Προσομοίωση του συστήματος Bluetooth και μελέτη της επίδοσής του

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤEΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Προσομοίωση του συστήματος Bluetooth και μελέτη της επίδοσής του ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Κωνσταντίνας Δ. Κανελλοπούλου Επιβλέπων Καθηγητής: Γεώργιος Κ. Καραγιαννίδης Θεσσαλονίκη, Φεβρουάριος 2009

2 Περίληψη Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η προσομοίωση ενός συστήματος Bluetooth, θεωρώντας την τηλεπικοινωνιακή ζεύξη μεταξύ ενός πομπού και ενός δέκτη, όπου η μετάδοση πληροφορίας γίνεται υπό μορφή πακέτων. Ξεκινώντας από τον πομπό και τη δημιουργία όλων των τύπων πακέτων πληροφορίας που περιλαμβάνονται στις προδιαγραφές, προσθέτουμε σε αυτά κώδικες πρόσβασης και κεφαλίδες για την ορθή μετάδοση, αναγνώριση και αποκωδικοποίησή τους στο δέκτη και ακολουθούμε τις προβλεπόμενες ενέργειες επεξεργασίας ανάλογα με τον τύπο, όπως προσθήκη κυκλικού ελέγχου πλεονάσματος, λεύκανση των δεδομένων, κωδικοποίηση. Στη συνέχεια, το δυαδικό σήμα διαμορφώνεται και διοχετεύεται σε κανάλι που προσομοιώνει λευκό προσθετικό Gaussian θόρυβο και διαλείψεις μικρής κλίμακας που περιγράφονται από τις κατανομές Rician και Rayleigh. Ακολούθως, στο δέκτη γίνεται η αποδιαμόρφωση του σήματος, και υλοποιείται η αντίστροφη διαδικασία ώστε να εξαχθεί η πληροφορία που στάλθηκε, στην περίπτωση που το πακέτο περάσει επιτυχώς τα στάδια ελέγχου και αποκωδικοποίησης. Στο τέλος, υπολογίζονται οι επιδόσεις όσον αφορά τα σφάλματα σε bit και την απόρριψη πακέτων στα προβλεπόμενα κανάλια προσομοίωσης για πακέτα διαφορετικού τύπου. Για την ανάγκη της προσομοίωσης υλοποιήθηκε προγραμματιστικός κώδικας σε περιβάλλον Matlab, όπου έγινε προσπάθεια να αποδοθούν με λεπτομέρεια όλα τα στάδια δημιουργίας και επεξεργασίας των πακέτων, κυρίως σε ό,τι αφορά το επίπεδο βασικής ζώνης. Ο κώδικας αυτός μπορεί να βελτιωθεί και να εμπλουτιστεί στο μέλλον ώστε να αποτελεί μια πλήρη προσομοίωση του συστήματος Bluetooth σε όλα τα επίπεδα, να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη επιδόσεων των ζεύξεων και πιθανώς για την διαμόρφωση προτάσεων επί των προδιαγραφών. 2

3 Abstract The main goal of this project is to study and simulate a Bluetooth system, assuming the radio link between a transmitter and a receiver, where a packetbased transmission scheme is used for the information data. Starting with the transmitter and the creation of all the types of information packets that are included in the specifications document, we add to them access codes and headers to ensure reliable transmission, recognition and decoding at the receiver and we follow the adequate processing actions regarding the type, like cyclic redundancy check addition, data whitening and coding. Then the binary signal is modulated and transmitted through a channel that includes additive white Gaussian noise and small-scale fading that is described with Rician and Rayleigh distributions. Afterwards, at the receiver, the signal is demodulated and the inverse procedure is implemented, so that the information sent is retrieved, only if the packet has gone through all the checking and decoding steps successfully. At the, the performance regarding bit errors and packet loss is evaluated for different types of packets over the simulation channels. For the simulation programming code in Matlab was implemented. In this code effort was made to reproduce in every detail all the stages of creating and processing the packets, especially in terms of the baseband level. This code can be improved and enhanced in the future in order to fully simulate the Bluetooth protocol in all levels and can thereafter be used to study the performance of radio links and possibly to make suggestions regarding the specifications 3

4 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Γιώργο Καραγιαννίδη, επίκουρο καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Α.Π.Θ. για την ανάθεση του θέματος της εργασίας μου και την συνεργασία του. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα Αθανάσιο Λιούμπα για τις πολύτιμες υποδείξεις και συμβουλές του, που διευκόλυναν σε μεγάλο βαθμό την περάτωση της εργασίας μου. 4

5 Περιεχόμενα Περίληψη... 2 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Ασύρματες επικοινωνίες (Wireless Communications) Συστήματα ασύρματων επικοινωνιών Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ασύρματων επικοινωνιών Ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας (Short-range wireless networks) Συμβατικά και Ad-hoc ραδιοσυστήματα Κεφάλαιο 2: Περιγραφή και Προδιαγραφές του Bluetooth (Bluetooth Overview and Specifications) Αρχιτεκτονική του Bluetooth (Bluetooth Architecture) Σχήμα πολλαπλής πρόσβασης (Multiple Access Scheme) Έλεγχος πρόσβασης μέσου (Medium Access Control) Δημιουργία Διασύνδεσης ( Connection Establishment) Προδιαγραφές ραδιοκυμάτων (Radio Specifications) Ζώνες συχνοτήτων και κατανομή καναλιών (Frequency bands and Channel arrangement) Χαρακτηριστικά του πομπού (Transmitter Characteristics) Χαρακτηριστικά του δέκτη (Receiver Characteristics) Προδιαγραφές βασικής ζώνης (Baseband Specifications) Γενική περιγραφή Το ρολόι του Bluetooth (Bluetooth Clock) Διευθυνσιοδότηση του Bluetooth (Bluetooth Device Addressing) Φυσικά κανάλια (Physical channels) Λογικά κανάλια (Logical Transports) Πακέτα (Packets) Επεξεργασία ροής bit (Bit-stream Processing)

6 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά Καναλιού (Channel characteristics) Απώλειες μεταδόσεως στον ελεύθερο χώρο ( Free-space transmission loss) Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (Large scale fading) Μοντέλα απωλειών διαδρομής (Path Loss models) Διαλείψεις μικρής κλίμακας και φαινόμενο πολλαπλών οδεύσεων (Small-scale fadind and multipath) Διάδοση πολλαπλών οδεύσεων μικρής κλίμακας (Small-scale Multipath Propagation) Τύποι διαλείψεων μικρής κλίμακας Κατανομές Rayleigh και Rician Θόρυβος καναλιού και παρεμβολές (Noise and Interference) Θόρυβοι σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα Παρεμβολές από τη συνύπαρξη του Bluetooth με το Μοντέλο καναλιού προσομοίωσης Bluetooth Κεφάλαιο 4: Αποτελέσματα προσομοίωσης και συμπεράσματα (Simulation Results and Conclusions) Περιγραφή προσομοίωσης Παράμετροι προσομοίωσης Αποτελέσματα προσομοίωσης και συμπεράσματα Επίδραση διαφορετικών καναλιών σε ένα τύπο πακέτου Επίδραση του μήκους πακέτου Επίδραση της κωδικοποίησης Πακέτα σύγχρονου λογικού συνδέσμου (φωνής) Αναφορές (References) Βιβλιογραφία Σύνδεσμοι στο διαδίκτυο Σχήματα Πίνακες Παράρτημα

7 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ασύρματες επικοινωνίες (Wireless Communications) Οι ασύρματες προσωπικές επικοινωνίες έχουν γίνει πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής ζωής στις πιο ανεπτυγμένες χώρες αλλά και σε αναπτυσσόμενες ανά τον κόσμο. Είναι το πιο ταχέως αναπτυσσόμενο κομμάτι της βιομηχανίας επικοινωνιών. Θεωρείται ότι οι ασύρματες και οι οπτικές επικοινωνίες θα αντικαταστήσουν όλες τις μελλοντικές επικοινωνίες. Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι ένα πεδίο που αποτελεί αντικείμενο απασχόλησης εδώ και πάνω από εκατό χρόνια, ξεκινώντας περίπου το 1897 με της επιτυχείς επιδείξεις ασύρματου τηλέγραφου του Marconi. Μέχρι το 1901, οι ραδιολήψεις πέρα από τον Ατλαντικό ωκεανό είχαν εδραιωθεί. Στα επόμενα εκατό χρόνια, πολλοί τύποι ασύρματων συστημάτων άνθισαν και συχνά αργότερα εξαφανίσθηκαν. Για παράδειγμα η εκπομπή τηλεοπτικού σήματος γινόταν στα πρώτα χρόνια μέσω ασύρματων ραδιοπομπών, που με αυξανόμενους ρυθμούς αντικαταστάθηκαν από ενσύρματη μετάδοση. Παρόμοια, τα «από σημείο σε σημείο» (point-to-point) μικροκυματικά κυκλώματα που σχημάτισαν τη ραχοκοκαλιά του τηλεφωνικού δικτύου, αντικαθίστανται με οπτικές ίνες. Στο πρώτο παράδειγμα, η ασύρματη τεχνολογία ξεπεράστηκε όταν ένα ενσύρματο δίκτυο διανομής είχε εγκατασταθεί, στο δεύτερο μια νέα ενσύρματη τεχνολογία (η οπτική ίνα) αντικατέστησε την παλαιότερη τεχνολογία. Ο αντίστροφος τύπος παραδείγματος συμβαίνει σήμερα στην τηλεφωνία, όπου η ασύρματη (κυψελωτή) τεχνολογία αντικαθιστά τμηματικά τη χρήση του ενσύρματου τηλεφωνικού δικτύου (κυρίως σε μέρη του κόσμου, όπου το ενσύρματο δίκτυο δεν είναι καλά ανεπτυγμένο). Το νόημα από αυτά τα παραδείγματα είναι ότι υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες υπάρχει επιλογή μεταξύ ενσύρματης και ασύρματης τεχνολογίας, και η επιλογή συχνά αλλάζει όταν νέες τεχνολογίες γίνονται διαθέσιμες. 7

8 1.2 Συστήματα ασύρματων επικοινωνιών Τα κυψελωτά δίκτυα έχουν τραβήξει μεγάλο ενδιαφέρον και είναι ευρέως διαδεδομένα. Ένα κυψελωτό δίκτυο αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό ασύρματων συνδρομητών που έχουν κυψελωτά τηλέφωνα (χρήστες) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτοκίνητα, κτίρια, στο δρόμο ή σχεδόν οπουδήποτε. Υπάρχει επίσης ένας αριθμός σταθερών σταθμών βάσης, διευθετημένων ώστε να παρέχουν κάλυψη στους συνδρομητές. Η περιοχή που καλύπτεται από ένα σταθμό βάσης, π.χ. η περιοχή από την οποία οι εισερχόμενες κλήσεις φθάνουν στο σταθμό βάσης, καλείται κελί. Εκτός από τα κυψελωτά υπάρχουν πολλά είδη ασύρματων συστημάτων. Πρώτον υπάρχουν συστήματα μετάδοσης όπως τα AM ράδιο, FM ράδιο, δορυφορικά, τηλεοπτικά και συστήματα τηλεειδοποίησης (paging). Όλα αυτά μοιάζουν στο τμήμα της κάτω ζεύξης (downlink) με τα κυψελωτά δίκτυα, αν και οι ρυθμοί δεδομένων και η περιοχή κάλυψης κάθε κόμβου μετάδοσης, και οι περιοχές συχνοτήτων είναι πολύ διαφορετικά. Επίσης, υπάρχουν ασύρματα τοπικά δίκτυα LAN (local area networks). Αυτά σχεδιάστηκαν για ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς δεδομένων από τα κυψελωτά δίκτυα, όμως κατά τα άλλα είναι παρόμοια με ένα απλό κελί του κυψελωτού συστήματος. Αυτά σχεδιάστηκαν για να συνδέουν laptop και άλλες φορητές συσκευές σε ένα δίκτυο τοπικής περιοχής μέσα σε ένα κτίριο γραφείων ή παρόμοιο περιβάλλον. Υπάρχει μικρή αναμενόμενη ευκινησία σε αυτά τα συστήματα και η κύρια λειτουργία τους είναι να επιτρέπουν τη φορητότητα. Τα κύρια πρωτόκολλα για τα ασύρματα LAN είναι η οικογένεια της IEEE Υπάρχουν πρωτόκολλα μικρότερης κλίμακας όπως το Bluetooth ή ένα πιο πρόσφατο βασισμένο στην επικοινωνία υπέρ ευρείας ζώνης UWB (Ultra Wideband), των οποίων στόχος είναι η μείωση της καλωδίωσης σε ένα γραφείο και η απλοποίηση των μεταδόσεων μεταξύ συσκευών γραφείου και φορητών. Τέλος, υπάρχει ένας άλλος τύπος LAN που καλείται δίκτυο ad-hoc. Εδώ, αντί για ένα σταθερό κόμβο (σταθμό βάσης) μέσω του οποίου γίνεται η ροή μετάδοσης πληροφορίας, όλοι οι κόμβοι είναι όμοιοι. Το δίκτυο αυτοοργανώνεται με συνδέσμους μεταξύ διαφόρων ζευγαριών κόμβων και αναπτύσσει πίνακες δρομολόγησης χρησιμοποιώντας αυτούς τους συνδέσμους. Εδώ τα θέματα επιπέδου δικτύου τα σχετικά με δρομολογήσεις, διασπορά πληροφορία ελέγχου κ.α. είναι σημαντικού ενδιαφέροντος, αν και τα προβλήματα της βασιζόμενης και κατανεμημένης συνεργασίας μεταξύ κόμβων μπορούν να αντιμετωπιστούν και από το φυσικό επίπεδο και είναι ενεργές περιοχές έρευνας. 8

9 1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ασύρματων επικοινωνιών Πλεονεκτήματα Οι ασύρματες επικοινωνίες έχουν ένα αριθμό πλεονεκτημάτων, ξεκινώντας από την δυνατότητα μετακίνησης που προσφέρουν. Ο χρήστης ή οι συσκευές δεν περιορίζονται πλέον από τα καλώδια και μπορούν να επικοινωνήσουν από οποιοδήποτε σημείο σε οποιοδήποτε σημείο, εντός της εμβέλειας του δικτύου, διευκολύνοντας και απλοποιώντας πολλές πλευρές της καθημερινής ζωής. Για παράδειγμα, ποιος μπορεί σε μια ανεπτυγμένη χώρα να φανταστεί σήμερα τη ζωή του χωρίς κινητό τηλέφωνο ή ένα laptop χωρίς τη δυνατότητα ασύρματης δικτύωσης; Επίσης, εξαλείφεται το κόστος ύπαρξης ενσύρματης υποδομής, συντήρησης και αναβάθμισής της. Η πρόσθεση ή η αφαίρεση μιας συσκευής από το σύστημα είναι ένα απλό ζήτημα και μπορεί να γίνει χωρίς καμία επέμβαση στο υπόλοιπο σύστημα. Ειδικά όταν αναφερόμαστε σε δίκτυα χωρίς σταθμούς βάσης ή συγκεκριμένη τοπολογία, όπως τα ad-hoc δίκτυα, αυξάνεται ευελιξία, καθώς το δίκτυο μπορεί να δημιουργηθεί ή να απενεργοποιηθεί ανά πάσα στιγμή και σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου (αρκεί να είναι εντός εμβέλειας) ανάλογα με την επιθυμία ή αναγκαιότητα του χρήστη ή των συσκευών. Μειονεκτήματα Ένα από τα κύρια προβλήματα που παρουσιάζεται στις επικοινωνίες γενικότερα, είναι το ήδη περιορισμένο φάσμα διαθέσιμο για επικοινωνίες. Το εναπομένον ελεύθερο φάσμα πρέπει να χρησιμοποιηθεί στο μέγιστο του δυναμικού του, με την τεχνολογία εξάπλωσης φάσματος (spread spectrum) να παρουσιάζεται ως ένα κατάλληλο μέσο αύξησης της απόδοσης. Η διαίρεση του περιβάλλοντος σε ένα αριθμό μικρών κελιών, επίσης αυξάνει το συνολικό προσβάσιμο εύρος ζώνης του συστήματος επικοινωνιών, αλλά επίσης αυξάνει το κόστος όσο η απαίτηση για περισσότερα κελιά μεγαλώνει. Τεχνικές όπως η διαφορική λήψη (diversity) συνδυαζόμενες μπορούν επίσης να αυξήσουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης μέσα από βελτιωμένες ικανότητες λήψης. Όπου εκπέμπει μεγάλος αριθμός συσκευών, κάθε μια σε χαμηλή ισχύ, μια ευμεγέθης ποσότητα ραδιοισχύος παράγεται. Αν και οι επιδράσεις των ραδιοεπικοινωνιών στην ανθρώπινη υγεία είναι ακόμα αντικείμενο έρευνας, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή και παραπάνω εργασία σε αυτόν τον τομέα πριν αναπτυχθούν ασύρματα συστήματα μεγάλης κλίμακας. 9

10 Η χωρίς περιορισμούς φύση του μέσου επικοινωνιών των ραδιοκυμάτων απαιτεί την ενασχόληση με το θέμα της ασφάλειας δικτύου. Η επικύρωση των επικοινωνιακών οντοτήτων πρέπει επίσης να γίνει ώστε να εξασφαλιστεί ότι μόνο οι εγκεκριμένες συσκευές μπορούν να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας το δίκτυο, και ότι μόνο αυτές μπορούν να λαμβάνουν δεδομένα. Κάποιο είδος κρυπτογράφησης (encryption) μπορεί να απαιτηθεί για τις επικοινωνίες, ώστε να αποφευχθεί η λήψη δεδομένων εκπεμπόμενων από το δίκτυο από συσκευές που δεν λαμβάνουν μέρος στις επικοινωνίες. Επιπρόσθετα στο θέμα ασφάλειας απέναντι σε εξωτερικές συσκευές που επιχειρούν να αποκτήσουν πρόσβαση στο δίκτυο, σήματα παρεμβολής μπορεί να παραχθούν από άλλες συσκευές στο περιβάλλον γραφείου, για παράδειγμα εκτυπωτές και άλλες ηλεκτρομηχανικές συσκευές. Αυτές οι συσκευές μπορούν προσωρινά να διακόπτουν μια επικοινωνιακή ζεύξη με το θόρυβο που προκαλούν. Τέλος, τίθεται θέμα βέλτιστης εκμετάλλευσης της ισχύος, καθώς οι πλήρως φορητές μονάδες πρέπει να εξοικονομούν όσο περισσότερη ενέργεια γίνεται για να παρατείνουν τη διάρκεια λειτουργίας του. Έτσι γίνεται έρευνα για την κατασκευή μπαταριών με ακόμα μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, αλλά και μικρού μεγέθους, και για την εφαρμογή τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος. 1.4 Ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας (Short-range wireless networks) Τις τελευταίες δεκαετίες, η πρόοδος στη μικροηλεκτρονική και στην τεχνολογία ολοκλήρωσης πολύ μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration - VLSI) καλλιέργησε την ευρεία χρήση υπολογιστικών και επικοινωνιακών συσκευών για εμπορικούς σκοπούς. Η επιτυχία εμπορικών προϊόντων όπως προσωπικοί υπολογιστές, laptop, προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (PDA), κινητά τηλέφωνα, ασύρματα τηλέφωνα, και τα περιφερειακά τους έχει βασιστεί στη διαρκή μείωση κόστους και μεγέθους. Η μεταφορά πληροφοριών μεταξύ αυτών των συσκευών έχει υπάρξει δυσκίνητη, βασισμένη κυρίως σε καλώδια. Τα τελευταία χρόνια, μια νέα παγκόσμια ραδιοεπικοινωνιακή διεπιφάνεια έχει αναπτυχθεί, δίνοντας τη δυνατότητα στις ηλεκτρονικές συσκευές να επικοινωνούν ασύρματα μέσω μικρής εμβέλειας ad-hoc ραδιοεπικοινωνιακών ζεύξεων. Η τεχνολογία του Bluetooth -που κέρδισε την υποστήριξη ηγετικών κατασκευαστών όπως οι: Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, Intel, και πολλές άλλεςπεριορίζει την ανάγκη για σύρματα, καλώδια και τους αντίστοιχους συνδέσμους μεταξύ ασύρματων ή κινητών τηλεφώνων, μόντεμ, ακουστικών κεφαλής, PDA, 10

11 υπολογιστών, εκτυπωτών, projector, και άλλων ακόμα, και προετοιμάζει το δρόμο για νέες και τελείως διαφορετικές συσκευές και εφαρμογές. Η τεχνολογία καθιστά δυνατό το σχεδιασμό χαμηλής ισχύος, μικρού μεγέθους, χαμηλού κόστους πομποδεκτών που μπορούν να ενσωματωθούν στις υπάρχουσες (φορητές) συσκευές. Στο τέλος, αυτοί οι ενσωματωμένοι πομποδέκτες θα οδηγήσουν σε ευρεία συνδεσιμότητα και θα συνδέουν πραγματικά ο,τιδήποτε με ο,τιδήποτε. Η ραδιοτεχνολογία επιτρέπει αυτή τη συνδεσιμότητα να συμβαίνει χωρίς καμία εξωτερική παρέμβαση από το χρήστη. Σύμφωνα με τον ορισμό της IEEE τα ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας (WPANs) χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν πληροφορία σε μικρές αποστάσεις μεταξύ μιας ιδιωτικής κρυφής ομάδας συμμετεχόντων συσκευών. Αντίθετα με ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο (WLAN), μια σύνδεση που γίνεται μέσω ενός WPAN περιλαμβάνει μικρή ή καθόλου υποδομή ή απευθείας συνδεσιμότητα με τον κόσμο εκτός του συνδέσμου. Αυτό επιτρέπει να εφαρμοστούν μικρές, αποδοτικές ενεργειακά, οικονομικές λύσεις για ένα μεγάλο πλήθος συσκευών. 1.5 Συμβατικά και Ad-hoc ραδιοσυστήματα Η πλειονότητα των ραδιοσυστημάτων σε εμπορική χρήση σήμερα είναι βασισμένη σε μια αρχιτεκτονική κυψελωτού δικτύου. Ένα δίκτυο κινητών επικοινωνιών δημιουργημένο σε καλωδιακή θεμελιώδη υποδομή χρησιμοποιεί έναν ή περισσότερους σταθμούς βάσης τοποθετημένους σε στρατηγικές θέσεις για να παρέχει κάλυψη τοπικού κελιού. Οι χρήστες χρησιμοποιούν φορητά τηλέφωνα, ή πιο γενικής χρήσης κινητά τηλέφωνα, για να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, τα τερματικά διατηρούν μια σύνδεση στο δίκτυο μέσω ενός ραδιοσυνδέσμου με τους σταθμούς βάσης. Υπάρχει ένας αυστηρός διαχωρισμός μεταξύ σταθμών βάσης και τερματικών. Αφού καταχωρηθούν στο δίκτυο, τα τερματικά παραμένουν κλειδωμένα στα κανάλια ελέγχου στο δίκτυο και οι συνδέσεις μπορούν να δημιουργηθούν και να απελευθερωθούν σύμφωνα με τα πρωτόκολλα ελέγχου καναλιού. Η πρόσβαση καναλιού, η διανομή καναλιού, ο έλεγχος επικοινωνιακού φόρτου και η ελαχιστοποίηση παρεμβολών ελέγχονται συστηματικά από τους σταθμούς βάσης. Παραδείγματα αυτών των συμβατικών ραδιοσυστημάτων είναι τα δημόσια κυψελωτά συστήματα τηλεφωνίας όπως τα: GSM, D-AMPS και IS-95, αλλά και ιδιωτικά συστήματα όπως τα WLAN συστήματα βασισμένα στο ή HIPERLAN I και HIPERLAN II, και ασύρματα συστήματα όπως τα DECT και PHS. Αντίθετα, σε πραγματικά ad-hoc συστήματα, δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ ραδιομονάδων, δηλαδή δεν υπάρχουν διακριτοί σταθμοί βάσης ή 11

12 τερματικά. Η συνδεσιμότητα ad-hoc βασίζεται σε ισότιμες επικοινωνίες. Δεν υπάρχει ενσύρματη υποδομή για να υποστηρίξει τη συνδεσιμότητα μεταξύ φορητών μονάδων, δεν υπάρχει κεντρικός ελεγκτής για τις μονάδες στον οποίο να βασιστούν οι διασυνδέσεις, ούτε υπάρχει υποστήριξη για συντονισμό των επικοινωνιών. Επιπρόσθετα, δεν υπάρχει μεσολάβηση των χειριστών. Για τα σενάρια που οραματίζεται το Bluetooth, είναι πολύ πιθανό, ένας μεγάλος αριθμός ad-hoc συνδέσεων θα συνυπάρχει στην ίδια περιοχή χωρίς καθόλου αμοιβαίο συντονισμό, δηλαδή δεκάδες ζεύξεις ad-hoc πρέπει να μοιράζονται το ίδιο μέσο στον ίδιο χώρο με μη συντονισμένο τρόπο. Αυτό είναι διαφορετικό από ad-hoc σενάρια του παρελθόντος, όπου η συνδεσιμότητα adhoc στόχευε κυρίως στο να παρέχει μόνο ένα (ή πολύ λίγα) δίκτυο/α μεταξύ των μονάδων στην εμβέλεια. Για τις εφαρμογές Bluetooth, τυπικά, πολλά ανεξάρτητα δίκτυα επικαλύπτονται στην ίδια περιοχή. Αυτό αναφέρεται ως scatter ad-hoc περιβάλλον. Τα scatter ad-hoc περιβάλλοντα αποτελούνται από πολλαπλά δίκτυα, που το καθένα περιλαμβάνει μόνο ένα περιορισμένο αριθμό μονάδων. Η διαφορά μεταξύ ενός συμβατικού κυψελωτού περιβάλλοντος και ενός scatter ad-hoc φαίνονται στο σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1 : Τοπολογίες για : α) κυψελωτά ραδιοσυστήματα με τα τετράγωνα να αντιπροσωπεύουν τους ακίνητους σταθμούς βάσης, β) συμβατικά ad-hoc συστήματα γ) scatter ad-hoc συστήματα 12

13 Ad-hoc συστήματα έχουν χρησιμοποιηθεί κατά περιόδους, όπως για παράδειγμα τα συστήματα walky-talky που χρησιμοποιούνταν από στρατιωτικά, αστυνομικά, πυροσβεστικά σώματα και γενικότερα ομάδες διάσωσης. Παρόλα αυτά το σύστημα Bluetooth είναι το πρώτο εμπορικό ad-hoc ραδιοσύστημα που οραματίζεται να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα και να είναι ευρέως διαθέσιμο στο κοινό. 13

14 Κεφάλαιο 2 Περιγραφή και Προδιαγραφές του Bluetooth (Bluetooth Overview and Specifications) Το 1994 η εταιρεία Ericsson έδειξε ενδιαφέρον για τη σύνδεση των κινητών της τηλεφώνων σε άλλες συσκευές (όπως συσκευές PDA) χωρίς καλώδια. Μαζί με άλλες τέσσερις εταιρείες (IBM, Intel, Nokia, και Toshiba), σχημάτισε μια Ομάδα Ειδικών Ενδιαφερόντων ή SIG (Special Interest Group, δηλαδή κοινοπραξία) για την ανάπτυξη ενός προτύπου ασύρματης διασύνδεσης υπολογιστικών και επικοινωνιακών συσκευών και βοηθημάτων με χρήση ραδιοκυματικών πομποδεκτών μικρής εμβέλειας, χαμηλής ισχύος και χαμηλού κόστους. Το έργο ονομάστηκε Bluetooth από τον Harald Blaatand II (ή Bluetooth, δηλαδή μπλε δόντι) ( ), ένα βασιλιά των Βίκινγκς που ενοποίησε τη Δανία και τη Νορβηγία. Αν και η ιδέα αρχικά ήταν να απαλλαγούμε από τα καλώδια μεταξύ των συσκευών, το έργο σύντομα άρχισε να επεκτείνεται και να εισβάλλει στον τομέα των ασύρματων LAN. Αν και αυτή η κίνηση κάνει το πρότυπο πιο χρήσιμο, δημιουργεί επίσης κάποιον ανταγωνισμό με την οικογένεια προτύπων (wireless local area networks - WLANs) και δημιουργεί μεταξύ τους παρεμβολές. Τον Ιούλιο του 1999 το SIG εξέδωσε την 1 η έκδοση προδιαγραφών για το Bluetooth. Λίγο αργότερα η ομάδα προτύπων του IEEE που μελετούσε τα ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας, η (wireless personal area networks WPANs) υιοθέτησε ως βάση το έγγραφο του Bluetooth και άρχισε να το τροποποιεί. Ακολούθησαν και άλλες εκδόσεις προδιαγραφών με τελευταία την 2.1 που εκδόθηκε τον Ιούλιο του 2007 και είναι πλήρως συμβατή προς τα πίσω με τις προηγούμενες εκδόσεις και περιλαμβάνει νέα χαρακτηριστικά. 14

15 2.1 Αρχιτεκτονική του Bluetooth (Bluetooth Architecture) Η βασική μονάδα ενός συστήματος Bluetooth είναι ένα μικροσκοπικό δίκτυο (piconet), το οποίο αποτελείται από έναν κόμβο κυρίου (master) και μέχρι και επτά ενεργούς κόμβους υπηρέτη (slaves) μέσα σε μια απόσταση 10 μέτρων. Πολλαπλά μικροσκοπικά δίκτυα μπορούν να συνυπάρχουν στο ίδιο (μεγάλο) δωμάτιο, ενώ μπορεί να είναι και συνδεδεμένα μέσω ενός κόμβου γέφυρας. Ένα διασυνδεδεμένο σύνολο μικροσκοπικών δικτύων ονομάζεται διάσπαρτο δίκτυο (scatter net). Εκτός από τους επτά ενεργούς κόμβους υπηρέτη του μικροσκοπικού δικτύου, μπορεί να υπάρχουν μέχρι και 255 σταθμευμένοι (parked) κόμβοι στο δίκτυο. Οι κόμβοι αυτοί είναι συσκευές τις οποίες ο κύριος έχει φέρει σε κατάσταση χαμηλής ισχύος, έτσι ώστε να μειώσει την κατανάλωση των μπαταριών τους. Στην σταθμευμένη κατάσταση, η συσκευή δεν μπορεί να κάνει τίποτα άλλο από το να αποκρίνεται σε ένα σήμα ενεργοποίησης ή σε ένα σήμα φάρου από τον κύριο. Υπάρχουν και δύο ενδιάμεσες καταστάσεις ισχύος, η δέσμευση (hold) και η ανίχνευση (sniff). Η αιτία για αυτή τη σχεδίαση κυρίου/ υπηρέτη είναι ότι οι σχεδιαστές ήθελαν να διευκολύνουν την υλοποίηση κυκλωμάτων Bluetooth με κόστος μικρότερο από $5. Μία συνέπεια αυτής της απόφασης είναι ότι οι υπηρέτες είναι σχετικά «χαζοί» αφού ουσιαστικά κάνουν ο,τιδήποτε τους λέει ο κύριος. Ουσιαστικά το μικροσκοπικό δίκτυο είναι ένα συγκεντρωτικό σύστημα TDM, με τον κύριο να ελέγχει το ρολόι και να καθορίζει ποια συσκευή θα επικοινωνήσει σε ποια χρονική υποδοχή. Όλες οι επικοινωνίες πραγματοποιούνται ανάμεσα στον κύριο και έναν υπηρέτη. Δεν είναι εφικτή η άμεση επικοινωνία από υπηρέτη σε υπηρέτη Σχήμα πολλαπλής πρόσβασης (Multiple Access Scheme) Η επιλογή σχήματος πολλαπλή πρόσβασης για τα ad-hoc ραδιοσυστήματα οδηγείται από την έλλειψη συντονισμού από τους κανονισμούς της ISM μπάντας. Η πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας (FDMA) είναι ελκυστική για ad-hoc συστήματα, αφού η ορθογωνιότητα του καναλιού βασίζεται στην ακρίβεια των κρυσταλλικών ταλαντωτών στις ραδιομονάδες. Συνδυασμένο με ένα προσαρμοζόμενο ή δυναμικό σχήμα κατανομής καναλιών, μπορούν να αποφευχθούν οι παρεμβολές. Δυστυχώς, το απλό FDMA δεν πληροί τις απαιτήσεις εξάπλωσης που ορίζονται στη μπάντα ISM. 15

16 Η πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMA) αυστηρό συγχρονισμό για ορθογωνιότητα καναλιού. Για πολλαπλές παρατιθέμενες ad-hoc συνδέσεις, η διατήρηση μιας κοινής χρονικής αναφοράς γίνεται ιδιαίτερα φορτική. Η πολλαπλή πρόσβασης διαίρεσης κώδικα (CDMA) προσφέρει τις καλύτερες ιδιότητες για ad-hoc ραδιοσυστήματα καθώς παρέχει εξάπλωση και μπορεί να αντιμετωπίσει μη συντονισμένα συστήματα. Η κωδικοποίηση καναλιού μας επιτρέπει να μειώσουμε την ισχύ του πομπού αυξάνοντας το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος, μέσω του πλεονασμού που εισάγει ο κώδικας, ανταλλάσσοντας έτσι ισχύ εκπομπής με εύρος ζώνης καναλιού. Το DS (direct sequence)- CDMA είναι λιγότερο ελκυστικό λόγω του nearfar προβλήματος που απαιτεί συντονισμένο έλεγχο ισχύος ή υπερβολικό κέρδος επεξεργασίας. Επιπλέον, όπως και στο TDMA, η ορθογωνιότητα καναλιού του DS-CDMA απαιτεί κοινή αναφορά χρονισμού. Τέλος, για μεγαλύτερους ρυθμούς χρήστη, χρειάζονται ιδιαίτερα υψηλοί ρυθμοί chip, που είναι λιγότερο ελκυστικό εξαιτίας του ευρέος φάσματος (ανοσία στις παρεμβολές) και υψηλή κατανάλωση ρεύματος. Το FH (frequency hopping) - CDMA συνδυάζει έναν αριθμό ιδιοτήτων που το κάνουν την καλύτερη επιλογή για ad-hoc ραδιοσυστήματα. Κατά μέσο όρο το σήμα μπορεί να εξαπλωθεί σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων, αλλά στιγμιαία μόνο ένα μικρό εύρος ζώνης είναι κατειλημμένο, αποφεύγοντας την περισσότερη δυνατή παρεμβολή στην ISM μπάντα. Τα φέροντα μεταπήδησης (hop carriers) είναι ορθογώνια, και οι παρεμβολές στα παρακείμενα μπορούν να κατασταλούν με φίλτρα. Οι ακολουθίες μεταπήδησης (hop sequences) δε θα είναι ορθογώνιες (άλλωστε ο συντονισμός των ακολουθιών αυτών δεν επιτρέπεται από το FCC), αλλά στενής ζώνης και η παρεμβολή μεταξύ χρηστών βιώνεται ως μικρές διακοπές στις επικοινωνίες, που μπορούν να ξεπερασθούν με μέτρα στα πρωτόκολλα υψηλότερου στρώματος. Το Bluetooth βασίζεται στο FH-CDMA. Στα 2.45 GHz της ISM μπάντας, ένα σετ 79 φερόντων μεταπήδησης έχουν οριστεί με διάστημα 1 MHz. Το κανάλι είναι ένα κανάλι μεταπήδησης με ονομαστικό χρόνο παραμονής τα 625μs. Ένας μεγάλος αριθμός από ψευδοτυχαίες ακολουθίες μεταπήδησης έχουν οριστεί. Όταν χρησιμοποιείται δυαδικό FSK, o διαμορφωτής επιλέγει μία από τις δύο συχνότητες f0 ή f1, σύμφωνα με τη μετάδοση ενός 0 ή ενός 1. Το δυαδικό όμως FSK σήμα που προκύπτει μετατίθεται (μεταπηδά) κατά συχνότητα ανάλογα με το ποσό που καθορίζεται από την ακολουθία εξόδου μιας γεννήτριας PN, η οποία χρησιμοποιείται για να επιλέγει τυχαία μια φέρουσα συχνότητα fc η οποία παράγεται από έναν συνθέτη συχνότητας (synthesizer). Με τη συχνότητα αυτή γίνεται μίξη της εξόδου του διαμορφωτή FSK και το προκύπτον μετατοπισμένο σήμα εκπέμπεται μέσα από το κανάλι. 16

17 Η συγκεκριμένη ακολουθία καθορίζεται από τη μονάδα που ελέγχει το FH κανάλι, που ονομάζεται master. Το τοπικό ρολόι της μονάδας master καθορίζει επίσης τη φάσης της ακολουθίας μεταπήδησης. Όλοι οι συμμετέχοντες στο κανάλι είναι οι υπηρέτες (slaves), που χρησιμοποιούν την ταυτότητα του master για να προσθέσουν χρονικές μετατοπίσεις (offsets) στα δικά τους τοπικά ρολόγια ώστε να συγχρονιστούν με τη συχνότητα μεταπήδησης. Στο δέκτη, δηλαδή, υπάρχει μια πανομοιότυπη γεννήτρια ακολουθίας PN συγχρονισμένη με το λαμβανόμενο σήμα, η οποία χρησιμοποιείται για να ελέγχει την έξοδο ενός συνθέτη συχνότητας. Έτσι, η ψευδοτυχαία μεταπήδηση συχνότητας που προκαλείται στον πομπό αναιρείται στον αποδιαμορφωτή με τον ίδιο τρόπο, δηλαδή χάρη στη μίξη του λαμβανόμενου σήματος διάχυτου φάσματος με το σήμα εξόδου του συνθέτη συχνοτήτων ο οποίος ελέγχεται από τον ίδιο κώδικα PN. Στο πεδίο του χρόνου, το κανάλι χωρίζεται σε θυρίδες (slots). Ο ελάχιστος χρόνος παραμονής των 625 μs αντιστοιχεί σε μια μονή θυρίδα. Για να απλοποιηθεί η εφαρμογή, επικοινωνίες full-duplex επιτυγχάνονται εφαρμόζοντας TDD (time-division duplex). Αυτό σημαίνει ότι μια μονάδα εναλλάξ εκπέμπει και λαμβάνει. Διαχωρισμός εκπομπής και λήψης στο χρόνο αποτελεσματικά προλαμβάνει το crosstalk μεταξύ των λειτουργιών εκπομπής και λήψης στην πομποδέκτη, που είναι απαραίτητο αν είναι επιθυμητή υλοποίηση σε ένα chip. Αφού εκπομπή και λήψη λαμβάνουν χώρα σε διαφορετικές χρονοθυρίδες, η εκπομπή και η λήψη θα λαμβάνουν χώρα επίσης και σε διαφορετικά φέροντα μεταπήδησης. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται το FH/ TDD κανάλι που εφαρμόζεται στο Bluetooth. Σχήμα 2.1: Απεικόνιση του καναλιού FH/TDD που εφαρμόζεται στο Bluetooth 17

18 2.1.2 Έλεγχος πρόσβασης μέσου (Medium Access Control) Το Bluetooth έχει βελτιστοποιηθεί ώστε να επιτρέπει ένα μεγάλο αριθμό μη συντονισμένων επικοινωνιών να λαμβάνουν χώρα στην ίδια περιοχή. Διαφορετικά από ό,τι οι άλλες ad-hoc λύσεις όπου όλες οι μονάδες στην εμβέλεια μοιράζονται το ίδιο κανάλι, το Bluetooth έχει σχεδιαστεί ώστε να επιτρέπει ένα μεγάλο αριθμό ανεξάρτητων καναλιών, με κάθε κανάλι να υπηρετεί μόνο ένα περιορισμένο αριθμό συμμετεχόντων. Με το θεωρηθέν σχήμα διαμόρφωσης, ένα απλό κανάλι FH στην ISM μπάντα υποστηρίζει μόνο μεικτό ρυθμό bit 1 Mb/s. Αυτή η χωρητικότητα έχει να μοιρασθεί μεταξύ όλων των συμμετεχόντων στο κανάλι. Θεωρητικά, το φάσμα με τα 79 φέροντα πρέπει να υποστηρίζει 79 Mb/s. Σε σενάρια χρήστη που έχει σαν στόχο το Bluetooth, είναι αρκετά απίθανο όλες η μονάδες στην εμβέλεια να χρειάζεται αν ανταλλάξουν πληροφορίες μεταξύ όλων τους. Χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο αριθμό ανεξάρτητων καναλιών του 1Mb/s στα οποία μόνο μονάδες που θέλουν πραγματικά να ανταλλάξουν πληροφορίες συνδέονται, τα 80 MHz εκμεταλλεύονται πολύ πιο αποτελεσματικά. Εξαιτίας της μη ορθογωνιότητας των ακολουθιών μεταπήδησης, η θεωρητική χωρητικότητα των 79 MHz δεν μπορεί να επιτευχθεί, αλλά τουλάχιστον είναι αρκετά μεγαλύτερη από 1 Mb/s. Ένα FH κανάλι Bluetooth είναι συσχετισμένο με ένα piconet. Όπως έχει αναφερθεί, το piconet καθορίζεται από την ταυτότητα (που παρέχει την ακολουθία μεταπήδησης) και του ρολόι συστήματος ( που παρέχει την φάση μεταπήδησης) μιας μονάδας master. Κάθε Bluetooth ραδιομονάδα έχει ένα ανεξάρτητης λειτουργίας σύστημα ή τοπικό ρολόι. Δεν υπάρχει μια κοινή αναφορά χρονισμού, αλλά όταν ιδρυθεί ένα piconet, οι υπηρέτες προσθέτουν offset στα τοπικά ρολόγια τους ώστε να συγχρονιστούν με το master. Αυτά τα offset απελευθερώνονται ξανά όταν ακυρωθεί το piconet, αλλά μπορεί να αποθηκευτούν για μεταγενέστερη χρήση. Διαφορετικά κανάλια έχουν διαφορετικά master και επομένως και διαφορετικές ακολουθίες και φάσεις μεταπήδησης. Ο αριθμός των μονάδων που μπορούν να συμμετέχουν σε ένα κοινό κανάλι είναι σκόπιμα περιορισμένος σε 8 (1 master και 7 slaves) ώστε να διατηρείται ζεύξη υψηλής χωρητικότητας μεταξύ όλων των μονάδων. Περιορίζει επίσης τα επιπλέον bit που θα χρειάζονταν για τη διευθυνσιοδότηση. Ο ρόλος master/slave αποδίδεται σε μια μονάδα μόνο κατά τη διάρκεια του piconet. Όταν αυτό ακυρώνεται, οι ρόλοι ακυρώνονται επίσης. Κάθε μονάδα μπορεί να γίνει master ή slave. Εξ ορισμού η μονάδα που εγκαθιδρύει το piconet γίνεται master. 18

19 Επιπροσθέτως με τον ορισμό του piconet, το master ελέγχει τη μετάδοση πληροφορίας στο piconet και φροντίζει τον έλεγχο πρόσβασης. Η πρόσβαση δεν επιδέχεται ανταγωνισμό. Ο μικρός χρόνος παραμονής των 625 μs επιτρέπει τη μετάδοση ενός μόνο πακέτου. Στο Bluetooth το master υλοποιεί κεντρικό έλεγχο, μόνο επικοινωνία μεταξύ του master και ενός ή περισσοτέρων slave είναι δυνατή. Οι χρονοθυρίδες χρησιμοποιούνται εναλλάξ για εκπομπή master και εκπομπή slave. Στην εκπομπή master, το master περιλαμβάνει μια διεύθυνση slave, της μονάδας στην οποία απευθύνεται. Για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις στο κανάλι εξαιτίας των πολλαπλών εκπομπών slave το master χρησιμοποιεί μια τεχνική polling: για κάθε slave-to-master θυρίδα, το master αποφασίζει ποιος υπηρέτης επιτρέπεται να εκπέμψει. Αυτή η απόφαση πραγματοποιείται σε μια βάση θυρίδας. Αν το master έχει πληροφορία να στείλει σε ένα συγκεκριμένο υπηρέτη, αυτός αυτόματα καταμετράται (POLL) και μπορεί να επιστρέψει πληροφορία. Επειδή το master ρυθμίζει τη μετάδοση πληροφορίας στην άνω και στην κάτω ζεύξη, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν έξυπνοι προγραμματιστικοί αλγόριθμοι που να λαμβάνουν υπόψη τα χαρακτηριστικά του slave. Ανεξάρτητα παρακείμενα piconet μπορεί να παρεμβληθούν όταν περιστασιακά χρησιμοποιούν το ίδιο φέρον μεταπήδησης. Ένας τύπος ALOHA χρησιμοποιείται: η πληροφορία μεταδίδεται χωρίς να ελέγχει για ελεύθερο φέρον (listen - before - talk). Αν η πληροφορία ληφθεί εσφαλμένα, επανεκπέμπεται στην επόμενη ευκαιρία εκπομπής (μόνο για δεδομένα) Δημιουργία Διασύνδεσης ( Connection Establishment) Ένα κρίσιμο θέμα σχεδίασης σε ένα ad-hoc ραδιοσύστημα είναι η δημιουργία μιας διασύνδεσης. Πώς αυτές οι μονάδες βρίσκουν η μια την άλλη και πώς κάνουν συνδέσεις; Στο Bluetooth τρία στοιχεία έχουν οριστεί για να υποστηριχθεί η δημιουργία διασύνδεσης: scan, page, inquiry. Μια μονάδα σε αδράνεια (idle) θέλει να παραμείνει έτσι (sleep) για τον περισσότερο χρόνο ώστε να εξοικονομεί ενέργεια. Παρόλα αυτά για να επιτρέπει την πραγματοποίηση συνδέσεων, η μονάδα πρέπει να ακούει περιοδικά αν άλλες μονάδες επιθυμούν να συνδεθούν. Σε πραγματικά ad-hoc συστήματα, δεν υπάρχει κοινό κανάλι ελέγχου στο οποίο να μπορεί να κλειδωθεί η μονάδα ώστε να ακούει για μηνύματα κλήσης (page), όπως είναι συνηθισμένο στα συμβατικά (κυψελωτά) ραδιοσυστήματα. Στο Bluetooth, μια μονάδα ξυπνάει περιοδικά για να ακούσει τυχόν την ταυτότητά της. Παρόλα αυτά η ρητή ταυτότητα δεν χρησιμοποιείται, 19

20 αλλά ο κώδικας πρόσβασης (access code) που προέρχεται από την ταυτότητά της. Όταν μια μονάδα Bluetooth ξυπνάει για να σαρώσει (scan), ανοίγει τον ολισθαίνων συσχετιστή της που είναι ταιριασμένος με τον κώδικα πρόσβασης που προκύπτει από την ίδια της την ταυτότητα. Το παράθυρο σάρωσης είναι λίγο μεγαλύτερο από 10 ms. Κάθε φορά που η μονάδα ξυπνάει, σκανάρει ένα διαφορετικό φέρον μεταπήδησης. Αυτό είναι απαραίτητο από τους κανονισμούς, που δεν επιτρέπουν μια σταθερή προκαθορισμένη συχνότητα έγερσης (wake-up), και παρέχει ακόμα την απαραίτητη ανοσία σε παρεμβολές. Η ακολουθία μεταπήδησης wake-up έχει μήκος 32 μεταπηδήσεις (hops) και είναι κυκλική. Όλα τα 32 hops στη wake-up ακολουθία είναι μοναδικά και εκτείνονται σε τουλάχιστον 64 MHz από τα 80 MHz που είναι διαθέσιμα. Η ακολουθία είναι ψευδοτυχαία και μοναδική για κάθε συσκευή Bluetooth. Η ακολουθία προκύπτει από την ταυτότητα της μονάδας. Η φάση στην ακολουθία καθορίζεται από ένα τοπικό ρολόι στη μονάδα που τρέχει ανεξάρτητα. Συνεπώς, κατά τη διάρκεια της αδρανούς κατάστασης, το τοπικό ρολόι χρησιμοποιείται για να ρυθμίζει τις wake-up λειτουργίες. Γίνεται κατανοητό ότι μια εξισορρόπηση πρέπει να γίνει ανάμεσα στην κατανάλωση ενέργειας στην αδράνεια και στο χρόνο απόκρισης: αυξάνοντας το χρόνο που η μονάδα κοιμάται μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, αλλά θα παρατείνει το χρόνο πριν πραγματοποιηθεί μια πρόσβαση. Η μονάδα που θέλει να συνδεθεί πρέπει να επιλύσει την αβεβαιότητα συχνότητας-χρόνου: δεν ξέρει πότε μια αδρανής μονάδα θα ξυπνήσει και σε ποια συχνότητα. Το βάρος της επίλυσης αυτής της αβεβαιότητας σκόπιμα τοποθετείται στη μονάδα κλήσης, επειδή αυτό απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. Αφού μια ραδιομονάδα θα είναι σε κατάσταση αδράνειας για τον περισσότερο χρόνο, η μονάδα κλήσης θα πρέπει να αναλάβει το φορτίο της ενέργειας. Υποθέτουμε πρώτα ότι η μονάδα κλήσης γνωρίζει την ταυτότητα της μονάδας στην οποία θέλει να συνδεθεί. Τότε γνωρίζει την ακολουθία έγερσης και μπορεί επίσης να παράγει τον κώδικα πρόσβασης επαναλαμβανόμενα σε διαφορετικές συχνότητες: κάθε 1.25 ms, η μονάδα κλήσης εκπέμπει δύο κώδικες πρόσβασης και ακούει διπλά για απόκριση. 20

21 Σχήμα 2.2: Συμπεριφορά στο χρόνο και τη συχνότητα για μια Bluetooth μονάδα κλήσης (paging unit) Συνεχόμενοι κώδικες πρόσβασης εκπέμπονται σε διαφορετικά hops επιλεγμένα από την wake-up ακολουθία. Σε μια περίοδο 10 ms, 16 διαφορετικά φέροντα μεταπήδησης χρησιμοποιούνται, που αντιπροσωπεύουν τη μισή ακολουθία wake-up. Η μονάδα κλήσης εκπέμπει τον κώδικα πρόσβασης σε αυτές τις συχνότητες κυκλικά για τη διάρκεια της περιόδου ύπνου της αδρανούς μονάδας. Αν η αδρανής μονάδα ξυπνήσει σε οποιαδήποτε από αυτές τις 16 συχνότητες, θα λάβει τον κώδικα πρόσβασης και μια διαδικασία εγκαθίδρυσης σύνδεσης ακολουθεί. Παρόλα αυτά, αφού η μονάδα εκφώνησης δεν γνωρίζει ποια φάση χρησιμοποιεί η αδρανής μονάδα, η τελευταία μπορεί ισοδύναμα να ξυπνήσει σε οποιαδήποτε από τις υπόλοιπες 16 συχνότητες στην ακολουθία wake-up των 32 hop. Για αυτό αν η μονάδα κλήσης δεν λάβει απόκριση από την αδρανή μονάδα μετά από κάποιο χρόνο που αντιστοιχεί στον χρόνο ύπνου, θα εκπέμψει τον κώδικα πρόσβασης επαναλαμβανόμενα στα φέροντα μεταπήδησης στο υπόλοιπο μισό της ακολουθίας (λαμβάνοντας υπόψη ότι το ρολόι στην αδρανή μονάδα επίσης εξελίσσεται). Συνεπώς, η μέγιστη καθυστέρηση πρόσβασης ισοδυναμεί με δύο φορές τον χρόνο ύπνου. Όταν η αδρανής μονάδα λάβει το μήνυμα κλήσης, ειδοποιεί τη μονάδα κλήσης επιστρέφοντας ένα μήνυμα, που ξανά είναι ο κώδικας πρόσβασης που προέρχεται από την ταυτότητα της αδρανούς μονάδας. Σύμφωνα με αυτό η μονάδα κλήσης εκπέμπει ένα πακέτο FHS που περιέχει όλες τις πληροφορίες του εκφωνητή (για παράδειγμα: ταυτότητα και ρολόι). Αυτή η πληροφορία χρησιμοποιείται στη συνέχεια χρησιμοποιείται από τη μονάδα κλήσης και την αδρανή μονάδα για να ιδρυθεί ένα piconet, δηλαδή η μονάδα κλήσης γίνεται το master χρησιμοποιώντας την ταυτότητά της και το ρολόι της για να καθορίσει το κανάλι FH, και η αδρανής μονάδα γίνεται το slave. Η διαδικασία κλήσης που περιγράφτηκε παραπάνω προϋποθέτει ότι η μονάδα κλήσης δεν έχει καμία γνώση του ρολογιού στην αδρανή μονάδα. Παρόλα αυτά, αν οι μονάδες έχουν ξανασυναντηθεί στο παρελθόν, η μονάδα κλήσης θα έχει μια εκτίμηση του ρολογιού της αδρανούς μονάδας. Όταν οι μονάδες συνδέονται, ανταλλάσσουν πληροφορίες ρολογιού, και τα χρονικά 21

22 offset μεταξύ των ανεξάρτητης λειτουργίας ρολογιών τους αποθηκεύονται. Αυτό το offset είναι έγκυρο μόνο κατά τη διάρκεια της σύνδεσης, όταν η σύνδεση απελευθερώνεται, η πληροφορία offset γίνεται λιγότερο αξιόπιστη εξαιτίας της εξέλιξης των ρολογιών. Η αξιοπιστία αυτή είναι αντιστρόφως ανάλογη με το χρόνο που διανύθηκε από την τελευταία σύνδεση. Παρόλα αυτά, η μονάδα κλήσης μπορεί να εκμεταλλευτεί την πληροφορία offset για να εκτίμηση τη φάση της αδρανούς μονάδας. Υποθέτοντας ότι η εκτίμηση ρολογιού της αδρανούς μονάδας στην μονάδα κλήσης είναι k. Αν f(m) είναι το hop στην ακολουθία έγερσης τη χρονική στιγμή m, η μονάδα κλήσης θα θεωρήσει ότι η αδρανής μονάδα θα ξυπνήσει σε f(k ). Αλλά αφού σε 10 ms μπορεί να καλύψει 16 διαφορετικές συχνότητες, θα εκπέμψει επίσης τον κώδικα πρόσβασης a συχνότητες hop πριν και μετά f(k ) ή f(k -8), f(k -7), f(k ), f(k +1), f(k +7). Συνεπώς, η εκτίμηση φάσης στη μονάδα κλήσης μπορεί να είναι εκτός κατά -8 ή +7 ενώ ακόμα καλύπτει τη συχνότητα έγερσης της μονάδας σε αδράνεια. Με ένα ανεξάρτητης λειτουργίας ρολόι ακρίβειας ±250ppm, η εκτίμηση ρολογιού k είναι ακόμα χρήσιμη τουλάχιστον 5 ώρες μετά την τελευταία σύνδεση. Σε αυτή την περίπτωση, ο μέσος χρόνος απόκρισης μειώνεται σε μισό χρόνο ύπνου. Για να εγκαθιδρυθεί μια σύνδεση, η ταυτότητα του παραλήπτη είναι απαραίτητη για να καθοριστεί το μήνυμα κλήσης και η ακολουθία έγερσης. Αν αυτή η πληροφορία δεν είναι γνωστή, μια μονάδα που επιθυμεί να πραγματοποιήσει σύνδεση, μπορεί να μεταδώσει ένα μήνυμα αναζήτησης (inquiry) που προτρέπει τους παραλήπτες να επιστρέψουν τη διεύθυνσή τους και πληροφορία ρολογιού. Με τη διαδικασία αναζήτησης, ο αναζητών μπορεί να αποφασίσει ποιες μονάδες είναι σε εμβέλεια και ποια είναι τα χαρακτηριστικά τους. Το μήνυμα αναζήτησης είναι πάλι ένας κώδικας πρόσβασης, που όμως προέρχεται από μια προκαθορισμένη ταυτότητα (inquiry address). Οι αδρανείς μονάδες επίσης ακούν για το μήνυμα αναζήτησης σύμφωνα με μια 32-hop ακολουθία αναζήτησης. Οι μονάδες που λαμβάνουν το μήνυμα αναζήτησης επιστρέφουν ένα πακέτο FHS, που περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, την ταυτότητά τους και πληροφορία ρολογιού. Για την επιστροφή του πακέτου FHS ένας τυχαίος μηχανισμός υποχώρησης χρησιμοποιείται για να εμποδίσει ταυτόχρονη πολλαπλή εκπομπή από τους παραλήπτες. Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κλήσης και αναζήτησης, χρησιμοποιούνται 32 φέροντα μεταπήδησης. Για απλά συστήματα μεταπηδήσεων, τουλάχιστον 75 φέροντα μεταπήδησης πρέπει να χρησιμοποιούνται. Παρόλα αυτά κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κλήσης και αναζήτησης μόνο ένας κώδικας πρόσβασης χρησιμοποιείται για σηματοδότησης. Αυτός ο κώδικας πρόσβασης χρησιμοποιείται σαν κώδικας 22

23 direct-sequence. Το κέρδος επεξεργασίας που λαμβάνεται από αυτόν τον κώδικα direct-sequence συνδυασμένο με το κέρδος επεξεργασίας που λαμβάνεται από την ακολουθία 32-hop παρέχει ικανοποιητικό κέρδος επεξεργασίας για να ικανοποιήσει τους κανονισμούς για υβριδικά DS/FH συστήματα. Επομένως, κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κλήσης και ανίχνευσης, το σύστημα Bluetooth δρα ως ένα υβριδικό DS/FH σύστημα, ενώ κατά τη διάρκεια της σύνδεσης δρα ως ένα απλό FH σύστημα. 2.2 Προδιαγραφές ραδιοκυμάτων (Radio Specifications) Ζώνες συχνοτήτων και κατανομή καναλιών (Frequency bands and Channel arrangement) Το επίπεδο ραδιοκυμάτων μεταφέρει τα bit από το master στο slave ή αντίστροφα. Το σύστημα Bluetooth, που είναι χαμηλής ισχύος με εμβέλεια 10 μέτρων, λειτουργεί στη μπάντα των 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical). Αυτή η περιοχή συχνοτήτων είναι από MHz. Η ζώνη διαιρείται σε 79 κανάλια RF εύρους 1 MHz το καθένα που ορίζονται από τη σχέση: f = k MHz, k = 0,, Χαρακτηριστικά του πομπού (Transmitter Characteristics) Οι απαιτήσεις που δίνονται σε αυτή την ενότητα δίνονται ως επίπεδα ισχύος στον ρευματοδότη (connector) της κεραίας της συσκευής Bluetooth. Αν η συσκευή δεν έχει ρευματοδότη, θεωρείται μια κεραία αναφοράς με κέρδος 0 dbi. Η συσκευή κατηγοριοποιείται σε τρεις κλάσεις ισχύος: 23

24 Πίνακας 2.1: Κλάσεις ισχύος Η κλάση ισχύος 1 θα πρέπει να υλοποιεί έλεγχο ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος χρησιμοποιείται για να περιορίζει την εκπεμπόμενη ισχύ πάνω από τα +4 dbm. Η ικανότητα ελέγχου ισχύος κάτω από τα +4 dbm είναι προαιρετική και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος και του συνολικού επιπέδου παρεμβολών. Τα βήματα ισχύος θα σχηματίζουν μια μονοτονική ακολουθία, με ένα μέγιστο μέγεθος βήματος των 8 db και ένα ελάχιστο βήμα των 2 db. Μια συσκευή κλάσης 1 με μέγιστη εκπεμπόμενη ισχύ των +20 dbm θα πρέπει να είναι ικανή να ελέγχει την ισχύ εκπομπής της προς τα κάτω στα 4 dbm ή λιγότερα. Κατά τη σύνδεση, η ισχύς εξόδου δε θα πρέπει να υπερβαίνει τη μέγιστη ισχύ εξόδου της κλάσης ισχύος 2 για εκπομπή πακέτων αν συσκευή λήψης δεν υποστηρίζει την αποστολή μηνυμάτων ελέγχου ισχύος. Σε αυτή την περίπτωση, η συσκευή εκπομπής πρέπει να συμμορφωθεί με τους κανόνες μιας συσκευής κλάσεως 2 ή 3. Αν μια συσκευή κλάσης 1 καλεί (page) ή ερευνά (inquire) πολύ κοντά σε μια άλλη συσκευή, η ισχύς εισόδου μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από τις απαιτήσεις. Αυτό μπορεί να προκαλέσει αποτυχία απόκρισης στη συσκευή λήψης. Οι συσκευές δε θα πρέπει να ξεπερνούν τα μέγιστα επιτρεπτά επίπεδα ισχύος εκπομπής που ορίζονται από τους κανονισμούς. Το μέγιστο επιτρεπτό επίπεδο ισχύος εκπομπής μπορεί να εξαρτάται από τον τύπο διαμόρφωσης Χαρακτηριστικά διαμόρφωσης (Modulation Characteristics) 24

25 Στη μπάντα ISM το bandwidth σήματος των συστημάτων FH είναι περιορισμένο στο 1MHz. Για ευρωστία, ένα σχήμα δυαδικής διαμόρφωσης έχει επιλεχθεί. Με τον προαναφερθέντα περιορισμό bandwidth, οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων είναι περιορισμένοι στο 1Mb/s. Για συστήματα FH και υποστήριξη πληροφοριών δεδομένων σε ριπές (burst data traffic), είναι πιο κατάλληλο ένα μη-συμφασικό σχήμα ανίχνευσης. Για τη διαμόρφωση το Bluetooth χρησιμοποιεί μεταλλαγή ολίσθησης συχνότητας με εφαρμογή Gaussian φίλτρου για εξομάλυνση των παλμών (GFSK) με δείκτη διαμόρφωσης μεταξύ 0.28 και Το δυαδικό ένα «1» αναπαρίσταται με θετική απόκλιση συχνότητας και το δυαδικό μηδέν «0» με αρνητική απόκλιση συχνότητας. Αποδιαμόρφωση μπορεί να γίνει απλά με ένα ισοσταθμισμένο FM διευκρινιστή. Αυτό το σχήμα διαμόρφωσης επιτρέπει την υλοποίηση χαμηλού κόστους μονάδων εκπομπής-λήψης. Σχήμα 2.3: Το FSK σήμα στο πεδίο του χρόνου Χαρακτηριστικά του δέκτη (Receiver Characteristics) Το επίπεδο αναφοράς ευαισθησίας του δέκτη ορίζεται στα -70 dbm. Το πραγματικό επίπεδο ευαισθησίας ορίζεται ως το επίπεδο εισόδου για το οποίο επιτυγχάνεται καθαρός ρυθμός συμβόλων - λαθών (raw bit error rate BER) της τάξης του 0.1 %. Η ευαισθησία του δέκτη θα πρέπει να είναι κάτω από ή ίση 25

26 με -70 dbm με κάθε πομπό Bluetooth συμμορφώσιμο με τις προδιαγραφές του πομπού. Η επίδοση παρεμβολών σε ομοκαναλικό και παρακείμενο κανάλι 1 MHz και 2 MHz θα μετριέται με το ανεπιθύμητο σήμα σε επίπεδο 10 db πάνω από το επίπεδο αναφοράς ευαισθησίας. Για επίδοση παρεμβολών σε όλα τα άλλα RF κανάλια το ανεπιθύμητο σήμα θα πρέπει να είναι 3 db πάνω από το επίπεδο αναφοράς ευαισθησίας. Αν η συχνότητα του παρεμβαλλόμενου σήματος είναι εκτός της ζώνης MHz, θα πρέπει να εφαρμοστούν οι προδιαγραφές για out-of-band blocking που αναφέρονται στη συνέχεια. Το BER θα είναι 0.1% για όλους τους λόγους σήματος προς παρεμβολή C /I που παρατίθενται στον πίνακα 2.2: Πίνακας 2.2: Λόγοι σήματος προς παρεμβολή Ο περιορισμός ή απόρριψη των σημάτων εκτός ζώνης (out-of-band) θα μετριέται με το επιθυμητό σήμα 3 db πάνω από το επίπεδο αναφοράς ευαισθησίας. Το παρεμβαλλόμενο σήμα θα πρέπει ένα συνεχόμενο κυματοειδές σήμα. Το BER θα πρέπει να είναι 0.1%. Το out-of-band blocking θα πρέπει να ακολουθεί τις ακόλουθες απαιτήσεις: Πίνακας 2.3: Απαιτήσεις περιορισμού (ή απόρριψης) σημάτων εκτός ζώνης 26

27 2.3 Προδιαγραφές βασικής ζώνης (Baseband Specifications) Γενική περιγραφή Τα δεδομένα μεταδίδονται στον αέρα με τη μορφή πακέτων. Ορίζονται δύο ρυθμοί διαμόρφωσης, ένας υποχρεωτικός που ονομάζεται Βασικός Ρυθμός (Basic Rate) και ένας προαιρετικός που ονομάζεται Βελτιωμένος Ρυθμός Δεδομένων (Enhanced Data Rate), στον οποίο όμως δε θα γίνει περαιτέρω αναφορά στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Ο ρυθμός συμβόλων για όλους τους ρυθμούς διαμόρφωσης είναι 1Μs/s. Ο μεικτός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι 1Mbps. Η γενική μορφή του πακέτου Βασικού Ρυθμού φαίνεται στην εικόνα X. Κάθε πακέτο αποτελείται από τρεις οντότητες: τον κώδικα πρόσβασης (Access Code), την κεφαλίδα (Header) και το φορτίο (Payload). Σχήμα 2.4: Τυπικό πακέτο δεδομένων Βασικού Ρυθμού Το ρολόι του Bluetooth (Bluetooth Clock) Κάθε συσκευή Bluetooth έχει ένα τοπικό ρολόι που προέρχεται από ένα ανεξάρτητο ρολόι χρονισμού. Για συγχρονισμό με άλλες συσκευές χρησιμοποιούνται μετατοπίσεις (offsets) που, προστιθέμενες στο τοπικό ρολόι, παρέχουν αμοιβαίο συγχρονισμό. Αν το ρολόι υλοποιείται με έναν απαριθμητή ένας των 28-bit είναι απαραίτητος. Το λιγότερο σημαντικό ψηφίο (LSB) θα χτυπά σε μονάδες των μs (μισό χρονοπλαίσιο), δίνοντας ρυθμό ρολογιού των 3.2 khz. Το ρολόι καθορίζει κρίσιμες περιόδους και σκανδαλίζει γεγονότα στη συσκευή. Τέσσερις περίοδοι είναι σημαντικές στο Bluetooth: μs, 625 μs 1.25 μs και 1.28 s που αντιστοιχούν στα bit του χρονιστή: CLK0, CLK1, CLK2 και CLK12 αντίστοιχα. 27

28 Σχήμα 2.5: Το ρολόι του Bluetooth Διευθυνσιοδότηση του Bluetooth (Bluetooth Device Addressing) Σε κάθε συσκευή Bluetooth προσδίδεται μια μοναδική 48-bit διεύθυνση (BD_ADDR). Αυτή η διεύθυνση αποκτάται από την Αρχή Πιστοποίησης της IEEE (ΙΕΕΕ Registration Authority). Η διεύθυνση χωρίζεται σε τρία πεδία, τα: LAP: (lower address part) που αποτελείται από 24 bit UAP: (upper address part) που αποτελείται από 8 bit NAP: (non-significant address part) που αποτελείται από 16 bit Φυσικά κανάλια (Physical channels) Το χαμηλότερο αρχιτεκτονικό επίπεδο στο σύστημα Bluetooth είναι το φυσικό κανάλι. Όλα τα κανάλια του Bluetooth χαρακτηρίζονται από το συνδυασμό μιας ψευδοτυχαίας ακολουθίας μεταλλαγής συχνότητας (frequency hopping), συγκεκριμένου χρονισμού θυρίδων για τις μεταδόσεις, της κωδικοποίησης του κώδικα πρόσβασης και της κεφαλίδας. Το frequency hopping χρησιμοποιείται για την περιοδική αλλαγή συχνότητας ώστε να ελαττωθούν οι επιδράσεις των παρεμβολών και να ικανοποιηθούν οι τοπικές ρυθμιστικές απαιτήσεις. Για να επικοινωνήσουν 2 συσκευές χρησιμοποιούν ένα κοινόχρηστο φυσικό κανάλι. Για αυτό οι πομποδέκτες τους πρέπει να είναι συντονισμένοι στην ίδια RF συχνότητα την ίδια χρονική στιγμή, και θα πρέπει να είναι μέσα σε μια ονομαστική μεταξύ τους ακτίνα. Δεδομένου ότι ο αριθμός των RF φερόντων είναι περιορισμένος και ότι πολλές συσκευές Bluetooth μπορεί να λειτουργούν ανεξάρτητα μέσα στην ίδια χωροχρονική περιοχή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα δύο ανεξάρτητες συσκευές 28

29 να έχουν τους πομποδέκτες τους συντονισμένους στο ίδιο RF φέρον, με αποτέλεσμα να έχουμε σύγκρουση φυσικών καναλιών. Για να μετριαστούν τα ανεπιθύμητα αποτελέσματα αυτής της σύγκρουσης κάθε μετάδοση σε ένα φυσικό κανάλι ξεκινά με ένα Access code που χρησιμοποιείται σαν κώδικας συσχέτισης μεταξύ των συσκευών που είναι συντονισμένες στο φυσικό κανάλι. Αυτός ο κώδικας πρόσβασης είναι ιδιότητα του φυσικού καναλιού και είναι παρόν στην αρχή κάθε μεταδιδόμενου πακέτου. Ορίζονται τέσσερα φυσικά κανάλια Bluetooth. Κάθε ένα βελτιστοποιείται και χρησιμοποιείται για διαφορετικό σκοπό. Δύο από αυτά (basic piconet channel και adapted piconet channel ) χρησιμοποιούνται για επικοινωνία μεταξύ των συνδεδεμένων συσκευών και συσχετίζονται με ένα συγκεκριμένο μικροσκοπικό δίκτυο (piconet). Τα υπόλοιπα φυσικά κανάλια χρησιμοποιούνται για να ανακαλύπτουν (inquiry scan channel) και για να συνδέουν (page scan channel) συσκευές Bluetooth. Μια συσκευή Bluetooth μπορεί να χρησιμοποιήσει μόνο ένα από αυτά τα φυσικά κανάλια σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Για να υποστηριχθούν πολλαπλές, ταυτόχρονες λειτουργίες, η συσκευή χρησιμοποιεί Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου μεταξύ των καναλιών. Έτσι η συσκευή εμφανίζεται να λειτουργεί ταυτόχρονα σε αρκετά piconet, να μπορεί να ανακαλυφθεί και να συνδεθεί. Όποτε μια συσκευή είναι συγχρονισμένη με το χρονισμό, τη συχνότητα και τον κώδικα πρόσβασης ενός φυσικού καναλιού, λέμε ότι είναι συνδεδεμένη σε αυτό το κανάλι Λογικά κανάλια (Logical Transports) Κάθε πλαίσιο μεταδίδεται μέσω ενός λογικού καναλιού, που ονομάζεται σύνδεσμος (link), ανάμεσα στον κύριο και έναν υπηρέτη. Υπάρχουν δύο είδη συνδέσμων. Το πρώτο είναι ο Ασύγχρονος Ασυνδεσμικός σύνδεσμος ή ACL (Asynchronous Connection-Less), ο οποίος χρησιμοποιείται για δεδομένα μεταγωγής πακέτων τα οποία παράγονται σε ακανόνιστα χρονικά διαστήματα. Τα πακέτα μπορεί να χαθούν και μπορεί να χρειαστεί να αναμεταδοθούν. Ένας υπηρέτης μπορεί να έχει μόνο ένα σύνδεσμο ACL με τον κύριό του. Ο άλλος τύπος συνδέσμου είναι ο Σύγχρονος Συνδεσμοστραφής ή SCO (Synchronous Connection-Oriented) για δεδομένα πραγματικού χρόνου, όπως οι τηλεφωνικές συνδέσεις. Σε αυτόν τον τύπο εκχωρείται μια σταθερή υποδοχή σε κάθε κατεύθυνση. Ο κύριος χρησιμοποιεί προκαθορισμένες υποδοχές σε τακτά διαστήματα για τη σύγχρονη λογική σύνδεση. Λόγω της φύσης των 29

30 συνδέσμων SCO (περιέχουν δεδομένα που είναι κρίσιμα ως προς το χρόνο), τα πλαίσια που στέλνονται μέσω αυτών δεν αναμεταδίδονται ποτέ. Αντιθέτως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρεία διόρθωση σφαλμάτων για την παροχή υψηλής αξιοπιστίας. Ο κύριος μπορεί να μπορεί να υποστηρίξει μέχρι τρεις συνδέσμους SCO με τον ίδιο υπηρέτη ή με διαφορετικούς υπηρέτες. Ο υπηρέτης μπορεί να υποστηρίξει μέχρι τρεις συνδέσμους SCO με τον ίδιο κύριο ή δύο συνδέσμους SCO αν προέρχονται από διαφορετικούς κύριους. Υπάρχει ένας ακόμη τύπος σύγχρονου λογικού συνδέσμου ο e-sco (Exted Synchronous Connection-Oriented). Οι e-sco μπορεί να συμμετρικοί ή μη. Επιπλέον από τις ιδιότητες του SCO υποστηρίζει ένα παράθυρο επανεκπομπής (retransmission window) μετά τις προκαθορισμένες υποδοχές Πακέτα (Packets) Η γενική μορφή των πακέτων στο Βασικό Ρυθμό είναι όπως έχει προαναφερθεί η παρακάτω: Σχήμα 2.6: Γενική μορφή πακέτου Βασικού Ρυθμού Το Access Code αποτελείται από 72 ή 68 bit και το Header από 54. Το Payload κυμαίνεται από bit. Παρακάτω θα οριστούν οι διάφοροι τύποι πακέτων. Το πακέτο μπορεί να αποτελείται από το συντομευμένο access code μόνο, από το access code και το header ή από τo access code, το header και το payload. Για την ακολουθία των bit χρησιμοποείται η Little Endian μορφή. Το πρώτο bit που εκπέμπεται είναι το λιγότερο σημαντικό bit (LSB) Κώδικας Πρόσβασης (Access code) Κάθε πακέτο ξεκινά με έναν access code. Αν ακολουθεί packet header, το access code έχει μήκος 72 bits, αλλιώς έχει 68 και είναι γνωστό ως shortened access code. Το shortened access code δεν έχει trailer και χρησιμοποιείται ως 30

31 μήνυμα σηματοδοσίας στις καταστάσεις paging, inquiry και park. Το access code χρησιμοποιείται για το συγχρονισμό, την αντιστάθμιση της DC μετατόπισης και για την ταυτοποίηση. Όλα τα πακέτα που στέλνονται στο ίδιο φυσικό κανάλι έχουν το ίδιο access code. To access code αποτελείται από τα: Preamble, Synchronization Word, Trailer όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7 Σχήμα 2.7: Μορφή του Access Code Preamble Το preamble είναι μια σταθερή ακολουθία μηδέν-ένα από τέσσερα σύμβολα που χρησιμοποιείται για να διευκολύνει την αντιστάθμιση DC. Η ακολουθία είναι είτε 1010 είτε 0101, ανάλογα με το αν το λιγότερο σημαντικό ψηφίο της sync word είναι 1 ή 0 αντίστοιχα. Σχήμα 2.8: Preamble Sync word Το sync word είναι μια κωδική λέξη 64 bit που προκύπτει από μια διεύθυνση 24-bit (LAP). Η κατασκευή της εγγυάται μεγάλη απόσταση Hamming μεταξύ sync words που προέρχονται από διαφορετικά LAPs. Επιπροσθέτως, οι καλές ιδιότητες αυτοσυσχέτισης του sync word βελτιώνουν την απόκτηση χρονισμού. Τα sync words βασίζονται σε έναν (64,30) ελαττωμένο κώδικα block με ένα επικάλυμμα (XOR των ψηφίων) μιας ψευδοτυχαίας (pseudo-random - PN) ακολουθίας 64-bit θορύβου. Ο ελαττωμένος κώδικας εγγυάται μικρή απόσταση Hamming (dmin = 14) μεταξύ sync words που βασίζονται σε διαφορετικές διευθύνσεις. Η ακολουθία PN βελτιώνει τις ιδιότητες αυτοσυσχέτισης του κώδικα πρόσβασης. Τα επόμενα βήματα περιγράφουν πως πρέπει να δημιουργηθεί το sync word: 31

32 Δημιουργία της ακολουθίας πληροφορίας XOR της ακολουθίας πληροφορίας με το μέρος της PN ακολουθίας που την επικαλύπτει Δημιουργία της κωδικής λέξης XOR της κωδικής λέξης με όλα τα 64 bit της PN επικάλυψης Η ακολουθία πληροφορίας δημιουργείται με την προσθήκη 6 bit στην 24-bit LAP (βήμα 1). Τα προστιθέμενα bit είναι αν το MSB του LAP είναι 0 ή αν είναι 1. Το MSB του LAP μαζί με τα ψηφία που προστέθηκαν αποτελούν μια ακολουθία Barker μήκους εφτά. Ο σκοπός της ενσωμάτωσης μιας ακολουθίας Barker είναι η περαιτέρω βελτίωση των ιδιοτήτων αυτοσυσχέτισης. Στο βήμα 2 η πληροφορία ανακατεύεται (scramble) κάνοντας XOR με τα bit p34 p64 της PN ακολουθίας. Αφού παραχθεί η κωδική λέξη (βήμα 3), η συνολική PN ακολουθία υφίσταται XOR με την κωδική λέξη (βήμα 4). Αυτό το βήμα ξεμπερδεύει (de-scramble) το τμήμα πληροφορίας της κωδικής λέξης. Την ίδια ώρα, τα bit ισοτιμίας της κωδικής λέξης ανακατεύονται. Συνεπώς, η αρχικές LAP και Barker ακολουθίες εξασφαλίζουν ένα ρόλο ως μέρος του sync word του κώδικα πρόσβασης, και οι κυκλικές ιδιότητες του υποκείμενου κώδικα αφαιρούνται. Σχήμα 2.9: Δημιουργία του sync word Στη συνέχεια οι δυαδικές ακολουθίες θα αναφέρονται με τον αντίστοιχο μετασχηματισμό D (στον οποίο Di αντιπροσωπεύει καθυστέρηση i χρονικών 32

33 μονάδων). Ας υποθέσουμε ότι p'( D) p' p' D... p' D 62 = είναι η 63-bit PN ακολουθία, όπου p 0 είναι το πρώτο bit (LSB) που αφήνει το PRGN και p 62 το τελευταίο bit (MSB). Για να πάρουμε 64 bit ένα έξτρα μηδενικό προστίθεται στο τέλος της ακολουθίας (συνεπώς η p (D) δεν αλλάζει). Για διευκόλυνση θα χρησιμοποιείται η αντίστροφη ακολουθία pd ( ) = D 1 63 p'( ). Αυτή είναι η D ακολουθία p (D) σε αντίστροφη σειρά. Συμβολίζουμε τα 24 bit της διεύθυνσης της Bluetooth συσκευής LAP ως διεύθυνσης). a( D) a ad... a D 23 = (α0 είναι το LSB της Επομένως, το γεννήτορ πολυώνυμο του (64,30) κώδικα block δηλώνεται ως gd ( ) = (1 + Dg ) '( D), όπου g (D) είναι το γεννήτορ πολυώνυμο (σε οκταδική μορφή) ενός στοιχειώδους δυαδικού (63,30) κώδικα BCH. Επομένως, σε οκταδική μορφή είναι g ( D) = , με το αριστερότερο ψηφίο να αντιστοιχεί στο συντελεστή υψηλότερης τάξης (g34). Οι DC-free τεσσάρων bit ακολουθίες 0101 και 1010 μπορούν να γραφούν Αντίστοιχα. Επιπλέον, F0 ( D) = D+ D 2 F1 ( D) = 1+ D B0 ( D) = D + D + D 4 B1 ( D) = 1+ D+ D που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία της ακολουθίας εφτά ψηφίων Barker. Στη συνέχεια, ο κώδικας πρόσβασης μπορεί να δημιουργηθεί από την παρακάτω διαδικασία: Σχηματισμός των 30 bit πληροφορίας που θα κωδικοποιηθούν xd = ad+ D B D 24 ( ) ( ) a ( ) 23 Πρόσθεση του επικαλυπτόμενου τμήματος της ακολουθίας επικάλυψης PN 29 xd ( ) = xd ( ) + p34 + p35d+... p63d Δημιουργία των bit ισοτιμίας του (64,30) ελαττωμένου κώδικα μπλοκ 34 cd ( ) = D xd ( )mo gd d( ) Δημιουργία της κωδικής λέξης 33

34 34 sd ( ) = D xd ( ) + cd ( ) Πρόσθεση της ακολουθίας PN sd ( ) = sd ( ) + pd ( ) Προσθήκη των (DC-free) preamble και trailer y( D) = F ( D) + D s( D) + D F ( D) 4 68 c0 a 23 πολυώνυμο Δημιουργία ψευδοτυχαίας ακολουθίας θορύβου Για να δημιουργηθεί η PN ακολουθία χρησιμοποιείται το στοιχειώδες hd ( ) 1 D D D D = Η PN ακολουθία που δημιουργείται (συμπεριλαμβανομένου του επιπλέον μηδενικού στο τέλος) γίνεται 83848D96BBCC54FC (σε οκταδική μορφή). Χρησιμοποιώντας το αντίστροφο p(d) προκύπτει η ακολουθία 64-bit: p = 3F2A33DD69B121C1 όπου το αριστερότερο ψηφίο είναι p0 = 0 (υπάρχουν δύο αρχικά μηδενικά στη δυαδική αναπαράσταση του δεκαεξαδικού ψηφίου 3), και p63 = 1 είναι το δεξιότερο ψηφίο. Σχήμα 2.10: Το LSFR και η αρχική κατάσταση για τη δημιουργία του p (D) Trailer Το trailer παρατίθεται στο sync work μεταξύ του κώδικα πρόσβασης και της κεφαλίδας του πακέτου. Είναι μια σταθερή ακολουθία μηδέν ένα τεσσάρων bit. Το trailer μαζί με τα τρία MSB bit του sync word σχηματίζουν ένα μοτίβο εναλλασσόμενων μηδενικών και μονάδων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για DC αντιστάθμιση. Η ακολουθία trailer είναι είτε 1010 είτε 0101 ανάλογα με το αν το MSB του sync word είναι 0 ή 1 αντίστοιχα. 34

35 Σχήμα 2.11: Το trailer Κεφαλίδα πακέτου (Packet Header) Η κεφαλίδα περιέχει πληροφορία έλεγχου συνδέσμου και αποτελείται από έξι πεδία: LT_ADDR: 3-bit logical transport address TYPE: 4-bit type code FLOW: 1-bit flow control ARQN: 1-bit acknowledge indication SEQN: 1-bit sequence number HEC: 8-bit header error check Σχήμα 2.12: Μορφή κεφαλίδας Συνολικά, η κεφαλίδα αποτελείται από 18 bit και κωδικοποιείται με 1/3 FEC, οδηγώντας σε μια κεφαλίδα μήκους 54 bit. LT_ADDR Το πεδίο τριών bit LT_ADDR περιέχει τη διεύθυνση του λογικού συνδέσμου για το πακέτο. Το πεδίο αυτό υποδεικνύει τον υπηρέτη-προορισμό για ένα πακέτο σε μια θυρίδα master-to-slave μετάδοσης και υποδεικνύει τον υπηρέτη-πηγή για μια θυρίδα slave-to-master. TYPE Δεκαέξι διαφορετικοί τύποι πακέτων μπορούν να διακριθούν. Ο κωδικός TYPE των τεσσάρων bit καθορίζει ποιος τύπος πακέτου χρησιμοποιείται. Η ερμηνεία του κωδικού TYPE εξαρτάται από τη διεύθυνση λογικού συνδέσμου στο πακέτο. Πρώτα από όλα πρέπει να αποφασιστεί αν το πακέτο στάλθηκε σε 35

36 ένα SCO λογικό σύνδεσμο, έναν e-sco ή έναν ACL λογικό σύνδεσμο. Στη συνέχεια, μπορεί να αποφασισθεί ποιος τύπος πακέτου SCO, e-sco ή ACL έχει ληφθεί. Ο κωδικός TYPE καθορίζει πόσες θυρίδες θα καταλάβει το τρέχον πακέτο. Αυτό επιτρέπει τους υπόλοιπους δέκτες στους οποίους δεν έχει γίνει απεύθυνση, να αποφύγουν να ακούσουν το κανάλι για τη διάρκεια των υπόλοιπων θυρίδων. FLOW Αυτό το bit χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ροής των πακέτων στον ACL λογικό σύνδεσμο. Όταν το RX buffer για τον ACL λογικό σύνδεσμο στον παραλήπτη είναι γεμάτο, μια ένδειξη STOP (FLOW=0) πρέπει να επιστραφεί για να αποτρέψει την άλλη συσκευή από το να μεταδίδει δεδομένα προσωρινά. Το σήμα STOP επηρεάζει μόνο τα ACL πακέτα. Τα πακέτα που φέρουν μόνο πληροφορία ελέγχου συνδέσμου (ID, POLL και NULL πακέτα), SCO πακέτα ή e- SCO πακέτα μπορούν ακόμα να λαμβάνονται. Όταν το RX buffer μπορεί να δέχεται δεδομένα, μια ένδειξη GO (FLOW=1) πρέπει να επιστραφεί. Όταν δεν λαμβάνεται κανένα πακέτο, ή υπάρχει λάθος στην λαμβανόμενη κεφαλίδα, ένδειξη GO θα πρέπει να υποτεθεί αναμφίβολα. Σε αυτή την περίπτωση ο υπηρέτης μπορεί να λάβει νέο πακέτα με CRC, ακόμα κι αν το RX buffer του δεν έχει αδειάσει. Ο υπηρέτης τότε θα επιστρέψει ένα NAK ως απάντηση σε αυτό το πακέτο, ακόμα κι αν το πακέτο πέρασε τον έλεγχο CRC. Το bit FLOW δε χρησιμοποιείται στον e-sco λογικό σύνδεσμο ή στον ACL-C και θα πρέπει να τεθεί 1 στην εκπομπή και να αγνοηθεί στη λήψη. ARQN Η ένδειξη επιβεβαίωσης του ενός bit ARQN χρησιμοποιείται για να ενημερώσει την πηγή για μια επιτυχή μετάδοση δεδομένων payload με CRC και μπορεί να είναι μια θετική επιβεβαίωση ACK ή αρνητική NAK. SEQN Το bit SEQN παρέχει ένα σχήμα διαδοχικής αρίθμησης για να ταξινομήσει τη ροή δεδομένων του πακέτου. HEC Περισσότερες πληροφορίες στο υποκεφάλαιο επεξεργασίας ροής bit παρακάτω. 36

37 Τύποι πακέτων Τα χρησιμοποιούμενα πακέτα στο piconet σχετίζονται με τους λογικούς συνδέσμους στους οποίους χρησιμοποιούνται. Ένδειξη των διαφορετικών πακέτων αποτελεί ο 4-bit κωδικός τύπου. Οι τύποι πακέτων χωρίζονται σε 4 τμήματα. Το πρώτο τμήμα είναι προορισμένο για τα πακέτα ελέγχου, το δεύτερο για τα πακέτα που καταλαμβάνουν μία χρονοθυρίδα, το τρίτο για τα πακέτα που καταλαμβάνουν τρεις και το τέταρτο για τα πακέτα που καταλαμβάνουν πέντε χρονοθυρίδες. Ο πίνακας 2.4 συνοψίζει τα πακέτα που ορίζονται για τους τύπους λογικών συνδέσμων SCO, e-sco και ACL. Πίνακας 2.4: Πακέτα που ορίζονται για σύγχρονη και ασύγχρονη μετάδοση 37

38 Υπάρχουν πέντε συνηθισμένα είδη πακέτων. ID packet Το ID packet αποτελείται από των κώδικα πρόσβασης της συσκευής (DAC) ή από τον κώδικα πρόσβασης αναζήτησης (IAC). Έχει καθορισμένο μήκος (68 bits) και είναι πολύ εύρωστο, καθώς ο δέκτης χρησιμοποιεί συσχετιστή bit για να ταιριάξει το ληφθέν πακέτο με τη γνωστή ακολουθία bit του ID packet. NULL packet Το NULL packet δεν περιέχει payload και αποτελείται από μόνο από των κώδικα πρόσβασης καναλιού και την κεφαλίδα του πακέτου. Το μήκος του είναι καθορισμένο (126 bit). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιστρέψει πληροφορία συνδέσμου στην πηγή αναφορικά με την επιτυχία προηγούμενης εκπομπής (ARQN) ή την κατάσταση του RX buffer (FLOW). POLL packet Το POLL packet είναι παρόμοιο με το NULL packet. Δεν έχει payload. Σε αντίθεση με το NULL χρειάζεται επιβεβαίωση από τον παραλήπτη. Δεν είναι μέρος του σχήματος ARQ. Στη λήψη ενός POLL packet ο υπηρέτης πρέπει να απαντήσει με ένα πακέτο ακόμα κι αν δεν έχει καμία πληροφορία να στείλει εκτός αν ο υπηρέτης έχει δεσμεύσεις scatternet σε εκείνη την χρονοθυρίδα. Αυτό το πακέτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο από τον κύριο σε ένα piconet για να καταγράψει τους υπηρέτες. FHS packet Το FHS packet είναι ένα ειδικό πακέτο ελέγχου που περιέχει, ανάμεσα σε άλλα, τη διεύθυνση της συσκευής Bluetooth και το ρολόι του αποστολέα. Το payload περιέχει 144 bit πληροφορίας και έναν 16-bit κώδικα CRC. Κωδικοποιείται με 2/3 FEC και καταλήγει σε ένα 240-bit μεικτό payload. Χρησιμοποιείται στα: page master response, inquiry response και στην εναλλαγή ρόλων. Σχήμα 2.13: Μορφή του FHS payload Χρησιμοποιεί πληροφορία ρολογιού πραγματικού χρόνου που ενημερώνεται πριν από κάθε μετάδοση. Χρησιμοποιείται για συγχρονισμό 38

39 frequency hop πριν το κανάλι του piconet δημιουργηθεί ή πριν ένα υπάρχον piconet αλλάξει σε ένα νέο. Πίνακας 2.5: Περιγραφή του FHS payload DM1 packet Το DM1 packet μπορεί να θεωρηθεί ως ACL πακέτο και περιγράφεται παρακάτω. SCO packets Στο σύγχρονο SCO λογικό σύνδεσμο χρησιμοποιούνται HV και DV πακέτα. Τα HV πακέτα δεν περιλαμβάνουν CRC και δεν επανεκπέμπονται. Τα DV πακέτα περιέχουν CRC στο τμήμα δεδομένων και επανεκπέμπονται. Τα παρακάτω πακέτα 39

40 χρησιμοποιούνται συνήθως στη μετάδοση φωνής στα 64kb/s αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθούν και για διαφανή σύγχρονα δεδομένα. HV1 packet Το HV1 packet περιέχει 10 byte πληροφορίας. Τα byte προστατεύονται με 1/3 FEC. Δεν υπάρχει CRC. Το μέγεθος του payload είναι καθορισμένο (240 bit). Δεν υπάρχει payload header. HV2 packet Το HV2 packet περιέχει 20 byte πληροφορίας. Τα byte προστατεύονται με 2/3 FEC. Δεν υπάρχει CRC. Το μέγεθος του payload είναι καθορισμένο (240 bit). Δεν υπάρχει payload header. HV3 packet Το HV3 packet περιέχει 30 byte πληροφορίας. Τα byte δεν προστατεύονται με FEC. Δεν υπάρχει CRC. Το μέγεθος του payload είναι καθορισμένο (240 bit). Δεν υπάρχει payload header. DV packet Το DV packet είναι ένα πακέτο συνδυασμού φωνής δεδομένων. Χρησιμοποιείται μόνο στη θέση πακέτου HV1. Το payload χωρίζεται σε πεδίο φωνής των 80 bit και σε πεδίο δεδομένων που περιέχει ως 150 bit. Το πεδίο φωνής δεν προστατεύεται από FEC. Το πεδίο δεδομένων αποτελείται από 1-10 byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 1-byte payload header) και περιέχει 16-bit CRC. Κωδικοποιείται με 2/3 FEC. Το πεδίο φωνής αντιμετωπίζεται ως κανονικά SCO δεδομένα και δεν επανεκπέμπεται. Το πεδίο δεδομένων ελέγχεται για λάθη και μπορεί να επανεκπεμφθεί αν είναι απαραίτητο. e-sco packets Στον e-sco λογικό σύνδεσμο χρησιμοποιούνται πακέτα EV. Τα πακέτα περιλαμβάνουν CRC και μπορεί να γίνει επανεκπομπή αν μέσα στο παράθυρο επανεκπομπής δεν έχει ληφθεί επιβεβαίωση ορθής λήψης. Τα πακέτα e-sco μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εκπομπή φωνής στα 64 kb/s όσο και για διαφανή δεδομένα στον ίδιο ή σε άλλους ρυθμούς. 40

41 EV3 packet Το EV3 packet περιλαμβάνει 1-30 byte πληροφορίας συν ένα 16-bit CRC. Τα byte δεν προστατεύονται από FEC. Μπορεί να καταλάβει έως μία μονή χρονοθυρίδα και δεν έχει payload header. EV4 packet Το EV4 packet περιλαμβάνει byte πληροφορίας συν ένα 16-bit CRC. Τα byte μαζί με το CRC προστατεύονται από 2/3 FEC. Μπορεί να καταλάβει έως τρεις χρονοθυρίδες και δεν έχει payload header. EV5 packet Το EV5 packet περιλαμβάνει byte πληροφορίας συν ένα 16-bit CRC. Τα byte δεν προστατεύονται από FEC. Μπορεί να καταλάβει έως τρεις χρονοθυρίδες και δεν έχει payload header. ACL packets Τα πακέτα ACL χρησιμοποιούνται στον ασύγχρονο λογικό σύνδεσμο. Η πληροφορία που μεταφέρεται μπορεί να αποτελεί δεδομένα του χρήστη ή δεδομένα ελέγχου. DM1 packet Το DM1 packet φέρει μόνο πληροφορία δεδομένων. Το payload έχει 1-18 byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 1-byte payload header) και 16-bit CRC. Το πακέτο καταλαμβάνει μια χρονοθυρίδα και μαζί με το CRC κωδικοποιείται με 2/3 FEC. DH1 packet Το DH1 packet είναι παρόμοιο με το DM1, με τη διαφορά ότι δεν έχει FEC κωδικοποίηση. Το payload έχει 1-28 byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 1- byte payload header) και 16-bit CRC. Το πακέτο καταλαμβάνει μια χρονοθυρίδα. DM3 packet Το DM3 packet μπορεί να καταλάβει έως τρεις χρονοθυρίδες. Το payload έχει byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 2-byte payload header) και 16- bit CRC. Το πακέτο μαζί με το CRC κωδικοποιείται με 2/3 FEC. 41

42 DH3 packet Το DH3 packet είναι παρόμοιο με το DM3, με τη διαφορά ότι δεν έχει FEC κωδικοποίηση. Το payload έχει επομένως byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 2-byte payload header) και 16-bit CRC. Το πακέτο καταλαμβάνει έως τρεις χρονοθυρίδες. DM5 packet Το DM5 packet μπορεί να καταλάβει έως πέντε χρονοθυρίδες. Το payload έχει byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 2-byte payload header) και 16- bit CRC. Το πακέτο μαζί με το CRC κωδικοποιείται με 2/3 FEC. DH5 packet Το DH5 packet είναι παρόμοιο με το DM5, με τη διαφορά ότι δεν έχει FEC κωδικοποίηση. Το payload έχει επομένως byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 2-byte payload header) και 16-bit CRC. Το πακέτο καταλαμβάνει έως πέντε χρονοθυρίδες. AUX1 packet Αυτό το πακέτο μοιάζει με DH1 πακέτο αλλά δεν έχει CRC. Το AUX1 packet έχει 1-30 byte πληροφορίας (περιλαμβάνοντας και 1-byte payload header) και καταλαμβάνει μια χρονοθυρίδα. Το AUX1 δεν πρέπει να χρησιμοποιηθεί σε ACL-U ή ACL-C λογικούς συνδέσμους Διάταξη φορτίου (payload format) Σύγχρονο πεδίο δεδομένων Στο SCO που υποστηρίζεται στο Βασικό Ρυθμό, το πεδίο σύγχρονων δεδομένων έχει σταθερό μήκος και αποτελείται μόνο από μέρος του κορμού δεδομένων. Δεν υπάρχει κεφαλίδα φορτίου (payload header). Στο e-sco το πεδίο σύγχρονων δεδομένων αποτελείται από 2 τμήματα: ένα σύγχρονο κορμό δεδομένων και ένα κώδικα CRC. Δεν υπάρχει payload header. Για τα HV και DV πακέτα, το μήκος του κορμού σύγχρονων δεδομένων είναι καθορισμένο. Για τα EV πακέτα, το μήκος του κορμού σύγχρονων δεδομένων διαπραγματεύεται κατά το LMP (link manager protocol) e-sco setup. Αφού διαπραγματευτεί στη συνέχεια το μήκος παραμένει σταθερό εκτός 42

43 αν επαναδιαπραγματευθεί και μπορεί να είναι διαφορετικό για κάθε κατεύθυνση του e-sco λογικού συνδέσμου. Ο κώδικας CRC περιγράφεται σε επόμενη ενότητα. Ασύγχρονο πεδίο δεδομένων Τα πακέτα ACL του Βασικού Ρυθμού αποτελούνται από δύο ή τρία τμήματα: ένα payload header, ένα payload body, και πιθανόν ένα κώδικα CRC. Το payload header έχει μήκος ένα ή δύο byte. Τα πακέτα Βασικού Ρυθμού των τμημάτων ένα και δύο έχουν 1-byte payload header, ενώ των τμημάτων τρία και τέσσερα έχουν 2-byte payload header. Το payload header καθορίζει τον λογικό σύνδεσμο (2-bit LLID ένδειξη), ελέγχει τη ροή στα λογικά κανάλια (1-bit FLOW ένδειξη) και έχει ένδειξη μήκους του φορτίου (5-bit και 10-bit για 1-byte και 2-byte payload header αντίστοιχα). Στην περίπτωση 2- byte payload header, η ένδειξη μήκους επεκτείνεται κατά πέντε bit στο επόμενο byte. Τα υπόλοιπα τρία bit δεσμεύονται για μελλοντική χρήση και τίθενται μηδέν. Στα σχήματα 2.14 και 2.15 φαίνονται η μορφές των δύο τύπων payload header. Σχήμα 2.14: Διάταξη payload header για πακέτα ACL μονής χρονοθυρίδας. Σχήμα 2.15: Διάταξη payload header για πακέτα ACL πολλαπλών χρονοθυρίδων. Το πεδίο LLID πρέπει να μεταδοθεί πρώτα, και το πεδίο LENGTH τελευταίο. Το περιέχομενο του πεδίου LLID ορίζεται όπως φαίνεται στον πίνακα

44 Πίνακας 2.6: Περιεχόμενα του πεδίου LLID Η ένδειξη FLOW στο payload χρησιμοποιείται για να ελέγξει τη ροή στο επίπεδο L2CAP (περισσότερα για αυτό το επίπεδο στο [1] της βιβλιογραφίας). Χρησιμοποιείται για να ελέγξει τη ροή ανά λογικό σύνδεσμο. FLOW=1 σημαίνει ύπαρξη ροής (GO), ενώ FLOW=0 σημαίνει διακοπή ροής (STOP). Αφού ιδρυθεί μια καινούρια σύνδεση η ένδειξη flow τίθεται στο GO. Όταν μια συσκευή λάβει payload header με το bit flow στο STOP, πρέπει να σταματήσει τη μετάδοση πακέτων ACL πριν σταλεί πρόσθετη ποσότητα από δεδομένα payload. Αυτή η ποσότητα ορίζεται ως καθυστέρηση ελέγχου ροής, εκφρασμένη σε αριθμό byte. Όσο μικρότερη η καθυστέρηση, τόσο λιγότερο buffering χρειάζεται η άλλη συσκευή να αφιερώσει σε αυτή τη λειτουργία. Αν ένα πακέτο που περιλαμβάνει το bit ροής STOP του payload ληφθεί, με έγκυρο payload header αλλά κακό payload, το bit ελέγχου ροής payload πρέπει να αγνοηθεί. Το ACK που περιλαμβάνεται στο payload header θα ληφθεί, και ένα ακόμη πακέτο ACL μπορεί να μεταδοθεί. Κάθε τέτοιο συμβάν επιτρέπει ένα ακόμη πακέτο ACL να σταλεί, άσχετα με την απαίτηση ροής ελέγχου που στέλνεται μέσω του bit ελέγχου ροής του payload header. Συνίσταται όλες οι συσκευές που χρησιμοποιούν bit ελέγχου ροής payload header να διαβεβαιώνονται ότι δεν στέλνονται επιπλέον πακέτα ACL μέχρι να ληφθεί σωστά το bit ροής του payload. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με το να ενεργοποιείται το bit ελέγχου στο payload header και να παραμένει ενεργοποιημένο μέχρι ένα ACK να ληφθεί πίσω (ARQN=1). Επειδή δεν έχουν payload CRC, τα πακέτα AUX1 δε θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν με bit ροής payload STOP. Επιτρέπεται να παραχθεί και να σταλεί ένα ACL πακέτο με μηδενικού μήκους φορτίο, ανεξάρτητα από την κατάσταση του flow. Οι ενδείξεις LLID=10 και LLID=01 επίσης διατηρούν τη σημασία τους όταν το μήκος του φορτίου είναι μηδενικό. Είναι πάντα ασφαλές να σταλεί ένα πακέτο ACL με μηδενικό μήκος και LLID=01. Το bit ελέγχου payload έχει το δική του σημασία για κάθε λογικό σύνδεσμο (ACL-U ή ACL-C), όπως φαίνεται στον πίνακα

45 Πίνακας 2.7: Χρήση του bit ροής payload header στους λογικούς συνδέσμους Η ένδειξη μήκους θα πρέπει να τεθεί στον αριθμό byte στο payload, εξαιρώντας το payload header και τον κώδικα CRC. Το MSB του πεδίου μήκους σε μια κεφαλίδα του ενός byte είναι το τελευταίο (δεξιότερο) bit στο payload header, το MSB του πεδίου μήκους σε μια κεφαλίδα των δύο byte είναι το τέταρτο bit (από τα αριστερά ) στο payload header. Το payload body περιέχει την πληροφορία του χρήστη. Ένδειξη για το μήκος του υπάρχει στο πεδίο μήκους του payload header Επεξεργασία ροής bit (Bit-stream Processing) Πριν το payload εκπεμφθεί, διάφοροι χειρισμοί bit πραγματοποιούνται στον πομπό ώστε να αυξηθεί η αξιοπιστία και η ασφάλεια. Ένα HEC προστίθεται στην κεφαλίδα του πακέτου, τα bit της κεφαλίδας ανακατεύονται με βάση ένα whitening word και εφαρμόζεται FEC κωδικοποίηση. Στον δέκτη πραγματοποιούνται οι αντίστροφες διαδικασίες. Όλα τα στάδια επεξεργασίας του header είναι υποχρεωτικά. Σχήμα 2.16: Επεξεργασία των bit της κεφαλίδας (header) Για το payload εκτός από τις διαδικασίες που ορίστηκαν για το payload header μπορεί να εφαρμοστεί και encryption. Μόνο τα whitening και dewhitening είναι υποχρεωτικά για κάθε payload, όλες οι άλλες διαδικασίες είναι 45

46 προαιρετικές και εξαρτώνται από τον τύπο του πακέτου και από το αν είναι ενεργοποιημένο το encryption. Σχήμα 2.17: Επεξεργασία των bit του φορτίου (payload) Έλεγχος σφαλμάτων (Error checking) Το πακέτο μπορεί να ελεγχθεί για σφάλματα ή λανθασμένη παράδοση χρησιμοποιώντας τον κώδικα πρόσβασης καναλιού, το HEC της κεφαλίδας και το CRC του φορτίου. Στη λήψη του πακέτου ο κώδικας πρόσβασης ελέγχεται πρώτα. Αφού η 64-bit λέξη συγχρονισμού στον κώδικα πρόσβασης καναλιού προκύπτει από το 24-bit του master LAP, αυτό ελέγχει αν το LAP είναι σωστό και εμποδίζει τον παραλήπτη να δεχτεί ένα πακέτο από άλλο piconet (αν το πεδίο LAP του BD_ADDR του κύριου είναι διαφορετικό. Οι υπολογισμοί των HEC και CRC αρχικοποιούνται κανονικά με το UAP του master. Αν και ο κώδικας πρόσβασης μπορεί να είναι ο ίδιος για δυο piconet, οι διαφορετικές τιμές των UAP θα προκαλέσουν αποτυχία στα HEC και CRC. Δημιουργία HEC (Header Error Check) Το HEC δημιουργείται όπως φαίνεται στο σχήμα Το γεννήτορ πολυώνυμο είναι: g D D D D D D D D D D D ( ) = ( + 1)( ) = Αρχικά στο κύκλωμα φορτώνεται το 8-bit UAP έτσι ώστε το LSB του UAP (UAP0) να πάει στο αριστερότερο στοιχείο καταχωρητή. Στη συνέχεια, τα δεδομένα θα μπουν μέσα με τον διακόπτη S στη θέση 1. Όταν το τελευταίο bit εισέλθει στο κύκλωμα ο διακόπτης S μεταβαίνει στη θέση 2 και το HEC μπορεί να διαβαστεί από τους καταχωρητές. Τα bit πρέπει να διαβαστούν από τα δεξιά προς τα αριστερά. 46

47 Σχήμα 2.18: Το κύκλωμα δημιουργίας του HEC Σχήμα 2.19: Η αρχική κατάσταση του κυκλώματος Σχήμα 2.20: Δημιουργία και έλεγχος του HEC Δημιουργία Κυκλικού ελέγχου πλεονάσματος CRC (Cyclic Redundancy Check) Το κύκλωμα για το CRC κατασκευάζεται παρόμοια με του HEC χρησιμοποιώντας το CRC-CCITT γεννήτορ πολυώνυμο g( D) = D + D + D + 1. Σε αυτή την περίπτωση τα 8 αριστερότερα bit θα πρέπει αρχικά να φορτωθούν τα 8 bit του UAP και τα 8 δεξιότερα να οριστούν μηδέν. Ο διακόπτης S θα πρέπει να είναι στη θέση 1 κατά την είσοδο των δεδομένων. Αφού εισέλθει το τελευταίο bit, ο διακόπτης μεταβαίνει στη θέση 2 και τα περιεχόμενα των καταχωρητών μεταδίδονται από τα δεξιά στα αριστερά. 47

48 Σχήμα 2.21: Το κύκλωμα δημιουργίας του CRC Σχήμα 2.22: Η αρχική κατάσταση του κυκλώματος CRC Σχήμα 2.23: Δημιουργία και έλεγχος CRC Λεύκανση (Whitening) των δεδομένων Πριν τη μετάδοση, η κεφαλίδα και το φορτίο πρέπει να «ανακατευτούν» με whitening word ώστε να δημιουργηθούν στα δεδομένα συνθήκες τυχαιότητας μακριά από πολύ πλεονάζοντα πρότυπα και να ελαχιστoποιηθεί η DC πόλωση στο πακέτο. Το ανακάτεμα θα πρέπει να πραγματοποιηθεί πριν τη FEC κωδικοποίηση. Στο δέκτη τα ληφθέντα δεδομένα θα επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση χρησιμοποιώντας το ίδιο whitening word που δημιουργήθηκε στον πομπό, αφού έχει γίνει η FEC αποκωδικοποίηση. 48

49 Το whitening word δημιουργείται με το γεννήτορ πολυώνυμο 7 4 gd ( ) = D + D + 1 και θα πρέπει διαδοχικά να γίνει XOR με την κεφαλίδα και το φορτίο. Πριν από κάθε μετάδοση θα πρέπει οι καταχωρητές να αρχικοποιούνται με ένα μέρος του κύριου ρολογιού, το CLK6-1 επεκτειμένο με ένα MSB με τιμή 1. Σχήμα 2.24: Κύκλωμα λεύκανσης των δεδομένων (data whitening) Μετά την αρχικοποίηση η κεφαλίδα και το φορτίο του πακέτου υφίστανται whitening. Το whitening του payload πρέπει να συνεχίζει από την κατάσταση του κυκλώματος whitening μετά το τέλος του HEC. Δε θα πρέπει να υπάρχει επαναρχικοποίηση των καταχωρητών μεταξύ header και payload. Το πρώτο bit της ακολουθίας εισόδου θα πρέπει να είναι το LSB του header Διόρθωση σφαλμάτων (Error Correction) Υπάρχουν τρία σχήματα διόρθωσης σφαλμάτων ορισμένα για το Bluetooth: FEC ρυθμού 1/3 FEC ρυθμού 2/3 Σχήμα ARQ για τα δεδομένα Ο ρόλος του FEC σχήματος στα δεδομένα του φορτίου είναι να μειώσει τον αριθμό επανεκπομπών. Παρόλα αυτά σε ένα, σε λογικά πλαίσια, χωρίςσφάλματα περιβάλλον, το FEC δίνει περιττό πλεόνασμα. Η κεφαλίδα του πακέτου προστατεύεται πάντα με 1/3 FEC, αφού περιέχει πολύτιμη πληροφορία συνδέσμου και είναι σχεδιασμένη να αντέχει περισσότερα σφάλματα bit. 1/3 FEC Ένας απλός κώδικας τριπλής επανάληψης χρησιμοποιείται για την κεφαλίδα. Ο επαναληπτικός κώδικας εφαρμόζεται επαναλαμβάνοντας κάθε bit 49

50 τρεις φορές. Χρησιμοποιείται για όλο το header καθώς και για το σύγχρονο πεδίο δεδομένων του HV1 πακέτου. Σχήμα 2.25: Σχήμα κωδικοποίησης με επανάληψη bit 2/3 FEC Αυτό το σχήμα FEC είναι ένας (15,10) ελαττωμένος κώδικας Hamming. Το γεννήτορ πολυώνυμο είναι : 4 gd ( ) = ( D+ 1)( D + D+ 1). Αρχικά όλοι οι καταχωρητές είναι μηδέν. Τα 10 bit πληροφορίας εισέρχονται διαδοχικά στο κύκλωμα με τους διακόπτες S1 και S2 στη θέση 1. Στη συνέχεια μεταβαίνουν στη θέση 2, και τα 5 bit ισοτιμίας (parity) εξέρχονται. Συνεπώς, κάθε μπλοκ των 10 bit πληροφορίας κωδικοποιείται σε μια κωδική λέξη των 15 bit. Αυτός ο κώδικας μπορεί να διορθώνει όλα τα μονά σφάλματα και να ανιχνεύει όλα τα διπλά σφάλματα σε κάθε κωδική λέξη. Χρησιμοποιείται στα πακέτα DM, στο πεδίο δεδομένων του DV πακέτου, στα πακέτα FHS, HV2 και EV4. Επειδή ο κωδικοποιητής λειτουργεί με τμήματα πληροφορίας μήκους 10, μηδενικά bit πρέπει να προστεθούν στην ουρά, μετά το CRC, ώστε να γίνει ο συνολικός αριθμός των bit ίσος με πολλαπλάσιο του 10. Ο αριθμός των μηδενικών bit που θα προστεθούν πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός ώστε να επιτευχθεί αυτό. Αυτά τα bit δεν περιλαμβάνονται στην ένδειξη μήκους payload για τα ACL πακέτα. Σχήμα 2.26: Κύκλωμα δημιουργίας του (15,10) ελαττωμένου κώδικα Hamming Σχήμα ARQ (ARQ scheme) Τα πακέτα DM, DH, EV και το πεδίο δεδομένων των DV, με ένα σχήμα αυτόματης απαίτησης επανάληψης, θα εκπέμπονται μέχρι να επιστραφεί επιβεβαίωση επιτυχούς λήψης από τον προορισμό (ή μέχρι να λήξει η χρονική προθεσμία). Η επιβεβαίωση της πληροφορίας θα περιλαμβάνεται στην 50

51 κεφαλίδα του επιστρεφόμενου πακέτου. Το σχήμα ARQ χρησιμοποιείται μόνο στο payload του πακέτου και μόνο στα πακέτα που έχουν ένα CRC. Η κεφαλίδα του πακέτου και το σύγχρονο payload δεδομένων των πακέτων HV και DV δεν προστατεύονται από ARQ. Ένα ACK (ARQN=1) ή ένα NAK (ARQN=0) επιστρέφεται ως απόκριση στη λήψη ενός προηγούμενου ληφθέντος πακέτου. Για να είναι επιτυχής η λήψη ενός πακέτου, πρέπει τουλάχιστον να περάσει το HEC, και το CRC εφόσον υπάρχει. Στο πρώτο πακέτο POLL στην αρχή μιας νέας σύνδεσης το master πρέπει να αρχικοποιήσει το bit ARQN σε NAK. Το πακέτο απόκρισης που στέλνεται από το slave πρέπει επίσης να έχει αρχικοποιήσει το bit ARQN σε NAK. Τα επόμενα πακέτα πρέπει να ακολουθούν τους επόμενους κανόνες. Η αρχική τιμή του master e-sco ARQN στη δημιουργία σύνδεσης πρέπει να είναι NAK. To ARQ bit πρέπει να επηρεάζεται μόνο από πακέτα δεδομένων που περιέχουν CRC και άδειες θυρίδες. Μετά από επιτυχή λήψη ενός CRC πακέτου το bit ARQN πρέπει να τεθεί σε ACK. Αν σε μια θυρίδα λήψης συμβεί ένα από τα παρακάτω: 1. Δεν ανιχνευθεί κώδικας πρόσβασης 2. Αποτύχει το HEC 3. Αποτύχει το CRC το bit ARQN πρέπει να τεθεί σε NAK. Σε e-sco το bit ARQN μπορεί να τεθεί σε ACK ακόμα και αν το CRC ενός πακέτου EV έχει αποτύχει και επομένως επιτρέπει την παράδοση εσφαλμένων πακέτων Το ARQ bit σε πακέτο FHS δεν έχει κάποια σημασία και δεν ελέγχεται. Επανεκπομπή μπορεί να συμβεί επειδή η μετάδοση ενός πακέτου έχει αποτύχει ή επειδή η επιβεβαίωση που στέλνεται στο πακέτο επιστροφής έχει αποτύχει. Για να φιλτραριστούν οι επανεκπομπές στον προορισμό το bit SEQN είναι παρόν στην κεφαλίδα. Κανονικά, αυτό το bit εναλλάσσεται για κάθε καινούρια μετάδοση payload δεδομένων CRC. Σε περίπτωση επαναμετάδοσης, αυτό το bit δεν πρέπει να αλλάξει ώστε ο προορισμός να μπορεί να συγκρίνει το bit SEQN με την προηγούμενη SEQN τιμή. Αν είναι διαφορετική, ένα νέο payload έφτασε, αλλιώς είναι το ίδιο payload δεδομένων και μπορεί να αγνοηθεί. Στην αρχή μιας σύνδεσης το bit SEQN από το πρώτο πακέτο δεδομένων CRC πρέπει να τεθεί σε 1. Περισσότερες πληροφορίες για τον καθορισμό των ARQN και SEQN bit στο [1]. 51

52 Κεφάλαιο 3 Χαρακτηριστικά Καναλιού (Channel characteristics) Το Bluetooth επιτρέπει την ασύρματη ανταλλαγή πακέτων πληροφοριών σε εσωτερικό ή εξωτερικό περιβάλλον που απέχει πολύ από ένα ιδανικό περιβάλλον, όπου λαμβάνεται ακριβώς η πληροφορία που στέλνεται. Παρά την εφαρμογή τεχνικών όπως η κωδικοποίηση, το scrambing, το σχήμα ARQ για επανεκπομπή πακέτων, που έχουν ως στόχο την προσέγγιση ιδανικών επικοινωνιών, υπάρχουν οι παρακάτω βασικοί λόγοι απομάκρυνσης από την ιδανική συμπεριφορά: Οι απώλειες μεταδόσεως στον ελεύθερο χώρο Οι διαλείψεις Ο θόρυβος και οι παρεμβολές 3.1 Απώλειες μεταδόσεως στον ελεύθερο χώρο ( Free-space transmission loss) Όταν δύο κεραίες βρίσκονται σε απόσταση d μεταξύ τους και Wt είναι η ισχύς που παρέχει η πηγή στην κεραία εκπομπής και Wr η ισχύς που η κεραία λήψης παρέχει στο δέκτη, η απώλεια μεταδόσεως στον ελεύθερο χώρο (freespace path loss) ορίζεται ως: L Wt Wr 4π d λ 2 = 10 log = 10 log( ), εκφραζόμενη σε db. Παρατηρούμε ότι για δεδομένη συχνότητα, όπως άλλωστε μας ενδιαφέρει για τη διασύνδεση Bluetooth, η απώλεια μεταδόσεως εξαρτάται μόνο από την απόσταση μεταξύ των κεραιών. Συγκεκριμένα, η τιμή της αυξάνεται, όσο μεγαλώνει και η απόσταση μεταξύ των κεραιών. Ουσιαστικά δεν πρόκειται περί απώλειας, αλλά περί υποβάθμισης της ισχύος από τον πομπό στο δέκτη. Θεωρώντας ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα 52

53 διαδίδονται ως σφαιρικά κύματα οδεύοντα ακτινικά, με την ακτίνα της σφαίρας να αυξάνεται με την αύξηση της απόστασης, η εκπεμπόμενη ισχύς κατανέμεται σε όλο και μεγαλύτερη επιφάνεια, άρα η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας μειώνεται. Αυτή η μείωση περιγράφεται από την απώλεια μεταδόσεως ελεύθερου χώρου. Για τον υπολογισμό της απώλειας μεταδόσεως υποθέσαμε ζεύξη οπτικής επαφής (LOS) στο κενό, άρα χωρίς φυσικά εμπόδια να παρεμβάλλονται μεταξύ πομπού και δέκτη. Στην πραγματικότητα, είναι δυνατόν να υπάρξει ζεύξη και χωρίς οπτική επαφή μέσω των φαινομένων της ανάκλασης, περίθλασης, διάθλασης όμως τότε εισάγονται επιπλέον απώλειες όπως θα δούμε παρακάτω. 3.2 Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (Large scale fading) Η ανάκλαση ( reflection), η περίθλαση (diffraction) και η διάχυση (scattering) είναι οι τρεις βασικοί μηχανισμοί που επιδρούν στη μετάδοση σε ένα ασύρματο σύστημα επικοινωνίας. Ανάκλαση συμβαίνει όταν ένα διαδιδόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε ένα αντικείμενο που έχει πολύ μεγάλες διαστάσεις όταν συγκριθεί με το μήκος κύματος του διαδιδόμενου κύματος. Ανάκλαση μπορεί να συμβεί στην επιφάνεια της γης, καθώς και σε κτίρια και τοίχους. Σχήμα 3.1: Μοντέλο δύο διαδρομών με ανάκλαση στο έδαφος Περίθλαση συμβαίνει όταν μια διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη εμποδίζεται από μια επιφάνεια που έχει αιχμηρές ανωμαλίες (άκρες). Τα δευτερεύοντα κύματα που δημιουργούνται από την εμποδίζουσα επιφάνεια είναι παρόντα στον αέρα, ακόμα και πίσω από ένα εμπόδιο, προκαλώντας 53

54 κάμψη των κυμάτων γύρω από το εμπόδιο, ακόμα και αν δεν υπάρχει μια διαδρομή οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη. Σε υψηλές συχνότητες, η περίθλαση, όπως και η ανάκλαση, εξαρτάται από τη γεωμετρία του αντικειμένου, όπως και από το πλάτος, τη φάση και την πόλωση του προσπίπτοντος κύματος στο σημείο περίθλασης. Σχήμα 3.2: Γεωμετρία περίθλασης από αιχμηρό εμπόδιο. Με Τ συμβολίζεται ο πομπός και με R ο δέκτης, ενώ το αιχμηρό εμπόδιο εμποδίζει την διαδρομή οπτικής επαφής. Διάχυση προκαλείται όταν το μέσο διαμέσου του οποίου το κύμα μεταδίδεται αποτελείται από αντικείμενα με διαστάσεις μικρές συγκρινόμενες με το μήκος κύματος, και όπου ο αριθμός των εμποδίων ανά μονάδα όγκου είναι μεγάλος. Τα διαχεόμενα κύματα παράγονται από τραχιές επιφάνειες, μικρά αντικείμενα ή από άλλες ανωμαλίες στο κανάλι. Στην πράξη, τα φυλλώματα, οι οδικές πινακίδες και οι στύλοι φωτισμού προκαλούν διάχυση σε ένα σύστημα κινητών επικοινωνιών Μοντέλα απωλειών διαδρομής (Path Loss models) Χρησιμοποιώντας μοντέλα απωλειών διαδρομής για να υπολογιστεί η στάθμη του λαμβανόμενου σήματος, είναι δυνατόν να προβλεφθεί το SNR για ένα σύστημα κινητών επικοινωνιών. 54

55 Μοντέλο απωλειών διαδρομής Log-distance Θεωρητικά μοντέλα διάδοσης αλλά και από μοντέλα βασισμένα σε μετρήσεις δείχνουν ότι η μέση ισχύς του σήματος λήψης μειώνεται λογαριθμικά με την απόσταση, είτε πρόκειται για εσωτερικά (indoor) είτε εξωτερικά (outdoor) ραδιοκανάλια. Τέτοια μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί κατά κόρον στη βιβλιογραφία. Η μέση απώλεια διαδρομής μεγάλης κλίμακας για μια τυχαία απόσταση T-R εκφράζεται συναρτήσει της απόστασης χρησιμοποιώντας έναν εκθέτη απωλειών διαδρομής n: d PL( db) = PL( d0) + 10n log( ) d όπου το n δείχνει το ρυθμό με τον οποίο η απώλεια διαδρομής αυξάνει με την απόσταση, d0 είναι η απόσταση αναφοράς που καθορίζεται από μετρήσεις κοντά στον πομπό, και d η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. Η τιμή του n εξαρτάται από το συγκεκριμένο περιβάλλον μετάδοσης. Για παράδειγμα, στον ελεύθερο χώρο ισούται με 2, ενώ όπου υπάρχουν εμπόδια παίρνει μεγαλύτερες τιμές. Η απόσταση αναφοράς για συστήματα μικρής εμβέλειας όπως το Bluetooth επιλέγεται 1m Log-normal σκίαση (Log-normal shadowing) Το προηγούμενο μοντέλο δε λαμβάνει υπόψη ότι τον περιβάλλον μπορεί να διαφέρει μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών που έχουν την ίδια απόσταση πομπού- δέκτη. Αυτό οδηγεί σε μετρήσεις σημάτων που διαφέρουν σημαντικά από τη μέση τιμή που προβλέπεται από το μοντέλο Log-distance. Μετρήσεις έχουν δείξει ότι σε οποιαδήποτε απόσταση d, η απώλεια διαδρομής PL(d) σε μια δεδομένη τοποθεσία είναι τυχαία και ακολουθεί κατανομή Log-normal (κανονική σε db) γύρω από τη μέση εξαρτώμενη από την απόσταση τιμή. d PL( d)[ db] = PL( d) + Xσ = PL( d0) + 10n log( ) + Xσ, d όπου Χσ είναι μια τυχαία μεταβλητή με Gaussian κατανομή μηδενικής μέσης τιμής (σε db) με τυπική απόκλιση σ (επίσης σε db). Η Log-normal κατανομή περιγράφει τα τυχαία αποτελέσματα της σκίασης που λαμβάνει χώρα όταν ένας μεγάλος αριθμός τοποθεσιών μέτρησης που έχουν την ίδια απόσταση T-R, αλλά διαφορετικά επίπεδα διαταραχών στη διαδρομή μετάδοσης. Αυτό το φαινόμενο αναφέρεται ως Log-normal shadowing. 0 55

56 3.3 Διαλείψεις μικρής κλίμακας και φαινόμενο πολλαπλών οδεύσεων (Small-scale fadind and multipath) Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας, ή απλά διαλείψεις, χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την ταχεία διακύμανση πλάτους ενός ραδιοσήματος σε ένα μικρό χρονικό διάστημα ή μικρή απόσταση διαδόσεως, τέτοια ώστε οι επιδράσεις της απώλειας διαδρομής μεγάλης κλίμακας να μπορούν να αγνοηθούν. Διαλείψεις προκαλούνται από παρεμβολή μεταξύ δύο ή περισσοτέρων εκδοχών του εκπεμπόμενου σήματος που φθάνουν στο δέκτη σε ελαφρά διαφορετικές χρονικές στιγμές. Αυτά τα κύματα, που καλούνται κύματα πολλαπλών οδεύσεων, συνδυάζονται στην κεραία λήψης για να δώσουν ένα σήμα που μπορέι να ποικίλει πολύ σε πλάτος και φάση, εξαρτώμενο από την κατανομή της έντασης και σχετικής διάρκειας της διάδοσης των κυμάτων και από το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος Διάδοση πολλαπλών οδεύσεων μικρής κλίμακας (Small-scale Multipath Propagation) Οι πολλαπλές οδεύσεις στο ραδιοκανάλι δημιουργούν επιδράσεις διαλείψεων μικρής κλίμακας. Οι τρεις πιο σημαντικές επιδράσεις είναι: Γρήγορες αλλαγές στην ισχύ του σήματος για μια μικρή απόσταση διάδοσης ή χρονική διάρκεια Τυχαία διαμόρφωση συχνότητας που κυμαίνεται με τις μετατοπίσεις Doppler σε διαφορετικά σήματα πολλαπλών οδεύσεων Χρονική διασπορά (ηχώ) που προκαλείται από τις καθυστερήσεις διάδοσης πολλαπλών οδεύσεων. Σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές, προκαλούνται διαλείψεις εξαιτίας του γεγονότος ότι το ύψος των κεραιών είναι αρκετά μικρότερο των περιβάλλουσων δομών, και έτσι δεν υπάρχει απλή διαδρομή οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη. Ακόμα κι αν υπάρχει οπτική επαφή, υπάρχουν ξανά πολλαπλές οδεύσεις εξαιτίας ανακλάσεων από το έδαφος και περιβάλλουσων δομών. Τα εισερχόμενα ραδιοκύματα φθάνουν από διαφορετικές κατευθύνσεις με διαφορετικές καθυστερήσεις διάδοσης. Το σήμα που λαμβάνεται σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου μπορεί να αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό από επίπεδα κύματα που έχουν τυχαία κατανεμημένα πλάτη, φάσεις και γωνίες άφιξης. Αυτές οι συνιστώσες πολλαπλών οδεύσεων συνδυάζονται διανυσματικά στην κεραία λήψης και μπορεί να προκαλέσουν στο σήμα που 56

57 λαμβάνεται παραμόρφωση ή εξασθένιση. Ακόμα και όταν ο δέκτης είναι στατικός, το λαμβανόμενο σήμα μπορεί να εξασθενίσει εξαιτίας κινούμενων αντικειμένων στο ραδιοκανάλι. Εξαιτίας της σχετικής κίνησης μεταξύ πομπού και δέκτη, κάθε κύμα πολλαπλών διαδρομών υφίσταται μια προφανή μετατόπιση στη συχνότητα. Αυτή η μετατόπιση στη συχνότητα του ληφθέντος σήματος εξαιτίας της κίνησης καλείται διάχυση Doppler. Παράγοντες που επηρεάζουν τις διαλείψεις μικρής κλίμακας: Διάδοση πολλαπλών οδεύσεων Σχετική κίνηση πομπού- δέκτη Ταχύτητα κίνησης περιβάλλοντων αντικειμένων Το εύρος ζώνης μετάδοσης του σήματος Τύποι διαλείψεων μικρής κλίμακας Ο τύπος διαλείψεων που απαντάται από ένα σήμα που μεταδίδεται σε ασύρματο ραδιοκανάλι εξαρτάται από τη φύση του μεταδιδόμενου σήματος αναφορικά με τα χαρακτηριστικά του καναλιού. Τα μεταδιδόμενα σήματα θα υποστούν διαφορετικό τύπο διαλείψεων εξαρτώμενο από τη σχέση μεταξύ των παραμέτρων του σήματος( όπως το εύρος ζώνης, την περίοδο συμβόλου κ.α.) και τις παραμέτρους του καναλιού (όπως την ενεργό εξάπλωση καθυστέρησης και τη διάχυση Doppler). Οι μηχανισμοί διασποράς χρόνου και συχνότητας οδηγούν σε τέσσερις πιθανές διακριτές επιδράσεις, που φανερώνονται ανάλογα με τη φύση του μεταδιδόμενου σήματος, το κανάλι και την ταχύτητα. Ενώ οι καθυστέρηση πολλαπλών οδεύσεων οδηγεί σε διασπορά χρόνου και διαλείψεις επιλεκτικές με τη συχνότητα, η διάχυση Doppler οδηγεί σε διασπορά χρόνου και σε διαλείψεις επιλεκτικές με το χρόνο. Οι δύο μηχανισμοί μετάδοσης είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Εκτός από την καθυστέρηση πολλαπλών οδεύσεων και τη διάχυση Doppler, δύο άλλες παράμετροι είναι πολύ χρήσιμες για το χαρακτηρισμό των διαλείψεων των καναλιών πολλαπλών διαδρομών. Η μια παράμετρος είναι το αντίστροφο της διάχυσης Doppler. Η ποσότητα αυτή είναι το μέτρο του χρονικού διαστήματος μέρα στο οποίο έχουμε πολύ μικρή μεταβολή των χαρακτηριστικών του καναλιού. Η παράμετρος αυτή ονομάζεται χρόνος συμφωνίας (coherence time Tc) του καναλιού. 57

58 Η άλλη χρήσιμη παράμετρος είναι το αντίστροφο της διάχυσης πολλαπλών διαδρομών και έχει μονάδες συχνότητας. Η ποσότητα αυτή είναι ένα μέτρο του του εύρους ζώνης μέσα στο οποίο τα χαρακτηριστικά του καναλιού (πλάτος και φάση) εμφανίζουν μεγάλη συσχέτιση. Με άλλα λόγια, όλες οι συνιστώσες συχνότητας ενός σήματος μέσα σε αυτό το εύρος ζώνης θα παρουσιάζουν ταυτόχρονες διακυμάνσεις. Η παράμετρος αυτή ονομάζεται εύρος ζώνης συμφωνίας (coherence bandwidth Bc) του καναλιού. Ανάλογα με τη σχέση που έχει η περίοδος του εκπεμπόμενου συμβόλου με το χρόνο συμφωνίας του καναλιού και το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος με το εύρος ζώνης συμφωνίας του καναλιού διακρίνουμε τέσσερις τύπους διαλείψεων μικρής κλίμακας, όπως περιγράφεται στη συνέχεια. Πίνακας 3.1: Τύποι διαλείψεων μικρής κλίμακας Flat fading (Επίπεδες διαλείψεις) Αν το κανάλι μετάδοσης έχει σταθερό κέρδος και γραμμική απόκριση φάσης για ένα εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος, τότε το λαμβανόμενο σήμα θα υποστεί flat fading. Αυτός ο τύπος διαλείψεων απαντάται πιο συχνά στην τεχνική βιβλιογραφία. Στο flat fading η δομή πολλαπλών οδεύσεων του καναλιού είναι τέτοια που τα φασματικά χαρακτηριστικά του μεταδιδόμενου σήματος διατηρούνται στο δέκτη. Παρόλα αυτά η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος μεταβάλλεται με το χρόνο, εξαιτίας 58

59 διακυμάνσεων στο κέρδος του καναλιού που προκαλείται από τις πολλαπλές οδεύσεις. Τα κανάλια flat fading είναι ακόμα γνωστά ως κανάλια μεταβλητού πλάτους και κάποιες φορές αναφέρονται ως κανάλια στενής ζώνης, διότι το εύρος ζώνης του εφαρμοζόμενου σήματος είναι στενό συγκρινόμενο με αυτό του καναλιού. Τυπικά flat fading κανάλια προκαλούν βαθιές διαλείψεις, και έτσι μπορεί να απαιτείται 20 ή 30 db περισσότερη εκπεμπόμενη ισχύς για να επιτευχθεί χαμηλό bit error rate σε κανάλια με βαθιές διαλείψεις συγκρινόμενη με τα κανάλια χωρίς διαλείψεις. Η κατανομή του στιγμιαίου κέρδους των καναλιών flat fading είναι σημαντική για το σχεδιασμό ραδιοσυνδέσμων, και η πιο κοινή κατανομή πλάτους είναι η Rayleigh. Το Rayleigh flat fading μοντέλο καναλιού υποθέτει ότι το κανάλι εισάγει ένα πλάτος που κυμαίνεται στο χρόνο σύμφωνα με την κατανομή Rayleigh. Frequency selective fading (Διαλείψεις επιλεκτικές με τη συχνότητα) Αν το κανάλι έχει σταθερό κέρδος και γραμμική απόκριση φάσης για ένα εύρος ζώνης που είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος, τότε το κανάλι προκαλεί frequency selective fading στο σήμα λήψης. Κάτω από αυτές τις συνθήκες η βηματική απόκριση του καναλιού έχει μια εξάπλωση καθυστέρησης πολλαπλών οδεύσεων που είναι μεγαλύτερη από το αντίστοιχο εύρος ζώνης της μεταδιδόμενης κυματομορφής. Όταν συμβαίνει αυτό το λαμβανόμενο σήμα περιλαμβάνει πολλαπλές εκδοχές της εκπεμφθείσας κυματομορφής που έχουν εξασθενισθεί και καθυστερηθεί, και επομένως το λαμβανόμενο σήμα είναι παραμορφωμένο. Το frequency selective fading οφείλεται στη χρονική διασπορά των μεταδιδόμενων συμβόλων μέσα στο κανάλι. Επομένως, το κανάλι εισάγει διασυμβολική παρεμβολή (intersymbol interference ISI). Στο πεδίο της συχνότητας, κάποιες συχνοτικές συνιστώσες έχουν στο φάσμα του λαμβανόμενου σήματος έχουν μεγαλύτερα κέρδη από άλλες. Το frequency selective fading μοντελοποιείται πολύ πιο δύσκολα από ό,τι τα flat fading κανάλια διότι κάθε σήμα πολλαπλής όδευσης πρέπει να μοντελοποιηθεί και το κανάλι πρέπει να θεωρηθεί ως γραμμικό φίλτρο. Για αυτό το λόγο γίνονται μετρήσεις πολλαπλών οδεύσεων ευρείας ζώνης και μοντέλα δημιουργούνται από αυτές τις μετρήσεις. Συχνά χρησιμοποιείται το μοντέλο διαλείψεων Rayleigh δύο διαδρομών. Τα frequency selective κανάλια θεωρούνται ευρείας ζώνης, αφού το εύρος ζώνης του σήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης της βηματικής απόκρισης του καναλιού. 59

60 Fast fading (Ταχείες διαλείψεις) Ανάλογα με το πόσο γρήγορα αλλάζει το εκπεμπόμενο ζωνοπερατό σήμα συγκρινόμενο με το ρυθμό αλλαγής του καναλιού, ένα κανάλι μπορεί να χαρακτηριστεί ως fast ή slow fading. Σε ένα fast fading κανάλι, η βηματική απόκριση αλλάζει ταχύτατα κατά τη διάρκεια του συμβόλου. Δηλαδή, ο χρόνος συνέπειας του καναλιού είναι μικρότερος από την περίοδο συμβόλου του μεταδιδόμενου σήματος. Αυτό προκαλεί διασπορά συχνότητας (time selective fading) εξαιτίας της διάχυσης Doppler, που οδηγεί σε παραμόρφωση του σήματος. Στο πεδίο της συχνότητας, η παραμόρφωση σήματος αυτή αυξάνει με την αύξηση της διάχυσης Doppler αναφορικά με το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος. Slow fading (Αργές διαλείψεις) Σε ένα κανάλι slow fading, η βηματική απόκριση του καναλιού μεταβάλλεται με ένα ρυθμό αρκετά αργότερο από ό,τι το εκπεμπόμενο ζωνοπερατό σήμα. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να υποτεθεί ότι το κανάλι παραμένει στατικό για ένα ή μερικά αντίστοιχα διαστήματα εύρους ζώνης. Στο πεδίο της συχνότητας αυτό σημαίνει ότι η διάχυση Doppler του καναλιού είναι αρκετά μικρότερη από το εύρος ζώνης του ζωνοπερατού σήματος. Συνοπτικά: α) 60

61 β) Πίνακας 3.2: Πίνακας που απεικονίζει τους τύπους διαλείψεων που αντιμετωπίζει ένα σήμα συναρτήσει α) της περιόδου συμβόλου, β) του εύρους ζώνης του ζωνοπερατού σήματος Κατανομές Rayleigh και Rician Κατανομή διαλείψεων Rayleigh (Rayleigh Fading Distribution) Στα ασύρματα ραδιοκανάλια, η κατανομή Rayleigh χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει τη στατιστικά χρονικά μεταβαλλόμενη φύση του λαμβανόμενου φακέλου (envelope) ενός flat fading σήματος, ή το φάκελο μιας μεμονωμένης συνιστώσας πολλαπλής όδευσης. Είναι γνωστό ότι ο φάκελος (περιβάλλουσα) του αθροίσματος δύο ορθογωνίων σημάτων Gaussian θορύβου, υπακούει μια Rayleigh κατανομή. Η κατανομή Rayleigh έχει συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας που δίνεται από τη σχέση: 2 r r 2 2 exp,(0 r ) pr () = σ 2σ 0,( r < 0) όπου σ η rms τιμή του λαμβανόμενου σήματος τάσης πριν τη φώραση περιβάλλουσας, και σ 2 η μέση χρονική ισχύς του λαμβανόμενου σήματος πριν τη φώραση περιβάλλουσας. 61

62 Σχήμα 3.3: Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της κατανομής Rayleigh Κατανομή διαλείψεων Rician (Rician Fading Distribution) Όταν υπάρχει μια κυρίαρχη στατική συνιστώσα σήματος, όπως η διαδρομή μεταδόσεως οπτικής επαφής, η κατανομή του φακέλου διαλείψεων μικρής κλίμακας είναι Rician. Σε αυτή την περίπτωση, τυχαίες συνιστώσες πολλαπλών οδεύσεων που φθάνουν σε διαφορετικές γωνίες υπερτίθενται σε ένα στατικό κυρίαρχο σήμα. Στην έξοδο του φωρατή περιβάλλουσας, αυτό οδηγεί στην πρόσθεση μιας dc συνιστώσας στην τυχαία πολλαπλή όδευση. Ακριβώς όπως και στην περίπτωση της φώρασης ενός ημιτονοειδούς κύματος σε θερμικό θόρυβο, η επίδραση ενός κυρίαρχου σήματος που φθάνει μαζί με πολλά ασθενέστερα σήματα πολλαπλών οδεύσεων δημιουργεί μια κατανομή Rician. Όσο το κυρίαρχο σήμα εξασθενεί, το σύνθετο σήμα μοιάζει με ένα σήμα θορύβου που έχει φάκελο Rayleigh. Επομένως, η κατανομή Rician εκφυλίζεται σε Rayleigh όταν η κυρίαρχη συνιστώσα εξασθενεί. Η κατανομή Rician δίνεται από: 2 2 r ( r + A Ar exp 2 2 I0, για( A 0, r 0 ) 2 pr () = σ 2σ σ 0, για( r < 0) Η παράμετρος Α δηλώνει το πλάτος κορυφής του κυρίαρχου σήματος και το Ι0 (.) είναι η τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους και μηδενικής τάξης. Η κατανομή Rician πολλές φορές περιγράφεται με χρήση μιας παραμέτρου Κ, που ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ της ισχύος του ντετερμινιστικού σήματος και της διακύμανσης της πολλαπλής όδευσης. Δίνεται από τη σχέση: 2 2 Α Α Κ= = 10log ( db). Η παράμετρος Κ είναι γνωστή ως παράγοντας Rician 2 2 2σ 2σ και καθορίζει πλήρως την κατανομή Rician. Όσο A 0, K db, και όσο η 62

63 κυρίαρχη διαδρομή μειώνεται σε πλάτος, η κατανομή Rician εκφυλίζεται σε Rayleigh. Σχήμα 3.4: Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της κατανομής Rician 3.4 Θόρυβος καναλιού και παρεμβολές (Noise and Interference) Θόρυβοι σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα Με τη βοήθεια των ραδιοκυμάτων μεταφέρουμε γενικά πληροφορία. Η αλλοίωση της πληροφορίας κατά τη μεταφορά της θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, έτσι ώστε στον αποδέκτη της να είναι εύκολα αναγνωρίσιμη. Κατά τη μεταφορά της από την κεραία του πομπού μέχρι την κεραία του δέκτη είναι δυνατόν να αλλοιωθεί από πολλές αιτίες, όπως αυτές που αναφέρθηκαν. Μια ακόμα αιτία είναι και η πρόσθεση ηλεκτρικών θορύβων που υπάρχουν στην περιοχή της κεραίας του δέκτη και εισάγονται σε αυτόν μαζί με το φάσμα συχνοτήτων που μεταφέρει την πληροφορία. Ο δέκτης δεν μπορεί να τους απορρίψει, γιατί ανήκουν στο φάσμα της πληροφορίας και αναγκαστικά εισέρχονται σε αυτόν για την περαιτέρω επεξεργασία τους μαζί με την πληροφορία. Κατά την επεξεργασία του σήματος υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι απόρριψης αυτών των θορύβων του σήματος, όπως η κωδικοποίηση. Η γνώση χαρακτηριστικών της στάθμης θορύβου για τους τόπους όπου συνήθως γίνεται η ραδιοζεύξη, είναι απαραίτητη για τη σχεδίασή της. Η ισχύς του πομπού και η ποιότητα του δέκτη εξαρτώνται από τη στάθμη θορύβου που υπάρχει στο σημείο ή την περιοχή της λήψης. Το γήινο περιβάλλον είναι γεμάτο από ηλεκτρονικούς θορύβους. Κάθε ηλεκτρικό φορτίο που μετακινείται με μεταβαλλόμενη ταχύτητα μπορεί να δημιουργήσει θόρυβο. Κάθε ηλεκτρικό σήμα που παράγεται ή εισέρχεται σε μια διάταξη επεξεργασίας διακίνησης πληροφοριών, με τη βοήθεια των 63

64 ραδιοκυμάτων, και αλλοιώνει την πληροφορία θεωρείται ηλεκτρονικός θόρυβος ή απλά θόρυβος. Στα αναλογικά συστήματα για την πιστότητα της πληροφορίας λαμβάνουμε υπόψη το λόγο Σήματος προς Θόρυβο, ενώ στα ψηφιακά, όπως το Bluetooth, λαμβάνουμε υπόψη το ποσοστό των εσφαλμένων ψηφίων που μπορεί να προκαλέσει στο σύνολο των ψηφιακών πληροφοριών. Ενδιαφέρον παρουσιάζει ο θερμικός θόρυβος, που οφείλεται στη συνεχή τυχαία κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στους αγωγούς που έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη του απόλυτου μηδενός. Ο θόρυβος αυτός δεν ακτινοβολείται στο περιβάλλον. Δηλαδή, κάθε στοιχείο που παρουσιάζει ωμική συμπεριφορά, εισάγει στο δέκτη το δικό του θόρυβο, εξαιτίας της τυχαίας κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων του. Θεωρητικά μια κεραία λήψης δεν θα εισάγει δικό της θόρυβο στο δέκτη, μόνο αν αυτή ψυχθεί στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, οπότε και θα σταματήσει εντελώς η τυχαία συνεχής κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων της. Ο θερμικός θόρυβος λέγεται και λευκός θόρυβος, διότι αποτελείται από ένα τεράστιο φάσμα συχνοτήτων που καλύπτει όλο το φάσμα των ραδιοσυχνοτήτων. Ο λευκός θόρυβος είναι ανεξάρτητος από τη συχνότητα μέχρι τη συχνότητα των υπέρυθρων ακτίνων (10 THz). Πέρα από αυτή τη συχνότητα ο λευκός θόρυβος μειώνεται πολύ γρήγορα, με την αύξηση της συχνότητας. Για προσαρμοσμένη κεραία με το δέκτη η ισχύς του λευκού θορύβου δίνεται: Pi = KTB (W), όπου Κ η σταθερά του Boltzman, T η απόλυτη θερμοκρασία σε Κ και Β η ζώνη συχνοτήτων που ενισχύεται από το δέκτη σε Hz. O θερμικός θόρυβος είναι ενδογενής και δεν έχει σχέση με τη διάδοση των ραδιοκυμάτων. Ένας τύπος εξωγενούς θορύβου είναι ο βιομηχανικός θόρυβος. Όλες οι συσκευές που κατασκευάζει ο άνθρωπος και λειτουργούν με ρεύμα παράγουν λίγο ή πολύ ραδιοθόρυβο. Κάθε ρεύμα που κυκλοφορεί σε οποιοδήποτε κύκλωμα και η έντασή του μεταβάλλεται με το χρόνο, εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικό κύμα (ΗΜΚ). Όσο πιο γρήγορες είναι οι μεταβολές των ρευμάτων τόσο πιο έντονα είναι τα κύματα που εκπέμπουν αυτά. Η διακοπή ή η αποκατάσταση π.χ. ενός κυκλώματος έχει ως συνέπεια την παραγωγή ΗΜΚ που εκπέμπονται στον περιβάλλοντα χώρο ως ραδιοθόρυβοι. Κάθε συσκευή έχει το δικό της φάσμα εκπομπής ΗΜΚ. Ο βιομηχανικός θόρυβος προφανώς εξαρτάται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Δε μπορεί κανείς να προβλέψει το βιομηχανικού θορύβου παρά μόνο με στατιστικό τρόπο. 64

65 Μια επιπλέον πηγή θορύβου είναι και η ίδια η επιφάνεια της γης. Ο θόρυβος που παράγεται από αυτήν εξαρτάται από τη θερμοκρασία της. Κατά τη σχεδίαση των δεκτών μικροκυμάτων εξαιρετικά μικρού δείκτη θορύβου λαμβάνεται υπόψη και ο θόρυβος αυτού του είδους Παρεμβολές από τη συνύπαρξη του Bluetooth με το Το Bluetooth λειτουργεί στην ISM μπάντα των 2.45 GHz που είναι ελεύθερη προς αξιοποίηση από οποιοδήποτε βιομηχανικό, επιστημονικό ή ιατρικό φορέα. Ήδη πολλές συσκευές λειτουργούν σε αυτή τη μπάντα για άλλες εφαρμογές όπως τα ασύρματα τηλέφωνα, οι φούρνοι μικροκυμάτων, διάφορα τηλεχειριστήρια κτλ. Υπάρχουν δύο ακόμα πρωτόκολλα ασύρματης δικτύωσης που χρησιμοποιούν αυτή τη μπάντα συχνοτήτων, το b που υποστηρίζει WLAN συστήματα και το Home RF. Υπάρχουν ήδη πολλές συσκευές που υποστηρίζουν τις τεχνολογίες WLAN και Bluetooth και οι εφαρμογές τους είναι απαραίτητες, επομένως η συνύπαρξη των δύο συστημάτων είναι αναπόφευκτη. Κύριοι μηχανισμοί παρεμβολής με το WLAN είναι οι ανεπιθύμητες εκπομπές, η διακοπή λήψης (εξαιτίας μη ιδανικών φίλτρων λήψης) και η ενδοδιαμόρφωση. Όσο μεγαλώνει η πυκνότητα των χρηστών σε μια περιοχή, αυξάνεται και η πιθανότητα παρεμβολής. Αν και χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές πρόσβασης και διαμόρφωσης που έχουν ως στόχο την προστασία της πληροφορίας από αυτές τις παρεμβολές, η επίδραση της παρεμβολής θα είναι αναπόφευκτη αν υπάρξει επικάλυψη δεδομένων στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Έχουν δημοσιευτεί, κυρίως σε συνέδρια, αρκετές μελέτες των επιδράσεων των συστημάτων του στο σύστημα Bluetooth, αλλά και το αντίστροφο [8],1,2,4. Όταν το WLAN εκπέμπει, καταλαμβάνει περίπου 17 MHz από τη μπάντα των 2.45 GHz ISM, επομένως αμοιβαία παρεμβολή θα υπάρξει μεταξύ των συστημάτων WLAN και Bluetooth μόνο όταν τα σήματα και των δύο συστημάτων επικαλύπτονται και στο χρόνο και στη συχνότητα. Η ζεύξη Bluetooth χρησιμοποιεί 79 κανάλια hop του 1 MHz, συνεπώς 17 hop θα επηρεαστούν από την παρεμβολή με το WLAN. Επιπρόσθετα, και τα δύο συστήματα εφαρμόζουν μετάδοση σε πακέτα και διπλεξία με διαίρεση χρόνου (TDD). Επομένως, η μετάδοση είναι ασυνεχής. Κάθε εκπομπή Bluetooth γίνεται 1 Golmie, N. Mouveaux, F.: Interference in the 2.4 GHz ISM band: impact on the Bluetooth access control performance. Communications, ICC IEEE International Conference on 2 Sakal, I. Simunic, D.: Simulation of interference between Bluetooth and b systems. Electromagnetic Compatibility, EMC ' IEEE International Symposium on 65

66 σε διαφορετική συχνότητα μεταπήδησης (ανάλογα με το ρυθμό πακέτων). Άρα στη χειρότερη περίπτωση η μείωση απόδοσης στο Bluetooth θα είναι 17/79 ή 22%. Παρόλα αυτά στην πράξη, η μείωση είναι πολύ μικρότερη εξαιτίας της τοπολογίας της παρεμβολής και των συνθηκών φόρτου [8]. Θεωρώντας την πηγή WLAN σε απόσταση di από το Bluetooth slave, ενώ το Bluetooth master βρίσκεται σε απόσταση dm και υποθέτοντας ότι και η πηγή WLAN και η συσκευή Bluetooth master εκπέμπουν 1mW ισχύ, ο λόγος σήματος προς παρεμβολή στο slave δίνεται από τη σχέση 20log(dI/dM). 3.5 Μοντέλο καναλιού προσομοίωσης Bluetooth Κανάλι προσθετικού θορύβου Ο υπόλοιπος θόρυβος που προέρχεται από το περιβάλλον καθώς και οι παρεμβολές με το , που αποτελούν σημαντικό στοιχείο μελέτης επίδοσης, μπορούν να προσομοιωθούν με προσθετικό θόρυβο κανονικής κατανομής (AWGN). Στο μοντέλο αυτό το εκπεμπόμενο σήμα s(t) διαβρώνεται, κατά τη διέλευσή του από το κανάλι, από την προσθήκη μιας τυχαίας διαδικασίας θορύβου n(t). Αν ο θόρυβος εισάγεται κυρίως από ηλεκτρονικά στοιχεία και ενισχυτές στο δέκτη (θερμικός θόρυβος) μπορεί να χαρακτηριστεί στατιστικά ως διαδικασία Gaussian θορύβου. Γι αυτό το μαθηματικό μοντέλο του καναλιού καλείται συνήθως κανάλι προσθετικού Gaussian θορύβου(awgn). Η διακύμανση του προσθετικού Gaussian θορύβου προσδιορίζεται από τη σχέση: SignalPower SymbolPeriod NoiseVariance = SampleTime 10 όπου Es = Eb είναι ο λόγος της ενέργειας συμβόλου προς τη φασματική No No πυκνότητα ισχύος του θορύβου, που ισούται με το λόγο ενέργεια bit προς τη φασματική πυκνότητα ισχύος του θορύβου όταν έχουμε δυαδική διαμόρφωση, όπως εδώ. Ισχύς του σήματος (Signal Power) θεωρούμε την ονομαστική ισχύ της 1 ης κλάσης, δηλαδή Ps =1mW. Es No 10 66

67 Symbol Period: η περίοδος συμβόλου, και Sample Time: το χρονικό διάστημα δειγματοληψίας Ως Gaussian θόρυβος έχουν αντιμετωπιστεί βιβλιογραφικά και οι παρεμβολές με το Σχήμα 3.5: Κανάλι προσθετικού θορύβου Σχήμα 3.6: Ο Gaussian προσθετικός θόρυβος της προσομοίωσης 3 Galli S., Famolan D., Kodama T. Bluetooth: channel coding considerations. Vehicular Technology Conference, VTC 2004-Spring IEEE 59 th 4 Conti, A.; Dardari, D.; Pasolini, G.; Andrisano, O.: Bluetooth and IEEE b coexistence: analytical performance evaluation in fading channels. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, Volume 21, Issue 2, Feb 2003 Page(s):

68 Κανάλι χρονικά μεταβαλλόμενου γραμμικού φίλτρου Φυσικά κανάλια με χρονικά μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά μετάδοσης μπορούν να χαρακτηριστούν ως χρονικά μεταβαλλόμενα φίλτρα, όπως φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 3.7. Για ένα σήμα εισόδου s(t) η έξοδος του καναλιού θα είναι: rt () = st () h( τ;) t + nt () Αφού η μετάδοση σήματος σε μια ζεύξη Bluetooth είναι πολύ μικρής χρονικής διάρκειας και συνήθως αφορά μικρές αποστάσεις της τάξεως των λίγων μέτρων, μπορούμε να αγνοήσουμε στο μοντέλο προσομοίωσης τις επιδράσεις των διαλείψεων μεγάλης κλίμακας. Για τις ζεύξεις οπτικής επαφής, καταλληλότερη για την περιγραφή των διαλείψεων μικρής κλίμακας είναι η κατανομή Rician με συντελεστή: K( db) = 12 2 d( m) 5 Για μη οπτικής επαφής ζεύξη, οι διαλείψεις μπορούν να περιγραφούν με την κατανομή Rayleigh, που άλλωστε πρόκειται για τη «χειρότερη» περίπτωση Rician κατανομή όταν K 0. Οι διαλείψεις μορφής Rayleigh μπορούν να θεωρηθούν επίπεδες (flat fading) και οι ολισθήσεις Doppler που οφείλονται σε μετακινήσεις συσκευών Bluetooth ή αντικειμένων ανθρώπων στον περιβάλλοντα χώρο μπορούν για χάρη απλοποίησης να αγνοηθούν. Παρακάτω απεικονίζονται οι διαλείψεις Rician που προσομοιώθηκαν στην παρούσα εργασία στο Matlab, ενώ οι επίπεδες διαλείψεις Rayleigh δεν απεικονίζονται από το πρόγραμμα. Σχήμα 3.7: Μοντέλο καναλιού χρονικά μεταβαλλόμενου γραμμικού φίλτρου με προσθετικό θόρυβο 5 Zurbes S., Stahl W., Haartsen J.: Radio Network Performance of Bluetooth. Communications, ICC IEEE International Conference on 68

69 Σχήμα 3.8: Απεικόνιση διαλείψεων Rician στο Matlab 69