Материал: 6282

Рис. 8.1.Семейство стандартов IEEE 802 для построения беспроводных сетей

Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth) ориентирован на поддержку высокоскоростных мультимедийных приложений. Следствием является и относительно высокая стоимость сетевых устройств. Стандарт IEEE 802.15.3 ориентирован на ещё большую скорость передачи мультимедийных данных в WPAN, а стандарты IEEE 802.15.3a – на значительно большую скорость передачи данных за счёт использования сверхширокополосных сигналов (Ultra Wide Band, UWB). Разрабатываемый стандарт IEEE 802.15.3c является альтернативой стандарту IEEE 802.15. 3а на физическом уровне. Эти стандарты, по сути, призваны воплотить в жизнь беспроводной прототип компьютерной технологии USB. Форум по продвижению стандарта IEEE 802.15.3a имеет название Wireless USB.

Стандарт IEEE 802.15.4 утверждён в 2003 году и ориентирован на организацию WPAN с небольшими скоростями передачи данных (Low Rate WPANs, LR_WPANs) при радиусе действия сетевых устройств от 10 до 75 м. Скорость передачи данных ограничена величиной 250 кбит/с. Низкая скорость передачи данных, однако, при прочих равных условиях требует и низкого энергопотребления сетевых устройств. Это, в свою очередь, позволяет упростить создание таких устройств, работающих с автономным энергопитанием. Поэтому стандарт имеет вполне конкретную рыночную нишу и ориентирован на разработку дешевых сетевых беспроводных устройств, при необходимости работающих от автономного питания. Помимо низкой скорости передачи данных используются и относительно короткие пакеты данных (до 104 байт). Передача коротких пакетов является отличительной чертой систем управления, мониторинга и сбора данных от сенсоров (датчиков).

Bluetooth

Еще недавно проблем с выбором средства соединения различных устройств друг с другом или с компьютером практически не возникало. Кабель (коаксиальный, витая медная пара, многожильный шлейф) представлялся самым оптимальным и практически единственным решением. Однако появившиеся лэптопы и ноутбуки, сотовые телефоны и персональные цифровые помощники, CD- и МР3-плейеры и масса иных мобильных устройств, часто подсоединяемых как друг к другу, так и к стационарным компьютерам, создали проблему. Кабель стал неудобен – подключаться надо часто, размеры самого кабеля с разъемами едва ли не больше собственно подключаемого устройства и т.д. На этом фоне резко возросла актуальность беспроводных локальных технологий, обеспечивающих столь же простое подключение устройства, сколь просто происходит

обращение к диску собственного персонального компьютера. При этом пользователи не привязаны к какому-либо месту.

Bluetooth. Это короткое слово в последнее время всё чаще и чаще мелькает в новостях. Все уже слышали, что это технология беспроводных сетей. Однако подобные технологии существовали и раньше, но ни одна из них не имела и не имеет такой мощной

ивсесторонней поддержки, и ни про одну из них столько не говорилось. Что же такого особенного в Bluetooth?

Само слово Bluetooth можно перевести как "голубой зуб", или "голубая челюсть", что, конечно же, никоим образом не описывает ни сути технологии, ни чего-либо ещё. В далеком 908 году у ютландского короля Горма Старого и его супруги Тиры родился сын – Харальд. Ему была уготована великая судьба. Харальд I Блаатанд (в поздней транскрипции – Bluetooth, Синезубый - прозвище свое он получил из-за потемневшего переднего зуба (есть, правда, и другие версии)), сумев подчинить своей воле разрозненных викингов, объединил Данию с Южной Норвегией и Южной Швецией, создав единое Датское Королевство. Он же способствовал распространению в Скандинавии христианства, что бесспорно послужило единению культур.

Прошло почти 11 веков. В феврале 1998 года компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba

иNokia решили объединить свои усилия для создания технологии беспроводного соединения мобильных устройств, организовав специальную группу SIG (Special Interest Group). И прозвище короля Харальда I – Bluetooth – вновь стало символом объединения. Видимо, свою роль сыграло и то, что основы технологии были еще в 1994 году проработаны шведской компанией Ericsson. Логотип Bluetooth составляют руны, обозначающие инициалы короля.

Изначально группа была открыта для сотрудничества, и сейчас в Bluetooth SIG Promoters, которая занимается разработкой стандарта, входят 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia, и Toshiba. В настоящее время действует версия 1.0 в

спецификации, выпущенная 1 декабря 1999 года. В момент выпуска спецификации было объявлено, что она не является финальной, и финальная спецификация должна выйти ещё через три года. А эти три года должны уйти на "обкатку в боевых условиях". Кроме вышеперечисленных компаний, в группу Bluetooth может абсолютно бесплатно войти любая компания, которая планирует производить или разрабатывать устройства и ПО на основе спецификаций Bluetooth. В настоящее в эту группу уже вошли около 2500 компаний самых различных направлений, так что перспективы у Bluetooth действительно неплохие.

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400–2483,5 МГц ISM-диапазона. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary

Gaussian Frequency Shift Keying).

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 8.1). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал. Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Таблица 8.1. Разделение полосы частот на подканалы в стандарте Bluetooth

Примечание: *Кроме Испании и Франции

Протокол Bluetooth поддерживает как соединения типа точка-точка, так и точкамноготочка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные – как подчиненные (slaves). 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).

Рис. 8.2. Пикосеть с одним подчиненным устройством (а) ,несколькими (б) и распределенная сеть (в)

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 (рис. 8.2).

Таким образом, в scatternet могут объединяться столько Bluetooth устройств, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно, в случае необходимости. Единственное условие, различные piconet входящие в один scatternet должны иметь разные каналы связи, то есть работать на различных частотах и иметь различные hopping channel. Hopping - это регулярная смена частот, определяемая параметрами hopping sequence. Всего спецификация предусматривает 10 вариантов hopping sequence, 5 с циклом в 79 смен и 5 с циклом в 23

смены. С любым hopping sequence частоты сменяются 1600 hops/sec. Используется hopping для того, что бы бороться с затуханием радиосигнала и интерференцией. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Последовательность скачков является уникальной для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности – 227 элементов.

Как уже говорилось, автоматическая установка соединения между Bluetooth устройствами, находящимися в пределах досягаемости является одной из важнейших особенностей Blueooth, поэтому первое, с чего начинается работа Bluetooth устройства в незнакомом окружении - это device discovery, или, по-русски, поиск других Bluetooth устройств. Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth устройств, но и от режима в котором находятся эти устройства. На этом этапе возможно три основных режима.

Discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства всегда отвечают на все полученные ими запросы.

Limited discoverable mode. В этом режиме находятся устройства, которые могут отвечать на запросы только ограниченное время, или должны отвечать только при соблюдении определённых условий.

Non-discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства, как видно из названия режима, не отвечают на новые запросы.

Но это ещё не всё. Даже если удаётся обнаружить устройство, оно может быть в connectable mode или в non-connectable mode. В non-connectable mode устройство не позволяет настроить некоторые важные параметры соединения, и, таким образом, оно хоть и может быть обнаружено, обмениваться данными с ним не удастся. Если устройство находится в connectable mode, то на этом этапе Bluetooth устройства договариваются между собой об используемом диапазоне частот, размере страниц, количестве и порядке hop’ов, и других физических параметрах соединения.

Если процесс обнаружения устройств прошёл нормально, то новое Bluetooth устройство получает набор адресов доступных Bluetooth устройств, и за этим следует device name discovery, когда новое устройство выясняет имена всех доступных Bluetooth устройств из списка. Каждое Bluetooth устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес (вроде как MAC-адреса у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным. Имя Bluetooth устройства может быть длиной до 248 байт, и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8 (при использовании UCS-2, имя может быть укорочено до 82 символов). Спецификация предусматривает, что Bluetooth устройства не обязаны принимать больше первых 40 символов имени другого Bluetooth устройства. Если же Bluetooth устройство обладает экраном ограниченного размера, и ограниченной вычислительной мощью, то количество символов, которое оно примет может быть уменьшено до 20.

Ещё одной из важнейших особенностей Bluetooth является автоматическое подключение Bluetooth устройств к службам, предоставляемым другими Bluetooth устройствами. Поэтому, после того как имеется список имён и адресов, выполняется service discovery, поиск доступных услуг, предоставляемых доступными устройствами. Получение или предоставление каких либо услуг - это то, ради чего всё собственно и затевалось, поэтому для поиска возможных услуг используется специальный протокол, называемый, как несложно догадаться, Service Discovery Protocol (SDP), более подробно он будет описан ниже.

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (time division duplexing). Основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство – в четные (рис.8.3). Пакеты в

зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рис. 8.4).

Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость каждого голосового канала – 64 Кбит/с в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме – до 723,2 Кбит/с в прямом и 57,6 кбит/с в обратном направлениях или до 433,9 Кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме.

Рис. 8.3. Временные диаграммы работы канала

Рис. 8.4. Передача пакетов различной длины

Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точка-точка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам – например, голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, вспомогательное – до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух – с разными основными устройствами. При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCOинтервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается.

При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле ACL-пакета адрес не указан, пакет считается “широковещательным” – его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.