МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ) Факультет радиотехники и электроники Кафедра радиотехники КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Техническая диагностика и скрытность» Тема «Моделирование цифровой сети передачи информации» Расчетно-пояснительная записка Разработал студент гр. мРТ-191 Подпись, дата Плотников М.В. Инициалы, фамилия Литвиненко В.П. Инициалы, фамилия Подпись, дата Инициалы, фамилия Подпись, дата Инициалы, фамилия Подпись, дата Инициалы, фамилия Подпись, дата Руководитель Члены комиссии Нормоконтролер Защищена ________________Оценка __________________________________ дата Воронеж 2019 Содержание ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 3 1 Анализ принципов построения беспроводных сетей ................................... 5 1.4 Классификация сетей беспроводного доступа .......................................... 5 1.1 Описание основных видов беспроводных сетей ....................................... 6 1.3 Логические топологии беспроводных сетей ............................................. 8 1.4 Классификации беспроводных технологий по частотам ........................ 10 1.5 Основные стандарты беспроводных сетей .............................................. 10 1.6 Современные проблемы беспроводных сетей ......................................... 13 2 Проектирование беспроводной сети передачи сигнала ............................. 15 3 Моделирование прохождения 8-PSK сигналов через канал связи ............ 20 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 28 Приложение А ................................................................................................. 29 2 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в связи с бурным развитием информационных технологий и телекоммуникаций ведущую роль в процессе обмена информаций стали играть беспроводные сети. Особенностью этих систем является их универсальность отсутствия привязки к месту работы и т.д. Основным видом беспроводных сетей в настоящее время является Wi-Fi (от английского wireless fidelity – беспроводная связь). Данная технология нашла широкое применение в организации локальных компьютерных сетей и точек доступа в сеть Интернет. Из основных преимуществ беспроводных сетей в сравнении с сетями проводными стоит выделить следующие: 1. универсальность установки; 2. гибкость сетевой архитектуры; 3. возможность изменения топологии сети в реальном времени; 4. отсутствие пространственной привязки; Однако, несмотря на все преимущества у беспроводных сетей можно выделить ряд недостатков таких как: 1. «свободный статус» диапазона (на частоте 2.4 ГГц могут работать такие бытовые приборы как микроволновые печи или медицинские приборы, которые действуют как помехи); 2. наличие на пути препятствий (при прохождении через препятствия, например, стены, сигнал ослабляется, в результате чего ухудшается качество приема, а при прохождении через металлические поверхности наблюдается эффект многолучевости); 3. низкая скорость передачи информации в сравнении с оптоволоконными средствами передачи сигнала. В ходе данного курсового проектирования были решены следующие основные задачи: 1 анализ принципов построения беспроводных сетей; 3 2 имитационное моделирование системы беспроводной передачи информации в пакете Net Cracker; 3 моделирование прохождения сигнала 8-PSK через физический канал и анализ влияния канала на принимаемый сигнал в пакете Simulink среды Matlab. 4 1 Анализ принципов построения беспроводных сетей 1.4 Классификация сетей беспроводного доступа Беспроводными технологиями в настоящее время принято называть подкласс информационных технологий, которые выполняют роль передачи данных в пространстве между двумя или более точками посредством радиосвязи (без применения оптоволоконных, коаксиальных линий и т.д.). Помимо названных выше радиоволн широкое применение нашли источники инфракрасного излучения, а также оптические и лазерные излучатели. На сегодняшний день существует большое число разнообразных беспроводных технологий таких, например, как Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX и другие. Каждая из этих технологий описывается определенными характеристиками, которые определяют область ее применения. Классифицировать беспроводные сети можно по разным критериям: энергетическим, частотным, по дальности связи и др. С точки зрения обычного пользователя наиболее важным является дальность действия. На рис. 1.1 приведена классификация сетей по дальности действия. Рисунок 1.1 – Классификация по дальности К беспроводным персональным сетям (WPAN) можно отнести технологию Bluetooth. К беспроводным локальным сетям (WLAN) принято 5 относить технологии Wi-Fi. К сетям городского масштаба относят технологию WMAN, примером такой технологии является Wi-MAX. 1.1 Описание основных видов беспроводных сетей Беспроводные персональные сети WPANS. В настоящее время существуют две технологии синтеза беспроводных сетей (Infra Red, Bluetooth). При помощи них возможно установление связи между устройствами в радиусе 10 м. При использовании инфракрасной связи устройства должны быть в прямой зоне видимости. Беспроводные персональные сети WLANS дают возможность получать доступ в сеть Интернет пользователям из определенного района (библиотеки, школы и др). Также имеется возможность создания сети с определенным (ограниченным) числом пользователей, без наличия сети интернет для обмена информацией между друг-другом без использования приемопередатчиков. Беспроводные глобальные сети WWANS. Такой класс сетей объединяет города и государства путем использования антенной или спутниковой связи. Такие системы называют системами второго поколения (2G). Для большей наглядности целесообразно отобразить на одной плоскости (рис. 1.2) два наиболее существенных критерия: максимальная скорость обмена информацией и максимальная дальность Рисунок 1.2 – сравнение стандартов по скорости и дальности работы 6 Также можно выделить следующие сети по области применения: 1) корпоративные (ведомственные) сети, они создаются для собственных нужд пользователей; 2) операторские беспроводные сети, которые создаются для платных услуг и создаются, как понятно из названия, операторами; Таким образом беспроводные сети можно разделить так, как показано на рис. 1.3. Рисунок 1.3 – Стандарты беспроводных сетей На рис. 1.4 приведены главные отличия беспроводных и проводных сетей. Рисунок 1.4 – Сравнительная характеристика проводных и беспроводных сетей 7 1.3 Логические топологии беспроводных сетей В настоящее время беспроводные сети принято классифицировать по двум основным логическим топологиям: 1. Звездообразная; 2. Точка-точка; Звездообразная (рис. 1.5) топология применяется в оборудовании стандартов 802.11b и Radio LAN и имеет много общего с топологией стандарта 10 BASE-T и прочих более скоростных версий Ethernet с концентратором. Как видно из рисунка все компьютеры взаимодействуют с концентратором (узловым передатчиком) и не взаимодействуют в другими устройствами напрямую. Преимуществом данной топологии является скорость, наиболее близкая к скоростям 10 BASE-T Ethernet, также стоит отметить, что технология проста в управлении и настройке. Рис. 1.5 – Звездообразная топология Топология «точка-точка» нашла применение в продуктах HomeRF и в устройствах Bluetooth. Особенность таких устройств заключается в отсутствии так называемого узлового передатчика и все данные передаются непосредственно от компьютера к компьютеру. Схема такой топологии приведена на рис. 1.6. Из преимуществ стоит отметить дешевизну (так как не 8 требуются специальные концентраторы), однако недостатком является низкая скорость передачи информации в сравнении с сетями 10BASE-T. Рисунок 1.6 – Топология «точка-точка» Также стоит отметить, что используются и другие технологии, например, кольцо или кластерное дерево, которые, как правило, строятся на основе тех топологий, которые были рассмотрены ранее. Пример таких сетей приведен на рис. 1.7. Рисунок 1.7 – Топологии беспроводных сетей 9 1.4 Классификации беспроводных технологий по частотам Классическая классификация беспроводных сетей по частотам приведена на рис. 1.8. Рисунок 1.8 – Классификация беспроводных технологий 1.5 Основные стандарты беспроводных сетей На сегодняшний день активно применяется преимущественно три стандарта беспроводной сети IEEE 802.11, которые представлены в таблице 1. Таблица 1 – Характеристики стандартов IEEE 802.11 Стандарт 802.11g 802.11a 802.11n Диапазон частот, ГГц 2,4-2,483 5,15-5,25 2,4 или 5,0 Способ передачи DSSS,OFDM DSSS,OFDM MIMO Скорость передачи, 1-54 6-54 6-300 802.11 b/n 802.11 n 802.11 a/b/g BPSK, QPSK BPSK, QPSK OFDM BPSK, 64-QAM 20-50 10-20 50-100 250 150 500 Мбит/с Совместимость с другими стандартами Вид модуляции OFDM Дальность связи в помещении, м Дальность за пределами помещения, м 10 Стандарт IEEE 802.11g был принят в 2003 году. Он стал наследником стандарта 802.11b. Передача данных осуществляется в том же частотном диапазоне, что и в 802.11b но на значительно больших скоростях. В ходе разработки данного стандарта рассматривались две конкурирующее