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

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Факультет радиотехники электроники и физики

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств 
 
 
 
 

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине информатика

тема: «Беспроводные технологии передачи данных. WiFi, радио-Ethernet, ZigBee, Bluetooth, GSM. » 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил

Группа: РКС 10-11

Студент: Черемпей А.А. 

Проверил

Преподаватель: Бизяев А.Н.

Оценка:

Дата:   
 

Новосибирск 2011

BlueTooth 
 

     Технология  BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN — Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10–100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости. 

    Своему  рождению BlueTooth обязана фирме Ericsson, которая в 1994 году начала разработку новой технологии связи. Первоначально основной целью являлась разработка радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Однако впоследствии работы по разработке радиоинтерфейса плавно переросли в создание новой технологии. На телекоммуникационном рынке, а также на рынке компьютерных средств успех новой технологии обеспечивают ведущие фирмы-производители, которые принимают решение о целесообразности и экономической выгоде от интеграции новой технологии в свои новые разработки. Поэтому, чтобы обеспечить своему детищу достойное будущее и дальнейшее развитие, в 1998 году фирма Ericsson организовала консорциум BlueTooth SIG (Spesial Interest Group), перед которым ставились следующие задачи:

• дальнейшая разработка технологии BlueTooth;
• продвижение новой технологии на рынке телекоммуникационных средств.

 

     В консорциум BlueTooth SIG входят такие фирмы, как Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor. Логично было бы предположить, что первые шаги, предпринимаемые консорциумом BlueTooth SIG, будут заключаться в стандартизации новой технологии с целью совместимости BlueTooth-устройств, разработанных разными фирмами. Это и было реализовано. Для этого были разработаны спецификации, детально описывающие методы использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных. 

В результате был  разработан стек протокола беспроводной передачи данных BlueTooth (рисунок 1).

                                                    

                                     Рисунок 1. Стек протокола Bluetooth. 

     Технология  BlueTooth поддерживает как соединения типа «точка–точка», так и «точка–многоточек». 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 может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet). В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рисунок 2). 

Рисунок 2. Пикосеть с подчиненными устройствами: а)с одним, б) с несколькими, в) распределенная сеть. 

     С момента появления на рынке первых модулей BlueTooth их широкому применению в новых приложениях препятствовала сложная программная реализация стека протокола BlueTooth. Разработчику необходимо было самостоятельно реализовать управление BlueTooth-модулем и разработать профили, определяющие взаимодействие модуля с другими BlueTooth-устрой ствами с помощью команд интерфейса хост-контроллера (HCI — Host Controller Interface). Интерес к технологии BlueTooth возрастал с каждым днем, появлялись все новые и новые фирмы, разрабатывающие для нее компоненты, но не было решения, которое бы в значительной степени упростило бы управление BlueTooth-модулями. И такое решение было найдено. Финская фирма, изучив ситуацию на рынке, одной из первых предложила разработчикам следующее решение. 

     В большинстве случаев технология BlueTooth используется разработчиками для замены проводного последовательного соединения между двумя устройствами на беспроводное. Для организации соединения и выполнения передачи данных разработчику необходимо программно, с помощью команд интерфейса хост-контроллера реализовать верхние уровни стека протокола BlueTooth, к которым относят: L2CAP, RFCOMM, SDP, а также профиль взаимодействия по последовательному порту — SPP (Serial Port Profi le) и профиль обнаружения услуг SDP (Service Discovery Profi le). На этом и решила сыграть финская фирма, разработав вариант прошивки BlueTooth-модулей, представляющий законченную программную реализацию всего стека протокола BlueTooth (рис. 1), а также профилей SPP и SDP. Это решение дает возможность разработчику осуществлять управление модулем, устанавливать беспроводное последовательное соединение и выполнять передачу данных с помощью специальных символьных команд, точно так же, как это делается при работе с обычными модемами через стандартные AT-команды. 

     На  первый взгляд, рассмотренное выше решение позволяет существенно  сократить время интеграции технологии BlueTooth во вновь разрабатываемые изделия. Однако это накладывает определенные ограничения на использование возможностей технологии BlueTooth. В основном это сказывается на уменьшении максимальной пропускной способности и количестве одновременных асинхронных соединений, поддерживаемых BlueTooth-модулем. 

     В середине 2004 года на смену спецификации BlueTooth версии 1.1, которая была опубликована в 2001 году, принята спецификация BlueTooth версии 1.2. К основным отличиям спецификации 1.2 от 1.1 относят:

1. Реализация технологии адаптивной перестройки частоты канала (Adaptive Friquency hopping, AFH).
2. Усовершенствование голосового соединения.
3. Сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями BlueTooth.

 

     Известно, что BlueTooth и Wi-Fi используют один и тот же нелицензирумый диапазон 2,4 ГГц. Следовательно, в тех случаях, когда BlueTooth-устройства находятся в зоне действия устройств Wi-Fi и осуществляют обмен данными между собой, это может привести к коллизиям и повлиять на работоспособность устройств. Технология AFH позволяет избежать появления коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией технология BlueTooth использует скачкообразную перестройку частоты канала, при выборе которого не учитываются частотные каналы, на которых осуществляют обмен данными устройства Wi-Fi. На рисунке 3 проиллюстрирован принцип действия технологии AFH. 

           

Рисунок 3. принцип действия технологии AFH: а) коллизии, б) уход от коллизий при помощи адаптивной перестройки канала. 

     Развитие  технологии BlueTooth не стоит на месте. Консорциумом SIG разработана концепция развития технологии до 2008 года (рис. 4). 

Рисунок 4. Этапы развития технологии Bluetooth.

     В настоящее время на рынке работает большое количество фирм, предлагающих модули BlueTooth, а также компоненты для самостоятельной реализации аппаратной части BlueTooth-устройства. Практически все производители предлагают модули, поддерживающие спецификации BlueTooth версии 1.1 и 1.2 и соответствующие классу 2 (диапазон действия 10 м) и классу 1 (диапазон действия 100 м). Однако, несмотря на то, что версия 1.1 полностью совместима с 1.2, все рассмотренные выше усовершенствования, реализованные в версии 1.2, могут быть получены, только если оба устройства соответствуют версии 1.2. 

     В ноябре 2004 года была принята спецификация BlueTooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Спецификация 2.0 с поддержкой EDR позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0 и поддерживающие технологию расширенной передачи данных EDR, были предложены производителями в конце 2005 года. Радиус действия таких модулей составляет 10 м при отсутствии прямой видимости, что соответствует классу 2, а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м. 

     Как уже отмечалось ранее, основное назначение технологии BlueTooth — замена проводного последовательного соединения. При этом профиль SPP, используемый для организации соединения, конечно же, не единственный профиль, который разработчики могут использовать в своих изделиях. Технологией BlueTooth определены следующие профили: профиль общего доступа (Generic Access Profile), профиль обнаружения услуг (Service Discovery Profile), профиль взаимодействия с беспроводными телефонами (Cordless Telephony Profile), профиль интеркома (Intercom Profile), профиль беспроводных гарнитур для мобильных телефонов (Headset Profile), профиль удаленного доступа (Dial-up Networking Profile), профиль факсимильной связи (Fax Profile), профиль локальной сети (Lan Access Profile), профиль обмена данными (Generic Object Exchange), профиль передачи данных (Profile Object Push Profile), профиль обмена файлами (File Transfer Profile), профиль синхронизации (Synchronization Profile). 

Wi-Fi 

     С Wi-Fi сложилась несколько запутанная ситуация, поэтому для начала определимся с используемой терминологией. 

     Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных  сетей (Wireless Local Network — WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постоянно совершенствовался, и в настоящее время существует целое семейство, к которому относят спецификации IEEE 802.11 с буквенными индексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Однако только четыре из них (а, b, g и i) являются основными и пользуются наибольшей популярностью у производителей оборудования, остальные же (с-f, h-n) представляют собой дополнения, усовершенствования или исправления принятых спецификаций. 

     В свою очередь, Институт инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) только разрабатывает и принимает  спецификации, на вышеперечисленные  стандарты. В его обязанности  не входят работы по тестированию оборудования различных производителей на совместимость. 

     Для продвижения на рынке оборудования для беспроводных локальных сетей (WLAN) была создана группа, которая  получила название Альянс Wi-Fi. Этот альянс осуществляет руководство работами по сертификации оборудования различных производителей и выдаче разрешения на использование членами Альянса Wi-Fi логотипа торговой марки Wi-Fi. Наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi гарантирует надежную работу и совместимость оборудования при построении беспроводной локальной сети (WLAN) на оборудовании различных производителей. В настоящее время Wi-Fi-совместимым является оборудование, построенное по стандарту IEEE 802.11a, b и g (может также использовать стандарт IEEE 802.11i для обеспечения защищенного соединения). Кроме того, наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi означает, что работа оборудования осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Следовательно, под Wi-Fi следует понимать совместимость оборудования различных производителей, предназначенного для построения беспроводных локальных сетей, с учетом изложенных выше ограничений. 

     Первоначальная  спецификация стандарта IEEE 802.11, принятая в 1997 году, устанавливала передачу данных на скорости 1 и 2 Мбит/с в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц, а также способ управления доступом к физической среде (радиоканалу), который использует метод множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Метод CSMA-CA заключается в следующем. Для определения состояния канала (занят или свободен) используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале, в соответствии с которым выполняется измерение мощности сигналов на входе приемника и качество сигнала. Если мощность принятых сигналов на входе приемника ниже порогового значения, то канал считается свободным, если же их мощность выше порогового значения, то канал считается занятым. 

     После принятия спецификации стандарта IEEE 802.11 несколько производителей представили  на рынке свое оборудование. Однако оборудование стандарта IEEE 802.11 не получило широкого распространения вследствие того, что в спецификации стандарта  не были однозначно определены правила  взаимодействия уровней стека протокола. Поэтому каждый производитель представил свою версию реализации стандарта IEEE 802.11, не совместимую с остальными. 

     Для исправления сложившейся ситуации в 1999 году, IEEE принимает первое дополнение к спецификации стандарта IEEE 802.11 под  названием IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b стал первым стандартом построения беспроводных локальных сетей, получившим широкое  распространение. Максимальная скорость передачи данных в нем составляет 11 Мбит/с. Такую скорость разработчикам  стандарта удалось получить за счет использования метода кодирования  последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 — CSMA-CA. Приведенное выше значение максимальной скорости передачи данных, конечно же, является теоретическим значением, так как для доступа к радиоканалу используется метод CSMACA, не гарантирующий наличия свободного канала в любой момент времени. Поэтому на практике при передаче данных по протоколу TCP/IP максимальная пропускная способность составит около 5,9 Мбит/с, а при использовании протокола UDP — около 7,1 Мбит/с. 

     В случае ухудшения электромагнитной обстановки оборудование автоматически  снижает скорость передачи в начале до 5,5 Мбит/с, затем до 2 Мбит/с, используя для этого метод адаптивного выбора скорости (Adaptive Rate Selection, ARS). Снижение скорости позволяет использовать более простые и менее избыточные методы кодирования, отчего передаваемые сигналы становятся менее подверженными затуханию и искажениям вследствие интерференции. Благодаря методу адаптивного выбора скорости оборудование стандарта IEEE 802.11b может осуществлять обмен данными в различной электромагнитной обстановке.