2015-04-01
1640
Краткий теоретический курс по технологии беспроводных сетей
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Радиодело в России
Глава 2. Обзор беспроводных технологий
Глава 3. Лабораторные учебные комплексы
Глава 4. Лабораторные занятия
Глава 5. Справочник по технологии ETRX357
Заключение
Введение
Настоящее учебное пособие посвящено динамично развивающейся области – сенсорным беспроводным сетям. Интерес к радиотехнике у России давний, мы имеем богатые традиции, о которых не надо забывать. Радиокружки – через это прошло не одно поколение радиолюбителей. Радиодело знают у нас не по наслышке. Прежний опыт и людей полезно вспомнить, духом присущего им творчества живет инженерное дело. Произошедший синтез трансивера и процессора естественен. К этому в последние годы добавилось еще умение экономить электроэнергию, без чего устройство не имеет право именоваться по настоящему беспроводным. Что это за беспроводной модуль такой, к которому тянется шнур от розетки? Даже удивительно, что подходящее решение, с "будильниками", пришлось ждать довольно долго. Сейчас это одно из самых перспективных направлений. Пособие состоит из краткого экскурса в историю радиодела в России, главы, посвященной обзору беспроводных технологий, далее, в следующей главе, даются некоторые доступные к приобретению учебные средства, и последние главы содержат оригинальный материал, помогающий организовать аудиторные занятия с лабораторными работами.
Глава 1. Радиодело в России
"Ты помнишь, как всё начиналось? Всё было впервые и вновь..". Что мы знаем об основоположниках вычислительной техники и робототехники в России.
1.1. Радиомастерская подпоручика
Орел, здесь 21 февраля 1888 родился Михаил Александрович Бонч-Бруевич (рис.1). Типичная судьба первопроходца – в юности увлекался радиотехникой и построил по схеме А. С. Попова радиопередатчик и радиоприёмник. Потом за плечами Киевское коммерческое училище, в 1906 году зачислен юнкером в Николаевское инженерное училище в Петербурге.
По окончании училища в звании подпоручика служил в Иркутске, во 2-ой роте искрового телеграфа 5-го Сибирского сапёрного батальона. В звании поручика в 1912 году поступил в Офицерскую электротехническую школу, после которой в 1914 году был назначен помощником начальника Тверской военной приёмной радиостанции международных сношений. При поддержки начальника Тверской радиостанции штабс-капитана В. М. Лещинского М. А. Бонч-Бруевич в подсобном помещении радиостанции организовал мастерскую, где смог наладить выпуск отечественных электровакуумных ламп. Этими лампами комплектовался радиоприемник, производившийся в мастерской Тверской радиостанции по заказу Главного военно-технического управления русской армии. Вместе с мастерской в августе 1918 года он переехал в Нижний Новгород, где возглавлял научно-техническую работу в Нижегородской радиолаборатории в 1918-1928 годах.
Рисунок 1. Фото М. А. Бонч-Бруевича, 1909 год.
В 1918 году М. А. Бонч-Бруевич предложил схему переключающего устройства, имеющего два устойчивых рабочих состояния, под названием «катодное реле». Это устройство впоследствии было названо триггером.
Далее пошли чудеса. 22 и 27 мая 1922 года М. А. Бонч-Бруевич организовал пробные передачи по радио музыкальных произведений из студии Нижегородской лаборатории, а 17 сентября 1922 года был организован первый в Европе радиовещательный концерт из Москвы. В 1922 году им была изготовлена лабораторная модель радиотехнического устройства для передачи изображения на расстоянии, названная им радиотелескопом.
В конце 1928 года М. А. Бонч-Бруевич вместе с группой научных сотрудников и инженеров перешёл на работу в Центральную радиолабораторию Треста заводов слабого тока в Ленинграде. В Ленинграде М. А. Бонч-Бруевич занимался проблемами распространения коротких радиоволн в верхних слоях атмосферы и радиолокации, вёл преподавательскую работу на кафедре радиотехники Ленинградского электротехнического института связи.
Это первый слой сведений, которые мы можем снять. Вернемся назад.
1.2. Ужас в снежной пустыне
В наше время трудно поверить в то, что сравнительно недавно передача по радио человеческого голоса или музыки казалась несбыточной мечтой. История радио сохранила несколько любопытных фактов. В декабре 1920 г. выдающийся отечественный ученый и радиоинженер Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888–1940) создал первый радиотелефонный передатчик, установленный на Ходынской радиостанции в Москве. Первые пробные передачи вызвали восторг и удивление во многих городах далеко от столицы. Так, связисты из Иркутска (4000 км от Москвы), услышав человеческую речь в приемном устройстве, рассчитанном на запись телеграфных сигналов, сочли это настолько невероятным, что пытались объяснить необычный феномен «индукцией от городского телефона». А дежурный телеграфист одной из радиостанций за Полярным кругом, «услышав человеческий голос вместо привычных знаков азбуки Морзе, в ужасе сбросил наушники и убежал».
1.2. Как немцы перерезали кабель и что из этого вышло
Россия была родиной радио, а А. С. Попов не только создал первый радиоприемник (1895 г.), но и реализовал первую в мире радиолинию, положив начало радиофикации военно-морского флота. Тем не менее, в начале XX в. в нашей стране не существовало собственной радиопромышленности, не было и мощной радиостанции для связи с европейскими государствами. Вся электропромышленность была в основном в руках немецких фирм.
Когда началась первая мировая война (1914 г.), немцы перерезали английские подводные кабели, и Россия осталась без прямой телеграфной связи со своими союзниками – Францией и Англией. Необходимо было в кратчайшие сроки построить две мощные искровые радиостанции в Москве (на Ходынском поле) и в Царском Селе, а приемную станцию в Твери (в Москве или Петрограде ее работе мешали бы передающие радиостанции). Помощником начальника Тверской радиостанции был назначен воспитанник Петроградской офицерской электротехнической школы М. А. Бонч-Бруевич, имя которого вскоре станет широко известным далеко за пределами России. В те годы на радиостанциях с целью усиления сигнала начали применяться электронные лампы. В Россию такие лампы привозились из Европы. Несмотря на явное несовершенство и отсутствие высокого вакуума, преимущество их использования было очевидным.
Бонч-Бруевич решил создать собственную конструкцию радиолампы и в 1916 г. организовал производство электронных усилительных ламп, использовавшихся на флотских радиостанциях. По его инициативе в июне 1918 г. при Тверской радиостанции, находившейся в ведении Народного комиссариата почт и телеграфов, была создана радиолаборатория.
В связи с усилением блокады импорт радиооборудования прекратился, и необходимо было срочно начать собственное производство. В маленькой мастерской невозможно было наладить процесс массового изготовления ламп. Достаточно сказать, что стеклодувы работали губами, руками и ногами: пары бензина подавались в горелки с помощью обычных кузнечных мехов, приводившихся в действие ногами. Руководство Наркомата поручило сотрудникам лаборатории, техническим руководителем которой был назначен М. А. Бонч-Бруевич, создать современную радиолабораторию в другом городе, расположенном недалеко от Москвы, но на безопасном расстоянии от белогвардейских отрядов. Выбор пал на Нижний Новгород. В августе 1918 г. на высоком берегу Волги в трехэтажном большом доме началось оборудование новой лаборатории, получившей название Нижегородской радиолаборатории (НРЛ). Были выделены необходимые средства для доставки машин и приборов из Твери, Москвы и Петрограда. Часть аппаратуры была доставлена с небольших заводов и из мастерских, особую ценность представляли электротехническититута.
Нижегородская лаборатория должна была стать организационным центром всех научно-технических работ в области радиотехнической науки и радиопромышленности. Решение о создании такого института в условиях хозяйственной разрухи, блокады и отсутствия в стране радиотехнических предприятий было поистине революционным. В качестве первоочередной была поставлена задача организации отечественного электровакуумного производства и развития радиотелефонии, крайне необходимой для огромной страны, значительная часть населения которой жила в сельской местности, далеко от Москвы и была практически безграмотной. Как ни удивительно, но многие специалисты считали радиотелефон непригодным для военной и коммерческой радиосвязи из-за его «не секретности».
Несмотря на огромные трудности, М. А. Бонч-Бруевичу удалось наладить серийное производство приемно-усилительных ламп.
Начиная с весны 1919 г. их выпуск составлял до 1000 единиц в год. Все три года блокады это были единственные лампы, используемые на приемных радиостанциях России. Производству предшествовали кропотливая экспериментальная работа и длительные теоретические исследования, на основе которых Бонч-Бруевич разработал оригинальную теорию триода. В августе 1912 г. в журнале «Радиотехник» Бонч-Бруевич писал, что «...в то время не было решительно никаких теоретических нитей. Состояние вопроса за границей тогда не было известно в России вследствие нашей полной изолированности». Позднее, в 1921 г., ознакомившись с иностранной литературой, он утверждал, что его работа «появилась раньше аналогичных работ за границей». Примечательно, что еще в 1917 г. Бонч-Бруевич издал брошюру «Применение катодных реле в радиотелеграфном приеме». Как отмечал один из крупнейших специалистов в области электронных ламп П. А. Остряков (1887–1952), трудно было написать лучше и понятнее. Эта брошюра «...не утратила и по наше время своей свежести, потому что ее писал не дилетант в науке, не техник, интересующийся только практическим применением ламп, а вполне сформировавшийся ученый».
1.3. Зарождение радиотелефонии. Уникальный триод.
Уже в начальный период работы Нижегородской радиолаборатории параллельно с разработкой приемно-усилительных электронных ламп проводились исследования с целью создания надежных методов радиотелефонирования. В январе 1920 г. Бонч-Бруевич изготавливает генераторную лампу с массивным алюминиевым анодом, позволявшим рассеивать большую мощность. Первый удачный опыт радиотелефонной передачи был осуществлен им из Нижегородской радиолаборатории на расстояние 4 км. Комиссия на приемной станции отметила «...прекрасное воспроизведение речи, качество которой было лучше, чем передача по проводам». 15 января 1920 г. была осуществлена радиотелефонная передача из НРЛ в Москву на расстояние 370 км. Дальнейшее усовершенствование аппаратуры для радиотелефонных передач было связано с целым рядом трудностей, и Бонч-Бруевич обратился за помощью к В. И. Ленину. В феврале 1920 г. Ленин направил письмо, в котором благодарил ученого за успешные работы и подчеркнул важность его исследований, указав, что «Газета без бумаги и «без расстояний», которую вы создаете, будет великим делом». Он обещал оказывать «всяческое и всемерное содействие».
Правительство придавало огромное значение развитию радиотелефонии, при ее помощи можно было осуществлять политическую, культурно-просветительную связь столицы с самыми отдаленными районами огромной страны. В марте 1920 г. было подписано постановление: Поручить Нижегородской радиолаборатории изготовить в срочном порядке центральную радиотелефонную станцию с радиусом действия 2000 верст. Изготовление мощной генераторной лампы для такой станции в то время казалось практически неразрешимой задачей. Алюминиевый массивный анод для этого был не пригоден, нужен был тугоплавкий анод из тантала или молибдена. Но таких металлов в России не было. Как писал П. А. Остряков, «Трудные это были времена для работы. За окном радиолаборатории простиралась замерзшая, где-то на юге перерезанная Колчаком Волга. Ночью город погружался в непроглядную тьму, не было не только молибдена и тантала, не хватало хлеба и топлива. В пальто и шапке сидел Бонч-Бруевич в лаборатории». Как ответить на письмо Ленина, указавшего на важность создания радиотелефона для бескрайних просторов России?
Невозможно поверить, но в условиях невиданных трудностей, испытываемых страной, Бонч-Бруевичу удалось найти удивительно смелое и оригинальное техническое решение. После многочисленных экспериментов он создает макет радиолампы, аналогов которой не было в мире (рис.2).
Ученый предложил изготавливать анод из меди, но охлаждать водой из водопровода (!). Фантастика! Неслучайно, что, по выражению одного из коллег Бонч-Бруевича, это казалось «святотатством». Но в действительности это была подлинная революция в электровакуумной технике. Вместо танталового анода - никелированная трубка из красной меди, вводившаяся внутрь лампы и припаянная к платиновому колпачку, который спаивался со стеклом баллона. Колпачок и анод соединялись со шлангом и охлаждались циркулирующей проточной водой. Анод, охлаждаемый водой, позволял рассеивать мощность до 950 Вт, что вполне соответствовало требованиям радиотелефонной передачи. Для увеличения поверхности анода Бонч-Бруевич делает его четырехкамерным и в каждую камеру помещает катод и сетку. Ничего подобного мировая вакуумная техника не знала, долгое время на Западе такую задачу считали неразрешимой.
Рисунок 2. Экспериментальные конструкции мощных радиоламп.
К концу декабря 1920 г. было закончено изготовление новой генераторной лампы для Ходынской радиостанции. Мощность радиотелефонного передатчика составляла 5 кВт. В первый же день передачи пришли восторженные отзывы из отдаленных от Москвы городов - Ташкента, Иркутска, Обдорска. В них отмечались громкий звук и хорошая артикуляция. Состоялась передача и за границу, в Берлин, но там еще не было такой мощной установки, и ответить по радиотелефону немецкие радисты не смогли.
Вскоре началось сооружение Центральной радиотелефонной станции в Москве. Возглавить это сложное строительство было поручено видному специалисту НРЛ П. А. Острякову. Из рук Ленина он получил мандат, в котором все государственные учреждения обязывались оказывать ему всяческую помощь. В то время было немало специалистов, считавших, что в условиях хозяйственной разрухи и полной изоляции «от заграничной культуры» в области радиотехники, постройка столь мощной радиотелефонной станции была пустой фантазией. Осенью 1922 г. на Гороховской улице (ныне улице Радио) строительство радиотелефонной станции было закончено. Но перед учеными встала еще одна сложная техническая проблема: для питания анода электронной лампы нужен был постоянный ток высокого напряжения. Обычно для этого использовались специальные высоковольтные динамо-машины. Но изготовить такую машину в короткий срок было весьма сложно. Выход был найден сотрудником НРЛ, талантливым инженером и ученым, позднее известным специалистом в области высокочастотной техники, членом-корреспондентом АН СССР В. П. Вологдиным, предложившим создать ртутный выпрямитель, хотя в зарубежной литературе утверждалось, что надежные ртутные выпрямители на высокое напряжение изготовить невозможно. В марте 1922 г. Вологдин после многочисленных расчетов и экспериментов закончил испытания оригинального трехфазного ртутного выпрямителя, позволявшего получить постоянный ток напряжением 10 кВ (рис.3). Как писал П. А. Остряков, «высоковольтной ртутной колбой В. П. Вологдин опередил заграницу».
Рисунок 3. Романтика радиооборудования, уникальные приборы.
15 сентября 1922 г. состоялся первый радиоконцерт, переданный Центральной радиотелефонной станцией. Русскую музыку слушали во многих городах, жители были в восторге. Через день, 17 сентября 1922 г. Нижегородская радиолаборатория была награждена орденом Трудового Красного Знамени. В Постановлении Правительства особенно отмечалась успешная научная деятельность М. А. Бонч-Бруевича и В. П. Вологдина. 7 ноября 1922 г. был передан праздничный радиоконцерт с участием известных артистов. Он был воспроизведен «громкоговорящими телефонами» (громкоговорителями) на Театральной, Елоховской и Серпуховской площадях. С таким же телефоном по улицам Москвы разъезжал специальной грузовик. За Полярным кругом, вдали от столицы, концерт звучал особенно празднично.
Бонч-Бруевич продолжал совершенствовать лампу, добиваясь увеличения ее мощности. Если первые генераторные лампы имели мощность 1,25 кВт, то последующие достигали 2, 5 и 25 кВт. Таких ламп на Западе еще не было. Радиостанция была самой мощной в Европе, она поддерживала связь с Сибирью и Европой. Вскоре конструкция ламп Бонч-Бруевича с охлажденным анодом стала использоваться в Европе и Америке. Но, как это часто бывало в истории отечественной науки и техники, зарубежные фирмы (например, английская «Метровиккерс») даже не упоминала автора идеи и конструкции. Патента, конечно, Бонч-Бруевичие радиоспециалисты решили собственными глазами убедиться в успехах русского ученого. Известный специалист в области электронных ламп А. Мейсснер, приехав в Нижний Новгород, подробно ознакомился с работами Бонч-Бруевича. Несколько лет назад никто бы не поверил, что немецкая фирма «Телефункен», которая была основным поставщиком радиоаппаратуры в дореволюционной России, закажет в НРЛ несколько мощных (25 кВт) генераторных ламп для одной из крупнейших немецких радиостанций.
1.4. НРЛ - научный центр мировой радиотехники
К 1924 г. НРЛ превращается в крупный научно-исследовательский институт в области радиотехники, который получил широкое признание за рубежом. К этому времени Бонч-Бруевич создал макет невиданной по размерам и мощности лампы: вместе с бачком для анода она превышала рост среднего человека. Ее мощность составила 100 кВт. Грандиозный успех ожидал лампы Бонч-Бруевича в 1925 г. на Скандинавско-Балтийской выставке в Стокгольме. В одном из шведских журналов писали: «...среди иностранных экспонатов прежде всего следует отметить изготовленные в Советской России приборы и лампы, между прочим большую 25 кВт лампу с водяным охлаждением – никто не подозревал о существовании в России столь большого и серьезного производства подобных внушительных радиоприборов». Немецкий радиотехнический журнал отмечал, «...что русские экспонаты показывают высокое развитие радиоиндустрии в России по сравнению с остальными европейскими странами».
Газета «ПрагерПресс» в статье «Радиолаборатория в Нижнем Новгороде» (29 ноября 1925 г.) сообщала: «...эта лаборатория уже вошла в историю радиотехники за ее исследовательские работы. Недавно здесь были проведены опыты с короткими волнами. При помощи передатчика, построенного руководителем этой лаборатории профессором Бонч-Бруевичем (от 15 до 20 кВт), передачи были хорошо приняты в Чили и Порто-Рико,... была достигнута дальность радиопередачи до Индонезийского архипелага».
Нижегородской лаборатории принадлежит заслуга в издании первых периодических радиотехнических журналов: «Телеграфия и телефония без проводов» («ТиТбп», как его называли) и «Радиотехник», которые начали издаваться в Москве с 1918 г. В журналах публиковались содержательные статьи по актуальным теоретическим и производственным проблемам в области радиотехники. Бессменным редактором этих журналов был видный ученый радиофизик энциклопедически образованный педагог профессор В. К. Лебединский (1868–1937), воспитавший несколько поколений крупнейших радиоспециалистов. Журналы были широко известны в стране, в иностранной печати часто публиковались рефераты статей «ТиТбп», его также выписывала Нью-Йоркская публичная библиотека.
Заслуги НРЛ снова были отмечены Правительством: в 1928 г. лаборатория была награждена вторым орденом Трудового Красного Знамени.
В связи с развитием отечественной радиоиндустрии, расширением электровакуумного производства, организацией серийного выпуска радиоаппаратуры мощных радиостанций возникла потребность в реорганизации НРЛ и передаче ее в распоряжение ВСНХ. В конце 1928 г. коллектив научных сотрудников и инженеров, а также все разработки и научно-технические исследования были переданы в Центральную радиолабораторию Треста заводов слабого тока в Ленинграде. Часть НРЛ послужила основой для создания отраслевой лаборатории при радиозаводе в Нижнем Новгороде.
В 1928 г. в Ленинград переезжает и М. А. Бонч-Бруевич. Он, как и прежде, с увлечением занимается новыми проблемами: исследованием распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы, радиолокацией и смело выступает в защиту использования коротких волн, прозорливо предвидя их огромные перспективы в радиосвязи на дальние расстояния в воздухе, на суше и на море. Следует отметить, что первые известия об особенностях коротких волн были встречены многими специалистами весьма скептически.
Михаил Александрович успешно руководит педагогической и научной работой в Ленинградском электрофизическом институте и в одном из научно-исследовательских институтов. Вскоре его избирают профессором кафедры радиотехники Ленинградского электротехнического института связи. Научные заслуги М. А. Бонч-Бруевича были по достоинству оценены избранием его в число членов-корреспондентов АН СССР. Широко известны его учебники по радиотехнике для втузов и техникумов, а также содержательные монографии.
