Элементы систем цифровой связи

Функциональную схему и основные элементы цифровой системы связи поясняет рис. 1.3.1. Выход источника может быть либо аналоговым сигналом, как звуковой или видеосигнал, либо цифровым сигналом, как выход печатающей машины, - он дискретен во времени и имеет конечное число выходных значений. В системе цифровой связи сообщения, выданные источником, преобразуются в последовательность двоичных символов. В идеале мы можем представить выход источника сообщения небольшим числом двоичных символов (насколько это возможно). Другими словами, мы ищем эффективное представление выхода источника, которое приводит к источнику с наименьшей избыточностью или с полным её отсутствием. Процесс эффективного преобразования выхода источника - как аналогового, так и цифрового - в последовательность двоичных символов называют кодированием источника или сжатием данных.

Последовательность двоичных символов от кодера источника, который мы назовём источником информации, поступает на кодер канала. Цель кодера канала состоит в том, чтобы ввести управляемым способом некоторую избыточность в информационную двоичную последовательность, которая может использоваться в приёмнике, чтобы преодолеть влияние шума и интерференции, с которой сталкиваются при передачи сигнала через канал. Таким образом, добавленная избыточность служит для увеличения надёжности принятых данных и улучшает верность воспроизведения принятого сигнала. Фактически избыточность в информационной последовательности помогает приёмнику в декодировании переданной информационной последовательности.

Рисунок 1.3.1

Двоичная последовательность на выходе кодера канала поступает на цифровой модулятор, который служит интерфейсом к каналу связи. Основная цель цифрового модулятора сводится к отображению информационной двоичной последовательности в соответствующий сигнал.

Канал связи – это физическая среда, которая используется для передачи сигнала от передатчика к приёмнику. При беспроводной связи каналом может быть атмосфера. С другой стороны, телефонные каналы обычно используют ряд физических сред, включая линии проводной связи, волоконно-оптические кабели и беспроволочные линии. Для любой физической среды, используемой для передачи информации, существенно, что передаваемый сигнал подвержен случайным искажениям через такие механизмы, как воздействие аддитивного теплового шума, генерируемого электронными устройствами, воздействие промышленных помех (например, автомобильные помехи от системы зажигания), воздействие атмосферных помех (электрические разряды молнии во время грозы) и т.п.

На приёмной стороне системы цифровой связи цифровой демодулятор обрабатывает искажённый каналом передаваемый сигнал и преобразует его в последовательность чисел. Эта последовательность чисел поступает на канальный декодер, который пытается восстановить первоначальную информационную последовательность, используя знание канального кода и избыточности, содержащейся в принятых данных.

Мера качества работы демодулятора и декодера – это частота, с которой возникают ошибки декодируемой последовательности. Более точно, средняя вероятность ошибки на бит для выходных символов декодера является удобной характеристикой качества демодулятора-декодера. Вообще говоря, вероятность ошибки является функцией от характеристик кода, форм сигналов, используемых для передачи информации по каналу, мощности передатчика, характеристик канала, а именно уровня шума, природы интерференции и т.д., и методов демодуляции и декодирования.

На заключительной стадии, когда рассматривается аналоговый выход, декодер источника принимает выходную последовательность от декодера канала и, используя знание метода кодирования источника, применённого на передаче, пытается восстановить исходную форму сигнала источника. Ошибки декодирования и возможные искажения в кодере и декодере источника приводят к тому, что сигнал на выходе декодера источника является аппроксимацией исходного сигнала источника. Разность или некоторая функция разности между исходным и восстановленным сигналом является мерой искажения, внесённого цифровой системой связи [3].

Исследовательская часть

IEEE 802.15.4

Стандарт используется для простых и недорогих коммуникационных сетей, обеспечивающих беспроводную связь в приложениях с ограниченной потребляемой мощностью и минимальной пропускной способностью. Основными особенностями таких сетей являются простота, надежная передача данных, работа на малых расстояниях, чрезвычайно низкой стоимости и разумного срока службы батареи, поддерживая простой и гибкий протокол.

Характеристики сетей:

- Скорость передачи данных в пространстве: 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с;

- Поддержка топологий «звезда» и «точка-точка» («peer-to-peer»).

- Возможность выделения коротких 16-разрядных или расширенных 64-разрядных адресов;

- выделение гарантированных временных интервалов;

- множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий;

- Низкое энергопотребление;

- Обнаружение энергии в текущем канале;

- Индикация качества канала;

- 16 каналов в полосе 2450 МГц, 10 каналов в полосе 915 МГц и 1 канал в полосе 868 МГц.

В сети могут участвовать два разных типа устройств; Полнофункциональное устройство (FFD – Full Function Device) и устройство с ограниченной функцией (RFD – Reduce Function Device). FFD может работать в трех режимах, выступающих в качестве координатора, маршрутизатора или в качестве конечного устройства.

Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью– устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.

Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.

Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств.

Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. FFD может обмениваться данными с RFD или другими FFD, в то время как RFD только с FFD. Поэтому при построении сети необходимо иметь как минимум одно FFD-устройство. RFD предназначен для приложений, которые чрезвычайно просты, такие как выключатель света или пассивный инфракрасный датчик, они не нуждаются в отправке больших объемов данных и могут связывать только с одним FFD за один раз. Следовательно, RFD может быть реализован с использованием минимальных ресурсов и объема памяти.

В зависимости от требований, сеть может работать в любой из двух топологий: топологии «звезда» или топологии «точка-точка», схемы которых показаны на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1

В топологии звезды связь устанавливается между устройствами и одним центральным контроллером, называемым координатором сети. Устройство обычно имеет некоторое связанное приложение и является либо точкой начала, либо точкой завершения сетевых коммуникаций. Координатор сети может также иметь конкретное приложение, но его можно использовать для инициирования, завершения или маршрутизации связи по сети. Он является основным контроллером. Все устройства, работающие в сети любой топологии, должны иметь уникальные 64-разрядные расширенные адреса. Этот адрес может использоваться для прямой связи в сети или его можно обменивать на короткий адрес, назначенный координатором, когда устройство связывается. Координатор сети может работать от сети, в то время как устройства, скорее всего, будут питаться от батареи. Топология звезда применяется в таких приложениях, как «умный дом», периферийные устройства персонального компьютера.

Топология «точка-точка» также имеет сетевой координатор. Однако, отличается от звездообразной топологии тем, что любое устройство может взаимодействовать с любым другим устройством, если оно находится в зоне действия друг друга. Топология «точка-точка» позволяет реализовать более сложные сетевые формации, такую как ячеистую топологию. Такая топология сети будет полезна для таких приложений, как промышленный контроль и мониторинг, беспроводные сенсорные сети, отслеживание товаров при инвентаризации, интеллектуальное сельское хозяйство и безопасность. Одноранговая сеть может быть произвольной, самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Она также может разрешать несколько пересылок для маршрутизации сообщений с любого устройства на любое другое устройство в сети. Такие функции могут быть добавлены на сетевом уровне, но не являются частью стандарта IEEE 802.15.4. Каждый независимый координатор будет выбирать уникальный идентификатор. Этот идентификатор сети позволяет осуществлять связь между устройствами внутри сети с использованием коротких адресов и обеспечивает передачу данных между устройствами в независимых сетях.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет правила и взаимосвязь устройств посредством радиосвязи в сети. Стандарт использует множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Поддерживает топологию «звезда», а также одноранговые топологии. Поддерживает различный пакеты данных, которые не превышают 128 байт. Имеет суперкадр, который позволяет включать («пробуждает») устройства эпизодически с большим интервалом времени, могут быть назначен координатором сети устройствам с данными критичными по времени. Связь с сетями более высокой производительности обеспечивается через координатор сети [1].

Стандарт оптимален для организации беспроводных сетей с малым радиусом действия и низкой скоростью передачи, при этом не требующих сложной инфраструктуры, что позволяет создавать малые, энергоэффективные и дешевые решения для устройств с малым потреблением энергии. Стандарт описывает два нижних уровня протоколов модели взаимодействия базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI), а именно физический уровень (PHY) и канальный уровень (MAC). На рисунке 2.1.2 показано Сравнение скорости передачи и дальности действия различных стандартов беспроводной передачи данных.

Рисунок 2.1.2

WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводная глобальная сеть; WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – беспроводная сеть масштабов города; WLAN (Wireless Local Area Network) – беспроводная локальная сеть; WPAN (Wireless personal area network) – беспроводная персональная сеть.

IEEE 802.15.4 подходит для передачи информации с датчиков на устройство управления и обратно, где не требуется больших скоростей передачи, но важна надёжность связи, т.е. низкая вероятность ошибки. При потере данных, пакеты передаются заново, что увеличивает энергетические затраты устройств. Устройства, передающие данные по протоколу ZIGBEE, благодаря высокой способности противостоять помехам, могут работать, используя одну батарейку на протяжении долгого времени.

ZIGBEE-Устройства работают в данном стандарте и имеют возможность работы в одном из нескольких частотных диапазонов, используя данные модуляции и параметры расширения спектра сигнала методом прямой последовательности, которые отображены в таблице 2.1.1 [3].

Частота	Полоса частот	Модуляция	Частота DSSS последовательности	Скорость передачи	Символы
МГц	МГц	Кбит/с	Кбит/с	Символ/с
868/915	868 - 868.6	BSPK				Двоичные
902 -928	BPSK				Двоичные
	240-2483.5	O-QPSK			62.5	Шестнадцатеричные

Таблица 2.1.1

Преимущества ZIGBEE

Сеть ZIGBEE разработана для работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами применяются следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, контроль целостности данных, измерение параметров канала передачи, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов. Расширяя спектр, исходный двоичный сигнал формируется при преобразовании в псевдослучайную последовательность, в результате чего передается шумоподобный сигнал. Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) борется узкополосными помехами. Перед началом передачи устройство отслеживает занятость канала, и, в случае занятости, ждет, после чего повторяет попытку передачи. Такой механизм делает невозможным одновременный передачу данных с двух и более устройств. Если при передаче произошел сбой, то приемник обнаружит этот факт с помощью проверки контрольной суммы переданного пакета. Если какой-то узел сети становится неработоспособным из-за помех или физической неисправности, то информация доходит до приемника через соседние узлы.

Эксперты указывают на два недостатка беспроводных сетей Wi-Fi и Bluetooth - небольшой радиус действия и высокое энергопотребление.

ZIGBEE-оборудование также не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, но может использовать в качестве посредника для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, если они находятся в зоне взаимодействия. Что касается энергопотребления, то, одной батарейки хватает для поддержания работоспособности ZIGBEE-оборудования в течение достаточно длительного времени – месяцы или даже пару лет.

Среди достоинств стандарта отмечается хорошая масштабируемость и возможность самовосстановления при сбоях, также главный фактор – простота настройки сети. Возможность 64-битной адресации позволяет объединить огромное количество ZIGBEE-устройств.

Низкое энергопотребление, низкая стоимость ($ 3 - $ 5), возможность организации сети различной топологии, увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала, высокая надежность сетевых решений и самовосстанавливаемость системы, многоуровневая система безопасности и простота установки и обслуживания делает стандарт ZIGBEE наилучшим решением для хозяйственной и промышленной деятельности людей.