Беспроводные технологии передачи данных. WiFi, радио-Ethernet, ZigBee, Bluetooth, GSM

Рисунок 7. Концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee. 

     Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей. Практически все производители ZigBee-чипов предлагают на рынке целую линейку продукции, отличающейся, как правило, только объемом памяти ROM и RAM. Например, чип со 128 Кбайт ROM и 8 Кбайт RAM может быть запрограммирован на работу в качестве координатора, маршрутизатора и оконечного устройства. 

     Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных  и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России. Необходимо отметить, что появление технологии беспроводной передачи ZigBee стало определенным ответом на потребности рынка создания интеллектуальных систем управления частными домами и строениями, спрос на которые с каждым годом увеличивается. Уже в ближайшем будущем частные дома и строения будут оснащены огромным количеством беспроводных сетевых узлов, осуществляющих мониторинг и управление системами жизнеобеспечения дома. Инсталляция данных систем может быть произведена в любое время и за короткие сроки, так как не требует разводки в здании кабелей. 

     Перечислим  приложения, в которые может быть интегрирована технология ZigBee:

• Системы автоматизации жизнеобеспечения домов и строений (удаленное управление сетевыми розетками, выключателями, реостатами и т. д.).
• Системы управления бытовой электроникой.
• Системы автоматического снятия показаний с различных счетчиков (газа, воды, электричества и т. д.).
• Системы безопасности (датчики задымления, датчики доступа и охраны, датчики утечки газа, воды, датчики движения и т. д.).
• Системы мониторинга окружающей среды (датчики температуры, давления, влажности, вибрации и т. д.).
• Системы промышленной автоматизации.

Radio Ethernet (Радио Ethernet) 

       Radio Ethernet (Радио Ethernet) — беспроводная (бескабельная) сеть передачи данных в масштабе города, используется для обеспечения радиосвязи между абонентами, расположенными в разных зданиях или в одном здании на значительном удалении друг от друга, в режиме единой локальной сети. В 1997 году IEEE принят стандарт Ethernet 802.11 (также IEEE 802.11), определяющий способы организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории, основные технологические принципы функционирования, конфигурацию каналов связи и средств программно-аппаратного обеспечения. Радио Ethernet считается эффективным средством создания распределенных сетей разного назначения, включая системы мобильной компьютерной связи. 

     В стандарте Ethernet IEEE 802.11 (также IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11h, IEEE 802.11k) применяется технология расширения спектра или шумоподобного сигнала — ШПС (Spread Spectrum, SS). В основе этой технологии лежит использование помехоустойчивой кодированной передачи данных широкополосными сигналами малой мощности. Технология ШПС может быть использована двумя способами, описанными в стандарте: методом прямой последовательности и методом частотных скачков. Для систем с широкополосной модуляцией стандартом IEEE 802.11 предусмотрены интервалы частот в диапазонах 900 МГц (шириной в 26 МГц); 2,4 ГГц (83,5 МГц); 5 ГГц (125 МГц). 

     Стандарт IEEE 802.11 включает в себя два основных протокола: протокол управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) и протокол передачи данных в физической среде PHY (PHYsical layer protocol). В системах беспроводной связи помимо стандарта IEEE 802.11 используются также стандарты IEEE 802.15, IEEE 802.16, Bluetooth, HomeRF. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает возможность и средства включения беспроводной ЛВС в состав крупной проводной вычислительной сети.

Методы модуляции  сигнала в Radio Ethernet: 

     DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — метод прямой последовательности или метод модуляции с прямым расширением спектра. Вся используемая полоса частот делится на определенное количество подканалов (в соответствии со стандартом 802.11 их 11). Каждый передаваемый бит информации по заранее определенному алгоритму преобразуется в последовательность из 11 чипов, которые передаются одновременно по всем 11 подканалам. При этом интенсивность сигнала одного чипа близка к фоновой. На принимающей стороне последовательность чипов декодируется. Этим на фоне шума удается выделить полезный сигнал. Читать данные может только «свой» DSSS-приемник, который «знает» алгоритм кодирования данных, примененный передающей стороной. Благодаря низкому уровню мощности сигнала DSSS-устройства практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), которые принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В свою очередь, обычные устройства также существенно не мешают широкополосным, так как «шумят» только в своем узком канале и не способны заглушить весь широкополосный сигнал целиком. 

     FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — метод частотных скачков или метод модуляции с перескоком частоты предполагает, что вся полоса частот разделяется на большое число подканалов (по стандарту их 79). В каждый момент времени каждый передатчик использует только один из подканалов, перескакивая с одного подканала на другой в определенной псевдослучайной последовательности. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике. Не зная конкретной последовательности переключений между подканалами, принять данные невозможно. Одновременно в одном частотном диапазоне может работать несколько пар передатчик-приемник, использующих разные, независимые друг от друга последовательности переключений подканалов. Метод частотных скачков обеспечивает повышенную помехоустойчивость процесса передачи данных: если на каком-либо из подканалов передаваемый пакет не принят, то приемник выдает соответствующее сообщение и передача пакета повторяется. В отличие от метода прямой последовательности трансляция сигнала на каждом подканале ведется на достаточно большой мощности, сравнимой c той, которая присуща обычным узкополосным устройствам. В силу этого FHSS-устройства могут оказывать влияние на другие радиоустройства. 

     Согласно  стандарту IEEE 802.11 широкополосные технологии можно использовать в двух частотных  диапазонах: 915 МГц и 2,4 ГГц. Первый диапазон в Европе и России загружен средствами связи и требует получения  лицензии. Что касается диапазона 2,4 ГГц, то в России в соответствии с  решением Государственного комитета по радиочастотам (ГКРЧ) № 7/6 от 29 июня 1998 года для пользователей систем, работающих с шумоподобным радиосигналом в диапазоне 2.4 ГГц, специального разрешения не требуется. 

     Методы  фазовой модуляции (PSK, Phase Shift Keying) — собственно фазовая модуляция и квадратурная фазовая модуляция (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying) заключаются в том, что передача логических нулей и единиц сигнала производятся на одной частоте и амплитуде сигнала, однако они смещены друг от друга по фазе. При PSK это смещение имеет два значения (0 и 90 О), а при QPSK — четыре (0, 90, 180, 270 О). Применение QPSK позволяет снизить требования к характеристикам передатчика и повысить качество принимаемого сигнала. В соответствии со стандартом IEEE 802.11 при передаче данных на скорости 1 Мбит/с используется двоичная относительная фазовая модуляция (DBPSK). В 1999 году для сетей Radio Ethernet была принята версия стандарта IEEE 802.11b, дополнившая область скоростей передачи, определенных стандартом IEEE 802.11 (1 и 2 Мбит/с), скоростями 5,5 и 11 Мбит/с. Это потребовало введения для расширения спектра передачи сигнала нескольких способов кодирования с использованием комплементарных кодов — CCK (Complementary Code Keying). 

     MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) — многоканальная беспроводная сеть, обеспечивающая широкополосный и высокоскоростной доступ в Интернет по радиоканалам связи (в частности, в частотном диапазоне 2150-2165 МГц). Можно выделить два типа топологии бескабельных (беспроводных) сетей:

точка-точка (point-to-point) реализует связь двух удаленных объектов, например локальных сетей двух офисов. Если видимость между объектами прямая, то обязательное условие для работы оборудования отсутствует, между этими точками устанавливаются дополнительные ретрансляторы. К этому же классу относятся сети, предназначенные для передачи не только данных, но и синхронного трафика, например телефонии;

точка-множество  точек (point-to-multipoint) представляет собой одну или совокупность нескольких базовых станций, каждая из которых обслуживает территориально разнесенных абонентов. При этом абонентские станции не видят друг друга, а общаются посредством базовой станции. 

     Стандартная технология Radio Ethernet предполагает обмен данными по радиоканалу на скорости 1-2 Мбит/с. Однако после утверждения стандарта 802.11 появились высокоскоростные устройства, поддерживающие скорость передачи данных на уровне 10 и 11 Мбит/с, а в дальнейшем и 23 Мбит/с. Повышение производительности устройств, достигнутое за счет модификаций стандарта, определило несовместимость устройств нового поколения с предыдущими. 

     Сертификат  Class A/B Certification Федеральной комиссии по связи США (FCC, Federal Communication Commission) является стандартом на электронную и электромагнитную передачу данных, а также определяет диапазоны полос для каналов связи. Данный вид сертификации связан с ограничениями, накладываемыми на мощность излучения цифровых устройств. Класс А предназначен для использования в организациях, класс В — для использования в жилых помещениях. Класс B предъявляет более строгие требования, ориентированные на предотвращение взаимных помех, которые могут возникнуть при работе телевизоров и других принимающих устройств. Все устройства серии OfficeConnect сертифицированы и по классу «А» и по классу «В». 

     GSM 

     GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) — глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.

     GSM относится к сетям второго  поколения (2 Generation) (1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). 

     Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. 

     В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и  вариацию частот в зависимости от региона использования.

• Однодиапазонные — телефон может работать на одной из частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённой частоты в некоторых моделях телефонов, например Motorola C115, или с помощью инженерного меню телефона.
• Двухдиапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.
• Трёхдиапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.
• Четырехдиапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

     В стандарте GSM применяется GMSK модуляция  с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения. 

     GSM на сегодняшний день является  наиболее распространённым стандартом  связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует  глобальные технологии GSM. В GSMA в  настоящее время входят операторы  более чем 210 стран и территорий. 

     GSM обеспечивает поддержку следующих  услуг:

     Услуги  передачи данных (синхронный и асинхронный  обмен данными, в том числе  пакетная передача данных — GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость  терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним  и от них.

• Передача речевой информации.
• Передача коротких сообщений (SMS).
• Передача факсимильных сообщений.
• Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:
• Определение вызывающего номера и ограничение такого определения.
• Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер.
• Ожидание и удержание вызова.
• Конференц-связь (одновременная речевая связь между тремя и более подвижными станциями).
• Запрет на определённые пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.)
• Голосовая почта.