С 1928 по 1940 гг. Михаил Александрович получил 60 патентов на изобретения, внедренные в радиопромышленность.
Когда-то один наш известный ученый сказал: хороша физика, но жизнь коротка. Наверное, эти слова мог повторить и Михаил Александрович. Преждевременная смерть от воспаления легких в расцвете творческих сил (ему было всего 52 года) прервала разностороннюю деятельность этого необычайно одаренного ученого, изобретателя, инженера и конструктора. Имя М. А. Бонч-Бруевича посмертно было присвоено Ленинградскому электротехническому институту связи.
1.5. Их было много
Организовать новое, пусть и небольшое, производство в 1918 году было делом из ряда вон выходящим. Шла Гражданская война, и производство по всей стране почти остановилось. В Москве цены на продукты выросли по сравнению с 1916 годом в пятнадцать раз, по всей стране был введен «классовый паек» – нормы снабжения продовольствием в соответствии с социальной принадлежностью. Такими же темпами, что и цены, росли только беспризорность, нищета и красный террор, порождая целые серии мрачных анекдотов: «Вы, товарищ, прямо скажите: стоите ли вы за советскую власть? – Конечно! Лучше уж за нее стоять, чем сидеть».
Если все это помножить на необычайную протяженность территории, можно понять, почему большевистское руководство так мечтало о радио, благодаря которому можно не бояться, что контрреволюционные элементы перережут телеграфные провода и Владивосток не узнает о том, чья власть сегодня в Петрограде и Москве. Как только Ленин не называл в своих записках это радио: и газетой без бумаги и без расстояний, и митингом с миллионной аудиторией. Какие только картины не рисовались его воображению – в совучреждениях, школах, сельсоветах стоят приемники с громкоговорителями, и оттуда несутся лозунги. Одним словом, «вся Россия будет слышать газету, читаемую в Москве»!
Тем временем бывшие сотрудники тверской радиостанции (рис. 4) в поисках подходящего для новой лаборатории города съездили в Казань, Саратов, Самару и Нижний Новгород. На Нижнем и остановились. Нет, конечно, это был не тот Нижний с его дымящими заводами и многолюдными ярмарками, и все же этот город был задет Гражданской войной меньше, чем другие, в нем теплилась металлообрабатывающее производство, он был связан с Москвой и Петроградом проволочным телеграфом, железной дорогой, и, в конце концов, в его распоряжении были целых две водные артерии. Так что летом 1918 года лаборатория переехала в Нижний и заняла бывшее общежитие семинарии – трехэтажное здание на набережной Волги. Очень скоро оно стало напоминать ежа – крыша сплошь покрылась радиомачтами. На первом этаже расположились мастерские, на втором - стеклодувы, лаборатории и аудитории, на третьем – еще лаборатория и библиотека.
Рисунок 4. Совет НРЛ. Сидят, слева направо: В. К. Лебединский, М. А. Бонч-Бруевич, И. В. Селиверстов, В. А. Салтыков. На стене - портрет В. М. Лещинского
Поначалу в лаборатории работали восемнадцать человек. Ее управляющим был Лещинский, который на следующий после переезда год умер от старой боевой раны. НРЛ возглавил блестящий инженер и ученый, «русский Эдисон» Александр Федорович Шорин. Но его вскоре арестовали, и тогда во главе НРЛ встал Совет лаборатории с его первым председателем Петром Алексеевичем Остряковым. Надо сказать, что ВЧК вообще с большим вниманием относилось к этой лаборатории: там работали бывшие офицеры царской армии. Так что тень «железного Феликса» время от времени накрывала НРЛ. Что же касается Шорина, то, по счастью, его удалось довольно скоро вызволить и он продолжил работу.
Каждый ведущий специалист НРЛ возглавлял определенное исследовательское направление. Бонч-Бруевич - работу над приемными и генераторными лампами. Физик Дмитрий Аполлинариевич Рожанский – области стабилизации ламповых генераторов и коротких волн. Инженер Валентин Петрович Вологдин – высокочастотные генераторы. Шорин работал над проблемами пишущего приема, занимался телемеханикой. Благодаря ему в Большом Кремлевском дворце и на некоторых столичных площадях появились рупорные громкоговорители. Олег Владимирович Лосев изучал свойства полупроводников и в 1922 году создал «кристадин» – прообраз транзисторных радиоприемников, без которых невозможно представить себе 1960-е.
В 1919 году в Нижний, в лабораторию приехал Владимир Константинович Лебединский. Это был настоящий «старорежимный» профессор-физик, с аккуратной бородкой и непреодолимой тягой к народному просвещению. До революции он преподавал в политехнических институтах Петербурга и Риги и редактировал «Журнал русского физико-химического общества» – того самого общества, на заседании которого 25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 года Александр Степанович Попов впервые объяснял действие своего приемника публике. С 1945 года 7 мая и отмечается День Радио. После революции профессор Лебединский занялся журналом «ТиТбп» («Телеграфия и телефония без проводов»). Как значилось на его титульном листе, содержание журнала составляли «оригинальные статьи по теоретической и практической радиотехнике; отчеты исследовательских работ по радио, производимых во всех радиолабораториях Союза ССР; обзоры радиолитературы и радиожизни за границей и у нас». Печатался журнал удивительным образом: исполненные в технике литографии (как в XVIII–XIX веках) иллюстрации вклеивались в отпечатанные типографским способом тетрадки. Впрочем, эта смесь не знающей преград инженерной мысли и кустарщины была чрезвычайно характерна для работы лаборатории, как, по большому счету, и для 1920-х годов вообще.
К 30-м гг. двадцатого века относится начало разработок видеотелефонов. В различных странах испытывались системы с разными параметрами. 1 марта 1936 г. в Германии был пущен в эксплуатацию видеотелефон между Берлином и Лейпцигом, позже к ним были присоединены Нюрнберг (1937) и Мюнхен (1938). Изображение передавалось по широкополосному кабелю и занимало полосу частот 500 кГц (рис.5).
Рисунок 5. Первый видеотелефон
В октябре 1961 была организована видеотелефонная связь Москвы с Ленинградом и Киевом по действующим телевизионным каналам междугородных линий связи. В последующие годы переговорные видеотелефонные пункты появились также в Таллине, Вильнюсе, Каунасе, Львове, Казани, Ташкенте и др. городах. С 60-х гг. прошлого века в СССР, США, Японии, ФРГ и др. странах начались разработки видеотелефонов с передачей изображения на далекие расстояния по групповым трактам систем дальней связи с частотным или временным разделением каналов и на близкие (несколько км) – по существующим городским телефонным сетям или специальным линиям связи (рис.6).
Рисунок 6. Современный видеотелефон
1.6. Создатель первых сенсорных радиодатчиков
Изобретателем первого в мире гребенчатого радиозонда и метода его использования для исследования атмосферы является выдающийся советский ученый-аэролог Павел Александрович Молчанов (рис.7).
Рисунок 7. Изобретатель П.А. Молчанов, справа - стратостат "СССР-1" (СССР, 1933)
С 1931 года в СССР и во многих странах мира стали применять радиозонд, разработанный П.А. Молчановым, что позволило к 40-м годам регулярно изучать атмосферу на высоте до 30 км. 30 сентября 1933 года, на стратостате "СССР-1", воздухоплаватели Г.А. Прокофьев, К.Д. Годунов и Э.К. Бирнбаум совершили подъём на высоту 19 км (рис.8).
Рисунок 8. Запуск метеорологического радиозонда Молчанова
с борта дирижабля "Цеппелин" во время арктической экспедиции.
В 1932 году во время проведения программы международного полярного года ученые Германии пригласили автора изобретения профессора Молчанова П. А. принять участие в организованной ими экспедиции в Арктику на дирижабле "Граф Цеппелин" и обеспечить выпуск своих радиозондов (планировалось 10 штук) в полярных широтах. Сотрудниками Павловской обсерватории под руководством проф. Молчанова были подготовлены 12 экземпляров радиозонда, выпуск которых прошел штатно, как и планировалось.
П. А. Молчанова не пережил войну. Ввиду обострения отношений с Германией и политики террора попал под подозрение и в заключение. Метеоролог профессор Молчанов, изобретатель метеорологического радиозонда, прообраза, на основе которого спустя десятилетия были созданы первые межпланетные космические станции, трагически погиб ходе эвакуации заключенных из Ленинграда в 1941 г.
* * *
Из книги Эрнста Кренкеля "RAEM - мои позывные". Научную часть этой международной экспедиции (речь идет о полярной экспедиции на борту дирижабля ЛЦ-127 "Граф Цеппелин") возглавил Рудольф Лазаревич Самойлович. Кроме него, советскую науку на цеппелине представлял также и другой крупный ученый - известный советский аэролог профессор П. А. Молчанов. Аэрология в ту пору еще лишь формировалась, но профессор Молчанов уже преподавал эту дисциплину, имел много трудов, а главное, успел сделать изобретение, которое иначе, как прекрасным даром человечеству, и не назовешь. Профессор Молчанов изобрел первый в мире радиозонд.
Молчанов - невысокого роста, с корпулентной фигурой, а попросту говоря, очень тучен. Его серый костюм всегда тщательно отутюжен, над туго накрахмаленным воротничком безукоризненно белой рубашки сияет круглое, добродушное лицо с аккуратно подстриженными усами и белесыми, выгоревшими бровями. Лицо Молчанова буквально источало доброжелательность.
Профессор оказался весельчаком, и мы тотчас принялись выкладывать друг другу наши запасы анекдотов. А затем сыскалась еще одна точка соприкосновения - Молчанов великолепно разбирался в радиотехнике. Радио тоже стало темой наших бесед, из которых я узнал, что микрорадиопередатчик зонда он не только сам сконструировал, но и изготовил собственноручно. И это не было только лишь искусством рук радиолюбителя. Профессор Молчанов столь тонко знал радиотехнику, что сумел разработать систему кодирования всех параметров, которые регистрировал радиозонд, забравшись на большие высоты.
Конечно, нынешние радиозонды существенно отличаются от первых. То время и наши дни - разные эпохи в радиотехнике. Но радиозонд Молчанова - первопроходец высоких слоев атмосферы, и я горжусь, что мне пришлось участвовать в одной экспедиции с этим выдающимся ученым, наблюдать запуски его радиозондов с борта дирижабля.
В районе Северной Земли произошел запуск радиозонда. Процедура была не из простых, несмотря на то что в оболочке дирижабля для этого существовал специальный люк. Прежде всего из одного газгольдера брался водород для наполнения пятикубометровой оболочки. Затем к аэростату подвешивался коротковолновый радиопередатчик. Чтобы радиозонд не повредил дирижабль, зацепившись за какую-нибудь выступающую часть конструкции (гондолу, винт и т. п.), к зонду подвешивался точно рассчитанный груз, который увлекал его вниз. После нескольких секунд падения автоматическая гильотина с часовым механизмом отсекала этот грузик, и зонд уходил на высоту, передавая в эфир показания своих приборов.
* * *
Конструкция радиозонда Молчанова, наиболее простая и дешевая, выдержала испытания временем и лишь спустя 30 лет была заменена более современными моделями (рис.9).
Рисунок 9. Механическая часть конструкции первого радиозонда Молчанова
Основу устройства автоматики радиозонда П. А. Молчанова составляла система кодирования сигналов, которая выполнена на секциях гребенок с прямоугольными зубцами, по которым перемещаются стрелки, управляемые датчиками. Моменту перехода стрелки с одного зубца на другой соответствует изменение сигнала радиозонда, при этом каждому моменту перехода на другой сигнал соответствует определенное, достаточно точное значение измеряемой величины (температуры, давления, влажности).
Отличительной особенностью гребенчатого радиозонда П. А. Молчанова также была и сравнительная дешевизна как самого прибора, так и оборудования для его применения. Так для приема сигналов достаточно было простейшего радиоприемника прямого усиления КУБ-4, который успешно использовался во время Отечественной войны в армейских подразделениях. Обработка принятых сигналов также не требовала дорогостоящего оборудования, все процедуры выполнялись на разработанных планшетах и графиках. Следует отметить, что точность зондирования и к настоящему времени практически соответствует той, которая была достигнута в первых образцах прибора.
Глава 2. Обзор современных беспроводных технологий
2.1. Вводные замечания
Начало нового века характеризуется беспрецедентным развитием средств коммуникации, в частности, беспроводных устройств, хорошо знакомым нам по практике использования мобильных телефонов. Вычерпав первый обширный слой потребителей, сетевые технологии направляются на новые задачи, прежде всего, на обеспечение комфортного проживания людей (умный дом). Коммутации подлежит не только общение, но взаимодействие разнообразных сервисных средств, размещенных в доме. Для этого требуются надежные, экономные, небольшие по габаритам и удобные контроллеры. Сфера таких устройств активно разрастается. Данное учебное пособие направлено на обзор беспроводных сетевых технологий и анализ конкретной реализации с учебными примерами на базе современных и уже достаточно дешевых учебных наборов, производимых промышленностью.
На сегодняшний день диапазон 2.4 ГГц делят между собой множество стандартов передачи данных: Wi-Fi, Wi-MAX, Bluetooth, Wireless USB, ZigBee, Home RF и т.д. Соответственно, под каждый стандарт производятся чипы. Принимая во внимание такие критерии, как цена чипов, дешевизна и скорость освоения технологии, низкое энергопотребление, помехоустойчивость можно сказать, что ZigBee является лучшим выбором. Чипы для ZigBee выпускают такие известные фирмы, как Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI и т.д. И это гарантирует низкие цены на комплектующие для этой технологии. ZigBee – это технология заполняющая нишу низкоскоростных беспроводных сетей с низким энергопотреблением, предназначенных для систем управления с большим количеством узлов, таких как системы освещения в зданиях, системы наблюдения за парком промышленного оборудования и т.д.
Как ни странно, ZigBee ориентирован на применение там, где есть мощные источники энергии. Это объясняется тем, что ключевые звенья ZigBee сетей – координатор сети и роутеры – не предназначены для работы от автономных источников. А экономичность ZigBee специалисты склонны рассматривать не в контексте отсутствия постоянных внешних источников энергии, а в том, что планируемая взрывная экспансия интеллектуальных приемопередатчиков во все возможные сферы хозяйства может вызвать огромный рост потребления электроэнергии, если не уделить должного внимания экономичности. К примеру, в характерном доме недалекого будущего предположительно будет размещаться до 100 беспроводных датчиков и исполнительных устройств. При количестве 50000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3,3 мегаватта. При использовании ZigBee с передатчиками до 3 дБм и циклом работы в 0,1% от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт!
Благодаря профилям, создание приложения с использованием ZigBee превращается практически из задачи программирования в задачу конфигурирования. Незначительное программирование требуется для модификации состояния или реакции на изменение состояния сигналов перифирии и взаимоотражение данных действий с определенными переменными в памяти, к которым также имеет доступ стек ZigBee. В спецификации первых лет технологии определено 3-и стандартных профиля: профиль автоматизации зданий, профиль автоматизации управления бытовым освещением, профиль управление оборудованием. Спецификация допускает создание и сосуществование наряду со стандартными и частных профилей. И практически каждый изготовитель законченных ZigBee модулей пользуется этой возможностью. Идентификаторы всех существующих профилей должны быть уникальными и их назначением занимается альянс ZigBee (сайт https://www.zigbee.org).
2.2. Важнейшие беспроводные сети
Первые сети, объединившие многочисленных пользователей, были компьютерными. На их основе возникли терминология, стандарты, представления о принципах построения сетей. Для того, чтобы отличить такие сети со сложными, в общем, компонентами, от сетей контроллеров, последние названы персональными, что отражается аббревиатурой PAN или WPAN, отмечая желаемое их качество (wireless - беспроводные). Кратко охарактеризуем те и другие, поскольку некоторые понятия, возникшие для более развитых сетей, переносимы на растущие, усложняющиеся и захватывающие новые области сети.
Беспроводные компьютерные сети – это технология, позволяющая создавать вычислительные сети, полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки. В качестве носителя информации в таких сетях выступают радиоволны СВЧ-диапазона.
Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – Ad-hoc и клиент-сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») – это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент-сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций.
Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа. Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт, но многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность лишь программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения – мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше (в момент звонка – до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, чем мобильные телефоны.
Продукты для беспроводных сетей, соответствующие стандарту IEEE 802.11, предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб (SSID – Service Set Identifier), идентификатор управления доступом к среде (MAC ID – Media Access Control ID) и шифрование.
Технология DSSS для передачи данных в частотном диапазоне 2,4 ГГц за последние 50 лет нашла широкое применение в военной связи для улучшения безопасности беспроводных передач. В рамках схемы DSSS поток требующих передачи данных «разворачивается» по каналу шириной 20 МГц в рамках диапазона ISM с помощью схемы ключей дополнительного кода (Complementary Code Keying, CCK). Для декодирования принятых данных получатель должен установить правильный частотный канал и использовать ту же самую схему CCK. Таким образом, технология на базе DSSS обеспечивает первую линию обороны от нежелательного доступа к передаваемым данным. Кроме того, DSSS представляет собой «тихий» интерфейс, так что практически все подслушивающие устройства будут отфильтровывать его как «белый шум».
Идентификатор SSID позволяет различать отдельные беспроводные сети, которые могут действовать в одном и том же месте или области. Он представляет собой уникальное имя сети, включаемое в заголовок пакетов данных и управления IEEE 802.11. Беспроводные клиенты и точки доступа используют его, чтобы проводить фильтрацию и принимать только те запросы, которые относятся к их SSID. Таким образом, пользователь не сможет обратиться к точке доступа, если только ему не предоставлен правильный SSID.
Возможность принятия или отклонения запроса к сети может зависеть также от значения идентификатора MAC ID – это уникальное число, присваиваемое в процессе производства каждой сетевой карте. Когда клиентский ПК пытается получить доступ к беспроводной сети, точка доступа должна сначала проверить адрес MAC для клиента. Точно так же и клиентский ПК должен знать имя точки доступа.
Механизм Wired Equivalency Privacy (WEP), определенный в стандарте IEEE 802.11, обеспечивает еще один уровень безопасности. Он опирается на алгоритм шифрования RC4 компании RSA Data Security с 40- или 128-разрядными ключами.
Несмотря на то, что использование WEP несколько снижает пропускную способность, эта технология заслуживает более пристального внимания. Дополнительные функции WEP затрагивают процессы сетевой аутентификации и шифрования данных. Процесс аутентификации с разделяемым ключом для получения доступа к беспроводной сети использует 64-разрядный ключ – 40-разрядный ключ WEP выступает как секретный, а 24-разрядный вектор инициализации (Initialization Vector) – как разделяемый. Если конфигурация точки доступа позволяет принимать только обращения с разделяемым ключом, она будет направлять клиенту случайную строку вызова длиной 128 октетов.
Клиент должен зашифровать строку вызова и вернуть зашифрованное значение точке доступа. Далее точка доступа расшифровывает полученную от клиента строку и сравнивает ее с исходной строкой вызова. Наконец, право клиента на доступ к сети определяется в зависимости от того, прошел ли он проверку шифрованием. Процесс расшифровки данных, закодированных с помощью WEP, заключается в выполнении логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) над ключевым потоком и принятой информацией. Процесс аутентификации с разделяемым ключом не допускает передачи реального 40-разрядного ключа WEP, поэтому этот ключ практически нельзя получить путем контроля за сетевым трафиком. Ключ WEP рекомендуется периодически менять, чтобы гарантировать целостность системы безопасности.
Для вторжения в сеть необходимо к ней подключиться. В случае проводной сети требуется электрическое соединение, беспроводной – достаточно оказаться в зоне радиовидимости сети с оборудованием того же типа, на котором построена сеть.
В проводных сетях основное средство защиты на физическом и MAC-уровнях – административный контроль доступа к оборудованию, недопущение злоумышленника к кабельной сети. В сетях, построенных на управляемых коммутаторах, доступ может дополнительно ограничиваться по MAC-адресам сетевых устройств.
В беспроводных сетях для снижения вероятности несанкционированного доступа предусмотрен контроль доступа по MAC-адресам устройств и тот же самый WEP. Поскольку контроль доступа реализуется с помощью точки доступа, он возможен только при инфраструктурной топологии сети. Механизм контроля подразумевает заблаговременное составление таблицы MAC-адресов разрешенных пользователей в точке доступа и обеспечивает передачу только между зарегистрированными беспроводными адаптерами. При топологии «ad-hoc» (каждый с каждым) контроль доступа на уровне радиосети не предусмотрен.
Весьма динамично развивается в последние годы стандарт беспроводной связи Radio Ethernet. Изначально он предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сегодня все активнее используется для подключения удаленных абонентов к магистралям. С его помощью решается проблема «последней мили» (правда, в отдельных случаях эта «миля» может составлять от 100 м до 25 км). Radio Ethernet сейчас обеспечивает пропускную способность до 54 Мбит/с и позволяет создавать защищенные беспроводные каналы для передачи мультимедийной информации.
Данная технология соответствует стандарту 802.11, разработанному Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и описывающему протоколы, которые позволяют организовать локальные беспроводные сети (Wireless Local Area Network, WLAN). Один из главных конкурентов 802.11 — стандарт HiperLAN2 (High Performance Radio LAN), разрабатываемый при поддержке компаний Nokia и Ericsson. Следует заметить, что разработка HiperLAN2 ведется с учетом обеспечения совместимости данного оборудования с системами, построенными на базе 802.11а. И этот факт наглядно демонстрирует популярность средств беспроводного доступа на основе Radio Ethernet, растущую по мере увеличения числа пользователей ноутбуков и прочих портативных вычислительных средств.
Беспроводные персональные сети (англ. wireless personal area network, WPAN) – сети, стандарт которых обозначен как IEEE 802.15.
WPAN применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т. д. Физический и канальный уровни регламентируются стандартом IEEE 802.15.4. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. WPAN используется как для объединения отдельных устройств между собой, так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью интернет.
WPAN может быть развернута с использованием различных сетевых технологий Bluetooth, ZigBee и другими.
Работы по изучению возможности применения мобильных, сетевых коммуникаций начались еще в 1994 году. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия. Проект получил название BlueTooth в честь короля Норвегии и Дании Гарольда Голубой Зуб (Harald Blaatand, 940-981 годы).
Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится, и из локальных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде BlueTooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология быстро развивается, трудно предсказать, какое место она займет в самые ближайшие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документа v1.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (физический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем.
Технология Bluetooth опирается на нелицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4÷2,4835 ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2ГГц, а верхняя - 3,5 ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосе выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый.
ZigBee – название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Имя бренда происходит от поведения медовых пчел, после возвращения их в улей. Сети образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998, когда многие установщики осознали, что протоколы WiFi и Bluetooth стали неподходящими для многих приложений. В частности, многие инженеры увидели необходимость в самоорганизуемых сетях. ZigBee нацелен на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи данных. Работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира).
Технология определяется спецификацией, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей. ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трех секунд.
ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии – это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.
2.3. Топология сетей
В зависимости от требований приложений IEEE 802.15.4 LR-WPAN может работать в рамках одной из двух топологий: звезда (star) или peer-to-peer (P2P). При этом существуют три различных типа устройств сети.
Координатор (ZC) – наиболее ответственное устройство (Coordinator), формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre.
Маршрутизатор (ZR) – маршрутизатор (Full Function Device) может выступать в качестве промежуточного звена, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.
Конечное устройство (ZED) – его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей.
ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC. По названной причине его называют также редуцированным (Reduced Function Device).
В случае звездообразной топологии коммуникации устанавливаются между отдельными устройствами и центральным контроллером, называемым координатор PAN (Personal Area Network). Координатор PAN может быть ориентирован также на вполне определенные приложения, но он может использоваться для инициации, завершения или маршрутизации коммуникаций в сети. Сетевое устройство обычно ассоциируется с одним из приложений и в процессе коммуникаций является либо отправителем, либо получателем данных.
Рисунок 10. Топологии сети
Топология peer-to-peer (P2P) также работает с координатором PAN. Она отличается от звезды тем, что любые сетевые устройства могут обмениваться друг с другом, если существуют соответствующие каналы. Топология P2P позволяет формировать более сложные сетевые конфигурации. Выделяют древовидные (кластерное дерево: claster tree) и ячеистые (смешанная: mesh) структуры.
Сеть P2P может быть в принципе самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Эта топология позволяет организовать и многошаговые маршруты доставки сообщений от одного сетевого устройства другому. Такие функции могут быть добавлены на более высоком уровне и не являются частью данного стандарта. Приложения, типа промышленного управления и мониторинга, сети беспроводных сенсоров, интеллектуальное сельское хозяйство и безопасность делают данную технологию крайне привлекательной.
Все устройства, работающие в сети любой топологии, снабжаются уникальными 64-битными адресами.
Этот адрес может использоваться для прямых коммуникаций в пределах PAN. Координатор PAN может использовать укороченные адреса для групповой адресации сетевых устройств. Координатор PAN может быть запитан от сети переменного тока, в то время как прочие устройства часто питаются от батарей. Приложения, предпочитающие звездообразную топологию, включают в себя домашние системы автоматизации, периферийные устройства персональных компьютеров, игрушки и игры, а также различные устройства, связанные с заботой о здоровье.
2.4. Адресация
Для того, чтобы лучше понимать состав сервисов стека и для чего они могут служить, на рисунке 11 представлена структура адресации в ZigBee. Поскольку предусматривается совместное сосуществование разных сетей, ZigBee на одном частотном канале, то для их различения введен 16-и битный идентификатор сети (Personal area network ID, PAN ID). Все ZigBee модули снабжаются уникальным 64-х битным идентификатором. Но передача такого длинного идентификатора довольно накладна, и диапазон адресов предоставляемый такой длиной идентификатора явно избыточен. В ZigBee введен короткий 16-и битный сетевой адрес устройства, назначаемый единым координатором сети при ее организации.
Спецификация предполагает возможность одной сетью решать множество прикладных задач не связанных друг с другом. Для возможности различения пакетов по приложениям, для которых они предназначены, используются 8-и битные номера конечных точек. Приложения надо понимать в широком смысле, это может быть просто управление лампочкой или канал для передачи данных во внешний шлюз сети другого типа, или контур управления отоплением помещения и т.д.
Рисунок 11. Структура адресации в ZigBee
Для того, чтобы обеспечить полную совместимость устройств разных производителей и их способность взаимодействовать в рамках единого распределенного приложения, было введено понятие профилей, которые различаются в пакетах с помощью 16-и битного идентификатора. Профиль описывает ряд технических параметров, соглашений о структурах данных и форматах сообщений которых жестко должны придерживаться изготовители, чтобы их изделия были совместимы по этому профилю. К сожалению, альянс ZigBee имеет пока только один развитый стандартный профиль – это профиль управления бытовым освещением. Но частные нестандартизированные профили также должны иметь уникальные идентификаторы, поэтому их выдачей занимается сам альянс ZigBee. Кластеры – некоторая абстракция, контейнер для атрибутов. Кластеры введены с целью облегчения администрирования групп родственных атрибутов. Допустим, вместо того, чтобы каждый раз перечислять атрибуты, можно просто ссылаться на них, используя номер кластера. Идентификатор кластера имеет длину 8 бит. И, наконец, конечная точка путешествия – атрибут. Как видно из рисунка, иногда его смысл очевиден.
2.5. Процесс формирования сети
Даже если все устройства ZigBee включены и могут вести общение друг с другом, сеть не возникнет, пока не появиться устройство, взявшее на себя роль координатора. Координатор единственный, кто может инициировать начало формирования сети. Координатор начинает с определения уровня энергии на всех доступных частотных каналах. Выбирается канал с наименьшим уровнем энергии. Выбрав канал, координатор определяет наличие в нем других работающих ZigBee сетей и их идентификаторы через общение с узлами этих сетей. Затем координатор случайным образом выбирает идентификатор для своей сети из диапазона 0x0000-0x3FFE так, чтобы он не совпал с идентификаторами других сетей в том же частотном диапазоне. Сетевой 16-и битный адрес координатора всегда равен 0x0000. Теперь координатор разрешает присоединяться к своей сети другим устройствам. Другие устройства же, до этого момента сканировавшие запросами эфир на предмет доступных сетей, получают, наконец, ответ от координатора о том, что они могут присоединиться к его сети. Присоединение начинается по принципу дерева. Присоединив некоторое количество первых конечных устройств и роутеров, координатор отказывается присоединять непосредственно к себе остальных, оставшиеся вынуждены искать уже присоединившиеся к координатору роутеры (конечные устройства не могут никого присоединять) и присоединяться к ним. Таким образом, начинает ветвиться дерево присоединений. Из кандидатов в родительские узлы предпочтение отдается тем, от кого меньше всего остается переходов к координатору.
2.6. Стандарт беспроводной персональной сети
Стандарт IEEE 802.15.4 (рис.12) был создан в мае 2003. Летом 2003 главный поставщик ячеистых сетей Philips Semiconductors прекратил инвестиции. Однако Philips Lighting продолжил участие со стороны данной корпорации, которая осталась покровителем (промоутером) в составе совета директоров альянса ZigBee. О создании альянса ZigBee было объявлено в 2004. Уже в следующем году число его членов удвоилось и выросло до более чем 100 компаний в 22 странах.
Рисунок 5. Архитектура IEEE 802.15.4
Cтандарт 802.15.4. описывает беспроводные персональные вычислительные сети и оговаривает следующие параметры радиосети – диапазон частот, тип модуляции, структуру пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т.д. Стандарт определяет нижние слои протокола – физический слой (PHY), и контроль доступа (MAC) часть ссылки на слой данных (DLL). Этот стандарт определяет работу на частотах 2,4 ГГц (в мире, не лицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2,4 ГГц есть 16 каналов ZigBee (рис.13), каждый канал требует ширины диапазона в 5 МГц. Основная частота для каждого канала может быть рассчитана как FC = (2405 + 5 * (ch – 11)) МГц, где ch = 11, 12, …, 26.
Рисунок 13. Каналы ZigBee на частоте 2,4 МГц
Архитектура IEEE 802.15.4 определяет, в свою очередь, ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги вышерасположенному уровню. Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном стандарте. Устройство LR-WPAN представляет уровень PHY, оно включает в себя радиочастотный (RF) трансивер с низкоуровневым механизмом управления, и субуровень MAC, который обеспечивает доступ к физическому каналу для всех типов передачи.
Радио используют широкополосную модуляцию с прямым расширением спектра которая управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция используется на полосах в 868 и 915 МГц, а офсетная квадратурная фазовая манипуляция передающая по 2 бита в символе используется на полосе 2,4 ГГц. В чистом виде, при передаче через воздух, скорость передачи данных составляет 250 кбит/с для каждого канала в диапазоне 2,4 ГГц, 40 кбит/с для каждого канала в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Расстояние передачи от 10 до 75 метров и свыше 1500 метров для Zigbee pro, хотя оно сильно зависит от отдельного оборудования. Максимальная выходная мощность радио в основном составляет 0 дБм (1 мВт).
Все требуемые характеристики, в большей или меньшей степени, реализуются в микросхеме приемопередатчика (трансивера). Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee. К управляющему контроллеру выдвигаются определенные требования – память программ должна быть не менее 64 кбайт, если устройство будет исполнять роль координатора, для оконечного устройства достаточно 4 кбайт программной памяти.
2.7. Фирмы-производители
На сегодняшний день трансиверы стандарта 802.15.4 выпускают производители: Freescale, Chipcon, Ember, Jennic, UBEC, OKI (CompX). Все трансиверы работают в общем диапазоне частот от 2400 до 2483 МГц, имеют 16 каналов передачи с шагом 5 МГц, обеспечивают скорость в радиоканале 250 кБит/сек и используют расширение спектра кодовой последовательностью. Трансивер 86RF210 от Atmel и ZMD44101 от ZMD Group работают только в диапазоне 868/915 МГц.
Freescale и Chipcon – безусловные лидеры в производстве приемопередатчиков стандарта 802.15.4. Они регулярно объявляют о новых разработках в этой области. Chipcon уже успел продать более 1 млн. своих чипов.
Компания Ember лицензировала свой чип EM2420 у компании Chipcon. Это «брат-близнец» трансивера СС2420. Ember ориентирован на продажу своих чипов OEM-производителям аппаратуры в совокупности со своими программными наработками – стеками EmberNet, EmberZNet, EmberZNet v2. Одна из первых реально работающих сетей 802.15.4 развернута в Корее – это система сбора показаний бытовых счетчиков электроэнергии. В данной сети из 250 узлов используются чипы и стек от Ember.
Jennic позиционирует себя как первого производителя интегрированного ZigBee чипа (трансивер и управляющий микроконтроллер в одном корпусе).
О чипе компании UBEC довольно мало информации, хотя UBEC и является членом ZigBee альянса. Трансивер UBEC uz2400 анонсирован в сентябре 2004 года, а в сентябре 2005 года Microchip объявил, что его версия стека ZigBee будет поддерживать этот чип. Что касается чипа ML7065, то в действительности это совместная разработка с компанией CompX, которая представляла ранее этот чип как CX1540. Компания CompX разработала также отладочные средства для этого трансивера. Документацию по чипу CX1540 еще можно найти в Интернете, однако сайт CompX уже не доступен, т.к. фирма CompX была приобретена компанией Integration Associates (fabless компания из силиконовой долины, член альянса ZigBee).
Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, являющиеся объединенными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Ins