технологии: OFDM модуляция, заимствованная у стандарта 802.11a, суть которой заключается в передаче информации на нескольких поднесущих, а также применение сверточного кодирования (PBCC), которое предложила известная компания Texas Instruments. Принцип сверточных кодов заключается в том, что информационная последовательность преобразуется в сверточном коде так, чтобы информационному символу соответствовало несколько бит выходного кода. Иными словами, устройство кодирования (кодер) вносит так называемую избыточность во входную кодовую последовательность. Например, если входному биту информации соответствует 3 выходных бита, то говорят, что сверточный код имеет скорость 1/3, или же, если каждым двум входным информационным битам можно поставить в соответствие три выходных бита, то говорят, что скорость сверточного кода составит 2/3. Построение сверточного кодера осуществляется на основе последовательности запоминающих ячеек (регистров) и логических блоков «исключающее ИЛИ». Число регистров показывает число возможных состояний кодера. Итак, если в кодере используется пять регистров для запоминания, значит в кодере хранится информация о пяти предыдущих состояниях входной последовательности, учитывая значение входного бита не сложно догадаться, что в кодере используется шесть бит входной информационной последовательности, а такой кодер принято называть кодером на шесть состояний. Основным достоинством сверточного кодирования является хорошая помехоустойчивость формируемой последовательности, то есть, при наличии избыточности, в случае появления ошибок на приемной стороне исходная последовательность может быть безошибочно 11 восстановлена. Для восстановления исходной последовательности на приемной стороне используют так называемый декодер Витерби. Дибит, образущийся при сверточном кодировании поступает в дальнейшем на фазовый модулятор (манипулятор). Исходя из скорости передачи используется разная модуляция: двоичная квадратурная манипуляция, восьмипозиционная фазовая модуляция. Стандарт IEEE 802.11a имеет возможность работы в частотном диапазоне 5 ГГц. В качестве манипуляции, как и в 802.11g используется OFDM модуляция, которая обеспечивает хорошую устойчивость в случае мнологучевости. За счет использования трех поддиапазонов общей шириной 300 МГц IEEE 802.11a считается самым широкополосным стандартом, это позволяет разбить диапазон на 12 каналов в среднем по 20 МГц каждый. Восемь каналов лежат в 200-мегагерцовой полосе (5.15 – 5.35 ГГц), а другие четыре в 100-мегагерцовом диапазоне (5.725-5.825 ГГц), подробная иллюстрация приведена на рис. 1.9, причем в этих каналах сосредоточена наибольшая мощность, соответственно эти каналы используются для передачи сигналов на дальние расстояния, то есть за пределы помещения. Рисунок 1.9 – разделение диапазона на 12 поднесущих 12 Стандарт IEEE 802.11n был принят в 2009 году и по скорости передачи информации сравним с проводными технологиями. Скорость передачи у данного стандарта примерно в 5 раз выше, чем скорость обыкновенного WiFi. Из преимуществ стоит выделить высокую скорость передачи данных (порядка 300Мбит/с), равномерное покрытие зоны, возможность работать с предыдущими версиями стандартов Wi-Fi. К недостаткам стоит отнести большую потребляемую мощность, усложнение аппаратуры, увеличение ее габаритов Основными способами увеличения скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n послужили использование технологии MIMO, а также удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц. Таким образом стандарт 802.11a использует технологию OFDM-MIMO. Принцип реализации технологии MIMO приведен на рис. 1.10. Рисунок 1.10 – Принцип реализации технологии MIMO 1.6 Современные проблемы беспроводных сетей У любой сложной технологии есть не только положительные, но и отрицательные стороны и беспроводные технологии не стали исключением. В настоящее время основной проблемой является наличие на пути следования радиоволн различных препятствий, которые, как уже отмечалось ранее, пагубно влияют на качество сигнала и передачи информации, на это стоит обращать внимание и учитывать при размещении точек доступа абонентских (клиентских) станций. Ранее, также было отмечено, что 13 металлические поверхности могут создавать эффект многолучевого приема, суть которого заключается в том, что сигнал в результате переотражений приходит на приемную сторону с разной фазой, в результате чего возрастает коэффициент ошибок. Для устранения данной проблемы целесообразно использовать технологию MIMO, суть которой заключается в том, что приемное устройство использует несколько антенн, которые принимают сигналы с разной начальной фазой, после чего специальный блок обработки складывает фазы согласно определенному алгоритму получая исходный сигнал. Другой важной проблемой является так называемый «свободный статус» диапазона 2.4 ГГц. В данном диапазоне осуществляют микроволновые печи, медицинское оборудование, которые влияют на работу беспроводных сетей. С точки зрения конфиденциальности информации беспроводные сети тоже имеют ряд слабых сторон, например, такие системы подвергаются взлому и несанкционированному доступу. В настоящее время процедура взлома является весьма непростой и для нее необходимо использовать весьма мощные компьютеры, однако, не исключено, что спустя определенное время взлом возможно будет осуществлять с обычного персонального компьютера. 14 2 Проектирование беспроводной сети передачи сигнала В данном разделе дипломной работы будет произведено непосредственно проектирование беспроводной сети в пакете имитационного моделирования Cisco Packet Tracker. Структурный уровень разрабатываемой сети приведен на рис. 2.1. Рисунок 2.1 – Структурная схема проектируемой сети Как видно на рис. 2.1 на структурном уровне схема состоит из сервера, который осуществляет общение сети с внешними источниками. Сервер посредством проводного соединения коммутируется с роутером 1. Все роутеры соединены друг с другом посредством беспроводной технологии, а также с коммутаторами при помощи проводника. Коммутаторы образуют подсети, в которые входят пользовательские компьютеры. 15 На рис. 2.2 приведена схема модели из пакета имитационного моделирования Cisco Packet Tracker. Рисунок 2.2 – модель разрабатываемой сети Данная модель составлена на основе структурной схемы, приведенной на рис 2.1. Она состоит из сервера, трех Wi-Fi роутеров, трех коммутаторов, соединенных с роутерами, коммутатор в составе первой подсети соединяется с устройствами 0-3, в составе второй подсети с устройствами 4-8 и в составе третей подсети с устройствами 9-11. После соединения всех устройств необходимо настроить IP-адреса, маски и т.д. Существует два основных способа настройки оборудования: ручная настройка (Config) и настройка, в консоли. 16 Покажем настройку роутеров на примере роутера router0 (рис.2.3 а) и б)). Настроим адрес подсети (FastEthernet 0/0), пропишем IP адрес и адрес и маску подсети. Рисунок 2.3 – настройка router0 После настройки роутеров датчики соединения стали гореть зеленой индикацией, что говорит о правильной настройке роутеров (рис. 2.4). Рисунок 2.4 – настроенные роутеры 17 Произведем настройку компьютеров. Покажем настройку на примере устройства PC-PT PC0. Рисунок 2.5 – настройка пользовательских компьютеров Произведем настройку сервера, укажем адрес сервера и маску. Параметры настройки приведены на рис. 2.6. Рисунок 2.6 – настройка сервера 18 Настройка тестового адреса приведена на рис. 2.7. Рисунок 2.7 – настройки сайта Последним этапом настройки является настройка маршрутизации (рис 2.8). Рисунок 2.8 – настройка статической маршрутизации 19 статической На этом проектирование сети завершено. Проверим ее работоспособность на примере обмена пакетами между компьютерами. Пропингуем компьютер PC-PT PC10 с Ip 192.169.7.3 через PC-PT PC0. Результат работы показан на рис 2.9 Рисунок 2.9 – проверка на работоспособность Как видно, обмен информационными пакетами между компьютерами происходит осуществляется верно. Консольное окно отображает время обмена пакетами и число утерянных пакетов. Как видно из четырех пакетов всего один был утерян, что говорит о приемлемой работе сети. 3 Моделирование прохождения 8-PSK сигналов через канал связи Как было сказано ранее при передаче сигналов в беспроводных сетях используют различные типы цифровой модуляции (манипуляции). Особенность такого вида модуляции заключается в том, что существует 8 значений фазы несущего колебания, которые изменяются по закону информационного сигнала. Таким образом при 𝑛 = 3, 2𝑛 = 8. То есть одним символом можно передать сразу 3 бита информации, значит битовая скорость 20 в три раза больше, чем символьная. 