Bezdrtov LAN 1 Bezdrtov st WLAN Wireless LAN
Bezdrátové LAN (1) • Bezdrátové sítě (WLAN – Wireless LAN) – sítě využívající ke své činnosti technologii bezdrátového přenosu informací • Přenosovým médiem je zpravidla vzduch • První produkty umožňující práci s WLAN se objevují již od roku 1980 • Bezdrátové sítě mohou být využívány jako: – alternativa k dosud nejčastěji používaným LAN – rozšíření již existujících LAN – propojení mezi vzdálenými místy (budovami) 2021 -10 -30 1
Bezdrátové LAN (2) • Topologie bezdrátových sítí: – Peer-to-Peer: • zařízení v rámci bezdrátové buňky (wireless cell) komunikují přímo mezi sebou # # 2021 -10 -30 Wireless Cell # Ad Hoc network 2
Bezdrátové LAN (3) – Access Point-based: • dnes častěji používaná topologie pro WLAN • využívá zařízení označovaných jako přístupové body (AP – Access Point), které umožňují komunikaci mezi bezdrátovými stanicemi • přístupový bod může rovněž vytvářet most, který připojuje bezdrátové stanice k již existující LAN (např. Ethernet, Token-ring) • tímto je umožněna komunikace bezdrátových stanic se stanicemi připojenými v LAN realizované pomocí kabelových rozvodů 2021 -10 -30 3
Bezdrátové LAN (4) & # LAN AP AP Wireless Cell # # AP # 2021 -10 -30 # Wireless Cell # 4
Bezdrátové LAN (5) – Wireless Bridges (bezdrátové mosty): • slouží k bezdrátovému propojení vzdálených míst (budov), resp. jejich lokálních sítí • propojovaná místa musí být vybavena mosty (bridges) s transceivery umožňujícími vysílání a příjem signálů v daném pásmu & LAN (budova 1) # 2021 -10 -30 & Přímá viditelnost Bridge LAN (budova 2) # 5
Bezdrátové LAN (6) • Technologie bezdrátových sítí: – WLAN pracující v pásmu infračervených vlnových délek (IR WLAN) – WLAN pracující s malou šířkou pásma, tzv. úzkopásmové WLAN (narrowband) – WLAN s rozprostřeným spektrem (spread spectrum): • přeskakování frekvencí (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) • přímá sekvence (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) 2021 -10 -30 6
IR LAN (1) • K přenosu informací využívají frekvencí odpovídajících vlnovým délkám infračerveného elektromagnetického záření (850 – 950 nm) • Přenosy dosahují největší efektivity v okamžiku, kdy je zaručena přímá viditelnost mezi vysílačem a přijímačem • IR LAN využívají dvou technik: – direct beam (přímý paprsek): • vhodné pro vytváření dvoubodových spojů • maximální vzdálenost přijímače závisí na na výkonu vysílače a úhlu zaostření (max. jednotky km) 2021 -10 -30 7
IR LAN (2) • přenosové rychlosti se pohybují v rozsahu 1 – 10 Mb/s – diffused beam (rozptýlený paprsek): • všechny vysílače jsou zaměřeny na bod (obvykle na stropě místnosti), od něhož dochází k rozptýlenému odrazu infračervených signálů strop R T • odražený signál je následně přijímán jednotlivými přijímači • přenosová rychlost je v rozmezí 1 – 4 Mb/s 2021 -10 -30 8
IR LAN (3) • Vysílaný signál je modulovaný (kódovaný) metodou ASK – Amplitude-Shift Keying: – binární hodnoty digitálního signálu jsou reprezentovány různými amplitudami nosné frekvence – obvykle bývá jedna z použitých amplitud rovna nule, tzn. binární hodnota je pak reprezentována přítomností (bit 1), resp. nepřítomností (bit 0) nosné frekvence – jedná se o kódování, které je citlivé na náhlé změny zisku a tím potencionálně náchylné k chybám 2021 -10 -30 9
Modulovaný signál Nosná frekvence Původní signál IR LAN (4) 0 0 2021 -10 -30 0 1 1 U t U t 10
IR LAN (5) • Výhody: – vysílání v oblasti infračervených vlnových délek není nijak omezováno (není zapotřebí licence přidělující vysílací pásmo) • Nevýhody: – malý rozsah LAN (cca 30 m) – infračervené záření neprochází zdmi ani jinými pevnými objekty – přenášený signál může být rušen okolním světlem, teplotou, mlhou, částicemi nečistoty (prachu), … 2021 -10 -30 11
Narrowband (1) • Pro přenos informací využívají rádiové frekvence s relativně malou šířkou pásma, která dostačuje pro zakódování vysílaného signálu • Jedná se většinou o speciální sítě, které bývají vzájemně nekompatibilní • Jsou založeny na technologii využívající CM – Control Module, které vykonávají podobnou činnost jako přístupové body. Jednotlivé CM pracují zpravidla v různých frekvenčních pásmech 2021 -10 -30 12
Narrowband (2) & # CM LAN CM Wireless Cell # Frekvenční pásmo 1 2021 -10 -30 # Wireless Cell Frekvenční pásmo 2 # 13
Narrowband (3) • Přenosové rychlosti se pohybují v rozmezí 10 až 20 Mb/s • Narrowband WLAN mohou pracovat v pásmu: – licencovaném (častější varianta): • nutno žádat o přidělení licence na frekvenci s níž bude daná síť pracovat • po přidělení licence je garantováno, že provoz nebude rušen jinými vysílači – nelicencovaném: • pracují v pásmu ISM (Industrial, Scientific and Medical) • výkon vysílače musí být menší než 0, 5 W 2021 -10 -30 14
Narrowband (4) • Mohou pracovat pásmech: – 430 – 450 MHz – nelicencované UHF – 450 – 470 MHz – licencované UHF – 902 – 928 MHz – nelicencované – 5, 2 – 5, 775 GHz – licencované – 18, 825 – 19, 205 GHz – licencované • Pozn. : – TV UHF: 470 – 860 MHz – v ČR GSM: 900 a 1800 MHz 2021 -10 -30 15
Spread Spectrum (1) • V současné době nejpoužívanější technologie pro realizaci WLAN • Šířka pásma vysílaného signálu je mnohem větší než šířka pásma, které by odpovídalo původním (vysílaným) datům E E 0 2021 -10 -30 f 16
Spread Spectrum (2) • Tato šířka je dána vysílanou zprávou a signálem označovaným jako tzv. spreading code • Spreading code je možné generovat pomocí generátoru pseudo-náhodných (PN) čísel Výstupní data Vstupní data Kanálový kodér Modulátor Generátor PN čísel 2021 -10 -30 Kanál Demodulátor Kanálový dekodér Generátor PN čísel 17
Spread Spectrum (3) • Rozprostření spektra poskytuje dvě výhody: – vysílaná energie je rozložena do širšího pásma a tudíž množství energie pro konkrétní frekvenci je nízké (méně než 1 W). Vysílaný signál: • nezpůsobuje rušení jiných systémů • je hůře odposlouchávatelný – zavedení redundance: • vysílaná zpráva je přenášena pomocí signálů modulovaných na více frekvencích. Tyto signály mohou sloužit (v případě výskytu chyby, rušení) k obnovení původní zprávy 2021 -10 -30 18
Spread Spectrum (4) • V sítích využívajících technologii spread spectrum jsou definovány dvě hlavní techniky modulace: – přeskakování frekvencí (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum): • nosná frekvence je periodicky (v pevně daných časových intervalech, např. 300 ms) měněna • posloupnost frekvencí, které budou postupně použity (jako nosná frekvence) bývá dána generátorem pseudonáhodných čísel a vytváří tak vlastní spreading code • je nezbytné, aby generátor PN čísel na straně vysílače a přijímače byly vzájemně synchronizovaný 2021 -10 -30 19
Spread Spectrum (5) E 0 f 5 3 6 1 4 2 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 5 f 4 f 3 f 2 f 1 f 0 t • při použití techniky frequency hopping je signál v daném okamžiku přenášen v úzkém pásmu (typicky 1 MHz), které může být zvoleno z velkého spektra kanálů (typicky 79 různých kanálů 79 možných nosných frekvencí) 2021 -10 -30 20
Spread Spectrum (6) • výskyt rušení (kolize) na jedné frekvenci není pro frequency hopping kritický, protože přenos bude po chvíli pokračovat na frekvenci jiné, kde se rušené informace mohou přenést znovu • přecházení mezi frekvencemi rovněž komplikuje možnosti nežádoucího odposlechu • frequency hopping je vhodný pro přenosové rychlosti 1 – 3 Mb/s • pro konečnou modulaci je používána metoda FSK – Frequency-Shift Keying: – binární hodnoty jsou přenášeny jako dvě odlišné frekvence – bit 1: je přenášen jako vyšší frekvence – bit 0: je přenášen jako nižší frekvence 2021 -10 -30 21
Modulovaný Nosná signál frekvence 1 frekvence 0 Původní signál Spread Spectrum (7) 0 0 0 2021 -10 -30 0 1 1 U t U t 22
Spread Spectrum (8) – přímá sekvence (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum): • každý vysílaný bit je transformován do n-bitové sekvence (např. n=11), označované jako chip sequency, která tvoří spreading code • transformace probíhá většinou pomocí generátoru PN čísel. Vygenerovaná čísla (např. 11 bitový vzorek) jsou pak použita k zakódování (např. pomocí operace XOR) jednoho bitu do výsledné chip sequency • generátory PN čísel na straně přijímače i vysílače musí být vzájemně synchronizovány, což umožňuje, aby na straně přijímače byla provedena zpětná transformace z chip sequency na původní hodnotu bitu 2021 -10 -30 23
Spread Spectrum (9) Původní signál • strana vysílače: 0 U 1 0 t 5 -bitové vzorky XOR U 0 0 1 1 0 t sequency Chip = U 0 2021 -10 -30 0 0 1 1 0 0 t 24
Spread Spectrum (10) Přijatý signál • strana přijímače – bezchybný přenos: U 0 0 1 1 0 0 0 t 5 -bitové vzorky XOR U 0 0 1 1 0 t = Původní signál 0 U 0 2021 -10 -30 0 0 1 1 1 t 25
Spread Spectrum (11) Přijatý signál • strana přijímače (rušení) – přenos s chybami: U 0 1 1 0 1 0 t 5 -bitové vzorky XOR U 0 0 1 1 0 t = Původní signál 0 U 0 2021 -10 -30 1 0 0 1 1 1 0 1 t 26
Spread Spectrum (12) • vysílaný signál je přenášen v relativně širokém pásmu, které je závislé na počtu bitů použitých pro vytvoření chip sequency • pro 11 bitů je nutné pásmo o šířce 22 MHz – 25 MHz • při použití nelicencovaného pásma 2, 4 – 2, 4835 GHz je možné používat maximálně 3 nezávislé systémy pracující s DSSS, které se nebudou vzájemně rušit • výskyt rušení (kolize) není pro techniku přímé sekvence kritický, protože poškozené informace lze dopočítat z informací redundantních • kódování na straně vysílače komplikuje možnosti nežádoucího odposlechu 2021 -10 -30 27
Spread Spectrum (13) • direct spectrum je vhodná technologie pro přenosové rychlosti 2 – 20 Mb/s • pro konečnou modulaci je používána metoda PSK – Phase-Shift Keying (popř. QPSK – Quadrature PSK): – metoda PSK používá pro modulaci binárních hodnot rozličné fáze nosné frekvence – bit 0: je přenášen jako signál se stejnou fází, která byla použita u předešlého bitu (nedochází ke změně fáze) – bit 1: je přenášen s fázovým posunem 180 oproti předcházejícímu signálu (bitu) – Pozn. : metoda QPSK používá 4 různé fázové posuny (0 , 90 , 180 a 270 ) odpovídající bitovým vzorkům 00, 01, 10 a 11 2021 -10 -30 28
Spread Spectrum (14) 0 0 1 1 Modulovaný signál Nosná frekvence Původní signál U 0 t U 0 2021 -10 -30 t 29
Bezdrátový Ethernet (1) • Síťová architektura (standardizovaná dokumenty IEEE 802. 11 x) umožňující bezdrátové připojení počítačů ke stávajícím LAN (Ethernet) • Původní specifikace IEEE 802. 11 (z r. 1997) umožňovala přenosové rychlosti 1 – 2 Mb/s a byla určena zejména pro přenos informací v pásmu 2, 4 – 2, 4835 GHz • Tato specifikace definovala práci s technologií FHSS, DSSS a umožňovala i přenos informací prostřednictvím infračervených vlnových délek 2021 -10 -30 30
Bezdrátový Ethernet (2) • Vzhledem k nízké přenosové rychlosti byl vytvořen (v r. 1999) standard IEEE 802. 11 b • Tento nový standard, který pracuje s technologií HR/DSSS, je určen výhradně pro přenos informací v pásmu 2, 4 – 2, 4835 GHz a umožňuje maximální přenosovou rychlost 11 Mb/s • Existuje i standard IEEE 802. 11 a, který definuje práci v pásmu 5, 725 – 5, 85 GHz a dovoluje maximální přenosovou rychlost 54 Mb/s. Tento standard není příliš rozšířen 2021 -10 -30 31
Bezdrátový Ethernet (3) • Jako přístupová metoda je použita metoda CSMA/CA (s pozitivním potvrzováním) • Přístupovou metodu CSMA/CD není možné použít, protože: – stanice by musely být schopny zároveň vysílat i přijímat signál (nárůst cenových nákladů) – problém „skrytého uzlu“ („hidden node“). Jedná se o problém, kdy dvě stanice jsou v dosahu přístupového bodu (access pointu), ale nenacházejí se ve vzájemném dosahu 2021 -10 -30 32
Bezdrátový Ethernet (4) # & Wireless Cell AP # # LAN Wireless Cell # 2021 -10 -30 33
Bezdrátový Ethernet (5) • Metoda CSMA/CA použitá v bezdrátových sítích IEEE 802. 11: – stanice, která chce vysílat si ověří, zda-li je síť po určitou dobu (DIFS – Distributed Inter Frame Space) volná – jestliže síť je (stane se) v průběhu DIFS obsazená, tak se přenos dat odloží – v opačném případě je vyslán krátký packet RTS – Request To Send, který mimo jiné obsahuje informaci o době, kterou bude následující přenos trvat 2021 -10 -30 34
Bezdrátový Ethernet (6) – cílová stanice odpovídá (po krátkém okamžiku SIFS) packetem CTS – Clear To Send, který opět mimo jiné obsahuje dobu, po kterou bude následující přenos trvat – všechny stanice, které slyší RTS nebo CTS si nastaví vlastní indikátor NAV – Network Allocation Vector na dobu přenášenou v těchto packetech a nebudou se v jejím průběhu snažit přistupovat k síti – CTS a RTS jsou krátké packety a výše uvedený mechanismus dovoluje podstatným způsobem snížit pravděpodobnost kolize 2021 -10 -30 35
Bezdrátový Ethernet (7) – celá transakce je (v případě úspěšného přenosu dat) ukončena zasláním packetu ACK – Acknowledge – jestliže přenos není potvrzen packetem ACK, pak je situace vyhodnocena jako kolize a přenos se opakuje SIFS Vysílač Přijímač Ostatní DIFS RTS Data CTS ACK NAV (RTS) NAV (CTS) 0 2021 -10 -30 Odložený přenos DIFS t Náhodná čekací doba 36
