Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100% - Александр Ватаманюк

Методы и технологии обработки сигнала

Вне зависимости от того, какую среду передачи данных использует в своей работе локальная сеть, существует целый набор технологий и методов обработки сигнала, которые применяются совместно с протоколами передачи данных, чтобы передаваемые данные не просто достигли адресата, но дошли быстро, без ошибок и желательно без необходимости их повторной передачи.

Беспроводная среда, которая всегда была непредсказуемой из-за влияния различных факторов, имеет по сравнению с проводным способом организации сети другой способ обработки сигнала. Так, для уверенной и качественной передачи и обработки данных при различной скорости их пересылки приходится использовать сложные методы и технологии кодирования данных, придающие им большую устойчивость к помехам и, как следствие, уменьшающие скорость их передачи. К тому же, учитывая постоянные физические помехи и наличие большого количества бытовых устройств, создающих радиопомехи, требуется применение целого ряда методов управления модуляцией сигнала и эффективного выбора каналов частот для его передачи.

Далее мы рассмотрим некоторые основные методы, с помощью которых данные превращаются в радиосигнал, передаются адресату и подвергаются обратному декодированию в формат, понятный компьютеру.

DSSS

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра методом прямой последовательности) – один из основных методов модуляции сигнала, используемый в беспроводных локальных сетях. Данный метод применяется для преобразования исходного сигнала и передачи его одновременно по нескольким каналам связи определенной ширины.

Принцип его работы достаточно простой и выглядит следующим образом. Диапазон частот, выделенный для беспроводной сети (2400–2483,5 МГц), разбивается на 11 каналов шириной 22 МГц. Далее с помощью метода последовательностей Баркера каждый бит данных превращается в 11 бит, в результате чего получается 11-кратная избыточность. После этого данные передаются параллельно сразу по всем 11 каналам. Такой подход позволяет гарантированно передать и принять весь объем данных даже при слабом уровне сигнала и высоком уровне шумов в каналах. Это не только позволяет экономить энергию, используемую для передачи данных, но и не мешает работе соседних узкополосных устройств, поскольку широкополосная передача данных небольшой мощности воспринимается как обычный шум.

FHSS

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, псевдослучайное изменение рабочей частоты) – еще один метод обработки сигнала с целью расширения его спектра, используемый в беспроводных локальных сетях.

Метод FHSS также разбивает диапазон частот 2400–2483,5 МГц на полосы, но, в отличие от DSSS, эти каналы имеют ширину 1 МГц и их количество составляет 79. На этом их сходство заканчивается, и дальнейшие принципы работы коренным образом отличаются друг от друга.

Согласно методу FHSS данные передаются только по одному каналу, но сам канал с частотой не более 20 мс изменяется псевдослучайным образом. Причем схема изменения канала определяется и согласовывается между передатчиком и приемником заранее, на этапе соединения. Подобный подход позволяет значительно уменьшить вероятность того, что передаче данных что-то может помешать. Даже если в один из моментов передачи данных какое-то другое беспроводное оборудование займет нужный канал, сигнал об этом поступит отправителю, и необходимый фрагмент данных будет отправлен повторно.

По сравнению с DSSS метод FHSS является более помехозащищенным. Причиной является ширина канала, который используется для передачи данных. Так, возможность возникновения помехи для передачи, которая ведется с помощью 79 каналов шириной в 1 МГц, гораздо ниже, чем вероятность появления помехи для передачи, которая использует канал шириной в 22 МГц. Даже если рассмотреть вариант узкополосных помех, то случайное изменение несущей частоты, то есть смена каналов, делает такое влияние некритичным и приводит лишь к незначительному падению скорости передачи данных за счет отсылки дополнительных частей данных.

По этой причине на практике системы FHSS оказываются более устойчивыми к широкополосным помехам и могут продолжать работать (хотя и с пониженной пропускной способностью) в условиях, когда системы DSSS уже не способны нормально воспринимать полезный сигнал.

OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ортогональное частотное мультиплексирование) – один из методов цифровой модуляции сигнала, позволяющих увеличить скорость передачи данных за счет разумного использования каналов связи и метода передачи данных. Главной причиной появления и применения этого метода обработки сигнала является поиск способов борьбы с широкополосными помехами – основной причиной плохой связи в условиях большого количества крупногабаритных препятствий в виде многоэтажных жилых домов и других зданий.

Принцип работы данного метода основан на разбиении потока данных с помощью инверсного дискретного преобразования Фурье на более мелкие составляющие, которые передаются параллельно, каждый на своей частоте. Это позволяет не только добиться высокой скорости передачи данных, но и свести к минимуму разного рода помехи, особенно в виде отображенного сигнала (сигнал, отбиваемый от препятствий, которые стоят на пути его прямого следования). За счет частично перекрывающихся каналов передаваемый код получается избыточным, что может использоваться для восстановления утерянных частей.

Данные, поступившие получателю, происходят процедуру восстановления целостности, для чего, опять же, используется быстрое дискретное преобразование Фурье, только на этот раз прямое.

PBCC

PBCC (Packet Binary Convolutional Coding, двоичное пакетное сверточное кодирование) – один из методов кодирования данных, позволяющий увеличить скорость передачи данных за счет сжатия кода.

Принцип работы метода сверточного кодирования заключается в следующем. При прохождении так называемого сверточного кодера последовательность входящих бит изменяется: каждому биту данных ставится в соответствие дополнительный бит или биты информации. За счет этого получается нужная избыточность кода, которая делает данные более устойчивыми к помехам и позволяет расшифровать их, даже если часть сообщения будет утеряна.

Что касается избыточности кода, то этот параметр регулируется в зависимости от потребностей. Так, если каждому биту информации соответствует два бита, то скорость сверточного кодирования составляет 1/2, если каждым двум битам соответствует 3 бита, то скорость кодирования составляет 2/3 и т. д.

Сверточный кодер использует определенную систему запоминающих ячеек, которые хранят состояние предыдущего сигнала. Например, если применить систему из шести запоминающих ячеек, то в результате можно получить данные о шести предыдущих состояниях. Этот факт и позволяет восстанавливать данные, даже если большая часть из них будет повреждена или утеряна.

После того как на выходе получается избыточный код, он подвергается фазовой модуляции с помощью одного из методов, например BPSK (двоичная модуляция), QPSK (квадратичная модуляция), 8-PSK (восьмипозиционная фазовая модуляция) и т. д.

При попадании сигнала в приемник данные проходят обратный процесс преобразования, для чего, как правило, используется декодер Витерби.

CCK

ССК (Complementary Code Keying, кодирование с использованием комплементарных кодов) – одна из технологий, при использовании которой данные проходят этап кодирования с целью получения избыточности кода и применения этой избыточности для восстановления (если появится такая необходимость).

Технология ССК достаточно сложна с математической точки зрения, но общий принцип ее работы сводится к следующему: каждый бит передаваемых данных кодируется с помощью восьмибитовой последовательности (слова), что приводит к добавлению дополнительных бит информации.

Эта технология применяется в паре с одним из методов модуляции сигнала, который занимается непосредственно передачей данных.

Для декодирования данных со стороны приемника используется та же схема кодирования, которая применялась для кодирования информации.

CCK-OFDM

CCK-OFDM – гибридная технология кодирования, представляющая собой симбиоз технологии ССК и метода модуляции сигнала OFDM. Такой подход позволяет увеличить скорость передачи данных за счет того, что заголовок кадра, то есть служебная часть данных, кодируется с помощью технологии ССК, а сами данные передаются с использованием кодирования ODFM.

MIMO

MIMO (Multiple Input, Multiple Output, множественный прием/передача) – технология, с помощью которой прием и передача данных ведется с помощью раздельных антенн, количество которых может быть любым.

Причиной появления данной технологии стала необходимость увеличения радиуса сети и скорости передачи данных. Конечно, повышения дальности и качества связи можно достичь и за счет использования более мощных передатчиков и антенн с увеличенным коэффициентов усиления. Однако существующие стандарты строго ограничивают мощность передатчика, особенно для систем офисного или домашнего применения, поэтому такой подход не является эффективным.