Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI)

Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI)

Bezprzewodowa transmisja danych

© PSI 2015

Bezprzewodowa transmisja danych- przykłady wybrane

1

Politechnika Gdańska

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV

Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski

Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Przykładowe sposoby klasyfikacji

technologii bezprzewodowych

© PSI 2015

Przykłady Zastosowania

Na co zwracają uwagę użytkownicy?

2

Widmo promieniowania

elektro-magnetycznego

źródło: http:\\pl.wikipedia.org

© PSI 2015

A – fale akustyczneB – fale radioweC – mikrofale

D – podczerwieńE – światło widzialneF – ultrafiolet

Promieniowanie:G – rentgenowskieH – gamma

Podstawowy podział

– uwzględnienie zasięgu

Systemy bezprzewodowej transmisji danych:

� o „małym zasięgu”(do kilkunastu metrów)

© PSI 2015

� o „średnim zasięgu”(do kilkudziesięciu/kilkuset metrów)

� o „dużym zasięgu”(od kilku do setek/tysięcy kilometrów)

4

Podstawowy podział

– uwzględnienie zasięgu


� o „małym zasięgu”np.: IrDA, Bluetooth, Wibree (Bluetooth ultra low

power)

© PSI 2015

power)

� o „średnim zasięgu”np.: HomeRF, WiFi (802.11), ZigBee

� o „dużym zasięgu”np.: radiomodemy, sieci telefonii komórkowej GSM

5

Podstawowy podział

– uwzględnienie „funkcji” systemu

„Funkcje” systemów bezprzewodowej transmisji danych:

� transmisja danych cyfrowych

(wydzielone, nietelefoniczne kanały radiowe)

� transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

© PSI 2015

transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

(sieć telefonii komórkowej)

� telemetria – „pomiary na odległość”

� telemechanika – „sterowanie na odległość”

� czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kablimiedzianych, kabli optycznych:

o trudne warunki fizyczne do prowadzenia kabla

o brak miejsca itp.

6

Podstawowy podział

– uwzględnienie „funkcji” systemu

„Funkcje” systemów bezprzewodowej transmisji danych:

� transmisja danych cyfrowych

radiomodemy …

� transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

© PSI 2015

transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

sieci telefonii komórkowej GSM …

� czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kablimiedzianych, kabli optycznych

IrDA, Bluetooth, HomeRF, WiFi (802.11), radiomodemy …

Drop in Networkingdotyczy rozmieszczania sieci bezprzewodowych w środowisku, w którym

niemożliwe jest wdrożenie sieci przewodowych

7

Podstawowy podział– uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości

Pasma częstotliwości na których użytkowanie:

� trzeba mieć zezwolenieo pasma licencjonowane nad którymi „czuwa” Urząd

Komunikacji Elektronicznej (UKE, http://www.uke.gov.pl),

© PSI 2015

• np. operatorzy sieci komórkowych otrzymujązezwolenie w formie koncesji od UKE

o za prawo do dysponowania częstotliwością należyuiszczać roczne opłaty opisane w odpowiednim DziennikuUstaw Rzeczypospolitej Polskiej (do wglądu np. nastronach UKE)

8

Podstawowy podział– uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości

Pasma częstotliwości na których użytkowanie:

� nie trzeba mieć zezwoleniao pasma nielicencjonowane, miedzy innymi pasmo ISM

(ang. Industrial, Scientific, Medical), opisane w odpowiednimDzienniku Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej

© PSI 2015

Dzienniku Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej

• np. urządzenia pracujące w niektórych przedziałach ISMmuszą posiadać homologację (800 MHz z mocąnadajnika 20 mW)

9

Pasmo ISM

ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical):

� ISM jest pasmem nielicencjonowanym

� ISM to pasmo radiowe przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych

© PSI 2015

przemysłowych, naukowych i medycznych

� ISM posiada wiele przedziałów, np.:

433,05 MHz – 434,79 MHz (moc nadajnika 10 mW)

2,4 GHz – 2,5 GHz (moc nadajnika 10 mW)

24,00 GHz – 24,25 GHz (moc nadajnika 100 mW)

Popularne zastosowania komunikacji bezprzewodowej

Zastosowania:

� Monitorowanie procesów, instalacji, produktów

� Sterowanie

� Zdalny dostęp do urządzeń, odczyt, serwis

© PSI 2015

Zdalny dostęp do urządzeń, odczyt, serwis

� Systemy alarmowe

� Systemy bezpieczeństwa

Cechy urządzeń komunikacji bezprzewodowej

istotne dla użytkowników

Na co zwracają uwagę użytkownicy:

� ceny urządzeń, w tym koszt zakupu i użytkowania

� zasięg

� szybkość transmisji

� bezpieczeństwo oraz niezawodność przesyłania danych

© PSI 2015

� bezpieczeństwo oraz niezawodność przesyłania danych

� zastosowanie wewnątrz czy na zewnątrz pomieszczeń,

� stopień ochrony obudowy i odporność urządzenia na trudne warunki środowiskowe

� łatwość konfiguracji, łatwość obsługi i integracji modułów sieciowych

� marka urządzenia

� kwestia wykorzystanej w urządzeniach technologii komunikacyjnej (pasmo transmisji, kodowanie, protokół, itd.)


� o „małym zasięgu”

IrDA

© PSI 2015

IrDA

Bluetooth

13

IrDA

© PSI 2015

IrDA

14

IrDA - bezprzewodowa transmisja danych

z promieniowaniem podczerwonym

� W 1993 r. powstała grupa IrDA (ang. Infrared Data Association)

� W skład grupy wchodzą między innymi: Acer, Apple Computer, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Philips, Sony, Toshiba

� IrDA opracowała firmowy system bezprzewodowej

© PSI 2015

� IrDA opracowała firmowy system bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego

� IrDA przeznaczona jest przede wszystkim do tworzenia sieci tymczasowych, w których znajdują się komputery przenośne (laptopy, palmtopy), drukarki, telefony komórkowe itp.

� IrDA definiuje następujące standardy transmisji IrDA-Data, IrDA-Control, Advanced Infrared (AIr)

IrDA – parametry łącza

Parametr Wartość typowa

Zasięg 1m

Kąt odbioru ±15˚

Długość fali IR 850-900 nm

© PSI 2015

Długość fali IR 850-900 nm

Czas trwania impulsu

3/16 bitu UART

Szybkość transmisji 2,4kb/s -1 Gb/s

Typ połączenia punkt - punkt

Liczba kanałów jeden do transmisji danych

Emulacja portów szeregowy,

IrDA – warstwy protokołów

© PSI 2015 źródło: http://www.irda.org

IrDA – warstwy protokołów

© PSI 2015

IrDA – warstwy/protokoły

� Cztery warstwy „obowiązkowe” (protokoły implementowane obowiązkowo):

o IrPLS (ang. Infrared Physical Layer Specification)

o IrLAP (ang. Infrared Link Access Protocol)

o IrLMP (ang. Infrared Link Management Protocol)

IAS (ang. Information Access Service)

© PSI 2015

o IAS (ang. Information Access Service)

� Cztery warstwy opcjonalne (protokoły implementowane opcjonalnie), które mogą być użyte dowolnie w zależności od wymagań szczególnych danej aplikacji:

o TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol)

o IrOBEX (ang. Infrared Object Exchange Protocol)

o IrCOMM (ang. Infrared Communications Protocol)

o IrLAN (ang. Infrared Local Area Network Access

IrDA – warstwa fizyczna

Warstwa IrPLS (ang. Physical Layer Specification):

� specyfikuje optyczny nadajnik-odbiornik,

� kształtuje sygnały w podczerwieni włączając do tego kodowanie danych

� opisuje specyfikację optyczną oraz zakres prędkości

© PSI 2015

IrDA – warstwa fizyczna: przykład realizacji

© PSI 2015

UARTRS 232

Interfejs UART/IrDA Wzmacniacz i dioda IRFotodioda i odbiornik

IrDA – warstwa fizyczna: parametry łącza


RZI: Return-to-Zero-Inverted4 PPM: Four Pulse Position ModulationHHH: poprawiony 4 PPM

IrDA – warstwa fizyczna: przykład modulacji RZI


IrDA – warstwa IrLAP

Warstwa IrLAP (ang. Link Access Protocol):

� odpowiada warstwie łącza danych modelu ISO/OSI

� dostarcza godnego zaufania mechanizmu przesyłu danych (retransmisja, kontrola potoku na niskim poziomie, detekcja błędów)

� wykorzystuje technologię master-slave (nadrzędny-podrzędny) do łączenia urządzeń

© PSI 2015

łączenia urządzeń

� może pracować w dwóch podstawowych trybach:

� NDM (ang. Normal Disconnect Mode)

� NRM (ang. Normal Response Mode)

� przesyłane dane zorganizowane są w ramki:

� 8 bitowe pole adresu (pierwszy bit odpowiada za „kierunek” danych, czy komenda czy odpowiedź)

� 8 bitowe pole kontroli – określa funkcję ramki

� N*8 bitów – pole informacji, danych

IrDA – warstwy

Warstwa IrLMP (ang. Link Management Protocol):

� posiada cechy multipleksera, co pozwala różnym klientom IrLMPkorzystać z pojedynczego łącza IrLAP

Warstwa IAS (ang. Information Access Service):

© PSI 2015

Warstwa IAS (ang. Information Access Service):

� zbiór obiektów, komponentów dostępnych dla danego połączenia –informacje o udostępnianych usługach

IrDA – warstwy

TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol):

� dostarcza usług kontroli przepływu danych przez połączenie, kanał (warstwa LMP)

� dostarcza usług segmentacji

IrOBEX (ang. Object Exchange Protocol):

� umożliwia systemom dowolnych rozmiarów wymieniać szeroki zakres różnych danych oraz rozkazów za pomocą sprecyzowanych i standardowych modeli

© PSI 2015

umożliwia systemom dowolnych rozmiarów wymieniać szeroki zakres różnych danych oraz rozkazów za pomocą sprecyzowanych i standardowych modeli

IrCOMM (ang. Communications Protocol):� emuluje porty szeregowy lub równoległy

IrLAN (ang. Local Area Network Access):� służy do wygodnego połączenia między przenośnymi PC a siecią lokalną

Bluetooth

© PSI 2015

Bluetooth

27

Bluetooth - historia

� W 1994 Ericsson zainteresował się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla i z IBM, Intel, Nokia i Toshiba utworzył grupę SIG (ang. SpecialInterest Group), której głównymi celami było:

� standaryzacja bezprzewodowej technologii o niewielkim zasięgu,

� małym poborem prądu,

© PSI 2015

� małym poborem prądu,

� niskim poziomem mocy promieniowanej

� niską ceną

� W 1999 roku Bluetooth SIG opublikowało specyfikację pierwszej wersji technologii Bluetooth (BluetoothV1.0)

� W 2002 roku, IEEE zatwierdziło Bluetooth (IEE 802.15.1)

Bluetooth - bezprzewodowa transmisja danych

w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz

� Wykorzystuje pasmo ISM, wynika z tego problem ochrony transmisji przed zakłóceniami ze strony innych urządzeń pracujących w tym samym paśmie (np. mikrofalówka, piloty) –wykorzystuje się modulację w widmie rozproszonym

� Integruje w ramach sieci PAN (ang. Personal Area Network) takie urządzenia jak: klawiatura, komputer, laptop, palmtop, telefon

© PSI 2015

urządzenia jak: klawiatura, komputer, laptop, palmtop, telefon komórkowy, słuchawki …

� Każde urządzenie ma swój indywidualny numer (adres) w postaci 32-bitowego słowa binarnego BDA (ang. Bluetooth Device Address)

� Kodowanie binarnego sygnału odbywa się metodą kluczowania częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying)

Bluetooth - bezprzewodowa transmisja danych

w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz

� W tworzoną doraźnie sieć ad hoc systemu Bluetooth można włączyć do 8 urządzeń, z których każde może pełnić rolę nadajnika i odbiornika (tworzy się tzw. pikosieć)

� W pikosieci tylko jedno urządzenie pełni funkcje nadrzędne (master), pozostałe są pełnią funkcje podrzędne (slave)

Urządzenie inicjujące taką pikosieć jest urządzeniem nadrzędnym

© PSI 2015

� Urządzenie inicjujące taką pikosieć jest urządzeniem nadrzędnym (master)

� Każde z urządzeń może być częścią kilku pikosieci jednocześnie

� Komunikacja odbywa się w trybie półdupleks

� W określonej szczelinie czasowej (przedziale czasu) nadajnik przesyła informację tylko do jednego odbiornika, a odbiornik przyjmuje informacje od jednego nadajnika

Bluetooth - pikosieć

© PSI 2015

Bluetooth – kodowanie sygnału binarnego-metodą kluczowania częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying)

© PSI 2015 źródło: http:\\pl.wikipedia.org

Bluetooth – tworzenie kanałów transmisyjnych

� Wykorzystuje się modulację rozpraszania widma ze skokami częstotliwości FH (ang. Frequency Hopping) i dzieleniem czasu TDD (ang. Time Division Duplex)

� Przedział częstotliwości 2402-2480 MHz dzieli się na 79 kanałów o odstępie 1 MHz

System dzieli pasmo na kanały o zmieniającej się częstotliwości

© PSI 2015

� System dzieli pasmo na kanały o zmieniającej się częstotliwości

� Zmiany częstotliwości nośnej odbywają się pseudolosowo (skokowo), według określonej sekwencji (powtarzanej co 23 h)

� Oprócz częstotliwości kanał jest zdefiniowany przez przydział szczeliny czasowej 625µs

Bluetooth – tworzenie kanałów transmisyjnych

� W ramach jednej szczeliny czasowej transmitowany jest jeden pakiet danych

� Skokowa zmiany częstotliwości odbywa się z okresem 625µs co oznacza, że odbywa się 1600 razy na sekundę

