G.Спутниковые системы и технологии в СРБ

Тема 7.
Спутниковые системы и
технологии
Лекция 13.
Спутниковые системы
В последние годы настоятельно ставится задача о внедрении новых
надежных технических средств, которые позволили бы осуществлять
автоматизированный сбор диспетчерской информации с подвижных
объектов, а также передавать информацию на объекты. Технически
эта задача может быть выполнена целым рядом средств, как
традиционных, так и спутниковых. На практике, однако, ни одна из
возможных систем так и не была реализована на территории
России.Создание такой системы позволит обеспечить
автоматизированный сбор информации о дислокации подвижных
объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне
зависимости от их местоположения на Земном шаре, т.е. в
глобальном режиме. При этом средства системы будут
автоматически вычислять географические координаты
местоположения объектов и направлять их в соответствующие
диспетчерские пункты пользователей. Информация может быть
также запрошена с объекта по инициативе диспетчера из
диспетчерского пункта и имеется возможность передать на объект
необходимую информацию.
Анализ требований потенциальных пользователей к системам сбора
оперативной информации позволил выявить следующее:
1. Необходимость автоматического определения географического
местоположения объекта, не требующего вмешательства оператора в
работу оконечного устройства. При этом требования к точности
определения местоположения варьируются от нескольких метров до
десятков километров. Некоторые категории объектов движутся по
строго определенным маршрутам (поезда, автомобили), в то время,
как другие имеют большую свободу перемещений (суда, научные буи и
т.д.).
2. Требования к оперативности доставки информации от оконечного
устройства до пункта сбора данных пользователя изменяются от
нескольких минут до нескольких часов.
3. Количество определений - от нескольких раз в месяц до нескольких
раз в час.
4. Возможность передачи дополнительной информации с подвижного
объекта и на объект. При этом выявлен достаточно широкий диапазон
информации, подлежащей передачи.
5. Наличие простых и недорогостоящих оконечных автономных
источников питания.
3) Для построения распределенных беспроводных операторских
сетей масштаба города (Wireless Metropolitan Area Networks, WMAN)
или крупных корпоративных сетей используют оборудование,
относящееся к классу фиксированного широкополосного
беспроводного доступа (Fixed Broadband Wireless Access, FBWA).
Характерный радиус действия базовой станции – до 10 км. К этой
категории относится новое оборудование семейства стандартов
802.16, которое сертифицирует WiMAX форум. Кроме того, в проекте
находится стандарт 802.20, предназначенный для построения
беспроводных сетей масштаба региона (Wireless Wide Area
Networks, WWAN), «дальнобойность» которых составит 50 км. Сети
FBWA зачастую являются единственным экономически оправданным
решением – когда кабельная инфраструктура отсутствует или
низкого качества, либо подключение по проводному каналу слишком
дорого, и его прокладка занимает слишком много времени. Основное
предназначение таких сетей – организация широкополосного
радиоканала, беспроводной «последней» мили до конечного
пользователя. Базовые услуги – высокоскоростной доступ в интернет
и телефония.
1 Bluetooth
Протокол Bluetooth в настоящее время занимает лидирующие позиции
на рынке технологий для создания беспроводных персональных сетей
(WPAN).Буквальный перевод Bluetooth с английского - это "синий зуб".
Однако название технологии возникло не случайно. На самом деле оно
неразрывно связано с историей. Bluetooth – это прозвище датского
христианского короля, жившего в 900-х годах и правившего во времена
набегов викингов на Западную Европу. Король Гаральд Синий Зуб (Harald
Bluetooth) вошел в историю как собиратель скандинавских земель.
Разработчики технологии пошли еще дальше и собираются объединить
посредством Bluetooth все электронные устройства, начиная от телефонов
и компьютеров и заканчивая бытовой техникой (музыкальные центры,
холодильники и даже кофеварки).
Для Bluetooth выделен диапазон частот 2,400-2,483 ГГц. Bluetooth
соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и
использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной
перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону. Способность
Bluetooth-чипа быстро переходить с одной частоты на другую (1600 раз в
секунду) делает риск взаимных помех для разных каналов минимальным.
Пропускная способность канала Bluetooth-устройств составляет
723,2 Кбит/с в асинхронном режиме и 433,9 Кбит/с в синхронном.
Через Bluetooth-соединение можно также передавать
аудиоинформацию - по 3 каналам по 64 Кбит/сек каждый.
Возможна и комбинированная передача (данные и голос). Модули
Bluetooth работают тактами длительностью 625 мкс. Каждому
модулю в пределах такта назначается соответствующий
частотный канал и режим передачи или приема. Таким образом,
базовая частота может изменяться, принимая одно из 79
значений с интервалом 1 МГц, начиная от 2,400 ГГц и заканчивая
2,483 ГГц [6].
Конечно, наибольшее распространение Bluetooth получил именно
в мобильных телефонах: беспроводные гарнитуры,
автомобильные комплекты громкой связи давно привычны. Но его
применение не ограничено лишь передачей речи. На рынке
предсталены Bluetooth-мыши, клавиатуры, электронные
фоторамки с закачкой картинки по Bluetooth, web-камеры.
Компания SonyEricsson предлагает игрушечную машинку CAR100с дистанционным управлением с любого BT-устройства (в том
числе и телефона).
2 Wi-Fi
Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity) – протокол и стандарт на
оборудование для широкополосной радиосвязи, предназначенной
для организации локальных беспроводных сетей Wireless LAN.
Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE
802.11. Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание
кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.
Благодаря функции перехода (handover) от одной точки доступа к
другой пользователи могут перемещаться между точками доступа по
территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения.
Мобильные устройства, оснащённые клиентскими Wi-Fi приемопередающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и
получать доступ в интернет через точки доступа – «хотспоты»
(hotspot).Этот стандарт нельзя использовать в сотовых телефонах.
Однако этот «недостаток» позволяет добиться пропускной
способности 11 Мбит/с (в версии 802.11b) и больше.
Спецификация 802.11a обеспечивает скорости до 54 Мбит/с и
нацелена на насыщенные и компактные сети предприятий и офисов.
Использованная базовая частота (5 ГГц) гораздо хуже проникает в
соседние помещения, нежели в случае 11-мегабитного варианта
стандарта, работающего на частоте 2,4 ГГц.
Лекция 14.
Технологии беспроводных систем.
Устройства Bluetooth работают в полосе частот 2400-2483,5 МГц. Эти
частоты имеют статус ISM (Industrial Scientific Medical – «Промышленные,
Научные, Медицинские») и являются свободными от лицензирования.
В версии 2.0 протокола определено два вида модуляции. Базовый
режим (Base rate), который является единственным для первых версий
протокола, для снижения сложности передатчика использует
двухуровневую частотную модуляцию с фильтром Гаусса (GFSK).
Дополнительный режим с «улучшенной скоростью передачи данных»
(Enhanced Data Rate, EDR) использует фазовую манипуляцию (Phase-Shift
Keying, PSK) и имеет два варианта: π/4-DQPSK и 8DPSK. Для
полнодуплексной (двусторонней) передачи в обоих режимах используется
схема с временным разделением (Time Division Duplex, TDD) [15].
В радиотракте применен метод расширения спектра посредством
частотных скачков. Метод частотных скачков подразумевает, что вся
отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное
количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой
псевдослучайную последовательность скачков по 79 (в Японии, Франции
и Испании – 23) радиочастотным подканалам.Технология Bluetooth
использует дуплексную передачу на основе временного разделения
(мультиплексирования). Ведущее устройство передает пакеты в нечетные
интервалы времени (слоты), а ведомое устройство – в четные. Пакеты в
зависимости от длины могут занимать до пяти интервалов.
Bluetooth обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с в
асинхронном режиме с обратным каналом 57,6 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в
обоих направлениях. Скорость каждого голосового канала – 64 Кбит/с в
каждом направлении [17]. Устройства классифицируются по трем классам
мощности, которые указаны в таблице .
Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью
625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал.
Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал.
Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее
зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду
может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает
конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач.
Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо
подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник
сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих
подканалов, уже на другой частоте.
Разделение полосы частот на подканалы приведено в таблице .
Таблица - Разделение полосы частот на подканалы
Страна
Частота, Диапазон
Число
MГц
, MГц
каналов
США и
2400 –
f = 2402 +
k=0-78
Европа
2483,5
k
2471 –
f = 2473 +
2497
k
2445 –
f = 2449 +
2475
k
(кроме
Испании и
Франции)
Япония
Испания
Франция
2446,5 – f = 2454 +
2483,5
k
k=0-22
k=0-22
k=0-22
Класс
Максимальная
Номинальная
Минимальная
выходная
выходная
выходная
мощность
мощность
мощность
1
100 мВт (20 dBm)
не определена
1 мВт (0 dBm)
2
2,5 мВт (4 dBm)
1 мВт (0 dBm)
0,25 мВт (-6 dBm)
3
1 мВт (0 dBm)
не определена
не определена
По классу мощности устройства можно судить о его радиусе действия. Так, к
примеру, максимально возможные 100 метров обеспечивает только первый класс.
Модули второго класса, которыми оснащается большая часть современных
мобильных телефонов, способны «общаться» на расстоянии около 10 метров. А
дальность модулей третьего класса составляет 1-2 метра.
Устройства первого класса должны осуществлять контроль мощности для
ограничения энергии передачи свыше 4 dBm. Контроль мощности ниже 4 dBm
является необязательным и может применяться для снижения потребляемой
мощности и уровня помех. Снижение энергии осуществляется пошагово с
интервалом от 2 до 8 дБ. Устройства первого класса с максимальной
мощностью 20 dBm должны быть способны по возможности снижать
мощность до 4 dBm или ниже.
Спецификация Bluetooth определяет два типа соединений:
синхронное и асинхронное.
Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точкаточка. Такой вид связи применяется для передачи информации,
чувствительной к задержкам – например, голоса. Основное
устройство поддерживает до трех синхронных соединений,
вспомогательное – до трех синхронных соединений с одним
основным устройством или до двух – с разными основными
устройствами. При синхронном соединении основное устройство
резервирует временные сегменты, следующие через так
называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой,
повторно при синхронном соединении он не передается.
При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты,
не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное
соединение возможно между основным и всеми активными
подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное
устройства могут поддерживать только одно асинхронное
соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько
подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство
отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном
интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства.
Каждый новый стандарт использует новые, более быстрые и надежные
спецификации для физического уровня:
• спецификация для работы в инфракрасном диапазоне;
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра прямой
последовательностью)— определяет работу устройств в диапазоне
радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией с прямым
расширением спектра методами прямой псевдослучайной
последовательности;
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, расширение спектра за счет
скачкообразного изменения частоты) — определяет работу устройств в
диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией
со скачкообразной
перестройкой частоты псевдослучайными методами;
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ортогональное
мультиплексирование с разделением частот) — определяет работу
устройств в диапазоне радиочастот но радиоканалам с. использованием
подканалов с разными несущими частотами;
• технология кодирования Баркера — описывает способ кодирования
данных
с помощью последовательностей Баркера;