Беспроводные сети передачи данных
Беспроводные сети передачи данных (БСПД) можно разделить следующим образом.
• Беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN), или сети коммутации на рабочем месте.
• Беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN).
• Беспроводные сети масштаба города (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN), или сети широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA).
На рис. 10.2 показаны технологии, по которым строятся беспроводные сети и используемые при этом стандарты.
Рис. 10.2. Блок-схема структуры беспроводных сетей
Беспроводные сети на основе технологии Bluetooth, реализующие коммуникации на рабочем месте
Беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN) реализуют связи внутри помещений, а также взаимодействие аппаратных устройств. Беспроводные сети связи аппаратных устройств позволяют мобильным пользователям организовать взаимодействие аппаратных устройств, обеспечивающее работу в нестационарных условиях. Например, с помощью взаимодействующих друг с другом карманного компьютера и мобильного телефона можно организовать выход в Интернет, причем независимо от месторасположения пользователя и времени суток.
Bluetooth (bluetooth.com) — это технология беспроводного обмена цифровыми данными между различными устройствами в пределах нескольких десятков метров. Ее разработала компания Bluetooth SIC Широкое распространение Bluetooth обусловлено недорогой программно-аппаратной реализацией и простотой структуры устройства. Необходимым условием этого вида связи является наличие у взаимодействующих устройств микрочипа Bluetooth. Допускаются соединения по схеме один к одному и один ко многим.
Для построения сети используются технология Bluetooth и стандарт IEEE 802.15. Сети стандарта IEEE 802.15.1 базируются на спецификации Bluetooth v.1.1 (1999), определяющей уровни управления доступом. В версии 1.2 скорости передачи данных более высокие, чем в версии 1.1. Они могут достигать 723 кбит/с. Радиус действия таких сетей не превышает 10 м. Для них характерны быстрое подключение и обнаружение.
Технология Bluetooth версии 2.0, совместимая с предыдущей версией 1.x, была выпущена в 2004 г. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных, позволившая повысить скорость передачи данных до 2,1 Мбит/с. В 2011 г. благодаря интеграции с технологией стандарта 802.11 в стандарте Bluetooth 3.0 HS скорость подключения достигает 24 бит/с.
В 2009 г. была принята очередная спецификация Bluetooth 3.0+HS. HS (High Speed). Это новый уровень скорости передачи данных, которая может достигать 24 Мбит/с. Многим специалистам такой параметр показался нереальным, однако новейшие модули и в самом деле работают быстрее, чем их предшественники Bluetooth 2.1.
Однако такая высокая скорость возможна вовсе не при передаче данных по каналу Bluetooth — в нем по-прежнему максимальная скорость ограничена 2,1 Мбит/с, как это и было в случае с использованием технологии EDR. Переход на 24 Мбит/с осуществляется прямым соединением по протоколу Wi-Fi. Протокол Bluetooth в данном случае используется не па физическом, а лишь на логическом уровне: для организации самого соединения между устройствами. Wi-Fi выступает в роли транспортного радиопротокола, тогда как сам интерфейс Bluetooth остается только в качестве каркаса для связывания устройств.
Однако использование технологии Wi-Fi для передачи данных не означает совместимости устройства Bluetooth с привычными сетями Wi-Fi. Речь идет только о применении той же физической модели передачи по стандарту IEEE 802.11 — никакой логической совместимости с сетями 802.1 la/b/g/n у телефонов и смартфонов с Bluetooth как не было, так и нет.
Стандарт IEEE 802.15.2 позволяет разрабатывать устройства сопряжения сетей стандарта IEEE 802.11 и 802.15. А стандарт IEKH 802.15.3, поддерживающий теоретическую скорость передачи данных до 55 Мбит/с, предназначен для сетей высокоскоростной связи масштаба WPAN для высокотехнологичных бытовых устройств. Стандарт IEEE 802.15.4 обеспечивает построение низкоскоростных сетей домашней автоматики, поскольку скорости передачи данных не превышают 250 кбит/с.
Структурная схема Bluetooth. Структурная блок-схема функциональных узлов Bluetooth такова: 2,4 ГГц трансивер — контроллер связи — управляющее устройство терминал.
С помощью управляющего устройства реализуются протоколы верхних уровней модели OSI и связь с терминальными устройствами.
Два первых блока могут выполняться на базе специализированных интегральных или гибридных микросхем, а устройство управления основывается на стандартных микропроцессорах или сигнальных процессорах. Его функции могут поддерживаться центральными процессорами мощных терминальных устройств, например ноутбуков.
Трансивер (приемопередатчик) Bluetooth-устройства работает на частотах от 2400 до 2483,5 МГц, являющихся открытыми и свободными от всякого лицензирования в большинстве стран мира. Они определяют возможности Bluetooth по передаче данных. Скорость передачи данных для Bluetooth-устройств составляет 723,2 кбит/с в синхронном режиме или 433,9 кбит/с в полностью синхронном режиме. Через Bluetooth-соединение можно передавать до трех аудиоканалов, поддерживающих скорость передачи данных 64 кбит/с по синхронному аудиоканалу в каждом направлении. Кроме того, возможна комбинированная передача данных и голоса.
Расстояние, на которое может быть установлено Bluetooth-соединение при использовании стандарта 802.15.3, не превышает 100 м. Для Bluetooth не требуется прямой видимости или направленной антенны, соединение может быть установлено даже через не экранированную стену. В технологии Bluetooth возможны соединения типа "точка — точка" (соединяются только два устройства Bluetooth) и "точка - много точек", в котором канал связи делится между несколькими устройствами Bluetooth. Два и более устройства, работающих на одном частотном канале, образуют пикосеть. Одно из них функционирует как основное, остальные — как подчиненные. В пикосеть допустимо объединять до восьми устройств. Десять таких пикосетей могут работать совместно на одном радиодиапазоне.
Пакетная коммутация в Bluetooth. В этой технологии используется пакетная передача информации с временным мультиплексированием (multiplexing), т.е. многократная передача, уплотнение каналов. В США, Европе и России используется диапазон частот (2400+К) МГц, где К = 0—78. Весь диапазон частот подразделяется на 79 подканалов, каждый шириной 1 МГц. При передаче сигнала в радиотракте используется метод расширения спектра с помощью частотных скачков и двухуровневой частотной модуляции.
Структура пакета Bluetooth. Информация, передаваемая с помощью Bluetooth, разбивается на пакеты. Каждый из них имеет код доступа (72 бита), заголовок (54 бита) и поле с передаваемой информацией (0—2745 битов).
Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети. С его помощью также осуществляются синхронизация и процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), слово синхронизации (64 бита), трейлер (4 бита).
Заголовок управляет связью и состоит из шести полей:
• AMADDR — 3-битный адрес активного элемента;
• TYPE — 4-битный код типа данных;
• FLOW — 1 бит управления потоком данных, определяющий готовность устройств к приему данных;
• ARQN — 1 бит подтверждения правильности приема;
• SEQN — 1 бит для определения последовательности пакетов;
• НЕС — 8-битная контрольная сумма. Информационное поле может содержать поля голоса,
поля данных либо оба типа полей одновременно.
Метод частотных скачков в Bluetooth. В технологии Bluetooth каждый из 79 подканалов связи делится на временные сегменты длительностью 625 мкс. Каждому из них соответствует один подканал. В этой технологии основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, подчиненное — в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных интервалов. Причем частота не изменяется до окончания пакета. Последовательность скачков частоты является уникальной для каждой пикосети и определяется адресом основного устройства.
Отличительные свойства технологии Bluetooth:
— малая мощность передатчика и низкая потребляемая мощность;
высокая устойчивость к помехам и отсутствие влияния на бытовую электронику;
— низкая стоимость — в настоящее время одно устройство стоит менее 30 долл., прослеживается тенденция к снижению цены до 10 долл.
Главной особенностью данной технологии является то, что различные Bluetooth-устройства соединяются друг с другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости. Bluetooth значительно облегчает работу со многими аппаратными устройствами. Уже создан принтер с Bluetooth, который не надо подключать к компьютеру, достаточно лишь внести его в комнату и включить в розетку, чтобы печатать. А если войти в комнату с ноутбуком, оснащенным Bluetooth, то сразу же можно работать на принтере, войти в локальную сеть для обмена файлами и документами, воспользоваться интернет-соединением.
На стандарте IEEE 802.15.4 базируется более широкополосная технология связи между устройствами (ÜWB, Ultra-Wideband) — ZigBee, предназначенная для построения низкоскоростных сетей домашней автоматики. Она более экономична, а также повышает время работы аккумуляторных источников энергии.
NFC (Near Field Communication, "Коммуникация ближнего поля") — это технология высокочастотной электромагнитной связи малого радиуса действия. Она позволяет обмениваться данными устройствами, находящимися на расстоянии менее 20 см. Технология одобрена ISO/IEC как стандарт ЕСМА. Она является расширением технологии бесконтактных карч- — стандарта ISO 14443.
В стандарте NFC реализуется электромагнитная связь между двумя рамочными антеннами, находящимися в пределах 20 см друг от друга, без применения ферромагнитного сердечника. Технология работает в диапазоне частот около 13,56 МГц, имеет ширину полосы пропускания почти 2 МГц. Скорость передачи данных — 106, 212 или 424 кбит/с. Данная технология применяется в мобильных устройствах.
NFC-устройства могут использоваться:
• в качестве бесконтактной карты для оплаты различных услуг, например проезда в общественном транспорте;
• для считывания RFID-меток в магазине;
• для совместной работы с устройствами, работающими по технологии Bluetooth, в частности для передачи по Bluetooth данных с одного мобильного телефона на другой. Для этого достаточно сблизить на расстояние менее 20 см два мобильных телефона, поддерживающих эту технологию, или просто соприкоснуться ими;
• в качестве электронных ключей для доступа к устройству или прохода в помещение;
• в качестве удостоверения личности и др.