Беспроводные вычислительные сети. Технология BlueTooth. Микросотовые вычислительные сети.
Организация микросотовых сетей
Семейство стандартов IEEE 802.11 (в том числе с расширением IEEE 802.11b) позволяет организовать беспроводные сети с несколькими точками доступа, аналогичные по принципу работы сетям сотовой связи. Это происходит следующим образом [13].
Если клиентская станция попадает в зону действия нескольких точек доступа, она выбирает из них ту, с которой качество связи выше (в качестве критериев качества связи используются мощность сигнала и коэффициент ошибок), и настраивается на ее частоту. Однако периодически клиентская станция тестирует качество связи с другими точками доступа, и, если отыскивается точка доступа с качеством выше, чем имеется на данный момент, происходит перенастройка на ее частоту. Подуровень MAC канального уровня управляет процессом передачи клиента от одной точки доступа к другой. Вопрос подключения точек доступа к маршрутизаторам для реализации микросотовой связи довольно сложен.
Имееются три частотных канала, которые можно одновременно использовать в одном и том же месте. Соответственно точки доступа, каждая из которых настроена на один из этих трех каналов, можно разместить таким образом, что соседние точки доступа будут работать на разных частотах. Однако при этом иногда возникает паразитное взаимное влияние между точками доступа, расположенными не в соседних сотах, а через соту. Эта проблема может быть решена, если использовать то обстоятельство, что на самом деле выделено 14 каналов и размещение в частотном спектре трех каналов, а также защитных интервалов между ними можно варьировать. Каналы, на которых работают точки доступа в сотах, не являющихся соседними, могут быть близки по частоте, но точно не совпадать. Если для точек доступа, расположенных в соседних сотах, такая ситуация приведет к взаимным помехам, то в точках доступа, расположенных через соту, каналы, полосы которых соседствуют друг с другом или даже частично пересекаются, но полностью не совпадают, не будут оказывать практически никакого взаимного влияния.
На практике при перемещении с ноутбуком или карманным компьютером, в который установлена адаптер, поддерживающий IEEE 802.11, не следует заботиться о подключении к локальной сети, поскольку вокруг установлены точки доступа. Компьютер автоматически передается от одной точки доступа к другой так же легко, как ваш мобильный телефон передается между базовыми станциями.
Технология Bluetooth
Увеличение скорости обмена информацией способствовало развитию беспроводных систем связи на "домашнем" уровне. Персональные компьютеры и ноутбуки, сотовые телефоны, CD- и МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры и масса других цифровых устройств, часто подсоединяемых друг к другу и к стационарным компьютерам, создали проблему их связи.
Кабель стал неудобен - подключаться надо часто, размеры самого кабеля с разъёмами едва не больше собственно подключаемого устройства. На этом фоне резко возросла актуальность беспроводных локальных технологий WLAN (Wireless Local Area Networking), обеспечивающих бесконтактное подключение устройства к диску ведущего компьютера.
В результате была предложена и стала быстро развиваться система беспроводной связи Bluetooth. В спектре радиочастот ей отведено 79 каналов в полосе 37 МГц (примерно 2 МГц каждый) в диапазоне 2,4465-2,4835 ГГц [16].
Суть стандарта Bluetooth в оснащении электронных устройств приёмопередатчиками, работающими на частоте 2,45 ГГц, имеющими радиус действия до 10 м и скорость передачи информации до 1 Мбит/с. Возможности применения данных устройств поистине безграничны - беспроводные наушники, мышки, клавиатуры, соединение мобильных телефонов и ноутбуков, обмен информацией между карманными компьютерами.
Технология Bluetooth работает в разрешённой полосе 2,45 ГГц (полоса промышленного, научного и медицинского применения ISM - Industry, Science, Medicine), что позволяет свободно использовать устройства Bluetooth во всём мире. Технология использует скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/с) с расширением спектра. При работе передатчик перескакивает с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму. Для разделения приёмного и передающего каналов используется временное разделение. Поддерживается синхронная и асинхронная передача данных. Временные интервалы синхронизированы для передачи пакетов, каждый из которых передаётся на своей частоте радиосигнала.
Потребление мощности устройств Bluetooth должно быть в пределах 0,1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-битный сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.
Быстрому старту технологии Bluetooth немало способствовала простота структуры. В её состав входят радиомодуль-трансивер, контроллер связи (он же процессор) и управляющее устройство, собственно реализующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Если трансивер и контроллер связи - это специализированные микросхемы (интегральные или гибридные), то устройства управления связью реализованы на стандартных микроконтроллерах, сигнальных процессорах, либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терминальных устройств (например, ноутбуков).
Кроме того, в устройствах Bluetooth применяют интегральные схемы, используемые в других приложениях, поскольку СВЧ-диапазон 2 ГГц освоен достаточно хорошо, а заложенные в Bluetooth технические решения сами по себе особой новизны не содержат. В самом деле, схема модуляции - широко распространена, технология расширения спектра методом частотных скачков хорошо отработана, мощность мала.
Ключ к успеху Bluetooth-технологии - радиоприёмопередатчик. Низкая цена и малая мощность были первичными соображениями как при реализации технических требований интерфейса (короткая воздушная радиолиния), так и при проектировании приёмопередатчика. Технология Bluetooth позволяет создать однокристальный приёмопередатчик, объединяя ВЧ-схему и схему обработки цифровых потоков на одном кремниевом кристалле.
Bluetooth - это технология передачи данных по радио на короткую дистанцию, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии при отсутствии прямой видимости.
Разработку Bluetooth начала компания ERICSSON ещё в 1994 году. Первоначальной целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Кроме того, согласно концепции ERICSSON, новый интерфейс предназначался для передачи данных и речевых сообщений, причём из любой точки мира. Для обеспечения более широкой поддержки молодой технологии в таких секторах рынка, как настольные системы, карманные компьютеры и мобильные телефоны, ERICSSON в феврале 1998 года организовала консорциум по разработке и продвижению новой технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Ныне в него входит более 2000 различных фирм, в том числе такие крупные, как 3СOM, NOKIA, INTEL, NATIONAL SEMICONDUCTOR и др.
Технология Bluetooth полностью открыта. Любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на её основе. Для исключения появления несовместимых устройств разработаны подробные спецификации, включающие детальное описание методов использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных.
На примере Bluetooth-связи по типу "точка - точка" показано информационное взаимодействие двух хостов. Каждый Bluetooth-модуль содержит формирующую и приёмно-передающую аппаратуру, а также встроенное или "зашитое" программное обеспечение (Firmware). К последнему относится интерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер связи (Link Manager), а также контроллер несущей частоты (Baseband).Связь модуля с хостом на физическом и канальном уровнях осуществляется с помощью шин USB, UART, PC Card и соответствующего встроенного ПО. К физическому уровню относится также радиолиния между модулями.
Модуль поддерживает приём - передачу данных и речевых сигналов. Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART/PCM-интерфейса. Когда используется USB-интерфейс, модуль является USB-ведомым прибором и поэтому не требует ресурсов персонального компьютера.
Интерфейс хост-контроллера (ИХК) в модуле является командным интерфейсом. Хост через ИХК направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию ИХК.
Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную - ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка - точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка - много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.
Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402…2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов - 140…175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.
Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.
Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, они образуют пикосеть. Аппарат, инициирующий связь, является ведущим (host, master), а остальные - ведомыми (slaves). Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер или плата CPU мини-ЭВМ. Число модулей в беспроводном соединении не ограничивается, но в любой момент времени активны должны быть не больше восьми. Не существует разницы как в аппаратной, так и в программной части между ведущими и ведомыми устройствами. Любое из них может быть и тем и другим. Ведущее формирует беспроводное соединение (в каждой сети оно только одно) и полностью контролирует трафик. Ведомые могут отсылать сообщения только в интервале "ведомые - ведущему" после того, как к ним обратился в предшествующий слот "ведущий - ведомым". Если в этом интервале у ведущего нет никакой информации для отправки ведомым, то он передает пакет только с кодом доступа и заголовком. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Предусмотрена координация трафика и между сетями. Множество пикосетей, способных взаимодействовать друг с другом, формируют распределённую сеть (Scatternet).
Несмотря на FHSS, устройства Bluetooth не всегда могут исключить проблемы, связанные с воздействием помех в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому помимо FHSS используется специальное кодирование сигналов. Во-первых, кодирование трафика заметно повышает уровень защищённости связи. Во-вторых, кодирование позволяет с помощью специальных алгоритмов обнаруживать и корректировать ошибки передачи данных. Кроме того, чтобы быть уверенным в том, что устройства вступают в связь только с авторизованными на то устройствами, предусмотрена также встроенная процедура аутентификации. Этим пресекается несанкционированный доступ к данным.
Технология Bluetooth 2.0 – Enhanced Data Rate
Дополнение EDR (Enhanced Data Rate) к стандарту Bluetooth 2.0 было ратифицировано в ноябре 2004 года. В целом, данный стандарт определяет изменения способов модуляции и дополнительные типы пакетов данных, с помощью которых возможно достичь пиковой скорости передачи 3 Мбит/с (с реальной передачей 2.1 Мбит/с) [2].
