Информационные сети и системы

 

1.6.2. Персональные беспроводные сети (технологии Home RF, Bluetooth, ZigBee)

 

Персональные беспроводные сети передачи данных стали появляться 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. Открывшиеся перспективы привели к тому, что практически одновременно появилось сразу несколько разработок персональных БСПИ, основные 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 радиосети 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 используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты.

Как следует из названия, стандарт Home RF задумывался как беспроводная домашняя система передачи информации, аналог известной 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 разнообразных устройств – от персональных компьютеров и периферии до бесшнуровых телефонов и средств бытовой электроники. Технология создавалась для передачи разных типов трафика – данных, голоса и потокового мультимедиа. В качестве метода доступа к среде передачи 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 поддерживаемую максимальную скорость передачи до 10 Мбит/с., с возможностью дальнейшего ее увеличения до 20 Мбит/с. Последняя версия 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 радиоинтерфейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппаратной поддержки. Однако устройства Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве беспроводной гарнитуры для сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр заложенных в нем возможностей. Рынок такого рода приложений пока во много раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, именно поэтому прекрасно проработанный для применения именно для сетевых задач стандарт HomeRF пока не нашел массового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой — системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лет существенно подешевели, лишив тем самым HomeRF основного перед ними преимущества – низкой стоимости. Основные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF приведены в табл. 1.2.

Своим появлением спецификация Bluetooth обязана компаниям Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, которые в феврале 1998 года для разработки стандарта персональной БСПИ организовали специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group).

Уже в 2000 году в Bluetooth SIG входили 1883 фирмы (на порядок больше, чем в группу HomeRF). Новую технологию поддержали производители элементной базы, программного обеспечения, портативных компьютеров, сотовых телефонов, звуковоспроизводящей аппаратуры и др. Сегодня стандарт Bluetooth признан всем мировым сообществом. Между Bluetooth SIG и IEEE было достигнуто соглашение, в соответствии с которым спецификация Bluetooth вошла в стандарт 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 контроля доступа к беспроводному каналу и физического уровня беспроводных персональных сетей).

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2

 

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 секунду	50	1600
Мощность передатчика, мВт	100	100
Скорость обмена данными, Мбит/с	1 или 2 (возможно, до 20)	1
Способ модуляции	Двух- или четырехуровневая ЧМ	Двухуровневая ЧМ
Количество устройств в сети	До 127	Не ограничено
Защита информации	Blowfish data security	40- и 64-битное шифрование
Радиус действия, м	50	10-100

 

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц (в США и ряде других стран – это безлицензионный диапазон). В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1МГц каждый.

Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 1.3). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенная несущая (подканал). Передатчик «перескакивает» с несущей на несущую 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 приемник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

 

 

 

Таблица 1.3

 

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 канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает 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 «распределенную сеть» (scatternet).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.11.  Варианты построения пикосетей

 

 

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 1.11). 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. Псевдослучайная последовательность скачков уникальна для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности – 227 элементов. В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (time division duplexing – TDD). Основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство – в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) 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 обратном направлениях или до 433,9 кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме.

Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точка-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 соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается.

При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку 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 адрес не указан, пакет считается «широковещательным» – его могут читать 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 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 — требуются более простые и дешевые устройства. Чтобы разрешить эти противоречия и окончательно стандартизовать принципы организации персональных 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 опубликованы 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 низкоскоростной персональных БСПИ, соответственно.

 

Низкоскоростные сети стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee)

 

Не смотря на востребованность высокоскоростных технологий для очень широкого круга задач вполне достаточно не высокой скорости обмена – лишь бы сетевые устройства были максимально простыми, дешевыми, со сверхнизким потреблением энергии и несложным 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 разработан стандарт низкоскоростных БСПИ IEEE 802.15.4. Его разработчиком выступил альянс компаний (Inven-sys, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips), назвавший себя ZigBee - (от Zig-zag — зигзаг 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 диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя 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. 1.4).

 

Таблица 1.4

 

Частотные диапазоны и скорости передачи в сетях IEEE 802.15.4

 

Частотный диапазон, МГц	Чиповая скорость, Кчип/с	Модуляция	Битовая скорость, кбит/с	Скорость символов, Ксимволов/с
868-868,6	300	BPSK	20	20
902-928	600	BPSK	40	40
2400-2483,5	2000	O-QPSK	250	62,5