Лекция 12. Беспроводные локальные сети

12.1. Общая характеристика

Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:

1) датчики и исполнительные устройства на подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;

2) объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах «умного дома» (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);

3) эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;

4) объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;

5) отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии;

6) любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных

7) каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию су-
щественно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы, при
условии отсутствия жестких требований к надежности доставки сообще-
ний в реальном времени;

8) объекты во взрывоопасных зонах.

В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с проводными сетями:

1) существенно снизить стоимость установки датчиков;

2) исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;

3) исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;

4) уменьшить количество кабелей;

5) уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;

6) снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;

7) снизить требования к обучению персонала монтажной организации;

8) ускорить отладку системы и поиск неисправностей;

9) обеспечить удобную модернизацию системы.

Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.

Беспроводные сети делятся на следующие классы:

1) сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network);

2) беспроводные LAN (WLAN — Wireless LAN);

3) беспроводные сети датчиков.

В промавтоматике наибольшее распространение получили 3 типа беспроводных сетей:

1) Bluetooth на основе стандарта IEEE 802.15.1,

2) ZigBee на основе IEEE 802.15.4,

3) Wi-Fi на основе IEEE 802.11.

Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки на стандарт. Все 3 сети используют нелицензируемый ISM (Industrial, Scientific, and Medical) диапазон 2,4 ГГц.

12.2. Проблемы беспроводных сетей и пути их решения

С точки зрения требований к промышленным сетям беспроводные сети уступают проводным по следующим характеристикам:

1) время доставки сообщений: используемый механизм случайного доступа к каналу CSMA/CA не гарантирует доставку в заранее известное время и эту проблему нельзя решить с помощью коммутаторов, как в проводных сетях;

2) помехозащищенность: беспроводные сети подвержены влиянию электромагнитных помех значительно сильнее, чем проводные;

3) надежность связи: связь может исчезнуть при несвоевременной смене батарей питания, изменении расположения узлов сети или появлении объектов, вносящих затухание, отражение, преломление или рассеяние радиоволн;

4) ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов (обычно не более 100 м внутри помещений);

5) резкое падение пропускной способности сети при увеличении количества одновременно работающих станций и коэф-т использования канала;

6) безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно созданных помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.

Уникальным достоинством беспроводных сетей является отсутствие кабелей, что и определяет выбор областей их применения в системах промышленной автоматизации.

Рассмотрим физические причины возникновения перечисленных проблем и методы борьбы с ними. Основными причинами являются:

1) интерференция,

2) дифракция,

3) преломление,

4) отражение,

5) рассеяние (переизлучение)

6) снижение плотности мощности излучения при увеличении расстояния от источника,

7) невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.

Зависимость плотности мощности от расстояния. Известно, что плотность мощности радиоволны уменьшается по мере удаления от антенны вследствие расхождения пучка, рассеяния и поглощения волн препятствиями на пути их распространения. Плотность мощности P(d) волны на расстоянии d от источника приближенно описывается зависимостью

P(d) ≈ P_t(d₀/d)^ϒ, (12.1)

где d₀ - некоторая константа, определяемая экспериментально; параметр ϒ≈ 2... 6 зависит от конструкции антенны, диапазона частот, наличия препятствий на пути распространения электромагнитной волны (в условиях промышленного предприятия ϒ≈ 2... 3); P_t - плотность мощности на расстоянии d₀ от источника. Формула (1) справедлива при d > d₀.

По указанным причинам каждый участник беспроводной сети имеет ограниченную зону уверенного приема, которая представляется приближенно в форме сферы. Это приводит к необходимости планирования расположения беспроводных станций таким образом, чтобы зоны уверенного приема непосредственно связывающихся станций перекрывались. Если станции расположены на расстоянии неуверенного приема, то небольшие изменения окружающей обстановки могут привести к потере сообщений или снижению скорости передачи.

Ограниченность радиуса действия передатчиков привела к возникновению ячеистых сетей, в которых информация передается не через общий канал связи, как в проводных сетях, а от узла к узлу, используя промежуточные узлы сети в качестве ретрансляторов и маршрутизаторов. При выходе из строя или удалении из сети некоторых узлов сеть автоматически находит новый маршрут, чтобы доставить данные адресату. Добавление к сети нового устройства также может происходить автоматически, т.е. ячеистые сети обладают свойством самоорганизации.

Влияние интерференции волн. Электромагнитная волна передающей станции на пути следования испытывает интерференцию, дифракцию, отражение, преломление и рассеяние. Поэтому в точке приема волна является суперпозицией множества волн, имеющих разные фазы и направления волнового вектора. Наложение волн приводит к интерференции, которая может быть конструктивной (когда сигнал в точке приема усиливается) или деструктивной (если сигнал ослабляется - эффект «замирания»).

Деструктивная интерференция приводит к нескольким отрицательным следствиям:

1) сигнал в точке приема может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к потере связи,

2) при движущемся источнике или приемнике в точке приема могут быть многократные смены сильного и слабого сигнала, что может привести к потере нескольких бит информации или уменьшению скорости передачи за счет повторных передач кадров с ошибкой,

3) если разность времени задержки волн, прошедших разными путями, превысит длительность символа, соседние символы в сообщении могут накладываться друг на друга, вызывая эффект межсимвольной интерференции.

Источники помех. Существуют также другие причины искажений передаваемого сигнала: паразитное взаимовлияние соседних каналов, эффект Доплера, помехи от работающих двигателей, разряды статического электричества, и др. Это может привести к потере пакета, повторной передаче и, как следствие, непредвиденной задержке в канале. Интенсивность потока ошибок зависит от мощности источников помех, типа модуляции и мощности передатчика, от частотного диапазона, других причин и обычно изменяется с течением времени.

Измерения показали, что чипсет, соответствующий стандарту IEEE 803.11b, в индустриальном окружении дает поток кратковременных ошибок величиной 10 ^-4...10 ^-2 при скорости передачи 2 Мбит/с и использовании квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quaternary Phase Shift Keying). Кроме того, в процессе измерений эпизодически возникали периоды продолжительностью до 1 мин, когда потери данных доходили до 10 % и даже 80 %. Аналогичные результаты наблюдались и в других экспериментах.

Следствием помех в канале может быть не только потеря данных или замедление скорости передачи, но и «проблема пространственной непротиворечивости». Она заключается в следующем. Когда система использует широковещательный режим передачи без уведомления о получении, предполагается, что все приемники должны получить одни и те же данные одновременно. Однако вследствие ошибок в канале некоторые потребители могут получить ошибочные данные. Такая ошибка особенно нежелательна, если широковещательный режим используется для обеспечения синхронной работы нескольких контроллеров в одном и том же технологическом процессе, поскольку она приведет к рассинхронизации процесса.

Особенностью рассмотренного случая является то, что вероятность ошибки в системе резко возрастает по сравнению с вероятностью ошибки в одном канале р. Поскольку вероятность безошибочной передачи в системе является произведением вероятностей безошибочной передачи в каждом из каналов, то при количестве одинаковых каналов к вероятность отсутствия сбоев в системе будет равна (1 -р)^к. Например, в системе из 8 каналов при вероятности ошибки
в канале р = 0,1 вероятность безошибочной передачи составит всего 43 %.

Одним из примеров, где описанная ситуация может играть негативную роль, является режим одновременного ввода несколькими устройствами сигналов датчиков. В проводных сетях для этого используют широковещательные команды, которые доходят до всех устройств одновременно (в сетях Modbus это команда с адресом «0»). Если аналогичный режим использовать в беспроводной сети, то вероятность того, что все к датчиков введут отсчеты одновременно, будет также равна (1 - р)^к.

В сетях с передачей маркера помехи могут привести к потере маркера и отключению устройств с потерянным маркером на несколько периодов обращения маркера по логическому кольцу.

Широкополосная передача. Одним из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех является применение широкополосной модуляции. В беспроводных сетях используются 2 метода широкополосной модуляции:

1) с прямым расширением спектра (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum),

2) с перескоком с одной несущей на другую (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum).

Метод DSSS состоит в следующем. Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то эффективная ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом эффективная ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита), и для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Поскольку энергия сигнала оказывается «размазанной» по всему спектру, то спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если ее измерять в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика (около 1мВт) для диапазона 2,4 ГГц выбирают таким образом, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима или даже меньше спектральной плотности шума.

Для еще большего уменьшения спектральной плотности мощности сигнала его спектральная характеристика должна быть близка к прямой линии, параллельной оси абсцисс, т.е. сигнал должен быть подобен белому шуму. Для этого последовательность коротких импульсов не должна быть периодической, она должна быть шумоподобной (псевдослучайной), с малым временем автокорреляции. Процесс преобразования спектра сигнала к указанному виду называют процессом «обеления» («отбеливания») спектра. Кроме того, для облегчения обнаружения сигнала в приемнике псевдослучайная последовательность, выбранная для кодирования, должна быть такой, чтобы ее автокорреляционная функция имела только один ярко выраженный максимум. Такому требованию удовлетворяют, в частности, последовательности Баркера. Последовательность (код) Баркера длиной 11 импульсов для кодирования логической единицы используется в сетях Wi-Fi и имеет вид 11100010010. Логический ноль кодируется инверсной последовательностью Баркера.

Для выделения полезного сигнала с такой малой мощностью на фоне шума в приемнике должна храниться копия передаваемого сигнала (код Баркера). Это позволяет использовать очень эффективные методы оптимальной фильтрации. Зная, что полезный сигнал представляет собой последовательность Баркера, в приемнике строят оптимальный фильтр с импульсной характеристикой, которая представляет собой масштабную копию входного сигнала, расположенную зеркально по оси времени относительно входного сигнала и сдвинутую в сторону запаздывания на величину не менее длительности выделяемого импульса.

Ширина спектра сигнала в методе DSSS при скорости передачи 1 Мбит/с составляет 22 МГц, а ширина выделенного для Wi-Fi частотного диапазона - 83,5 МГц, т.е. во всем диапазоне можно разместить только три неперекрывающихся канала. Однако стандарт делит весь диапазон на 11 перекрывающихся каналов, из которых только 3 (1-й, 6-й и 11-й) могут работать, не влияя друг на друга.

Достоинствами метода DSSS являются высокая устойчивость к узкополосным помехам и возможность восстановления информации при потере во время передачи нескольких бит в коде Баркера.

Вторым методом широкополосной модуляции является FHSS - метод скачкообразного изменения несущей частоты. Он использует тот же диапазон 2,4 ГГц шириной 83,5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую должна быть не менее 4 Гц для сети Wi-Fi и 1,6 кГц в сети Bluetooth. Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи узкополосные помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи, т.е. фактически только к увеличению времени передачи за счет повторной передачи испорченных фрагментов.

Модификацией FHSS является адаптивный метод AFH (Adaptive Frequency Hopping), в котором во время передачи обнаруживаются и запоминаются частоты, на которых передача выполнялась с ошибками контрольной суммы. Эти частоты исключаются из таблицы используемых частот.

Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станций очень низка (порядка (1/79) ² и 1,6 • 10 ^-4). Поэтому метод FHSS позволяет использовать большее количество одновременно работающих станций в сети. Практически на одной и той же территории могут работать до 15 передатчиков.

FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с. Используется ЧМ с 2-мя дискретными значениями частот f₁ и f₂, которые позволяют сделать 4 комбинации модулированных сигналов: f₀ +f₁, f₀ – _f1, f₀ + f₂, f₀ – f₂ и закодировать таким образом 4 бита информации.

На практике системы с FHSS способны работать при более высоком уровне шума, чем DSSS, благодаря тому, что они занимают более широкую полосу частот (83,5 МГц по сравнению с 22 МГц для DSSS), а вероятность того, что помеха будет занимать полосу 83,5 МГц, ниже, чем вероятность занятия полосы 22 МГц. Однако интерференция, приводящая к замиранию сигнала, более сказывается на FHSS, поскольку в DSSS замирания происходят только в узкой полосе частот, что приводит к выпадению нескольких бит из 11 передаваемых, а оставшихся бит достаточно для безошибочного распознавания закодированного значения «0» или «1».

Методы расширения спектра имеют следующие достоинства:

1) • высокая помехоустойчивость благодаря большой избыточности кода и возможности применения оптимальной фильтрации;

2) возможность избежать влияния интерференции, поскольку она происходит только в части широкополосного диапазона. В методе DSSS она приводит только к потере нескольких битов, которые можно восстановить, а в методе FHSS - к потере отдельных фрагментов сообщений, которые восстанавливаются путем повторной передачи или теряются только один раз (в методе AFH), до того как система исключит данную частоту из списка используемых;

3) широкополосный сигнал сложнее перехватить, чем узкополосный. FHSS выглядит как шум, если в приемнике не использована та же очередность смены частот, что и в передатчике;

4) широкополосный передатчик может использовать один и тот же диапазон частот совместно с другими типами передатчиков с минимальным взаимовлиянием. В частности, он практически не вносит помех в узкополосные системы благодаря очень малой мощности;

5) работа при спектральной плотности сигнала на уровне и ниже уровня шума позволяет исключить необходимость получения лицензии на использование таких передатчиков.

Методы модуляции несущей. Идея модуляции состоит в том, чтобы перенести спектр информационного сигнала в область высоких частот, в нашем случае в диапазон 2,4 ГГц, что позволит передать его с помощью электромагнитной волны. Электромагнитные волны возбуждаются в антенне током i = A sin(ωt +φ), который называется несущим колебанием или просто несущей. По крайней мере один из параметров А, ω, φ несущей может зависеть от времени: А = A(t), ω = ω (t), φ = φ (t). Форма этой зависимости соответствует форме сигнала, который нужно передать с помощью радиоканала. Процесс управления параметрами несущей называется модуляцией. Частным случаем модуляции является манипуляция, когда модулированные параметры изменяются скачкообразно между двумя их значениями. В зависимости от того, какой параметр становится зависимым от времени, модуляция называется амплитудной, фазовой или частотной. Возможны также комбинированные способы модуляции: амплитудно-фазовая, фазо-частотная и т.п.

Количество информации, которое может быть внесено в сигнал, можно увеличить, используя несколько одновременно изменяемых параметров. В цифровых системах передачи модулируемые параметры изменяются дискретно. Поэтому количество информации, приходящееся на бодовый интервал, можно увеличить, увеличивая количество дискретных уровней. Бодовым интервалом называют временной интервал, в течение которого параметры А, ω, φ остаются постоянными.

Поскольку sin(ωt +φ), = sin(ωt) cos(φ) + cos(ωt) sin(φ) т.е. изменение фазы можно представить с помощью изменений амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компоненты, то параметры исходного синусоидального колебания можно представить на плоскости с помощью графика (Рис. 1), у которого по оси абсцисс отложена амплитуда синусоидальной компоненты (т.е. величина cos(φ), ее называют синфазной компонентой и обозначают на графике буквой I, от слова In-phase), по оси ординат - амплитуда косинусоидальной компоненты, т.е. sin(φ) которую называют квадратурной и обозначают буквой Q, от слова Quadrature. Полученный таким способом график называется сигнальным созвездием (Рис.1). Он совпадает с графиком, изображающим синусоидальное колебание на комплексной плоскости.

При амплитудной модуляции фаза не изменяется, поэтому все точки графика располагаются на оси абсцисс. При фазовой модуляции амплитуда постоянная, поэтому все точки графика лежат на окружности, радиус которой равен амплитуде колебания.

Рис.12.1. Сигнальное созвездие для QPSK-модуляции	Рис.12.2. Сигнальное созвездие для 16-QAM-модуляции

При двоичной фазовой модуляции (BPSK - Binary Phase Shift Keying) фаза принимает только 1 дискретных значения: 0 и π, поэтому сигнальное созвездие состоит из 2-х точек, расположенных на оси абсцисс. Эта разновидность фазовой манипуляции является наиболее помехоустойчивой.

Модификацией этого метода является дифференциальная двоичная фазовая манипуляция (DBPSK - Differential BPSK), когда логическим значениям «0» или «1» соответствуют не абсолютные значения фазы, а изменение фазы относительно предыдущего ее значения. Например, если фаза сигнала была равна 0, то для кодирования значения «1» ее изменяют на 180°, а для кодирования логического «0» фазу оставляют прежней. Аналогичная идея используется в методе NRZI-кодирования, когда логической единице соответствует изменение уровня сигнала, а логическому нулю - ее отсутствие.

Если cos(φ) принимает значения 0 или 1 и при этом sin(φ) принимает значения 1 и 0, то такая модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying). Она позволяет получить 4 состояния передаваемого сигнала в пределах бодового интервала. Сигнальное созвездие QPSK показано на Рис.1.

Модификацией QPSK является DQPSK-модуляция (Differential QPSK), при которой, аналогично DBPSK, кодируется не величина фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Изменение фазы на 0° кодируется как «00», изменение на 90° - как «01», на 180° - как «11», на 360° - как «10».

Помехоустойчивость метода модуляции можно оценить по расстоянию между точками сигнального созвездия: это расстояние характеризует амплитуду и фазу помехи, которая достаточна, чтобы был принят ошибочный сигнал. Поэтому при проектировании схем модуляции точки сигнального созвездия выбирают таким образом, чтобы расстояние от любой точки до ее соседей было одинаковым для всех точек созвездия. При этом достигается одинаковая помехоустойчивость для любых передаваемых чисел.

Беспроводные сети используют также амплитудно-фазовую модуляцию 16-QAM (Рис.2) и 64-QAM, когда изменяется не только фаза, но и амплитуда колебания. Сигнал может принимать соответственно 16 и 64 бита информации на бодовый интервал, что увеличивает скорость передачи, но за счет снижения помехоустойчивости.

Другие особенности беспроводных каналов. Ряд особенностей беспроводной передачи данных не позволяет использовать многие методы, характерные для проводных промышленных сетей.

Беспроводные трансиверы не могут передавать и принимать сигнал на одном и том же канале. Это связано с быстрым уменьшением плотности мощности излучения от расстояния (1). Сигнал собственного передатчика оказывается на порядки сильнее принимаемого сигнала и заглушает его. В отличие от этого, в проводных каналах оба сигнала имеют примерно одинаковую мощность. Поэтому беспроводные трансиверы в принципе не могут прослушивать линию во время передачи, как это делается, например, в CAN или Ethernet. Описанное свойство делает невозможным применение методов доступа к сети, основанных на обнаружении коллизий.

Обнаружение несущей чужой станции даже при неработающем собственном передатчике также оказывается проблематичным (Рис.3). На этом рисунке три окружности показывают границы приема сигналов 3-мя станциями А, В и С. Предположим, что станция А передает сообщение станции В.

В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Обнаружив отсутствие несущей, станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к потере информации, поскольку станция В может принимать только один сигнал («проблема скрытого узла»).

Для решения этой проблемы можно использовать сигнал «занято», подаваемый станцией В. Однако наиболее общее решение проблемы предложено в стандарте IEEE 802.11. Оно заключается в том, что станция А начинает сеанс связи с обмена пакетами запроса на передачу RTS (Request То Send). Станция В может ответить пакетом CTS (Clear То Send - «свободно»). Только при получении этого сообщения станция А начинает передачу пакета данных. Любая другая станция, получившая пакет RTS или CTS, предназначенный не ей, будет оставаться в состоянии ожидания. Недостатком этого метода является то, что сигналы RTS/CTS существенно ухудшают скорость обмена между устройствами, поскольку размеры их пакетов сравнимы с размерами полезных данных.

Вышеизложенное показывает, что беспроводные каналы не могут использовать метод доступа к каналу типа CSMA/CD. Для них применяется метод CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий). От CSMA/CD он отличается тем, что коллизии в нем не обнаруживаются, в то время как в CSMA/CD коллизии обнаруживаются и принимаются меры для их разрешения. Поскольку в CSMA/CA коллизии не могут быть обнаружены, так как приемник всегда заглушается сигналом своего передатчика, то принимаются специальные меры для снижения вероятности возникновения коллизий. В частности, используют сигналы резервирования канала связи, благодаря чему коллизии возникают между короткими сигналами резервирования, а не между длинными пакетами данных. Предотвращение коллизий выполняется благодаря тому, что станция, которая собирается начать передачу, информирует всех участников сети об этом, резервируя для себя определенное время.И только после того, как все станции приняли этот сигнал, она начинает передавать. Используют также случайную задержку после освобождения канала (в методе CSMA/CD передача начинается сразу после освобождения канала), чтобы уменьшить вероятность коллизии, поскольку очень вероятно, что многие станции ждут освобождения канала и могут начать передачу сразу и одновременно, как только он освободится.

Следующей проблемой является электропитание беспроводных сетей, поскольку беспроводные устройства (в основном датчики) не должны иметь проводов (подключаться куда-либо с помощью проводов). Поэтому очень актуальна проблема экономии энергии батарей, поиск простых способов их замены, исключение отказов по причине разряда, поиск альтернативных источников энергии. В литературе рассматриваются варианты передачи энергии питания электромагнитными волнами, трансформаторами с большим воздушным зазором (на расстояние до нескольких метров), извлечение энергии сгорания топлива, применение солнечных батарей.

Методы уменьшения количества ошибок в канале. Итак, ошибки в радиоканале появляются чаще, чем в экранированном кабеле, и обычно носят характер сбоев, в то время как в проводных системах, наоборот, ошибки чаще бывают катастрофическими, связанными с выходом из строя (отказом) канального оборудования. Тем не менее, после принятия всех изложенных мер поток ошибок в радиоканале может быть снижен до необходимого уровня. Например, в авиации вероятность ошибок в беспроводных каналах составляет менее 10 ^-19. Однако такие значения вероятности достигаются очень большими усилиями. Поэтому наиболее перспективной областью применения беспроводных сетей являются системы, в которых допускается некоторый процент ошибок.

Вероятность ошибки может быть использована как компонента целевой функции при проектировании беспроводной системы.

В промышленных сетях часто используется режим широковещательной передачи, когда сообщение одновременно должны принять все участники сети. Его особенностью является отсутствие подтверждения о получении сообщения. В силу низкой вероятности безошибочной передачи по радиоканалу для реализации широковещательной передачи необходимо принять меры для увеличения вероятности доставки сообщений в беспроводном канале. Одним из возможных методов является кодирование широковещательного сообщения с большой избыточностью, при которой приемник может восстановить утерянные во время передачи биты. Несмотря на снижение пропускной способности канала, такой метод может быть очень эффективен.

Для увеличения достоверности передачи используют метод ARQ (Automatic Repeat reQuest - автоматический повтор в ответ на запрос). Метод ARQ может использовать, например, следующие принципы:

1) передача дополнительно к сообщению корректирующего кода с большой избыточностью;

2) отправление одновременно нескольких одинаковых пакетов; приемник делает повторный запрос только если ни один из пакетов не был принят без ошибок;

3) использование нескольких антенн для повторной передачи сообщений.

Для увеличения достоверности передачи используют также чередование. Методы избыточного кодирования и коррекции ошибок обычно основаны на предположении о случайном характере воздействий, приводящих к появлению ошибок. Однако на практике ошибки могут быть коррелированы. Это может быть, например, в случае, когда период основной гармоники помехи равен длительности передачи нескольких битов. Чтобы сделать ошибки более похожими на некоррелированные, используют процедуру чередования - перестановку битов по определенному закону, одному и тому же в передатчике для выполнения чередования и в приемнике, для выполнения восстановления первоначального порядка следования битов. Одним из методов чередования является запись передаваемого фрейма в клеточки матрицы, например по три бита в строке, а затем считывание битов из матрицы не по строкам, а по столбцам.

Передача сообщений без подтверждения о получении. Существуют также другие методы увеличения достоверности передачи широковещательных сообщений без обратной связи от получателя:

1) методы модуляции, устойчивые к интерференции радиоволн (OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing);

2) модуляция с применением нескольких несущих частот, которая использует большое число близко расположенных ортогональных поднесущих;

3) передача одного и того же пакета несколько раз подряд;

4) оптимизация пространственного размещения станций и применение дополнительной инфраструктуры (ретрансляторов и узлов доступа).

Системы связи с обратной связью получают от принимающей станции повторный запрос в случае, если сообщение было принято с ошибками. Такой способ используется, когда предъявляются высокие требования к достоверности передачи, например при передаче сигналов об аварии. Однако количество повторных запросов имеет естественный предел, который определяется предельным временем, по истечении которого передаваемая информация устаревает и поэтому становится бесполезной.

Используют также гибридный ARQ-метод HARQ (Hybrid Automatic RepeatreQuest), в котором сочетаются повторная передача, таймауты и избыточные корректирующие коды. Если приемник передающей станции не получил подтверждения от принимающей станции, то по истечении таймаута выполняется автоматическая повторная передача. Дополнительно используется избыточное кодирование, которое позволяет восстановить потерянные при передаче биты.

Приемник может также использовать несколько принятых ошибочных пакетов для того, чтобы путем голосования выбрать из них биты, которые имеют наибольшую вероятность того, что они правильные.

Поскольку уровень помех в беспроводном канале намного выше, чем в проводном, большинство систем используют в начале фрейма преамбулу увеличенной длительности по сравнению с проводными системами, что увеличивает долю «накладных расходов». Например, физический уровень стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) с режимом DSSS использует преамбулу длиной 128 мкс, которая передается в каждом пакете и занимает значительную его часть.

Использование пространственного разнесения антенн. Вследствие замираний радиоволн напряженность поля в точке приема будет различной для разных положений приемной антенны. Если два приемника, расположенные на одинаковом расстоянии от передатчика, находятся близко друг к другу, то вероятность того, что они оба находятся в зоне замирания, выше, чем когда они разнесены на большое расстояние, точнее, на расстояние, при котором эффекты, связанные с замираниями, становятся некоррелированными. Это свойство может быть использовано несколькими путями.

Один из вариантов состоит в применении нескольких антенн для одного приемника. Расстояние между антеннами выбирают таким образом, чтобы при замирании в зоне расположения одной антенны в зоне другой был хороший прием. Приемник должен быть способен отличить хороший сигнал от плохого и выбрать лучший.

Аналогичный вариант с несколькими антеннами может быть использован для передатчика. В методе передачи с обратной связью передающие антенны перебираются по очереди, пока от приемника не придет сигнал о том, что сообщение принято. Если применение нескольких антенн невозможно, вместо дополнительных антенн можно использовать другие станции в качестве ретрансляторов.

Вопросы безопасности. Проблемы безопасности разделяются на задачи:

1) аутентификации (установление подлинности личности), которая выполняется обычно с помощью идентификации имени пользователя и пароля,

2) разграничения прав доступа к системе,

3) защиты информации с помощью методов шифрования.

Механизмы шифрования основаны на алгоритмах, которые преобразуют сигналы, несущие информацию, в шумоподобные (псевдослучайные) сигналы. Используются 2 вида шифров: поточный (групповой) и блочный шифр.

Шифры обоих типов генерируют ключевой поток, который определяется значением секретного ключа. Ключевой поток смешивается с кодируемыми данными по схеме «Исключающее ИЛИ», в результате чего получается закодированный текст. В методах шифрования имеется много нюансов.

12.3. Bluetooth

В настоящее время существует 3 широко распространенных стандарта на беспроводные сети:

1) Bluethooth (IEEE 802.15.1),

2) ZigBee (IEEE 802.15.4),

3) Wi-Fi (IEEE 802.11).

Оборудование для этих сетей не требует получения лицензии (что во многих случаях наиболее важно), хотя и требует регистрации.

Bluetooth (www.bluetooth.com) был спроектирован на базе стандарта IEEE 802.15.1 специально для замены кабеля при соединении различных устройств офисной и бытовой техники с использованием частотного ISM диапазона 2,4 ГГц. Спецификация Bluetooth поддерживается организацией SIG (Bluetooth Special Interest Group), образованной в 1998 г. и включающей 1900 членов. В системах автоматизации Bluetooth удобен для записи программ в ПЛК, дистанционного считывания показателей с накопителей информации. Он организован в виде «пикосетей» (piconet), в которых одно ведущее устройство осуществляет взаимодействие не более чем с семью ведомыми. Ведомые устройства могут взаимодействовать друг с другом только через ведущее. Каждое устройство может быть членом 4-х пикосетей одновременно, но главным может быть только в одной из них. Такое устройство выполняет роль моста между пикосетями. Несколько взаимодействующих пикосетей образуют так называемую scatternet («разбросанную сеть»).

Трафик в сети организован с временным ра