Bezdrátový Ethernet (8) • Standard IEEE 802. 11 definuje dvě zařízení odpovídající topologii Peer-to-Peer a AP-based: – bezdrátová stanice: obvykle počítač vybavený bezdrátovou síťovou kartou – přístupový bod (Access Point): zařízení umožňující komunikaci bezdrátovými stanicemi LAN realizovanými pomocí kabelových rozvodů • Vzájemně kompatibilní výrobky pracující podle specifikace IEEE 802. 11 b jsou označovány rovněž termínem Wi-Fi (Wireless Fidelity) 2021 -10 -30 37
Bezdrátový Ethernet (9) • Standard IEEE 802. 11 g: – zaveden v roce 2003 – jedná se o Wi. Fi standard rozšiřující IEEE 802. 11 b – je zpětně kompatibilní s IEEE 802. 11 b – pracuje v pásmu 2, 4 – 2, 4835 GHz – používá kódovací schéma OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) – maximální přenosová rychlost 54 Mb/s (25 Mb/s) – vysílací výkon je snížen z 200 m. W na 65 m. W 2021 -10 -30 38
Bezdrátový Ethernet (10) • Standard IEEE 802. 11 n: – uveřejněn v roce 2009 – zpětně kompatibilní s původními bezdrátovými sítěmi (IEEE 802. 11 a/b/g) – umožňuje práci v pásmu 2, 4 GHz i 5 GHz – zvyšuje přenosovou rychlost až na 600 Mb/s (130 Mb/s) – data mohou být přenášena čtyřmi proudy (v každém proudu s rychlostí 150 Mb/s) prostřednictvím jednoho kanálu o šířce 40 MHz – používá modulaci OFDM 2021 -10 -30 39
Bezdrátový Ethernet (11) – využívá technologii MIMO (Multiple Input Multiple Output): • technologie využívající více vysílacích a přijímacích antén • zvyšuje kapacitu přenosu díky přenosu informací po více rádiových kanálech 2021 -10 -30 40
Bluetooth (1) • Bezdrátová komunikační technologie slouží-cí k propojení mezi dvěma a více elektronickými zařízeními (např. mobilní telefon, PDA, osobní počítač, GPS přijímač apod. ) • Jedná se o bezdrátovou náhradu kabelového propojování různých zařízení • Specifikace Bluetooth byla vyvinuta v roce 1994 a následně byla formalizována skupinou Bluetooth Special Interest Group (SIG) • Dnes je technologie Bluetooth definována standardem IEEE 802. 15. 1 2021 -10 -30 41
Bluetooth (2) • Vyvíjena jako technologie s nízkou spotřebou elektrické energie • Umožňuje vytváření tzv. osobních počítačových sítí (PAN – Personal Area Network) • Mezi komunikujícími zařízeními nemusí být přímá viditelnost (LOS – Line Of Sight) • Výkonnost Bluetooth je označována pomocí tříd (class): Class 1 Class 2 Class 3 2021 -10 -30 Max. výkon [m. W] 100 2, 5 1 Přibližný rozsah [m] 100 10 1 42
Bluetooth (3) • Pracuje v ISM pásmu 2, 4 – 2, 4835 GHz stejně jako Wi. Fi • Využívá techniky FHSS (přeskakování frekvencí): – během 1 sekundy se uskuteční 1600 skoků (přelaladění) mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1 MHz – posloupnost změn frekvencí je pseudonáhodná • Jednotlivá zařízení jsou identifikována pomocí své jedinečné adresy (BT_ADDR – Bluetooth Device Address) – adresa o šířce 48 b 2021 -10 -30 43
Bluetooth (4) • Podporuje dvoubodovou i mnohabodovou komunikaci • Komunikace se odehrávají mezi master stanicí a slave stanicí • Každá stanice může plnit roli master i slave • Dvě nebo více Bluetooth zařízení vytvářejí ad-hoc síť, označovanou jako piconet (pikosíť) • Jestliže je více stanic propojeno do pikosítě, pak jedna stanice působí jako master a může současně obsloužit až 7 podřízených stanic (slave) 2021 -10 -30 44
Bluetooth (5) • Master určuje rozprostřovací vzorek pro FHSS, podle nějž se stanice slave synchronizují • Je možné použít až 10 pikosítí na ploše o dosahu 10 m • Pikosítě lze sdružovat do tzv. rozptýlených sítí (scatternet) • Rozptýlená síť vzniká svázáním několika blízkých pikosítí tak, že dochází ke sdílení společné stanice master nebo jedné, popř. několika stanic slave 2021 -10 -30 45
Bluetooth (6) • Mezi stanicí master a stanicí slave mohou být dva typy logických spojů: – SCO – Synchronous Connection Oriented: • symetrický duplexní spoj mezi zařízeními master a slave • používán typicky pro přenos audio informace – ACL – Asynchronous Connection-Less: • vícebodový spoj mezi stanicí master a stanicemi slave v rámci pikosítě • plně řízený stanicí master • používá se např. pro – přenos dat – vyhledávání při tvorbě (zařazování) do pikosítě 2021 -10 -30 46
Bluetooth (7) • Bluetooth 1. 0 a 1. 0 B: – vykazovaly značné množství problémů – mnohé produkty od různých výrobců nebyly schopné vzájemné spolupráce • Bluetooth 1. 1: – definována standardem IEEE 802. 15. 1 -2002 – opravena většina chybných vlastností verze 1. 0 B – přidána podpora nešifrovaných kanálů – přidán indikátor síly přijímaného signálu RSSI 2021 -10 -30 47
Bluetooth (8) • Bluetooth 1. 2: – definována standardem IEEE 802. 15. 1 -2005 – zpětně kompatibilní s verzí Bluetooth 1. 1 – dovoluje rychlejší navázání spojení mezi jednotlivými zařízeními – využívá techniku AFH – Adaptive FHSS, která zvyšuje odolnost proti nežádoucím interferencím rádiových frekvencí – umožňuje vyšší přenosové rychlosti (721 kb/s až 1 Mb/s) 2021 -10 -30 48
Bluetooth (9) – využívá e. SCO – Extended Synchronous Connections zvyšující kvalitu audio spojení. Zvýšení kvality je dosaženo umožněním opětovného přenosu poškozených dat • Bluetooth 2. 0: – zpětně kompatibilní s Bluetooth 1. 1 a 1. 2 – hlavním vylepšením je zavedení EDR – Enhanced Data Rate zvýšení přenosové rychlosti cca na 2, 1 až 3 Mb/s – má nižší spotřebu elektrické energie 2021 -10 -30 49
Home. RF • Slouží zejména pro bezdrátové připojování různých zařízení používaných v domácím prostředí (tiskárny, modemy, telefony, …) • Pracuje v pásmu 2, 4 GHz • Maximální rozsah sítě je cca 50 m • Založena na existenci ovládacího zařízení, které komunikuje s ostatními Home. RF zařízeními • Přenosová rychlost je 1, 6 Mb/s (v budoucnu se předpokládá až 10 Mb/s) 2021 -10 -30 50
Zig. Bee • Bezdrátová komunikační technologie vystavěná na standardu IEEE 802. 15. 4 • Podobně jako Bluetooth je určena pro spojení nízkovýkonových zařízení v sítích PAN na malé vzdálenosti (do 75 metrů) • Primární určení směřuje do aplikací v průmyslu a senzorových sítích • Pracuje v bezlicenčních pásmech na frekvencích 858 MHz, 902 – 928 MHz a 2, 4 GHz • Přenosová rychlost činí 20, 40, 250 kb/s 2021 -10 -30 51
Senzorové sítě • Bezdrátová senzorová síť: – bezdrátová síť tvořená autonomními zařízeními, která používají senzory pro monitorování fyzikálních nebo okolních podmínek: • • • teplota tlak vibrace zvuk znečištění # Senzorový uzel Brána 2021 -10 -30 52
- Slides: 52