Департамент общего и профессионального образования  Брянской области ГОУ СПО Новозыбковский профессионально-педагогический колледж 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 
 

Кодирование сигналов при использовании  беспроводной связи 
 
 
 
 

Коряко  Константин Геннадьевич

      Специальность 050202

      Информатика

      V курс, 52 группа

            Научный руководитель:

      Милютин Александр Юрьевич 
 
 

Новозыбков, 2009

Введение

    Сделав  звонок с мобильного телефона, получив  сообщение на пейджер, проверив почту  с помощью карманного компьютера или даже увидев рекламу всего вышеперечисленного, мы сталкиваемся с беспроводной информационной, компьютерной или голосовой сетью.

    Если  компании или отдельному пользователю необходимо сделать информацию портативной, мобильной и доступной, то лучшим вариантом является беспроводная сеть. Система беспроводной связи избавлена главного недостатка проводных сетей — проблем с подсоединением через кабели. Такая сеть поможет сэкономить время и деньги за счет отказа от огромного количества кабелей. Если возникает необходимость переместить компьютер в другую часть офиса, компьютер с картой беспроводной сети легко эксплуатируется.

    Беспроводные  сети очень удобны в общественных местах: библиотеках, гостиницах, кафе и школах — везде, где может  потребоваться беспроводной доступ в Интернет. С экономической точки зрения выигрывают как провайдеры, так и их клиенты. Провайдер взимает плату за использование услуг, а пользователь может воспользоваться этими услугами в любом удобном для себя месте, вдали от дома или офиса, например. Но у беспроводных сетей есть и свои недостатки. Качество связи не гарантируется, и в случае возникновения препятствия она теряется.

    Поэтому, необходимо рассмотреть основные виды беспроводных сетей, а также основные технические характеристики аппаратного  обеспечения беспроводных компьютерных сетей.

    Объект  исследования – беспроводные технологии и принцип осуществления передачи информации в беспроводных технологиях.

    Предмет исследования – технология кодирования  информации при передаче ее с помощью  каналов беспроводной связи.

    Цель  исследования –  изучение процесса кодирования информации в современных  протоколах беспроводной связи.

    Задачи  исследования:

• Изучить процесс функционирования протоколов беспроводной связи;
• Выявить отличия проводных сетей от беспроводных;
• Рассмотреть основные принципы современных беспроводных технологий.

    Метод исследования – анализ изученной  литературы.

      Из истории беспроводной связи

     Беспроводные  сети передачи информации, как следует  из их названия, базируются на совокупности двух групп технологий  - беспроводной передачи информации и сетевого взаимодействия. Исторически эта технология зародилась еще в позапрошлом веке. Родоначальником всех электронных сетей( систем) передачи данных, видимо следует считать американского художника Самуэля Финли Бриза Морзе. В 1837 г. Он разработал свою систему электросвязи по металлическому проводу и дал ей название телеграф. Годом позже он дополнил ее знаменитой азбукой Морзе, т.е. механизмом кодирования источника, обязательным элементом всех современных сетей.

      Бесроводные технологии зарождались также в XIX в. Идея носилась в воздухе, вплотную к ней подошли такие ученые, как Г.Герц, О.Лодж, Э.Бранли. В 1892 г. Английский ученый Вильям Крукс теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи. В 1893 г. сербский ученый Никола Тесла в США продемонстрировал передачу сигналов на расстояние.

      С 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал преподаватель  минных классов в Кронштадте Александр  Степанович Попов. В 1884 г. он изобрел  первую приеную антенну, создал прибор для регистрации грозовых разрядов на основе когерера – стеклянной трубки, заполненной металлическими опилками. Под воздействием электромагнитного поля проводимость этой трубки резко возрастала. В 1895 году 25 апреля русский учёный Александр Степанович Попов сделал доклад, посвящённый методу использования излученных электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов, содержащих информацию. В марте 1896 года А.С. Попов провёл эксперимент, в котором на 250 метров передал радиограмму с двумя словами «Генрих Герц».

     В июле 1901 года английской компании «Маркони»  удалось передать сигналы из станции  Польдю в Англии в станцию Сент-Джонс  в Ньюфаунленде. Сама компания была в начале двадцатого века единственной, кто осуществлял проводную междугороднюю и международную связь. Сигналы ежедневно передавались по кабелям, проложенными между США и Европой.

     В 1921 году полиция города Детройта, США, получила возможность использовать мобильную связь в автомобилях. Использовались частоты в диапазоне  около 2 МГц, связь была ненадёжной и постоянно возникали помехи.

     В ряде городов США появлялись небольшие  радиотелефонные сети, однако заметных прибылей они не приносили. Ещё одной  из причин торможения была Федеральная  Комиссия по Коммуникациям (Federal Communications Commissions (FСС), которой потребовался 21 год, чтобы официально разрешить широкомасштабное использование сотовых телефонов гражданскими лицами. В 1967 году были созданы первые портативные рации, которые и дали толчок к созданию мобильного телефона. Весной 1973, 3 апреля, сотрудники Motorola на вершине 50-этажного здания в Нью-Йорке установили первую базовую станцию. Станция могла одновременно поддерживать тридцать пользователей и предоставлять им доступ к городской телефонной сети. Мартин Купер, под руководством которого и создавался этот проект, самолично сделал первый в мире звонок с мобильного телефона. Причём, он позвонил главе исследовательского отдела конкурентной Bell Laboratories, Джоэлю Энгелю. Общение конкурентов, несмотря на детскую выходку Купера, прошло вполне политкорректно, и Энгель поздравил Motorola с триумфом.

Функционирование  протоколов беспроводной связи

     Повсеместное  распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление  мобильных технологий со встроенным беспроводным решением (Intel Centrino) привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются, прежде всего, как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет. Однако конечный пользователь, не являющийся сетевым администратором, как правило, не слишком хорошо разбирается в сетевых технологиях, поэтому ему трудно сделать выбор при покупке беспроводного решения, особенно учитывая многообразие предлагаемых сегодня продуктов. Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи, не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, предлагающий еще более высокие скорости передачи. Речь, конечно же, идет о семействе протоколов беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят следующие протоколы: 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. В последнее время стали говорить и о расширении протокола 802.11g.

     Различные типы беспроводных сетей отличаются друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных. Так, стандарт IEEE 802.11b предусматривает  максимальную скорость соединения 11 Мбит/с, стандарт IEEE 802.11b+ - 22 Мбит/с, стандарты IEEE 802.11g и 802.11a - 54 Мбит/с.

Технология DSSS

     При потенциальном кодировании информационные биты - логические нули и единицы - передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность информационного бита, тем больший спектр занимает такой сигнал.

     Для преднамеренного уширения спектра  первоначально узкополосного сигнала в технологии DSSS в каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) в буквальном смысле встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты - логические нули или единицы - при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип - это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n-раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.

     Чтобы уширить спектр сигнала и сделать  его неотличимым от естественного  шума, в принципе, можно воспользоваться  произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Однако, возникает вопрос: а как такой сигнал принимать? Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так то просто, если вообще возможно. Оказывается, возможно, но для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот и любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника (рис. 1).

Двоичное  пакетное сверточное кодирование PBCC

     Для дальнейшего рассмотрения протокола 802.11b/b+ нам предстоит ознакомиться с еще одним типом кодирования - так называемым двоичным пакетным сверточным кодированием (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC).

     Идея  сверточного кодирования заключается  в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется  в специальном сверточном кодере таким образом, чтобы каждому  входному биту соответствовало более  одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствует два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью r = 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствует три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.

     Любой сверточный кодер строится на основе нескольких последовательно связанных  запоминающих ячеек и логических элементов, связывающих эти ячейки между собой. Количество запоминающих ячеек определяет количество возможных состояний кодера. Если, к примеру, в сверточном кодере используется шесть запоминающих ячеек, то в кодере хранится информация о шести предыдущих состояниях сигнала, а с учетом значения входящего бита получим, что в таком кодере используется семь бит входной последовательности. Такой сверточный кодер называется кодером на семь состояний (K = 7).

     Выходные  биты, формируемые в сверточном кодере, определяются значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

     В технологии PBCC используются сверточные кодеры на семь состояний (K = 7) со скоростью r=1/2. Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приемника применяется декодер Витерби.