Komunikacja

Model siedmiowarstwowy OSI

Kilka lat temu grupa ludzi zebra�a si�, pr�buj�c zdefiniowa� model sposobu, w jaki powinna by� zorganizowana komunikacja, znana pod nazw� system�w otwartych Siedmiowarstwowego modelu po��czenia mi�dzysieciowego (OSI). Nikt tak naprawd� nie pod��a� za modelem od g�ry do do�u, ale komunikacja sieciowa TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) jest najbli�sza; Model ten jest jednak przydatny jako lista kontrolna dla typ�w rzeczy, kt�re mog� by� po��dane w systemie komunikacji. Bior�c pod uwag�, �e warto te� uczy� si� tylko komunikacji sieciowej, zag��bimy si� w ni�.

WARSTWA 1: WARSTWA FIZYCZNA

Warstwa danych jest najni�sz� warstw� i okre�la fizyczne i elektryczne w�a�ciwo�ci. Jest to warstwa zajmuj�ca si� wysy�aniem bit�w przez fizyczne medium. Ca�a komunikacja ma jak�� fizyczn� warstw�. W niekt�rych systemach mo�e by� jedyn� warstw�. Komunikacja w pa�mie podstawowym, modulacja, demodulacja i transmisja za po�rednictwem kana��w to wszystkie tematy, kt�re lu�no nale�� do tej warstwy.

WARSTWA 2: WARSTWA LINK�W DANYCH

Ta warstwa zajmuje si� blokami danych na no�nikach fizycznych. Kontroluje wsp�dzielenie �cie�ki komunikacyjnej, ramek, kontrol� przep�ywu i niekt�re niskopoziomowe sprawdzanie b��d�w. Jest to warstwa wielokrotnego dost�pu (MAC) w komunikacji sieciowej. Istnieje wiele strategii udost�pniania dost�pu do kana�u transmisji. Techniki dost�pu i sprawdzania b��d�w to tematy, kt�re mo�emy om�wi� i kt�re nale�� do tej warstwy.

WARSTWA 3: WARSTWA W SIECI

Ta warstwa jest odpowiedzialna za routing, tworzenie, utrzymywanie i zrywanie po��cze�. To jest warstwa IP w komunikacji sieciowej.

WARSTWA 4: WARSTWA TRANSPORTOWA

Ta warstwa jest odpowiedzialna za bezb��dn� transmisj� danych z jednego komputera do innego. To jest warstwa TCP w komunikacji sieciowej.

WARSTWA 5: WARSTWA SESJI

Ta warstwa obs�uguje czas trwania bie��cego po��czenia i utrzymuje ruch danych.

WARSTWA 6: WARSTWY PREZENTACJI

Ta warstwa obs�uguje dane z aplikacji. Wykonuje pakowanie, szyfrowanie, odszyfrowywanie, kompresj� i tak dalej.

WARSTWA 7: WARSTWA APLIKACJI

W tej warstwie znajduje si� oprogramowanie aplikacji

Nie wszyscy s� zadowoleni z siedmiowarstwowego modelu OSI. Kilka ukrytych pomys��w kryje si� za warstwami stosu, kt�ry dotyczy wi�kszo�ci komunikacji:

• Ukryte funkcje Warstwy stosu wsp�dzia�aj� ze sta�ym interfejsem. Fragmenty stosu mo�na wewn�trznie przeprojektowa� i nadal dzia�aj� poprawnie.Typowe interfejsy Poniewa� warstwy stos�w wsp�dzia�aj� ze sta�ym interfejsem, dwie r�ne maszyny mog� komunikowa� si� ze sob� bez problemu. Po prostu komunikuj� si� z tego samego poziomu na tym samym poziomie. Na przyk�ad informacja TCP na poziomie 4 w jednym urz�dzeniu przechodzi przez stos do poziomu fizycznego i jest przesy�ana do drugiego komputera. Na komputerze odbieraj�cym wchodzi na poziom fizyczny i podr�uje na poziom 4, gdzie pojawia si� ponownie jako informacja TCP. Wiele technik komunikacji prowadzi do standard�w, kt�re mog� by� obserwowane przez wszystkich projektanci na r�nych poziomach stosu. Wi�kszo�� standard�w komunikacji jest ograniczona do zaledwie kilka poziom�w z�o�ono�ci. Wszystkie maj� warstwy fizyczne i ��cza. Wielu ma sie� i poziomy transportu, ale nie wiele idzie na wy�sze poziomy.

Warstwa fizyczna

Wszystko to powiedziawszy, komunikacja cyfrowa sprowadza si� do jednego: przesy�ania danych przez kana�. Kolejne podstawowe twierdzenie pochodzi�o z pracy Shannona. Sprowadza si� do r�wnania, kt�re jest podstawowym, ograniczaj�cym przypadkiem transmisji danych przez kana�:

C = B x log₂(1 + S/N)

C to pojemno�� kana�u w bitach na sekund�, B to szeroko�� pasma kana�u w cyklach na sekund�, a S / N to stosunek sygna�u do szumu w kanale. Intuicyjnie oznacza to, �e je�li stosunek S / N wynosi 1 (sygna� jest tego samego rozmiaru co szum), mo�emy umie�ci� prawie 1 bit na fal� sinusoidaln� przez kana�. Chodzi o sygnalizacj� pasma podstawowego, o czym wkr�tce porozmawiamy. Je�li kana� ma wystarczaj�co niski poziom szum�w i obs�uguje wsp�czynnik S / N r�wny oko�o 3, w�wczas mo�emy przes�a� prawie 2 bity na sinusoid� przez kana�. Prawda jest taka, �e zdolno�� Shannona do zdolno�ci produkcyjnych by�a trudna dla in�ynier�w. Do niedawna marnowano znaczn� cz�� dost�pnej przepustowo�ci w kana�ach komunikacyjnych. Dopiero w ci�gu ostatnich kilku lat in�ynierowie opracowali metody pakowania danych na fale sinusoidalne wystarczaj�co ciasne, aby zbli�y� si� do limitu Shannona. Twierdzenie o zdolno�ci Shannona rysuje si� na krzywej

Istnieje limit S / N, poni�ej kt�rego nie mo�e by� transmisji bezb��dnych. C jest ojemno�� kana�u w bitach na sekund�, B jest przepustowo�ci� kana�u w cyklach na sekund�, S jest �redni� moc� sygna�u, N jest �redni� moc� szumu, Nie jest g�sto�ci� mocy szumu w kanale, a Eb jest energi� na bit. Oto jak ustalamy limit S / N:

Poniewa�

Podnosimy do pot�gi 2

Je�li dokonamy zamiany zmiennej x = Eb x C /No x B, mo�emy u�y� to�samo�ci matematycznej. Limit (jako x idzie do 0) z (x + 1)^1/x = e. Chcemy dolnego limitu pojemno�ci, gdy S / N spadnie. W tym limicie x idzie na zero, jak to si� dzieje. Musimy przetransformowa� ostatnie r�wnanie i przyj�� limit, poniewa� x idzie do zera.

W dB ta liczba to -1.59 dB. Zasadniczo, je�li sygna� jest poni�ej szumu przez ma�y margines. Ustawia to teoretyczn� granic�, kt�rej �aden system modulacji nie mo�e przekroczy�. Odkrycie to sta�o si� celem projektant�w systemu. Limit pojawi si� poni�ej w krzywych b��d�w r�nych schemat�w modulacji. Istnieje wiele sposob�w blokowania elektron�w przez przewody lub fale przez drogi powietrzne. We wszystkich tych przypadkach kana� ma przepustowo��. Czasami przepustowo�� jest ograniczona przez fizyk�; czasami Federalna Komisja ��czno�ci (FCC) ogranicza to. W obu przypadkach stosuje si� twierdzenie zdolno�ci Shannona: stawianie Boga i FCC na r�wnych stopach matematycznych. Ka�da metoda przesy�ania danych przez kana� ma podstawy matematyczne. Cz�sto, sama metoda prowadzi do zamkni�tej formy matematycznej dla mo�liwo�ci metody. Po zaimplementowaniu metody implementacja mo�e zosta� przetestowana przy u�yciu Twierdzenia Pojemno�ci Shannona. Skalibrowany poziom szumu mo�na doda� do idealnego kana�u, a zdolno�� przenoszenia danych mo�na zmierzy�.

Transmisja pasma podstawowego

Bior�c pod uwag� przew�d, ca�kowicie mo�na wy��czy� i w��czy� napi�cie, aby utworzy� impulsy na drucie. W najprostszej formie jest to transmisja pasma podstawowego, metoda komunikacji odr�bna od modulowanej transmisji, kt�r� om�wimy p�niej. Transmisja pasma podstawowego jest u�ywana z wieloma r�nymi rodzajami no�nik�w. Przesy�anie danych za pomoc� kabla nast�pi�o na d�ugo przedtem, zanim armia Napoleona u�y�a faksu. Tak, pierwsze faksy rzucono do biur mniej wi�cej w tym czasie w historii. Transmisja pasma jest r�wnie� u�ywana w nap�dach ta�mowych i dyskach. Dane s� zapisywane jako impulsy na ta�mie i odczytywane p�niej. Sekwencja impuls�w mo�e by� zbudowana na wiele r�nych sposob�w. In�ynierowie w naturalny spos�b wymy�lili dziesi�tki r�nych sposob�w interpretowania tych impuls�w. Jak to cz�sto bywa, inne cele istniej� poza wysy�aniem jak najwi�kszej liczby bit�w na sekund� w kanale. Jednak w realizacji innych cel�w przepustowo�� kana�u jest po�wi�cana. Oto lista innych cel�w, kt�re in�ynierowie cz�sto musz� rozwi�za�, projektuj�c spos�b, w jaki impulsy s� umieszczane w kanale:

• Balans pr�du sta�ego (DC) Czasami kana� nie mo�e w og�le przekazywa� napi�cia sta�ego. Ci�g�y ci�g wszystkich mo�e po prostu wygl�da� jak ci�gle wysokie napi�cie. We�, na przyk�ad, nap�d ta�mowy. Podstawowe r�wnanie napi�cia i indukcyjno�ci cewki g�owicy ta�my

V = L x cI / dt

V to sygna� wej�ciowy, L to indukcyjno�� cewki g�owicy, a I to pr�d przez cewk�. Je�li V by�by sta�y, potrzebowaliby�my stale rosn�cego pr�du przez cewk�, aby r�wnania dzia�a�y. Poniewa� jest to niemo�liwe, projektanci ta�m potrzebuj� alternatywnego schematu. Wymy�lili kodowanie impuls�w w taki spos�b, �e taka sama liczba zer i jedynek jest podawana w cewce g�owicy. W ten spos�b utrzymuje si� r�wnowag� DC. Tylko po�ow� bit�w mo�na zapisa� tak jak wcze�niej, ale wszystko dobrze si� uk�ada. Kody, kt�rych u�ywaj� s� wersj� nonreturn do zera (NRZ).
• Kodowanie tanich dekoder�w Niekt�re dane s� kodowane w taki spos�b, �e dekoder mo�e by� bardzo tani. Rozwa�my na chwil� zakodowane sygna�em szeroko�ci impulsu sygna�y analogowe. Impuls wysy�any jest w ka�dym okresie zegara, a cykl roboczy impulsu jest proporcjonalny do okre�lonego napi�cia analogowego. Im wy�sze napi�cie, tym wi�ksze cykl pracy i wi�kszy odsetek czasu, jaki puls sp�dza przy wysokim napi�ciu. W odbiorniku napi�cie analogowe mo�na odzyska� za pomoc� filtra dolnoprzepustowego sk�adaj�cego si� z rezystora i kondensatora. Odfiltrowuje warto�ci pr�du przemiennego w kszta�cie fali i utrzymuje pr�d sta�y. Tego typu tanie kody odbiornik�w najlepiej stosowa� w sytuacjach, w kt�rych musi by� wiele niedrogich odbiornik�w.
• Samo-zegary Niekt�re sytuacje transmisji wymagaj� odzyskania zegara po stronie odbiorczej. W takim przypadku wybierz schemat kodowania impuls�w, kt�ry ma wbudowany zegar w kszta�t fali.
• G�sto�� danych Niekt�re schematy kodowania impuls�w dostarczaj� wi�cej bit�w do transmisji kana�em ni� inne.
• Trwa�o�� Niekt�re schematy kodowania impuls�w maj� wbudowane mechanizmy umo�liwiaj�ce unikanie i / lub wykrywanie b��d�w.

ZNIEKSZTA�CENIE IMPULSOWE: DOPASOWANIE FILTR�W

Jeden z trudnych problem�w z transmisj� impuls�w przez kana� (przew�d, �wiat�ow�d lub wolna przestrze�) jest to, �e impulsy ulegaj� zniekszta�ceniu. W rzeczywisto�ci dzieje si� tak, �e impulsy rozprzestrzeniaj� si� w czasie. Je�li og�lny kana� transmisji ma ostre warto�ci graniczne, jak to jest w�a�ciwe dla g�sto upakowanego kana�u, to impulsy wychodz� z odbiornika wygl�daj�c jak funkcja sinc, kt�r� ogl�dali�my wcze�niej. Impuls rozprzestrzeni� si� w czasie

Je�li staramy si� spakowa� tak mocno te impulsy w czasie, b�d� one mia�y tendencj� do wzajemnego zak��cania si�. Jest to powszechnie nazywane Intersymbol Interference (ISI), kt�re om�wimy p�niej

Ale tu jest niespodzianka. Kana� transmisyjny nie mo�e by� doskona�y, z gwa�townym przesuni�ciem cz�stotliwo�ci. W praktyce, musimy pozwoli� na dodatkow� przepustowo�� i rozlu�ni� nasze wymagania dotycz�ce kana�u transmisji i sprz�tu transmisyjnego. Powszechnym rozwi�zaniem tego problemu jest podniesiony filtr kosinusowy (RCF), filtr, kt�ry wcze�niej widzieli�my w cz�ci 8 jako okno Hanning. Powszechn� praktyk� jest w��czenie tego pasuj�cego RCF do nadajnika, aby wst�pnie skompensowa� impulsy dla efektu kana�u. Otrzymane sygna�y impulsowe, nawet je�li maj� oscylacje w ich kraw�dzi wiod�cej i sp�ywowej, przechodz� przez zero tylko wtedy, gdy pobierane s� pr�bki. W ten spos�b s�siednie impulsy nie zak��caj� si� wzajemnie

WSP�LNE STANDARDY KOMUNIKACJI PASMA PODSTAWOWEGO Poni�ej przedstawiamy niekt�re stosunkowo popularne przewodowe po��czenia komunikacyjne dla pasma podstawowego, z kt�rych wszyscy korzystali�my. S� to ��cza komunikacyjne, kt�re maj� stosunkowo niewiele przewod�w i s� og�lnie uwa�ane za ��cza szeregowe. Wiele komputer�w jest ju� pod��czonych do tego rodzaju port�w komunikacyjnych i dost�pnych jest wiele uk�ad�w interfejsu, kt�re je obs�uguj�.

• RS232 / 423 RS232 / 423 istnieje od 1962 roku i jest w stanie przesy�a� dane z pr�dko�ci� do 100 Kb/ s (RS423) przez interfejs tr�jprzewodowy. Jest uwa�any za lokalny interfejs do komunikacji punkt- punkt. Powinien by� prosty w u�yciu, ale mo�e powodowa� znaczn� utrat� przytomno�ci, poniewa� istnieje wiele opcjonalnych przewod�w i r�nych pin�w dla r�nych typ�w z��czy. Inne ni� fizyczne warstwa i definicja kolejno�ci bit�w, bardzo ma�e nak�adanie warstw odbywa si� nad warstw� fizyczn� za pomoc� RS232.
• RS422 RS422 wykorzystuje sygna�y r�nicowe, zbalansowane, kt�re s� bardziej odporne na zak��cenia ni� jednostronne okablowanie RS232. Szybko�� transmisji danych wynosi do 10 Mb / s przy ponad 4000 stopach okablowania. Poza warstw� fizyczn� i definicj� kolejno�ci bit�w, bardzo ma�e nak�adanie warstw odbywa si� za pomoc� RS422
• Sieci Ethernet 10BT / 100BT / 1000BT Ethernet to jedna z najpopularniejszych technologii sieci lokalnych (LAN). Technologia 10BT LAN umo�liwia wi�kszo�ci biur biznesowych ��czenie wszystkich komputer�w z sieci�. Komputery mog� przesy�a� dane mi�dzy sob� z pr�dko�ci� zbli�on� do 9 do 10 milion�w bit�w na sekund�. W praktyce, w obci��onych sieciach, najlepsze stawki, kt�re u�ytkownik mo�e osi�gn��, s� znacznie ni�sze. Stos oprogramowania zawiera do czterech warstw z warstwy fizycznej 1 (karty sieciowe [NIC]), do IP oraz do TCP w warstwie 4. 100BT jest 10 razy szybszy ni� 10BT. 1000BT jest 10 razy szybszy i dost�pny do u�ycia z fizyczn� warstw� �wiat�owodow� oraz okablowaniem miedzianym.

Komunikacja Modulowana

Czasami komunikacja cyfrowa nie mo�e by� wys�ana przez kana� bez modulacji; komunikacja w pa�mie podstawowym nie b�dzie dzia�a�. Mo�e tak by� z kilku powod�w:

• Czasami okablowanie nie jest mo�liwe z powodu odleg�o�ci. Niemodulowane sygna�y danych maj� zazwyczaj stosunkowo nisk� cz�stotliwo��. Przesy�anie wolniejszego sygna�u pasma podstawowego za po�rednictwem anteny wymaga anteny w przybli�eniu wielko�ci fali samego sygna�u. Dla sygna�u RS232 przy 100 Kb/s sygna� ma przebieg z oko�o 10 mikrosekund na bit. �wiat�o przemierza 3000 metr�w, oko�o 2 mil, w 10 mikrosekund. Potrzebowaliby�my anteny o d�ugo�ci dw�ch mil, aby skutecznie przekaza� taki sygna� do impedancji przestrzeni. Oczywi�cie, to nie zadzia�a dobrze. Jest to jeden z g��wnych powod�w, dla kt�rych prawie nie istniej� systemy komunikacji bezprzewodowej z pasmem podstawowym.Czasami kana� jest tak g�o�ny, �e do kodowania musz� by� u�yte specjalne techniki koduj�ce sygna� przed transmisj�.
• FCC i inne organizacje reguluj� wykorzystanie widm transmisyjnych. ��cza komunikacyjne musz� by� umieszczone mi�dzy innymi ��czami komunikacyjnymi w prawnych pasmach komunikacyjnych. W celu oddzielenia tych konkuruj�cych ��czy komunikacyjnych stosuje si� precyzyjn� modulacj�.

Modulacja zazwyczaj wymaga u�ycia sygna�u no�nego. Sygna� informacyjny (I) jest mieszany (przemno�ony przez) sygna� no�nej (C), a zmodulowany sygna� (M) jest nadawane przez kana� komunikacyjny:

M = I x C

Chocia� jako no�nik C mo�na u�y� wielu r�nych sygna��w, najcz�ciej wykorzystywanym sygna�em jest fala sinusoidalna. Chocia� operacja x mo�e dotyczy� dowolnego rodzaju operacji, najpowszechniejszy typ mieszania wymaga mno�enia. Fala sinusoidalna ma tylko kilka parametr�w w swoim r�wnaniu. Zatem modulowanie fali sinusoidalnej mo�e obejmowa� tylko kilka r�nych operacji:

C = A sin (ω x t + θ)

gdzie A jest amplitud�, ω jest cz�stotliwo�ci�, a θ jest faz�. Ka�da modulacja tej fali no�nej przez dane musi obejmowa� modyfikacj� jednego lub wi�cej z tych trzech parametr�w. Jeden lub wi�cej parametr�w (A, ω lub θ) mo�e przyjmowa� jedn� lub wi�cej warto�ci na podstawie danych. Podczas wprowadzania danych, I, przyjmuje jedn� z n r�nych warto�ci, zmodulowana fala no�na przyjmuje jeden z n r�nych kszta�t�w reprezentuj�cych dane I. Nast�pne 3 dyskusje opisuj� modulowanie A, ω i θ w tej kolejno�ci.
• Kluczowanie z przesuni�ciem amplitudy (ASK)

M(n) = An x sin (ω x t + θ)

gdzie A jest jedn� z n r�nych amplitud, ω jest sta�� cz�stotliwo�ci�, a θ jest sta�� faz�. W najprostszej formie, n = 2, a kszta�t fali M wygl�da jak sinusoidalna fala, kt�ra zanika do zera za ka�dym razem, gdy dane s� zerowe (A = 0 lub 1).
• Kluczowanie z przesuni�ciem cz�stotliwo�ci (FSK)

M(n) = A x sin(ωn x t + θ)

gdzie A jest ustalon� amplitud�, ωn jest jedn� z n r�nych cz�stotliwo�ci, a θ jest faza sta�a. W najprostszej formie, n = 2, a przebieg M wygl�da jak sinus fala, kt�ra spowalnia cz�stotliwo��, gdy dane s� zerowe (ω = freq0 lub freq1).

• Kluczowanie z przesuni�ciem fazowym (PSK)

M(n) = A x sin(ω x t + θn)

gdzie A jest ustalon� amplitud�, ω jest sta�� cz�stotliwo�ci�, a θn jest jedn� z n r�nych fazy. W najprostszej formie n r�wna si� 2, a kszta�t fali M wygl�da jak fala sinusoidalna, kt�ra odwraca si� pionowo, gdy dane s� zerowe (? = 0 lub 180 stopni). Ka�da metoda modulacji ma odpowiedni� metod� demodulacji. Ka�da modulacja metoda ma r�wnie� struktur� matematyczn�, kt�ra pokazuje prawdopodobie�stwo pope�nienia b��d�w przy okre�lonym stosunku S / N. Nie zajmiemy si� tutaj matematyk�, poniewa� obejmuje ona zar�wno funkcje rachunku r�niczkowego, jak i prawdopodobie�stwa, z rozk�adami Gaussa To, co wynika z oblicze�, nazywa si� Eb / No curves (wymawiane "ebb no"). Wygl�daj� one jak na poni�szej ilustracji, kt�ra pokazuje bitow� stop� b��du (BER) w stosunku do krzywej Eb / No dla okre�lonego schematu modulacji

Pami�taj, �e Eb / No to stosunek energii w jednym kawa�ku do g�sto�ci energii ha�asu. Kilka uwag na temat tego wykresu:

• Im lepszy stosunek S / N (im wy�szy Eb / Nie), tym ni�szy poziom b��du (BER). Jest oczywiste, �e lepszy sygna� b�dzie dzia�a� bardziej efektywnie w kanale.
• Limit Shannon jest pokazany jako pude�ko. G�rna cz�� skrzynki jest tworzona przy BER r�wnym 0,50. Nawet ma�pa mo�e dosta� po�ow� danych za po�ow� czasu! Pionowa kraw�d� skrzynki ma warto�� Eb / No 0,69, doln� granic� transmisji cyfrowej, kt�r� wyprowadzili�my wcze�niej. Nie ma mowy o sensownej transmisji z Eb / Nie tak nisko; pojemno�� kana�u spada do zera.
• Ten wykres pokazuje BER, kt�rego mo�emy si� spodziewa� w obliczu r�nych warto�ci Eb / No w kanale. Dostosowania mo�na dokona�. Je�li kana� ma ustalon� warto�� Bez warto�ci, kt�rej nie mo�na zmieni�, in�ynier mo�e jedynie pr�bowa� zwi�kszy� Eb, by� mo�e zwi�kszaj�c si�� sygna�u pompowan� do kana�u. • I odwrotnie, je�li in�ynier potrzebuje okre�lonego BER (lub ni�szego), aby system dzia�a�, to okre�la minimalny Eb / No, kt�ry kana� musi mie�. W praktyce nie mo�na zrealizowa� idealnej realizacji teoretycznej krzywej Eb / No, a in�ynier powinien ustawi� kana� na Eb / No wy�ej ni� teoretycznie jest to wymagane.

Rysunek

pokazuje dwie krzywe BER z dw�ch r�nych, ale podobnych modulacji schematy. Krzywe te pokazuj�, �e niekt�re schematy modulacji s� bardziej wydajne ni� inne. W rzeczywisto�ci ca�a gra budowania schemat�w modulacji jest pr�b� zbli�enia si� do limitu Shannon. Jak mo�na si� by�o spodziewa�, bardziej wydajne modulatory s� dro�sze. Wi�kszo�� ludzi decyduje si� na marnowanie przepustowo�ci, zamiast p�aci� za dro�szy modulator

SKOMPLIKOWANE MODU�Y

Te poprzednie przyk�ady s� bardzo szcz�tkowymi schematami modulacji. Cz�sto we wsp�czesnych metodach modulacji modulowany jest wi�cej ni� jeden parametr no�ny w tym samym czasie. Wprowadzimy tu tak�e poj�cie symbolu. Symbol jest po prostu wielokrotn� liczb� bitow� u�ywan� do modulacji. Bajt mo�e by� 8-bitowym symbolem u�ywanym w ASK do ustawienia amplitudy na jeden z 256 r�nych poziom�w. Proces modulacji no�nika za pomoc� symbolu zmienia charakter przebieg�w no�nych. Odbiornik demoduluje dane i podejmuje pr�b� okre�lenia charakteru przebiegu w celu sklasyfikowania, kt�ry symbol reprezentuje. Demodulator w odbiorniku s�u�y do kwantyfikacji odebranego przebiegu w przestrzeni symbolu. Wizualizuj przestrze� symbolu jako wielowymiarow� przestrze� danych, w kt�rej porusza si� odbierany sygna�. Gdy zmienia si� amplituda, cz�stotliwo�� i faza odbieranego sygna�u, sygna� przemieszcza si� w przestrzeni symbolu odbiornika. Je�eli na przyk�ad zdefiniowano 256 r�nych symboli, to w przestrzeni symboli, w kt�rej znajduj� si� te symbole, znajduje si� 256 r�nych punkt�w. Je�eli odebrany sygna� przekracza jeden z tych 256 punkt�w, gdy zegar danych si� tyka, odebrany symbol powi�zany z tym punktem jest wybrany jako odebrany symbol, a dane (8 bit�w) reprezentowane przez ten symbol s� zrzucane na wyj�cie odbiornika. Sp�jrzmy na uproszczony przyk�ad. Za��my, �e modulujemy amplitud� i faz� z jednym bitem. B�d� u�ywane cztery r�ne symbole (00, 01, 10 i 11), a przestrze� symboli mo�e wygl�da� jak tu

Kiedy zegar danych tyka, pr�bkujemy pozycji odbieranego sygna�u w symbolu przestrze�. Za��my, �e otrzymujemy symbol, kt�rego amplituda jest troch� niska, ale ma bardzo wyra�n� faz�. Mo�e on zosta� odwzorowany w nast�puj�cy punkt pokazany tu

Aby wybra�, kt�ry symbol zostanie odebrany, umieszczamy siatk� decyzyjn� w przestrzeni symboli, jak pokazano tu

Siatka decyzyjna szybko podejmuje decyzj�, a symbol zostaje uznany za 01. Oczywiste jest, �e nie chcemy, aby symbole znajdowa�y si� zbyt blisko siebie w przestrzeni symboli. Schematy modulacji maj� na celu zminimalizowanie prawdopodobie�stwa, �e symbole b�d� zbyt blisko lub �e osobliwo�ci kana�u spowoduj�, �e jeden symbol zostanie pomylony z innym. Bardziej z�o�onym przyk�adem tego rodzaju przestrzeni symboli jest 64 kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM), w kt�rej 8 bit�w danych jest modulowanych w tym samym czasie. Przestrze� symboli dla 64 QAM mo�e mie� kwadratow� struktur�, jak pokazano

Przychodz�ce dane symbolu �ledz� dziki wz�r przez siatk� kropek 8 x 8. A w pewnym stopniu, poniewa� dane symbolu pr�buj� trzyma� si� punkt�w siatki, siatka ma otwarte obszary, w kt�rych dane nie przemierzaj�. Te otwarte obszary wygl�daj� jak oczy i s� przedmiotem kolejnej dyskusji.

Kontrola b��d�w

Projektanci du�ych przestrzeni symbolicznych musz� martwi� si� o to, co nazywa si� "otwartym okiem". Nale�y pami�ta�, �e gdy zegar danych odhacza si� w odbiorniku, odebrany sygna� powinien znajdowa� si� tu� nad punktem symbolu. Aby dosta� si� tam z dowolnego innego punktu symbolu, powinien on podr�owa� dobrze znan� tras� przez przestrze� symbolu (regulowan� przez kszta�t sygna�u no�nej). W przypadku bezszumowego kana�u, �lad odebranego sygna�u prze�ledzi�by bardzo �adny zestaw �cie�ek geometrycznych, a wiele pustej przestrzeni pokazywa�oby si� w przestrzeni symbolu, miejscach, w kt�rych sygna� nigdy nie przemyka. Te puste przestrzenie s� tym, czego szukaj� in�ynierowie, gdy pr�buj� znale�� otwarte oko. Przestrzenie te nazywa si� tak, poniewa� generalnie s� tworzone przez dwie fale sinusoidalne i maj� kszta�t pokazany

Dobry in�ynier mo�e umie�ci� przebieg komunikacji na oscyloskopie (lub innym instrumencie), spojrze� na wz�r oka i okre�li� stan zdrowia fizycznej warstwy sieci komunikacyjnej. W ten sam spos�b in�ynierowie mog� rysowa� ostatnie punkty danych, aby zobaczy�, jak mocno skupiaj� si� wok� punkt�w symboli. Zdrowe ��cze komunikacyjne b�dzie mia�o bardzo �cis�e skupienie wok� punkt�w symboli, a chorobliwy system b�dzie je rozrzuca� w niedba�y spos�b. S� to wszystkie sposoby, aby spr�bowa� utrzyma� fizyczne po��czenie w dobrym zdrowiu, ale mo�na podj�� kroki w zakresie projektowania ��cza komunikacyjnego, kt�re uczyni go bardziej niezawodnym. Dost�pnych jest wieler�nych sposob�w sprawdzania, co reprezentuj� te techniki. Wol� my�le� o nich w ten sam spos�b: przesy�a� dane wi�cej ni� raz. W sytuacji, gdy ha�as mo�e zepsu� dane w kanale, odbiorca jest bardziej sk�onny do pozyskania danych, je�li jest wysy�any wi�cej ni� raz. Je�li odbiornik jest wystarczaj�co inteligentny, aby rozpozna�, kiedy dane s� uszkodzone, mo�e po prostu czeka� na drug� pomoc dotycz�c� tych samych danych. Jest to szczeg�lnie wa�ne w przypadku robot�w znajduj�cych si� w odleg�ych lokalizacjach. Wysy�anie zduplikowanych danych mo�e odbywa� si� na wiele r�nych sposob�w. Oczywi�cie, mo�liwe jest wys�anie danych dwa lub trzy razy. Ale wierzcie lub nie, mo�liwe jest przes�anie danych 1,5 razy, 1,1 razy, a nawet 1,01 razy. W pewnych granicach projektanci robot�w mog� wybiera� spo�r�d kod�w protoko��w komunikacyjnych, kt�re pozwalaj� im wybra� ilo�� nadmiarowo�ci wbudowan� w ��cze komunikacyjne. Poniewa� nadmiarowe dane zu�ywaj� przepustowo��, pozwala to projektantom decydowa� o marnowaniu przepustowo�ci. Wysy�anie dodatkowych danych skutecznie obni�a BER, poniewa� b��dy s� korygowane w odbiorniku. Uzyskanie ni�szego BER jest prawie r�wnoznaczne z lepszym Eb / No. W ten spos�b projektanci mog� powiedzie�, �e zyskuj� kodowanie z r�nych kod�w protoko��w komunikacyjnych. To wzmocnienie kodowania mo�e by� w rzeczywisto�ci zrealizowane, poniewa� wzmocnienie kodowania mo�na odj�� od Eb / No w rzeczywistym kanale, aby uzyska� taki sam BER w danej sytuacji. Dodaj wzmocnienie kodowania, zmniejsz zysk Eb / No i wyjd� nawet. W praktyce jednak wi�kszo�� in�ynier�w przyjmuje zysk kodowania na podstawie istniej�cego Eb / No i realizuje sw�j zysk jako ni�szy BER. Zdarza si� to w ��czno�ci satelitarnej przez ca�y czas. W rzeczywisto�ci wi�kszo�� czy komunikacji satelitarnej jest zaprojektowana i okre�lona za pomoc� wzmocnienia kodowania wbudowanego bezpo�rednio w protok� komunikacyjny. Poniewa� wiele kod�w ma opcje parametryczne, operator ��cza satelitarnego mo�e wybra� kod w locie, kt�ry odpowiada jako�ci kana�u. Je�li ��cze satcom ma nisk� warto�� No, mo�e by� potrzebny niewielki wzrost kodowania, a szybko�� transmisji danych mo�e wzrosn��. Je�li ��cze satelitarne ma wysoki poziom No, w�wczas mo�e by� konieczne wzmocnienie kodowania, aby utrzyma� jako�� danych kosztem ni�szej szybko�ci transmisji danych.

DYSTRYBUCJA B��DU

Projektanci robot�w musz� r�wnie� bardzo uwa�nie przyjrze� si� kana�owi. Przewidywanie BER jest jedn� rzecz� z metody modulacji i kodowania, ale nie robi nic dobrego, je�li plamy s�oneczne niszcz� transmisj� przez minuty lub sekundy. Wsp�czynniki b��d�w s� ��czone; wszystkie ogniwa w �a�cuchu komunikacji musz� dzia�a� w tym samym czasie. B��d w jednym linku mo�e, ale nie musi, zosta� poprawiony w innym ��czu w d� �a�cucha. Ponadto ha�as jest nieprzewidywalny. W�a�nie dlatego nazywaj� to ha�asem. To prawda, �e ma pewne w�asno�ci matematyczne, kt�re s� niezawodne w �redniej, ale przypadkowe zdarzenia mog� prowadzi� do serii b��d�w, kt�re mog� nie zosta� przechwycone przez wybrany schemat kodowania. Musimy spojrze� na g�sto�� i rozk�ad b��d�w w kanale, opr�cz wska�nika b��du. Trzeba jeszcze powiedzie� o rozk�adzie b��d�w. Niekt�re schematy kodowania (jak Viterbi, kt�re nied�ugo otrzymamy) zbieraj� wszystkie b��dy w sieci i naprawiaj� je wszystkie jednocze�nie. Problem polega na tym, �e je�li co� p�jdzie nie tak i nie wszystkie mog� zosta� naprawione, nast�pi rozerwanie sieci i lokalna pow�d� b��d�w, kt�re nie wyst�pi�yby naturalnie w taki spos�b. Ten typ sytuacji jest w rzeczywisto�ci spowodowany schematem kodowania z korekcj� b��d�w. System musi by� przygotowany na przetrwanie takiego zdarzenia. Prawdopodobnie wszyscy widzieli�my takie wybuchy b��d�w w trakcie mecz�w pi�karskich zza oceanu. Gra idzie dobrze, a� na ekranie pojawi si� ogromny czarny i zielony blok. Zobaczymy, dlaczego to nast�pi wkr�tce. Rzu�my okiem na niekt�re metody kodowania, kt�re wysy�aj� zduplikowane dane. R�ne techniki maj� ten sam podstawowy cel: zmniejszenie poziomu b��du poprzez wys�anie niekt�rych danych wi�cej ni� raz. Techniki s� zasadniczo podzielone na dwie r�ne metody. Niekt�re kana�y komunikacji s� dwukierunkowe, a wiele z nich nie. Dwukierunkowy kana� komunikacji umo�liwia retransmisj� danych na ��danie odbiorcy; jednokierunkowy kana� komunikacji nie.

KANA�Y KOMUNIKACJI DWUKIERUNKOWEJ

Dwukierunkowy kana� komunikacji umo�liwia odbiornikowi wysy�anie nadajnika informacje o stanie kana�u i integralno�ci otrzymanych danych. W dwukierunkowym kanale komunikacyjnym wykorzystywanych jest kilka narz�dzi, kt�re pomagaj� w przesy�aniu zduplikowanych danych. Narz�dzia te nie s� ograniczone do wykorzystania w kanale dwukierunkowym, ale mo�na je wykorzysta� w celu uzyskania maksymalnych korzy�ci z ��cza zwrotnego. W rzeczywisto�ci wszystkie narz�dzia u�ywane w jednokierunkowym kanale komunikacji b�d� dzia�a� r�wnie� w kanale dwukierunkowym.

SPRAWDZANIE BLOK�W

Kiedy odbiorca otrzymuje dane, musi okre�li�, w miar� mo�liwo�ci, czy kana� zmieni� dane. Nie ma znaczenia, gdzie w kanale dane zosta�y zmienione. Ha�as wywo�any burz� lub plamami s�onecznymi mo�e zmieni� dane na trasie lub odbiornik m�g� mie� tymczasowy usterk� zasilania. Liczy si� tylko to, czy bufor danych odbiornika ma te same dane, kt�re zosta�y przes�ane. Podobnie jak aspiryna butelek, kt�re pochodz� z uszczelk� bezpiecze�stwa zapewniaj�cy ochron�, dane mog� by� zapakowane w sumie kontrolnej, kt�ra b�dzie gwarantowa� integralno�� danych. Suma kontrolna to seria bit�w danych s�u��cych do podsumowania bloku danych. Nadawca mo�e odci�� strumie� danych w szeregu blok�w, kt�re mog� mie� wiele bajt�w. Suma kontrolna jest obliczana i do��czana do bloku danych przed transmisj�. Dobrze om�wi�, w jaki spos�b sumy kontrolne s� obliczane p�niej. Odbiornik zna, po wcze�niejszym ustaleniu, spos�b obliczania sumy kontrolnej. Odbiornik po otrzymaniu bloku danych (i sumy kontrolnej), niezale�nie oblicza sum� kontroln� ponownie i por�wnuje j� z odebran� sum� kontroln�. Je�li wyniki s� r�ne, istnieje problem. Je�li sumy kontrolne s� takie same, dane s� akceptowane, a odbiornik przechodzi do nast�pnego bloku. Ale za��my, �e istnieje problem. W takim przypadku mo�liwe s� r�ne dzia�ania.

Wykrywanie pojedynczego b��du

Je�li przes�ana suma kontrolna ma stosunkowo niewiele bajt�w, mo�liwe, �e b��d mo�na wykry� tylko. Mo�e nie by� wystarczaj�cych informacji, aby je poprawi� b��d lub nawet wykry� wi�cej ni� jeden b��d w bloku danych. Je�li zostanie wykryty b��d, odbiornik mo�e poprosi� nadajnik o ponowne przes�anie bloku informacji. Jeden protok� u�ywany w retransmisji danych jest om�wiony p�niej.

Wielokrotne wykrywanie b��d�w

Je�li suma kontrolna zawiera wystarczaj�c� ilo�� danych (i odpowiedni� struktur� matematyczn�), mo�e by� mo�liwe wykrycie wi�cej ni� jednego b��du w bloku danych. Uwaga: oznacza to, �e metoda s�abej sumy kontrolnej (z niewielkimi danymi w sumy kontrolnej) mo�e nawet nie wykry� �adnego b��du, je�li w bloku danych wyst�pi wi�cej ni� jeden b��d. Rozwa� natur� kana�u komunikacji u�ywanego w robocie. Je�li mo�liwe jest wyst�pienie wi�cej ni� jednego b��du w tym samym czasie, spr�buj zastosowa� metod� sumy kontrolnej zdoln� do wykrycia co najmniej wielu b��d�w. Z pewno�ci� mo�liwe jest wyst�pienie wielu b��d�w w tym samym czasie w dowolnym kanale komunikacyjnym. Kluczowym pytaniem, kt�re powinien rozwa�y� projektant robot�w, jest prawdopodobie�stwo takiego zdarzenia. Sprawd� prawdopodobie�stwo wyst�pienia b��d�w i rozk�adu b��d�w. Zak�adaj�c, �e wska�niki b��d�w s� ma�e i �e B��dy wyst�puj� niezale�nie, mo�na bezpiecznie za�o�y�, �e szansa wyst�pienia dw�ch r�wnoczesnych b��d�w w bloku jest w przybli�eniu kwadratem szansy na pojedynczy b��d w bloku. Projektant robota powinien obliczy� ten podw�jny wska�nik b��du i okre�li�, czy b�dzie to dopuszczalny poziom b��du, je�li takie b��dy prze�lizgn� si�.

Korekta pojedynczego b��du

Je�li suma kontrolna zawiera wystarczaj�ce dane, aby wykry� nie tylko b��d, ale r�wnie� go skorygowa�, dane mo�na skorygowa�, zanim odbiornik przejdzie do nast�pnego bloku danych. Nie b�dzie wymagana retransmisja z nadajnika. Nale�y zauwa�y�, �e nawet systemy korekcji b��d�w czasami b�d� pope�nia� b��dy. Si�a kodu korekcji b��d�w le�y w matematyce protoko�u. Niekt�re b��dy mog� nawet nie zosta� wykryte, niekt�re b��dy mog� nie zosta� naprawione, a niekt�re b��dy zostan� niepoprawnie poprawione. Przy stosowaniu takich metod projektant robot�w musi zbada� te poziomy b��d�w i por�wna� je z dopuszczalnym poziomem b��du.

Wielokrotna korekta b��d�w

Niekt�re sumy kontrolne maj� wystarczaj�c� ilo�� informacji do poprawienia b��d�w jednoczesnych. Nale�y zachowa� takie same �rodki ostro�no�ci, jak opisano wcze�niej. Nale�y pami�ta�, �e takie silne sumy kontrolne cz�sto poch�aniaj� du�o przepustowo�ci wysy�aj�c dodatkowe dane sumy kontrolnej; sumy kontrolne mog� zawiera� wiele bajt�w. Sumy kontrolne to mniejsze bloki danych, kt�re podsumowuj� wi�ksze bloki danych. Cz�sto sumy kontrolne nazywane s� cyklicznymi kontrolami nadmiarowo�ci (CRC). Nast�puj�ce strony internetowe wska�� niewielk� r�nic�. Oczywi�cie, je�li suma kontrolna zawiera wi�cej danych ni� ten, kt�ry podsumowuje, nie jest to zbyt u�yteczne. Ca�a idea polega na podsumowaniu bloku przesy�anych danych w niewielkiej liczbie bajt�w, aby by�a efektywna. Cz�sto suma kontrolna sk�ada si� z 1 do 8 bajt�w dodatkowych informacji podsumowuj�cych blok danych o d�ugo�ci od 32 do 1024 bajt�w. Liczby te s� arbitralne, ale powszechne. Na przyk�ad protok� TCP / IP zazwyczaj zawiera bloki danych o d�ugo�ci 512 bajt�w z sumami kontrolnymi o d�ugo�ci 2 bajt�w. Bystry obserwator zauwa�y, �e blok danych 512 bajt�w mog� by� wype�nione w 2^512x8 r�nych sposob�w. Jednak suma kontrolna z zaledwie 2 bajtami mo�e przyj�� tylko 65 535 (2^2x8) r�nych warto�ci sumy kontrolnej. Oznacza to, �e dla ka�dej mo�liwej warto�ci sumy kontrolnej oko�o 2²⁵⁶ (lub oko�o 7.4 x 10¹⁹) blok�w danych b�dzie mie� tak� sam� sum� kontroln�. Jak wi�c uciec, m�wi�c, �e ten rodzaj sumy kontrolnej jest wystarczaj�cy dla aplikacji? Je�li wyst�pi b��d, b��dny blok danych mo�e by� identyczny z jednym z kilku miliard�w blok�w danych z t� sam� sum� kontroln�. Kluczow� rzecz� do zapami�tania jest to, �e pojedynczy b��d powinien skutkowa� b��dnym blokiem danych z jedn� szans� w 65 536 na posiadanie tej samej sumy kontrolnej. Je�li ten spadek wska�nika b��du nie jest wystarczaj�co dobry, zaprojektuj robota z wi�ksz� sum� kontroln�, kt�ra mo�e by� d�u�sza. Z pewno�ci�, poniewa� algorytm matematyczny zosta� wybrany do obliczania sumy kontrolnej, upewnij si�, �e najcz�stsze b��dy powoduj� zmian� w sumach kontrolnych. Na przyk�ad b��d w jednym bicie mo�e by� powszechny i powinien skutkowa� inn� sum� kontroln�. Metoda obliczania sum kontrolnych jest cz�sto opisywana przez wielomian, matematyczny spos�b opisywania oblicze� zwi�zanych z obliczaniem sumy kontrolnej. Matematyka stoj�ca za wyborem dobrego wielomianu wykracza poza zakres tej ksi��ki. Na szcz�cie istnieje wiele standardowych wielomian�w (niekt�re wymienione poni�ej) i mo�emy wybiera� spo�r�d nich, nie wymy�laj�c ich na nowo.

BITY PARZYSTO�CI

Sp�jrzmy na przyk�ad prostej struktury sumy kontrolnej. Bity parzysto�ci, jako cz�� struktury sum kontrolnych, mog� po prostu wskazywa� liczb� bajt�w. Zasadniczo, we� bajt i zlicz swoj� liczb� w 8 bitach. Je�li u�ywamy parzystego schematu parzysto�ci, liczba bit�w w bitach (w tym bit parzysto�ci) musi by� r�wna. Na przyk�ad, je�li w bajcie danych znajduje si� parzysta liczba, to nale�y doda� dziewi�ty bit parzysto�ci zawieraj�cy zero do bajtu, aby zachowa� parzysto�� parzyst�. Je�li liczba bajt�w w bajcie jest nieparzysta, to dodaj jeden jako dziewi�ty bit parzysto�ci, aby uzyska� parzysto��. Je�li zrobimy to dla ka�dego bajtu w bloku danych, to b��dy jednego bitu w dowolnym bajcie "zetn�" ten bajt jako z�y. B�dziemy w stanie wykry� b��dy pojedynczego bitu w bloku danych kosztem zwi�kszenia danych o 1/8. Je�li obliczymy r�wnie� parzysto�� dla ka�dego bitu, w ca�ym bloku danych uzyskamy wi�cej mo�liwo�ci. Mo�emy na przyk�ad obliczy� liczb� jedynek w pozycji 0 bit�w dla ca�ego bloku danych i do��czy� bajt parzysto�ci kolumny na ko�cu bloku danych zawieraj�cego pojedynczy 9- bitowy numer. Bajt parzysto�ci kolumny b�dzie zawiera� parzysto�� obliczon� dla 0, 1, 2,. . . �smy i dziewi�te kolumny bit�w w bloku danych. Nast�pnie, je�li pojedynczy bit jest uszkodzony w bloku danych, bit parzysto�ci tego bajtu b�dzie sygnalizowa�, kt�ry bajt jest b��dny, a bajt parzysto�ci kolumny poka�e nam, kt�ry bit jest b��dny w tym bajcie. Umo�liwi nam to poprawienie b��d�w pojedynczego bitu w bloku danych przez powielenie i rozszerzenie bloku danych o oko�o 1/8. To nie jest bardzo silny kod; lepsze mog� by� tworzone. �atwo jest stworzy� nasz w�asny kod, ale musimy by� pewni, �e odpowiada wymaganiom �rodowiska operacyjnego robota. Si�a kodu powinna odpowiada� wska�nikom b��d�w, rozk�adowi b��d�w i tolerancji, kt�r� robot ma na b��dy.

SUMA KONTROLNA REEDA-SALOMONA

Jednym z najcz�ciej u�ywanych oblicze� sumy kontrolnej jest kod Reeda-Solomona (RS). Ten typ kodu mo�e korygowa� wiele b��d�w w bloku danych. Pow�d, dla kt�rego jest to u�yteczne, zostanie wkr�tce przedstawiony. Kodowanie RS r�wnie� rozszerza blok danych przez do��czanie bajt�w parzysto�ci. Jednym popularnym kodem RS jest RS (255,233), kt�ry rozszerza 233-bajtowy blok danych do 256 bajt�w, do��czaj�c 32 bajty sum kontrolnych parzysto�ci, rozszerzaj�c blok danych o wsp�czynnik oko�o 14 procent. Wielomian RS (255,233) umo�liwia jednoczesn� korekt� do 16 r�nych bajt�w. Inny popularny kod RS jest wykorzystywany w satelitarnych transmisjach wideo. Standard Digital Video Broadcast-Satellite (DVB-S) zosta� ustandaryzowany w zakresie transmisji wideo MPEG2 za pomoc�, mi�dzy innymi, RS (204188). Ten kod do��cza 16 bajt�w sumy kontrolnej parzysto�ci do bloku danych 188 bajt�w dla rozszerzenia kodu o oko�o 8,5 procent. Wielomian RS (204,188) umo�liwia jednoczesn� korekt� do o�miu r�nych bajt�w. Strona wy�wietla obraz, pokazuje graficznie ilo�� nadmiarowych danych, pozwala nam wprowadza� b��dy na obrazie graficznym za pomoc� myszy i koryguje b��dy na naszych oczach. Je�li wprowadzono zbyt wiele b��d�w, b��d�w nie mo�na poprawi�. To ilustruje ograniczenia kodowania blokowego.

RETRANSMISJA

Je�li zostanie wykryty b��d, odbiornik mo�e wys�a� NACK lub Potwierdzenie negatywne z powrotem do nadajnika. Ten komunikat NACK za��da retransmisji b��dnego bloku danych. Niekt�re dwukierunkowe protoko�y komunikacyjne wymagaj� od odbiornika przes�ania potwierdzenia (ACK), aby potwierdzi� odbi�r ka�dego doskonale dobrego bloku danych. Je�li kana� komunikacyjny narzuca znacz�ce op�nienie na transmisje (na przyk�ad co mo�e si� zdarzy� robotowi zdalnej sondy kosmicznej), w�wczas wys�anie komunikatu ACK (lub NACK) dla ka�dego bloku danych jest niepraktyczne. Je�eli protok� transmisji umo�liwia nadajnikowi przesy�anie wielu blok�w danych bez odbierania komunikat�w z odbiornika, w�wczas nadajnik musi do��czy� identyfikator do ka�dego wysy�anego bloku danych. Identyfikator jest cz�sto po prostu kolejn� liczb� wystarczaj�c� do rozr�nienia ka�dego bloku danych od s�siednich s�siad�w. Odbiornik po zidentyfikowaniu z�ej sumy kontrolnej do��cza identyfikator uszkodzonego bloku do wiadomo�ci NACK dla tego bloku. Kiedy nadajnik odbierze komunikat NACK, ponownie sk�ada si� z bloku danych, kt�ry odpowiada identyfikatorowi i przesy�a go ponownie. Odbiornik musi obliczy� sum� kontroln� otrzymanej retransmisji i zaakceptowa� blok danych. Zauwa�, �e b�dzie to wymaga�o zar�wno od odbiornika, jak i nadajnika do buforowania (przechowywania) wielu blok�w danych w pami�ci podczas cyklu transmisji. Nale�y pami�ta�, �e niekt�re protoko�y komunikacyjne nie mog� u�ywa� retransmisji jako narz�dzia aby zmniejszy� b��dy. Na przyk�ad ��cza wideo i audio nie mog� korzysta� z retransmisji. Strumieni wideo i audio nie mo�na wstrzyma�, gdy dane s� retransmitowane, poniewa� ekran zostanie wyzerowany. Te strumienie danych musz� by� ci�gle dost�pne w nadajniku i polega� wy��cznie na jednokierunkowej transmisji danych.

STROJENIE KANA��W

Dwukierunkowe ��cze komunikacyjne mo�na zoptymalizowa� w czasie rzeczywistym, wysy�aj�c sterowanie informacje w obu kierunkach. Kana�y mog� si� zmienia� wraz z up�ywem czasu, a czasem trzeba je odpowiednio skonfigurowa�. Niekt�re protoko�y komunikacyjne maj� wbudowane sygna�y steruj�ce i okre�lone algorytmy dostrajania, kt�re utrzymuj� po��czenie komunikacyjne w zdrowiu i niezawodno�ci. Do dostrojenia systemu mo�na u�y� nast�puj�cych metod:

• Zasilanie ��cze do przesy�ania danych cz�sto dzia�a lepiej, je�li do transmisji ka�dego bitu wykorzystuje si� wi�cej mocy. Stosunek Eb / No jest bezpo�rednio dotkni�ty. Odbiornik mo�e zmierzy� si�� sygna�u, kt�r� odbiera z nadajnika. Je�li ustali, �e sygna� jest zbyt s�aby, odbiornik mo�e wys�a� ��danie do nadajnika, aby zwi�kszy� jego moc podczas nadawania. W ten sam spos�b nadajnik mo�e za��da� od odbiorcy zwi�kszenia jego mocy nadawczej. Ta technika mo�e by� stosowana we wszystkich dwukierunkowych ��czach komunikacyjnych, o ile moc pozostaje w granicach. Jednak to, co mo�na zrobi� dzi�ki kontroli mocy, jest ograniczone. Zbyt du�a moc mo�e zanieczy�ci� widmo i uniemo�liwi� prawid�owe dzia�anie ��cza komunikacyjnego. Odpowiednio skonstruowany protok� kontroli mocy dla ��cza komunikacyjnego cz�sto zawiera ograniczenie odbieranej mocy. Je�eli odbiornik wyczuje zbyt du�� moc sygna�u pochodz�cego z nadajnika, mo�e za��da� od nadajnika zmniejszenia si�y sygna�u do akceptowalnego poziomu. W ko�cu sygna� dla jednego odbiornika mo�e by� po prostu szumem dla innego odbiornika. Konieczna jest zatem pewna wsp�praca. Protok� wielokrotnego dost�pu z podzia�em kodowym (CDMA) wykorzystuje w�a�nie taki protok� sterowania moc�, aby zoptymalizowa� ��cze komunikacyjne. Ta technika jest szczeg�lnie przydatna w sytuacjach, gdy telefon kom�rkowy przemieszcza si� z jednego obszaru do drugiego w samochodzie. Kom�rkowe stacje bazowe u�ywane przez telefon zmieniaj� si� w miar� poruszania si� telefonu. Aby upewni� si�, �e telefon jest dobrze zachowany i nie przeszkadza s�siednim telefonom, u�ywana jest regulacja mocy.
• Zmiany kodu Je�li ��cze komunikacyjne zaczyna si� pogarsza�, inna technika kt�ra mo�e by� u�yta to zmiana kodowania. Po wcze�niejszym uzgodnieniu, odbiornik i nadajnik mo�e wstrzymywa� i zmienia� metody kodowania. Silniejsze kody korekcji b��d�w t�umaczy� bezpo�rednio na wzmocnienie kodowania, kt�re mo�na doda� do Eb / No. Tak jak m�wili�my wcze�niej oznacza to zwykle, �e zostanie wys�ana dodatkowa ilo�� zb�dnych danych w takiej czy innej formie. Poniewa� dodatkowe dane b�d� wysy�ane przez kana� i od tego czasu kana� Eb / Brak warto�ci jest ju� marginalny, sensownym jest przej�cie na ni�szy poziom przepustowo�� dla transmisji danych. Je�li mniej faktycznych danych jest wysy�anych, wi�cej jest zb�dnych dane mog� by� do��czane, a moc kana�u na bit pozostaje taka sama. Konkretny przyk�ad tego mo�na znale�� w transmisjach wideo MPEG. Wi�kszo�� Transmisje MPEG s� jednokierunkowe, ale niekt�re ��cza wideo maj� kontrol� zwrotn� kana�y o znacznie ni�szej przepustowo�ci. Chocia� wideo mo�e by� przesy�ane jednokierunkowo ��cza satelitarne, kana� rewersyjny mo�e zosta� ustanowiony przez telefon. W miejscu nadajnika kompresor MPEG pobiera sygna� wideo i kompresuje u�ywaj�c algorytm�w MPEG. Kompresor ma do wyboru kilka kompresji algorytmy, kt�re mog� �ci�n�� obraz wideo na coraz mniejsze ilo�ci danych (kosztem jako�ci obrazu). Kompresor nast�pnie koduje Dane MPEG do transmisji przez kana� za pomoc� kod�w Viterbi i RS, kt�re do��cz nadmiarowe dane. Odbiornik u�ywa kod�w Viterbi i RS, aby wyeliminowa� b��dy, a nast�pnie dekompresuje obraz wideo. Je�li odbiornik nie mo�e poprawi� wszystkich b��d�w, obraz zacznie si� rozpada�. Odbiornik mo�e u�y� ��cza do sterowania zwrotnego, aby za��da� lepszej metody kodowania kana��w. Spr�arka w miejscu nadajnika u�ywa silniejszego algorytmu kompresji aby zmniejszy� ilo�� wysy�anych danych i wybra� silniejsz� kombinacj� Viterbi i RS. Kodowanie kana�u ponownie przywraca dane do pierwotnej warto�ci. Odbiornik b�dzie wtedy w stanie skorygowa� wszystkie b��dy i przedstawi� czysty obraz. Obraz wideo mo�e nie by� tak dobry jak wcze�niej (ze wzgl�du na dodatkow� kompresj�), ale przynajmniej obrazy przechodz�.

KANA�Y KOMUNIKACJI UNIDUALNEJ

Om�wili�my lub wspominali�my ju� wiele metod stosowanych w celu zmniejszenia liczby b��d�w kana�y komunikacji. Z wyj�tkiem wniosk�w o retransmisje, kt�re s� niemo�liwe w jednokierunkowy kana� komunikacji, mo�na stosowa� wi�kszo�� tych samych technik. Om�wimy jeszcze kilka u�ywanych protoko��w, ale nie zajmiemy si� zbyt du�� g��bi�. Jednak, aby odpowiednio okre�li� ��cze komunikacyjne dla robota, musimy zrozumie� opcje. Musimy zda� sobie spraw�, �e jednokierunkowe ��cze komunikacyjne mo�e by� z powodzeniem stosowane tylko wtedy, gdy spe�nione s� nast�puj�ce dwa warunki:

• Docelowy wska�nik b��du odbiornika musi by� ustawiony tak, aby by� akceptowalny, bior�c pod uwag� specyfikacj� dzia�ania. Mo�emy do�� dobrze okre�li� z g�ry, jaki poziom b��du b�dzie akceptowalny dla dzia�ania robota.
• Dane odbierane przez odbiornik musz� mie� odpowiedni� ilo�� i jako��, aby utrzyma� wystarczaj�co wysok� szybko�� transmisji danych, a poziom b��du odbiorcy by� poni�ej akceptowalnej warto�ci docelowej.

Aby osi�gn�� drugi cel, powinni�my przejrze� dost�pne narz�dzia. W przypadku komunikacja dwukierunkowa, rozmawiali�my ju� o kodowaniu blokowym, tuningu kana�u i retransmisji. Poniewa� zar�wno tuningowanie kana��w, jak i retransmisja nie s� mo�liwe bez kana�u zwrotnego, powinni�my zbada� kodowanie dalej. Om�wili�my ju� kodowanie blokowe i sumy kontrolne o pewnej d�ugo�ci. Bity parzysto�ci i kodowanie RS to narz�dzia, kt�re mog� by� u�ywane w jednokierunkowym ��czu komunikacyjnym. Cz�sto nazw� jednokierunkowych metod korekcji b��d�w jest korekcja b��d�w w prz�d (FEC). Ma t� nazw�, poniewa� wszystkie informacje o korekcji b��d�w poruszaj� si� do przodu; nie istnieje ��cze do odwrotnej komunikacji.

PO��CZNE KODY

Og�ln� ide� ��czonych kod�w jest gromadzenie losowo rozmieszczonych b��d�w w jednym miejscu, w kt�rym mo�emy je wydajnie i niezawodnie wysy�a�. To mo�e by� nadmierne uproszczenie, ale tak w�a�nie postrzegam t� technik�. Dane sygna�u wideo MPEG s� nadawane w formacie DVB na satelitach przy u�yciu tego typu po��czonego kodowania. Om�wimy p�niej kompresj� MPEG i format DVB. Opis ka�dego bloku na rysunku jest nast�puj�cy:

• Kompresor MPEG Przesy�ane sygna�y wideo, generowane przez kamer� wideo, s� akceptowane przez dane wej�ciowe do kompresora MPEG. Spr�arka ma kilka silnik�w do przetwarzania sygna��w cyfrowych (DSP), kt�re kompresuj� sygna�. Om�wimy kompresj� danych p�niej.
• Koder RS Skompresowany sygna� jest przesy�any do nadajnika RS, kt�ry dodaje dane sumy kontrolnej, jak opisano powy�ej.
• Uk�ad przeplotu Uk�ad przeplotu jest urz�dzeniem przeplataj�cym dane, kt�re pobiera s�siaduj�ce bajty i oddziela je Nie rozszerza on bloku danych, kt�ry otrzymuje, ale zmienia kolejno�� bajt�w w bloku danych. Celem elementu przeplataj�cego jest uporz�dkowanie danych, aby element rozplataj�cy m�g� rozdzieli� s�siednie b��dy, czyni�c je niezale�nymi.
• Kody ewolucyjne Koder splotowy skutecznie dodaje dodatkowe dane do ka�dego symbolu danych. Istnieje kilka r�nych rodzaj�w kod�w splotowych, z kt�rych najbardziej popularnymi s� kody Viterbiego i Turbo. Kody te maj� tendencj� do rozszerzania danych bardziej ni� kodowanie RS, z wyj�tkiem danych dodawanych niemal bajt po bajcie.
• Modulator Jak wspomniano wcze�niej, modulator danych zmienia kszta�ty fali no�nej zgodnie z przekazanymi danymi. Nawet po jednokrotnym modulowaniu danych wynikowy kszta�t fali mo�e by� modulowany po raz drugi w celu zwi�kszenia cz�stotliwo�ci dla okre�lonych pasm cz�stotliwo�ci komunikacyjnych.
• Kana� Kana� transmisji danych jest standardowym ��czem komunikacyjnym (takim jak ��cze satelitarne) z b��dami dodanymi w wyniku zak��ce� i szum�w.
• Demodulator Demodulator zasadniczo ma odwrotn� funkcj� modulatora. Cz�sto cz�stotliwo�� zostanie cofni�ta raz z pierwszym etapem demodulatora. Dane zostan� nast�pnie oddzielone od fali no�nej w ko�cowym etapie demodulacji. Dane wyj�ciowe demodulatora powinny by� identyczne z danymi wej�ciowymi modulatora, z wyj�tkiem b��d�w wprowadzanych przez szum kana�u.
• Dekoder konwolucyjny Dekoder splotowy skutecznie usuwa dodatkowe dane, kt�re koder splotowy dodaje do ka�dego symbolu danych. Dekoder musi pasowa� do kodera splotowego. Wyj�cie dekodera powinno by� identyczne z wej�ciem do enkodera splotowego, z wyj�tkiem b��d�w wprowadzanych przez szum kana�u.
• ozplatanie Element rozplataj�cy to tasownik danych, kt�ry pobiera s�siaduj�ce bajty i je rozdziela. Nie rozszerza on bloku danych, kt�ry otrzymuje, ale zmienia kolejno�� bajt�w w bloku danych. Celem elementu rozplataj�cego jest rozdzielenie s�siednich b��d�w (serii b��d�w) wychodz�cych z dekodera. Powoduje to, �e ka�dy bitowy b��d jest niezale�ny.
• Dekoder RS Dekoder RS, jak to om�wiono poprzednio, usuwa dane sumy kontrolnej i koryguje b��dy, jak to om�wiono poprzednio. Wyj�cie dekodera RS, zak�adaj�c, �e wszystkie b��dy kana��w s� poprawione, jest identyczne z danymi wyj�ciowymi ze spr�arki MPEG.
• Dekompresor MPEG Dekompresor ma silnik obliczeniowy DSP dekompresuje dane wideo MPEG. Wyj�cie dekompresora jest transmisj� sygna� wideo odpowiedni do ogl�dania.

Kana�

Kana� transmisji danych jest standardowym ��czem komunikacyjnym z b��dami dodanymi w wyniku zak��ce� i szum�w. B��dy danych mog� wyst�powa� w przypadkowych odst�pach czasu lub w skoncentrowanych seriach. Takie b��dy s� nast�puj�ce:

• Losowe b��dy Losowe b��dy s� naj�atwiejsze do naprawienia. Istniej�ce po��czone kody s� dobrze dostosowane do ustalania losowych b��d�w.
• Wybuchy b��d�w Istniej�ce po��czone kody s� do�� dobrze dostosowane do naprawienia serii b��d�w. Te splotowe kody maj� tendencj� do koncentrowania b��d�w w kr�tkich seriach. Oczywi�cie, je�li wyst�pi zbyt wiele b��d�w, nie wszystkie mog� zosta� naprawione.
• Regularnie b��dy przestrzeni Istniej�ce po��czone kody maj� najwi�cej problem�w z b��dami, kt�re wyst�puj� w regularnych odst�pach czasu. Szczeg�lnie kody kod�w RS s� najs�absze w korygowaniu takich b��d�w. Nie znaczy to, �e kody te nie zajm� si� b��dami dystrybuowanymi w taki spos�b. Po prostu ostro�nie zaprojektuj ��cze komunikacyjne, je�li ha�as jest w jaki� spos�b zorganizowany.
• Demodulator Og�lnie rzecz bior�c, demodulator nie dodaje zbyt wiele szumu do sygna��w w kanale. Doda to niewielk� ilo��, ale zanim demodulator zako�czy prac�, ca�y szum kana�u zostanie zamieniony w cyfrowy szum, dane z pewnymi b��dami. Losowy szum z kana�u jest pokazany w niezmienionej postaci po demodulacji.
• Dekoder konwolucyjny Dekoder splotowy ma tendencj� do gromadzenia b��d�w i ich korygowania. Kiedy si� nie powiedzie, przepuszcza seri� b��d�w. Og�lnie rzecz bior�c, zwykle zbiera b��dy w czasie. Jest to najbardziej u�yteczna funkcja, poniewa� spowoduje, �e wyj�cie elementu rozplataj�cego b�dzie bardzo przewidywalne. Ha�as jest pokazany zebrany w impulsy po dekoderze splotowym.
• Rozplatanie Element rozplataj�cy pobiera serie b��d�w, kt�re wychodz� z dekodera splotowego i rozk�ada je r�wnomiernie w czasie. To ustawia je wszystkie indywidualnie wybierane przez dekoder RS i poprawiane. Wy�wietlany jest ha�as roz�o�y� na regularny wz�r po rozplataniu.
• Dekoder RS Dekoder RS, jak wspomniano wcze�niej, jest w stanie korygowa� b��dy wielu bajt�w w bloku danych. Wi�kszo�� po��czonych kod�w jest skonstruowanych w taki spos�b, �e seria b��d�w wychodz�cych z dekodera splotowego nie zawiera na og� wi�cej bajt�w, ni� dekoder RS jest zdolny do korygowania. Ha�as jest pokazany ca�kowicie skorygowany po dekoderze RS. Zako�czy�o to okre�lony cel pokazuj�cy, jak dzia�aj� po��czone kody. W praktyce, oczywi�cie, zawsze pojawia si� pewien ha�as.
• Dekompresor MPEG Dekompresor MPEG nie dodaje �adnych b��d�w do strumie� danych. Takie kody s� wykorzystywane w transmisji danych wideo przez ��cza satelitarne.

KODY KONWERGENCYJNE

Kody ewolucyjne zwi�kszaj� nadmiarowo�� danych w strumieniu danych. Dekodery maj� pami�� wewn�trzn� i op�niaj� wyj�cie danych. Nadmiarowe dane mo�na doda� na kilka r�nych sposob�w.

Zwi�kszanie przepustowo�ci

Oczywi�cie, nadmiarowe dane mo�na po prostu doda� do istniej�cych danych. Je�li tak si� stanie, do transmisji dodatkowych danych wymagana jest dodatkowa przepustowo��. Mo�emy zilustrowa� to opisywanie

Kody Viterbiego.

Enkoder Viterbi (w nadajniku) Kiedy mo�emy zwi�kszy� przepustowo��, kody Viterbiego okre�laj� automat stan�w, kt�ry ma nierozwini�te dane jako dane wej�ciowe. Automat stan�w tworzy dane wyj�ciowe. Maszyna stan�w zmienia stany w zale�no�ci od przep�ywu bit�w danych wej�ciowych. Ka�dy z nich i zero od nierozwini�tych danych robi dwie rzeczy:

• Zmienia stany Stan automatu zmienia stan dla ka�dego z nich i nadchodzi zero od nierozwini�tych danych wej�ciowych.
• Dane wyj�ciowe Za ka�dym razem, gdy automat stan�w odbiera bit wej�ciowy i zmienia stan, wyprowadza niekt�re dane. Generalnie, wi�cej bit�w jest wyprowadzanych ni� wej�cie, wi�c enkoder Viterbiego rozszerza dane.

Poniewa� w maszynie stanu Viterbiego istniej� wi�cej ni� dwa stany, ka�da zmiana stanu wyklucza niekt�re pa�stwa na korzy�� tych dw�ch stan�w, kt�re s� jedynymi mo�liwymi skutkami zmiany. Je�li, na przyk�ad, automat stan�w ma cztery stany, to jeden lub zero mo�e tylko spowodowa� zmian� automatu stan�w na jeden z dw�ch r�nych stan�w. Pozosta�e dwa stany to zabronione zmiany. Jest to klucz do tego, w jaki spos�b dekoder Viterbiego poprawia b��dy.

Dekoder Viterbiego

To wielkie uproszczenie, ale oto kr�tkie wyja�nienie, w jaki spos�b dekoder Viterbiego koryguje b��dy. Dekoder Viterbiego wie a priori, w jaki spos�b Viterbi funkcje enkoder�w. Poniewa� dekoder zna zachowanie enkodera, mo�e wykry� podejrzane dane zmienione przez szum w kanale. Losowe zmiany spowodowane szumem nie mog� w pe�ni na�ladowa� aktywno�ci enkodera. Zatem dekoder mo�e wykrywa� oznaki sabota�u. Dekoder przyjmuje bity wej�ciowe przychodz�ce bezpo�rednio z kana�u przez demodulator. Dekoder posiada r�wnie� automat stan�w, kt�ry zmienia stany na podstawie odebranych bit�w danych. Gdy odbierane s� rozszerzone dane wej�ciowe, maszyna stanu dekodera wykonuje dwie rzeczy:

• Stan zmian Poniewa� rozszerzone bity danych s� odbierane z demodulatora, s� dekodowane w celu okre�lenia nast�pnego stanu maszyny stanu dekodera. Historia zmian stanu jest akumulowana z powrotem kilka cykli.
• Dane wyj�ciowe Gdy maszyna stanu dekodera zmienia stany, wyzwala zbadanie danych o zmianie stanu historycznego. Je�li dane historyczne maj� sens, nast�pnie dekoder wyprowadza nierozwini�te dane, kt�re s� przechowywane w danych historycznych. Og�lnie rzecz bior�c, wyj�cie ma mniej bit�w ni� dane wej�ciowe. W ten spos�b dekoder Viterbiego pobiera pierwotnie nierozwini�te dane.

Dekoder nie wysy�a �adnych nieuporz�dkowanych danych, dop�ki nie upewni si�, �e je przeczesa� b��dy ze strumienia wej�ciowego. Oszcz�dzi to danych, dop�ki tak si� nie stanie. Dekoder przegl�da najnowsz� histori� zmian stanu, aby sprawdzi�, czy te zmiany maj� sens. Je�li historia wygl�da podejrzanie, dekoder Viterbiego uwa�a, �e jeden lub wi�cej odebranych bit�w danych mog�o by� b��dne. Jeden po drugim dekoder przegl�da najnowsz� histori�, analizuje ka�dy otrzymany ostatnio bit wej�ciowy i rozwa�a, co by si� sta�o, gdyby ten bit by� b��dny. Dekoder okre�la, jak hipotetyczna historia wygl�da�aby w tym przypadku. Je�li hipotetyczna historia wygl�da znacznie lepiej, dekoder uwzgl�dnia fakt, �e bit wej�ciowy m�g� by� b��dny. Gdy dekoder znajdzie najbardziej satysfakcjonuj�c� histori� hipotetyczn�, wyprowadza te hipotetyczne dane jako prawdziwe, poprawione, nierozwini�te dane. Jak wspomnieli�my wcze�niej, je�li dekoder Viterbiego nie mo�e poprawi� wszystkich b��d�w, to przynajmniej gromadzi je wszystkie w jednym miejscu. Poniewa� przechowuje histori� danych przed podj�ciem decyzji i uzyskaniem danych wyj�ciowych, wypisze wszystkie ostatnie b��dy w serii, gdy zawiedzie w swoim zadaniu. Nawet w przypadku niepowodzenia jest to klucz do sukcesu. Element rozplataj�cy rozk�ada seri� b��d�w, aby kody RS mog�y je korygowa�. Wyobra� sobie dekoder Viterbiego, ale pomi� jego b��dy w jednym rogu i wyceluj je w dekoder RS, aby zamiast tego mo�na by�o je wyczy�ci�. Przypominamy, �e ta wersja kodowania Viterbiego odnosi si� do przypadku, w kt�rym transmituj�cy koder Viterbiego mo�e rozszerza� dane przed transmisj�. Enkoder w ten spos�b organizuje nierozwini�te dane w rozszerzone dane, kt�re maj� w sobie rozpoznawalne wzorce. Te rozpoznawalne wzorce danych s� tym, co sprawdza dekoder, aby okre�li�, czy odebrane, rozszerzone dane s� podejrzane. Metryka, kt�rej dekoder u�ywa do badania danych, to odleg�o�� Hamminga (ca�kowita liczba r�nic bitowych) mi�dzy rzeczywistymi odebranymi danymi a hipotetycznymi odebranymi danymi. Algorytm Viterbiego jest wbudowany w wiele standardowych system�w komunikacyjnych. Najwa�niejsz� rzecz�, o kt�rej nale�y pami�ta� przy korzystaniu z algorytmu Viterbiego, jest to, �e ma r�ne stopnie si�y w zale�no�ci od pewnych parametr�w. Je�li parametry mo�na zmienia�, silniejsze kody b�d� mia�y tendencj� do rozszerzania danych bardziej.

Pasmo ograniczone

Czasami nie ma dodatkowej przepustowo�ci do pracy i nie mo�emy u�ywa� kodowania Viterbiego do rozszerzania danych w og�le. Je�li chcemy, aby cz�� przes�anych danych by�a nadmiarowa, musimy wyrzuci� jak�� przepustowo��. Troch� mniej oryginalnych danych jest przesy�anych, ale przepustowo�� jest wype�niona pewnymi nadmiarowymi danymi. Ca�kowita przepustowo�� pozostaje niezmieniona. Operator ��cza komunikacyjnego musi zdecydowa�, ile przepustowo�ci danych ma podda� si�. Mo�na zastosowa� kodowanie Trellis i dekodowanie Viterbiego. Kody te rozszerzaj� dane o ostateczn� warto�� na podstawie si�y kodowania. Operator ��cza komunikacyjnego mo�e wybra� kod i zmniejszy� dane wej�ciowe o odpowiedni� warto��, aby rozszerzenie kodu wype�nia�o przepustowo�� kana�u. Pami�taj, �e celem tego rodzaju kodowania jest uporz�dkowanie danych wej�ciowych za pomoc� rozpoznawalnych wzor�w, aby dekoder m�g� okre�li�, czy zak��cenia kana�u zmieni�y go. Technika zwykle stosowana do tego celu polega na po�wi�ceniu niekt�rych pozycji symboli w konstelacji symbolu. Za��my na przyk�ad, �e konstelacja symbolu pokazuje 64 QAM, kt�re widzieli�my wcze�niej. W przypadku QAM, kt�ra nie jest zakodowana, wszystkie przej�cia s� mo�liwe. Sygna� mo�e przej�� od dowolnego znaku X do dowolnego innego znaku X, aby zasygnalizowa� transmisj� 6 dodatkowych bit�w (26 = 64). Ale mo�liwe jest ograniczenie mo�liwych przej�� w rozpoznawalny spos�b. Je�li, na przyk�ad, mo�na przeskoczy� tylko z jednego znaku X do zaledwie 32 innych znak�w X, to tylko przej�cie przez 5 (25 = 32). Szybko�� przesy�ania danych by�aby zredukowana o po�ow�, ale sygna� musia�by by� zgodny z odr�bnym zestawem regu�, kt�re by�yby znane dekoderowi. Dekoder by�by w�wczas w lepszej pozycji do wykrycia b��d�w za pomoc� �rodk�w, opisanych wcze�niej. Inn� technik� ograniczania przej��, jakie mog� uzyska� symbole, jest dos�owne dostarczanie dodatkowych pozycji symbolu. Rozwa�my na razie system 16 QAM z konstelacj� symbolu

Mo�na podwoi� liczb� pozycji symboli, aby utworzy� system 32 QAM i podwoi� je ponownie, aby utworzy� system 64 QAM. Symbole w systemie 32 QAM mog� by� rozmieszczone w dowolnym uk�adzie geometrycznym, ale najlepiej upakowane w przybli�eniu ko�a

Je�eli system 16 QAM nadal b�dzie transmitowa� r�wnowarto�� 4 bit�w na symbol, koder mo�e spakowa� dane nadmiarowe przez ograniczenie 32 lub 64 r�nych lokalizacji symboli, kt�re b�d� dozwolone przej�cia. To skutecznie wprowadza mo�liwy do zidentyfikowania wz�r w danych bez zwi�kszania przepustowo�ci. Mo�na nadal u�ywa� dekodera Viterbiego, ale wykorzystuje on odleg�o�� mi�dzy symbolami jako wska�nik, poniewa� wyszukuje podejrzane przej�cia danych.

Kodowanie Turbo

Pewne post�py poczyniono od czasu, gdy Viterbi wyda� swoje kody pod koniec lat 60. Z�o�ono�� dekodera Viterbiego ma tendencj� do wzrostu wyk�adniczego w celu zwi�kszenia przyrostu kodowania. Klasyczne kody turbo s� ju� od jakiego� czasu niedost�pne, z du�o lepszymi wynikami, ale klasyczne kody turbo maj� pewne ograniczenia, osi�gaj�c limit poni�ej limitu miasta Shannon capa. Ponadto, klasyczne kody turbo s� skomplikowane do obliczenia i wykorzystania kosztownego sprz�tu. Kodowanie produkt�w Turbo (ulepszenie klasycznych kod�w turbo) jest bardziej obiecuj�ce. Technika ta pozwala wyznaczonemu projektantowi ��cza komunikacyjnego uzyska� arbitralnie blisk� granic� pojemno�ci Shannona, przesy�aj�c tyle danych przez kana�, na ile pozwala na to wsp�czynnik S / N. Wymagana jest du�a ilo�� oblicze�, ale obliczenia s� zwykle iteracyjne i nadaj� si� do implementacji w krzemie. Wydajno�� jest w du�ej mierze ograniczona limitami pami�ci. Kody produkt�w Turbo zast�puj� ca�y po��czony �a�cuch RS, Viterbi. Osi�gni�ta wydajno�� mo�e przynie�� krzyw� BER w arbitralnie ma�ej liczbie dB limitu Shannon. Kodowanie jest podobne do kodu blokowego RS, z bajtami danych i sumy kontrolnej, ale ma kilka r�nic. Przede wszystkim, podczas gdy RS ma rz�d danych i bajt�w sumy kontrolnej, kody produkt�w turbo maj� tr�jwymiarow� struktur�. Sumy kontrolne s� obliczane dla wszystkich trzech wymiar�w dla danych: x, yi z. W ten spos�b oryginalne dane otrzymuj� sumy kontrolne b��d�w w wielu kierunkach. Dekoder ma stosunkowo prosty silnik obliczeniowy. Dekoder dzia�a na jedn� sum� kontroln� jednocze�nie, wykonuj�c sumy kontrolne wektorowe X, Y i Z w oddzielnych obliczeniach. Za ka�dym razem, gdy silnik obliczeniowy dekodera wprowadza poprawki na wektorze, zmienia wyniki w pozosta�ych dw�ch wymiarach. Gdy dekoder zostanie u�yty we wszystkich wektorach we wszystkich trzech wymiarach, ca�y proces mo�e rozpocz�� si� od nowa. Dekoder mo�e przetwarza� dane tyle razy, ile potrzeba, aby dane by�y jak najlepsze. Im wi�cej razy dekoder jest u�ywany, tym lepsze wyniki. Je�li wiadomo, �e dane zawieraj� wiele b��d�w szumu, dekoder mo�e by� u�ywany kilka razy. Je�li wiadomo, �e dane s� do�� czyste, dekoder mo�e by� u�yty jeden lub dwa razy. Wystarczaj�ca ilo�� informacji jest wbudowana w pierwotnie przes�ane dane, dzi�ki czemu dekoder wie, kiedy przerwa� iteracj� otrzymanych danych.

PRZEPLATANIE

Przeplatanie jest sposobem na rozprzestrzenianie si� b��d�w. Cz�sto stosowany b�dzie schemat koryguj�cy b��dy zepsuj, je�li b��dy wyst�pi� w regularnym wzorze. Na przyk�ad kody Viterbiego zbieraj b��dy w skoncentrowanych seriach. Modu� przeplotu pobiera s�siaduj�ce dane i rozsuwa je, podobnie jak talia kart jest tasowana. Dane nie s� po prostu rozwini�te uporz�dkowane. Enkoder mo�e przeplata� dane przed transmisj�, a dekoder mo�e rozplata� dane po odebraniu. Przeplatanie mo�na wykona� na wiele r�nych sposob�w, z kt�rych ka�dy przenosi okre�lone wady i zalety. Oto dolny wiersz na przeplatanie. Og�lnie, je�li przeplatanie jest u�ywane w standardowym protokole ��cza komunikacyjnego, wszystkie opcje s� ju� okre�lone. W takim przypadku �aden wyb�r nie wp�ynie na wydajno�� cza komunikacyjnego.

Dost�p wsp�dzielony

��cza komunikacyjne s� cz�sto u�ywane przez wiele jednostek komunikacyjnych: �r�d�a i miejsca docelowe. Czasami byty s� na osobnych komputerach; czasami s� w oddzielnych procesach na tym samym komputerze. Je�li ��cze ma wiele �r�de� i miejsc docelowych, musi rywalizowa� o wykorzystanie��cza komunikacyjnego. Cz�sto warstwa fizyczna nie pozwala im jednocze�nie korzysta� z ��cza komunikacyjnego. Projektant ��cza komunikacyjnego musi opracowa� strategi�, kt�ra umo�liwi ka�dej jednostce komunikacyjnej maksymaln� ilo�� dost�pu do odpowiedniej jednostki komunikacji na drugim ko�cu ��cza. Bior�c pod uwag�, �e ��cze komunikacyjne ma ograniczon� przepustowo��, projektanci musz� zwraca� uwag� na wiele r�nych wymaga�.

PASMO

Ka�da sesja komunikacyjna mi�dzy jednostkami ma r�ne wymagania dotycz�ce przepustowo�ci. Wymagania dotycz�ce przepustowo�ci mog� zmienia� si� z czasem. Niekt�re sesje wymagaj� bardzo sta�ej przepustowo�ci, a niekt�re sesje nagle wymagaj� du�ego procentu dost�pnej przepustowo�ci. Sesje te b�d� przedstawia� r�ne typy wymaga� dotycz�cych przepustowo�ci.

Surowe pasmo

R�ne sesje komunikacyjne mog� mie� r�ne wymagania dotycz�ce przepustowo�ci.

Zmiany w przepustowo�ci

Niekt�re sesje komunikacyjne maj� wymagania dotycz�ce przepustowo�ci, kt�re zmieniaj� si� w nieprzewidziany spos�b. W �rodowisku wsp�dzielonym cz�sto wymaga czasu na negocjacje w celu uzyskania wi�kszej (lub mniejszej) przepustowo�ci. Potrzeba czasu, aby zako�czy� takie negocjacje, a projektant musi wzi�� to pod uwag�. Ponadto r�ne sesje komunikacyjne mog� mie� wszystkie zmieniaj�ce si� wymagania dotycz�ce przepustowo�ci. Przedstawia klasyczny problem, jak spakowa� wszystkie konkurencyjne wymagania do dost�pnej przepustowo�ci. Nawet je�li istnieje wystarczaj�ca przepustowo��, aby zaspokaja� sum� arytmetyczn� wszystkich wymaganych przepustowo�ci, nadal mo�e nie by� mo�liwe spakowanie ich razem w kanale. Ten problem jest zredukowany do klasycznego matematycznego problemu pakowania. Ten problem przypomina pr�b� spakowania r�nej wielko�ci blok�w w pude�ku. Nie ma prawie �adnego sposobu, aby to zrobi� bez marnowania miejsca. Nawet je�li wszystkie bloki mog� si� zmie�ci� na raz, mo�e nie by� wystarczaj�co du�o czasu na okre�lenie w�a�ciwego rozwi�zania. Wynik netto jest taki, �e pe�ne pasmo rzadko jest osi�gane w tych okoliczno�ciach Nale�y r�wnie� zauwa�y�, �e niekt�re odbiorniki odbieraj� bufory, kt�re nie mog� przepe�nia� lub niedope�nione. Dotyczy to transmisji MPEG, dlatego nale�y zapozna� si� z poni�sz� sekcj�. Istnieje mo�liwo�� zmiany szeroko�ci pasma kana�u z powodu b��d�w. Stanowi to ten sam problem, co r�ne wymagania. Czasem b��dy musz� by� akceptowane.

Gwarantowana przepustowo��

Niekt�re ��cza komunikacyjne wymagaj� gwarantowanej przepustowo�ci. Strumienie danych wideo MPEG powracaj�ce z robota wymaga�yby na og� sta�ej przepustowo�ci. Taka przepustowo�� musia�aby by� wcze�niej zarezerwowana lub przynajmniej nie powinna podlega� ponownej renegocjacji.

Odwrotna przepustowo�� kana�u

Przepustowo�� jest cz�sto uwa�ana za parametr jednokierunkowy. Prawda jest taka, �e je�li kana� jest dwukierunkowy, przepustowo�� musi by� wystarczaj�ca w obu kierunkach. Mo�e to znacznie zlikwidowa� systemy, w kt�rych przepustowo�� jest ustawiona pod wp�ywem chwili.

OPӬNIENIA

Kilka rodzaj�w op�nie� mo�e zak��ci� po��czenie komunikacyjne. Wszystkie ��cza komunikacyjne maj� op�nienie. Nawet z pr�dko�ci� �wiat�a dane mog� zaj�� mikrosekundy, aby przekroczy� granic� hrabstwa. Wi�kszo�� sygna��w elektrycznych porusza si� znacznie wolniej. Elektroniczne tablice do komunikacji maj� znaczny czas przetwarzania, co op�nia dane. Je�li p�tle sterowania w czasie rzeczywistym zale�� od �cie�ki komunikacyjnej, op�nienia te musz� zosta� obliczone w projekcie systemu. W niekt�rych systemach przepustowo�� jest usuwana, gdy nie jest potrzebna. Ponadto, gdy wymagana jest przepustowo��, musi by� wymagana i przyznana. Op�nienie w odzyskaniu uprawnie� do kana�u komunikacji nale�y doda� do op�nienia komunikacji w celu okre�lenia najgorszego przypadku op�nienia.

PRYWATNO��

Wkr�tce om�wimy kwestie bezpiecze�stwa i prywatno�ci. Jedynym powodem, dla kt�rego warto tu wspomnie� o prywatno�ci, jest to, �e wsp�lne kana�y komunikacji nios� dodatkowe ryzyko pods�uchu. Jest to szczeg�lnie wa�ne, gdy wszyscy u�ytkownicy maj� mo�liwo�� zobaczenia ca�ego ruchu. Systemy TCP / IP cz�sto maj� to ograniczenie.

WSP�LNE �RODOWISKO DOST�PU

System, w kt�rym wiele podmiot�w wsp�dzieli ��cze komunikacyjne, mo�e by� zaprojektowany na wiele sposob�w. Czasami sama natura �rodowiska komunikacyjnego dyktuje stosowane metody. Oto kilka czynnik�w, kt�re projektant robota powinien wzi�� pod uwag� przy wybieraniu systemu komunikacji, kt�ry b�dzie obs�ugiwa� wiele jednostek, kt�re maj� dost�p do kana�u.

Zamkni�ty system

Je�li dost�p do systemu komunikacyjnego jest ograniczony, projektant mo�e og�lnie liczy� na jednolito�� reakcji. Ca�y system powinien zachowywa� si� zgodnie z przewidywano architektur� i protoko�y. Je�li ��cze komunikacyjne musi by� wsp�dzielone z nieznanymi jednostkami komunikacyjnymi, mog� wyst�pi� r�nego rodzaju problemy.

Limity obci��enia

��czna ilo�� ruchu komunikacyjnego, kt�ry ��czy ��cze, jest cz�sto okre�lana zar�wno przez protok�, jak i dzia�ania u�ytkownik�w w ��czu. ��cze komunikacyjne nie jest niczym niezwyk�ym, je�li chodzi o u�amek nieprzetworzonej pr�dko�ci bitowej ��cza.

U�ytkownicy sp�dzielni

Je�li jednostki komunikacyjne wsp�pracuj�, w�wczas mo�na zwi�kszy� u�yteczn� przepustowo�� cza komunikacyjnego. Je�li jednostki komunikacyjne mog� by� zsynchronizowane, w�wczas mog� w do�� wydajny spos�b dzieli� ��cze komunikacyjne.

RODZAJE WSPӣDZIELONEGO DOST�PU

Jak wspomniano wcze�niej, wsp�praca mi�dzy jednostkami komunikacyjnymi, kt�re dziel� ��cze komunikacyjne, jest korzystna. Oto kilka konkretnych rodzaj�w wsp�u�ytkowanego dost�pu uzgodnienia do�� og�lne. Te same rodzaje wsp�lnych ustale� dotycz�cych dost�pu s� stosowane w wielu r�nych standardach komunikacji. Je�li system komunikacyjny jest funkcjonalnie identyczny z tymi systemami, to o��wki matematyczne s� wy�wietlane w ten sam spos�b. Granice efektywnej przepustowo�ci s� bardzo realne.

SYSTEMY DZIELENIA CZASU

Wsp�dzielony dost�p do ��cza komunikacyjnego mo�e zosta� osi�gni�ty poprzez podzielenie tego na podstawie podzia�u czasowego, podzia�u cz�stotliwo�ci lub podzia�u kodu.

System Aloha

System ��czno�ci Aloha zosta� zaprojektowany tak, aby nadawca m�g� po prostu przes�a� pakiet na kanale, kiedy tylko chcia�. Je�li inny nadawca wys�a� pakiet w tym samym czasie, zderz� si� i oba pakiety zostan� utracone. Poniewa� coraz wi�cej nadawc�w konkuruje o kana�, system szybko si� �aduje. Spos�b w jaki wyrysowuje si� matematyk�, tylko 18 procent nieprzetworzonej przepustowo�ci kana�u jest naprawd� dost�pne po wyczerpaniu si� systemu. Normalne systemy 10BT LAN dzia�aj� w ten spos�b; kolizje zrujnuj� pakiety danych. Poniewa� 10BT LAN zaczyna si� obci��a� coraz wi�ksz� liczb� u�ytkownik�w, og�lna efektywna przepustowo�� system�w 10BT nie jest nieprzetworzon� szybko�ci� bitow� wynosz�c� 10 Mb / s, ale jest bli�sza 1,8 Mb / s. W sieci LAN 10BT limit ten mo�na poprawi� tylko w przypadku u�ytkownik�w wsp�pracowa�.

Rozci�ta Aloha

System Aloha mo�na ulepszy�, je�li nadawcy s� zsynchronizowani. Ka�dy nadawca wie, kiedy pojawiaj� si� szczeliny czasowe i mo�e rozpocz�� transmisj� tylko na pocz�tku szczeliny czasowej. Zderzenia nadal wyst�puj�, ale ten rodzaj wsp�pracy mi�dzy nadawcami zwi�ksza efektywn� przepustowo�� kana�u do oko�o 35 procent jego nieprzetworzonej pr�dko�ci bitowej.

Zastrze�ona Aloha

Je�li nadawcy grzecznie zarezerwuj� czasy z wyprzedzeniem, efektywna przepustowo�� kana�u jeszcze si� zwi�kszy. Chocia� cz�� przepustowo�ci jest marnowana przy dokonywaniu rezerwacji, zderzenia s� w du�ej mierze wyeliminowane, a wydajno�� mo�e by� wysoka. Tylko szczeliny czasowe rezerwacji s� marnowane. Rezerwacje mog� by� przyznawane na wiele sposob�w, w tym roundrobin, systemy priorytetowe i losowy wyb�r. To od projektanta robota zale�y, jaki rodzaj systemu "przydzia�u na ��danie" przyj��.

SYSTEMY PODZIA�U CZ�STOTLIWO�CI

Z pewno�ci� mo�liwe jest umieszczenie r�nych jednostek komunikacyjnych na r�nych cz�stotliwo�ciach w ramach dopuszczalnych cz�stotliwo�ci kana�u komunikacyjnego. Pojawia si� kilka problem�w, takich jak przydzielanie cz�stotliwo�ci i separacja cz�stotliwo�ci.

Przydzia� cz�stotliwo�ci

Wszystkie te same problemy z rezerwowaniem rezerwacji pasma wyst�puj� w systemach podzia�u cz�stotliwo�ci. Je�li cz�stotliwo�� nie zostanie wykorzystana, przepustowo�� zostanie zmarnowana. Je�eli rezerwacje s� wymagane, w�wczas istnieje zapotrzebowanie na rezerwacj�.

Przydzia� cz�stotliwo�ci

Wszystkie te same problemy z rezerwowaniem rezerwacji pasma wyst�puj� w systemach podzia�u cz�stotliwo�ci. Je�li cz�stotliwo�� nie zostanie wykorzystana, przepustowo�� zostanie zmarnowana. Je�eli rezerwacje s� wymagane, w�wczas istnieje zapotrzebowanie na rezerwacj�.

Rozdzielanie cz�stotliwo�ci

Kana�y komunikacyjne na s�siaduj�cych cz�stotliwo�ciach nie mog� ingerowa� w siebie nawzajem. Filtry s�u�� do usuwania s�siednich cz�stotliwo�ci z pasma komunikacyjnego. Poniewa� nie mo�na stworzy� doskona�ych filtr�w, musimy pozostawi� dodatkow� szeroko�� pasma mi�dzy pasmami cz�stotliwo�ci. Nie mo�na spakowa� r�nych pasm cz�stotliwo�ci zbyt blisko siebie. Zar�wno nadajnik jak i odbiornik wpadaj� w k�opoty, je�li s� zbyt blisko. Kilka innych problem�w mo�e pojawi� si�, gdy pasma cz�stotliwo�ci s� zapakowane blisko siebie.

• Zniekszta�cenie. Nadajnik mo�e mie� problemy z zniekszta�ceniem intermodulacji. Rozwa�my przypadek, w kt�rym dwie cz�stotliwo�ci, f1 i f2, s� wzmacniane i konwertowane w g�r� razem. Rezultatem s� niechciane sygna�y zniekszta�ce� o cz�stotliwo�ciach (f2 - f1) i (f1 + f2).
• ISI Je�eli cz�stotliwo�ci s� zbyt blisko siebie, elektronika obs�uguj�ca ka�d� cz�stotliwo�� mo�e mie� problem z odfiltrowaniem s�siednich sygna��w. Chocia� systemy podzia�u cz�stotliwo�ci s� op�acalne i dzia�aj� dobrze, systemy podzia�u czasu i podzia�u kodu ukrad�y grzmot tej technologii

SYSTEMY ODDZIA�YWANIA KOD�W

Systemy podzia�u kodu u�ywaj� szyfrowania, w kt�rym dane ka�dego u�ytkownika s� niewidoczne dla innych u�ytkownik�w.

Wielodost�p z podzia�em kodowym (CDMA)

Systemy CDMA, znane r�wnie� jako systemy widma rozproszonego (SS), zazwyczaj wykorzystuj� szerokie pasmo cz�stotliwo�ci. Dane dla ka�dego u�ytkownika s� roz�o�one w ca�ym pa�mie cz�stotliwo�ci za pomoc� kodu rozpraszaj�cego. Komunikacja ka�dego u�ytkownika jest transmitowana w pa�mie w tym samym czasie, ale nie przeszkadzaj� sobie nawzajem. Ka�dy u�ytkownik otrzymuje unikalny kod rozpowszechniania, kt�ry s�u�y do oddzielania u�ytkownik�w. Ze wzgl�du na natur� kod�w, mi�dzy u�ytkownikami wyst�puje niewielka lub �adna ingerencja. Ponadto nie jest wymagana synchronizacja mi�dzy u�ytkownikami. W 1940 r. Aktorka z Hollywood, kt�rej tw�rc� by� Hedy Lamarr, opracowa�a urz�dzenie cz�stotliwo�ciowe do u�ytku wojskowego. Mi�o jest mie� tu swoje zdj�cie w�r�d wszystkich m�czyzn w sproszkowanych bia�ych perukach. Zaproponowano jej jeden interesuj�cy cytat: "Ka�da dziewczyna mo�e by� efektowna. . . wszystko, co musi zrobi�, to sta� w miejscu i wygl�da� g�upio. "Oto jak dzia�aj� najbardziej popularne systemy SS. Ka�demu u�ytkownikowi przypisany jest zakodowany przebieg rozproszenia:

U(code_i)

Gdzie code_i jest unikalnym kodem u�ytkownika, kt�ry wybiera charakterystyk� przebiegu U(codei). Przebiegi te s� zwykle seri� impuls�w, kt�re maj� nast�puj�c� charakterystyk�. Natomiast x reprezentuje bit przez mno�enie (korelacj�):

U (code_i) x U(code_k) = Z << 1

chyba �e k = i i oba przebiegi s� zsynchronizowane, w takim przypadku U (code_i) x U (code_i) = 1

Ponadto U (code_i) x B jest bardzo ma�e dla nieskorelowanych sygna��w (takich jak transmisje radiowe), kt�re mog� ju� istnie� w kanale. Oznacza to, �e sygna�y SS mog� wsp�istnie� (nak�ada� si�) w kanale z istniej�cymi u�ytkownikami komunikacji. W niekt�rych protoko�ach SS dane s� najpierw modulowane przez rozk�adany przebieg przed transmisj�. Rozwa�my przypadek, w kt�rym kana� jest wype�niony przebiegami dw�ch u�ytkownik�w. Mo�emy wyodr�bni� jednego u�ytkownika w nast�puj�cy spos�b:

Kana� = D_i x U (code_i) + D_k x U(code_k)

gdzie i i k s� r�ne, a Di to dane od u�ytkownika i.

Podobnie, przebieg falowy dla u�ytkownika k mo�e by� �atwo wyodr�bniony. Z drugiej strony komunikacja SS mo�e wsp�istnie� z istniej�cymi, nieskorelowanymi sygna�ami komunikacyjnymi w kanale. W zasadzie pozwala to na ponowne wykorzystanie widma kana�u. Po stronie minusowej r�ne kody nie s� ca�kowicie ortogonalne. Poprzedni niewielki sygna� Z jest mno�ony przez liczb� innych u�ytkownik�w i mo�e zak��ca� odbi�r. Mo�e to ograniczy� liczb� u�ytkownik�w.

Kompresja

Cz�sto przepustowo�� dost�pna dla komunikacji cyfrowej jest ograniczona. Mo�e si� tak zdarzy� kilka r�nych powod�w:

• Regulowane widmo Rz�d mo�e regulowa� dost�p do widma i sprawia�, �e wszyscy go dziel�.
• Koszt Cz�sto za drogie jest nabywanie praw do potrzebnego spektrum.
• Energia Jak ju� wspomniano wcze�niej, dos�ownie wysy�aj�c bity przez kana� bezprzewodowy wymagane jest odpowiednio wysokie Eb / No. W transmisji satelitarnej ten fakt dos�ownie wraca do domu, gdy baterie satelitarne i panele s�oneczne walcz� o dostarczenie energii ka�demu. Roboty w odleg�ych lokalizacjach cz�sto s� przeciwko temu problemowi. Nie zapominaj jednak o jednej rzeczy. Najpierw trzeba skompresowa� dane za pomoc� energii. Proces kompresji mo�e by� bardzo energooszcz�dny, a ca�y proces b�dzie musia� zosta� poddany analizie.

Bez wzgl�du na przyczyn� wysy�anie bezu�ytecznych danych przez kana� jest ma�o istotne. Wi�kszo�� komunikacji cyfrowej mo�na skompresowa� do mniejszej ilo�ci danych. Shannon bawi�a si� tym nieco d�u�ej. Aby przetestowa� t� asercj�, wybierz kilka r�nych typ�w plik�w na komputerze i spr�buj skompresowa� je za pomoc� programu WinZip.exe, programu stanowi�cego znak towarowy firmy WinZip Computing, Inc. Cz�sto mo�na osi�gn�� nast�puj�ce wielko�ci kompresji:

• Standardowe pliki tekstowe Wsp�czynnik od 6 do 10.
• Pliki program�w Wsp�czynnik 2.
• Pliki wideo lub graficzne Wsp�czynnik 1,1.

Spr�buj skompresowa� tego typu pliki za pomoc� narz�dzia WinZip , aby zobaczy�, co mo�na osi�gn��. Je�li komunikacja cyfrowa robota musi zosta� skompresowana przed transmisj�, dost�pnych jest kilka opcji. WinZip � mo�e nie nadawa� si� do u�ytku na komputerze robota. Prawdopodobnie biblioteka oprogramowania systemu operacyjnego robota (lub oprogramowanie typu freeware) mo�e ju� mie� narz�dzia do kompresji, kt�re mog� by� u�ywane. Dwa podstawowe typy kompresji s� powszechnie u�ywane przez te programy. Techniki te s� u�ywane w standardowych programach kompresji i mo�na je przepisa� na potrzeby robota.

Transformaty Fouriera

Transmisje graficzne i wideo s� rutynowo kompresowane za pomoc� transformacji Fouriera. W przypadku kompresji wideo MPEG, obrazy s� konwertowane na szereg wsp�czynnik�w, kt�re s� kompresowane ponownie przy u�yciu kompresji d�ugo�ci dzia�ania (opisanej p�niej). Mo�na osi�gn�� wsp�czynniki kompresji 50: 1. Nie jest �atwo napisa� (od zera) program do wykonywania tego typu kompresji

Kompresja Run-Length

Jedn� z najstarszych i najbardziej intuicyjnych technik kompresji jest prosta d�ugo�� kompresja. Zamiast wysy�a� na przyk�ad seria 2,415 zerowy po�egna�, mo�emy po prostu wys�a� pakiet danych, kt�ry ma oko�o 4 bajty, t�umacz�c, �e reprezentuje 2415 bajt�w zerowych. Protok� jest prosty i mo�na go zapisa� od podstaw, je�li zajdzie taka potrzeba.

Kompresja Huffmana

Kompresja Huffmana mo�e by� u�yta, je�li dane mo�na podzieli� na symbole (np. Bajty tekstowe). Nast�pnie wszystkie symbole s� ponownie przypisywane innym kodem przed transmisj�. Najcz�ciej przesy�anym symbolom przypisywane s� kr�tkie kody. Symbole, kt�re s� rzadko przesy�ane, maj� przypisane d�u�sze kody. Stosowane jest r�wnie� kodowanie biegunowe

Szyfrowanie i bezpiecze�stwo

Wyst�pienia maj� miejsce, gdy dane musz� zosta� zaszyfrowane przed ich przes�aniem. Fizyczne po��czenia wi�kszo�ci kana��w komunikacyjnych poruszaj� si� przez obszary, kt�re s� publiczne. Oczywi�cie, ca�a komunikacja radiowa (RF), kt�ra przemieszcza si� przez wolne miejsce, mo�e zosta� przechwycona, a komunikacja telefoniczna przechodzi przez zwyk�e okablowanie i urz�dzenia. Wszyscy s�yszeli�my o nies�awnych haker�w, kt�rzy pods�uchuj� i tworz� inne problemy w Internecie. U�yjemy terminu hacker, aby odnosi� si� do nieautoryzowanych stron, kt�re mog� okaza� si� nie na miejscu. Hakerzy maj� r�ne motywy i ka�dy haker chcia�by przej�� kontrol� nad robotem. Podobnie jak w przypadku komunikacji internetowej, transmisje radiowe i ruch telefoniczny r�wnie� podlegaj� ingerencji ze strony haker�w. Przesy�ane dane mo�na odczyta� lub zmieni� na trasie. Oto lista rzeczy, kt�re mog� si� nie uda�, gdy zaanga�owany jest haker:

• Odmowa us�ugi (DoS) Je�li haker zatnie ��cze komunikacyjne, polecenia do robota mog� si� nie przedosta�.
• Pods�uchuj�cy hakerzy mog� odczyta� dane robota i uzyska� niezb�dne informacje, kt�rych mog� u�y�.
• Podszywaj�cy si� hakerzy mog� stanowi� elementy �r�d�owe lub docelowe.

Mog� wtedy pojawi� si� nast�puj�ce problemy:

• B��dne polecenia Robot mo�e otrzymywa� fa�szywe polecenia i wykonywa� operacje kt�re mog�yby zniszczy� misj�.
• Fa�szywe dane Dane mog� zosta� sfa�szowane lub zmienione. Integralno�� bada� naukowych i misji gromadz�cych dane mo�e zosta� zagro�ona.
• Zerwana komunikacja Je�li hakerowi uda si� sfa�szowa� inn� jednostk� komunikacyjn�, ca�y �a�cuch komunikacji mo�e zosta� przerwany w przysz�o�ci.

Problemy bezpiecze�stwa i haker�w mo�na rozwi�za� na wiele sposob�w. Wprowadzono szereg standard�w szyfrowania i wzmacniania ��czy komunikacyjnych, aby zapobiec interwencji haker�w. Niekt�re z tych metod s� bardziej skuteczne ni� inne. Wi�kszo�� zwyk�ych haker�w jest nieszkodliwych, ale wystarczaj�co zdeterminowani hakerzy s� tam, aby z�ama� prawie ka�dy kod. Zasadniczo zapytaj, co by si� sta�o, gdyby haker mia� pe�ny dost�p do ��cza komunikacyjnego. Co jest najgorszego, co mo�e p�j�� nie tak? Je�li twoje dane s� nudne lub niewa�ne, nie przejmuj si�. Jednak minimalne bezpiecze�stwo jest cz�sto korzystne i nie kosztuje wiele. Pami�taj jednak, �e roboty s� atrakcyjnym celem technologicznym. Perspektywa w�amania si� do robota obudzi nawet najbardziej �pi�cego hakera. W skr�cie, jakie rodzaje poprawek s� dost�pne? Pods�uch staje si� prawie bezu�ytecznym �wiczeniem, je�li dane s� ca�kowicie zaszyfrowane. Ponadto, fa�szowanie staje si� niemo�liwe, je�li wiadomo�� ma wystarczaj�ce uwierzytelnienie, aby zweryfikowa� nadawc�. Metody zapewniania szyfrowania i uwierzytelniania s� opisane w poni�szych adresach URL. Wiele bibliotek oprogramowania komputerowego zawiera podprogramy wspieraj�ce bezpieczn� komunikacj�. Je�li strumie� danych przesunie si� zbyt szybko w celu zaszyfrowania oprogramowania, dost�pne s� uk�ady sprz�towe, kt�re mog� szybciej szyfrowa� informacje.

STANDARD SZYFROWANIA DANYMI (DES)

DES zyska� poparcie rz�du i jest obecny w wielu transakcjach handlowych dzisiaj. Metody oblicze� s� do�� proste, a chipsety s� dost�pne dla szybkich implementacji

RSA

Zabezpieczenia RSA opieraj� si� na tym, �e bardzo trudno jest uwzgl�dnia� du�e liczby. Je�li haker mo�e wzi�� pod uwag� ogromn� liczb� w mniej ni� kilka lat, haker mo�e w�ama� si� do ��cza komunikacyjnego. Jak dot�d okaza�o si� to zbyt trudne

PRETTY GOOD PRIVACY (PGP)

Zabezpieczenia PGP opieraj� si� r�wnie� na trudnych obliczeniach matematycznych i s� oferowane w kilku wersjach.Ataki DOS maj� miejsce, gdy zdeterminowany haker wysy�a pakiety do robota, z kt�rym nie mo�e sobie poradzi�. Niekt�re ataki DoS obejmuj� wysy�anie pakiet�w z nielegaln� struktur� danych; Inne ataki DoS polegaj� na wysy�aniu zbyt wielu pakiet�w, wi�c kana� zostaje zatkany. Upewnij si�, �e twoje oprogramowanie mo�e obs�ugiwa� pakiety z nielegalnymi strukturami i rozwa� testowanie go z symulowanymi danymi ataku DoS.

Popularne kana�y komunikacji

Projektuj�c robota, warto trzyma� si� wypr�bowanych i prawdziwych protoko��w komunikacyjnych. Kilka protoko��w, zar�wno dla kana��w komunikacji bezprzewodowej, jak i przewodowej, jest dost�pnych i popularnych. Zwykle oznacza to, �e sprz�t i oprogramowanie mo�na zakupi� od r�ki. Roboty nie tylko musz� by� zaprojektowane szybko, ale musz� by� niezawodne. Dlatego sprawd� rodow�d ka�dego komercyjnego produktu. �atwo powiedzie�, �e produkt jest zgodny ze standardem, ale wi�kszo�� tych standard�w jest tak z�o�ona, �e nowsze oferty nie s� tak niezawodne, jak starsze, bardziej ugruntowane produkty.

SYSTEMY BEZPRZEWODOWE

Kilka bezprzewodowych system�w danych zosta�o wdro�onych na kilka lat. Om�wimy niekt�re funkcje i wydajno�� ka�dego z nich.

Wireless Fidelity (Wi-Fi)

Wireless Fidelity (Wi-Fi) lub 802.11b to bezprzewodowa wersja sieci Ethernet LAN. U�ywa komunikacji RF w pa�mie 2,4 GHz, a protok� jest udokumentowany w 802.11b. Wiele os�b ma w swoich komputerach przeno�nych karty, kt�re mog� korzysta� z portali Wi-Fi w sklepach, firmach i miejscach publicznych. Technologia ta zapewnia dost�p do Internetu u�ytkownikom komputer�w przeno�nych. By�by to �wietny ��cznik komunikacyjny dla robota, o ile zabezpieczenia i inne problemy s� obs�ugiwane prawid�owo. Przepustowo�� danych jest podobna do przepustowo�ci przewodowych sieci LAN 10BT, o kt�rych m�wili�my wcze�niej (oko�o 1,5 Mb / s). Zasi�g transmisji wynosi kilkaset st�p, ale pr�dko�� transmisji danych mo�e spa�� po 50 stopach. Protok� wykorzystuje komunikacj� o widmie rozproszonym, jak om�wiono wcze�niej. Jako taki jest ekspertem w nak�adaniu istniej�cego spektrum komunikacyjnego i wsp�istnieje z ruchem komunikacyjnym w nim. Szybsze wersje protoko�u w�a�nie wychodz� teraz.

Dane GPRS (General Packet Radio Service)

Og�lno�wiatowy system GPRS (General Packet Radio Service) obs�uguje transmisj� danych. Chocia� cz�stotliwo�� w Stanach Zjednoczonych jest inna ni� w innych krajach, mo�liwo�ci transmisji danych s� podobne. System danych GPRS wykorzystuje komunikacj� radiow� w pasmach od 800 do 960 MHz, a przepustowo�� danych wynosi co najwy�ej 170 Kb / s, ale w praktyce najlepiej ograniczy� oczekiwania do jednej dziesi�tej tego. Zasi�g transmisji jest podobny do telefon�w kom�rkowych i podlega podobnym strefom zaciemnienia w zale�no�ci od po�o�enia geograficznego. Protok� wykorzystuje komunikacj� globalnego systemu komunikacji mobilnej (GSM) i wielodost�pu z podzia�em czasu (TDMA) z w�skopasmow� modulowan� komunikacj� GMSK i multipleksowaniem z podzia�em czasu (TDM). W zwi�zku z tym u�ytkownicy mog� negocjowa� wi�cej slot�w czasowych i wi�ksz� przepustowo�� danych bez utraty dok�adno�ci.

Bluetooth

Bluetooth to kana� RF, kt�ry jest nieco nowy i po prostu wchodzi w jego w�asn�. To te�, wykorzystuje komunikacj� radiow� w pa�mie 2,4 GHz i GFSK (kluczowanie z przesuni�ciem cz�stotliwo�ci). To wykorzystuje komunikacj� w zakresie widma rozproszonego (poprzez chmur� cz�stotliwo�ciow�) w 79 r�nych pasmach o szeroko�ci 1 MHz. Przeznaczony jest do komunikacji na kr�tkich dystansach 10 metr�w. Przepustowo�� danych mo�e by� tak szybka jak 723 Kb / s, ale praktyczne ograniczenia ograniczaj� szeroko�� pasma do oko�o po�owy. To sprawia, �e jest ona s�aba dla wideo, ale dobra dla komunikacji internetowej. Jest ekspertem w nak�adaniu istniej�cego spektrum komunikacyjnego i wsp�istnieje z ruchem komunikacyjnym w nim.

Stowarzyszenie danych podczerwieni (IRDA)

��cze standardowe podczerwieni (IRDA) to kana� podczerwieni, kt�ry istnieje od pewnego czasu. Wykorzystuje �wiat�o podczerwone do komunikacji kr�tkiego zasi�gu o d�ugo�ci oko�o 1 do 2 metr�w. Wykorzystuje cz�stotliwo�ci pasma podstawowego modulowane do 1,5 MHz, aby przesy�a� dane z pr�dko�ci� do 4 Mb / s. Jest powszechnie u�ywany do kr�tkich sesji komunikacyjnych mi�dzy komputerowymi urz�dzeniami peryferyjnymi

SYSTEMY PRZEWODOWE

Kilka przewodowych system�w komunikacyjnych jest obecnie szeroko rozpowszechnionych. Wszystkie mog� obs�ugiwa� protoko�y wy�szego poziomu, wi�c zaczniemy od warstw fizycznych.

Sie� telefoniczna

Do przesy�ania danych mo�na wykorzystywa� powszechne systemy telefon�w kom�rkowych, kt�re mo�na wykona� na kilka r�nych sposob�w:

• Wybierane us�ugi Kilka firm (np. AOL) ma numery telefon�w, kt�re automat mo�e po��czy� z Internetem. Modemy s� wymagane do obs�ugi po��cze� z lini� telefoniczn�. Te modemy maj� g�rny kraniec od 33 do 56 Kb / s. Maksymalna pr�dko�� zazwyczaj zale�y od jako�ci po��czenia telefonicznego. Us�ug� mo�na odm�wi�, je�li linia jest zaj�ta.
• Cyfrowa linia abonencka (DSL) Bior�c pod uwag�, �e jeden przew�d telefoniczny jest ju� dost�pny W domu, firmy telefoniczne wykorzystuj� podzia� cz�stotliwo�ci do umieszczenia sygna��w DSL na drucie. Ruch g�osowy wykorzystuje cz�stotliwo�ci poni�ej 10 kHz (co najwy�ej). Sygna�y DSL zwykle wykorzystuj� ten sam przew�d do przenoszenia sygna��w QAM z przep�ywno�ci� oko�o 1 Mb / s. Us�uga jest ci�g�a iw du�ej mierze oparta na Internecie. Us�uga mo�e zosta� przerwana, je�li robot nie b�dzie wykonywa� po��czenia komunikacyjnego od czasu do czasu. Firma telefoniczna odbiera adres IP robota, je�li robot nie pracuje zbyt d�ugo. Upewnij si�, �e robot jest aktywny, a nast�pnie zachowuje swoj� rezerwacj� IP (DHCP) w stanie nienaruszonym.

Sieci kablowe

Wiele dom�w ma r�wnie� telewizj� kablow� wchodz�c� do domu. Chocia� system kablowy by� pierwotnie zaprojektowany jako system jednokierunkowy, wiele system�w kablowych ma teraz kana�y zwrotne, kt�re mog� przenosi� informacje z dom�w do firmy kablowej. Standardem, z kt�rego korzysta wi�kszo�� firm telewizji kablowej, jest Standardowy Interfejs Danych Strukturalnych (DOCSIS), kt�ry zapewnia dost�p do podzia�u czasu dla abonent�w macierzystych. System kablowy jest systemem zamkni�tym, wi�c warstwa fizyczna mo�e by� zastrze�ona. Sposoby modulacji stosowane s� Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), 16 QAM (powy�ej) i 64 QAM (w d�), wsparte RS kodowania, jak om�wiono wcze�niej. Zasadniczo teoretycznie mo�na kupi� dowolny modem DOCSIS i u�ywa� go w systemie kablowym, ale nie zawsze tak jest. DOCSIS zapewnia pr�dko�� transmisji danych do 56 Mb / s i pr�dko�� przesy�ania danych do 3 Mb / s. Jednak ca�a przepustowo�� danych musi by� dzielona mi�dzy wszystkich u�ytkownik�w (i informacja o sterowaniu pasmami bocznymi).

Lokalne sieci lokalne (LAN)

Jednym z najbardziej popularnych przewodowych system�w komunikacyjnych dla komputer�w jest sie� LAN i Internet. Sie� LAN to metoda ��czenia komputer�w w budynku lub ma�ym kampusie. Internet to sie� ��cz�ca komputery na ca�ym �wiecie. Najpierw przyjrzymy si� fizycznej warstwie, a nast�pnie om�wimy podstawy niezb�dne do zaplanowania po��czenia LAN dla robota. Warstwa fizyczna Najpopularniejsz� metod� ��czenia si� z sieci� LAN jest Ethernet. Wi�kszo�� komputer�w ma karty NIC lub po��czenia, kt�re mog� przyjmowa� z��cza Ethernet przy pr�dko�ci transmisji danych 10BT / 100BT. 1000BT (i jego warianty) zapewnia 10-krotno�� przepustowo�ci, ale na razie j� zignorujemy. G�rny koniec powszechnie dost�pnej przepustowo�ci danych wynosi 100 Mb / s przy 100BT. Ale jak ju� wcze�niej m�wili�my, Ethernet LAN to system Aloha ze szczelin� bez zastrze�e�. W zwi�zku z tym nieskoordynowany ruch zazwyczaj przekracza 18 procent nieprzetworzonej przepustowo�ci sieci. Metod� transmisji s� dane NRZ pasma podstawowego, jak om�wiono wcze�niej, ale trudn� cz�ci� nie jest warstwa fizyczna. Najtrudniejsz� cz�ci� korzystania z sieci LAN jest konfiguracja. Aby oswoi� to, potrzeba eksperta System LAN, wi�c planuj intensywne konsultacje z personelem informatycznym przed podj�ciem decyzji w sprawie sieci LAN dla robota. Przed ustawieniem zadadz� mn�stwo pyta� do sieci LAN, aby robot m�g� z niej korzysta�. Dostarcz� adres IP, kt�rego potrzebuje robot funkcja, jak r�wnie� ��czno�� z innymi komputerami, kt�rych robot b�dzie musia� u�y� adres. Ponadto mog� skonfigurowa� robota z innymi us�ugami, kt�rych mo�e wymaga�, na przyk�ad e-mail i dost�p do Internetu. Przed obr�ceniem robota w sieci LAN musimy om�wi� kilka podstawowych kwestii. Ksi��ki wyja�niaj�ce, jak skutecznie korzysta� z sieci LAN, maj� cz�sto tysi�c stron. Poni�ej przedstawiono podstawowe fakty najcz�ciej u�ywane w projektowaniu ��cza komunikacyjnego LAN dla robota. Fakty te nie wyja�niaj� w dostatecznym stopniu szczeg��w dotycz�cych zako�czenia in�ynierii w ��czu LAN, ale okre�laj� mo�liwo�ci sieci LAN, aby mo�na by�o zaplanowa� po��czenie komunikacyjne robota.

Komunikacja TCP (bez b��d�w)

Je�li wymagane s� bezb��dne transfery danych, sesja danych w sieci LAN musi zosta� skonfigurowana za pomoc� po��czenia przez gniazdo. Ka�dy komputer pod��czony do sieci LAN (i Internetu) ma okre�lony adres. Wi�kszo�� komunikacji b�dzie mi�dzy robotem a konkretnym komputerem (punkt do punktu). Po��czenie musi zosta� najpierw nawi�zane przed transferem. Wi�kszo�� system�w operacyjnych dla oprogramowania komputerowego ma stosy (wzorowane na stosie OSI), kt�re pomagaj� w tworzeniu wszystkich wymaganych po��cze�. Mimo, �e oprogramowanie nie jest trudne do napisania, ma sens, aby do�wiadczony in�ynier oprogramowania napisa� oprogramowanie do komunikacji LAN. Je�li niedo�wiadczona osoba napisze oprogramowanie, b�dzie mia�o b��dy, kt�re p�niej spowoduj� powa�ne problemy. Programista wywo�a stos oprogramowania, uzyska adres IP, nawi��e po��czenie (nazywane gniazdem), przeka�e wszystkie dane i zamknie gniazdo pod koniec sesji.

Protok� komunikacyjny bez protoko�u UDP (User Datagram Protocol)

Czasami komunikacja bezb��dna nie jest wymagana. W rzeczywisto�ci czasami jest to niemo�liwe. Rozwa� komunikacj� wideo. Poniewa� odbiorniki wideo wymagaj� sta�ego strumienia danych, w og�le nie ma czasu na cofni�cie i ponowne przes�anie informacji w b��d. Zamiast tego ekran wideo po prostu zawiesza si� na chwil�, a� pojawiaj� si� nowe dane. Komputer wysy�aj�cy nie musi z g�ry nawi�zywa� po��czenia. Mo�e po prostu okre�li� adres IP komputera odbieraj�cego i rozpocz�� transmisj�. Komputer odbiorczy nie musi w og�le wysy�a� sygna��w.

Nadawanie

W rzeczywisto�ci, je�li adresy IP s� skonfigurowane poprawnie, wiele komputer�w mo�e odbiera� przesy�ane dane (zwane r�wnie� datagramami UDP) w tym samym czasie. Ta technika nazywa si� rozg�aszaniem i jest przydatnym sposobem na uzyskanie informacji. Komputer wysy�aj�cy mo�e zapyta� przez nadawanie UDP, na przyk�ad, je�li jakikolwiek inny komputer ma okre�lone informacje. Komputery, kt�re chc� odpowiedzie�, mog� ustanowi� po��czenie TCP w celu udzielenia odpowiedzi prywatnie Jedynym ograniczeniem emisji jest to, �e ma tendencj� do zatrzymywania si� na granicach sieci LAN. Transmisja danych nie mo�e by� dozwolona w Internecie, poniewa� spowodowa�aby zalanie systemu. Transmisje UDP musz� by� przechowywane w sieci LAN innej ni� UDP. Transmisje do wielu lokalizacji w Internecie s� cz�sto konfigurowane w serwerze przy u�yciu wielu po��cze� punkt-punkt i r�wnoczesnych transmisji tych samych danych. Uwa�aj na kilka rzeczy podczas korzystania z komunikacji UDP. Przede wszystkim dane nie b�d� wolne od b��d�w. Po drugie, pakiety mog� nie dotrze� nawet we w�a�ciwej kolejno�ci. TCP dba o takie rzeczy. W komunikacji UDP, je�li takie rzeczy s� wa�ne, musz� by� za�atwiane w oprogramowaniu napisanym dla robota. Okej, by�e� tak cierpliwy, ucz�c si� technik komunikacyjnych, �e zas�ugujesz na nagrod� lub dwie za osi�gni�cie tak daleko.

Anatomia RobotaRobotyka

Komunikacja