Беспроводные персональные сети

Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Network) служат для связывания между собой компонентов компьютера в пределах малого радиуса действия (в так называемой персональной зоне). Однако WPAN-сети нужны не только для подключения компьютерной периферии. Их работа основана на семействе стандартов IEEE 802.15. В эту группу входят стандарты IEEE 802.15.1, 802.15.2, 802.15.3, 802.15.4 и т. д.

Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как: карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, мышки, клавиатуры, джойстики, телефонные гарнитуры и т. д. Bluetooth позволяет этим устройствам обмениваться информацией без кабельного подключения в радиусе до 10–100 м друг от друга. Технология Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1 предназначена для построения персональных беспроводных сетей WPAN). Для организации компьютерных сетей ее возможностей недостаточно.

Дальность действия радиоинтерфейса спецификациями Bluetooth определена около 100 м, частота 2,45 ГГц. Радиоканал обладает полной пропускной способностью в 1 Мбит/с, что обеспечивает создание асимметричного канала передачи данных на скоростях 723,3/57,6 Кбит/с или полнодуплексного канала на скорости 433,9 Кбит/с.

Спецификация Bluetooth, разработанная группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (2002 г.)

Bluetooth версии 2.0 (2004 г.) полностью совместим с версиями 1.x. Скорость передачи увеличина до 2,1 Мбит/с.

В Bluetooth версии 2.1 (2007 г.) добавлена энергосберегающая технология, позволяющая увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3–10 раз.

Формат кадра Bluetooth показан на рис. 14.3.

Рис. 14.3. Структура кадра Bluetooth и его заголовки

Поле «Код доступа» (72 бит) служит идентификатором главного узла. Это позволяет двум главным узлам, расположенным достаточно близко, «слышать» друг друга, различать, кому из них предназначаются данные. Поле «Заголовок» (54 бит), в котором 18-битный заголовок повторяется три раза. Поле «Данные» (0–2744 бит). Существуют кадры с длиной 1, 3 или 5 тактов. Поле «Данные» кадра с пятью тактами имеет размер 2744 бита.

Все кадры передаются между узлами по логическому каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений:

- ACL (Asynchronous Connectionless – асинхронный без установления связи). Он используется для коммутации пакетов данных, появляющихся в произвольный момент времени. У подчиненного узла может быть только одно ACL-соединение со своим главным узлом;

- SCO (Synchronous Connection Oriented – синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в реальном масштабе времени – это требуется, например, при телефонных разговорах. У подчиненного узла может быть до трех соединений типа SCO с главным узлом.

Заголовок кадра состоит из трех 18-битных заголовков, что в итоге составляет 54 бита. На принимающей стороне анализируются все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается таким, какой он есть. В противном случае все решает большинство.

Поле «Адрес» идентифицирует устройство, которому предназначена информация. Поле «Тип» определяет тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и количество временных интервалов, из которых состоит кадр. Бит «F» (Flow, поток) выставляется подчиненным узлом и сообщает о наполненности буфера. Бит «А» (Acknowledgement, подтверждение) представляет собой подтверждение (АСК), отсылаемое заодно с кадром. Бит «S» (Sequence, последовательность) используется для нумерации кадров, позволяющий обнаруживать повторные передачи. Поле «Контрольная сумма заголовка» (8 бит) предназначено для контроля целостности заголовка кадра.

Стандарт IEEE 802.15.3. Стандарт IEEE 802.15.3 описывает работу малой беспроводной сети передачи данных – пикосети (piconet). Пикосеть в стандарте IEEE 802.15.3 – это так называемая ad hoc -система, в которой несколько независимых устройств могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. Размеры пикосети, как правило, не превышают 10 м. Основные требования к ней – высокая скорость передачи данных, простая инфраструктура, легкость установления соединения и вхождения в сеть, средства защиты данных и предоставление для определенных типов данных гарантированных параметров передачи (гарантия качества обслуживания, QoS).

Пикосеть может объединять несколько устройств, одно из которых выполняет функции управления (piconet coordinator – PNC). Стандарт также предусматривает возможность формирования так называемых дочерних пикосетей и описывает взаимодействие между независимыми соседними пикосетями.

В пикосети возможен обмен как асинхронными, так и изохронными (потоковыми) данными, например, звук и видео. Весь информационный обмен в пикосети основан на последовательности суперкадров. Каждый кадр включает управляющий сегмент (beacon), интервал конкурентного доступа (contention access period – CAP) и набор временных интервалов (каналов), назначенных определенным устройствам. PCN определяет границы всех интервалов и распределяет каналы между устройствами. Во время САР доступ к каналу происходит на основе механизма контроля несущей с предотвращением коллизий – CSMA/CA (как и в стандарте IEEE 802.11). То есть, кто первым успел занять канал, тот и работает. В этот период передаются команды или асинхронные данные.

Канальные интервалы (СТА) PCN назначает каждому устройству или группе устройств по запросу с их стороны. В управляющем сегменте для каждого из них задается момент начала и длительность. Назначение СТА для какого-либо устройства означает, что никакое другое устройство в этот момент не может работать на передачу. СТА могут динамически распределяться в суперкадре (для асинхронных и изохронных данных) или быть фиксированными (только для изохронных данных).

Спецификация физического канала в документе IEEE 802.15.3 приведена только для диапазона 2400–2483,5 МГц. Она предусматривает пять допустимых скоростей передачи: 11, 22, 33, 44 и 55 Мб/с. Скорость 22 Мбит/с является базовой, ее обязаны поддерживать все устройства IEEE 802.15.3. При работе на этой скорости данные не кодируются. В остальных случаях данные перед формированием модуляционных символов кодируются посредством сверточного кодера с 3-разрядным сдвиговым регистром (модуляция посредством решетчатого кода с 8 состояниями). При этом в кодере к исходному набору из 1/3/4/5 бит (при QPSK/16-QAM/32-QAM/64-QAM) добавляется кодовый бит с выхода трехразрядного сдвигового регистра.

Стандарт IEEE 802.15.3 требует, чтобы устройства могли работать в любом из пяти возможных частотных каналов: 2,412–2,462 Мгц. Причем предусматривается два канальных плана – режим высокой плотности (четыре канала в допустимом диапазоне), и режим совместимости с сетью стандарта IEEE 802.11b (три разрешенных канала). Это означает, что каждое устройство перед началом работы сканирует диапазон, находит свободные каналы, определяет наличие работающей сети 802.11b. Одновременно работать в такой сети могут до 250 пользователей. При возникновении помех со стороны других бытовых устройств или иных сетей, сети на основе IEEE 802.15.3 будут автоматически переключать каналы. Шифрование данных в сетях IEEE 802.15.3 может осуществляться по стандарту AES 128.

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee). Разработчиком стандарта выступил альянс компаний (Invensys, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips и др.), назвавший себя ZigBee (от Zig-zag –зигзаг и Вее – пчела). Топология сети напоминает зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к цветку. Стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на использование в качестве средства связи между автономными приборами и оборудованием. В корпоративном секторе это могут быть, например, складские системы, системы автоматизации производства, различные датчики, сенсоры, электронные метки. В домашних условиях – персональные компьютеры, игровые приставки, системы освещения и кондиционирования, радиофицированные игрушки и пульты дистанционного управления.

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0–868,6 МГц (для Европы); 10 каналов в диапазоне 902–928 МГц (шаг центральных частот – 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц); 16 каналов в диапазоне 2450 МГц (шаг центральных частот – 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц). Соответственно, скорость в каналах – 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц), 40 Кбит/с (915 МГц) и 250 Кбит/с (2450 Мгц). Cтандарт IEEE 802.15.4 предусматривает небольшую дальность действия (около 10 метров).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуляция и расширяющие последовательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц различны.

Каждое устройство передает информацию посредством фреймов (пакетов). Они могут быть четырех типов – управляющие (beacon frame), фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд МАС-уровня. Фреймы физического уровня (рис. 14.4) содержат заголовок с синхропоследовательностью и информацией о размере фрейма (до 127 байт) и собственно поле данных – пакет МАС-уровня.

Рис. 14.4. Фреймы физического уровня

Структура кадра МАС-уровня (рис.14.5).

Рис. 14.5. Структура кадра МАС-уровня

Стандарт IEEE 802.15.4a (UWB). В стандарте UWB (Ultrawideband, сверхширокополосная связь) используется самый широкий из распространенных сегодня технологий диапазон частот. Эта беспроводная технология предназначена для передачи данных в широком диапазоне частот (3,1–10,6 ГГц) на короткие (до 5–10 м) расстояния с высокой пропускной способностью (400–500 Мбит/с) и низкой потребляемой мощностью (0,05 мВт). С помощью Ultra Wideband технологии можно строить специальные сети. В такой сети несколько сверхширокополосных устройств могут организовать связь между любыми узлами. Одно из основных преимуществ этой технологии заключается в том, что она не создает помех для других (таких как Wi-Fi, WiMAX) беспроводных технологий.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличается беспроводная сеть?

2. Какие типы данных передаются с помощью беспроводной сети?

3. Какие разновидности беспроводных сетей существуют?

4. Какие стандарты регламентируют принцип работы беспроводной сети?

5. Что называется точкой доступа?

6. Что является расширенной зоной обслуживания?

7. Какие классы кадров, передаваемых по каналу определяются стандартом 802.11?

8. Назначение Mesh-технологийиMesh-сетей?

9. Какова зона действия беспроводной персональной сети?

10. В каком частотном диапазоне работают Bluetooth-устройства?

11. Какие методы применяются для передачи сигналов на физическом уровне?