Файл: Учебнопрактическое пособие Владимир 2021.pdf

88
Рис. 2.4. Классификация технологий беспроводных СПИ
Таблица 2. Характеристики технологий беспроводных систем передачи информации
WPAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth),
64 Кб/с-1 Мб/с
10-100 м
Home RF
1(2) Мб/с – 10(20) Мб/с
До 50 м
IEEE 802.15.3 11, 22, 33, 44, 55 Мб/с
До 10 м
IEEE 802.15.4 (ZigBee),
20, 40, 250 Кб/с
До 10 м
IEEE 802.15.3a (UWB)
100 Мб/с – 1,3 Гб/с
5-10 м

89
WLAN
IEEE 802.11 1-2 Мб/с
300 м
IEEE 802.11a
6, 12, 24 (9, 18, 36, 48, 54)
Мб/с
100 м
IEEE 802.11b
2, 5 – 11 Мб/с (до 33 Мб/с)
100 м
IEEE 802.11g
11 – 54 Мб/с
100 м
IEEE 802.11n
Более 160 Мб/с
100 м
DECT
70 Кб/с
30-70 м (в помещении),
100-400 м (на местности)
WMAN
IEEE 802.11.16 2004
(WiMax)
30-40 Мб/с (до 70Мб/с)
2,5-5 км (подвижные або- ненты (до
15 км/ч))
40-50 км (стационарные абоненты)
IEEE 802.11.16e (WiMax)
До 15 Мб/с
2-7 км
IEEE 802.11.16f(h)
(WiMax) - перспективные
До 10 Тб/с
Поддержка мобильность
(до 300 км/ч)
WWAN
IEEE 802.20 (WiMax)
Более 1 Мб/с
Поддержка мобильность и сотовой структуры
GSM
9,6 Кб/с
Сота до 35 км
CDMA
14,4 Кб/с
Сота до 20 км
IMT-2000 2 Мб/с (для малоподвиж- ных абонентов)
384 Кб/с (для мобильных абонентов)
Сота 20-40 км

90
Беспроводные персональные сети WPAN.
Персональные беспроводные сети передачи данных стали появ- ляться сравнительно недавно – в середине 90-х годов. Однако лишь к концу 90-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Открыв- шиеся перспективы привели к тому, что практически одновременно появилось сразу несколько разработок персональных БСПИ, основ- ные из которых – это спецификации Home RF, стандарты семейства
IEEE 802.15 (Bluetooth, ZigBee и др.).
Стандарты Home RF и IEEE 802.15.1 Bluetooth
Home RF – это название созданной в марте 1998 года группы производителей компьютерного и бытового оборудования (HRFWG -
Home Radio Frequency Working Group). В первый год существования в нее вошло свыше 90 фирм, включая Intel, Compaq, Ericsson, Hewlett-
Packard и Microsoft. Она организовывалась для разработки открытого протокола распределенного беспроводного доступа SWAP (Shared
Wireless Access Protocol), который должен был лечь в основу радиосе- ти Home RF. Впоследствии вместо наименования SWAP в названии спецификации стали использовать Home RF. Оборудование Home RF работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, для передачи трафика использу- ется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой ча- стоты.
Как следует из названия, стандарт Home RF задумывался как беспроводная домашняя система передачи информации, аналог из- вестной к тому времени проводной Ethernet-подобной сети HomePNA
(Home Phone Line Networking Alliance), использовавшей в качестве носителя уже существующую телефонную линию. Для нормальной работы сети Home RF необходим host - компьютер (или устройство, выполняющее его функции).
Специфика сферы применения данной технологии обусловила изначальную ориентацию на подключение к беспроводной сети раз-

91 нообразных устройств – от персональных компьютеров и периферии до бесшнуровых телефонов и средств бытовой электроники. Техноло- гия создавалась для передачи разных типов трафика – данных, голоса и потокового мультимедиа. В качестве метода доступа к среде пере- дачи при транспортировке голоса используется метод временного разделения каналов TDMA (заимствованный из сетей DECT), а при транспортировке трафика данных - метод множественного доступа с обнаружением коллизий CSMA/CA (аналогичный применяемому в сетях Ethernet).
Первая версия спецификации Home RF появилась 17 декабря
1998 года и обеспечивала скорость передачи 2 Мбит/с. Появление в марте 2001 г. спецификаций Home RF 2.0 позволило поднять поддер- живаемую максимальную скорость передачи до 10 Мбит/с., с воз- можностью дальнейшего ее увеличения до 20 Мбит/с. Последняя вер- сия спецификации Home RF 2.01 вышла 1 июля 2002 года и на этом цели рабочей группы были выполнены, а в январе 2003 года она была расформирована.
Идеология Bluetooth иная – это универсальный радиоинтер- фейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не тре- бующий дорогой аппаратной поддержки. Однако устройства
Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве беспроводной гар- нитуры для сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр за- ложенных в нем возможностей. Рынок такого рода приложений пока во много раз превосходит рынок действительно сетевых устройств.
Возможно, именно поэтому прекрасно проработанный для примене- ния именно для сетевых задач стандарт HomeRF пока не нашел мас- сового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие
Bluetooth-устройства, с другой — системы стандарта IEEE 802.11, ко- торые за последние пять лет существенно подешевели, лишив тем са- мым HomeRF основного перед ними преимущества – низкой стоимо- сти. Основные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF при- ведены в табл. 3.

92
Своим появлением спецификация Bluetooth обязана компаниям
Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, которые в феврале 1998 года для разработки стандарта персональной БСПИ организовали специаль- ную рабочую группу SIG (Special Interest Group).
Уже в 2000 году в Bluetooth SIG входили 1883 фирмы (на поря- док больше, чем в группу HomeRF). Новую технологию поддержали производители элементной базы, программного обеспечения, порта- тивных компьютеров, сотовых телефонов, звуковоспроизводящей ап- паратуры и др. Сегодня стандарт Bluetooth признан всем мировым со- обществом. Между Bluetooth SIG и IEEE было достигнуто соглаше- ние, в соответствии с которым спецификация Bluetooth вошла в стан- дарт IEEE 802.15.1 (он опубликован 14 июня 2002 года как «Wireless
Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications
for Wireless Personal Area Networks (WPANs)» – Спецификации кон- троля доступа к беспроводному каналу и физического уровня беспро- водных персональных сетей).

93
Таблица 3. Сравнительные характеристики технологий Bluetooth и Home RF
Показатель
Home RF
Bluetooth
Вид модуляции
Шумоподобный сигнал, метод частотных скачков
Шумоподобный сигнал, метод частотных скачков
Число скачков в се- кунду
50 1600
Мощность передат- чика, мВт
100 100
Скорость обмена данными, Мбит/с
1 или 2 (возможно, до 20)
1
Способ модуляции
Двух- или четырехуровне- вая ЧМ
Двухуровневая ЧМ
Количество устройств в сети
До 127
Не ограничено
Защита информации
Blowfish data security
40- и 64-битное шифро- вание
Радиус действия, м
50 10-100
Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен про- исходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц (в США и ряде других стран – это безлицензионный диапазон). В радиотракте применен ме- тод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуров- невая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian
Frequency Shift Keying). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на опре- деленное количество подканалов шириной 1МГц каждый.
Канал представляет собой псевдослучайную последователь- ность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 4).
Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью
625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенная не- сущая (подканал). Передатчик «перескакивает» с несущей на несу-

94 щую синхронно с приемником в последовательности, определяемой номером канала. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Последняя обусловлена тем, что если переданный по какому-либо подканалу пакет не был принят, то при- емник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.
Таблица 4. Разделение полосы частот на подканалы в стандарте Bluetooth
Страна
Диапазон, МГц
Несущая частота подканалов,
МГц
Допустимые номера подканалов, k
Европа* и США 2400,8-2483,5 2402 + k
0 ... 79
Япония
2471,8-2497,8 2473 + k
0 ... 23
Испания
2445,8-2475,8 2449 + k
0 ... 22
Франция
2446,5-2483,5 2454 + k
0 ... 22
* Кроме Испании и Франции
Протокол Bluetooth поддерживает соединения типа точка-точка и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же ка- нал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств рабо- тает как основное (master), а остальные – как подчиненные (slaves). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределен- ную сеть» (scatternet).