� Sekwencję zmiany częstotliwości nośnej muszą znać nadajnik jak i odbiornik

© PSI 2015

i odbiornik

� Sekwencja zmiany częstotliwości jest ustalana w wyniku danych zawartych w transmitowanym pakiecie

Bluetooth – format pakietu danych

� Pakiet Bluetooth składa się z trzech części:

Kod dostępu AC

© PSI 2015

Kod dostępu AC

Nagłówek


Kod dostępu AC

� Start AC – preambuła

© PSI 2015

Start AC – preambuła

� Koniec AC – koniec pierwszej części ramki

� Słowo synchronizacji – zawiera informacje o pseudolosowej sekwencji zmian częstotliwości kanału

o pierwsza część „Słowa synchronizacji” tworzona jest przez przypisanie 40 starszych bitów poprzedniego słowa

o druga część „Słowa synchronizacji” jest wynikiem operacji modulo 2 (XOR) młodszych 24 bitów poprzedniego słowa i 24 bitów adresu BDA urządzenia nadającego


Nagłówek

� AMA (ang. Active Member Address) – 3 bitowy adres aktywnego urządzenia

© PSI 2015

urządzenia

� Typ – 4 bity określające typ pakietu

� Płynność – 1 bit kontroli płynności transmisji

� ARQ – 1 bit automatycznej retransmisji pakietu

� Kontrola błędów – 1 bit kontroli błędów

Bluetooth – połaczenia

� Transmisja pakietu danych większych niż 2745 bitów odbywa się w przeciągu 3-5 szczelin czasowych

� Komunikacja odbywa się między urządzeniami master a slave

� Master zaczyna od „zapytania” a slave „odpowiada”

� Dwa urządzenia slave nie mogą komunikować się ze sobą

© PSI 2015

� Dwa urządzenia slave nie mogą komunikować się ze sobą bezpośrednio

� Urządzenie master ma prawo nadawać w parzystych szczelinach czasowych

� Pozostałe urządzenia nadają w szczelinach nieparzystych

Bluetooth – model warstwowy

© PSI 2015


Fizyczna warstwa radiowa

� odpowiada warstwie fizycznej łącza danych

� określa transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie

Warstwa baseband layer

� jest zbliżona do podwarstwy łącza danych modelu OSI, ale zawiera także elementy warstwy fizycznej

© PSI 2015

� określa w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki

Link manager

� zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi(QoS)

Link control adaptation protocol

� zajmuje się szczegółowymi parametrami transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe warstwy od tego obowiązku


Podwarstwa LLC standardu 802

� została "wstawiona" przez IEEE, w celu zapewnienia kompatybilności z sieciami 802

RFcomm (ang. Radio Frequency communication)

� to protokół, który emuluje standardowy port szeregowy do podłączenia klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń

Protokół telephony

© PSI 2015

� to protokół czasu rzeczywistego, używanym w profilach zorientowanych na rozmowy

Protokół discovery service

� jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci

Profile

� opisują ogólne wymagania stawiane oprogramowaniu, umożliwiającemu realizację różnego typu usług telekomunikacyjnych

� służą zapewnieniu kompatybilności między aplikacjami oraz urządzeniami Bluetoothpochodzącymi od różnych producentów

Bluetooth – zasięg

Zasięg urządzeń Blutooth związany jest z klasą mocy nadajników:

� klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, do 100 m

� klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m

© PSI 2015

� klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z zasięgiem do 1 m

Bluetooth – szybkość transmisji

Szybkość transmisji standardów Bluetooth:

� v 1.0 – 21 kb/s

� v 1.1 – 124 kb/s

� v 1.2 – 328 kb/s

� v 2.0 – 3,1 Mb/s

© PSI 2015

� v 2.0 – 3,1 Mb/s

� v 3.0 + HS (High Speed) – 3 MB/s

� v 3.1 + HS (High Speed) - 5 MB/s

� v 4.0 + LE (Low Energy) – 1 Mb/s


� o „średnim zasięgu”

WiFi (802.11)

© PSI 2015

WiFi (802.11)

ZigBee

44

WiFi (802.11)

© PSI 2015

WiFi (802.11)

45

Wybrane standardy transmisji bezprzewodowej WiFi

Porównanie wybranych standardów:

IEEE802.11

IEEE802.11b

IEEE 802.11a

IEEE 802.11g

IEEE 802.11n

IEEE 802.11ac

Zasięg 60 m 100 m 75 m 100 m > 100 m do 200-300m

Max. Szybkość 2 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s 54 Mb/s 540 Mb/s do 1300 Mb/s

Max. Szybkość transmisji

2 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s 54 Mb/s 540 Mb/s do 1300 Mb/s

Medium fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe

Dł. fali / Częstotliwość

2,4 GHz 2,4 GHz 5 GHz 2,4 GHz2,4 GHz lub 5 GHz

5 GHz

Wrażliwość na zakłócenia

średnia mała średnia duża średnia mała

Data zatwierdzenia

1997 1999 1999 2003 2009 2014

Kanały w standardach:

802.11b i 802.11g (2,4 GHz)

� Dostępne pasmo dzieli się na 14 nakładających się na siebie kanałów

� Częstotliwości „środkowe” kanałów oddalone są od siebie

Nr kanału Częstotliwość [MHz]

1 2412

2 2417

3 2422

4 2427

5 2432

© PSI 2015

kanałów oddalone są od siebie o 5 MHz

� Kanały 1, 6 i 11 „nie pokrywają się”

� Gdy w danej przestrzeni będą działały 3 sieci WLAN to aby wyeliminować możliwość wzajemnych zakłóceń, należy przydzielić im co piąty kanał

5 2432

6 2437

7 2442

8 2447

9 2452

10 2457

11 2462

12 2467

13 2472

14 2484

Kanały w standardzie:

802.11n (5 GHz)

� Dostępne pasmo dzieli się na 19 odseparowanych kanałów

� Szerokość kanału 20MHz

l.p. Nr kanału

Częstotliwość [MHz]

1 36 5180

2 40 5200

3 44 5220

4 48 5240

5 52 5260

6 56 5280

7 60 5300

8 64 5320

9 100 5500

© PSI 2015

9 100 5500

10 104 5520

11 108 5540

12 112 5560

13 116 5580

14 120 5600

15 124 5620

16 128 5640

17 132 5660

18 136 5680

19 140 5700

Kanały pasmach 2,4 GHz i 5 GHz

© PSI 2015 źródło: http:źródło: http:\\\\www.komputerswiat.plwww.komputerswiat.pl

Główne różnice pomiędzy

standardami 802.11g i 802.11n

� MIMO (Multiple Input Multiple Output) - umożliwia transmisję zduplikowanych lub całkowicie różnych radiowych strumieni danych poprzez dwie, trzy lub nawet cztery anteny ale do jednego klienta (tzw. Single User MIMO)

© PSI 2015

(tzw. Single User MIMO)

� Scalanie kanałów - możliwość korzystania z pasma dwóch przyległych do siebie kanałów radiowych (szerokość 40 MHz) wraz z zarezerwowanym i niewykorzystywanym wcześniej pasmem pomiędzy nimi pozwala ponad dwukrotnie zwiększyć szybkość transmisji danych

� Agregacja ramek - po uzyskaniu dostępu do kanału nadajnik agreguje ramki, transmitując w ten sposób dłuższe pakiety niż ma to miejsce normalnie, poprawiając wydajność


standardami 802.11n i 802.11ac

� MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) – pozwala stacji bazowej na wysyłanie w tym samym czasie i w tym samym kanale radiowym wielu różnych strumieni danych przeznaczonych dla różnych klientów

© PSI 2015

dla różnych klientów

� Scalanie kanałów - możliwość korzystania z kanałów o szerokości 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz

� Rozwinięcie techniki modulacji - najbardziej złożona modulacja 64 QAM standardu 802.11n zostaje podniesiona do 256 QAM w standardzie 802.11ac


standardami 802.11n i 802.11ac

© PSI 2015 źródło: http:źródło: http:\\\\www.cyberbajt.plwww.cyberbajt.pl

Modulacja

Standard 802.11b:

� Modulacja DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) -bezpośrednie modulowanie nośnej sekwencją kodową (technika rozpraszania widma)

� Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary

© PSI 2015

� Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying)

Standardy 802.11a, 802.11g , 802.11n i 802.11ac ::

� Modulacja OFDM (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) wykorzystująca wiele ortogonalnych względem siebie podnośnych (52 podnośne)

� Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) lub modulacji amplitudowo-fazowe QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation)

Modulacja BPSK


Faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych Faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych względem siebie o 180względem siebie o 180°° reprezentując logiczne "0" lub "1"reprezentując logiczne "0" lub "1"

Modulacja 16QAM


Modulacja QAM


Mechanizm ACT

ACT (ang. Air Trafic Control):

� Umożliwia komunikację pomiędzy różnymi urządzeniami standardu 802.11

Inna modulacja urządzeń 802.11a i 802.11g (OFDM) oraz

© PSI 2015

� Inna modulacja urządzeń 802.11a i 802.11g (OFDM) oraz urządzeń 802.11b (DSSS) – nie wykrywają się nawzajem

� Urządzenia 802.11a i 802.11g przed nadawaniem wysyłają krótką informację w modulacji DSSS, informując urządzenia 802.11b o transmisji i rezerwując medium na jej czas

Standaryzacja

� Organizacja IEEE nie sprawdza jak producenci wywiązują się z zaleceń jej standardów

� W 1999 powstaje organizacja WECA (ang. WirelessEthernet Compatibility Alliance) wydająca certyfikaty zgodności z normą

© PSI 2015

Ethernet Compatibility Alliance) wydająca certyfikaty zgodności z normą

� Po przejściu testów zgodności z normą urządzenie otrzymuje certyfikat Wi-Fi (ang. Wireless Fidelity)

� W 2002 organizacja WECA zmieniła nazwę naWi-Fi Alliance

Struktury sieci WLAN

� Sieć Ad Hoc

� Sieć BSS (ang. Basic Service Set)

© PSI 2015

Sieć BSS (ang. Basic Service Set)

� Sieć ESS (ang. Extended Service Set)

� Sieć z mostem

� Sieć WLAN z roamingiem


� Sieć Ad Hoc

© PSI 2015


� Sieć BSS (ang. Basic Service Set)

BSS

© PSI 2015

AP (ang. Access Point)


� Sieć ESS (ang. Extended Service Set)

BSS1

BSS2Internet

ESS

© PSI 2015

BSS1

AP

AP


� Sieć z mostem

MOST

© PSI 2015

BSS1 BSS2

ESS

MOST

Struktury sieci WLAN� Sieć WLAN z roamingiem

BSS2

Internet

ESS BSS3

© PSI 2015

BSS1

AP

AP

Kontrola dostępu do medium

Metoda CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Acess withColision Avoidance):

• Jeżeli stacja przez określony czas nie wykryje transmisji to przełącza się w tryb gotowości do nadawania i czeka jeszcze trochę

© PSI 2015

trochę

• Jeżeli nadal nikt nie prowadzi nadawania to stacja rozpoczyna transmisję

• Dla każdej przesłanej ramki, do nadawcy musi dotrzeć potwierdzenie poprawności odbioru ACK (ang. Acknowledge), wysłane przez odbiorcę

Mechanizm ten nazywa się skrótem CCA (ang. Clear Chanel

Assessment)

Przypadek dwie stacje, brak pośrednictwa punktu dostępowego,

Kontrola dostępu do medium

Mechanizm DCF (ang. Distributed Coordination Function):

� W tym przypadku nadawca wysyła ramkę RTS (ang. Request to send) będącą informacją dla stacji w jego zasięgu o zamiarze nadawania

� Pośredni odbiorca danych (punkt dostępowy) wysyła ramkę CTS (ang. Clear to send) informującą o gotowości odbioru, w tym momencie odbiorca docelowy send) informującą o gotowości odbioru, w tym momencie odbiorca docelowy otrzyma informacje o rozpoczynającej się transmisji

� Rozpoczyna się właściwa wymiana ramki danych, której otrzymanie odbiorca potwierdza ramką ACK

� Jeżeli nadawca nie otrzyma ramki ACK musi ponowić transmisję

Przypadek dwie stacje komunikują się za pośrednictwem punktu dostępowego, np. sieć BSS

Mechanizm transmisji

1) Każda stacja prowadzi nasłuch pasma (stacja nasłuchuje wtedy gdy nie nadaje !!!)

2) W polu ramki protokołu 802.11 stacja umieszcza informację o planowanym czasie nadawania aktualnej ramki. Czas rezerwacji planowanym czasie nadawania aktualnej ramki. Czas rezerwacji łącza nazywany jest wektorem alokacji sieci (wirtualna funkcja wykrywania zajętości kanału transmisyjnego)

3) Po tym czasie następuje okno czasowe rywalizacji i stacje rywalizują o dostęp i rezerwację pasma dla siebie

Ramki protokołów

802.3 i 802.11

� Ramka 802.3 (Ethernet)

© PSI 2015

� Ramka 802.11

Działanie protokołu 802.11

Stacja bezprzewodowa może się znajdować w trzech stanach:

1)Stan początkowy – nieuwierzytelniony i nie skojarzony z żadnym punktem dostępowym

© PSI 2015

skojarzony z żadnym punktem dostępowym

2)Uwierzytelniony

3)Połączony i skojarzony z danym punktem dostępowym


Skanowanie:� W wyniku skanowania użytkownik otrzymuje raport,

zawierający listę wykrytych sieci BSS oraz ich parametr, np.:

� BSSID – identyfikator BSS

� SSID – nazwa sieci ESS

© PSI 2015

� SSID – nazwa sieci ESS

� BSS Type – typ sieci: Ad-Hoc lub BSS


Przyłączenie:� Proces w całości wykonywany przez stację

� Wybierany jest BSS do którego się „podłącza” stacja

� Następnie dostosowywane są parametry połączenia

© PSI 2015


Uwierzytelnianie:� W standardzie 802.11 zakłada się że punkty dostępowe są

„wiarygodne”

� Obowiązek uwierzytelniania spada na poszczególne stacje

Uwierzytelnianie typu open-system

© PSI 2015

� Uwierzytelnianie typu open-system

� Uwierzytelnianie typu shared-key – wykorzystuje klucz współdzielony przez oba urządzenia (WEP)


Kojarzenie:� Jest to powiązanie stacji z punktem dostępowym

� Polega na przydzieleniu stacji numeru AID (ang. Association ID) , który identyfikuje stację w procesie buforowania ramek przez punkt dostępowy

© PSI 2015

punkt dostępowy

Bezpieczeństwo

� WEP (ang. Wired Equivalency Privacy)

� Klucze szyfrujące muszą być skonfigurowane na każdym z urządzeń

� Autoryzacja stacji odbywa się na podstawie adresu MAC (który można zmienić !)

� Od 2001 pojawiają się opracowania naukowe z serii „Jak złamać WEP”, a zaraz po nich odpowiednie programy

© PSI 2015

WEP”, a zaraz po nich odpowiednie programy

(Obecnie 95% szansa złamania klucza 128 bitowego zajmuje:

- niecałe 2 minuty na przechwycenie 95 tysięcy pakietów

- niecałe 3 sekundy na uzyskanie klucza na komputerzePentium 1,7 GHz)

Bezpieczeństwo

� WPA (ang. WiFi Protected Access)

� Standard WPA został opracowany w 2003 przez Wi-Fi Alliance

� WPA oparty jest na drafcie standardu 802.11i

� Standard WPA zarządza dynamicznie kluczami szyfrowania i zapewnia potwierdzenia tożsamości stacji mobilnych

© PSI 2015

� Dla każdego klienta w określonych odstępach czasu generowane są niepowtarzalne klucze szyfrowania

Bezpieczeństwo

� WPA2 (ang. WiFi Protected Access 2)

� Standard WPA2 został opracowany w 2004 roku przez Wi-FiAlliance

� Jest uzupełniony o szyfrowanie protokołem AES

© PSI 2015

� WPA3 (ang. WiFi Protected Access 3)

� Kolejny udoskonalony standard WPA

ZigBee

© PSI 2015

ZigBee

77

ZigBee

- charakterystyka

� ZigBee zaprojektowano specjalnie z myślą o wykorzystaniu w produkcji różnego rodzaju czujników, urządzeń sterujących i urządzeń monitorujących

� ZigBee korzysta ze standardu łącza radiowego, zdefiniowanego przez IEEE 802.15.4 (silny protokół pakietowy, zapewniający

© PSI 2015

przez IEEE 802.15.4 (silny protokół pakietowy, zapewniający dużą niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru, sprawdzanie błędów, priorytyzowaną łączność, transmisję z widmem rozproszonym, zdolność zmieniania częstotliwości dla uniknięcia interferencji i możliwości wyboru przez użytkownika poziomu bezpieczeństwa

� ZigBee uzupełnia IEEE 802.15.4 o sieć logiczną oraz oprogramowanie związane z bezpieczeństwem i aplikacjami użytkownika

ZigBee

- charakterystyka

� ZigBee aspiruje do pozycji globalnego standardu obsługującego sieci typu czujnik-system sterowania

� ZigBee jest nastawiony na częste przesyłanie drobnych, zwykle tekstowych komunikatów

� ZigBee jest rozwijane przez ZigBee Alliance (organizacja

© PSI 2015

� ZigBee jest rozwijane przez ZigBee Alliance (organizacja zrzeszająca ponad 150 firm z całego świata)

ZigBee

- cechy

� Transmisja w paśmie: 2,4GHz lub 868/915MHz

� Standardowa odległość transmisji 100m (5-500m zależnie od środowiska)

� Szybkość transmisji danych: 250 kb/s (2.4 GHz), 40 kb/s(915 MHz), 20 kb/s (868 MHz)

© PSI 2015

(915 MHz), 20 kb/s (868 MHz)

� Dostęp do kanału z użyciem CSMA/CA

� Modulacja BPSK (868/915 MHz) oraz O-QPSK (2,4 GHz)

� W paśmie 2,4 GHz przewidziano 16 kanałów o szerokości 5MHz

� Niski pobór mocy (czas zużywania baterii zasilających od wielu miesięcy do kilku lat)

ZigBee

- cechy

� 64-bitowy adres IEEE (do 18,450,000,000,000,000,000 urządzeń)

� Możliwość wykorzystania do 65535 sieci

� Wykorzystanie protokołu handshake w celu zapewnienia niezawodności transferu

© PSI 2015

niezawodności transferu

ZigBee

- podział I – podział funkcjonalny

� ZigBee opisuje trzy typy urządzeń :

I. koordynator (ang. ZigBee Coordinator - ZC): dla każdej sieci może występować tylko jedno takie urządzenie, służy jako węzeł początkowy do którego mogą się przyłączać pozostałe urządzenia (zazwyczaj pełni rolę urządzenia

© PSI 2015

pozostałe urządzenia (zazwyczaj pełni rolę urządzenia zbierającego dane)

II. router (ang. ZigBee Router - ZR): przekazuje pakiety dalej

III. urządzenie końcowe (ang. ZigBee End Device - ZED): przesyła dane do routera do którego jest przyłączone, może być czasowo usypiane w celu zmniejszenia zużycia energii

ZigBee

- podział II - typy urządzeń

� Standard IEEE definiuje dwa typy urządzeń ZigBee:

1. Full Function Device (FFD):

• Może funkcjonować w dowolnej topologii sieci

• Może być koordynatorem sieci

Może "rozmawiać" z każdym innym urządzeniem w sieci

© PSI 2015

• Może "rozmawiać" z każdym innym urządzeniem w sieci

2. Reduced Function Device (RFD):

• Może funkcjonować tylko w topologii gwiaździstej

• Nie może stać się koordynatorem sieci

• "Rozmawia" tylko z koordynatorem sieci

• Bardzo prosta implementacja

•

ZigBee

- topologie sieci

� Typowe topologie sieci ZigBee:

� gwiaździsta

� peer-to-peer

� kratowa (ang. mesh) - gdy wybrana droga przesyłu informacji staje się niedrożna (zakłócenia lub awaria), sieć ma zdolność do automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby

© PSI 2015

automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby mimo problemów przekazać informację

ZigBee

- topologie sieci

Gwiaździsta

© PSI 2015 Kratowa

Drzewa

ZigBee

- model warstwowy

� Standard IEEE 802.15.4 definiuje dwie najniższe warstwy:

� fizyczną (ang. PHYsical)

� oraz podwarstwę MAC (ang. Media Access Control)

� Zigbee Aliance wprowadziło warstwy:

� sieciową NWK (ang. Networking App Layer)

© PSI 2015

� sieciową NWK (ang. Networking App Layer)

� aplikacji APL (ang. Application Layer) która zawiera:

� wsparcie podwarstwy aplikacji APS (ang. APlication Support),

� i zdefiniowanych przez producenta obiektów aplikacji ZDO (ang. ZigbeeDevice Objects)

� Każda warstwa zapewnia określony komplet usług

� Każda usługa wystawia własny interfejs dla wyższych warstw poprzez SAP (ang. Service Access Point)

ZigBee

- model warstwowy

© PSI 2015

ZigBee

- model warstwowy

� Warstwa PHY:

� definiuje standard łącza radiowego (m.in. modulacja, szybkość transmisji, wybór kanałów)

Warstwa MAC:

© PSI 2015

� Warstwa MAC:

� kontroluje dostęp kanałów radiowych używając mechanizmu CSMA-CA

� odpowiada za transmisję ramek sygnalizacyjnych beacon,

� odpowiada za synchronizację i dostarczenie mechanizmu transmisji

ZigBee

- model warstwowy

� Warstwa NWK zawiera mechanizmy związane z:

� przyłączaniem i odłączania się do sieci

� zabezpieczenie ramek, odnalezienie i utrzymanie drogi ramek do zamierzonego celu

© PSI 2015

zamierzonego celu

� odnalezienie sąsiadów i gromadzenie informacji o nich

� wykorzystano reaktywny (na żądanie) algorytm routingu AODV (ang. Hoc On-Demand DistanceVictor)

ZigBee

- model warstwowy

� Warstwa APS:

� przekazuje wiadomości pomiędzy połączonymi urządzeniami

� odpowiada za odnajdywanie urządzeń w sieci oraz określanie, która usługa aplikacji powinna je prowadzić

© PSI 2015

usługa aplikacji powinna je prowadzić

� Warstwa ZDO:

� definiuje rolę urządzenia w sieci (np. koordynator Zigbee )

� ustanawia bezpieczne połączenia pomiędzy urządzeniami sieci

ZigBee

- ramka danych

© PSI 2015


� o „dużym zasięgu”

© PSI 2015

sieci telefonii komórkowej GSM

radiomodemy

92


© PSI 2015


93

Sieci telefonii komórkowej

� Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G)

� Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G)

Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G)

© PSI 2015

� Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G)

� Telefonia komórkowa czwartej generacji (4G)

Sieci telefonii komórkowej 1G

� Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G)

o System telefonii z analogową transmisją głosu

o Pasmo częstotliwości 450 MHz i 900 MHz

o NMT (ang. Nordic Mobile Telephone): Skandynawia, Polska

o AMPS (ang. Advanced Mobile Phone System): USA

© PSI 2015

o AMPS (ang. Advanced Mobile Phone System): USA

o TACS (ang. Total Access Communication System), wersja AMPS zaimplementowana w Wielkiej Brytanii i Irlandii


� Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G)

o System ruchomej telefonii cyfrowej, transmisja głosu oraz danych cyfrowych


o GSM (ang. Global System of Mobile Communications): Europa

© PSI 2015

o GSM (ang. Global System of Mobile Communications): Europa

o Digital AMPS: USA (1900 MHz)

o JDC (ang. Japanese Digital Cellular System): Japonia


- struktura systemu telefonii komórkowej GSM



- struktura systemu telefonii komórkowej GSM

� BTS (ang. BaseTransceiver Station) - stacja bazowa pełniąca funkcje stacji przekaźnikowej

� BSC (ang. Base Station Controler) - kontroler stacji bazowych jest odpowiedzialnym za zarządzanie stacjami bazowymi, oraz transmisję danych pomiędzy stacjami bazowymi a resztą sieci

� MSC (ang. Mobile Switching Centre) - cyfrowa centrala telefoniczna przystosowaną do pracy w sieci GSM

� GMSC (ang. Gateway Mobile Switching Centre) - cyfrowa MSC z dodatkową funkcjonalnością związaną z kontaktowaniem się z rejestrem stacji własnych (ang. Home Location Register, HLR) , bazą danych, która przechowuje informacje o abonentach, którzy należą do danej sieci

� VLR (ang. Visitor Location Register) - rejestr abonentów przyjezdnych, baza danych abonentów znajdujących się w obszarze obsługiwanym przez dany MSC

© PSI 2015

znajdujących się w obszarze obsługiwanym przez dany MSC

� FNR (ang. Flexible Number Register) - opcjonalny element sieci wykorzystywany w mechanizmie przenoszenia numeru pomiędzy operatorami

� SMSC (ang. SMS Center) - centrala SMS, bierze udział w przesyłaniu SMS-ów pomiędzy abonentami i przechowujący te wiadomości, które nie mogą być w danej chwili dostarczone

� AuC (ang. Authentication Centre) - centrala autoryzacji odpowiedzialna za autoryzację abonentów, zezwala danemu abonentowi logującemu się do sieci na korzystanie z zasobów radiowych

� SCP (ang. Service Control Point) - element sieci, na którym oparte są sieci inteligentne (usługi dodatkowe, które mogą być wykupione przez abonenta, np. Virtual Private Network lub Prepaid)

� SDP (ang. Service Data Point) - to baza danych, która zawiera informacje o abonentach wykorzystywane przez programy działające na platformie sieci inteligentnych


- transmisja w systemie GSM

� Transmisja odbywa się w trybie dupleksowym (podwójny kanał transmisji)

� Wydziela się oddzielne pasma częstotliwości do tworzenia kanałów transmisji

� od stacji ruchomej do stacji bazowej – kanał w „górę”

© PSI 2015

� od stacji ruchomej do stacji bazowej – kanał w „górę”

� od stacji bazowej do stacji ruchomej – kanał w „dół”

GSM 900 GSM 1800

Kanały w „górę” MHz 890 - 915 1710-1785

Kanały w „dół” MHz 935 - 960 1805-1880

Liczba podwójnych kanałów (częstotliwości)

124 374



� Szerokość pasma każdego kanału wynosi 200 kHz

� Pomiędzy kanałami w „górę” i w „dół” ustalono niezajęte przedziały częstotliwości o szerokości 100 kHz

� Oprócz częstotliwości kanał transmisji jest definiowany przez przydział szczelin czasowych

Stosowana jest technika wielodostępu w dziedzinie czasu

© PSI 2015

� Stosowana jest technika wielodostępu w dziedzinie czasu TDMA (ang. Time Division Multiple Access)

� ramka TDMA o okresie 4,615 ms podzielona jest na 8 szczelin czasowych po 577 µs

� kanał fizyczny podzielony jest w czasie na szczeliny czasowe

� użytkownikowi na potrzeby transmisji przydzielana jest pewna liczba szczelin czasowych

� transmisja danych nie jest ciągła !!!






