Стандарты Bluetooth и HomeRF

Лекция 15

ТЕМА: Технологии и архитектура беспроводных широкополосных систем передачи информации.

Стандарты Bluetooth и HomeRF

Спецификация IEEE 802.15.3

Локальные сети под управлением IEEE 802.11

Стандарт DECT

Стандарты Bluetooth и HomeRF

Персональные беспроводные сети передачи данных стали появляться сравнительно недавно - в середине 90-х годов. Однако лишь к концу 90-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств интегральную элементную базу. Открывшиеся перспективы привели к тому, что практически одновременно появилось сразу несколько разработок персональных БСПИ, основные из которых - это спецификации HomeRF, стандарты семейства IEEE 802.15 (Bluetooth и IEEE 802.15.3/4), а также технологии сверхширокополосной связи (UWB).

HomeRF - это название созданной в марте 1998 года группы производителей компьютерного и бытового оборудования (Home Radio Frequency Working Group; в первый год существования в нее вошло свыше 90 фирм, включая Intel, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard и Microsoft). Она организовывалась для разработки открытого протокола распределенного беспроводного доступа SWAP (Shared Wireless Access Protocol), который должен был лечь в основу радиосети HomeRF. Впоследствии вместо понятия SWAP в названии спецификации стали использовать HomeRF. Первая версия спецификации HomeRF появилась 17 декабря 1998 года, последняя (HomeRF 2.01) - 1 июля 2002 года. На этом цели рабочей группы были выполнены, и в январе 2003 года она была расформирована.

Как следует из названия, стандарт HomeRF задумывался как беспроводная домашняя СПИ, аналог известной к тому времени проводной Ethernet-подобной сети HomePNA (Home Phone Line Networking Alliance), в качестве носителя использовавшей уже проложенную телефонную линию. Для нормальной работы сети HomeRF необходим host-компьютер (или устройство, выполняющее его функции).

Основные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Сравнительные характеристики технологий Bluetooth и Home RF

Идеология Bluetooth иная - это универсальный радиоинтерфейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппаратной поддержки. Однако устройства Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве беспроводной гарнитуры для сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр заложенных в нём возможностей. Рынок такого рода приложений пока во много раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, именно поэтому прекрасно проработанный для применения именно для сетевых задач стандарт HomeRF пока не нашёл массового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой - системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лет существенно подешевели, лишив тем самым HomeRF основного перед ними преимущества - низкой стоимости. Поэтому более детально рассмотрим именно стандарт Bluetooth.

Своим появлением спецификация Bluetooth обязана компаниям Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, которые в феврале 1998 года для разработки стандарта персональной БСПИ организовали специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group). Название новой технологии связано с именем короля Харольда I Блаатанда (в поздней транскрипции - Bluetooth, Синезуб), объединившего Данию с Южной Швецией и Южной Норвегией в единое Датское Королевство.

Уже в 2000 году в Bluetooth SIG входили 1883 фирмы (на порядок больше, чем в группе HomeRF). Новую технологию поддержали производители элементной базы, программного обеспечения, портативных компьютеров, сотовых телефонов, звуковоспроизводящей аппаратуры и др. Видимо, имя короля-объединителя принесло свои плоды. Сегодня стандарт Bluetooth признан всем мировым сообществом. Между Bluetooth SIG и IEEE было достигнуто соглашение, в соответствии с которым спецификация Bluetooth вошла в стандарт IEEE 802.15.1 (опубликован 14 июня 2002 года) «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs) (Спецификации контроля доступа к беспроводному каналу и физического уровня беспроводных персональных сетей).

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483, 5 МГц (в США и ряде других стран - безлицензионный диапазон). В радиотракте применён метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying).

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведённая для передачи полоса частот подразделяется на определённое количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 1.2). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причём каждому сегменту соответствует определенная несущая (подканал). Передатчик «переска­кивает» с несущей на несущую синхронно с приемником в последовательности, определяемой номером канала. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую поме­хозащищённость передач. Последняя обусловлена тем, что если переданный по какому-либо подканалу пакет не был принят, то приёмник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Таблица 1.2.

Разделение полосы частот на подканалы в стандарте Bluetooth

*Кроме Испании и Франции.

Протокол Bluetooth поддерживает соединения типа точка-точка и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчинённые (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 «распределённую сеть» (scatternet).

а б в

Рисунок 1.1 - Пикосеть с одним подчинённым устройством (а), несколькими (б) и распределённая 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 подчинённым в другой (рисунок 1.1).

Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте - каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Псевдослучайная последовательность скачков уникальна для каждой пикосети и определяется адресом её основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности - 227 элементов.

Основное устройство

Подчиненное устройство

Рисунок 1.2 - Временные диаграммы работы канала

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (time division duplexing — TDD). Основное устройство передает пакеты f(k) в нечётные временные сегменты, а подчинённое устройство — в чётные (рисунок 1.2).

Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Передача пакетов различной длины

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.

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 SCO-интервалы. 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 подчинёнными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчинённых устройств, конкретное подчинённое 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 (механизм ARQ - automatic repeat request).

Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72 бита, 54-битный заголовок и информационное поле длиной не более 2745 бит (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Структура пакета

Однако пакеты могут быть различных типов. Так, пакет может состоять только из кода доступа (в этом случае его длина равна 68 битам) или кода доступа и заголовка.

Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и реализации процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), слово синхронизации (64 бита) и трейлер - 4 бита контрольной суммы (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Структура кода доступа

Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей (рисунок 1.6):

Рисунок 1.6 - Структура заголовка

AMADDR - 3-битный адрес активного элемента (active member address);

TYPE - 4-битный код типа данных;

FLOW - 1 бит управления потоком данных, показывающий готовность устройства к приёму;

ARQN - 1 бит подтверждения правильного приёма;

SEQN - 1 бит, служащий для определения последовательности пакетов;

НЕС - 8-битная контрольная сумма.

Информационное поле в зависимости от типа пакетов может содержать либо поля голоса, либо поля данных, либо оба типа полей одновременно.

Поскольку глобальная цель Bluetooth - всеобщее объединение, эта спецификация описывает протоколы работы практически на всех уровнях модели взаимодействия открытых систем (MBOC/OSI). Стек протоколов Bluetooth позволяет устройствам различных стандартов взаимодействовать друг с другом посредством данной технологии.

До сих пор мы рассматривали только физический уровень и уровень звена данных, поскольку взаимодействие на этих уровнях поддерживается аппаратно. Протоколы верхних уровней, как правило, реализуются программно. Основные протоколы взаимодействия, входящие в Bluetooth (рисунок 1.7):

Рисунок 1.7 - Стек протоколов

• протокол управления соединением (Link manager protocol). Используется для установления связи, управления и защиты информации;

• протокол управления логическим соединением и адаптации (Logical link control and adaptation protocol L2CAP). Обеспечивает мультиплексирова­ние, сегментацию и перекомпоновку пакетов;

• протокол определения служб (SDP). Позволяет идентифицировать тип и характеристики взаимодействующего устройства;

• протокол RFCOMM. Основан на стандарте ETSI TS 07.10, поддерживает интерфейс RS-232, обеспечивая эмуляцию последовательного порта;

• протокол управления телефонией (TCS). Служит для организации соеди­нения между устройствами для передачи голоса и данных;

• протокол обмена объектов ОВЕХ. Является основой для работы различ­ных пользовательских приложений через канал Bluetooth (например, электронной почты). Он же обеспечивает совместное использование Bluetooth
и других коммуникационных интерфейсов, например IrDA (Infrared Data Association).