Mobilní sítě krátkého dosahu PAN, WLAN Ing. David Kopecký kopecky@fel.cvut.cz ČVUT FEL, katedra radioelektroniky 2007
Zařazení v klasifikaci telekomunikačních sítí Globální sítě GAN (Global Area Network) Dálkové sítě WAN (Wide Area Network) Metropolitní sítě MAN (Metropolitan Area Networks) Veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Network) Lokální sítě LAN/WLAN (Wireless Local Area Network) Personální sítě PAN/WPAN (Wireless Personal Area Network) Osobní sítě BAN/WBAN (Wireless Body Area Network)
Přehled bezdrátových sítí a jejich použití
Bluetooth, Zigbee, WirelessUSB Dosah jednotky až desítky metrů Kmitočtová pásma 868MHz, 915MHz, 2450MHz Vysílací výkon do 100mW/10mW/1mW Příkon (spící režimy) do 100mA (1µA hybernace) Jednoduché řízení přenosu Módy přenosu podle typu a potřeb zařízení Velký počet zařízení Široká podpora výrobců speciálních čipů (Applicationspecific integrated circuit) Nízká cena od $1
WiFi, WiMAX, HyperLan Dosah stovky metrů Kmitočtová pásma 2.4, 5 GHz Vysílací výkon dle země do 1W Příkon dle režimu Přenosové rychlosti do 250Mb/s Druhy provozu Ceny zařízení
BlueTooth (IEEE 802.15.1) Verze: 1.0 (1999),2.0 (2004) Pracovní pásmo 2.402 2.480GHz; 79 kanálů po 1MHz Rozprostření FHSS 1600 skoků/s Adresace 48 bitů (unikátní) Datová rychlost Synchronní mód 3 x 64kb/s duplex Asynchronní mód Nesymetrický 721kb/s + 57kb/s Symetrický 432,6kb/s Délka paketu 625μs Kryptografie 40 a 64 bitové kódování Výkon vysílače 1 100mW Citlivost přijímače 80 85dBm Dosah Typicky 10 100m Koexistence s WiFi AFH
Rozdělení BlueTooth zařízení Podle vysílaného výkonu: Třída Pmax Pnom Pmin 1 100mW (20dBm) nedefinováno 1mW (0dBm) 2 2.5mW (4dBm) 1mW (0dBm) 0.25mW ( 6dbm) 3 1mW (0dBm) nedefinováno nedefinováno Stavy ve kterých se může zařízení nacházet: Pohotovostní (standby) Dotaz / Výzva (inquiry( / page) Aktivní (active) Vyhledávac vací (sniff) Odložený (hold) Parkovací (park)
Piconet/Scatternet Scatternet Piconet 1 Piconet Piconet 2
Rádiová vrstva GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) Jednička je kladná odchylka kmitočtu BT = 0,5 a modulační index = 0.28 0.35 Symbolová rychlost 1Ms/s TDD (Time Division Duplex) Slot time = 0,625ms FHSS případně AFH
Komunikace master slave
Vrstvy pro síťové aplikace
ZigBee (IEEE 802.15.4) Low-Rate Wireless Personal Area Network průmyslová síť pro pomalý přenos dat v domácí a automatizační technice Pracovní pásma 868MHz, 915MHz, 2.45GHz Rozprostření DSSS Adresace 16 bitů (až 64000 zařízení) Datová rychlost Bezdrátové prodloužení RS 232/RS 485 250 kb/s (O QPSK) Výkon vysílače Citlivost přijímače Dosah Příkon 1 mw 90dBm až 75m (ve volném prostoru) 30mA (1µA v hybernaci)
Y37BKS WirelessUSB Cypress Semiconductor (2001) Bezdrátové prodložení pro USB rozhraní Pracovní pásma 2.4GHz, 79 kanálů Rozprostření DSSS/bez Adresace 8bitů (jako USB) Datová rychlost Bezdrátové prodloužení USB 250 kb/s (DSSS) 1Mb/s (GFSK) Výkon vysílače 2,5 mw Citlivost přijímače 95dBm Dosah až 50m Příkon 50mA (1µA v hybernaci)
WirelessUSB CIRF69213 (Cypress)
WLAN WiFi (IEEE 802.11a/b/g, 802.11n) Bezdrátová LAN Pracovní pásma 2.412 2.484 GHz, 14 kanálů (ISM) Rozprostření Modulace Adresace Datová rychlost 1Mb/s 250Mb/s Výkon vysílače Citlivost přijímače Dosah Příkon 5.47 5.725 GHz, FHSS,DSSS,OFDM BPSK, QPSK, 8PSK, 64QAM MAC 100 mw 95dBm stovky metrů v závislosti na vysílaném výkonu
Dokumenty a doporučení IEEE 802.11 Původní standard pro 1 a 2 Mbit/s rychlost s frekvencí 2.4 GHz (1999) IEEE 802.11a 54 Mbit/s, 5 GHz standard (1999, produkty od 2001) IEEE 802.11b Vylepšení 802.11 s podporou 5.5 a 11 Mbit/s (1999) IEEE 802.11c Bezdrátové přemostění (bridge); obsaženo v IEEE 802.1D standardu (2001) IEEE 802.11d Mezinárodní roamingový dodatek (2001) IEEE 802.11e Vylepšení QoS, včetně dlouhých (burst) paketů (2005) IEEE 802.11F Komunikace mezi bezdrátovými přístupovými body (2003) Stažen v březnu 2006. IEEE 802.11g 54 Mbit/s, 2.4 GHz standard (zpětně kompatibilní s 802.11b) (2003) IEEE 802.11h Správa spektra 802.11a (5 GHz) pro Evropu (2004) IEEE 802.11i Vylepšený autentifikační a šifrovací algoritmus (WPA2) (2004) IEEE 802.11j Dodatek pro Japonsko; nové frekvenční pásma pro multimedia (2004) IEEE 802.11k Vylepšení správy rádio zrdojů pro vysoké frekvence. (Navazuje na IEEE 802.11j) IEEE 802.11l (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11m Správa standardu: přenosové metody a drobné úpravy. IEEE 802.11n Vylepšení pro vyšší datovou propustnost (MIMO Multiple Input Multiple Output) IEEE 802.11o (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11p Bezdrátový přístup pro pohyblivé prostředí (auta, vlaky, sanitky) IEEE 802.11q (rezervováno a nebude použito, aby se nepletlo s 802.1Q) IEEE 802.11r Rychlé přesuny mezi přístupovými body (roaming) IEEE 802.11s Samoorganizující se bezdrátové sítě. (ESS Mesh Networking) IEEE 802.11T Předpověď bezdrátového výkonu testovací metody IEEE 802.11u Spolupráce se sítěmi mimo 802 standardy (například s mobilními sítěmi) IEEE 802.11v Správa bezdátových sítí (konfigurace klientských zařízení během připojení) IEEE 802.11w Chráněné servisní rámce IEEE 802.11x (rezervováno a nebude použito) IEEE 802.11y Pro běh ve frekvenčním pásmu 3650 3700 MHz (veřejné pásmo v USA)
Hlavní kmitočtová pásma
Kalkulace trasy http://www.jirous.com/vypocty/wi-fi/
Kmitočtová pásma 802.11b
DSSS
Barker sekvence 11bit rozprostíraci sekvence Kódový zisk 10,4 db Dobré autokorelační vlastnosti
Kodér vysílače
Přímé rozprostření
Kmitočtová maska pro 802.11b
Výkonová obálka 802.11
IEEE 802.11g/a
Kmitočtová maska 802.11a
PLCP rámec
Přístupová metoda DCF (Distributed Coordination Function) PCF (Point Cordination Function) volitelně CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). DIFS (Distributed Inter Frame Space) RTS (Request To Send) krátký paket vyslaný stanicí pokud chce vysílat (obsahuje délku následujícího přenosu) CTS (Clear To Send) odpověď na RTS (opět s délkou následujícího přenosu) RTS CTS výhodný pouze pro dlouhé pakety
Komunikace ACK
Přístup k médiu
Skrytá stanice
Rozšíření přístupových metod (QoS) IEEE 802.11e ECDF (Enhanced Distribution Coordination Function ) HCF (Hybrid Coordination Function ) volitelný HCCA (HCF Controlled Channel Access) TSID (Traffic Stream Identifier) 8 identifikátorů provozu
QoS pro 802.11
QoS (Quality of Service ) vyjadřuje jeden z trendů vývoje technologií a služeb počítačových sítí poskytovat uživatelům služby s definovanou kvalitou Volná kapacita sítě rozdíl mezi instalovanou kapacitou a zátěží neboli využitou kapacitou. Ztrátovost paketů kolik procent paketů nedorazí od odesílatele k příjemci. Zpoždění doba potřebná k přenosu paketu od odesílatele k příjemci. Změna zpoždění Tato vlastnost je pro aplikace často důležitější než absolutní hodnota zpoždění.
Blokové schéma WLAN
Bloky CEM (Configurable Execution Module) pro realizaci WLAN na principech softwarového rádia
UWB IEEE802.15.3 Bezdrátový přenos multimediálních dat, implementace QoS I UWB (impulse based UWB) MC UWB (Multicarrier UWB, OFDM) Šířka pásma 500MHz Kmitočtové pásmo 3.1 10.6 GHz Vysílaný výkon 41dBm/MHz! Datová rychlost 100 Mb/s, 250Mb/s, 480Mb/s, 800 Mb/s Boj o praktickou realizaci fyzické vrstvy MB OFDM (MultiBand OFDM ) DS CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access)
Kmitočtový plán MB OFDM
Záklaní bloky UWB vysílače a příjímače
UWB transceiver
Literatura An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems Jeffrey H. Reed Publisher : Prentice Hall PTR Date : April 05, 2005 ISBN : 0 13 148103 7 Pages : 672
Literatura Bluetooth Application Developer's Guide: The Short Range Interconnect Solution By Brian Senese, Gordon McNutt, Bill Munday, David Kammer Publisher: Syngress Publishing Pub Date: December 2001 ISBN: 1928994423 Pages: 556
Literatura Introduction to Bluetooth Technology by Lawrence Harte Althos Pub Date: January, 2004 ISBN: 0974694355 Pages: 60
Literatura IEEE 802 Wireless Systems Protocols, Multi hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence Bernhard H. Walke ComNets, RWTH Aachen University, Germany Stefan Mangold Swisscom Innovations, Switzerland Lars Berlemann ComNets, RWTH Aachen University, Germany John Wiley & Sons Ltd, Pub Date: January, 2004 ISBN 13 978 0 470 01439 4
Zkratky