρι και με Mbps για πληροφορίες πολυμέσων. Ουσιαστικά, με κάποιες μικρές τροποποιήσεις, υιοθετήθηκαν το HIPERLAN/2 για την ΑΤΜ σύνδεση και το a για την Ethernet σύνδεση. (iv)ασύρματη Διασύνδεση Σπιτιού (Home-Link):Αυτή η σύνδεση εσωτερικού χώρου μπορεί να εκπέμψει ως και με 100 Mbps χρησιμοποιώντας την μπάντα των SHF και άλλες μπάντες (3-60 GHz). Χρησιμοποιείται μεταξύ υπολογιστών και οπτικοακουστικού εξοπλισμού για την μετάδοση πληροφοριών πολυμέσων. 17

20 Περιοχή Υπηρεσίας Διεπιφάνεια Σύνδεσης με δίκτυα Ρυθμός Δεδομένων Ζώνες Συχνοτήτων Εύρος Ζώνης Ασύρματη Πρόσβαση Υψηλής Ταχύτητας Δημόσιο χώρο (indoor,outdoor) Ιδιωτικό χώρο (indoor) Δημόσιο/Ιδιωτικό ΑΤΜ Ασύρματο LAN υπερυψηλής ταχύτητας Ιδιωτικό χώρο (indoor) Ιδιωτικό ΑΤΜ Κινητή Πρόσβαση (Ασύρματη πρόσβαση και ασύρματο LAN) Δημόσιο χώρο (indoor,outdoor) Ιδιωτικό χώρο (indoor) Δημόσιο/Ιδιωτικό ΑΤΜ Ethernet Ασύρματη Διασύνδεση Σπιτιού Ιδιωτικό χώρο (indoor) EEE1394, κ.ά. 30 Mbps 156 Mbps Mbps Mbps 25/40/60 GHz 60 GHz 5 GHz 5/25/40/60 GHz MHz 1-2 GHz >100 MHz >100 MHz Προδιαγραφές MMAC HomeRF Το HomeRF αναπτύχθηκε για τις ανάγκες του καταναλωτή σε δικτυακές εφαρμογές σπιτιού. Αυτά τα δίκτυα σχεδιάστηκαν για να είναι πιο προσιτά στους χρήστες σε σχέση με άλλες ασύρματες τεχνολογίες, ενσωματώνοντας ταυτόχρονα σταθερά τεχνικά χαρακτηριστικά, απλότητα και ασφάλεια. Τα HomeRF δίκτυα παρέχουν εμβέλεια εώς 50m ενώ η έκδοση HomeRF 2.0, γνωστή ως Wideband Frequency Hopper, παρέχει μεγαλύτερους ρυθμούς δεδομένων. Μπορεί να μεταφέρει και φωνή (με πρόσβαση TDMA) και δεδομένα (με πρόσβαση CSMA/CA), και να αλληλεπιδρά με το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο μεταγωγής (Public Switched Telephone Network) και με το Διαδίκτυο. Υποστηρίζει τέσσερις υψηλής ποιότητας φωνής συνδέσεις με 32 kbps προσαρμοστική διαφορική παλμoκωδική διαμόρφωση (ADPCM) (η δεύτερη έκδοση υποστηρίζει 8 συνδέσεις). Λειτουργεί στα 2.4 GHz και χρησιμοποιεί FHSS. Ουσιαστικά αυτά τα δίκτυα μπορούν να διασύνδεουν σε ένα σπίτι υπηρεσίες τηλεφώνων, τηλεομοιοτυπίας, διαδικτύου, διασύνδεσης υπολογιστών μεταξύ τους ή με εκτυπωτές, παιχνιδομηχανές, οπτικοακουστικές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. 18

21 Bluetooth & IEEE Το Bluetooth είναι ένα σχετικά νέο πρότυπο ασύρματης διασύνδεσης τεχνολογιών τύπου W-PAN (wireless Personal Area Network) στα 2.4 GHz. Είναι σχεδιασμένο για την αντικατάσταση πολλών ενσύρματων συνδέσεων μεταξύ συσκευών συμβατών με Bluetooth με υπολογιστές ή δίκτυα. Ορίστηκε το 1998 από μια συνεργασία των εταιριών IBM, Intel, Nokia, Ericsson, Toshiba και το όνομά του προέρχεται από ένα βασιλιά των Βίκινγκς που του άρεσαν πάρα πολύ τα μπλε μούρα. Το πρότυπο υπηρετεί τρεις σκοπούς : α)γεφύρωση των προτύπων β)ενοποίηση λειτουργιών γ)παγκόσμια διεπαφή Επειδή υπάρχουν πολλά μη συμβατά πρότυπα κινητών τηλεπικοινωνιών (π.χ. GSM, PDC, IS-95,D-AMPS), το Bluetooth μπορεί να παράσχει μια τέλεια λύση για χρήστες που ταξιδεύουν από χώρα σε χώρα. Με τον ίδιο τρόπο το Bluetooth μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ενσύρματα συστήματα (π.χ. ADSL, ISDN, καλωδιακή τηλεόραση, κ.ά.). Με την ενοποίηση υπηρεσιών φωνής/ήχου, βίντεο, δεδομένων σε μια συσκευή βλέπουμε μια τάση ενοποίησης στην τεχνολογία, κάτι που μπορεί να γίνει είτε με καθαρή ενοποίηση στο Hardware είτε με τη λειτουργική ενοποίηση που επιτυγχάνει το Bluetooth. Με αυτόν τον τρόπο οι συσκευές μπορούν να δουλέψουν ανεξάρτητα η κάθε μία και μέσω του Bluetooth να αλληλεπιδράσουν με λογική ισότιμου δικτύου (ad hoc) και με την αρχή master-slave. Ένα ακόμη πλεονέκτημα του Bluetooth είναι ότι μπορεί να ενσωματωθεί σε όλων των ειδών συσκευές, αφού βασίζεται σε φθηνούς πομπούς χαμηλής ισχύος. Με τη χρήση FHSS-CDMA δεν υπάρχει πρόβλημα παρεμβολής με τις άλλες συσκευές Bluetooth, αφού η κάθε συσκευή έχει μια μοναδική ταυτότητα που ορίζεται από την ψευδοτυχαία ακολουθία. Όταν μια συσκευή Bluetooth δεν επικοινωνεί, μένει σε κατάσταση αδράνειας και ενεργοποιείται σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές (διαφορετικές για κάθε συσκευή), οπότε και ελέγχει για άλλες συσκευές. Παράμετροι Bluetooth Ζώνη Συχνοτήτων 2,4 GHz ISM Πολλαπλή Πρόσβαση TDMA Αριθμός Καναλιών FHSS:79 Διαμόρφωση FHSS GFSK (0.5) Ρυθμός Δεδομένων Καναλιού 1 Mbps 19

22 Η ομάδα IEEE W-PAN υιοθέτησε το πρότυπο Bluetooth 1.0. Η ομάδα IEEE δουλεύει σε ένα πρότυπο υψηλού ρυθμού δεδομένων εώς και 55 Mbps για συσκευές μικρής εμβέλειας (10 μέτρα), ώστε να υποστηρίζονται πολυμέσα. Ένα πρόβλημα του προτύπου αυτού και του Bluetooth είναι ότι λειτουργούν στην ίδια ζώνη συχνοτήτων με τα b/g, κάτι που καθιστά δύσκολη την ταυτόχρονη χρήση τους. Το a είναι μια καλή λύση στο πρόβλημα αυτό, ωστόσο έχει μικρότερη εμβέλεια από το b. Εμβέλεια Περιοχή Δίκτυο 1 m m 2 PAN 10 m Δωμάτιο 100 m Κτίριο LAN 1 km Πανεπιστήμιο 10 km Πόλη MAN 100 km Χώρα 1000 km Ήπειρος WAN km Πλανήτης Internet IEEE (Μητροπολιτικά Ασύρματα Δίκτυα-WMAN) Το πρότυπο αυτό δημιουργήθηκε κυρίως για την υποστήριξη της σταθερής ασύρματης τηλεφωνίας και ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, οι χρήστες θα μπορούν να συνδέονται μέσω ενός ασύρματου τοπικού βρόχου και σε διάφορες συχνότητες (ακόμη και στα χιλιοστομετρικά) με τον σταθμό βάσης (παρόμοια με την κινητή τηλεφωνία). Όμως επειδή η κεραία του χρήστη θα είναι σταθερή στο σπίτι του και δεν είναι απαραίτητο ο εξοπλισμός του να είναι μικρός, όπως ένα κινητό, θα μπορεί να απολαμβάνει υψηλές ταχύτητες και όλες τις υπηρεσίες των ISDN, ενώ θα πρέπει να συνεργάζεται απρόσκοπτα με ΑΤΜ και με ΙΡ. Για να προσφέρει όμως αυτό το εύρος ζώνης, θα λειτουργεί στην πολύ υψηλότερη ζώνη συχνοτήτων 10 εώς 66 GHz (χιλιοστομετρικά κύματα) και οι κεραίες θα εκπέμπουν περισσότερη ισχύ, ώστε να έχει μεγαλύτερη εμβέλεια. Εξάλλου τα χιλιοστομετρικά κύματα είναι πιο κατευθυντικά από τις συχνότητες του , αλλά απορροφώνται έντονα από το νερό στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο τα δύο πρώτα πρότυπα a/b θα υποστηρίζουν OFDM στην περιοχή 2 εώς 11 GHz ώστε να συνεργάζονται και με το

23 Τα μητροπολιτικά δίκτυα δεν έχουν γίνει ιδιαίτερα διαδεδομένα ακόμη, μια και έχει επικρατήσει ο κλασσικός συνδρομητικός βρόχος, που μέσω της DSL προσφέρει υψηλές ταχύτητες Κινητή Τηλεφωνία GSM, GPRS, EDGE Στις αρχές της δεκαετίας του 80 τα συστήματα αναλογικής κυψελωτής τηλεφωνίας αναπτύσσονταν ραγδαία στην Ευρώπη και ιδιαίτερα στη Σκανδιναβία και το Ηνωμένο Βασίλειο αλλά και στην Γερμανία και στην Αγγλία. Η κάθε χώρα είχε αναπτύξει το δικό της σύστημα που όμως δεν ήταν συμβατό με τα υπόλοιπα. Αυτό φυσικά ήταν ανεπιθύμητο, αφού όχι μόνο σε μια Ενωμένη Ευρώπη περιορίζονταν ο κινητός εξοπλισμός στα σύνορα ενός κράτους, αλλά υπήρχε και περιορισμένη αγορά για τις αντίστοιχες επιχειρήσεις. Γι αυτόν τον λόγο, το 1982 το Συμβούλιο 21

24 Ταχυδρομείων και Τηλεγράφων (Conference of European Posts and Telegraphs/CEPT) δημιούργησε την ομάδα μελέτης GSM, για να αναπτύξει ένα πανευρωπαϊκό κινητό σύστημα. Το προτεινόμενο σύστημα έπρεπε να ικανοποιεί ορισμένα κριτήρια: - Καλή υποκειμενικά ποιότητα ομιλίας - Χαμηλό κόστος τερματικής συσκευής και υπηρεσιών - Υποστήριξη παγκόσμιας περιαγωγής - Υποστήριξη για εύρος νέων υπηρεσιών και εφαρμογών - Αποδοτικότητα Φάσματος - Συμβατότητα με ISDN - Δυνατότητα εφαρμογής ευέλικτων συστημάτων χρέωσης - Κρυπτογράφηση της μεταδιδόμενης πληροφορίας του χρήστη Το 1989 η ευθύνη του GSM μεταφέρθηκε στο Ευρωπαικό Ινστιτούτο Τυποποίησης Τηλεπικοινωνιών (European Telecommunications Standards Institute/ETSI) και η πρώτη φάση των προδιαγραφών του GSM εκδόθηκε το Στα μέσα του 1991 ξεκίνησε το εμπόριο και ως το 1993 υπήρχαν 36 δίκτυα GSM σε 22 χώρες. Αν και προτυποποιήθηκε στην Ευρώπη, το GSM δεν είναι μόνο ευρωπαϊκό πρότυπο. Το πρότυπο υποστηρίζει λειτουργία σε τρεις φασματικές περιοχές:gsm 900, DCS 1800 και PCS 1900 τα οποία δουλεύουν στις αντίστοιχες ζώνες των 900 MHz, 1.8 GHz και 1.9 GHz. Ενώ το GSM 900 είναι περιορισμένο ως προς το διαθέσιμο εύρος ζώνης (λιγότεροι χρήστες ανά κυψέλη), τα DCS 1800, PCS 1900 είναι περιορισμένα ως προς την εμβέλεια (περισσότερες κυψέλες για συγκεκριμένη κάλυψη). Πάνω από 200 δίκτυα GSM λειτουργούν σε 110 χώρες παγκοσμίως. Από 1.3 εκατομμύρια συνδρομητές το 1994, υπάρχουν το 2005 πάνω από 450 εκατομμύρια. Με την αργοπορημένη είσοδο της Βορείου Αμερικής στο πεδίο του GSM με το παράγωγό του PCS 1900, υπάρχουν τα συστήματα GSM σε όλες τις ηπείρους με το ακρωνύμιό του να αντιπροσωπεύει Παγκόσμιο Σύστημα για Κινητές επικοινωνίες (Global System for Mobile communications). Με την εξάπλωση αυτή αποκτούν οι συνδρομητές παγκόσμια φορητότητα. Η περιαγωγή επιτρέπει τη λειτουργία του ίδιου κινητού στα δίκτυα άλλων χωρών. Σήμερα το GSM είναι ένα συνεχώς εξελισσόμενο πρότυπο μέσα στον ETSI, επιδεικνύοντας μια διαρκή πορεία εξέλιξης προς υπηρεσίες πολυμέσων 3 ης γενιάς. Από τον Ιούνιο του 2000 οι εργασίες εξέλιξης της τεχνολογίας στη ραδιοεπαφή έχουν μεταφερθεί στο 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). 22

25 Ο χρήστης αναγνωρίζεται από την κάρτα ταυτότητας συνδρομητή (Subscriber Identity Module), η οποία περιέχει το διεθνή αριθμό κινητού συνδρομητή (International Mobile Subscriber Identity). Επιπλέον, η κάθε συσκευή αναγνωρίζεται μοναδικά από το διεθνή αριθμό κινητού εξοπλισμού (International Mobile Equipment Identity). Επειδή τα IMEI και IMSI είναι εντελώς ανεξάρτητα, είναι δυνατή η αλλαγή συσκευής και προσωπική φορητότητα. Η αρχιτεκτονική του δικτύου GSM συνίσταται, εκτός των τερματικών σταθμών, στο υποσύστημα του σταθμού βάσης - το οποίο ελέγχει την επικοινωνία με το κινητό - και στο υποσύστημα δικτύου - το μεγαλύτερο μέρος του οποίου είναι το κέντρο μεταγωγής κινητών υπηρεσιών (Mobile Services Switching Center), το οποίο εκτελεί τη μεταγωγή των κλήσεων μεταξύ κινητών και μη συνδρομητών. Στο GSM χρησιμοποιήθηκε ένας συνδυασμός πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση στο χρόνο (TDMA) και με διαίρεση στη συχνότητα (FDMA). Το κομμάτι του FDMA διαιρεί το διαθέσιμο φάσμα σε 124 συχνότητες φορέων, η κάθε μία από τις οποίες διαιρείται στο χρόνο. Η μέθοδος κωδικοποίησης της φωνής που χρησιμοποιείται στα σταθερά ISDN δίκτυα είναι παλμοκωδική κωδικοποίηση (PCM) στα 64 kbps, ρυθμός που είναι υψηλός για μια ραδιοζεύξη. Στο GSM χρησιμοποιείται ένα είδος διαφορικής κωδικοποίησης που δίνει ρυθμό δεδομένων 13 kbps. Η υπηρεσία GPRS αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια ως μια προσπάθεια ενίσχυσης του συστήματος κινητής τηλεφωνίας GSM, ώστε το τελευταίο να μπορεί να χειριστεί αποδοτικά κίνηση δεδομένων τύπου ριπών (bursty traffic) ανάμεσα σε υπολογιστικά συστήματα. Ως εκ τούτου η τεχνολογία GPRS δεν είναι αυτόνομη αλλά επικουρική στην υπάρχουσα υποδομή του GSM. Πιο αναλυτικά : Προσφέρει παγκόσμια κάλυψη, όπως ακριβώς και το GSM. 23

26 Η πρόσβαση στις GPRS υπηρεσίες είναι τυποποιημένη, μέσω του GSM προτύπου. Είναι ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτου (packet-switched). Υλοποιεί μια σαφή διάκριση μεταξύ του δικτυακού συστήματος (NSS - Network Switching System) και του συστήματος ράδιο-επαφής (BSS - Base Station System) με δυνατότητα χρήσης διαφορετικών τεχνολογιών σε καθένα από αυτά. Υποστηρίζει ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων από λίγα bps έως kbps. Προσφέρει χρέωση βάσει του ανταλλασσόμενου όγκου της πληροφορίας, επιτρέποντας έτσι σε ένα χρήστη να είναι ενεργός (active) για μεγάλες χρονικές περιόδους, χωρίς να απαιτείται η αποσύνδεση του από το δίκτυο, κάθε φορά που δεν έχει κάτι να μεταδώσει. Παρέχει βέλτιστη χρήση των πόρων της ράδιο-επαφής με παραχώρηση χρονοθυρίδων σε κάθε χρήστη, μόνο εφόσον έχει κάτι να μεταδώσει. Υποστηρίζει τόσο Point-to-Point (PTP) επικοινωνία με ή χωρίς σύνδεση (connection oriented ή connectionless) όσο και Point-to-Multipoint (PTM). Συγκεκριμένα υποστηρίζει PTM-Multicast (PTM-M) και PTM- Groupcast (PTM-G) επικοινωνία. Στη πρώτη φάση της υλοποίησης θα υποστηριχθούν μόνο PTP υπηρεσίες, ενώ οι PTM υπηρεσίες θα υλοποιηθούν σε επόμενο στάδιο. Υποστηρίζει διασύνδεση με εξωτερικά δίκτυα δεδομένων (Packet Data Networks - PDNs) ανεξαρτήτως της τεχνολογίας τους : IP δίκτυα (π.χ. Internet), δίκτυα X.25, άλλα και δημόσια δίκτυα κινητών υπηρεσιών ( Public Land Mobile Networks PLMNs) Υπάρχουν 5 κλάσεις κινητών, ανάλογες με την ισχύ που εκπέμπουν, δηλαδή των 20, 8, 5, 2 και 0.8 Watt. Για τη μείωση των παρεμβολών και για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας τα κινητά και οι σταθμοί εκπέμπουν στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο, ώστε να διατηρηθεί μια αποδεκτή ποιότητα σήματος. Για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας χρησιμοποιείται και διακοπτόμενη εκπομπή και λήψη, αφού ένα άτομο μιλάει συνήθως λιγότερο από 40% σε ένα φυσιολογικό διάλογο. 24

27 UMTS/IMT-2000 Η επέκταση της χρήσης ψηφιακών δικτύων οδήγησε στην ανάγκη σχεδίασης νέων τηλεπικοινωνιακών δικτύων υψηλότερης χωρητικότητας. Η βιομηχανία των τηλεπικοινωνιών μεταβάλλεται, καθώς αυξάνεται και η ζήτηση νέου εύρους υπηρεσιών, όπως τηλεδιάσκεψη και πολυμέσα. Αυτή η ζήτηση οδήγησε στην ανάπτυξη δικτύων 3 ης γενιάς. Ένα τέτοιο δίκτυο είναι το UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), στόχος του οποίου είναι να προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα, μεγαλύτερη ευελιξία και μεγαλύτερη ενοποίηση υπηρεσιών. Το UMTS είναι φυσική εξέλιξη για τους χρήστες GSM και προσπαθεί να ενοποιήσει τα περισσότερα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, συμπεριλαμβάνοντας επίγεια και δορυφορικά δίκτυα και προσφέροντας καλύτερο έλεγχο στην ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας, τόσο από τη μεριά του UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), όσο και από τη μεριά του δικτύου κορμού. Ρυθμοί Δεδομένων του UMTS Δορυφορικές και αγροτικές επικοινωνίες εξωτερικού χώρου Αστικές επικοινωνίες εξωτερικού χώρου Επικοινωνίες εσωτερικού και περιορισμένης εμβέλειας εξωτερικού χώρου 144 kbps 384 kbps 2 Mbps Εκτός του ευρυζωνικού CDMA (W-CDMA) που είναι ουσιαστικά το UMTS/IMT-2000, άλλα πρότυπα τρίτης γενιάς (π.χ. CDMA 2000) θεωρούνται από κάποιους διαχειριστές ως μια άλλη λύση. Οι διαχειριστές GSM σκέφτονται την επέκταση της τεχνολογίας GPRS σε ρυθμούς 160 kbps. Το UMTS προσφέρει ποιότητα και την υψηλή ταχύτητα των 2 Mbps ανά συνδρομητή, ενώ μπορεί λειτουργεί με δύο συμπληρωματικούς τρόπους: α) Η μέθοδος FDD βασίζεται στο W-CDMA, είναι κατάλληλη για υψηλή κινητικότητα ως και 200 km/h και για συμμετρικές υπηρεσίες, ενώ έχει ρυθμούς δεδομένων ως 384 kbps. β)η μέθοδος TDD βασίζεται στο TD-CDMA, είναι κατάλληλη για εσωτερικά και εξωτερικά ασύρματα δίκτυα ασύμμετρων υπηρεσιών και εφαρμογών, ενώ έχει ρυθμούς δεδομένων ως 2 Mbps. 25

28 Τυπικά ένας σταθμός βάσης WCDMA παρέχει χωρητικότητα για κίνηση ως και 10 φορές την κίνηση στο GSM, με κόστος 1 με 1.5 του κόστους του GSM. 26

29 2 Θεωρητική Ανάλυση Ασύρματων Δικτύων 27

30 2.1. Αρχές Επεξεργασίας σήματος Αναλογικά - Ψηφιακά Συστήματα Τις τελευταίες δεκαετίες όλες οι τηλεπικοινωνίες τείνουν να μετατρέπονται από αναλογικές σε ψηφιακές. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι γι αυτό. Κατ αρχάς η ψηφιακή μορφή της πληροφορίας είναι βολική για την επεξεργασία από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, που είναι επίσης ψηφιακοί. Σε αυτήν τη μορφή τα σήματα μπορούν να κωδικοποιηθούν, να συμπιεστούν, να μετατραπούν, να αναγεννηθούν και γενικότερα να υποστούν οποιαδήποτε επεξεργασία θέλουμε. Αυτό έχει άμεση σχέση και με την ψηφιοποίηση των τηλεφωνικών κέντρων και με την παλμοκωδική διαμόρφωση της φωνής, οπότε και τα κέντρα έγιναν πολύ πιο μικρά, πολύ ισχυρότερα και πολύ πιο εύχρηστα. Ακόμη τα ψηφιακά σήματα δεν επηρεάζονται συνολικά εύκολα από το θόρυβο. Επειδή γνωρίζουμε εξαρχής τις πιθανές στάθμες ενός σήματος και μέσω της κωδικοποίησης για διόρθωση λαθών, μπορούμε να αναγεννήσουμε το σήμα στο δέκτη και να το αναπαράγουμε όπως όταν ήταν στον πομπό. Ακόμη και αν η παραμόρφωση είναι τόσο μεγάλη που να προκαλούνται σφάλματα, μέσω κωδίκων και μέσω επανεκπομπών πακέτων, είναι δυνατή η αναδημιουργία. Αυτό φαίνεται στην ψηφιακή τηλεόραση/ραδιοφωνία, όπου δεν παρατηρούνται παράσιτα. Γι αυτόν το λόγο, ύψιστης σημασίας στα αναλογικά συστήματα είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal to Noise Ratio/SNR), ενώ στα ψηφιακά ο ρυθμός σφάλματος bit (Bit Error Rate/BER). Επίσης λόγω της ψηφιακής μορφής των σημάτων, γίνεται αποδοτικότερη η εκμετάλλευση του εύρους ζώνης. Έτσι ακόμα και στο χώρο της κινούμενης/ακίνητης εικόνας, όπου η αναπόφευκτη απώλεια πληροφορίας μπορεί να ανιχνευτεί από το θεατή, πλέον η ανάλυση έχει αυξηθεί τόσο ώστε να μη φαίνεται διαφορά από το αναλογικό σήμα. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, όντας άρρηκτα συνδεδεμένα με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, είναι προφανώς εξ ολοκλήρου ψηφιακά. Στις υποενότητες που ακολουθούν, γίνεται αναφορά στις θεωρητικές βάσεις και έννοιες των ασύρματων δικτύων που θεμελιώνουν την τεχνολογία που 28

31 χρησιμοποιείται Διαμόρφωση Για την ασύρματη μετάδοση οποιουδήποτε ηλεκτρικού σήματος είναι συνήθως απαραίτητη η μετατροπή σε κατάλληλο σήμα υψηλής συχνότητας, έτσι ώστε να είναι δυνατή η εκπομπή τους από κατανεμημένα συστήματα αγωγών (κεραίες). Τα κατανεμημένα συστήματα είναι αυτά στα οποία οι διαστάσεις του κυκλώματος είναι συγκρίσιμες με το μήκος κύματος του ρεύματος που τα διαρρέει, οπότε και έχουμε την επιθυμητή ακτινοβολία ενέργειας. Η μετατροπή αυτή του σήματος σε σήμα υψηλής συχνότητας ονομάζεται διαμόρφωση (modulation) και είναι σημαντικό κομμάτι των τηλεπικοινωνιακών σημάτων (MOdulator DEModulator). Για την διαμόρφωση ενός σήματος χρησιμοποιούνται συνήθως διάφορες μορφές ημιτονοειδών σημάτων, οι οποίες στο πεδίο της συχνότητας είναι ώσεις στις συχνότητες εκπομπής. Η διαμόρφωση είναι επίσης απαραίτητη ώστε να μην υπάρχει ταυτόχρονα εκπομπή στον ίδιο χώρο και στην ίδια ζώνη συχνοτήτων, κάτι που θα προκαλούσε την αδυναμία λήψης του επιθυμητού σήματος στο δέκτη. Αυτός είναι και ο λόγος διαίρεσης του φάσματος συχνοτήτων από την ITU και της ισχύος της διαίρεσης αυτής παγκοσμίως. Παρακάτω ακολουθούν πίνακες με τους βασικούς τύπους διαμόρφωσης σε αναλογικά και ψηφιακά συστήματα. 29

32 Αναλογικά Συστήματα Τύπος Διαμορφωμένο Σήμα u(t) Φάσμα Εφαρμογές DSB-SC A m(t)cos(2πf t+ ϕ ) AM c c c Συμβατικό A ( αm(t)+1)cos(2πf t+ ϕ ), αm(t) 1 Ραδιοφωνία,DSSS ΑΜ c c c Διαμόρφωση Πλάτους (AM) A USSB AM cm(t)cos(2πfct+ φc)-a cm Η(t)cos(2πfct+ φ c) A LSSB AM cm(t)cos(2πfct+ φc)+a cm Η(t)cos(2πfct+ φ c) VSB AM [Acm(t)cos(2πfct+ ϕc)] h(t) Συμβατική Τηλεόραση,FSSS Διαμόρφωση Γωνίας FM Acos(2πft+2πk c c f - t m(τ)dτ) PM Acos(2 c π ft+km(t)) c p Στερεοφωνική Ραδιοφωνία, Αναλογική Κινητή Επικοινωνία 30

33 όπου m(t) :σήμα πληροφορίας m Η(t):μετασχηματισμός Hilbert του σήματος πληροφορίας f c :συχνότητα φέροντος/διαμόρφωσης φ c :φάση διαμορφωμένου σήματος h(t):φίλτρο VSB Α c,k f,k p,α:συντελεστές διαμόρφωσης Ψηφιακά Συστήματα Τύπος Διαμορφωμένο Σήμα u m (t) Αστερισμός Εφαρμογές 2-αδικό PAM ± A Π (t)cos2π f t Διαμόρφωση Πλάτους (Μονοδιάστατες Κυματομορφές Σήματος) Μ-αδικό PAM m T c A T Π (t)cos2π f t 2-αδικό PSK (t)cos( 2πf t) c ±Π T c -DPSK Διαμόρφωση κατά Φάση (Δισδιάστατες Κυματομορφές Σήματος) M-αδικό PSK 2π m ΠT (t)cos 2πfct+ M -OQPSK/SQPSK (κινητή τηλεφωνία) -BPSK(FSSS) -OFDM(DAB, DVB,WLAN) -DSSS(WLAN) 31

34 Ορθογώνια Διαμόρφωση Πλάτους (Δισδιάστατες Κυματομορφές Σήματος) M-αδικό QAM A (t)cos( 2πf t+θ ) mπ T c n OFDM(DVB,WLAN) Μ-αδικό PPM (ορθογωνιότητα στο χρόνο) (m-1)t A Π T (t- )cos 2 fct M ( π ) (Πολυδιάστατες Κυματομορφές Σήματος) Μ-αδικό FSK (ορθογωνιότητα στη συχνότητα) ( π π Δ ) Acos 2 f t+2 m ft c -LREC -LRC -GMSK (GSM) -FSSS (WLAN) Μ-αδικό CPM (διαμόρφωση συνεχούς φάσης)/cpfsk Acos 2πf t+4πtf t α Π (t-nt)dτ+φ c d m Τ 0 - m MSK (GSM) LREC LRC GMSK (GSM) 32

35 Πολυπλεξία & Πολλαπλή Πρόσβαση/Προσπέλαση (i)εκτός της διαμόρφωσης σημαντικό στοιχείο ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος είναι και η πολυπλεξία πολλών σημάτων, ώστε να μπορούμε ταυτόχρονα από ένα σύστημα εκπομπής να στείλουμε πολλά σήματα. Πολυπλεξία (Multiplexing) είναι η διαδικασία κατά την οποία συνδυάζουμε έναν αριθμό ξεχωριστών σημάτων μηνύματος σε ένα σύνθετο σήμα, για να τα μεταδώσουμε μέσα από ένα κοινό κανάλι. Οι βασικές μορφές πολυπλεξίας είναι: Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing/TDM): χρησιμοποιείται συνήθως για ψηφιακά σήματα. Ένα δεδομένο διάστημα χρόνου επιλέγεται ως πλαίσιο. Αυτό διαιρείται σε τόσα διαστήματα όσα τα σήματα που πρέπει να πολυπλεχτούν. Έτσι το κάθε σήμα καταλαμβάνει κάθε φορά το κανάλι για το χρόνο που του αναλογεί και περιμένει να ξαναέρθει η σειρά του. Προφανώς για συστήματα ομιλίας υπάρχουν απαιτήσεις στα συστήματα αυτά, για να υπάρχει συνεχής, κατανοητός, χωρίς αντιληπτές διακοπές ήχος. Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing / FDM & Wavelength Division Multiplexing / WDM για οπτικές ίνες): χρησιμοποιείται για ψηφιακά και αναλογικά σήματα. Τα σήματα διαμορφώνονται σε διαφορετική συχνότητα το καθένα και το άθροισμά τους αποστέλλεται ως ενιαίο σήμα. Φυσικά στο δέκτη αλλά και στον πομπό απαιτούνται κατάλληλα φίλτρα. Το FDM χρησιμοποιείται ευρέως στις ραδιοεπικοινωνίες και στην τηλεφωνία. Ως γνωστόν το σήμα φυσιολογικής ομιλίας του ανθρώπου καταλαμβάνει ένα εύρος 3 KHz για ικανοποιητική ποιότητα. Έτσι στη συνολική χωρητικότητα ενός καλωδίου ή μιας οπτικής ίνας μπορούν να πολυπλεχτούν πολλές ταυτόχρονες συνδιαλέξεις, αρκεί η κάθε μία να διαμορφώνεται στη συχνότητα που της αναλογεί. Άλλης λογικής πολυπλεξία μπορούν να θεωρηθούν η πολυπλεξία με ορθογώνια φέροντα και η πολυπλεξία με διαφορετική πόλωση, που χρησιμοποιούνται για περιορισμένο αριθμό σημάτων και συνδυασμούς ή ειδικές περιπτώσεις των παραπάνω όπως το OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), το οποίο ταυτόχρονα επιτελεί και διαμόρφωση. (ii)η πολλαπλή πρόσβαση είναι ένας όρος παρόμοιος αλλά όχι ταυτόσημος με την πολυπλεξία. Με την πολλαπλή πρόσβαση δεν έχουμε απαραίτητα πολυπλεξία πολλών σημάτων σε ένα, αλλά έχουμε πολλαπλή εκπομπή των σημάτων σε διαφορετική χρονική στιγμή ή σε διαφορετική συχνότητα που αναλογεί στο κάθε σήμα. Έτσι ο κάθε δέκτης που έχει πρόσβαση στο μέσο, λαμβάνει το σήμα που του αναλογεί, χωρίς να 33

36 απαιτείται απαραίτητα αποπολυπλέκτης. Μερικές τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης είναι: Πολλαπλή Πρόσβαση Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiple Access/TDMA): κάθε χρήστης χρησιμοποιεί όλο το κανάλι/φάσμα σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Προφανώς το TDMA είναι κατάλληλο σε συστήματα πολυπλεξίας τύπου TDM και για κίνηση τύπου ριπών (bursty traffic) όπως το Διαδίκτυο. Η μορφή μετάδοσης δεδομένων με ριπές συνεισφέρει στην χαμηλότερη κατανάλωση της μπαταρίας του τερματικού, ενώ και η διαδικασία handover μεταξύ δύο σταθμών βάσης ή σημείων πρόσβασης είναι πιο εύκολη. FDMA TDMA Πολλαπλή Πρόσβαση Διαίρεσης Συχνότητα (Frequency Division Multiple Access/FDMA):οι χρήστες εκπέμπουν/λαμβάνουν ταυτόχρονα, αλλά ο καθένας στο κομμάτι φάσματος που του αναλογεί. Προφανώς το FDMA είναι κατάλληλο σε συστήματα πολυπλεξίας τύπου FDM. Πλεονεκτήματα του FDMA είναι ότι δεν απαιτείται δυναμικός συντονισμός (συγχρονισμός, πλαισιοποίηση), υποστηρίζει την χρήση και αναλογικών σημάτων και δεν υπάρχουν χρονικοί περιορισμοί. Από την άλλη υπάρχει το μειονέκτημα της σπατάλης εύρους ζώνης, όταν η κίνηση δεν ισοκατανέμεται και εξαιτίας των χρόνων ασφαλείας (guard times) δεν υπάρχει μεγάλη ευελιξία και απαιτούνται καλά φίλτρα, για να αποφευχθούν παρεμβολές. Πολλαπλή Πρόσβαση Ανίχνευσης Φέροντος (Carrier Sense Multiple Access/CSMA):χρησιμοποιείται κυρίως όταν είναι αδύνατος ο κεντρικός έλεγχος και υπάρχει το ενδεχόμενο σύγκρουσης όπως το Ethernet και τα ασύρματα LANs, όπου η κίνηση είναι γενικά άτακτη. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ανιχνεύουν το κοινό μέσο για τυχόν συγκρούσεις πακέτων και χρησιμοποιούν το κανάλι όταν το βρουν ελεύθερο. Μπορεί να είναι CSMA/CD (Collision Detection), που χρησιμοποιείται στο πρότυπο 802.3/Ethernet, ή CSMA/CΑ (Collision Avoidance), που χρησιμοποιείται στα πρότυπα Τα πρωτόκολλα CSMA αντικατέστησαν το αρχικό πρωτόκολλο ασύρματης πρόσβασης ALOHA. 34