11

2.4. Odabiranje signala

Signali se u prirodi sreću u analognom obliku, stoga je prvo neophodno uraditi njihovu

konverziju u digitalni oblik. Digitalni signal se od analognog dobija u procesu odabiranja - Slika 16.

Odabiranje se vrši sa periodom , i vrednost signala se predstavlja u digitalnom obliku.

Slika 16. Odabiranje signala

Što se češće vrši odabiranje signala, to će reprodukcija signala biti vernija. Međutim, često

odabiranje zahteva veću brzinu sistema i generiše veliku količinu podataka, koje zatim treba

obraditi i preneti. Sa druge strane, ukoliko se odabiranje vrši isuviše retko, nećemo biti u stanju da

rekonstruišemo signal na izlazu iz sistema.

Slika 17. Primer aliasinga

12

Minimalna učestanost sa kojom se vrši odabiranje nekog signala definisana je takozvanim

Nikvistovim kriterijumom: signal u čijem je spektru najviša učestanost f, mora se odabirati

učestanošću , odnosno perioda odabiranja mora biti . Ukoliko Nikvistov

kriterijum nije zadovoljen, dolazi do pojave lažnih komponenti spektra na nižim učestanostima. Ova

pojava naziva se aliasing - Slika 17. U primeru sa slike, nije moguće na osnovu odbiraka razlikovati

tri signala, tj. sva tri signala biće rekonstruisana kao sinusoida najmanje učestanosti (označena

crvenom bojom). U spektru digitalnog signala pojavljuju se lažne niže frekvencije fa = |f – k * fs|,

, takve da važi fa ≤ fs/2.

Odabiranjem signala, njegov spektar se širi, tj. formiraju se komponente u spektru oko

frekvencija - Slika 18.

Slika 18. Spektar signala nakon odabiranja

U računarskim mrežama, prenose se digitalni signali koji najčešće imaju oblik pravougaonog

impulsa - Slika 19.

Slika 19. Vremenski oblik pravougaonog impulsa

13

Spektar pravougaonog impulsa je beskonačan, i ima oblik sinc funkcije – Slika 20. S

obzirom na to da na prijemnoj strani moramo ograničiti spektar signala na osnovu koga vršimo

rekonstrukciju, to znači da ćemo pri prenosu pravougaonog impulsa neminovno imati gubitke.

Slika 20. Spektar pravougaonog impulsa

Međutim, pokazuje se da je za signal koji u vremenskom obliku ima oblik sinc funkcije -

Slika 21, spektar signala ograničen - Slika 22. Zbog toga se pre slanja digitalnog signala vrši

njegovo uobličavanje, tako da se kroz sistem ne šalju pravougaoni impulsi, već SINC signali.

Slika 21. Vremenski oblik SINC impulsa

Slika 22. Spektar SINC impulsa

14

Kako bi se izbegla interferencija simbola na prijemnoj strani, neophodno je da simboli budu

međusobno pomereni za 1/W sekundi. U tom slučaju, odluka o vrednosti simbola na prijemnoj

strani se donosi onda kada je amplituda signala od interesa na maksimumu, a amplitude ostalih

komponenti jednake su nuli.

Slika 23. Izbegavanje interferencije simbola

2.5. Prenos signala u radio opsegu

Odabiranjem signala, dobijamo signal koji se nalazi u takozvanom osnovnom opsegu

frekvencija. Prilikom prenosa signala kroz telekomunikacioni sistem, signal se odgovarajućom

modulacijom pomera u radio opseg, tj. u opseg frekvencija koje su našem sistemu dodeljene od

strane regulatornih tela.

Slika 24. Prenos signala u radio opsegu

15

2.5.1. Kompleksna predstava signala

Proizvoljni sinusoidni signal oblika A(t)sin[2πft + ϕ(t)] može se predstaviti kao zbir

komponenata “u fazi” i “u kvadraturi”, odnosno kao zbir sinusoide i kosinusioide učestanosti f.

Termin “u kvadraturi” označava ortogonalnost komponenti (sinusoide i kosinusoide). Komponentu

koja je u fazi označavamo sa I, a komponentu koja je u kvadraturi sa Q. U literaturi se sreću primeri

u kojima je kao I komponenta označena sinusna komponenta, kao i oni u kojima je istim simbolom

označena kosinusna komponenta signala. Ukoliko je originalni signal sinusoida, komponenta u fazi

je grana sa sin( .

Slika 25. Kompleksna predstava signala

2.5.2. Signal u radio opsegu

Posmatrajmo signal koji u osnovnom opsegu zauzima opseg ukupne širine W, sa

maksimalnom frekvencijom u spektru W/2 - Slika 26. Množenjem tog signala sa nosiocem

učestanosti fc, dolazi do pomeranja spektra signala u opseg učestanosti oko učestanosti nosioca.

Transliran spektar ima istu širinu W.

Slika 26. Spektar signala u osnovnom i u radio opsegu

2.6. Tipovi komunikacije

U zavisnosti od toga da li se veza između korisnika u sistemu ostvaruje samo u jednom ili u

oba smera, razlikujemo simpleks, polu-dupleks i dupleks tipove komunikacije. Link kojim se

informacije šalju ka odredištu naziva se downlink, dok se veza u suprotnom smeru naziva uplink.

16

2.6.1. Simpleks

Kod simpleks komunikacije, informacije se prenose samo od jednog izvora ka odredištu, ali

ne i u drugom smeru - Slika 27.

Slika 27. Simpleks

2.6.2. Polu-dupleks

U slučaju polu-dupleks veze, informacije se mogu prenositi u oba smera, ali ne istovremeno

- Slika 28. Periodi u kojima je moguća samo jednosmerna komunikacija su primetni korisniku.

Primer ovakve komunikacije je voki-toki.

Slika 28. Polu-dupleks

2.6.3. Dupleks

U slučaju dupleks veze (potpuni dupleks), komunikacija je dvosmerna, i sa stanovišta

korisnika nema ograničenja, tj. i prijemna i predajna strana mogu istovremeno slati i primati

podatke.

Slika 29. Dupleks

17

i) Vremensko dupleksiranje

Dvosmerna komunikacija se u slucaju vremenskog dupleksiranja ostvaruje tako što se

uplink-u i downlink-u dodeljuju različiti vremenski intervali, tokom kojih oni koriste isti opseg

frekvencija - Slika 30. Iako u ovom slučaju postoji period sa kojim se smenjuju smerovi

komunikacije, promena se dešava brzo i korisnik je ne može osetiti (kao što može u slučaju polu-

dupleks veze).

Slika 30. Vremensko dupleksiranje (TDD – Time Division Duplex)

ii) Frekvencijsko dupleksiranje

Kod frekvencijskog dupleksiranja, svakom od smerova komunikacije dodeljuje se određeni

frekvencijski opseg - Slika 31. Na ovaj način, zauzima se dvostruko veći opseg frekvencija nego

kod vremenskog dupleksiranja, ali nema potrebe da se komunikacija u nekom smeru prekida kako

bi se ostvarila u drugom.

Slika 31. Frekvencijsko dupleksiranje (FDD – Frequency Division Duplex)

2.7. Višekorisnički pristup

U bežičnim mrežama, u nekom trenutku je moguće da više različitih parova korisnika

koristi isti medijum za prenos podataka. Stoga su neophodni mehanizmi koji omogućavaju da

različiti korisnici ne ometaju jedni druge u komunikaciji. Takođe, neophodni su mehanizmi koji

regulišu prava pristupa za različite korisnike. Ovi mehanizmi nazivaju se metodama

multipleksiranja korisnika, tj. metodama za višekorisnički pristup.

2.7.1. Vremensko multipleksiranje

Jedna od metoda koja omogućava višekorisnički pristup je vremensko multipleksiranje

(TDMA – Time Divison Multiple Access). U slučaju TDMA, različitim korisnicima dodeljuju se

različiti intervali (slotovi) koje mogu koristiti za komunikaciju. Pri tome, alokacija slotova može

biti statička ili dinamička - Slika 32. Kod statičke alokacije, raspored i trajanje slotova dodeljenih

korisnicima se ne menjaju u vremenu. Kod dinamičke alokacije, raspored dodeljenih slotova zavisi

od potreba korisnika i trenutne raspoloživosti resursa u sistemu. Korisnici koji imaju više saobraćaja

da pošalju mogu dobiti više slotova na raspolaganje, ukoliko drugi korisnici ne žele da u tom

trenutku koriste resurse sistema.

18

Slika 32. Vremensko multipleksiranje sa statičkom alokacijom (gore) i dinamičkom alokacijom (dole)

2.7.2. Frekvencijsko multipleksiranje

U slučaju frekvencijskog multipleksiranja (FDMA – Frequency Divison Multiple Access),

različitim korisnicima dodeljeni su različiti frekvencijski kanali. Svi kanali se nalaze na međusobno

ortogonalnim frekvencijama, što znači da centralne frekvencije kanala predstavljaju harmonike iste

osnovne frekvencije. Drugim rečima, ako posmatramo kanale na učestanosti i , neophodno je

da važi i . U tom slučaju, važi da je

– , tako da

se komponente signala koje potiču od različitih korisnika na prijemnoj strani mogu razdvojiti.

Slika 33. Frekvencijsko multipleksiranje

2.7.3. Kodno multipleksiranje

Kod kodnog multipleksiranja (CDMA – Code Divison Multiple Access), signal koji se šalje

množi se pseudoslučajnom sekvencom, koja se menja brže od korisnog signala - Slika 34.

Različitim korisnicima dodeljeni su međusobno ortogonalni pseudoslučajni kodovi i , tako da

važi

, kako bi se signali različitih korisnika mogli razdvojiti na prijemu.

Uslov ortogonalnosti kodova može se interpretirati i kao zahtev da skalarni proizvod vektora kojima

su opisane pseudoslučajne sekvence i bude jednak nuli na periodi trajanja simbola koji se

prenosi .

19

Slika 34. Kodno multipleksiranje

2.7.4. Kombinovana TDMA/FDMA metoda

Frekvencijsko multipleksiranje može se kombinovati sa vremenskim, kako bi se ostvarila

dinamička alokacija opsega korisnicima, i bolje iskoristili raspoloživi resursi - Slika 35.

Slika 35. Kombinovano frekvencijsko i vremensko multipleksiranje

2.7.5. ALOHA protokol

Do sada pominjane metode multipleksiranja korisnika ostvaruju kontinualnu vezu između

dva korisnika, sa određenim trajanjem. Dodelu resursa reguliše za to zaduženi uređaj. Međutim, u

ad-hoc mrežama nemamo mogućnost centralne dodele resursa, već se višekorisnički pristup zasniva

na takmičenju, a veza se ostvaruje na nivou pojedinačnih paketa.

Najjednostavnija metoda za pristup resursima zasnovan na takmičenju je ALOHA protokol.

Osmišljen je sedamdesetih godina dvadesetog veka na Havajima, i vrlo je jednostavan: korisnik koji

želi da šalje podatke to jednostavno uradi, ne obazirući se na trenutnu zauzetost kanala. Pri tome,

pošiljalac očekuje da dobije potvrdu prijema. Ukoliko potvrda prijema izostane (zato što je došlo do

greške u prenosu usled kolizije više korisnika), predajnik čeka neko slučajno vreme pre nego što

pokuša ponovo da pošalje istu poruku.

20

Slika 36. ALOHA protokol

2.7.6. CSMA/CA metoda detekcije nosioca i izbegavanja kolizije

Sa povećanjem broja korisnika, raste i verovatnoća da korišćenjem ALOHA protokola dođe

do kolizije signala, i protokol postaje izuzetno neefikasan. Zbog toga se u praksi danas najčešće

koristi CSMA/CA mehanizam (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance). U slučaju

CSMA/CA, terminal osluškuje stanje u kanalu, čeka da predajnik koji kanal trenutno koristi

prestane da šalje podatke i da se kanal oslobodi. Kada terminal detektuje da je kanal slobodan, on u

okviru vremenskog perioda koji se naziva prozor čekanja odabira trenutak u kome će pokušati

slanje. Kada taj slučajno odabrani trenutak dođe, terminal započinje transmisiju, osim u slučaju da

detektuje da je neki drugi predajnik u međuvremenu zauzeo kanal. U slučaju da je ipak došlo do

zauzeća kanala, čitav proces se ponavlja, s tim što se dužina prozora čekanja povećava

eksponencijalno (duplira se sa svakom neuspelom transmisijom), dok ne dosegne određenu granicu,

iznad koje nema daljeg povećanja - Slika 37.

Slika 37. CSMA/CA protokol

21

Ovaj algoritam omogućava stabilan prenos i pri velikom opterećenju mreže, tj. pri velikom

broju korisnika. Međutim, problem sa kojim se CSMA/CA suočava je takozvani problem skrivenog

terminala. Naime, može se dogoditi da dva terminala istovremeno žele da ostvare komunikaciju sa

istim uređajem u mreži, pri čemu oba terminala „vide“ taj uređaj, ali se ne vide međusobno – Slika

38. Pošto se terminali ne vide, nijedan od njih neće odstupiti i sačekati, već će oba istovremeno slati

podatke.

Slika 38. Skriveni terminali

2.7.7. RTS/CTS metoda

Problem skrivenog terminala rešava se uvođenjem Request to Send i Clear to Send poruka.

Uređaj A, koji želi da ostvari komunikaciju sa uređajem B, prvo šalje RTS poruku. Ukoliko je

slobodan, uređaj B odgovara CTS porukom. Zatim A šalje podatke ka B, a B na kraju potvrđuje

prijem slanjem ACK poruke.

Na slikama Slika 39 i Slika 40, prikazana je komunikacija koju inicira skriveni terminal 1,

odnosno komunikacija koju pokreće uređaj vidljiv svima.

Ukoliko komunikaciju pokreće skriveni terminal 1, drugi terminal u mreži neće čuti njegovu

RTS poruku, ali će primiti CTS poruku koju šalje uređaj koji je svima vidljiv. Na osnovu te poruke,

terminal 2 će znati da treba da pričeka dok se komunikacija koja je započela ne završi, odnosno dok

ne primi ACK poruku.

U slučaju da komunikaciju inicira uređaj koji je svima vidljiv, svi dobijaju RTS poruku od

njega. Terminal 2 znaće da poruka nije njemu namenjena, pa iako ne čuje CTS koji stiže od

terminala 1, sačekaće dok se započeta sesija ne završi, tj. dok ne stigne ACK poruka.

22

Slika 39. RTS/CTS protokol, skriveni terminal inicira komunikaciju

Slika 40. RTS/CTS protokol, uređaj vidljiv svima inicira komunikaciju

23

2.8. Modulacije

Modulacija je proces u kome modulišući signal (signal koji sadrži informaciju) izaziva

promenu nekog svojstva signala nosioca. Rezultat procesa modulacije je modulisan signal.

Modulišući signal može biti analogan ili digitalan. Svojstva signala nosioca koja se mogu menjati

su amplituda, faza i frekvencija.

2.8.1. Amplitudska modulacija (ASK)

Kod amplitudske modulacije, informacija koja se šalje sadržana je u amplitudi modulisanog

signala. Primer digitalne amplitudske modulacije dat je na slici Slika 41. U slučaju na slici levo,

prilikom prenosa logičke nule, modulisan signal pada na nulu. S obzirom na to da je pri ovakvom

načinu modulacije teško razlikovati situaciju u kojoj se šalje logička nula od situacije u kojoj se

signal uopšte ne šalje, u praksi se pri prenosu logičke nule amplituda modulisanog signala spušta na

neku nisku, ali ne i na nultu vrednost (desno na slici).

Slika 41. Digitalna amplitudska modulacija (ASK – Amplitude Shift Keying)

2.8.2. Frekvencijska modulacija (FSK)

Kod frekvencijske modulacije, informacija je sadržana u frekvenciji modulisanog signala.

Primer digitalne amplitudske modulacije dat je na slici Slika 43. Logička jedinica se šalje na

frekvenciji fc + Δf, gde je fc centralna učestanost nosioca. Logička nula se šalje na frekvenciji fc – Δf.

i) Gaussian frequency-shift keying (GFSK)

Poseban oblik FSK je GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). U ovom slučaju, podaci se

pre modulacije propuštaju kroz Gausov filtar - Slika 42, kako bi prelaz između logičke nule i

logičke jedinice bio blaži. Time se izbegavaju nagle promene u modulisanom signalu, što rezultuje

manjim smetnjama u prenosu.

Slika 42. Gausov filtar

24

Slika 43. Digitalna frekvencijska modulacija (FSK – Frequency Shift Keying)

2.8.3. Fazna modulacija (PSK)

U slučaju fazne modulacije, nosilac informacije je faza modulisanog signala. Primer

digitalne fazne modulacije dat je na slici Slika 44.

Slika 44. Digitalna fazna modulacija (PSK – Phase Shift Keying)

25

i) BPSK

Kada je u pitanju sistem koji prenosi samo dva različita simbola, govorimo o binarnoj faznoj

modulaciji (BPSK – Binary Phase Shift Keying). Konstelacija signala (raspored mogućih vrednosti

signala u kompleksnoj I/Q ravni) za BPSK signal predstavljena je na slici Slika 45

Slika 45. Konstelacija signala za BPSK modulaciju

2.8.4. Kvadraturna fazna modulacija (QPSK)

Kvadraturna fazna modulacija omogućava slanje dva bita podatka odjednom. Naime, niz

podataka koji se šalje deli se na dva dela, i svaki od podnizova se moduliše BPSK modulacijom -

Slika 46.

Slika 46. Generisanje QPSK signala

Kao rezultat, može se dobiti jedna od 4 vrednosti faze, tj. jedan od četiri simbola iz

konstelacije sa slike Slika 47.

26

Slika 47. Konstelacija signala za QPSK modulaciju

i) D-QPSK

Poseban oblik QPSK je D-QPSK modulacija (Differential QPSK). U ovom slučaju, prenosi

se razlika u fazi između dva uzastopna simbola, a ne apsolutna vrednost faze. Pošto

telekomunikacioni kanal obično ima prenosnu karakteristiku takvu da unosi neke promene u fazu

signala, može doći do greške u prenosu, koja se izbegava upravo prenošenjem razlike uzastopnih

faza, a ne apsolutne vrednosti faze svakog simbola pojedinačno.

ii) O-QPSK

Još jedan poseban oblk QPSK je O-QPSK (Offset QPSK). U ovom slučaju, signal u jednoj

od grana sa slike Slika 46 zakasni se za polovinu periode simbola. Time se postiže da je se u nekom

vremenskom trenutku može promeniti samo jedan od signala u I i Q grani, a ne i oba istovremeno.

Praktično, mogući su prelazi samo između susednih simbola u konstelaciji signala - Slika 48. Stoga

modulisan signal ima manje oštre fazne prelaze.

Slika 48. Konstelacija signala za O-QPSK modulaciju

27

Slika 49. Poređenje BPSK, QPSK i O-QPSK

2.8.5. Kvadraturna amplitudska modulacija (QAM)

Kao i QPSK, i kvadraturna amplitudska modulacija efikasnije koristi raspoloživi opseg i

može se koristiti za slanje više bita podatka odjednom. Podaci koji se šalju dele se u dva niza,

kojima se modulišu I i Q komponenta signala - Slika 50. Modulacija u obe grane je amplitudska, a

amplituda signala na izlazu zavisi od određenog broja bita koji se šalju (moguće je definisati više

nivoa amplitude).

U zavisnosti od toga koliko bita podatka se istovremeno šalje, govorimo o različitim

stepenima QAM modulacije (4-QAM, 16-QAM, 64-QAM).

28

Slika 50. Generisanje QAM signala

i) 4-QAM

Kod 4-QAM modulacije, po jedan bit iz svake grane određuje amplitudu odgovarajuće

komponente. Slika 51 predstavlja konstelaciju 4-QAM signala. Može se uočiti da je ova

konstelacija ekvivalentna konstelaciji QPSK signala, iako se u osnovi koristi različita modulacija.

Jednim 4-QAM simbolom prenosi se dva bita informacije.

Slika 51. Konstelacija 4-QAM signala

ii) 16-QAM

U slučaju kada dva bita iz svake grane određuju amplitudu I i Q komponente, govorimo o

16-QAM modulaciji, tj. imamo 16 mogućih tačaka u konstelaciji signala – Slika 52. Jedan 16-QAM

simbol prenosi četiri bita informacije.

iii) 64-QAM

Kod 64-QAM modulacije, po tri bita iz svake od grana određuju amplitudu odgovarajuće

komponente signala. Kao rezultat, imamo 64 tačke u konstelaciji signala - Slika 53. Jedan simbol

prenosi šest bita informacije.

Treba uočiti da sa porastom stepena QAM modulacije raste i gustina simbola u konstelaciji,

tj. smanjuje se oblast zone odlučivanja za svaki pojedinačan simbol. Greške u prenosu uzrokovane

šumom lakše mogu dovesti do pogrešne interpretacije simbola na prijemu, usled čega se povećava

29

verovatnoća greške u prenosu. Sa druge strane, sa porastom stepena QAM modulacije efikasnije se

koristi raspoloživi spektar, jer se više bita informacije prenosi jednim simbolom.

Slika 52. Konstelacija 16-QAM signala

Slika 53. Konstelacija 64-QAM signala

2.9. Tehnike proširenog spektra

Tehnike proširenog spektra omogućavaju da se signal prenosi u opsegu učestanosti koji je

znatno veći od opsega koji signal inače zauzima. Na taj način, postiže se zaštita signala od detekcije

i prisluškivanja. Poboljšava se i otpornost na smetnje lokalizovane u nekom delu spektra, a može se

i omogućiti višekorisnički pristup. Najčešće se karakteristike signala menjaju brzo, a koriste se

pseudoslučajne sekvence koje definišu način promene signala. Širenje spektra se obično vrši pre

modulacije signala.

2.9.1. Frequency-hopping spread spectrum (FHSS)

Najpoznatija metoda širenja spektra koja se koristi u zaštiti od detekcije i prisluškivanja je

FHSS, tj. širenje spektra skakanjem po frekvencijama. Prilikom prenosa signala, skače se između

raspoloživih kanala na različitim učestanostima, po rasporedu koji je određen pseudoslučajnom

sekvencom. Skokovi mogu biti spori ili brzi. Kod brzih skokova, u intervalu između dva skoka

30

prenosi se samo jedan bit, ili samo jedan njegov deo. Kao rezultat skakanja po različitim kanalima,

koristi se znatno širi spektar za prenos nego što je to neophodno.

Slika 54. FHSS

2.9.2. Direct-sequence spread spectrum (DSSS)

Širenje spektra množenjem sa direktnom sekvencom se najčešće koristi za omogućavanje

višekorisničkog pristupa. Signal koji se prenosi množi se pseudoslučajnom sekvencom znatno veće

učestanosti nego što je učestanost signala koji se prenosi - Slika 55. Praktično, DSSS je metoda

ekvivalentna CDMA metodi multipleksiranja korisnika. Spektar modulisanog signala se širi, jer su

promene pseudoslučajne sekvence brze, tj. maksimalna frekvencija u spektru signala koji se dobija

množenjem sa pseudoslučajnom sekvencom je znatno veća nego maksimalna frekvencija u spektru

originalnog signala. Samim tim, po Nikvistovom kriterijumu, potrebna je veća širina spektra za

prenos signala.

Slika 55. DSSS

31

2.9.3. Time-hopping spread spectrum (THSS)

U slučaju THSS širenja spektra, svaki bit signala koji se šalje zamenjuje se impulsom

proizvoljnog trajanja. U zavisnosti od konkretne implementacije, trajanje impulsa može biti

određeno zadatom pseudoslučajnom sekvencom, ili samom vrednošću signala koji se šalje. Do

širenja spektra dolazi zbog veće učestanosti promene signala.

Slika 56. THSS

2.9.4. Chirp spread spectrum (CSS)

Signal koji se prenosi množi se chirp signalom („cvrkut“), kod koga se frekvencija linearno

povećava tokom trajanja simbola - Slika 57. Na ovaj način, povećava se maksimalna frekvencija u

spektru signala koji se prenosi. Ova metoda najčešće se koristi kako bi se omogućio neometan rad

sistema i u slučaju kada postoje smetnje u nekom delu spektra.

Slika 57. Chirp signal