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

     Следующим стандартом, пополнившим семейство  стандарта IEEE 802.11, является стандарт IEEE 802.11a, спецификация которого была принята IEEE в 1999 году. Основное отличие спецификации стандарта IEEE 802.11a от первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 заключается в следующем:

• передача данных осуществляется в нелицензируемом диапазоне частот 5 ГГц;
• используется ортогональная частотная модуляция (OFDM);
• максимальная скорость передачи данных составляет 54 Мбит/с (реальная скорость — около 20 Мбит/с).

     Так же, как в стандарте 802.11b, в 802.11a реализован метод выбора адаптивной скорости (ARS), снижающий скорость передачи данных в следующей последовательности: 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с. Передача информации осуществляется по одному из 12 каналов, выделенных в диапазоне 5 ГГц. 

     Использование диапазона 5 ГГц при разработке спецификации 802.11a обусловлено прежде всего тем, что данный диапазон менее загружен, чем диапазон 2,4 ГГц, а следовательно, передаваемые в нем сигналы менее подвержены влиянию интерференции. Несомненно, данный факт является преимуществом, но в то же время использование диапазона 5 ГГц приводит к тому, что надежная работа оборудования стандарта IEEE 802.11a обеспечивается только на прямой видимости. Поэтому при построении беспроводной сети требуется установка большего количества точек доступа, что, в свою очередь, влияет на стоимость развертывания беспроводной сети. Кроме того, сигналы, передаваемые в диапазоне 5 ГГц, более подвержены поглощению (мощность излучения оборудования IEEE 802.11b и 802.11a одна и та же). 

     Первые  образцы оборудования стандарта IEEE 802.11a были представлены на рынке в 2001 году. Следует отметить, что оборудование, поддерживающее только стандарт IEEE 802.11a, не пользовалось большим спросом  на рынке по нескольким причинам. Во-первых, на тот момент оборудование стандарта IEEE 802.11b уже зарекомендовало себя на рынке, во вторых, все отмечали недостатки использования диапазона 5 ГГц и, в-третьих, оборудование стандарта IEEE 802.11a не совместимо с IEEE 802.11b. Однако впоследствии производители для продвижения IEEE 802.11a предложили устройства, поддерживающие оба стандарта, а также оборудование, позволяющее адаптироваться в сетях, построенных на оборудовании стандарта IEEE 802.11b, 802.11а, 802.11g. 

     В 2003 году была принята спецификация стандарта IEEE 802.11g, устанавливающая  передачу данных в диапазоне 2,4 ГГц  со скоростью 54 Мбит/с (реальная скорость составляет около 24,7 Мбит/с). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 — CSMACA, а также ортогональная частотная модуляция (OFDM). 

     Оборудование  стандарта IEEE 802.11g полностью совместимо с 802.11b, однако, из-за влияния интерференции, в большинстве случаев реальная скорость передачи данных 802.11g сопоставима  со скоростью, обеспечиваемой оборудованием  стандарта 802.11b. Поэтому единственным правильным решением для потенциальных  пользователей беспроводных локальных  сетей является покупка оборудования, поддерживающего сразу три стандарта: 802.11a, b и g. 

     Wi-Fi-совместимое  оборудование у большинства разработчиков  ассоциируется прежде всего с организацией точек доступа для выхода в Интернет и с абонентским оборудованием. Следует отметить, что и индустрия встроенных систем не обошла своим вниманием стандарты IEEE 802.11a, b и g. Уже сейчас на этом сегменте рынка есть предложения, позволяющие сделать любое устройство Wi-Fi-совместимым. Речь идет о ОЕМ-модулях стандарта IEEE 802.11b, в состав которых входят: приемопередатчик, процессор обработки приложений и исполнения ПО. Таким образом, эти модули представляют собой полностью законченное решение, позволяющее существенно сократить время и стоимость реализации Wi-Fi-совместимости разрабатываемого изделия. В основном ОЕМ-модули стандарта IEEE 802.11b интегрируются в изделия для удаленного мониторинга и управления через Интернет. Для подключения ОЕМ-модуля стандарта IEEE 802.11b к изделию используется последовательный интерфейс RS-232, а управление модулем выполняется AT-командами. Максимальное расстояние между OEM модулем стандарта IEEE 802.11b и точкой доступа при использовании специальной выносной антенны может составлять до 500 м. В помещения максимальное расстояние не превышает 100 м, а при наличии прямой видимости увеличивается до 300 м. Существенным недостатком таких ОЕМ-модулей является их высокая стоимость. В таблице 1 приведены основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g. 

Таблица 1. Основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a,b,g.

     ZigBee 

     Технология  беспроводной передачи данных ZigBee была представлена на рынке уже после появления технологий беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi. Появление технологии ZigBee обусловлено, прежде всего, тем, что для некоторых приложений (например, для удаленного управления освещением или гаражными воротами, либо считывания информации с датчиков) основными критериями при выборе технологии беспроводной передачи является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. Из этого следует малая пропускная способность, так как в большинстве случаев электропитание датчиков осуществляется от встроенной батареи, время работы от которой должно превышать несколько месяцев и даже лет. Иначе ежемесячная замена батареи для датчика открывания-закрывания гаражных ворот кардинально изменит отношение пользователя к беспроводным технологиям. Существующие на тот момент времени технологии беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi не соответствовали этим критериям, обеспечивая передачу данных на высоких скоростях, с высоким уровнем энергопотребления и стоимости аппаратной части. В 2001 году рабочей группой № 4 IEEE 802.15 были начаты работы по созданию нового стандарта, который бы соответствовал следующим требованиям:

• очень малое энергопотребление аппаратной части, реализующей технологию беспроводной передачи данных (время работы от батареи должно составлять от нескольких месяцев до нескольких лет);
• передача информации должна осуществляться на не высокой скорости;
• низкая стоимость аппаратной части.

     Результатом стала разработка стандарта IEEE 802.15.4. Во многих публикациях под стандартом IEEE 802.15.4 понимают технологию ZigBee и наоборот под ZigBee — стандарт IEEE 802.15.4. Однако это не так. На рисунке 5 приведена модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя. 

Рисунок 5. Модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечно пользователя.

     Стандарт IEEE 802.15.4 определяет взаимодействие только двух низших уровней модели взаимодействия: физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к радиоканалу  для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868 МГц и 915 МГц. В таблице 2 приведены основные характеристики оборудования, функционирующего в этих диапазонах частот. 

Таблица 2. Основные характеристики оборудования.

     Уровень MAC отвечает за управление доступом к  радиоканалу с использованием метода множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а также за управление подключением и отключением от сети передачи данных и обеспечение защиты передаваемой информации симметричным ключом (AES-128). 

     В свою очередь, технология беспроводной передачи данных ZigBee, предложенная альянсом ZigBee, определяет остальные уровни модели взаимодействия, к которым относят сетевой уровень, уровень безопасности, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения. Сетевой уровень, технологии беспроводной передачи данных ZigBee, отвечает за обнаружение устройств и конфигурацию сети и поддерживает три варианта топологии сети, приведенные на рисунке 6. 

Рисунок 6. Три варианта топологии сети. 

     Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (RFD) и полностью функциональные устройства (FFD). При реализации одной из топологий сети, приведенной на рис. 6, требуется наличие, по крайней мере, одного FFD-устройства, выполняющего роль сетевого координатора. В таблице 3 приведен перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD.

Таблица 3. Перечень функции, выполняемых устройствами FFD и RFD4.

     Низкая  стоимость аппаратной части RFD-устройств  обеспечивается за счет ограничения  набора функций при организации  взаимодействия с сетевым координатором  или FFD-устройством. Это в свою очередь, отражается на неполной реализации модели взаимодействия, приведенной на рис. 5, а также предъявляет минимальные  требования к ресурсам памяти. 

     Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля (рис. 5), предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую — кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений. 

     Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений). 

     Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение  информации от датчиков или счетчиков  осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое  оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает  беспроводной датчик, подавляющую часть  времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи. 

     Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств  дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения  в прихожей. Передача команды в  данном случае осуществляется следующим  образом. При получении устройством  управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду  оконечному устройству (беспроводному  выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee. 

     Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким. 

     В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически  мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать»  сразу несколько датчиков, генерируя  в сети так называемый повторяющийся  трафик. Вероятность данного события  невелика, но не учитывать его в  охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator). 

     При разработке аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee, реализующей модель взаимодействия, практически все производители придерживаются концепции, в соответствии с которой вся аппаратная часть размещается на одном чипе. На рисунке 7 приведена концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee.