Персональные беспроводные сети

 

На базе спецификации IEEE 802.11 были разработаны беспроводные технологии Bluetooth и HomeRF (SWAP).

HomeRF (Home Radio Frequency Working Group) – это название созданной в марте 1998 г. группы производителей компьютерного и бытового оборудования; она организовывалась для разработки открытого протокола распределенного беспроводного доступа – Shared Wireless Access Protocol (SWAP). Для организации сети необходим host-компьютер, что делает сеть дорогостоящей и снижает удобство развертывания. В январе 2003 г. рабочая группа HomeRF была расформирована. Сам стандарт HomeRF пока не нашел массового применения.

Идеология Bluetooth – это универсальный радиоинтерфейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппаратной поддержки. Сегодня устройства Bluetooth реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве беспроводной гарнитуры для сотовых телефонов).

В феврале 1998 г. компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia объединили усилия для создания технологии беспроводного соединения мобильных устройств, организовав специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group). В октябре 1998 г. появилась первая версия Bluetooth 0.7, описывавшая лишь протоколы физического уровня (baseband) и уровня соединения (Link Manager). 26 июля 1999 г. была опубликована первая открытая версия Bluetooth 1.0а. В феврале 2001 г. появилась версия Bluetooth 1.1 (с доработками и исправлениями). Спецификация Bluetooth 1.1 вошла в стандарт IEEE 802.15.1 (опубл. 14.06.2002) “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)”. 5 января 2003 г. Bluetooth SIG выпустил новую версию Bluetooth 1.2 (существенно доработанную). 15 октября 2004 г. появилась последняя версия Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) (с повышением скорости передачи данных с 1 до 3 Мбит/с).

Стандарт Bluetooth описывает пакетный способ передачи данных с временным мультиплексированием и радиообменом в полосе частот 2400…2483.5 МГц. Используются скачки по частоте FHSS – 1600 скачков в секунду с длительностью пакета (временного сегмента) 0.625 мс. Способ модуляции – двухуровневая ЧМн с фильтром Гаусса (GFSK). Весь диапазон частот разбивается на 79 подканалов шириной по 1 МГц каждый. Передатчик «перескакивает» с несущей на несущую синхронно с приемником в последовательности, определяемой номером канала. В системе использован механизм ARQ (Automatic Repeat Request) – если переданный по какому-либо подканалу пакет не был принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Протокол Bluetooth поддерживает логические соединения типа «точка-точка» м «точка-многоточка». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet) – одно из устройств работает как основное (master), а остальные – как подчиненные (slave). В одной пикосети могут быть до 7 slaves. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet). В одной пикосети устройства синхронизированы по времени и частотам. ПСП скачков уникальна для каждой пикосети и определяется физическим адресом ее основного устройства (master) – длина цикла ПСП элементов. Пикосети не синхронизированы между собой по времени и частоте – каждая из них использует свою последовательность частотных скачков.

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача с временным разделением (TDD): основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство – в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до 5 временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета.

Протокол Bluetooth поддерживает асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов. Скорость каждого голосового канала 64 кбит/с в каждом направлении, асинхронного в аимметричном режиме – до 732 кбит/с в прямом и 57.6 кбит/с в обратном направлении или до 433.9 кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме. Механизм ARQ используется только в асинхронном режиме.

Каждому устройству Bluetooth изначально присваивается уникальный 48-разрядный физический адрес (Bluetooth-адрес), служащий для идентификации и регистрации устройств в сети. При непосредственном обмене пакетами этот адрес не используется. Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72/68 бит, 54-разрядный заголовок и информационное поле длиной не более 2745 бит.

 

72 бит	54 бит	0…2745 бит
код доступа	заголовок	передаваемая информация

Структура пакета Bluetooth

 

4 бита	64 бит	4 бита
преамбула	слово синхронизации	трейлер

Структура кода доступа

 

Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и реализации процедуры запросов.

 

Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей:

 

3 бита	4 бита	1 бит	1 бит	1 бит	8 бит
AM_ADDR	TYPE	FLOW	ARQN	SEQN	HEC

Структура заголовка

 

AM_ADDR – 3-разрядный адрес активного элемента (active member address);

TYPE – 4-разрядный код типа данных;

FLOW – 1 бит управления потоком данных, показывающий готовность устройства к приему;

ARQN – 1 бит подтверждения правильного приема;

SEQN – 1 бит, служащий для определения последовательности пакетов;

HEC – 8-разрядная контрольная сумма.

 

18 информационных бит заголовка после сверточного кодирования со скоростью 1/3 превращаются в 54 бит. Информационное поле в зависимости от типа пакетов может содержать либо поля голоса, либо поля данных, либо оба типа полей одновременно. В рамках пикосети одновременно могут взаимодействовать лишь 8 устройств, используя 3-х разрядный адрес AM_ADDR.

Подобные системы строятся на основе однокристальных радиотрансиверов (радиомодемов). Например, Nordic Semiconductor выпускает однокристальные трансиверы в диапазонах: 915 МГц с выходной мощностью 10 мВт; 2.4 ГГц – 1 мВт. В таких устройствах предельно упрощен протокол обмена физического уровня, пакеты данных содержат минимум служебной информации.

Трансивер Т2901 обеспечивает радиус действия до 10 м; если его надо увеличить до 100 м, то можно использовать SiGe-ИС Т7024 (Atmel) с усилителем мощности 23 дБм. Трансивер РВА31301 (Ericsson) основан на специализированной БиКМОП ИС и является гибридным модулем, собранным на многослойной керамической подложке (6 слоёв металлизации) – в исполнении 100 мВт размеры модуля 10.2×16×1.6 мм. Напряжение питания подобных модулей составляет порядка 2…3 В.