Теоретические основы радиосистем связи различных типов

Защита информации в системах беспроводной связи Конспект лекций назад | содержание | вперед 2  Теоретические основы радиосистем связи различных типов 2.1  Основы и особенности беспроводных технологий. Любую современную радиосистему можно представить в виде модели, состоящей из двух приемопередатчиков (рис. 2.1) и радиоканала. Рисунок 2.1 – Упрощенная схема приемопередатчика.   На представленной схеме можно выделить следующие элементы:   Антенна;   Дуплексер (полный дуплекс) или ключ (полудуплекс);   Полосовые фильтры;   Усилитель;   Модулятор / демодулятор сигнала в области СВЧ (PassBand);   Модулятор / демодулятор сигнала в базовой области (BaseBand);   Помехоустойчивый кодер / декодер;   В современных устройствах все функции радио обработки принято объединять на единый чип (кристалл). Такой подход позволяет создавать очень компактные устройства с очень низким энергопотреблением. Примеры устройств приведены на рис. 2.2 – 2.4 Рисунок 2.2 – Wi-Fi карточка для установки в ПК. Рисунок 2.3 – Плата современного смартфона с популярным кристаллом Qualcomm Snapdragon Рисунок 2.4 – Функциональная схема кристалла Qualcomm Snapdragon 600   В радио эфире возможна передача только гармонических либо полученных на их основе сигналов. В отличие от проводных электрических сигналов, в радио эфир невозможно передать квадратный импульс, поэтому необходимо использовать соответствующие цифровые модуляционные техники. Разберемся со всем по порядку. Общая схема модулятора представлена на рис. 2.5. Идея модулятора – это видоизменение информационного сигнала в нужный вид, чтобы его было возможно передать в эфир. В случае модулятора в базовой области (BaseBand)  «Модулирующим сигналом» обычно называют преобразованную в NRZ код последовательность бит 0 и 1, в то время как несущим сигналом является гармонический сигнал с нужными характеристиками. Рисунок 2.5 – Общая схема модулирующего устройства.   У гармонических сигналов существует всего три характеристики, которые можно изменять: Амплитуда, фаза и частота. Однако фаза и частота – это по сути два различных подхода к одному и тому же изменению. При амплитудной модуляции, амплитуда высокочастотного несущего сигнала изменяется в соответствии с изменением амплитуды исходного (модулированного сигнала). Частотная модуляция – самый популярный подход при аналоговой модуляции. Используется в мобильных телекоммуникационных системах. При частотной модуляции, амплитуда несущей не изменяется (постоянна), в то время как частота изменяется модулируемым сигналом. Амплитуда и фаза могут модулироваться одновременно, однако это сильно усложняет модулирование и детектирование сигнала. Как правило, в существующих системах передачи, сигнал разбивается на два независимых компонента: синфазный (I) и квадратурный (Q). Рисунок 2.6 – Примеры изменений характеристик сигнала при модуляции   Простой способ представить амплитуду и фазу одновременно – полярная система координат (Рис. 2.7, 2.8). Рисунок 2.7 – Представление сигнала в полярных координатах. Рисунок 2.8 – Возможные изменения сигнала. Модуляция часто представляется в форме I и Q диаграмм. Это прямоугольное представление полярных координат. В этом случае ось I совпадает с фазой сигнала 0 градусов, а ось Q совпадает с фазой 90 градусов. Если сделать проекцию вектора сигнала на оси – получим “I” компоненту и “Q” компоненту сигнала:   I = In-phase – т.е. синфазная составляющая.   Q = Quadrature – квадратурная составляющая. Почему «квадратурная»? Если две волны отличаются друг от друга на фазу 90* (т.е. на одну четверть периода = 1/4), I/Q диаграммы полезны тем, что отражают как сигнал был создан в I/Q модуляторе. В передатчике I и Q составляющие получают с помощью одного генератора. С одной стороны генератора ставится блок сдвига фазы на 90 градусов. Два сигнала сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов или ¼ периода считаются ортогональными или «в квадратуре» и не влияют друг на друга (т.е. независимые). На входы I и Q подаются значения фазовой и квадратурной составляющих (Например, 1 или 0 при BPSK, 1 1, 1 -1, -1 -1 и -1 1 при QPSK). Эти значения перемножаются с сигналами из генератора, после чего суммируются в единый сигнал. Преимущество I/Q модуляции в простоте получения результирующего сигнала из двух независимых компонентов сигнала, и соответственно дальнейшего разделения этих составляющих на приемной стороне. Рисунок 2.9 – I/Q модулятор для QPSK   Результирующий сигнал приходит на вход приемника и так же смешивается (перемножается) с двумя компонентами с генератора. Таким образом, отделяется синфазная и квадратурная составляющая. Рисунок 2.10 –I/Q демодулятор для QPSK   Амплитудно-фазовую цифровую модуляцию легко выполнить с помощью IQ модулятора, т.к. большинство схем модуляции могут быть представлены как точки на IQ плоскости. Совокупность всех точек называется «созвездие» или «созвездие точек».   