Инфракрасный интерфейс IrDA

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на рассто­яние до нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (Infra Red) Connection — без­опасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечива­ет конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малога­баритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, циф­ровые фотокамеры и т. п.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компью­терами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный ап­парат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят пере­давать «живое видео». В 1993 году была создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обес­печить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собствен­ные системы фирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red)

3.1. Инфракрасный интерфейс IrDA

и Sharp — ASK IR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обеспечивают следующие скорости передачи:

♦ IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR -9,6-115,2 Кбит/с;

♦ IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra Red) - 0,576 и 1,152
Мбит/с;

♦ IrDA FIR (Fast Infra Red) - 4 Мбит/с;

♦ ASK IR - 9,6-57,6 Кбит/с.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм; светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно при­нимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в неразличимый сиг­нал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют помехи: засветка сол­нечным освещением и лампами накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи приходится фильтровать. Спе­цификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (Bit Error Ratio, BER) не более 10"⁹ при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность до 10 клюке). По­скольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится задействовать полудуплексную связь с опре­деленными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, которую рассмотрим снизу вверх.

Ниже перечислены варианты, возможные на физическом уровне IrDA.

♦ IrDA SIR — для скоростей 2,4-115,2 Кбит/с используется стандартный асин­
хронный режим передачи (как в СОМ-портах): старт-бит (нулевой), 8 бит дан­ных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение бита кодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс на скорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-А). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 предусмотрен и иной режим —IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс для всех этих скоростей.

♦ ASK IR — для скоростей 9,6-57,6 Кбит/с также используется асинхронный ре­жим, но кодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой импульсов с ча­стотой 500 кГц, единичный — отсутствием импульсов.

80___________________ _^__^_____________ Глава 3. Беспроводные интерфейсы

♦ IrDA HDLC — для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхронный режим передачи и кодирование, аналогичное протоколу SIR, но с длительно­стью импульса 1/4-битового интервала. Формат кадра соответствует протоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадра эта битовая последовательность исключается путем вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.

♦ IrDA FIR (IrDA4PPM) — для скорости 4 Мбит/с также применяется синхрон­ный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 00 —> 1000, 01 —> 0100, 10 —> 0010,11 —>0001 (в четверках символов «1» означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодиро­вания позволил вдвое снизить частоту включения светодиода по сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов облегча­ет адаптацию к уровню внешней засветки. Для повышения достоверности при­меняется 32-битный CRC-код.

Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-свя­зи. Этот протокол инкапсулирует данные в кадры и предотвращает конфликты устройств: при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга, одно из них назначается первичным, а остальные — вторичными. Связь всегда полудуплексная. IrLAP описывает процедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соединение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется ско­рость обмена по максиму из доступных обоим (9,6,19,2,38,4,57,6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним веду­щим устройством).

Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLMP (IrDA Infrared Link Management Protocol). С его помощью устройство сообщает остальным о своем присутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться дина­мически: для ее изменения достаточно поднести новое устройство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLMP могут узнать, присутствует ли требуемое им устройства в зоне охвата. Однако га­рантированной доставки данных этот протокол не обеспечивает.

Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP (IrDA Transport Protocols) — здесь обслуживаются виртуальные каналы между устройствами, об­рабатываются ошибки (потерянные пакеты, ошибки данных и т. п.), производит­ся упаковка данных в пакеты и сборка исходных данных из пакетов (протокол напоминает TCP). На транспортном уровне может работать и протокол IrTP.

Протокол IrCOMM позволяет через ИК-связь эмулировать обычное проводное подключение:

♦ 3-проводное по RS-232C (TXD, RXD и GND);

♦ 9-проводное по RS-232C (весь набор сигналов СОМ-порта);

♦ Centronics (эмуляция параллельного интерфейса).

3.1. Инфракрасный интерфейс IrDA________________________________ 81

Протокол IrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям, позволяя передавать кадры сетей Ethernet и Token Ring. Для ИК-подключения к локальной сети тре­буется устройство-провайдер с интерфейсом IrDA, подключенное обычным (про­водным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).

Протокол объектного обмена IrOBEX (Object Exchange Protocol) — простой про­токол, определяющий команды PUT и GET для обмена «полезными» двоичными данными между устройствами. Этот протокол располагается над протоколом Tiny ТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильных коммуникаций, ко­торое определяет передачу информации, относящуюся к сетям GSM (записная книжка, календарь, управление вызовом, цифровая передача голоса и т. п.), между телефоном и компьютерами разных размеров (от настольного до PDA).

Этими протоколами не исчерпывается весь список протоколов, имеющих отно­шение к ИК-связи. Заметим, что для дистанционного управления бытовой техни­кой (телевизоры, видеомагнитофоны и т. п.) используется тот же диапазон 880 нм, но иные частоты и методы физического кодирования.

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различными спо­собами; по отношению к системному блоку он может быть как внутренним (раз­мещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зрения» (30° у пере­датчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).

Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2 Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/ 16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В ряде со­временных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2. Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколь­ко протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфра­красной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствующий режим (за­прет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card); для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные мик­росхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычный приемопередатчик UART непригоден, поскольку он не поддерживает синхронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения или интегрируется в системную плату; как правило, такой кон­троллер поддерживает и режимы SIR.

Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connector системной платы напря­мую (если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через проме­жуточный разъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке задней стенки корпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем коннекторе нет,

82______________________________________ Глава 3. Беспроводные интерфейсы

и для большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снаб­жают кабелем с отдельными контактами разъема. Собрать их в должном порядке предоставляют пользователю; варианты назначения контактов коннектора ин­фракрасного приемопередатчика приведены в табл. 3.1. Некоторые приемопередат­чики, поддерживающие режимы FIR и SIR, имеют раздельные выходы приемни­ков — IRRX (для SIR) и FIRRX (для FIR). Если контроллер поддерживает только один из режимов, один из контактов останется неподключенным.

Таблица 3.1.Коннектор инфракрасного приемопередатчика

Цепь Назначение Контакт/вариант

12 3 4

Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232C для подключения к СОМ-порту или же с шиной USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост, как казалось бы: для работы модулятора-демодулятора требуется сигнал синхронизации с частотой, равной 16-кратной частоте передачи данных (этот сигнал поступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходе СОМ-порта нет и его приходится восстанавливать из асинхронного битового потока. Адаптер ASK IR в этом плане проще — передат­чик должен передавать высокочастотные импульсы все время, пока выход TXD находится в высоком состоянии; приемник должен формировать огибающую при­нятых импульсов.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адаптера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов. В ОС Windows 9x/ME/2000 контроллер IrDA попадает в группу Сетевое окружение. Сконфигурированное ПО позволяет устанавливать соединение с локальной сетью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов); передавать файлы между парой компьютеров; выводить данные на печать; синхронизировать дан­ные PDA, мобильного телефона и настольного компьютера; загружать отснятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других полезных дей­ствий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недоро­гие средства передачи информации с помощью радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими

3.2. Радиоинтерфейс Bluetooth__________________________________________ 83

портативными устройствами на небольшие расстояния. Разработкой специфика­ции занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компью­теров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и выве­ла данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.bluetooth.com), правда, она весьма объемна (около 15 Мбайт PDF-файлов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распро­странению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволим себе сократить название технологии до «ВТ» (это не официальное сокращение). Само название представляет собой прозвище датского короля, объединившего Данию и Норве­гию, — намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диа­
пазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промыш­ленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются ра­диоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота ка­налов F=2402+k (МГц), где k=0 78. Для нескольких стран (например, Фран­ции, где в этом диапазоне работают военные) возможен сокращенный вариант с F-2454+k (k-0 22). Кодирование простое — логической единице соответству­ет положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, при­
чем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.
Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой,
что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический
канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью
используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот). Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосетъ (piconet), в которую может вхо­дить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с ведущим устройством, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока веду­щее устройство не разрешит их активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер для использования другими. При
последующей активизации оно уже может получить иной номер (потому-то он и
временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросан­
ную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети ведущее устройство только одно, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей, используя раз­ деление времени (часть времени он работает в одной, часть — в другой пикосети). Более того, ведущее устройство одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак не синхронизированы, каждая из них ис­пользует свой канал (последовательность перескоков).

84______________________________________ Глава 3. Беспроводные интерфейсы

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 икс, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной частоте, несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последо­вательность частот определяется адресом ведущего устройства пикосети. Переда­чи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-слотов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соот­ветствовать очередному номеру слота (то есть несколько перескоков будут пропу­щены). Ведущее и ведомые устройства ведут передачу поочередно: в четных сло­тах передачу ведет ведущее устройство, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между ведущим и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронного тра­фика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка—точка» предва­рительно устанавливает ведущее устройство с выбранными ведомыми устройства­ми, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторные передачи пакетов в случае ошибок приема не используются. Ведущее устройство может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устрой­ствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним ведущим устрой­ством или иметь по одной связи SCO с двумя различными ведущими устройства­ми. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка—множество точек» меж­ду ведущим устройством и всеми ведомыми устройствами пикосети. Ведущее устройство может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос ведущего устройства (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов паке­тов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки при­ема. Ведущее устройство может посылать и безадресные широковещательные па­кеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств ведущее устройство может установить лишь одну связь ACL.

Информация передается пакетами, в которых поле данных может иметь длину 0-2745 бит. Для связей ACL предусмотрено несколько типов пакетов с защитой CRC-кодом (в случае обнаружения ошибки предусматривается повторная пере­дача) и 1 беззащитный (без повторных передач). Для связей SCO данные не защи­щаются CRC-кодом, и следовательно, повторные передачи по ошибке приема не предусмотрены.

Защита данных от искажения и контроль достоверности производится несколь­кими способами. Данные некоторых типов пакетов защищаются CRC-кодом, и при­емник информации должен подтверждать прием правильного пакета или сооб­щить об ошибке приема. Для сокращения числа повторов применяется избыточное

3.2. Радиоинтерфейс Bluetooth__________________________________________ 85

кодирование FEC (Forward Error Correction code). В схеме FEC 1/3 каждый по­лезный бит передается трижды, что позволяет выбрать наиболее правдоподобный вариант мажорированием. Схема FEC 2/3 несколько сложнее, здесь используется код Хэмминга, что позволяет исправлять все однократные и обнаруживать все двукратные ошибки в каждом 10-битном блоке.

Каждый голосовой канал обеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. В канале может использоваться кодирование в формате РСМ (импульсно-кодовая модуляция) или CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation — вариант адаптивной дельта импульсно-кодовой модуляции). Кодирование РСМ допускает компрессию по G.711; оно обеспечивает лишь сугубо «телефонное» качество сигна­ла (имеется в виду цифровая телефония, 8-битные выборки с частотой 8 Кбит/с). Кодер CVSD обеспечивает более высокое качество — он упаковывает входной РСМ-сигнал с частотой выборок 64 Кбит/с, однако и при этом спектральная плот­ность сигнала в полосе частот 4-32 кГц должна быть незначительной. Для пере­дачи высококачественного аудиосигнала голосовые (речевые) каналы ВТ непри­годны, однако сжатый сигнал (например, поток МРЗ) вполне можно передавать по асинхронному каналу передачи данных.

Асинхронный канал может обеспечивать максимальную скорость 723,2 Кбит/с в асим­метричной конфигурации (оставляя для обратного канала полосу 57,6 Кбит/с) или же 433,9 Кбит/с в каждую сторону в симметричной конфигурации.

Для обеспечения безопасности в ВТ применяется аутентификация и шифрова­ние данных на уровне связи (link layer), которые, конечно же, могут дополняться и средствами верхних протокольных уровней.

Важной частью ВТ является протокол обнаружения сервисов SDP (Service Dis­covery Protocol), позволяющий устройству найти «интересного собеседника». В дальнейшем, установив с ним соединение, устройство сможет воспользоваться требуемыми сервисами (например, выводить документы на печать, подключить­ся к Сети и т. п.).

Протокол RFCOMM обеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-провод-ного RS-232) через L2CAP. С его помощью традиционные кабельные соединения устройств (в том числе и нуль-модемные) могут быть легко заменены на радио­связь, без каких-либо модификаций ПО верхних уровней. Протокол позволяет устанавливать и множественные связи (одного .устройства с несколькими), и ра­диосвязь заменит громоздкие и дорогие мультиплексоры и кабели. Через прото­кол RFCOMM может работать протокол ОВЕХ, используемый в инфракрасных беспроводных соединениях (в иерархии протоколов IrDA), Через RFCOMM мо­жет работать и протокол РРР, над которым стоят протоколы стека TCP/IP, — это открывает дорогу во все приложения для Интернета. Через RFCOMM работают и АТ-команды, управляющие телефонными соединениями и сервисами передачи факсов (эти же команды используются в модемах для коммутируемых линий). Специальный бит-ориентированный телефонный протокол TCS BIN (Telephony Control protocol — Binary), определяющий сигнализацию вызова для связи устройств ВТ (речевой связи и обмена данными), тоже работает через L2CAP. В протоколе имеются и средства управления группами устройств TCS.

86______________________________________ Глава 3. Беспроводные интерфейсы

Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообраз­ный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней ВТ. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информа­ции о состоянии и собственно передачи данных. Через этот интерфейс происхо- дит взаимодействие протокола L2CAP с аппаратурой ВТ. Физически аппаратура ВТ может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеете.» соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечива­ющая независимость HCI от способа подключения.

Глава 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: