Bezdr

1
Bezdrátové LAN (1)

• Bezdrátové síte (WLAN Wireless LAN) síte
  využívající ke své cinnosti technologii
  bezdrátového prenosu informací
• Prenosovým médiem je zpravidla vzduch
• První produkty umožnující práci s WLAN se
  objevují již od roku 1980
• Bezdrátové síte mohou být využívány jako
• alternativa k dosud nejcasteji používaným LAN
• rozšírení již existujících LAN
• propojení mezi vzdálenými místy (budovami)

2
Bezdrátové LAN (2)

• Topologie bezdrátových sítí
• Peer-to-Peer
• zarízení v rámci bezdrátové bunky (wireless cell)
  komunikují prímo mezi sebou

Ad Hoc network
Wireless Cell


3
Bezdrátové LAN (3)

• Access Point-based
• dnes casteji používaná topologie pro WLAN
• využívá zarízení oznacovaných jako prístupové
  body (AP Access Point), které umožnují
  komunikaci mezi bezdrátovými stanicemi
• prístupový bod muže rovnež vytváret most, který
  pripojuje bezdrátové stanice k již existující LAN
  (napr. Ethernet, Token-ring)
• tímto je umožnena komunikace bezdrátových stanic
  se stanicemi pripojenými v LAN realizované pomocí
  kabelových rozvodu

4
Bezdrátové LAN (4)


LAN

AP
AP
Wireless Cell
Wireless Cell


AP
Wireless Cell


5
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 umožnujícími vysílání a
  príjem signálu v daném pásmu

Prímá viditelnost
LAN (budova 1)
LAN (budova 2)
Bridge
Bridge


6
Bezdrátové LAN (6)

• Technologie bezdrátových sítí
• WLAN pracující v pásmu infracervených vlno-vých
  délek (IR WLAN)
• WLAN pracující s malou šírkou pásma, tzv.
  úzkopásmové WLAN (narrowband)
• WLAN s rozprostreným spektrem (spread spectrum)
• preskakování frekvencí (FHSS Frequency Hopping
  Spread Spectrum)
• prímá sekvence (DSSS Direct Sequence Spread
  Spectrum)

7
IR LAN (1)

• K prenosu informací využívají frekvencí
  od-povídajících vlnovým délkám infracerveného
  elektromagnetického zárení (850 950 nm)
• Prenosy dosahují nejvetší efektivity v okam-žiku,
  kdy je zarucena prímá viditelnost mezi vysílacem
  a prijímacem
• IR LAN využívají dvou technik
• direct beam (prímý paprsek)
• vhodné pro vytvárení dvoubodových spoju
• maximální vzdálenost prijímace závisí na na
  výkonu vysílace a úhlu zaostrení (max. jednotky
  km)

8
IR LAN (2)

• prenosové rychlosti se pohybují v rozsahu 1 10
  Mb/s
• diffused beam (rozptýlený paprsek)
• všechny vysílace jsou zamereny na bod (obvykle na
  strope místnosti), od nehož dochází k
  rozptýlenému odrazu infracervených signálu

strop
R
T

• odražený signál je následne prijímán jednotlivými
  prijímaci
• prenosová rychlost je v rozmezí 1 4 Mb/s

9
IR LAN (3)

• Vysílaný signál je modulovaný (kódovaný) metodou
  ASK Amplitude-Shift Keying
• binární hodnoty digitálního signálu jsou
  reprezen-továny ruznými amplitudami nosné
  frekvence
• obvykle bývá jedna z použitých amplitud rovna
  nule, tzn. binární hodnota je pak reprezentována
  prítomností (bit 1), resp. neprítomností (bit 0)
  nosné frekvence
• jedná se o kódování, které je citlivé na náhlé
  zme-ny zisku a tím potencionálne náchylné k chybám

10
IR LAN (4)
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
Puvodní signál
0
t
U
Nosná frekvence
0
t
U
Modulovaný signál
0
t
11
IR LAN (5)

• Výhody
• vysílání v oblasti infracervených vlnových délek
  není nijak omezováno (není zapotrebí licence
  pridelující vysílací pásmo)
• Nevýhody
• malý rozsah LAN (cca 30 m)
• infracervené zárení neprochází zdmi ani jinými
  pevnými objekty
• prenášený signál muže být rušen okolním svetlem,
  teplotou, mlhou, cásticemi necistoty (prachu),

12
Narrowband (1)

• Pro prenos informací využívají rádiové frek-vence
  s relativne malou šírkou pásma, která dostacuje
  pro zakódování vysílaného signálu
• Jedná se vetšinou o speciální síte, které bývají
  vzájemne nekompatibilní
• Jsou založeny na technologii využívající CM
  Control Module, které vykonávají podobnou cinnost
  jako prístupové body. Jednotlivé CM pracují
  zpravidla v ruzných frekvencních pásmech

13
Narrowband (2)


LAN

CM
CM
Wireless Cell
Wireless Cell


Frekvencní pásmo 1
Frekvencní pásmo 2
14
Narrowband (3)

• Prenosové rychlosti se pohybují v rozmezí 10 až
  20 Mb/s
• Narrowband WLAN mohou pracovat v pásmu
• licencovaném (castejší varianta)
• nutno žádat o pridelení licence na frekvenci s
  níž bude daná sít pracovat
• po pridelení licence je garantováno, že provoz
  nebude rušen jinými vysílaci
• nelicencovaném
• pracují v pásmu ISM (Industrial, Scientific and
  Medical)
• výkon vysílace musí být menší než 0,5 W

15
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 CR GSM 900 a 1800 MHz

16
Spread Spectrum (1)

• V soucasné dobe nejpoužívanejší technologie pro
  realizaci WLAN
• Šírka pásma vysílaného signálu je mnohem vetší
  než šírka pásma, které by odpovídalo puvodním
  (vysílaným) datum

E
E
f
f
0
0
17
Spread Spectrum (2)

• Tato šírka je dána vysílanou zprávou a signá-lem
  oznacovaným jako tzv. spreading code
• Spreading code je možné generovat pomocí
  generátoru pseudo-náhodných (PN) císel

Výstupní data
Vstupní data
Kanálový kodér
Modulátor
Kanál
Demo-dulátor
Kanálový dekodér
Generátor PN císel
Generátor PN císel
18
Spread Spectrum (3)

• Rozprostrení spektra poskytuje dve výhody
• vysílaná energie je rozložena do širšího pásma a
  tudíž množství energie pro konkrétní frekvenci je
  nízké (méne než 1 W). Vysílaný signál
• nezpusobuje rušení jiných systému
• je hure odposlouchávatelný
• zavedení redundance
• vysílaná zpráva je prenášena pomocí signálu
  modulo-vaných na více frekvencích. Tyto signály
  mohou sloužit (v prípade výskytu chyby, rušení) k
  obnovení puvodní zprávy

19
Spread Spectrum (4)

• V sítích využívajících technologii spread
  spec-trum jsou definovány dve hlavní techniky
  modulace
• preskakování frekvencí (FHSS Frequency Hop-ping
  Spread Spectrum)
• nosná frekvence je periodicky (v pevne daných
  caso-vých intervalech, napr. 300 ms) menena
• posloupnost frekvencí, které budou postupne
  použity (jako nosná frekvence) bývá dána
  generátorem pseudo-náhodných císel a vytvárí tak
  vlastní spreading code
• je nezbytné, aby generátor PN císel na strane
  vysílace a prijímace byly vzájemne synchronizovaný

20
Spread Spectrum (5)
f
E
f6
5
3
6
1
4
2
f5
f4
f3
f2
f1
f
0
f1
f2
f3
f4
f5
f6
t
0

• pri použití techniky frequency hopping je signál
  v daném okamžiku prenášen v úzkém pásmu (typicky
  1 MHz), které muže být zvoleno z velkého spektra
  kanálu (typicky 79 ruzných kanálu ? 79 možných
  nosných frekvencí)

21
Spread Spectrum (6)

• výskyt rušení (kolize) na jedné frekvenci není
  pro fre-quency hopping kritický, protože prenos
  bude po chvíli pokracovat na frekvenci jiné, kde
  se rušené informace mohou prenést znovu
• precházení mezi frekvencemi rovnež komplikuje
  mož-nosti nežádoucího odposlechu
• frequency hopping je vhodný pro prenosové
  rychlosti 1 3 Mb/s
• pro konecnou modulaci je používána metoda FSK
  Frequency-Shift Keying
• binární hodnoty jsou prenášeny jako dve odlišné
  frekvence
• bit 1 je prenášen jako vyšší frekvence
• bit 0 je prenášen jako nižší frekvence

22
Spread Spectrum (7)
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
Puvodní signál
0
t
U
Nosná frekvence 0
0
t
U
Nosná frekvence 1
0
t
U
Modulovaný signál
0
t
23
Spread Spectrum (8)

• prímá sekvence (DSSS Direct Sequence Spread
  Spectrum)
• každý vysílaný bit je transformován do n-bitové
  sek-vence (napr. n11), oznacované jako chip
  sequency, která tvorí spreading code
• transformace probíhá vetšinou pomocí generátoru
  PN císel. Vygenerovaná císla (napr. 11bitový
  vzorek) jsou pak použita k zakódování (napr.
  pomocí operace XOR) jednoho bitu do výsledné chip
  sequency
• generátory PN císel na strane prijímace i
  vysílace musí být vzájemne synchronizovány, což
  umožnuje, aby na strane prijímace byla provedena
  zpetná transformace z chip sequency na puvodní
  hodnotu bitu

24
Spread Spectrum (9)

• strana vysílace

0
1
U
Puvodní signál
0
t
XOR
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
5-bitové vzorky
0
t

0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
U
Chip sequency
0
t
25
Spread Spectrum (10)

• strana prijímace bezchybný prenos

0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
U
Prijatý signál
0
t
XOR
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
5-bitové vzorky
0
t

0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
U
Puvodní signál
0
1
0
t
26
Spread Spectrum (11)

• strana prijímace (rušení) prenos s chybami

0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
U
Prijatý signál
0
t
XOR
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
5-bitové vzorky
0
t

0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
U
Puvodní signál
0
1
0
t
27
Spread Spectrum (12)

• vysílaný signál je prenášen v relativne širokém
  pásmu, které je závislé na poctu bitu použitých
  pro vytvorení chip sequency
• pro 11 bitu je nutné pásmo o šírce 22 MHz 25
  MHz
• pri použití nelicencovaného pásma 2,4 2,4835
  GHz je možné používat maximálne 3 nezávislé
  systémy pracující s DSSS, které se nebudou
  vzájemne rušit
• výskyt rušení (kolize) není pro techniku prímé
  sekvence kritický, protože poškozené informace
  lze dopocítat z informací redundantních
• kódování na strane vysílace komplikuje možnosti
  nežá-doucího odposlechu

28
Spread Spectrum (13)

• direct spectrum je vhodná technologie pro
  prenosové rychlosti 2 20 Mb/s
• pro konecnou modulaci je používána metoda PSK
  Phase-Shift Keying (popr. QPSK Quadrature PSK)
• metoda PSK používá pro modulaci binárních hodnot
  rozlicné fáze nosné frekvence
• bit 0 je prenášen jako signál se stejnou fází,
  která byla použita u predešlého bitu (nedochází
  ke zmene fáze)
• bit 1 je prenášen s fázovým posunem 180? oproti
  predcháze-jícímu signálu (bitu)
• Pozn. metoda QPSK používá 4 ruzné fázové posuny
  (0 ?, 90 ?, 180 ? a 270 ?) odpovídající bitovým
  vzorkum 00, 01, 10 a 11

29
Spread Spectrum (14)
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
Puvodní signál
0
t
U
Nosná frekvence
0
t
U
Modulovaný signál
0
t
30
Bezdrátový Ethernet (1)

• Sítová architektura (standardizovaná dokumen-ty
  IEEE 802.11x) umožnující bezdrátové pripo-jení
  pocítacu ke stávajícím LAN (Ethernet)
• Puvodní specifikace IEEE 802.11 (z r. 1997)
  umožnovala prenosové rychlosti 1 2 Mb/s a byla
  urcena zejména pro prenos informací v pásmu 2,4
  2,4835 GHz
• Tato specifikace definovala práci s technologií
  FHSS, DSSS a umožnovala i prenos informací
  prostrednictvím infracervených vlnových délek

31
Bezdrátový Ethernet (2)

• Vzhledem k nízké prenosové rychlosti byl vytvoren
  (v r. 1999) standard IEEE 802.11b
• Tento nový standard, který pracuje s techno-logií
  HR/DSSS, je urcen výhradne pro prenos informací v
  pásmu 2,4 2,4835 GHz a umož-nuje maximální
  prenosovou rychlost 11 Mb/s
• Existuje i standard IEEE 802.11a, který defi-nuje
  práci v pásmu 5,725 5,85 GHz a dovo-luje
  maximální prenosovou rychlost 54 Mb/s. Tento
  standard není príliš rozšíren

32
Bezdrátový Ethernet (3)

• Jako prístupová metoda je použita metoda CSMA/CA
  (s pozitivním potvrzováním)
• Prístupovou metodu CSMA/CD není možné použít,
  protože
• stanice by musely být schopny zároven vysílat i
  prijímat signál (nárust cenových nákladu)
• problém skrytého uzlu (hidden node). Jedná se
  o problém, kdy dve stanice jsou v dosahu
  prí-stupového bodu (access pointu), ale
  nenacházejí se ve vzájemném dosahu

33
Bezdrátový Ethernet (4)



Wireless Cell

LAN
AP
Wireless Cell

34
Bezdrátový Ethernet (5)

• Metoda CSMA/CA použitá v bezdrátových sítích IEEE
  802.11
• stanice, která chce vysílat si overí, zda-li je
  sít po urcitou dobu (DIFS Distributed Inter
  Frame Space) volná
• jestliže sít je (stane se) v prubehu DIFS
  obsazená, tak se prenos dat odloží
• v opacném prípade je vyslán krátký packet RTS
  Request To Send, který mimo jiné obsahuje
  infor-maci o dobe, kterou bude následující prenos
  trvat

35
Bezdrátový Ethernet (6)

• cílová stanice odpovídá (po krátkém okamžiku -
  SIFS) packetem CTS Clear To Send, který opet
  mimo jiné obsahuje dobu, po kterou bude
  následu-jící prenos trvat
• všechny stanice, které slyší RTS nebo CTS si
  nastaví vlastní indikátor NAV Network
  Alloca-tion Vector na dobu prenášenou v techto
  packe-tech a nebudou se v jejím prubehu snažit
  pristu-povat k síti
• CTS a RTS jsou krátké packety a výše uvedený
  mechanismus dovoluje podstatným zpusobem snížit
  pravdepodobnost kolize

36
Bezdrátový Ethernet (7)

• celá transakce je (v prípade úspešného prenosu
  dat) ukoncena zasláním packetu ACK Acknowledge
• jestliže prenos není potvrzen packetem ACK, pak
  je situace vyhodnocena jako kolize a prenos se
  opakuje

SIFS
RTS
Vysílac
Data
DIFS
CTS
ACK
Prijímac
NAV (RTS)
Ostatní
DIFS
NAV (CTS)
t
0
Náhodná cekací doba
Odložený prenos
37
Bezdrátový Ethernet (8)

• Standard IEEE 802.11 definuje dve zarízení
  odpovídající topologii Peer-to-Peer a AP-based
• bezdrátová stanice obvykle pocítac vybavený
  bezdrátovou sítovou kartou
• prístupový bod (Access Point) zarízení
  umožnující komunikaci bezdrátovými stanicemi LAN
  reali-zovanými pomocí kabelových rozvodu
• Vzájemne kompatibilní výrobky pracující podle
  specifikace IEEE 802.11b jsou oznacovány rovnež
  termínem Wi-Fi (Wireless Fidelity)

38
Bezdrátový Ethernet (9)

• Standard IEEE 802.11g
• zaveden v roce 2003
• jedná se o WiFi standard rozširující IEEE 802.11b
• je zpetne kompatibilní s IEEE 802.11b
• pracuje v pásmu 2,4 2,4835 GHz
• používá kódovací schéma OFDM (Orthogonal
  Frequency-Division Multiplexing)
• maximální prenosová rychlost 54 Mb/s (25 Mb/s)
• vysílací výkon je snížen z 200 mW na 65 mW

39
Bezdrátový Ethernet (10)

• Standard IEEE 802.11n
• uverejnen v roce 2009
• zpetne kompatibilní s puvodními bezdrátovými
  sítemi (IEEE 802.11a/b/g)
• umožnuje práci v pásmu 2,4 GHz i 5 GHz
• zvyšuje prenosovou rychlost až na 600 Mb/s (130
  Mb/s)
• data mohou být prenášena ctyrmi proudy (v každém
  proudu s rychlostí 150 Mb/s) prostrednictvím
  jed-noho kanálu o šírce 40 MHz
• používá modulaci OFDM

40
Bezdrátový Ethernet (11)

• využívá technologii MIMO (Multiple Input
  Multi-ple Output)
• technologie využívající více vysílacích a
  prijímacích antén
• zvyšuje kapacitu prenosu díky prenosu informací
  po více rádiových kanálech

41
Bluetooth (1)

• Bezdrátová komunikacní technologie slouží-cí k
  propojení mezi dvema a více elektronic-kými
  zarízeními (napr. mobilní telefon, PDA, osobní
  pocítac, GPS prijímac apod.)
• Jedná se o bezdrátovou náhradu kabelového
  propojování ruzných zarízení
• Specifikace Bluetooth byla vyvinuta v roce 1994 a
  následne byla formalizována skupinou Bluetooth
  Special Interest Group (SIG)
• Dnes je technologie Bluetooth definována
  standardem IEEE 802.15.1

42
Bluetooth (2)

• Vyvíjena jako technologie s nízkou spotrebou
  elektrické energie
• Umožnuje vytvárení tzv. osobních pocítaco-vých
  sítí (PAN Personal Area Network)
• Mezi komunikujícími zarízeními nemusí být prímá
  viditelnost (LOS Line Of Sight)
• Výkonnost Bluetooth je oznacována pomocí tríd
  (class)

Class
Max. výkon mW
Približný rozsah m
Class 1
100
100
Class 2
2,5
10
Class 3
1
1
43
Bluetooth (3)

• Pracuje v ISM pásmu 2,4 2,4835 GHz stejne jako
  WiFi
• Využívá techniky FHSS (preskakování frek-vencí)
• behem 1 sekundy se uskutecní 1600 skoku
  (prela-ladení) mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1
  MHz
• posloupnost zmen frekvencí je pseudonáhodná
• Jednotlivá zarízení jsou identifikována pomocí
  své jedinecné adresy (BT_ADDR Bluetooth Device
  Address) adresa o šírce 48 b

44
Bluetooth (4)

• Podporuje dvoubodovou i mnohabodovou ko-munikaci
• Komunikace se odehrávají mezi master stanicí a
  slave stanicí
• Každá stanice muže plnit roli master i slave
• Dve nebo více Bluetooth zarízení vytvárejí
  ad-hoc sít, oznacovanou jako piconet (pikosít)
• Jestliže je více stanic propojeno do pikosíte,
  pak jedna stanice pusobí jako master a muže
  sou-casne obsloužit až 7 podrízených stanic
  (slave)

45
Bluetooth (5)

• Master urcuje rozprostrovací vzorek pro FHSS,
  podle nejž se stanice slave synchronizují
• Je možné použít až 10 pikosítí na ploše o do-sahu
  10 m
• Pikosíte lze sdružovat do tzv. rozptýlených sítí
  (scatternet)
• Rozptýlená sít vzniká svázáním nekolika blíz-kých
  pikosítí tak, že dochází ke sdílení spolec-né
  stanice master nebo jedné, popr. nekolika stanic
  slave

46
Bluetooth (6)

• Mezi stanicí master a stanicí slave mohou být dva
  typy logických spoju
• SCO Synchronous Connection Oriented
• symetrický duplexní spoj mezi zarízeními master a
  slave
• používán typicky pro prenos audio informace
• ACL Asynchronous Connection-Less
• vícebodový spoj mezi stanicí master a stanicemi
  slave v rámci pikosíte
• plne rízený stanicí master
• používá se napr. pro
• prenos dat
• vyhledávání pri tvorbe (zarazování) do pikosíte

47
Bluetooth (7)

• Bluetooth 1.0 a 1.0B
• vykazovaly znacné množství problému
• mnohé produkty od ruzných výrobcu nebyly schopné
  vzájemné spolupráce
• Bluetooth 1.1
• definována standardem IEEE 802.15.1-2002
• opravena vetšina chybných vlastností verze 1.0B
• pridána podpora nešifrovaných kanálu
• pridán indikátor síly prijímaného signálu RSSI

48
Bluetooth (8)

• Bluetooth 1.2
• definována standardem IEEE 802.15.1-2005
• zpetne kompatibilní s verzí Bluetooth 1.1
• dovoluje rychlejší navázání spojení mezi
  jednot-livými zarízeními
• využívá techniku AFH Adaptive FHSS, která
  zvyšuje odolnost proti nežádoucím interferencím
  rádiových frekvencí
• umožnuje vyšší prenosové rychlosti (721 kb/s až 1
  Mb/s)

49
Bluetooth (9)

• využívá eSCO Extended Synchronous Connec-tions
  zvyšující kvalitu audio spojení. Zvýšení kvality
  je dosaženo umožnením opetovného prenosu
  poškozených dat
• Bluetooth 2.0
• zpetne kompatibilní s Bluetooth 1.1 a 1.2
• hlavním vylepšením je zavedení EDR Enhan-ced
  Data Rate ? zvýšení prenosové rychlosti cca na
  2,1 až 3 Mb/s
• má nižší spotrebu elektrické energie

50
HomeRF

• Slouží zejména pro bezdrátové pripojování ruzných
  zarízení používaných v domácím prostredí
  (tiskárny, modemy, telefony, )
• Pracuje v pásmu 2,4 GHz
• Maximální rozsah síte je cca 50 m
• Založena na existenci ovládacího zarízení, které
  komunikuje s ostatními HomeRF zarízeními
• Prenosová rychlost je 1,6 Mb/s (v budoucnu se
  predpokládá až 10 Mb/s)

51
ZigBee

• Bezdrátová komunikacní technologie vysta-vená na
  standardu IEEE 802.15.4
• Podobne jako Bluetooth je urcena pro spojení
  nízkovýkonových zarízení v sítích PAN na malé
  vzdálenosti (do 75 metru)
• Primární urcení smeruje do aplikací v pru-myslu a
  senzorových sítích
• Pracuje v bezlicencních pásmech na frekven-cích
  858 MHz, 902 928 MHz a 2,4 GHz
• Prenosová rychlost ciní 20, 40, 250 kb/s

52
Senzorové síte

• Bezdrátová senzorová sít
• bezdrátová sít tvorená autonomními zarízeními,
  která používají senzory pro monitorování
  fyzikálních nebo okolních podmínek
• teplota
• tlak
• vibrace
• zvuk
• znecištení

Senzorový uzel Brána