95
Рис. 2.5.Варианты построения пикосетей
В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосе- ти. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 2.5). Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте – каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Псевдослучай- ная последовательность скачков уникальна для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдо- случайной последовательности – 227 элементов. В стандарте
Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (time division duplexing – TDD). Основное устройство переда- ет пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство
– в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти

96 временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окон- чания передачи пакета. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной ско- ростью) голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость каждого голосового канала – 64 кбит/с в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме – до 723,2 кбит/с в прямом и 57,6 кбит/с в об- ратном направлениях или до 433,9 кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме.
Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точ- ка-точка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам, например голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, вспомогательное – до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух – с разными основными устройствами. При синхронном соеди- нении основное устройство резервирует временные сегменты, следу- ющие через так называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается.
При асинхронной связи (ACL) используются временные сегмен- ты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчи- ненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устрой- ства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. По- скольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле ACL-пакета ад- рес не указан, пакет считается «широковещательным» – его могут чи- тать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками (механизм ARQ —
automatic repeat request).
Несмотря на всю свою привлекательность и универсальность, стандарт Bluetooth как действительно сетевой стандарт используется сегодня относительно редко. Возможно, причина кроется в том, что

97 все же это еще очень новая технология, а также в том, что Bluetooth слишком универсален. В одних приложениях ему недостает скорости обмена (например, при передаче видеосигнала), в других — требуют- ся более простые и дешевые устройства. Чтобы разрешить эти проти- воречия и окончательно стандартизовать принципы организации пер- сональных СПИ, рабочая группа IEEE 802.15, не удовольствовавшись стандартом IEEE 802.15.1, создала еще две исследовательские группы
(Tg3 и Tg4). В результате в конце сентября 2003 года были опублико- ваны два новых стандарта – IEEE 802.15.3 «Wireless Medium Access
Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate
Wireless Personal Area Networks (WPANs)» и IEEE
802.15.4 «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical
Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs)» – стандарты для высокоскоростной и низко- скоростной персональных БСПИ, соответственно.
Низкоскоростные сети стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee)
Не смотря на востребованность высокоскоростных технологий для очень широкого круга задач вполне достаточно невысокой скоро- сти обмена – лишь бы сетевые устройства были максимально про- стыми, дешевыми, со сверхнизким потреблением энергии и неслож- ным механизмом подключения к сети. Так, для интерактивных игр не нужна скорость обмена с компьютером выше 250 кбит/с, а различные системы сбора информации и диспетчеризации не требуют скоростей передачи более 20 кбит/с. Для решения подобных задач и был разра- ботан стандарт низкоскоростных БСПИ IEEE 802.15.4. Его разработ- чиком выступил альянс компаний (Inven-sys, Honeywell, Mitsubishi
Electric, Motorola, Philips), назвавший себя ZigBee - (от Zig-zag — зиг- заг и Bee — пчела). Подразумевалось, что топология сети будет напоминать зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к цветку.
Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0-868,6 МГц (для Европы), 10 каналов в

98 диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая ниж- няя из них – 906 МГц) и 16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц
(шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц)
(табл. 5).
Таблица 5. Частотные диапазоны и скорости передачи в сетях IEEE 802.15.4
Частотный диапазон,
МГц
Чиповая ско- рость,
Кчип/с
Модуляция
Битовая ско- рость, кбит/с
Скорость сим- волов, Ксимво- лов/с
868-868,6 300
BPSK
20 20 902-928 600
BPSK
40 40 2400-2483,5 2000
O-QPSK
250 62,5
В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуля- ция и расширяющие последовательности для диапазонов 868/915 и
2450 МГц различны. В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на группы по четыре бита. Каждая группа заме- няется одной из 16 квазиортогональных последовательностей длиной
32 бита (чипа). Модуляция данных — квадратурная фазовая (QPSK) со сдвигом. В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию и замене каждого бита расширя- ющей последовательностью длиной 15 бит. Далее преобразованный поток данных передается в радиоканал посредством двухпозицион- ной фазовой модуляции (BPSK).