Bezdrátové LAN (1) Bezdrátové sítě (WLAN – Wireless LAN) – sítě využívající ke své činnosti technologii bezdrátového přenosu informací Přenosovým médiem.

Prezentace na téma: "Bezdrátové LAN (1) Bezdrátové sítě (WLAN – Wireless LAN) – sítě využívající ke své činnosti technologii bezdrátového přenosu informací Přenosovým médiem."— Transkript prezentace:

1 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) 20/09/2018

2 # # # Bezdrátové LAN (2) Topologie bezdrátových sítí: Peer-to-Peer:
zařízení v rámci bezdrátové buňky (wireless cell) komunikují přímo mezi sebou # Ad Hoc network Wireless Cell # # 20/09/2018

3 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 20/09/2018

4 & # # # # # # Bezdrátové LAN (4) LAN AP AP Wireless Cell Wireless Cell
20/09/2018

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 umožňujícími vysílání a příjem signálů v daném pásmu & & Přímá viditelnost LAN (budova 1) LAN (budova 2) Bridge Bridge # # 20/09/2018

6 Bezdrátové LAN (6) Technologie bezdrátových sítí:
WLAN pracující v pásmu infračervených vlno-vých 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) 20/09/2018

7 IR LAN (1) K přenosu informací využívají frekvencí od-povídajících vlnovým délkám infračerveného elektromagnetického záření (850 – 950 nm) Přenosy dosahují největší efektivity v okam-žiku, 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) 20/09/2018

8 IR LAN (2) diffused beam (rozptýlený paprsek):
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 20/09/2018

9 IR LAN (3) Vysílaný signál je modulovaný (kódovaný) metodou ASK – Amplitude-Shift Keying: binární hodnoty digitálního signálu jsou reprezen-továny 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 změ-ny zisku a tím potencionálně náchylné k chybám 20/09/2018

10 IR LAN (4) 1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence Nosná t U
1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence Nosná t U Modulovaný signál t 20/09/2018

11 IR LAN (5) Výhody: Nevýhody:
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), … 20/09/2018

12 Narrowband (1) Pro přenos informací využívají rádiové frek-vence 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 20/09/2018

13 & # # # # Narrowband (2) LAN CM CM Wireless Cell Wireless Cell
Frekvenční pásmo 1 Frekvenční pásmo 2 20/09/2018

14 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 20/09/2018

15 Narrowband (4) Mohou pracovat pásmech: Pozn.:
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 20/09/2018

16 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 f f 20/09/2018

17 Spread Spectrum (2) Tato šířka je dána vysílanou zprávou a signá-lem označovaným jako tzv. spreading code Spreading code je možné generovat pomocí generátoru pseudo-náhodných (PN) čísel Výstupní data Vstupní data Kanálový kodér Modulátor Kanál Demo- dulátor Kanálový dekodér Generátor PN čísel Generátor PN čísel 20/09/2018

18 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 modulo-vaných na více frekvencích. Tyto signály mohou sloužit (v případě výskytu chyby, rušení) k obnovení původní zprávy 20/09/2018

19 Spread Spectrum (4) V sítích využívajících technologii spread spec-trum jsou definovány dvě hlavní techniky modulace: přeskakování frekvencí (FHSS – Frequency Hop-ping Spread Spectrum): nosná frekvence je periodicky (v pevně daných časo-vých intervalech, např. 300 ms) měněna posloupnost frekvencí, které budou postupně použity (jako nosná frekvence) bývá dána generátorem pseudo-náhodných čísel a vytváří tak vlastní spreading code je nezbytné, aby generátor PN čísel na straně vysílače a přijímače byly vzájemně synchronizovaný 20/09/2018

20 Spread Spectrum (5) f E 5 3 6 1 4 2 f6 f5 f4 f3 f2 f1 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f 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) 20/09/2018

21 Spread Spectrum (6) výskyt rušení (kolize) na jedné frekvenci není pro fre-quency hopping kritický, protože přenos bude po chvíli pokračovat na frekvenci jiné, kde se rušené informace mohou přenést znovu přecházení mezi frekvencemi rovněž komplikuje mož-nosti 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 20/09/2018

22 Spread Spectrum (7) 1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence 0 Nosná t
1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence 0 Nosná t U frekvence 1 Nosná t U Modulovaný signál t 20/09/2018

23 Spread Spectrum (8) přímá sekvence (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum): každý vysílaný bit je transformován do n-bitové sek-vence (např. n=11), označované jako chip sequency, která tvoří spreading code transformace probíhá většinou pomocí generátoru PN čísel. Vygenerovaná čísla (např. 11bitový 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 20/09/2018

24 Spread Spectrum (9) strana vysílače: XOR = sequency 1 U Původní signál
1 U Původní signál t XOR 1 1 1 1 1 U 5-bitové vzorky t = 1 1 1 1 sequency Chip U t 20/09/2018

25 Spread Spectrum (10) strana přijímače – bezchybný přenos: XOR = 1 1 1
1 1 1 1 Přijatý signál U t XOR 1 1 1 1 1 U 5-bitové vzorky t = 1 1 1 1 1 U Původní signál 1 t 20/09/2018

26 Spread Spectrum (11) strana přijímače (rušení) – přenos s chybami: 1
1 1 1 1 1 1 Přijatý signál U t XOR 1 1 1 1 1 U 5-bitové vzorky t = 1 1 1 1 1 U Původní signál 1 t 20/09/2018

27 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 nežá-doucího odposlechu 20/09/2018

28 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 předcháze-jícímu signálu (bitu) Pozn.: metoda QPSK používá 4 různé fázové posuny (0 , 90 , 180  a 270 ) odpovídající bitovým vzorkům 00, 01, 10 a 11 20/09/2018

29 Spread Spectrum (14) 1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence Nosná t
1 1 1 1 1 U Původní signál t U frekvence Nosná t U Modulovaný signál t 20/09/2018

30 Bezdrátový Ethernet (1)
Síťová architektura (standardizovaná dokumen-ty IEEE x) umožňující bezdrátové připo-jení počítačů ke stávajícím LAN (Ethernet) Původní specifikace IEEE (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 20/09/2018

31 Bezdrátový Ethernet (2)
Vzhledem k nízké přenosové rychlosti byl vytvořen (v r. 1999) standard IEEE b Tento nový standard, který pracuje s techno-logií HR/DSSS, je určen výhradně pro přenos informací v pásmu 2,4 – 2,4835 GHz a umož-ňuje maximální přenosovou rychlost 11 Mb/s Existuje i standard IEEE a, který defi-nuje práci v pásmu 5,725 – 5,85 GHz a dovo-luje maximální přenosovou rychlost 54 Mb/s. Tento standard není příliš rozšířen 20/09/2018

32 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 pří-stupového bodu (access pointu), ale nenacházejí se ve vzájemném dosahu 20/09/2018

33 Bezdrátový Ethernet (4)
# & # Wireless Cell # LAN AP Wireless Cell # 20/09/2018

34 Bezdrátový Ethernet (5)
Metoda CSMA/CA použitá v bezdrátových sítích IEEE : 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 infor-maci o době, kterou bude následující přenos trvat 20/09/2018

35 Bezdrátový Ethernet (6)
cílová stanice odpovídá (po krátkém okamžiku - SIFS) packetem CTS – Clear To Send, který opět mimo jiné obsahuje dobu, po kterou bude následu-jící přenos trvat všechny stanice, které slyší RTS nebo CTS si nastaví vlastní indikátor NAV – Network Alloca-tion Vector na dobu přenášenou v těchto packe-tech a nebudou se v jejím průběhu snažit přistu-povat k síti CTS a RTS jsou krátké packety a výše uvedený mechanismus dovoluje podstatným způsobem snížit pravděpodobnost kolize 20/09/2018

36 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 DIFS RTS Data CTS ACK Přijímač NAV (RTS) Ostatní NAV (CTS) DIFS t Náhodná čekací doba Odložený přenos 20/09/2018

37 Bezdrátový Ethernet (8)
Standard IEEE 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 reali-zovanými pomocí kabelových rozvodů Vzájemně kompatibilní výrobky pracující podle specifikace IEEE b jsou označovány rovněž termínem Wi-Fi (Wireless Fidelity) 20/09/2018

38 Bezdrátový Ethernet (9)
Standard IEEE g: zaveden v roce 2003 jedná se o WiFi standard rozšiřující IEEE b je zpětně kompatibilní s IEEE 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 mW na 65 mW 20/09/2018

39 Bezdrátový Ethernet (10)
Standard IEEE n: uveřejněn v roce 2009 zpětně kompatibilní s původními bezdrátovými sítěmi (IEEE 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 jed-noho kanálu o šířce 40 MHz používá modulaci OFDM 20/09/2018

40 Bezdrátový Ethernet (11)
využívá technologii MIMO (Multiple Input Multi-ple Output): technologie využívající více vysílacích a přijímacích antén zvyšuje kapacitu přenosu díky přenosu informací po více rádiových kanálech 20/09/2018

41 Bluetooth (1) Bezdrátová komunikační technologie slouží-cí k propojení mezi dvěma a více elektronic-kými 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 20/09/2018

42 Bluetooth (2) Vyvíjena jako technologie s nízkou spotřebou elektrické energie Umožňuje vytváření tzv. osobních počítačo-vých sítí (PAN – Personal Area Network) Mezi komunikujícími zařízeními nemusí být přímá viditelnost (LOS – Line Of Sight) Výkonnost Bluetooth je označována pomocí tříd (class): Class Max. výkon [mW] Přibližný rozsah [m] Class 1 100 100 Class 2 2,5 10 Class 3 1 1 20/09/2018

43 Bluetooth (3) Pracuje v ISM pásmu 2,4 – 2,4835 GHz stejně jako WiFi
Využívá techniky FHSS (přeskakování frek-vencí): během 1 sekundy se uskuteční 1600 skoků (přela-ladění) 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 20/09/2018

44 Bluetooth (4) Podporuje dvoubodovou i mnohabodovou ko-munikaci
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 sou-časně obsloužit až 7 podřízených stanic (slave) 20/09/2018

45 Bluetooth (5) Master určuje rozprostřovací vzorek pro FHSS, podle nějž se stanice slave synchronizují Je možné použít až 10 pikosítí na ploše o do-sahu 10 m Pikosítě lze sdružovat do tzv. rozptýlených sítí (scatternet) Rozptýlená síť vzniká svázáním několika blíz-kých pikosítí tak, že dochází ke sdílení společ-né stanice master nebo jedné, popř. několika stanic slave 20/09/2018

46 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 20/09/2018

47 Bluetooth (7) Bluetooth 1.0 a 1.0B: Bluetooth 1.1:
vykazovaly značné množství problémů mnohé produkty od různých výrobců nebyly schopné vzájemné spolupráce Bluetooth 1.1: definována standardem IEEE opravena většina chybných vlastností verze 1.0B přidána podpora nešifrovaných kanálů přidán indikátor síly přijímaného signálu RSSI 20/09/2018

48 Bluetooth (8) Bluetooth 1.2: definována standardem IEEE 802.15.1-2005
zpětně kompatibilní s verzí Bluetooth 1.1 dovoluje rychlejší navázání spojení mezi jednot-livými 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) 20/09/2018

49 Bluetooth (9) Bluetooth 2.0:
využívá eSCO – Extended Synchronous Connec-tions 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 – Enhan-ced Data Rate  zvýšení přenosové rychlosti cca na 2,1 až 3 Mb/s má nižší spotřebu elektrické energie 20/09/2018

50 HomeRF 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 HomeRF zařízeními Přenosová rychlost je 1,6 Mb/s (v budoucnu se předpokládá až 10 Mb/s) 20/09/2018

51 ZigBee Bezdrátová komunikační technologie vysta-věná na standardu IEEE Podobně jako Bluetooth je určena pro spojení nízkovýkonových zařízení v sítích PAN na malé vzdálenosti (do 75 metrů) Primární určení směřuje do aplikací v prů-myslu a senzorových sítích Pracuje v bezlicenčních pásmech na frekven-cích 858 MHz, 902 – 928 MHz a 2,4 GHz Přenosová rychlost činí 20, 40, 250 kb/s 20/09/2018

52 # 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 20/09/2018