8-PSK описывается следующим аналитическим выражением: 𝑆(𝑡) = 𝐼 (𝑡) cos(2𝜋𝑓0 𝑡) + 𝑄 (𝑡) sin(2𝜋𝑓0𝑡) (1) где 𝑄 (𝑡) – квадратурная 𝐼 (𝑡) – синфазная составляющие 𝑓0 – несущее колебание. Структурная передатчика схема в пакете Matlab приведена на рис.3.1. Рисунок 3.1 – структурная схема передатчика 8-PSK Блоком Random Integer Generator производится формирование случайных чисел, которые поступают на модулятор (Modulator), а затем поступают в канал связи. Структурная схема канала связи приведена на рис. 3.2. Рисунок 3.2 – схема канала связи 21 В данной схеме блок AWGN является источником аддитивного белого гауссовского шума, с которым смешивается сигнал в результате прохождения через канал связи. Блок Phase/Frequency Offset обеспечивает фазовые и частотные задержки в модели (если это необходимо) Variable Fractional Delay обеспечивает временную задержку на определенную константу (возьмем ее равной 0). Сначала, в блоке AWGN установим соотношение сигнал/помеха 10 дБ. На рис. 3.3.а приведена диаграмма траектории сигнала на выходе передатчика, а на рис. 3.3. б – диаграмма в канале связи. Из рисунков видно, что такое соотношение сигнал/помеха сигнал на приемной стороне является весьма сильно искаженным и его сложно распознать. б а Рисунок 3.3 а – на выходе передатчика; б – в канале 22 На рисунке 3.4 а приведена диаграмма комплексных значений квадратурной и синфазной составляющей сигнала на входе канала, а на рис 3.4 б – на выходе канала. б а Рисунок 3.4 а – на выходе передатчика; б – в канале На рис. 3.5 а приведена глазковая диаграмма сигнала на входе канала, а на рис. 3.5 б – на выходе канала. а б Рисунок 3.5 а – на выходе передатчика; б – в канале 23 Изобразим спектры сигналов на рис 3.6 а – на входе канала, на 3.6 б – на выходе канала а б Рисунок 3.6 а – на выходе передатчика; б – в канале Анализируя графики 3.3 – 3.6 стоит сделать вывод о том, что при соотношении сигнал/помеха 10 дБ сигнал на приемной стороне практически не читаем, это говорит, как диаграмма траектории, так и диаграмма комплексных значений. Видно, что значения сигнала на выходе передатчика локализованы в определенной окрестности, некоторый разброс на комплексной плоскости обусловлен тем, что информационный сигнал является случайной последовательностью. На рис. 3.5 видно, что глазковая диаграмма на приемной стороне искажена и нет никаких предпосылок, что она «раскроется». Анализируя спектры видно, что сигнал при таком соотношении сигнал шум является недостаточно структурированным. Чтобы сделать сигнал на входе приемника более читаемым необходимо уменьшить уровень шумов, произведем аналогичное установив соотношение сигнал/помеха, например, 50 дБ. 24 моделирование, На рис. 3.7.а приведена диаграмма траектории сигнала на выходе передатчика, а на рис. 3.7. б – диаграмма в канале связи. а б Рисунок 3.7 а – на выходе передатчика; б – в канале На рисунке 3.8 а приведена диаграмма комплексных значений квадратурной и синфазной составляющей сигнала на входе канала, а на рис 3.8 б – на выходе канала. б а Рисунок 3.8 а – на выходе передатчика; б – в канале 25 На рис. 3.9 а приведена глазковая диаграмма сигнала на входе канала, а на рис. 3.9 б – на выходе канала. а б Рисунок 3.9 а – на выходе передатчика; б – в канале Изобразим спектры сигналов на рис 3.10 а – на входе канала, на 3.10 б – на выходе канала б а Рисунок 3.10 а – на выходе передатчика; б – в канале 26 Из графиков видно, что, увеличив значение сигнал/шум до 50 Дб, сигнал становится практически таким же, как и на выходе передатчика. Спектры практические повторяют друг друга, наблюдается «раскрытие» глазковой диаграммы, по которой можно судить о читаемости сигнала. На комплексной плоскости каждая точка созвездия локализована в определенной области и, следовательно, является распознаваемой, на приемной стороне, векторная диаграмма становится детерминированной. 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения данной курсовой работы были получены теоретические сведения по способам проектирования беспроводных систем связи, разработана структурная схема проектируемой системы связи, произведено моделирование работы сети в пакете Cisco Packet Tracer, исследованы основные характеристики сигналов, применяемые в приведенных методах обмена информации, исследовано влияние помех на физический канал. 28 Приложение А router0 fa 0/0 192.169.5.1 mask 255.255.255.0 Serial 1/0 192.169.10.1 Serial 1/1 192.169.11.1 Mask 255.255.255.252 router1 fa 0/0 192.169.7.1 fa 0/1 215..7.1 mask 255.255.255.0 Serial 1/0 192.169.10.2 Serial 1/1 192.169.12.1 Mask 255.255.255.252 router2 fa 0/0 192.169.6.1 mask 255.255.255.0 Serial 1/0 192.169.13.2 Serial 1/1 192.169.10.2 Mask 255.255.255.252 29 IP adress computer 1 Network 192.169.5.2 (3), (4), (5) Mask 255.255.255.0 Gateway 192.169.10.1 DNS 215.35.169.50 2 Network 192.169.6.2 (3), (4), (5) Mask 255.255.255.0 Gateway 192.169.13.1 DNS 215.35.169.50 3 Network 192.169.7.2 (3), (4), (5) Mask 255.255.255.0 Gateway 192.169.10.1 DNS 215.35.169.50 30