Таблица 2.1 – Примеры использования модуляционных техник в жизни MSK, GMSK  GSM, CDPD BPSK Передача телеметрии аппаратов из дальнего космоса, кабельные модемы, W-Fi QPSK, π/4 DQPSK Спутниковая связь, CDMA, TETRA, DVB-S, кабельное ТВ, кабельные модемы OQPSK CDMA, спутниковая связь FSK, GFSK DECT, пейджеры 8PSK Спутниковая связь, телеметрия и связь с самолетами 16 QAM Wi-Fi, модемы, DVB-C, DVB-T 32 QAM DVB-T 64 QAM Wi-Fi, DVB-C, модемы 256 QAM Модемы, DVB-C (Europe), Digital Video (US) Одни из самых простых модуляционных схем - BPSK (Binary Phase Shift Keying) и QPSK (рисунок 2.11). У QPSK созвездие повернуто на 45 градусов заметьте. Потому что так проще реализовать эту модуляцию с помощью IQ модулятора. Рисунок 2.11 – Созвездия BPSK и QPSK модуляций.   Рисунок 2.12 – Пример формирования QPSK сигнала   2.2  Технические концепции построения радиосистем связи. Несмотря на кажущуюся простоту, именно радиоканал является самой «капризной» частью любого стандарта в условиях города. Одно дело, если у вас есть два беспроводных приемопередатчика на 100 квадратных километров тундры, другое, если плотность устройств зашкаливает, да ещё и добавляются помехи от других источников, таких как микроволновки, рации, наводки от линии электропередач, трамвайных и троллейбусных проводов, медицинского оборудования, блоков питания и т.д. и т.п. Подробное описание сетевых элементов стандарта IEEE 802.11 приведено в разделе 4.1, а вопросы планирования таких сетей в разделе 4.2. Сетевая архитектура сотовой сети 2G и 3G подробно описана в разделе 3.1, в этом разделе немного ознакомимся с основным элементом сотовой сети любого стандарта (2G/3G/4G) - это базовая станция, которая занимается приемом звонков абонентов и передачей данных по радиоканалу. В зависимости от стандарта связи, базовые станции (БС) работают в диапазоне частот от 450 до 2100 МГц. БС составляют основу ячеек, так называемых сот. Обычно радиус работы таких станций составляет порядка 10-12 км за городом и около 3-5 км в городе, их строят много и располагают относительно недалеко друг от друга. Полностью автономные и автоматизированные базовые станции представляют собой небольшие контейнеры, которые устанавливаются, как правило, на крыше зданий. В обязательном порядке имеется беспроводной или кабельный канал связи с центром управления сетью, куда передается огромный поток данных - входящие и исходящие вызовы от абонентов или Интернет трафик. Кстати, мощность излучения базовых станций в течение суток не является постоянной. Загрузка определяется количеством сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и интенсивностью трафика. А это, в свою очередь, зависит от времени суток, дня недели и др. В ночные часы загрузка базовых станций практически равна нулю, поэтому станции "молчат". Существует мнение, что базовые станции очень вредны для здоровья. Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, неоднократно проводились специалистами стран ЕС, США и России. Если изучить результаты этих измерений, то становится видно, что в 100% уровень электромагнитного поля в здании, на котором установлена БС, не отличается от фонового. А на прилегающей к станции территории в 91% случаев зафиксированный уровень электромагнитного поля был в 10 раз меньше ПДУ (предельно допустимого уровня), установленного для радиотехнических объектов в Москве. Рисунок 2.13 – Радиомодули базовой станции Nokia на трубостойке и мачте Как видно из рисунка 2.13, на сегодняшний день базовые станции довольно компактны и могут устанавливаться на стену, трубостойку, мачту или даже на рекламные конструкции. На рисунке 2.14 приведен общий вид всей конструкции. Секторная антенна (обычно излучает на сектор 120 или 90 градусов) излучает и принимает сигнал до/от абонентских устройств (сотовых телефонов, смартфонов). Релейная антенна обеспечивает связь БС с «внешним миром», т.е. с внутренней сетью оператора. Вместо релейной антенны, БС может подключаться к сети оператора по оптическому (Ethernet) или медному (Ethernet или E1) кабелю. БС также нужно обеспечить электричеством, поэтому необходимо подвести питающий кабель. Обычно БС потребляет постоянный ток, поэтому необходима установка внешних преобразователей (адаптеров) при подключении к городским электрическим сетям. Рисунок 2.14 – Общий вид современной базовой станции. В общем случае, при рассмотрении любой радиосети в целом, существуют две большие проблемы безопасности: 1.    Прослушивание радиоканала от абонента до БС. Любой радиоканал уязвим тем, что его можно с лёгкостью прослушать, так как антенна излучает в заданном секторе абсолютно всем. Для защиты передаваемых данных от перехвата применяют шифрование. 2.    Прослушивание радиоканала от БС до сети оператора в случае использования релейной антенны. Из первой проблемы вытекают также и другие, такие как определение местоположения абонента по его идентификатору и подделка подлинности самого абонента. Для борьбы с этими проблемами используются техники, которым и посвящена данная дисциплина. наверх назад | содержание | вперед