Сверхширокополосные технологии передачи информации

 

2.2 Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee)

Для низкоскоростных  беспроводных сетей внутриофисного типа (персонального использования) стандарт IEEE 802.15.4 разрабатывался исходя из требований создания систем с изменяющейся сетевой структурой в процессе функционирования, малой стоимости и малого энергопотребления входящего в сеть оборудования.

Стандарт обеспечивает решение многих задач домашнего пользования с использованием низкоскоростной связи и Ad Нос организацией сети.

В домашних и внутриофисных  условиях решаются различные прикладные задачи: обмен (передача) аудиоинформацией, подключение к сети Интернет, объединение в локальные сети компьютеров, создание аудио- и видеосетей, управление домашней автоматикой и расходом электроэнергии, охранная и пожарная сигнализации. Каждая из задач определяет требования к пропускной способности, стоимости и способам монтажа оборудования.

Для температурных датчиков, передающих сведения о температуре, не требуются высокие скорости. Здесь должен обеспечиваться высокий уровень автономности и надежности. Поэтому для таких задач применяются недорогие низкоскоростные беспроводные линии связи с малым энергопотреблением.

Для стандартизации оборудования для домашнего применения был организована группа стандартизации IEEE 802.15.4, получившая  название ZigBee. Она занялась  разработкой несложного, с низким энергопотреблением, низкой стоимостью, низкоскоростного оборудования.

Максимальная потребная  скорость для компьютера и компьютерной периферии составляет 115,2 кбит/с, а для бытовой техники и автоматики скорость передачи может быть менее 10 кбит/с. Максимальная задержка сообщения не должна превышать 15 мс для компьютерной периферии и 100 мс для домашней автоматики.

Сетевой уровень стандарта 802.15.4 решает задачи адресации, коммутации и предотвращения несанкционированного доступа к информации.

Топология стандарта  представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Варианты топологии сети: а - «звезда»; б - «каждый с каждым»

 

Архитектура протоколов (рисунок 20) стандарта 802.15.4 задается спецификациями канального и физического уровней.

Рисунок 20 - Архитектура протоколов оборудования 802.15.4

 

Канальный уровень состоит  из подуровня MAC и подуровня управления логическим каналом LLC.

Подуровень MAC ZigBee предоставляет две службы для высших уровней OSI, к которым может быть осуществлен доступа через две точки доступа к службам (SAP).

Служба передачи данных уровня MAC включается через общую  часть МАС-подуровня (MCPS - SAP), служба управления уровня MAC - через MAC-уровень управления состоянием (MLME - SAP). Эти две службы обеспечивают интерфейс между SSCS (или LLC) и физическим уровнем. Структура          МАС - кадра содержит сильно изменяемую и приспосабливаемую часть, так как требуется решать различные задачи и работать с различными топологиями сети, поддерживающими простой протокол. Основной формат кадра представлен на рисунке 21.

 

Рисунок 21 - Основной формат МАС-кадра

 

МАС - кадр протокола обмена данных (MPDU)  состоит из головка (МНР) и блока данных службы передачи данных МАС - уровня (MSDU), а также окончания МАС - кадра, содержащего контрольную последовательность.

Первое поле MAC заголовка  представляет собой поле управления кадра. Оно показывает тип МАС - кадра и способ передачи, указывает на специфику (размер) адресного поля и управляет подтверждением приема (ARQ). Таким образом, поле управления кадра показывает, как выглядит остальная часть кадра, и что она содержит. Размер поля адреса - переменный (от 0 до 20 байт). Поле может содержать информацию об источнике и получателе сообщения, несмотря на то, что вернувшееся подтверждение не содержит адресную информацию обо всех устройствах.

Во-первых, поле может  содержать адрес только источника  сообщения, во-вторых, могут быть использованы короткий 8-битовый (физический) адрес устройства или 64-битовый адрес IEEE.

Такая гибкая структура  помогает повысить эффективность протокола  с использованием коротких пакетов. Поле полезной нагрузки имеет переменную длину, но не может быть более 127 байт. Тип полезной нагрузки, содержащейся в поле данных, определяется типом кадра.

Возможно четыре различных  типа: данные, подтверждение приема, команда MAC, сигнальное (флаг). Только при  типах «данные» и «флаг» содержимое поля передается на более высокие уровни OSI.

Поля подтверждения  и МАС - команд используются на уровне MAC для обеспечения связи «каждый с каждым». Другие поля МАС - кадра содержат номер последовательности и контрольную последовательность.

Контрольная последовательность (FCS) позволяет проверить целостность данных МАС - кадра. Некоторые прикладные задачи нуждаются в использовании канала с малой задержкой передачи информации. Обеспечить ее удается за счет режима «суперкадра». Сетевой координатор                           (PAN -координатором) в таком режиме передает флаги (маркеры) суперкадра в заранее определенные интервалы времени. Интервал времени между двумя флагами делится на 16 одинаковых временных интервалов (слотов) в зависимости от длительности суперкадра.

Передатчики извещателей (датчиков) могут передавать в любое время в течение слота, но должны завершить передачу транзакции до следующего флага суперкадра. Доступ к каналу в слотах зависит от содержания. Для передачи резервируются слоты, называемые гарантируемыми (рисунок  22).

Рисунок 22 – Структура суперкадра

 

В зависимости от сетевой  конфигурации допускается один из двух механизмов доступа к каналу. В  сетях, содержащих флаги с суперкадрами, применяется слотированный метод  доступа CSMA/CA, в сетях без флагов  неслотированный метод доступа CSMA/CA.

Процесс функционирования случайных методов доступа CSMA/CA состоит в том, что когда извещатель (датчик) собирается передавать данные в сети без флагов, прежде всего, контролируется наличие в канале несущей от какого - нибудь другого извещателя. При наличии несущей он повторяет процедуру через случайный интервал времени или сообщает об ошибке передачи, если передача не удается после нескольких попыток. В сетях с флагами каждое устройство, желающее передать в течение периода доступа к полю содержания, ожидает начала следующего временного слота и тогда определяет, есть ли передачи других устройств в этом слоте. Если другие устройства готовы передавать в том же слоте, то устройство пропускает интервал времени, равный случайному числу длительности слота, и возобновляет попытку передачи или сообщает после нескольких попыток, что передача невозможна.

В структурируемых сетях  каналы подтверждения не используют протокол CSMA/CA. В стандарте 802.15.4 предоставляются  три варианта засекречивания:

а) нет защиты для любого типа полезного содержания;

б) контроль доступа без криптографической защиты;

в) защита информации симметричным ключом (AES-128).

С целью минимизации  цены оборудования для распределения ключа используется нестандартизованный метод криптографии с открытым ключом. Протокол распределения ключа должен быть заложен в высшие уровни OSI решаемой задачи.

Стандарт 802.15.4 содержит два варианта физического уровня, которые комбинируются с МАС - уровнем для решения широкого диапазона задач передачи информации в сетях. Оба варианта физического уровня основываются на методе модуляции с прямым расширение спектра (DSSS), позволяющем реализовывать интегральные микросхемы с малым потреблением энергии и малой стоимостью. Основная разница в этих вариантах физического уровня заключается в различных диапазонах частот. В Европе применяется спецификация радиоинтерфейса в диапазонах частот 868,0...868,6 МГц и 2,4...2,4835 ГГц. В США принята спецификация радиоинтерфейса в диапазонах 902,0.. .928,0 МГц и 2,4.. .2,4835 ГГц.

Важной характеристикой  физического уровня является скорость передачи данных. В диапазоне 2,4 ГГц  предоставляется скорость передачи 250 кбит/с, в то время как в диапазоне 868 МГц - 20 кбит/с и в диапазоне 915 МГц - 40 кбит/с.

Более высокая скорость в диапазоне 2,4 ГГц - следствие более высокоорганизованной схемы модуляции, которая каждым символом сигнала передает несколько бит (многократная модуляция). Например, низкие скорости 868 и 915 МГц могут быть преобразованы в лучшую чувствительность и большую зону обслуживания. Благодаря более высокой скорости 2,4 ГГц можно использовать большее число точек переприема (многошаговый режим), меньшую задержку или меньший цикл ошибок. Каждый вариант физического уровня найдет приложение, для которого их характеристики будут наилучшими.

Стандарт позволяет  сделать динамический выбор каналов  в соответствии со специфическим  алгоритмом, который реализован на канальном уровне. МАС - уровень содержит функцию сканирования по всем доступным каналам радиоинтерфейса и поиску «флагов» (маркеров). Вместе с тем физический уровень содержит встроенные функции низкого уровня, такие как обнаружение и детектирование принимаемой энергии сигнала, индикация качества передачи информации в канале, переключения каналов, доступность разрешенных каналов и занятость частот. Перечисленные функции используются при начальной установке сети и захвате канала, а также для смены канала в процессе функционирования.

Важнейшей для общего интерфейса, включая MAC и физический уровень, является структура одиночного пакета (рисунок 23).

Рисунок 23 - Структура пакета физического уровня

 

Каждый пакет, или пакет  данных физического уровня содержит синхропреамбулу (заголовок). В заголовке  имеется информация о длине пакета и полезной нагрузке (PSDU). Преамбула длиной 32 бита строится так, чтобы обеспечить тактовую синхронизацию и точную настройку на частоту.

Синхропреамбула служит для обеспечения символьной и  тактовой синхронизации. Канальный  эквалайзер не требуется благодаря  комбинации малого радиуса зоны обслуживания и относительно низкой скорости передачи элементарных символов. Среднее квадратическое значение задержки распространения, измеренное в типовых условиях, равно 25 нс. В заголовке физического уровня 7 бит предназначены для задания длины в байтах поля данных PSDU. Средний размер пакета данных для решения домашних задач, например, мониторинга и управления безопасностью, освещение, кондиционирование и т.д., составляет 30...60 байт. Задачи, к которым относятся интерактивные игры и подключение компьютерной периферии или «многошаговые» приложения со многими адресами назначения, могут использовать большие размеры пакета данных.

Для доступных в каждом диапазоне скоростей передачи, максимальная длительность пакета 4,25; 26,6 и 53,2 мс соответственно для диапазонов 2,4 ГГц, 915 и 868 МГц.

На физическом уровне в диапазонах 868 и 915 МГц имеет  место модуляция DSSS, представляющая каждый информационный символ последовательностью максимальной длины из 15 символов. Двоичные данные +1 или -1 умножаются на М - последовательность. В результате получается поток данных, модулирующий несущую частоту с использованием двоичной фазовой модуляции (BPSK).

Реализуется дифференциальное кодирование  данных для обеспечения возможности работы несложного дифференциального когерентного приемника.

В диапазоне 2,4 ГГц на физическом уровне используются 16-ричная квазиортогональная техника, основанная на DSSS-методе. В соответствии с этим двоичные данные группируются в четырехбитовые блоки, каждому из которых в соответствие ставится одна из 16 почти ортогональных 32-символьных псевдослучайных последовательностей (ПСП) для передачи по радиоканалу.

Модуляция данных квадратурная фазовая (QPSK). Четные чипы квазиортогональной последовательности (начиная с нулевого) модулируют синфазный (I) – канал, нечетные квадратурный (Q) – канал. В результате последовательность в квадратурном канале смещена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется  О-QPSK

Псевдослучайные последовательности модулируют несущую, используя минимальную частотную модуляцию (MSK), эквивалентную О-QPSK с полусинусной импульсной характеристикой сглаживания.

Применение «почти ортогональных» символов позволяет получить относительно малые потери преобразований в радиотракте (менее 0,5 дБ).

В терминах энергетической эффективности (эквивалентная энергия на бит) ортогональные сигналы на 2 дБ лучше, чем относительная фазовая модуляция.

В стандарте 802.15.4 чувствительность приемника в диапазоне 2,4 ГГц составляет -85 дБ и -92 дБм для диапазонов 868 и 915 МГц. Эти значения заданы с учетом необходимости обеспечения малой стоимости устройств.

 

2.3 Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Для разработки стандартов беспроводных локальных компьютерных сетей (WLAN) в 1989 г. создана рабочая группа IEEE 802.11. Целью группы являлась разработка архитектуры беспроводных сетей WLAN и спецификаций канального и физического уровней, обеспечивающих скорости передачи данных в канале 1 Мбит/с и выше.

Стандарт предусматривает  два основных способа организации  локальной сети: по принципу «равный с равным» (ad hoc - сеть) и в виде структурированной сети (рисунок 24).

В случаем Ad hoc сети (рисунок 24, а) связь устанавливается непосредственно между двумя станциями и никакого администрирования не предусмотрено. В случае структурированной сети (рисунок 24, б) в их составе появляется дополнительное устройство – точка доступа (AP), как правило, стационарная и действующая на одном канале. Связь между устройствами происходит только через АР. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата.

 

Рисунок 24 -  Архитектура сети 802.11: а) Ad hoc – сеть;  б) структурированная сеть

 

В случаем Ad hoc сети (рисунок 24, а) связь устанавливается непосредственно между двумя станциями и никакого администрирования не предусмотрено. В случае структурированной сети в их составе появляется дополнительное устройство – точка доступа (AP), как правило стационарная и действующая на одном канале. Связь между устройствами происходит только через АР. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата.