Bezprzewodowe sieci
komputerowe
James Clerk Maxwell  teoria elektromagnetyzmu,
równania Maxwell a (1873) wiążą ze sobą:
" Pole elektryczne i magnetyczne
" PrÄ…dy i Å‚adunki
" Własności materii- przenikalność elektryczna i
magnetyczna, przewodność
" Rozwiązuje się dla zadanego układu pobudzeń
i materii
" Najczęściej zakłada się sinusoidalną
zależność wszystkich wielkości od czasu
" Równanie mogą mieć postać całkową lub
różniczkową
Rozwój przekazu informacji
" W XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój
technik transmisji danych
" Zaczęto wykorzystywać nowe media do
transmisji: światłowód, łącza radiowe,
Å‚Ä…cza satelitarne
" Jednocześnie doskonalono łącza
elektryczne, a tak\
e sposoby kodowania
i kompresji danych, co umo\
liwiło
znaczne zwiększenie przepustowości
" Obecnie najszybciej rozwijajÄ… siÄ™
bezprzewodowe sposoby transmisji
danych
James Clerk Maxwell  teoria elektromagnetyzmu,
równania Maxwell a (1873) wiążą ze sobą:
" Pole elektryczne i magnetyczne
" PrÄ…dy i Å‚adunki
" Własności materii- przenikalność elektryczna i
magnetyczna, przewodność
" Rozwiązuje się dla zadanego układu pobudzeń
i materii
" Najczęściej zakłada się sinusoidalną
zależność wszystkich wielkości od czasu
" Równanie mogą mieć postać całkową lub
różniczkową
Heinrich Rudolf Hertz
 Wykrył i udowodnił obecność fal elektromagnetycznej
 Wykazał przy pomocy zwierciadeł, \
e majÄ… one cechy
światła, tzn.:
" załamują się, odbijają, podlegają interferencji,
uginaniu i polaryzacji.
 Wykazał, \
e rozchodzą się prędkością światła i
mogą być przekazywane na odległość.
(1887)
 Guglielmo Marconi  pierwsza transmisja
radiowa patent na radio w 1897
 Aleksander Popow  transmisja
telegraficzna (1896)
 Nikola Tesla  konstruktor cewki
wysokonapięciowej
" Gwałtowny rozwój radia w latach 20-tych i 30-
tych ubiegłego stulecia, powstanie telewizji w
latach 50-tych
" Transmisja danych cyfrowych drogÄ… radiowÄ…
Projekt instalacji do transmisji fal
elektromagnetycznych
Wprowadzenie
" Komputerowe sieci radiowe oraz satelitarne
dzięki specyficznym cechom wynikającym z własności
stosowanego kanału stanowią alternatywę dla
istniejÄ…cych sieci przewodowych.
" Stosuje siÄ™ je zazwyczaj gdy budowa sieci
przewodowych nie jest możliwa lub nie jest
ekonomiczna.
" Sieci te zyskały popularność dzięki stałemu rozwojowi,
poprawie jakości usług i zwiększeniu przepustowości.
Zalety sieci bezprzewodowych
Ułatwiony dostęp do kanału i zasobów sieci
Gromadzenie i rozsyłanie informacji do stacji końcowych
rozproszonych na du\
ym obszarze
Mo\
liwość komunikacji dla u\
ytkowników mobilnych w
ruchu
A
atwość rozbudowy i skalowalność
Du\
a niezawodność
Stosunkowy niski koszt tworzenia sieci
Wady sieci bezprzewodowych
Stosunkowe du\
e rozpraszanie energii
Wysoki poziom zakłóceń zewnętrznych
Ni\
sza przepustowość ni\
dla sieci przewodowych
Regulacje prawne  większość częstotliwości radiowych
jest dostępna wyłącznie po wykupieniu koncesji
Zagro\
enia bezpieczeństwa: podsłuch, nieautoryzowany
dostęp, celowe zakłócenia
Podstawowe pojęcia
Teletransmisja - dział telekomunikacji odpowiedzialny za
przesyłanie sygnałów telekomunikacyjnych od punktu do
punktu drogÄ…:
- przewodowÄ… (teletransmisja kablowa-miedziana,
falowodowa, światłowodowa),
- radiowÄ… (teletransmisja wykorzystujÄ…ca fale radiowe,
urzÄ…dzenia radiowe nadawczo-odbiorcze).
Kanał telekomunikacyjny jest to zespół środków
technicznych umo\
liwiających przesyłanie sygnałów
telekomunikacyjnych od punktu A do punktu B i/lub
od punktu B do punktu A.
Podstawowe pojęcia
" Komunikacja bezprzewodowa - komunikacja, która nie
wymaga połączenia przewodem nadajnika z odbiornikiem.
A
ączność oparta na falach elektromagnetycznych:
radiowe (radiokomunikacja),
optyczne (optotelekomunikacja).
" System radiokomunikacji ruchomej  system techniczny
umo\
liwiajÄ…cy komunikacjÄ™ bezprzewodowÄ… poprzez transmisjÄ™
fal radiowych między poruszającymi nadajnikiem lub/i
odbiornikiem (telefonia bezprzewodowa i komórkowa itp.)
" System radiokomunikacji stałej  system techniczny
umo\
liwiajÄ…cy komunikacjÄ™ bezprzewodowÄ… poprzez transmisjÄ™
fal radiowych między stacjonarnym nadajnikiem i odbiornikiem
(linie radiowe, LMDS, SRDA)
Systemy radiokomunikacyjne
" Brak bezpośredniego powiązania z kablem,
światłowodem, falowodem
" Zalety- mobilność, brak infrastruktury, systemy rozsiewcze
" Wady- zakłócenia, otwartość, zarządzanie widmem e-m
" Antena- niezbędny element systemu radiokomunikacyjnego
słu\
y do transformowania niosÄ…cej informacjÄ™ energii
elektromagnetycznej z:
Antena nadawcza  z postaci przewodzonej na promieniowanÄ…
Antena odbiorcza- z postaci promieniowanej na przewodzonÄ…
Tory telekomunikacyjne
Podstawy transmisji bezprzewodowej
Komunikacja bezprzewodowa odbywa siÄ™ poprzez wykorzystanie
zjawiska w fizyce znanego pod nazwÄ…  fali elektromagnetycznej , w
skrócie fali e-m.
W zależności od długości fali, dokonano podziału na pasma:
Pasmo Długość [m]
Fale radiowe >10-4
Mikrofale 310-1 - 310-3
Podczerwień 10-3 - 7,810-7
Światło widzialne 7,810-7 - 410-7
Ultrafiolet 410-7 - 10-8
Promieniowanie rentgenowskie 10-8 - 10-11
Promieniowanie gamma <10-11
Spektrum fali elektromagnetycznej, porównanie pod
względem długości fali
Zakresy częstotliwości:
L = V/f
L  długość fali,
V - prędkość rozchodzenia,
f - częstotliwość
Sieci podczerwonych
Sieci satelitarnych
Sieci radiowych
Fale elektromagnetyczne
długość[metry] =
300/częstotliwość [MHz]
Fale akustyczne
długość[metry] =
343/częstotliwość [Hz]
Podział częstotliwości
Telewizja analogowa VHF: 54
WiFi: IEEE 802.11b/g 
to 88 MHz, 174 to 216 MHz
2.4 GHz, IEEE 802.11a -
" UHF: 470 to 806 MHz
5 GHz
10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz
Radio UKF (FM) Telefonia GSM
" 88 to 108 MHz " 900 MHz, 1,8 GHz
Podstawy transmisji bezprzewodowej
Rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych zostało
opisane dwoma podstawowymi zasadami:
 Zasada Fermata - fala porusza się pomiędzy dwoma
punktami po takiej drodze, na której pokonanie
zu\
ywa ekstremalną ilość czasu:
B
´
+"dt = 0
A
 Zasada Huygensa - ka\
dy punkt ośrodka, do którego
dociera fala, staje siÄ™ z
ródłem nowej fali kulistej.
W telekomunikacji zasadniczą rolę odgrywa przenikanie się pól
elektromagnetycznych i sygnałów w dziedzinie częstotliwości i
czasu.
Systemy bezprzewodowe
System telefonii komórkowej (z infrastrukturą
komutacyjnÄ…)
Sieć
telefoniczna
Sterownik
Radio
radiowy
Brama
" Sieci dostosowane do transmisji głosu z małymi
wymaganiami na szerokość pasma.
Internet
" Urządzenia nie dostosowane do współpracy z
Internetem.
" Pomimo dużego zasięgu  bezprzewodowy
dostęp do Internetu nie cieszy się spodziewanym
zainteresowaniem.
Systemy bezprzewodowe
Sieci bezprzewodowe ( z infrastrukturÄ… lub
Sieć
ad-hoc)
telefoniczna
Internet
Router
Radio
Router
brzegowy
dostępowy
" Sieci dostosowane do transmisji danych z możliwością największą
przepływnością (best-effort); duża szerokość pasma i ograniczone
sterowanie lub jego brak.
" Obsługa aplikacji obliczeniowych i sieciowych.
" Możliwa duża gęstość hot-spotów, brak dużego pokrycia.
Charakterystyka systemów bezprzewodowych
" A
Ä…cze radiowe
 Du\
a i zmienna stopa błędów podczas transmisji.
 Zmienna przepływność.
 Zmienny poziom mocy odbieranych sygnałów.
 Zmienne opóz
nienie sygnałów.
" UrzÄ…dzenia
 Ograniczona moc nadawcza.
 A
atwa przenoszalność.
" Obszar pokrycia
 Własności nadajnika.
 Własności odbiornika.
NatÄ™\
enie pola, faza i kierunek fali
elektromagnetycznej w miejscu odbioru
Jest wynikiem nało\
enia fal (od nadajnika do
odbiornika fale docierają ró\
nymi drogami)
Zale\
y od amplitud, polaryzacji i faz składowych fal
e-m
Podlega du\
ym zmianom, gdy zmianie ulegajÄ…
składowe
Zmienność natę\
enia pola w miejscu odbioru
powoduje powstanie zaników.
Zanik  znaczne obni\
enie poziomu sygnału w
stosunku do wartości średniej
Niepewność jest normą w sieciach
bezprzewodowych
Obszar pokrycia dla systemów bezprzewodowych to
obszar wokół elementu stałego  stacji bazowej
Wielkość obszaru uzależniona od właściwości nadajnika i
odbiornika :
Pikokomórka  do 10 m
" pomieszczenia
Mikrokomórka  do 100 m
" piętra budynków lub ulice
Makrokomórka  do kilkunastu km
" miasta, ich części lub części regionu
Komórki satelitarne
" regiony lub kraje
Obszar pokrycia systemu  Å‚Ä…czny obszar pokrycia wszystkich
komórek.
Współistnienie każdego systemu z otoczeniem zachodzi w czasie i
przestrzeni.
Sieci łączności jednokierunkowej
SYSTEM ROZSIEWCZY
SYSTEM ZBIORCZY
Informacja jest przekazywana
Informacja jest przekazywana
tylko od  do jednego elementu
tylko do jednego od wszystkich
elementów
Charakterystyka systemów jednokierunkowych
Połączenie jednokierunkowe pomiędzy urządzeniami radiowymi
(nadajnikiem i odbiornikiem w systemie radiokomunikacyjnym)
mo\
e być zrealizowane, gdy spełnione są następujące warunki:
" Urządzenia pracują na tym samym kanale częstotliwościowym oraz
określonym czasie.
" A
ączność mo\
liwa tylko na określonym obszarze geograficznym



mo\
liwość nawiązania łączności w dowolnym punkcie zadanego
obszaru.
Charakterystyka systemów dwukierunkowych
Przy łączności dwukierunkowej kanały częstotliwościowe muszą
być tak zorganizowane, aby istniała mo\
liwość odbioru i nadawania
sygnału radiowego przez urządzenie nadawczo-odbiorcze:
 na jednym kanale (lub kilku) - podział czasu pomiędzy
nadawaniem i odbiorem sygnału radiowego.
 na ro\
nych kanałach - odbiór na jednym (lub kilku) kanale a
nadawania na drugim (lub kilku).
Sieć łączności dwukierunkowej: zbiorczo  rozsiewcze,
abonenckie
W sieciach zbiorczo-rozsiewczych przekazywana jest dodatkowo
informacja zwrotna.
W sieciach abonenckich wymagana jest możliwość przekazywania
informacji między elementami dowolnymi sieci pośrednio bądz

bezpośrednio.
Typowe dla radiokomunikacji poziomy mocy
sygnału:
" na wyjściu nadajnika stacji stałej (bazowej): 0,01 W - 1000W
" na wyjściu nadajnika stacji ruchomej (terminalu): 0,01 W - 10W
" na wejściu odbiornika stacji stałej i ruchomej: 0,1 mW 0,001 pW
Warstwa fizyczna
Komunikacja realizowana jest poprzez transmisjÄ™ w
kanałach radiowych o określonej i ograniczonej
szerokości pasma w ściśle określonych zakresach
częstotliwości.
Kanały radiowe do eksploatacji przydzielają agencje
rządowe lub urzędy.
W paśmie (np. ISM) - transmisja z ograniczeniami mocy
i bez ochrony przed zakłóceniami.
Przestrzenne zwielokrotnianie częstotliwości 
możliwość wielokrotnego wykorzystania kanałów
radiowych.
Fale radiowe wg ITU Sektor Normalizacji Telekomunikacji
ITU-R (ang.: International Telecommunication Union-
Telegraph transmission )
Charakterystyka fal UHF
UHF ( 300 MHz  3 GHz )
" nie występują tu fale jonosferyczne, gdyż gęstość jonosfery
jest zbyt mała do wstecznego odbicia fal UHF w kierunku ziemi
" fale tego zakresu przechodzÄ… przez jonosferÄ™ w kosmos
" pomiędzy falą bezpośrednią, a odbitą od gruntu występuje już
dość znaczna interferencja
" dyfrakcja fal jest nieznaczna
" zasięg radiowy jest większy o ok. 15% od horyzontu
optycznego
" szum atmosferyczny i zakłócenia przemysłowe w tym zakresie
są pomijalnie małe
Charakterystyka fal UHF
SHF ( 3 GHz  30 GHz )
" majÄ… charakterystykÄ™ podobna do fal zakresu UHF
" dyfrakcja oraz szumy atmosferyczne i przemysłowe w
tym paśmie praktycznie nie występują
" duże rozproszenie fal w chmurach, na kroplach
deszczu oraz cząsteczkach mgły, zwiększając tym
samym interferencje fal i ich zaniki
Charakterystyka fal UHF i SHF
Fale radiowe zakresów UHF i SHF rozchodzą sie głównie
jako:
" fala bezpośrednia, ograniczając tym samym zasięg
transmisji do obszarów niewiele przekraczających
bezpośredni zakres widoczności anten (LOS  Line of
Sight)
Zasięg ten, zwany zasięgiem radiowym można obliczyć z
przybliżonej zależności :
D  zasięg
H, h  wysokość umieszczenia anteny nadawczej i odbiorczej
Tor radiowy - satelitarny
Orbita geostacjonarna
 w transmisji pomiędzy
36000 km
dwoma punktami
pośredniczy satelita
telekomunikacyjny Satelita telekomunikacyjny
znajdujÄ…cy siÄ™ na orbicie
geostacjnonarnej.
Tor radiowy - prosty
 transmisja odbywa się bezpośrednio pomiędzy
dwoma punktami. Odległość do 70km..
70 km
Tor radiowy - Å‚amany
Transmisja pomiędzy dwoma punktami jest możliwa, dzięki
odbiciu się fali radiowej od wewnętrznych warstw
stratosfery. Odległość między punktami do 500km.
Model warstwowy systemów radiowych
Zapewnia odpowiedni poziom abstrakcji i rozdzielenie realizacji funkcji przez
poszczególne elementy systemu. Liczba warstw w systemach radiowych jest
mniejsza (czasami tylko 3).
Kodowanie z
ródłowe
Aplikacji
Zestawia połączenia, porządkuje pakiety,
Transportowa
kontrola przeciążeń (TCP)
Routing (IP)
Sieci
Korekcja błędów, MAC, szyfrowanie, multipleksacja
A
Ä…cza danych
Modulacja, sterowanie mocÄ…, filtracja,
Fizyczna
rozpraszanie widma
Charakterystyka systemów bezprzewodowych
Szumy i zakłócenia:
- pochodzenia naturalnego:
atmosfera
- działalność człowieka
- Signal-to-Noise SNR w dB
- interferencje
- Carrier-to-Interference ratio
C/I
Propagacja wielodrogowa:
- odbicia i ugięcia
- cień radiowy
Warstwa fizyczna
W warunkach rzeczywistych charakterystyczne dla fal
elektromagnetycznych sÄ… zjawiska:
Interferencja  nakładanie się fal, prowadzi do zwiększania lub
zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Zjawisko to jest pożądane w
przypadku, gdy zastosujemy fale spójne, możemy wtedy bowiem
doprowadzić do nakładania się ich w zgodnej fazie, przez co zawsze
spowodujemy wzmocnienie fali, nie zaś jej osłabienie.
Dyfrakcja - fal elektromagnetycznych polega na zmianie kierunku
rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu.
Zjawisko to zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale najbardziej
wyraz
nie obserwowane jest dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych
z długością fali. Fala nie reaguje na obiekty mniejsze, niż jej dwie
długości fali.
Warstwa fizyczna
Załamanie  to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali),
związane ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka.
Zmiana prędkość powoduje zmianę długości fali, przy zachowaniu stałej
częstotliwości.
Odbicie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch
ośrodków, powodująca że pozostaje ona w ośrodku, w którym się
rozchodzi. Jeśli powierzchnia odbijająca falę nie jest gładka, zachodzi tak
zwane zjawisko rozpraszania odbiciowego, powodujące że fala nie
odbija się w jednym kierunku, lecz rozprasza w różne strony.
Duża liczba błędów transmisji  dużo większa niż w systemach
przewodowych. Konieczność stosowania technik minimalizujących wpływ
błędów na jakość transmisji.
Charakterystyka fal
Na transmisje fal radiowych duży wpływ maja :
" załamanie (refrakcja) i rozproszenie w troposferze (do
wys. 17 km),
" odbicie, ugięcie (dyfrakcja) i rozproszenie na
przeszkodach terenowych,
" zjawisko Dopplera
" strefa Fresnela
Zjawisko Dopplera
Występuje gdy stacje znajdują sie w ruchu względem
siebie, np. komputer zamontowany w samochodzie
względem stacji bazowej.
Częstotliwość sygnału docierającego do odbiornika
ulega wówczas przesunięciu w stosunku do
częstotliwości nominalnej odbiornika.
Wartość przesunięcia częstotliwości "f dana jest
zależnością:
v  względna prędkość nadajnika i odbiornika
fo  częstotliwość nominalna kanału komunikacji
Fale optyczne
Fale optyczne wykorzystywane w sieciach
komputerowych należą zwykle do zakresu bliskiej
podczerwieni (zakresy 700-1100 nm, 1200-1350 nm i
1550 nm)
Propagacja ograniczona jest do zasięgu bezpośredniej
widoczności (LOS), gdyż fale optyczne nie ulęgają
praktycznie
ugięciom, a odbicie od większości powierzchni odbywa
sie z dużymi stratami.
A
ącze może być zrealizowane w sposób bezpośredni lub
poprzez wykorzystanie promieniowania odbitego (NLOS)
np. od ścian.
Fale optyczne - charakterystyka
W łączach szerokopasmowych, nadajnikiem jest najczęściej
laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) przy mocy
wiÄ…zki do 5 mW.
Cecha charakterystyczna laserowej wiÄ…zki telekomunikacyjnej jest
mała rozbieżność kątowa, nie większa niż 0,350 (6 mrd).
Fale podczerwone są silnie tłumione w atmosferze poprzez
rozproszenie na drobinkach kurzu, czÄ…steczkach pary wodnej.
Tłumienie wiązki laserowej w atmosferze jest prawie niezależne
od długości fali. Jego wartość można obliczyć na podstawie
prawa Lamberta-Beera :
Moc wiązki w odległości x od z
ródła
Współczynnik tłumienia
Moc wiÄ…zki wychodzÄ…cej ze z
ródła
Degradacja transmisji w warstwie fizycznej
" propagacja wielodrogowa
odbiór fal odbitych (obiekty większe od długości fali)
odbicie
Degradacja transmisji w warstwie fizycznej
" propagacja wielodrogowa
odbiór fal ugiętych (dyfrakcja na krawędziach)
dyfrakcja
Degradacja transmisji w warstwie fizycznej
" propagacja wielodrogowa
odbiór fal rozproszonych scattering
rozproszenie
Propagacja wielodrogowa - przykłady
Zasięg łączności
" wynika z przepływu mocy w łączu radiowym
" uzale\
niony jest od środowiska propagacyjnego,
odległości nadajnika i odbiornika oraz ich parametrów
systemowych, poziomu zakłóceń w miejscu odbioru
" prawidłowy odbiór sygnałów radiowych jest mo\
liwy, gdy
poziom sygnału oraz stosunek S/N na wyjściu toru
telekomunikacyjnego sÄ… dostatecznie du\
e.
Dziękuję za uwagę