Занятие №5 Беспроводные линии связи

1. Соединение через инфракрасный порт

2. Соединение через Bluetooth

3. Соединение через UWB

4. Соединение через Wireless USB

5. Соединение через Wireless FireWire

6. Соединение через Wi-Fi

7. Беспроводное соединение по стандарту IEEE 802.16

8. Вопросы и задания

Соединение через инфракрасный порт

Использование инфракрасного излучения позволяет устанавливать соединение между ВМ без кабеля. Связь осуществляется в режиме «точка» - «точка», длина волны - 880 нм. Эта технология разрабатывалась для осуществления связи мобильного оборудования с автономным питанием с периферийным оборудованием. В результате для такого соединения удалось добиться низкого энергопотребления и невысокой цены реализации решения.

При разработке ИК-порта использовалась существовавшая архитектура последовательного порта, что позволяло передавать данные со скоростью до 115 Кбит/с (англ. Serial Infra Red, SIR - последовательный ИК-порт). Современные протоколы для ИК-соединений превосходят этот порог в тысячи раз.

Пример .ПротоколVFIR (англ.Very Fast Infra Red - очень быстрыйинфракрасный порт) позволяет достичь скорости передачи данных 16 Мбит/с.

В настоящее время существует целый класс ИК-приемопередатчиков для ПК. С их помощью можно передавать файлы с ноутбука на стационарный компьютер или упорядочить записи в мобильном телефоне.

На практике для ИК-соединений используют два способа передачи данных:

рассеянное ИК-излучение;

направленное ИК-излучение.

Рассеянное излучение отражается от стен и потолка, а направленное излучение фокусируется в определенном направлении. Дальность действия рассеянного излучения обычно coставляет несколько метров. При использовании маломощных лазеров, работающих в ИК-диапазоне, удается создавать соединение С дальностью действия до 1.5 км и скоростью передачи данных до 1 Гбит/с. Дальнейшее увеличение расстояния проблематично из-за дифракции.

Для ИК-излучения существует два источника помех - солнечный свет и флуоресцентные лампы, которые в спектре испускания содержат длину волны, используемую в ИК-приемопередатчиках. Поэтому для защиты необходимо использовать полосные фильтры.

Соединение через Bluetooth

Bluetooth (англ. синий зуб ) работает по стандартуIEEE802.15.1в диапазоне от2.4до 2.4835 ГГц, с дальностью связи до 100 м. Информация передается пакетами длиной 625 мкс. Для повышения устойчивости и одновременной работы нескольких сетей используются синхронные псевдослучайные скачки частоты на передатчике и приемнике по 79 участкам диапазона. Максимальная скорость перестройки частоты составляет 1600 скачков в секунду. Дуплексная передача на основе разделения времени обеспечивает передачу пакетов одним из устройств в четные промежутки времени, другим - в нечетные.

В настоящее время применяется оборудование Bluetooth двух стандартов: 1.Х и 2.0.

ТФУПД Занятие №5 .Беспроводные линии связи

Пример. Новая модель сотового телефона6282компанииNokiaпредназначена длясетей третьего поколения UMTS. Аппарат поддерживает стандарт передачи данных

Основное отличие стандартов Bluetooth заключаются в применении различных видов модуляции сигналов. В версии 1.Х используется GFSK-модуляция (англ. GaussianFrequency Shift Keying -частотная модуляция с фильтром Гаусса),в версии2.0- PSK-модуляция (англ. Phase-Shift Keying -фазовая модуляция).При фазовой модуляцииудается передавать большее число бит, в результате пропускная способность канала возросла с 1 до 3 Мбит/с. С переходом на стандарт 2.0 энергопотребление устройств снизилось в два раза при сохранении радиуса действия.

В зависимости от типа передаваемых данных в Bluetooth используются разные виды пакетов:

1. AACL (англ. Asymmetric Asynchronous Connection-Lеss Link ) -для голоса.

Скорость передачи данных для стандарта 1.Х. - 723.2 Кбит/с в прямом и 57.6 Кбит/с в обратном направлении; для стандарта 2.0 - 2.1 Мбит/с и 173 Кбит/с соответственно.

2. SACL (англ. Symmetric Asynchronous Connection-Less Link ) -для голоса.

Скорость передачи данных для стандарта 1.Х. - 433.9 Кбит/с, для стандарта 2.0 - 1.3 Мбит/с в обоих направлениях.

3. SCO (англ. Synchronous Connection-Oriented Link) -для данных.Скоростьпередачи данных 64 Кбит/с.

Первые два вида используется в соединениях, при котором каждый пакет передается всего один раз. При использовании третьего вида для каждого пакета вычисляется контрольная сумма, и в случае ошибки он высылается еще раз.

Перед началом сеанса связи устройства распределяют свои «должности». Инициатор соединения назначается ведущим (англ. Master), а подчиненное устройство - ведомым (англ. Slave). Они образуют пиконет (англ. Piconet -маленькая сеть)смаксимальным количеством устройств - 8 для втиндарта 1.Х и 255 для стандарта 2.0. При использовании встандарта 1.Х для объединения в сеть больше 8 Bluetooth-систем, используется скаттернет (англ. Scatternet - рассеянная сеть) - объединение нескольких пиконетов.

Устройства, поддерживающие Bluetooth, в зависимости if максимальной дальности работы делятся на 3 класса:

1. Class 1 -до100метров,

2. Class 2 -до20метров,

3. Class 3 -до10метров.

К недостаткам Bluetooth относится малая скорость передачи данных, а также то, что рабочий диапазон не лицензирован и забит всевозможными сигналами, в результате возможно возникновение конфликтов. Кроме этого, не все производители оборудования строго следуют стандарту, в результате полной совместимости всех устройств нет.

Соединение через UWB

Не основе военной технологии Ultra Wide Band (UWB , сверхширокополоснаясвязь) создана новая спецификация беспроводных персональных сетей.ПрименяемаяUSArmy Research Laboratory технология UWB в середине прошлого века позволила исследовать скрытые подземные объекты, не доступные для обнаружения другими методами.

В стандарте UWB использован самый широкий из распространенных технологий диапазон частот - от 3 до 10 ГГц.

UWB используется для передачи информации на расстояниях до 10 м между взаимодействующими устройствами, что не влияет на работу удаленных устройств. Для передачи данных используются протоколы из стандарта IEEE 802.15:

1. высокоскоростныеUWB - IEEE 802.15.3а (до 3 м - 480 Мбит/с, до 10 м - 110

ТФУПД Занятие №5 .Беспроводные линии связи

2. низкоскоростныеUWB - IEEE 802.15.4 (от 2 до 250 Кбит/с).

Помимо организации беспроводных персональных сетей, технология может быть использована для передачи данных между компьютером и монитором, а также в аудио системах.

Соединение через Wireless USB

Примером высокоскоростной технологии соединения устройств, базирующейся на технологии IEEE 802.15.3а является беспроводной интерфейс Wireless USB (WUSB ). Wireless USB Promoter Group разработала спецификацию для высокоскоростного соединения «хост-контроллер» - «устройство». Этот стандарт полностью совместим со стандартом UWB, что позволяет организовывать соединения между устройствами с этими технологиями на расстоянии до 10 м. К достоинствам WUSK следует отнести большую пропускную способность (480 Мбит/с). низкое энергопотребление, полную совместимость по драйве рам с существующими USB-устройствами.

Этой публикацией мы завершаем цикл статей, посвящённых долгому пути разработки, становления и прихода к массовому покупателю технологии . Относительно давно – по крайней мере, по сравнению со скоростями развития других компьютерных технологий, стандарт Wireless USB был представлен в качестве рабочего проекта; затем начали обновляться бета-версии его спецификаций, о чём подробно был изложено в наших публикациях, датированных ещё 2005 годом:

• Wireless USB. Часть 1
• Wireless USB. Часть 2

Технология Wireless USB 1.0 для начинающих

Что там у нас без проводов для ближних дистанций? Bluetooth? Увы, даже в современной версии - Bluetooth Version 2.0, его производительность порядка 2,1 Мбит/с, мало пригодна для обмена большими файлами или передачи современного мультимедийного контента, равно как и Zigbee: звук ещё туда-сюда, а видео – уже никак, даже в стандартном разрешении, не говоря уж о HD Video. Может быть, Wi-Fi? Может, но не панацея. Во-первых, стандарты IEEE802.11a/g с производительностью до 54 Мбит/с и даже IEEE802.11n с производительностью вдвое большей всё равно не заменяют проводные USB/FireWire. Во-вторых, Wi-Fi – это всё же в большей степени сеть, нежели интерфейс для перекачки файлов, а если и так, то в качестве "пушки по воробьям". Прямых конкурентов проводным интерфейсам USB и FireWire не было, и возникла нехитрая идея: воспользоваться уже имеющимся пулом протоколов и спецификаций, дабы попросту отрезать эти самые провода и пустить обмен данными на расстоянии до 10 метров посредством радиоканала. Желательно, с сохранением полной аналогии с основными потребительскими свойствами USB и FireWire, а именно, простотой подключения, идентификации, сохранением скорости передачи и защищённости данных. Отмечу, что подразумевается разработка беспроводной технологии FireWire в полной аналогии с WUSB, однако это уже за рамками нашей сегодняшней темы.

Итак, Wireless USB 1.0. Желающих подробно изучить принцип функционирования этой технологии отправлю к двум предыдущим публикациям, а сейчас – лишь в общих чертах. Стандарт Wireless USB базируется на концепции платформы сверхширокополосной (Ultra Wideband, UWB) беспроводной технологии для передачи данных на короткие - до 10 метров, расстояния; с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низким энергопотреблением. Платформа UWB - это решение для беспроводной передачи высококачественного мультимедийного контента, например видео, между устройствами бытовой электроники и периферийными устройствами ПК. Одно из основных преимуществ технологии UWB заключается в том, что она не создает помех для других беспроводных технологий, используемых в настоящее время, таких как Wi-Fi, WiMAX и сотовой связи. Схематически интерфейс Wireless USB можно описать таким образом: стандарт подразумевает использование двух основных "слоев" для обмена данными - транспортного и физического уровня. Транспортный уровень базируется на выше упомянутой сверхширокополосной (UWB) технологии; физический представляет собой уровень формирования среды передачи данных, где помимо WUSB с легкостью могут фигурировать W1394 (Wireless FireWire), Bluetooth и прочие, к настоящему времени еще не изобретенные и не сформулированные протоколы. Стандарт Wireless USB - первый UWB-интерфейс, доведенный до коммерческого стандарта.

Сверхширокополосная модуляция (UWB, IEEE 802.15.3a), в свою очередь, весьма схожа с применяемой в стандарте Bluetooth: передатчик генерирует миллиарды импульсов в очень широком - порядка нескольких гигагерц, частотном спектре, а приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов; модуляция производится мультиплексированием по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что в совокупности с принципом использования нескольких частотных диапазонов составляет технологию MultiBand OFDM. Что касается передачи пакетов данных, здесь всё просто – практически полная аналогия формирования транзакций по принципу USB 2.0. Благодаря использованию сверширокополосной модуляции с низкой спектральной плотностью, сигнал как бы "размазывается " в виде своеобразного "белого шума" по широкому спектру частот, при этом рекомендованная спектральная плотность излучения не должна превышать в среднем уровня -41,3 дБм/МГц. Отсюда вытекают два полезных практических вывода: отсутствие влияния на работу других средств связи и мизерное энергопотребление.

Стандарт транспортного уровня MultiBand OFDM для Wireless USB регламентирует спектральный участок шириной 7,5 ГГц, который разделен на пять каналов и несколько отдельных 528 МГц поддиапазонов в каждом канале. В результате получается 14 поддиапазонов шириной 528 МГц каждый, сгруппированных в 5 частотных участков, при этом каждый из 14 поддиапазонов применительно к стандарту Wireless USB обладает возможностью поддержки обмена данными со скоростью до 480 Мбит/с! Гибкость нового беспроводного стандарта как раз в том, что в разных странах могут быть разрешены к использованию не все поддиапазоны, однако на финальную работоспособность и производительность это практически не влияет.

Что касается топологии Wireless USB, здесь также просматривается аналогия с проводным USB - устройства обладают собственным адресом, получаемым при подключении или перечислении, при этом каждое устройство WUSB поддерживает один или несколько каналов для связи с хостом, может работать как MAC Layer устройство. Ключевым же топологическим отличием Wireless USB можно назвать то, что хост-контроллер может поддерживать до 127 устройств в кластерной группе, что, впрочем, не исключает обычного варианта "точка-точка" как частного случая. Интересно отметить, что концентраторы в определении Wireless USB отсутствуют как класс по причине их полной невостребованности в такой архитектуре: кластеры сосуществуют в перекрывающейся пространственной среде с минимальными взаимными помехами, что позволяет функционировать нескольким WUSB-кластерам в пределах общей зоны действия. Плюсы такой топологии – в возможности двойного применения, когда устройство может в ограниченном объеме выполнять функции хоста - эта модель позволит устройству получить доступ к данным, расположенным за пределами кластера, к которому в текущий момент подключено это устройство; для этого устройство должно создать второй кластер, выступая в качестве хоста с ограниченными возможностями. Обратная совместимость Wireless USB с проводным USB также позволяет создавать прозрачные мосты на проводные USB-устройства и хост-контроллеры, то есть, организовывать передачу данных между двумя кластерами. Фактически, это можно назвать "работой над ошибками" USB, где устраненными для проводной версии лишь с появлением протокола USB 2.0 - USB-On-The-Go. Каждое Wireless USB устройство, равно как его драйверы, обладают собственной системой управления энергопотреблением, без перекладывания этой проблемы на хост-контроллер. Имеются три схемы экономии энергии: нормальный обмен данными (прекращение излучения в промежутках между посылками и везде, где это имеет смысл в текущий момент); спящий режим (увеличение промежутков опроса наличия канала); разъединение. Суммарная мощность, потребляемая устройствами Wireless USB, для PHY первого поколения ограничено максимальным уровнем 130 - 160 мВт; ожидается ужесточение этого показателя. Скорость обмена данными интерфейса Wireless USB значительно зависит от расстояния между хостом и устройством и может изменяться в многозадачном окружении в пределах от 53,3 Мбит/с до 480 Мбит/с: порядка 106,7 Мбит/с на расстоянии до 10 метров; 200 Мбит/с на расстоянии более 4 метров и до 480 Мбит/с на расстоянии более 2 метров. Пример навскидку: типичный поток видео с качеством SDTV/DVD составляет 3 -7 Мбит/с и порядка 19 - 24 Мбит/с в стандарте HDTV. По словам разработчиков стандарта, технология Wireless USB в перспективе будет обладать очень надежной защитой трафика от несанкционированного доступа, на уровне проводного стандарта USB 2.0. На практике в первом поколении Wireless USB будет применено шифрование AES-128 с применением CBC-MAC (CCM) - стандартный потоковый криптоалгоритм с применением блоков AES. Технология Wireless USB обеспечивает шифрование трафика с открытыми ключами, применяемыми для аутентификации. Шифрование с использованием открытых ключей может использовать типичный уровень шифрования и более защищенный - RSA с 3072-битным ключом и хэшем SHA-256. Архитектура шифрования при смешенных проводных USB/WUSB соединениях также подразумевает шифрование трафика, проходящего через проводные соединения, это позволяет избежать путаницы и ошибок при сортировке трафика на проводной/беспроводной. Наконец, программная часть. Компания Microsoft, участвовавшая во всех этапах становления стандарта, обеспечила совместимость уже существующих драйверов почти без изменения, за исключением USB ISOC, плюс единственный функциональный драйвер для проводных/беспроводных PAL (Protocol Abstraction Layer). Программная хост-архитектура реализации поддержки UWB включает поддержку шин PCI и PCI Express для интерфейсных слотовых карт плюс автоматически вытекающую из этого поддержку версий CardBus и ExpressCard. Помимо этого, поддерживаются WUSB-решения со стандартными интерфейсными разъемами "проводного USB" (USB Dongles). В конечном итоге, операционной системе совершенно без разницы, используется ли EHCI (USB 2.0) или WHCI (Wireless USB) контроллер, на практике Wireless USB линк воспринимается операционной системой как обычное проводное USB соединение.

Завершить технологический экскурс стоит на том, что в настоящее время индустриальный альянс UWB - WiMedia Alliance насчитывает более 200 компаний-участников, которые работают над коммерциалиацией своих устройств в рамках спецификаций стандарта Wireless USB. Теперь – пожалуй, самое интересное, рассказ о реальных устройствах Wireless USB.

Примером высокоскоростной технологии соединения устройств, базирующейся на технологии IEEE 802.15.3а является беспроводной интерфейс Wireless USB (WUSB ). Wireless USB Promoter Group разработала спецификацию для высокоскоростного соединения «хост-контроллер» - «устройство». Этот стандарт полностью совместим со стандартом UWB, что позволяет организовывать соединения между устройствами с этими технологиями на расстоянии до 10 м. К достоинствам WUSK следует отнести большую пропускную способность (480 Мбит/с). низкое энергопотребление, полную совместимость по драйве рам с существующими USB-устройствами.

Соединение через Wireless FireWire

Wireless FireWire представляет собой беспроводную реализацию стандарта IEEE 1394. Группа разработки 1394 Тпн1. Association приняла архитектуру WiMCA (англ.

Alliance"s MAC Convergence Architecture ). На ее базе осуществляется разработкапротокольного уровня PAL (англ. Protocol adaptation layer - адаптационный протокольный уровень) для беспроводного IEEE 1394. Заявленная пропускная способность Wireless FireWire - 480 Мбит/с.

Основной проблемой связи по этому соединению является защита передаваемойинформации. Предпринимаются попытки реализовать в FireWire стандарт защиты DigitalTransmission Content Protection , разработанный для кабельных сетей.

Соединение через Wi-Fi

Наибольшее распространение сегодня получили беспроводные соединения стандарта IEEE 802.ИХ, которые корпорацией Microsoft были названы соединениями Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity -беспроводная точность).

Соединения работают в частотном диапазоне между 2.4 и 8.6 ГГц. В России разрешено использовать 13 частот из этого диапазона. Стандарт Wi-Fi позволяет соединять оборудование как в режиме «точка» - «точка», так и «инфраструктура», при использовании специальных точек доступа. Для защиты от несанкционированного доступа применяют кодирование сигнала. Наибольшее распространение получила система кодирования Wired Equivalent Privacy (WEP , англ. Защитная эквивалентнаясекретность ), имеющая два режима:

1. Open System (англ. Открытая авторизация ) при котором соединяющиесяточки задают пароль соединения автоматически;

2. Shared Key (англ. Авторизация через общий ключ) при котором парольдоступа задается заранее при конфигурировании соединения.

Скорость передачи данных для стандарта IEEE 802.11b - 11 Мбит/с, мощность посылаемого сигнала составляет 100 Pi Что обеспечивает связь до 300 м на открытом пространстве до 100 м внутри здания. Скорость передачи стандартов IEEE 802.11а и IEEE 802.11g увеличена до 54 Мбит/с за счет изменения способа модуляции и увеличения мощности передающего оборудования. Стандарт 802.11а является двухчастотным. Используется также диапазон 5 ГГц, который обладает потенциально более высокой устойчивостью к помехам. Для 5 ГГц диапазона Nokia и Ericsson разработали технологию HyperLAN (и более поздний вариант HyperLAN2 ), a Motorola-технологию Canopy .

С целью ускорения разработки нового стандарта 802.11n был организован

консорциум EWC (англ. Enhanced Wireless Consortium ), который будет сотрудничать с

ТФУПД Занятие №5 .Беспроводные линии связи

рабочей группой «N» института IEEE для разработки объединенного стандарта. Технические характеристики спецификации EWC:

· повышенная скорость передачи данных при сохранении возможности взаимодействия с действующими устройствами 802.11 a/b/g;

· физическая скорость передачи данных до 600 Мбит/с;

· снижение энергопотребления за счет сокращения времени, необходимого для отправления и получения данных;

· сокращение разницы между реальной пропускной способностью и возможностями физического уровня, благодаря чему на уровне приложений скорость передачи данных будет составлять как минимум 100 Мбит/с;

· использование диапазонов 2,4 ГГц и/или 5 ГГц, лежащих в основе существующих устройств 802.11Х;

· поддержка каналов 20 и/или 40 МГц;

· повышенная надежность соединений с очень высокой скоростью за счет использования от одной до четырех антенн;

· возможность передачи данных на более далекие расстояния благодаря нескольким антеннам и усовершенствованному способу.

Стандарты IEEE 802.11Х используются обычно для беспроводного соединения компьютеров внутри одного здании Подключение внешней антенны значительно увеличивает радиус действия сетей Wi-Fi, что позволяет организовывать районные сети. Так, для точки доступа мощностью 100 мВт с внешней секторной антенной 14 dB, установленной на высоте 7 м дальность передачи данных со скоростью 11 Мбит/с может достигать 20 км.

По ширине диаграммы направленности применяемые антенны делятся на:

1. Узконаправленные -с углом излучения до45в горизонтальной ивертикальной плоскостях;

2. Секторные -имеют угол направленности30-180 .Ониприменяются приразвертывании базовых станций с большим количеством абонентов, в регионах со сложным рельефом, при расположении всех абонентов в пределах определенного сектора.

3. Всенаправленные -охватывают всю горизонтальную плоскость(360 0)и частьвертикальной (до 60 0). Обычно применяются при равномерном распределении абонентов на небольших территориях.

Основные недостатки этого стандарта - плохая система безопасности и отсутствие четкого механизма роуминга.

Как следует из названия, беспроводной USB-интерфейс предназначен для подключения различных периферийных устройств, таких как , звуковые карты, мультимедийные плееры и даже к беспроводным способом. Подключение можно реализовать двумя способами:

1. Если и (или) периферийное устройство не обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, пользователю придется установить адаптер, который обеспечит обычному USB порту поддержку беспроводного USB-интерфейса.
2. Если и (или) периферийное устройство обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, т. е. имеют антенну для беспроводного USB-соединения, никаких дополнительных устройств для подключения периферийного устройства к компьютеру с помощью такого соединения не нужно. Одна WUSB-антенна позволяет подключить к компьютеру до 127 периферийных устройств.

Другим интерфейсом, обеспечивающим беспроводную связь между устройствами, является Bluetooth. Максимальная скорость передачи данных по Bluetooth-интерфейсу в зависимости от спецификации (1 или 2 с EDR) составляет 1 Мбит/сек (128 Кб/сек) или 3 Мбит/сек (384 Кб/сек), соответственно. Версия 4.0 подняла планку скорости до 24 мегабит (в идеальных условиях). Планируется, что следующая версия стандарта будет обеспечивать скорость передачи аналогичную скорости беспроводного USB, но эта версия находится пока на стадии разработки.

В отличие от Bluetooth, который, подобно беспроводным сетям стандарта IEEE 802.11, передает информацию в диапазоне 2.4 ГГц, беспроводной USB-интерфейс использует для передачи данных широкий диапазон частот от 3.1 до 10.6 ГГц.

Примеры применения Wireless USB

Если компьютер не обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, пользователю придется приобрести и установить адаптер, который обеспечит обычному USB порту поддержку беспроводного USB-интерфейса.

Ниже - звуковая карта с родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса.

Для обычных периферийных USB-устройств действует то же правило подключения: Вам необходимо обеспечить их поддержкой беспроводного USB-интерфейса с помощью WUSB-хаба. Хаб удобен тем, что позволяет одновременно подключать несколько USB-устройств без дополнительных затрат на WUSB-антенны для каждого из них. На снимке - , подключенный к компьютеру с помощью WUSB-соединения.