Практически для любой технологии связи «быстрее» почти всегда означает «лучше» [9]. Однако в случае с EDR, выбор скорости 3 Мбит/с просто реализует желание большей скорости, хотя в настоящее время редкое приложение требует скорости более нынешних 1 Мбит/с (723 кбит/с) для версии 1.х.
Кроме этого, стандарт EDR значительно снижает потребление энергии устройствами Bluetooth. Так как её расход напрямую зависит от времени работы в активном состоянии, то снижение этого времени за счет более быстрой передачи приводит к снижению потребления (как минимум в два-три раза).
Новый стандарт обратно совместим, поэтому разработка новых устройств является не намного более сложным занятием по сравнению с работой над устройствами стандарта версии 1.2.
Стандартный пакет данных Bluetooth включает четыре секции: Access Code, Header, Payload и Inter-Packet Guard Band. В спецификации стандарта 1.2 все три секции передач используют алгоритм модуляции радио сигнала GFSK (Gaussian frequency-shift keying). Несущая частота колеблется в диапазоне +/-160 kHz для представления единиц и нулей, обозначающих биты символа. Скорость передачи 1Мсимвол/с в пиковом состоянии означает 1 Мбит/с. Однако, передача кроме собственно данных еще и сопроводительных кодов, заголовков пакета приводит к тому, что эффективная скорость передачи составляет 723 кбит/с.
В версии стандарта 2.0 EDR пакетами также используется модуляция GFSK для кодов доступа и заголовков. Однако для секции собственно данных применяется одна из двух других схем модуляции – обязательная и опциональная. Смена схемы требует включения небольшой охранной зоны и синхро-последовательности между секциями заголовка и данных.
Обязательная скорость передачи 2Х (2 Мбит/с) использует модуляцию п/4 DQPSK (differential quaternary phase-shift keying). В отличие от GFSK этот алгоритм варьирует фазу несущей, а не частоту. «Четвертичный» означает, что для каждого символа возможны четыре положения фазы, позволяющие двум битам данных быть закодированными в один символ. Так как при этом скорость в символах остается неизменной, имеется двукратное ускорение скорости передачи в битах.
Алгоритм п/4-DQPSK дифференциальный, потому что именно положение фазы каждого символа относительно предыдущего положения определяет то, что кодируется по 2 бита.
Для скорости передачи 3Х (3Мбит/с) используется алгоритм модуляции 8DQPSK (8-phase differential quaternary phase-shift keying). Он сравним с п/4-DQPSK, однако позволяет смещение фазы в любое из восьми возможных положений.
Стандарт 2.0 определяет десять новых типов пакетов – по 5 для режимов передачи 2Х и 3Х. Два из этих пяти пакетов являются 3- и 5- слотовыми eSCO (extended synchronous connection oriented) пакетами, которые используют зарезервированный диапазон и применяются для голосовой связи. Другие три пакета представляют собой 1-, 3- и 5- слотовые ACL (asynchronous connectionless) пакеты, применяемые для передачи данных.
При этом ни для одного типа пакетов не применяется FEC (forward error correction). Вместо этого существующий алгоритм CQDDR (channel quality driven data rate) дополнен вохможностью по автоматическому возврату к рабботе со стандартными пакетами с FEC.
Отдельно стоит обратить внимание на то, как в заголовке пакета идентифицируются новые пакеты данных EDR. Это стало особенно важным, потому что именно по этой информации приемник переключает схемы модуляции при переходе от заголовка к непосредственно данным. Заголовок пакета содержит 4 бита для идентификации, пригодных для различия 15 типов пакетов, определенных в стандарте версии 1.1. Таким образом, добавление новых 10 типов пакетов EDR и 3 дополнительных пакетов eSCO для стандартной скорости передачи приводит к недостаточности размера поля структуры заголовка. Изменение формата приведет к потере обратной совместимости, что недопустимо.
Решением явилось определение различных режимов действия для соединения и создание нового сообщения, которым обмениваются EDR-совместимые устройства для смены режимов. Одним из таких режимов является передача со скоростью 1 Мбит/с, не отличающийся от стандартной скорости. При соединении двух устройств EDR, они могут посредством обмена сообщениями договориться о переходе в режим 2- или 3- Мбитного соединения, где один и тот же код пакетного заголовка означает различные параметры.
Кроме этого,существует вероятность, что для работы в режиме EDR 3Х потребуется наличие буферизация данных, то есть дополнительная RAM.