Беспроводные интерфейсы связи

Лекция 14. Беспроводные интерфейсы связи.

Вопросы:

1. Инфракрасный интерфейс IrDA

2. Радиоинтерфейс Bluetooth

Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA - Infrared Data Association) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов периферийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локальным сетям.

  1. Инфракрасный интерфейс IrDA

1.1. Общая характеристика IrDA

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (InfraRed) Connection — безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости.

1.2. Принцип работы

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм; светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в неразличимый сигнал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют помехи: засветка солнечным освещением или лампами накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи приходится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 10~9 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность — до 10 клюке). Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать к полудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, рис 1.14

Рис1.14. Многоуровневая система протоколов IrDA.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адаптера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов.

В ОС Windows контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Конфигурированное ПО позволяет устанавливать соединение с локальной сетью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов); передавать файлы между парой компьютеров; выводить данные на печать; синхронизировать передающие данные, мобильного телефона и настольного компьютера; выгружать отснятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других полезных действий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

2. Радиоинтерфейс Bluetooth

2.1. Общая характеристика

Bluetooth - ВТ— это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами. Разработкой спецификации занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компьютеров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вывела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.bluetooth.com).

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств.

2.2. Принципы передачи

Кодирование простое — логической единице соответствует увеличение частоты, нулю — уменьшение. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.

Рис. 14.2. Принцип кодирования

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот).

Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых.

Рис 14.3. Структура физического канала связи, состоящего из «пикосетей»

Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройство работает в одной пикосети, часть — в другой).

Рис 14.4. Разбросанная «пикосеть»

Более того, мастер одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последовательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 227. Каждый тайм-слот соответствует одной частоте несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяется адресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-слотов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной несущей частоте, но отсчет, слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то есть несколько перескоков пропускаются).

Рис. 14.5. Структура одного канала передачи

Мастер и ведомые устройства ведут передачу поочередно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

2.3. Принципы передачи информации

В физическом канале связи между Мастером и Ведомыми устройствами могут устанавливаться связи двух типов : синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронного трафика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посы лать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.

Информация передается пакетами, структура которых приведена на рис. 14.6.

Рис. 14.6. Структура пакета передачи.

Последние два поля могут и отсутствовать.

Защита данных от искажения и контроль ошибок обеспечиваются или CRC –кодом, или кодом Хемминга. При этом приемник должен подтверждать правильность пакета или сообщать об ошибке. Для сокращения числа повторов применяется избыточное кодирование, а каждый полезный бит информации передается трижды. Голосовой канал обеспечивает скорость передачи 64 Кбит/сек в обоих направлениях. Для него используется импульсно-кодовая модуляция, что обеспечивает сжатие информации при телефонном качестве звука.

Для обеспечения безопасности применяется аутентификация и шифрование данных на уровне связи. При этом на уровне связи используется 48- битовый уникальный адрес устройства и 128- битный личный ключ аутентификации пользователя, а также 8-128 битный личный ключ для шифрования данных и 128 битное часто сменяемое случайное число. Перед установлением связи одного устройства ВТ с другим оно должно узнать его адрес, который является исходным для определения последовательности перескоков. Каждое устройство периодически прослушивает эфир, а за это время опрашивающее устройство успевает послать пакеты на нескольких частотах и определить искомое. Искомое устройство с требуемым кодом доступа посылает короткий пакет в котором сообщает свой адрес и показания часов. Часы имеются в каждом устройстве. Они работают постоянно, но друг с другом не синхронизированы. При соединении происходит вычисление разности часов относительно мастера, что позволяет настроить текущую частоту приемника на частоту мастера и отсчитывать тайм –слоты.

PAGE 6


1 уровень физический

2 уровень доступа

3 уровень управления соединением

4 уровень транспортный

5 уровень объектного обмена информацией

227

Тайм -слот

Контейнер данных 0-2745 бит

Поле заголовка

54 бит

Поле кода доступа

72 бит

Беспроводные интерфейсы связи