4.4. Интерфейсы беспроводных сетей
По радиусу действия и назначению современные беспроводные сети, относящиеся к группе стандартов IEEE 802.хx можно разделить на четыре большие группы:
персональные (Wireless Personal Area Network, WPAN);
локальные (Wireless Local Area Network, WLAN);
городские (Wireless Metropolitan Area Network, WMAN);
глобальные (Wireless Wide Area Network, WWAN), (рис. 4.43)
Рис.4.43. Разновидности беспроводных сетей по радиусу действия и назначению.
Разновидности внутри групп приведены на схеме (рис.4.44.)
Рис. 4.44. Классификация беспроводных сетей
4.3.1. Персональные беспроводные сети wpan
Беспроводная персональная сеть (WPAN - Wireless Personal Area Network, IEEE 802.15) - это сеть с малым (от 10 до 100 м) радиусом действия в так называемой персональной зоне. Технологии этого класса описывают коммуникации бытовых приборов, таких как компьютер, принтер, сканер, ТВ, DVD-плеер, музыкальный центр и система безопасности в масштабах дома или квартиры. Практически все устройства с малым радиусом действия работают в нелицензируемом диапазоне ISM (Industrial, Scientific and Medical) - 900 МГц или 2,4 ГГц. К классу WPAN относится целое семейство стандартов IEEE 802.15. Отметим назначение и области применения устройств, описываемых этими стандартами: IEEE 802.15.1 – стандарт, базирующийся на спецификации Bluetooth v.1.1 и определяющий уровни управления доступом Bluetooth.
Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне 2,4-2,48 ГГц. Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – широкополосный сигнал по методу частотных скачков), согласно которому несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения известна только передатчику и приемнику, что позволяет обеспечить конфиденциальность передачи данных и исключить помехи, если рядом работают несколько пар «приемник–передатчик».
На базе универсального приемопередатчика обеспечивается связь с любыми Bluetooth-решениями, причем главным образом используются два варианта исполнения: либо Bluetooth-ключ (Bluetooth-dongle), либо подключаемые к специализированным материнским платам Bluetooth-адаптеры.
IEEE 802.15.2 - определяет схемы взаимодействия устройств IEEE 802.11 и IEEE 802.15.
IEEE 802.15.3 – используется для высокотехнологичных бытовых устройств, позволяет достичь скоростей передачи до 50 Мбит/с. за счет использования полосы 2,4 ГГц и квадратурной манипуляции фазовым сдвигом со смещением (Offset Quadrature Phase Shift Keying).
IEEE 802.15.4 - предназначен для низкоскоростных, обслуживающих устройства домашней автоматики и другие несложные устройства. Скорость передачи в этом стандарте составлят не более 250 кбит/с. Используется 16 каналов в диапазоне 2,4 ГГц , 10 каналов в диапазоне 915 МГц и один канал в полосе 868 МГц. Одно из рабочих названий HomeRF, также называемый Shared Wireless Access Protocol (SWAP), увязывает в единое целое все беспроводные каналы WPAN в полосе 2,4 ГГц. Он разработан на базе стандартов DECT и IEEE 802.11. Еще одно название (торговая марка) - ZigBee. Это разновидность стандарта для домашней беспроводной сети с увеличенным (до 75 м) радиусом действия.
Подробнее остановимся на особенностях стандартов – IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4 (ZigBee) и IEEE 802.15.4a/b (UWB).
IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN – сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции OQPSH (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мбит/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мбит/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность оговорена от 100 до 400 Мбит/с.
Стандарт ZigBee (одна из версий IEEE 802.15.4) разрабатывался более двух лет и за это время сменил несколько названий, среди которых – HomeRF lite, RF-EasyLink и Firefly.
В отличие от IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень связи и основные способы взаимодействия между устройствами, ZigBee добавляет дополнительные требования для "открытости " и совместимости устройств.
К ключевым моментам, следует отнести более низкое энергопотребление, возможность использования 64-битной адресации (до 65 тыс. узлов в сети), меньшую стоимость аналогичных устройств. Так, ZigBee-устройства могут работать около трех лет без замены элемента питания, в то время как Bluetooth – около недели, а автономные Wi-Fi – не более пяти дней. Судя по официальным заявлениям, расстояние между взаимодействующими устройствами может достигать 75 метров при скорости передачи до 250 Кбит/с. Утверждается, что простейшая архитектурная ZigBee-реализация в 50 раз проще стандартного Bluetooth-решения, а стоимость аппаратной составляющей не превышает 6 долларов.
В зависимости от уровня сложности, ZigBee-устройства могут выступать как координаторами, управляя работой комплексной сети, так и приемопередатчиками данных (не только своих, но и чужих), или, в простейшем случае, обмениваться информацией только с координатором. Следует отметить, что в стандарте заложены возможности 128-битного AES-шифрования данных. К основным сферам применения следует отнести обслуживание разнородных датчиков, взаимодействие охранных, пожарных и других сигнализаций с соответствующими службами, в управлении "умным домом". Реализация таких возможностей проводится и без помощи ZigBee, однако ZigBee обеспечивает полную независимость от производителя, а необходимость в установке преобразующего интерфейса становится ненужной.
Разновидность интерфейса - IEEE 802.15.4a/b – стандарт так называемой технологии UWB (Ultra Wideband), основанной на передаче множества закодированных импульсов негармонической формы очень малой мощности (0,05 мВт) и малой длительности в широком диапазоне частот (от 3,1 до 10,6 ГГц). Передача данных на расстояниях до 5 метров осуществляется со скоростью до 480 Мбит/с.