� Dla GSM 900

� liczba kanałów 124

� liczba szczelin 8

� zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x124 = 992 może być utworzona przez jedną stację bazową

© PSI 2015

być utworzona przez jedną stację bazową

� Dla GSM 1800

� liczba kanałów 374

� liczba szczelin 8

� zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x374 = 2992 może być utworzona przez jedną stację bazową




� W sieciach GSM stosowana jest modulacja sygnału GMSK (ang. Gaussian Minimum Shift Keying) – modulacja z minimalnym przeskokiem częstotliwości i gaussowską filtracją impulsu prostokątnego

� Modulacja GMSK jest szczególnym przypadkiem modulacji

© PSI 2015

� Modulacja GMSK jest szczególnym przypadkiem modulacji FSK



- usługi transmisji danych – GPRS (2,5G)

Modulacja GMSK

© PSI 2015


- usługi transmisji danych

� Usługi transmisji danych w systemie GSM

� SMS (ang. Short Message Service)

� CSD (ang. Circuit Switched Data)

� HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data)

GPRS (ang. General Packed Radio Service)

© PSI 2015

� GPRS (ang. General Packed Radio Service)

� EDGE (ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution)

GPRS, EDGE -> 2,5G


- usługi transmisji danych - SMS

� SMS (ang. Short Message Service)

� Umożliwia przesyłanie krótkich komunikatów alfanumerycznych do 160 znaków

� „Najtańsza” forma przesyłania danych

� Komunikat dociera do odbiorcy po pewnym czasie T

© PSI 2015

� Komunikat dociera do odbiorcy po pewnym czasie T

� W przypadku braku łączności z odbiorcą komunikat zostaje zapamiętany i przesłany po uzyskani z nim połączenia

� SMS-y są przesyłane przez centralę SMS – SMSC

� Ramki PDU (ang. Protocol Data Unit) transmisji SMS:

� SMS-SUBMIT – SMS od np. telefonu do SMSC

� SMS-DELIVER – SMS od SMSC do np. telefonu


- usługi transmisji danych - SMS

� SMS-SUBMIT

� Rys 4.14 str 143

� SMS-DELIVER

© PSI 2015

� SMS-DELIVER

� Rys 4.14 str 143

PDU Type – określa czy ramka SUBMIT czy DELIVER;

MR – numer identyfikacyjny komunikatu (0-255); DA – numer telefonu nadawcy;

OA – numer telefonu odbiorcy; PID – typ danych (tekst, telefax); DCS – oznaczenie metody kodowania;

VP – ile czasu przechowywać SMS w SMSC gdy go nie dostarczono;

UDL – długość przesyłanego komunikatu; STCS – informacja kiedy komunikat dotarł do SMSC;


- usługi transmisji danych - CSD

� Komutowana transmisja danych CSD

� transmisja zajmuje cały kanał

� prędkość 9,6 kb/s

� technika komutacji kanałów

� opłaty proporcjonalne do „czasu połączenia”

© PSI 2015


� Rys 4.4 str 130


- usługi transmisji danych - HSCSD

� Szybka transmisja danych HSCSD

� transmisja zajmuje kilka kanałów (do czterech) w jednym kanale fizycznym (realizowane przez przydział większej liczby szczelin czasowych – do czterech)

� prędkość 14,4 kb/s (w jednym kanale transmisyjnym)

wykorzystuje się kompresję danych

© PSI 2015

� wykorzystuje się kompresję danych

� transmisja z jedną z prędkości: 14,4 kb/s, 19,2 kb/s, 28,8 kb/s, 38,4 kb/s, 43,2 kb/s, 56,0 kb/s

� technika komutacji kanałów


� wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM


- usługi transmisji danych - HSCSD

� Rys 4.5 str 131

© PSI 2015



� Pakietowa transmisja danych GPRS

� użytkownik nie zajmuje tylko dla siebie całego kanału (każda ze szczelin czasowych może zawierać dane z wielu niezależnych transmisji należących do wielu użytkowników – maksymalnie do 32 identyfikowanych po pięciobitowym parametrze TFI, Temporary Flow Identity)

� transmisja zajmuje osiem szczelin czasowych, zatem maksymalna prędkość transmisji w GPRS równa się 8x14,4 kb/s = 115,2 kb/s

© PSI 2015

transmisji w GPRS równa się 8x14,4 kb/s = 115,2 kb/s

� wykorzystuje się kompresję danych (wykorzystując niestandardowe metody kodowania transmisję można zwiększyć teoretycznie do 170 kb/s)

� opłaty są proporcjonalne do ilości wysłanych/odebranych danych

� technika komutacji pakietów danych

� tryb transmisji GPRS do Internetu, w wyniku stosowania protokołu IP , zmniejsza maksymalną transmisję w pojedynczym kanale do 13,4 kb/s

� wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM (większych niż przy HSCSD)

� modulacja GMSK


- usługi transmisji danych – EDGE (2,5G)

Modulacja 8-PSK

© PSI 2015



� Rys 4.6 str 131

© PSI 2015


- usługi transmisji danych – GPRS (2,5G) - sieć



- usługi transmisji danych – GPRS (2,5G) - sieć

� SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) - to element sieci GPRS który odpowiada za zarządzanie terminalami abonenckimi będącymi na kontrolowanym przez siebie terenie, a podczas transmisji uczestniczy w przesyłaniu pakietów (w obie strony) pomiędzy terminalem a siecią GPRS

� GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node) – to element sieci działający jak router łączący sieć GPRS i zewnętrzną sieć (np. Internet

© PSI 2015

działający jak router łączący sieć GPRS i zewnętrzną sieć (np. Internet lub sieć LAN użytkownika)

� PCU (ang. Packet Control Unit) - jest odpowiedzialny za prawidłową obsługę ruchu pakietowego w radiowej części sieci (przydziela terminalom GPRS kanały radiowe, buforuje dane przesłane przez SGSN, forwarduje je do odpowiedniej stacji bazowej dodając informację, która umożliwi terminalowi zidentyfikowanie „swoich” danych)


- usługi transmisji danych – EDGE (2,5G)

� Pakietowa transmisja danych EDGE

� główne zastosowanie do strumieniowych transmisji danych (np. film, muzyka)

� polepszona technologia GPRS (modernizacja interfejsu radiowego)

� porównując do GPRS znaczny przyrost prędkości maksymalnej

� Maksymalna transmisja z wykorzystaniem pojedynczej szczeliny czasowej 59,2 kb/s

© PSI 2015

kb/s

� transmisja zajmuje osiem szczelin czasowych, zatem maksymalna prędkość transmisji w EDGE równa się 8x59,2 kb/s = 473,6 kb/s

� opłaty są proporcjonalne do ilości wysłanych/odebranych danych

� technika komutacji pakietów danych

� wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM

� modulacja GMSK oraz modulacja 8-PSK


� Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G)

o Uniwersalny system komunikacji ruchomej, transmisja głosu, video-rozmowy, danych cyfrowych oraz bezpośrednia współpraca z sieciami pakietowymi


o UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System): globalny

© PSI 2015

o UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System): globalny

o wykorzystuje mechanizmy dostępu do sieci radiowej opisany w ramach technologii WCDMA (ang. Wideband Code Division MultipleAccess)

o wykorzystuje technologie HSDPA (ang. High Speed Downlink Packet Access) i HSUPA (ang. High Speed Uplink Packet Access) użytkownicy mogą uzyskać transfer 14,6 Mbit/s podczas wysyłania informacji i 7,2 Mbit/s podczas odbierania danycho HSPA+ = HSDPA + HSUPA 56/22 Mbit/s


� WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access)

o jednoczesny dostęp do medium transmisyjnego dzięki rozproszeniu wszystkich transmisji na wspólne pasmo częstotliwości (o szerokości 5MHz)

o poszczególne transmisje są przetwarzane za pomocą przyznanych im kodów ortogonalnych

© PSI 2015

kodów ortogonalnych

o kody transmisji umożliwiają odbiornikom nasłuchujący na wspólnym kanale radiowym wyodrębnienie danych pochodzących od konkretnego terminala


- idea sieci UMTS

� Rys 4.16 str 146

© PSI 2015


� Telefonia komórkowa czwartej generacji (4G)

o określenie stosowane do systemów, których specyfikacje opisują przesyłanie danych z większą szybkością niż ta oferowana przez obecne systemy 3G

o kandydatem, który jednak nie spełnia w pełni wymogów 4G jest sieć LTE (ang. Long Term Evolution) – 3,9G:

© PSI 2015

sieć LTE (ang. Long Term Evolution) – 3,9G:

• modulacja: QPSK, 16QAM, 64QAM

• szerokość kanału 20 MHz

• maksymalna szybkość łącza w dół w warstwie radiowej 326,4 Mb/s

• maksymalna szybkość w górę 86,4 Mb/s

• opóźnienie małych pakietów <5 ms

• optymalny promień komórki do 5 km

• co najmniej 200 użytkowników w każdej komórce


© PSI 2015


o LTE – Advanced 4G:

• Przepustowość: 1Gbps do abonenta i 500Mbps od abonenta

• Maksymalna szerokość pasma: powyżej 70 MHz - około 100MHz (do abonenta) i 40MHz (od abonenta)

• Praca w różnych pasmach, np.: 450-470MHz / 698-862MHz / 790-862MHz / 2.3-2.4GHz / 3.4-3.6GHz

© PSI 2015

862MHz / 2.3-2.4GHz / 3.4-3.6GHz

• Opóźnienia: w płaszczyźnie sterowania <50ms, w płaszczyźnie użytkownika 5-10ms

• Zasięg: do około 1km

• Mobilność: taka sama jak w LTE

• Pojemność: 3 raz większa niż w LTE

radiomodemy

© PSI 2015

radiomodemy

123

Radiomodemy

� Radiomodem to urządzenie złożone z;

� nadajnika

� odbiornika

� anteny

� układów przetwarzania sygnałów cyfrowych na sygnały

© PSI 2015

� układów przetwarzania sygnałów cyfrowych na sygnały emitowane w eter

� układów przetwarzania sygnałów dobranych z eteru na sygnały cyfrowego wymaganego standardu

Radiomodemy

- schemat ideowy

� Rys 4.19 str. 151

© PSI 2015

Radiomodemy vs GPS

� W odróżnieniu od transmisji w sieciach GPS, transmisja w systemach z radiomodemami:

� nie ujawnia postronnemu odbiorcy

• częstotliwości nośnej kanału

• rodzaju modulacji

© PSI 2015

• rodzaju modulacji

• rodzaju transmisji

• protokołu transmisji

• kodów szyfrujących

� przebiega bez zwłoki (nie ma zwłoki wynikającej z wykorzystywanych łączy komutowanych)

Radiomodemy

- wybrane pasma częstotliwości

� tabela 4.5 str. 151

© PSI 2015

Radiomodemy

- idea systemu kontrolno-pomiarowego

� rys 4.21 str. 154

© PSI 2015

Porównanie wybranych

technologii

© PSI 2015

technologii

129

© PSI 2015 130

Kierunki rozwoju

urządzeń komunikacji

© PSI 2015

urządzeń komunikacji

bezprzewodowej

w przyszłości

131

Źródło: http:// automatykab2b.pl/

Kierunki rozwoju urządzeń komunikacji bezprzewodowej

Kierunki rozwoju:

� powszechność komunikacji GSM, w tym popularyzacja technologii UMTS, HSPA, HSDPA, HSUPA oraz WCDMA

� szybko rosnąca popularność ZigBee, utwierdzanie się popularności Wi-Fi

© PSI 2015

popularności Wi-Fi

� wprowadzanie do oferty urządzeń w standardzie IEEE802.11n (mogących pracować w strefie zagrożonej wybuchem), IEEE802.11ac

� rozwój standardu WiMAX

� rozwój urządzeń wykorzystujących nową wersję standardu Bluetooth (2.1+EDR)

Kierunki rozwoju urządzeń komunikacji bezprzewodowej

Kierunki rozwoju:

� oferowanie przez kolejnych producentów bezprzewodowych modułów I/O

� rozwój oferty dostawców o sterowniki z modułami do transmisji bezprzewodowej, w szczególności GSM/GPRS

© PSI 2015

transmisji bezprzewodowej, w szczególności GSM/GPRS

� zmniejszanie poboru energii przez urządzenia, zwiększanie zasięgu transmisji, zwiększanie przepustowości transmisji

� oferowanie przez producentów modułów komunikacyjnych integrujących kilka różnych interfejsów bezprzewodowych

� upraszczanie konfiguracji i obsługi urządzeń

Przykłady innych

dedykowanych

© PSI 2015

dedykowanych

technologii

bezprzewodowych

134

Inne dedykowane technologie bezprzewodowej

SmartWireless

� Rozwiązanie firmy Emerson Process Management, które pozwala na komunikację w pasmach 900MHz oraz 2,4GHz

© PSI 2015

� Jest to sieć samoorganizująca się o dużej skalowalności (do 100 tys. urządzeń) i długim czasie pracy z wykorzystaniem jednej baterii (liczonym w latach)


WirelessHART

� Rozwiązanie opracowane przez HART CommunicationFoundation jako siódma wersja protokołu HART

© PSI 2015

� Bazuje on na IEEE 802.15.4, wykorzystując do komunikacji pasmo częstotliwości 2,4GHz

� Stosowanie ciągłej zmiany kanałów (channel hopping) oraz stałych przedziałów czasowych do komunikacji ma zapewnić bezpieczną i niezawodną wymianę danych


OneWireless

� Rozwiązanie firmy Honeywell

Jest to wielofunkcyjna, wielozadaniowa sieć bezprzewodowa

© PSI 2015

� Jest to wielofunkcyjna, wielozadaniowa sieć bezprzewodowa typu kratowego umożliwiająca stosowanie urządzeń bezprzewodowych w warunkach przemysłowych

� Obsługuje kilka rodzin przetworników bezprzewodowych firmy i może być bazą do stosowania urządzeń pracujących w standardzie 802.11

BIBLIOGRAFIA

Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE)UKE - opłaty za wykorzystywanie częstotliwościUKE – częstotliwości nie wymagające pozwalania radiowegohttp://www.uke.gov.pl

IrDAhttp://www.irda.org

© PSI 2015 138

http://www.irda.orgBluetooth

http://www.bluetooth.comWi-Fi Alliance

http://www.wi-fi.orgZigBee Alliance

http://www.zigbee.orgW. Nawrocki. Komputerowe Systemy Pomiarowe. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności. Warszawa, 2002.

Dziękuję za uwagę !!!

© PSI 2015

Dziękuję za uwagę !!!

139

Documents

Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI)