Спецификация IEEE 802.15.3

Стандарт IEEE 802.15.3 описывает работу малой БСПИ - пикосети (piconet). Пикосеть в стандарте IEEE 802.15.3 - это так называемая ad hoc -система, в которой несколько независимых устройств могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. Радиус зоны действия одной пикосети, как правило, не превышает 10 м. Основные требования к ней - высокая скорость передачи данных, простая инфраструктура, легкость установления соединения и вхождения в сеть, наличие средств защиты данных и предоставление для определённых типов данных соединения с гарантированными параметрами передачи (гарантия качества обслуживания, QoS).

Рисунок 1.8 - Структура пикосети IEEE 802.15.3

Пикосеть (рисунок 1.8) может объединять несколько устройств, одно из которых выполняет функции управления (координатор пикосети - piconet coordinator, PNC). Стандарт также предусматривает возможность формирования так называемых дочерних пикосетей и описывает взаимодействие между независимыми соседними пикосетями.

В пикосети возможен обмен как асинхронными, так и изохронными (потоковыми) данными. К последним относятся, например, звук и видео. Весь информационный обмен в пикосети основан на последовательности суперкадров superframe - терминология стандартов IEEE 802.15). Каждый суперкадр (рисунок 1.9) включает управляющий сегмент (beacon), интервал конкурентного доступа (соnsention access period - САР) и набор временных интервалов (каналов), назначенных определенным устройствам. PCN определяет границы всех интервалов и распределяет каналы между устройствами.

Рисунок 1.9 - Структура суперкадров физического уровня сети IEEE 802.15.3

Во время САР доступ к каналу предоставляется на основе механизма контроля несущей с предотвращением коллизий - CSMA/CA (как и в стандарте IEEE 802.11), т.е. кто первый успел занять канал, тот и работает. В этот период передаются команды или асинхронные данные.

Канальные интервалы (СТА) координатор пикосети назначает каждому устройству или группе устройств по предварительному запросу с их стороны. В управляющем сегменте задается момент начала и длительность каждого СТА. Назначение канального интервала для какого-либо устройства означает, что никто другой в этот момент не может работать на передачу. СТА могут динамически распределяться в суперкадре (для асинхронных и изохронных данных) или быть фиксированными (только для изохронных данных).

Спецификация физического канала в документе IEEE 802.15.3 приведена только для диапазона 2400-2483, 5 МГц. Она предусматривает пять допустимых скоростей передачи (таблица 1.3). Скорость 22 Мбит/с является базовой, ее обязаны поддерживать все устройства IEEE 802.15.3. При работе на этой скорости данные не кодируются. В остальных случаях данные перед формированием модуляционных символов кодируются посредством сверхточного кодера с трехразрядным сдвиговым регистром (так называемая модуляция посредством решетчатого кода с восемью состояниями). При этом в кодере к исходному набору из 1/3/4/5 бит (при QPSK/16-QAM/32-QAM/64-QAM) добавляется кодовый бит с выхода трехразрядного сдвигового регистра.

Таблица 1.3.

Модуляция и скорости передачи данных в сетях IEEE 802.15.3 в диапазоне 2.4ГГц

Стандарт IEEE 802.15.3 требует, чтобы устройства могли работать в любом из пяти возможных частотных каналов (таблица 1.4). Причем предусматривается два канальных плана - режим высокой плотности (четыре канала в допустимом диапазоне) и режим совместимости с сетью стандарта IEEE 802.11b (три разрешенных канала). Это означает, что каждое устройство перед началом работы сканирует диапазон, находит свободные каналы, определяет наличие работающей сети 802.11b.

Таблица 1.4.

Распределение каналов в сетях IEEE 802.15.3

Номер канала	Центральная частота, МГц	Режим высокой плотности	Режим совместимости с IEEE 802.11b

Спецификацию IEEE 802.15.3 не успели утвердить (а произошло это 12 июня 2003 года), как весь телекоммуникационный мир стал ждать появления ново­го стандарта - IEEE 802.15.3а. Речь идет о разработке принципов построения пикосети со скоростью обмена 110-480 Мбит/с и выше - до 1320 Мбит/с. Достичь столь высоких скоростей можно только увеличивая спектральную ширину канала, переходя в область так называемой сверхширокополосной связи (СШП, UWB). В США это стало возможным после 14 февраля 2002 года, когда федеральная комиссия связи (FCC) США разрешила применение сверхширокополосных устройств внутри помещений в диапазоне 3100-10600 МГц при максимальной плотности мощности излучения 7, 41 • 10¹⁴ Вт/Гц (-41, З дБм/МГц).

В результате в 2002 году образовалась исследовательская группа Tg3a, в которую вошли представители практически всех крупнейших полупроводниковых и телекоммуникационных фирм. Вскоре появились два конкурирующих предложения по технологии СШП передачи - на основе ортогональных кодов (так называемый мультиполосный множественный доступ посредством ортогональных несущих, MB-OFDM) и путем расширения спектра сигнала методом прямой последовательности (DS-UWB).

Весь разрешенный диапазон делится на полосы шириной 528 МГц. В стандартном режиме предусмотрено три полосы, в расширенном - семь (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Предлагаемое распределение каналов в стандарте

IEEE 802.3а в США

Каждая полоса, в свою очередь, делится на 128 поднесущих частот с шагом 4, 125 МГц. Из них используется 122: 100 для модуляции данных, 12 поднесущих - пилотные и еще 10 - защитные. Каждая поднесущая модулируется посредством QPSK. Один OFDM-символ содержит 100 или 200 кодированных бит (100 в случае, когда одинаково модулируются две поднесущие, симметричные относительно центральной). Период следования символов - 312, 5 нс. До сих пор все соответствует обычной OFDM. Мультиполосность означает, что последующий символ может передаваться в иной частотной полосе по жестко определенной схеме для каждого логического канала.

Обмен информацией происходит кадрами (пакетами). Кадр состоит из преамбулы (набора синхронизирующих последовательностей), заголовка (управляющая информация) и поля данных. Преамбула и заголовок всегда транслируются с наименьшей из возможных скоростей - 55 Мбит/с. Четыре логических канала подразумевают, что в непосредственной близости могут работать по крайней мере четыре пикосети. Для этого каждому логическом каналу соответствует уникальный вид синхропоследовательности в преамбуле.

Таким образом, предлагается комбинация OFDM и известного механизма частотных скачков (FH). В результате, в зависимости от скорости кодирования и числа повторов символов и формируется спектр скоростей от 55 до 480 Мбит/с. Изменяя вид модуляции, можно достичь и больших скоростей. Так, применение 16-QAM при той же схеме кодирования даст уже 480 * 2 = 960 кбит/с. Другой путь заключается в использовании для передачи одновременно трех диапазонов - тогда при QPSK и скорости свёрточного кодирования 3/4 достигается скорость 480 * 3 = 1440 Мбит/с.

Проблема в том, что метод частотных скачков - не самый эффективный с точки зрения использования спектрального диапазона. В результате плотность мощности излучения при работе передатчика может превосходить допустимую. А это уже серьезная проблема, поскольку речь идет о сигнале с полосой свыше 500 МГц.

Сторонники технологии DS-UWB предлагают для расширения спектра классический метод прямой последовательности. При этом каждый бит заменяется специальной кодовой последовательностью длиной до 24 бит. Предусмотрено два вида модуляции - двоичная фазовая BPSK (один бит на символ) и так называемая 4ВОК-модуляция (модуляция на основе четырех ортогональных двоичных кодов. Известный вариант ВОК-метод ССК, основной вид модуляции в стандарте IEEE 802.11b). 4BOK - фактически вариант квадратурной модуляции, один 4ВОК-символ содержи 2 бита.

Весь диапазон вещания разбит на две зоны: 3, 1-4, 85 ГГц (нижний диапазон) и от 6, 9 до 9, 7 ГГц (верхний диапазон). В каждом диапазоне предусмотрено по шесть каналов пикосети (с шагом 39 МГц в нижнем диапазоне начиная с 3900 МГц и с шагом 78 МГц - в верхнем начиная с 7800 ГГц). Только четыре канала нижнего диапазона с центральными частотами 3939, 3978, 4017 и 4056 МГц считаются обязательными для поддержки каждым устройством, остальные каналы - дополнительные. Частота следования модуляционных символов в каждом канале равна 1/3 его центральной частоты. В зависимости от скорости предварительного кодирования, вида модуляции и длины кодовой последовательности скорость передачи данных может составить 28, 55, 110, 220, 500, 660, 1000 и 1320 Мбит/с.