Радиоинтерфейсы WiMAX, IEEE 802.15.4 (Zig Bee), Bluetooth, WHDI, Wireless HD

Термин WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), который можно перевести как «всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне», ввела группа ведущих производителей беспроводного оборудования и интегральных схем для него, объединившихся в 2001 году в некоммерческую ассоциацию WiMAX Forum. Эта ассоциация занимается оптимизацией взаимодействия между разработчиками и пользователями беспроводных технологий для сетей передачи данных городского масштаба. Согласно определению WiMAX Forum термины «фиксированный» и «мобильный» WiMAX применимы, соответственно, к оборудованию стандарта IEEE 802.16d, поддерживающему диапазоны частот 2,3–2,7 ГГц
и 3,3–3,8 ГГц, к оборудованию стандарта IEEE 802.16е, поддерживающему частоты 2,3 ГГц, 2,5 ГГц, 3,5 ГГц. Дальнейшие перспективы связаны с активно разрабатываемым проектом IEEE 802.16m, предполагающим увеличение скорости обмена 100 Мбит/с.

В настоящие время человек сталкивается с множеством задач, решаемых при помощи сетей с высокими скоростями передачи данных. Однако очень широкий спектр задач не требует использования высоких скоростей обмена данными. Более важными аспектами в данных задачах являются простота используемого устройства, его дешевизна, низкое потребление энергии, несложный механизм подключения и т.д. Например, для интерактивных игр не нужна скорость обмена компьютеров свыше 250 кбит/с, а разнообразные задачи автоматизации и систем сбора информации вовсе не требуют скоростей передачи свыше 20 кбит/с. Для решения данного круга задач был разработан стандарт низкоскоростных беспроводных сетей передачи информации IEEE 802.15.4 (Zig Bee). Данный стандарт описывает взаимодействие таких устройств, как сенсоры, сервоприводы, электронные метки, радиофицированные игрушки, используется для управления освещением, воздушными кондиционерами, для получения информации с датчиков загазованности и в других случаях, когда не требуется высокой скорости передачи данных.

Особенно восприимчивым к переходу на радиосвязь оказался сектор локальных интерфейсов – все, что работает на расстоянии до 10 метров, обеспечивает обмен данными и/или связь всевозможной электроники с компьютером или друг с другом. К нему относятся интерфейсы Bluetooth, Wireless USB, новые интерфейсы WHDI (Wireless High Definition Interface), Wireless HD.

ВВЕДЕНИЕ

В начале 1998 года пять крупных компаний: Ericsson, Nokia , IBM, Intel и Toshiba – объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth.

Bluetooth – это производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

В отличие от технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), работающей по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth разрабатывалась для работы, как по принципу "точка-точка", так и в качестве многоточечного радиоканала.

Bluetooth позволяет этим устройствам общаться, когда они находятся в радиусе от 10 до 100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ BLUETOOTH

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частотыhttp://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth - cite_note-9 (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса уже — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 721 кбит/с с обратным каналом 57,6 кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях.

ПРЕДЫДУЩИЕ ВЕРСИИ BLUETOOTH

Bluetooth 1.0

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1

В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2

В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.

Главные улучшения:

· Быстрое подключение и обнаружение;

· Адаптивная перестройки частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам;

· Более высокие скорости, чем в 1.1 передачи данных, практически до 721 кбит/с;

· Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных;

· В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёх-проводного интерфейса UART;

· Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005;

· Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP;

Bluetooth 2.0 + EDR

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка EDR (Enhanced Data Rate) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако, на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных.

Стандартная (или Базовая) скорость передачи данных использует Гауссово Кодирование со сдвигом частот (GFSK) модуляцию радио сигнала, при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляцию с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху 2- и 3 Mбит/с соответственно.

Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере, одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях.

Преимущества:

· Увеличение скорости передачи в 3 раза (2.1 Мбит/с) в некоторых случаях;

· Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания;

· Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1

Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0 + HS спецификация была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Асимметричная Мультипроцессорная Обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

BLUETOOTH ВЕРСИИ 4.0

В декабре 2009 года Bluetooth SIG анонсировала стандарт Bluetooth 4.0. Технология, прежде всего, предназначена для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.).

В Bluetooth 4.0 достигается низкое энергопотребление за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Пиковая скорость передачи данных стандарта Bluetooth 4.0 осталась на уровне 24 Мбит/с как у Bluetooth 3.0. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м и больше. В Bluetooth 4.0. повышена безопасность передачи данных — теперь все, что передается, шифруется по протоколу AES-128.

Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.

Дополнение к основной спецификации Bluetooth предусматривает два варианта реализации: двухрежимный и однорежимной. В первом случае, функциональность Bluetooth с пониженным энергопотреблением интегрирована в существующий контроллер Classic Bluetooth. Это позволяет совместно использовать радиочастотный блок и минимально удорожает конструкцию. Кроме того, производители могут использовать микросхемы Classic Bluetooth (Bluetooth V2.1 + EDR или Bluetooth V3.0 + HS) с новым стеком Bluetooth с пониженным энергопотреблением, добавив в устройства с Classic Bluetooth новые возможности.

Однорежимные микросхемы позволят создавать недорогие и компактные устройства с малым энергопотреблением в режиме ожидания, способностью защищать передаваемые данные шифрованием, надежной многоточечной связью и развитыми режимами энергосбережения.

Основные характеристики рассмотренных радиоинтерфейсов приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: