Тема 7 Спутниковые системы и технологии

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 Wi. MAX 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 Sony. Ericsson предлагает игрушечную машинку CAR 100 с дистанционным управлением с любого BT-устройства (в том числе и телефона).

2 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 приемо-передающими 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. 11 b) и больше. Спецификация 802. 11 a 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 8 DPSK. 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 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

Класс Максимальная Номинальная Минимальная выходная мощность 1 100 м. Вт (20 d. Bm) не определена 1 м. Вт (0 d. Bm) 2 2, 5 м. Вт (4 d. Bm) 1 м. Вт (0 d. Bm) 0, 25 м. Вт (-6 d. Bm) 3 1 м. Вт (0 d. Bm) 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 d. Bm. Контроль мощности ниже 4 d. Bm является необязательным и может применяться для снижения потребляемой мощности и уровня помех. Снижение энергии осуществляется пошагово с интервалом от 2 до 8 д. Б. Устройства первого класса с максимальной мощностью 20 d. Bm должны быть способны по возможности снижать мощность до 4 d. Bm или ниже.

Спецификация Bluetooth определяет два типа соединений: синхронное и асинхронное. Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точка. 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;