Многоканальные системы радиодоступа
4. Системы и стандарты беспроводного радиодоступа
4.1. Состояние сетей беспроводного доступа
Системы беспроводного доступа служат для удлинения действующих телефонных сетей и сетей передачи данных с использованием радиоканалов на "последней миле", т.е. ответвлениях к пользователям. Эти системы не образуют собственных глобальных сетей, как, например, GSM, а являются продолжением существующих информационных сетей, используя их коммутаторы или маршрутизаторы. Укажем на основные преимущества систем беспроводного доступа:
развертывание сетей не требует больших затрат и большого времени;
низкие эксплуатационные расходы;
возможны разнообразные конфигурации сетей.
Рис. 4.1. Иерархия сетей беспроводного доступа.
4.2. Семейство стандартов персонального радиодоступа ieee 802.15
Семейство стандартов IEEE 802.15 разрабатывают специальные группы IEEE 802 Standards Committee. Все они занимаются стандартами WPAN (Wireless personal Area Network). Работают следующие группы (task group):
Группа 1 – Bluetooth.
Группа 2 – группа взаимодействия с другими стандартами, действующими в нелицензированных диапазонах частот.
Группа 3 – Высокоскоростные стандарты персональной связи. (11 – 55 Мбит/с). Разработки основаны на использовании многополосных сигналов OFDM и прямой передачи в миллиметровом диапазоне волн (57 – 64 ГГц).
Группа 4 – Низкоскоростные стандарты WPAN. Аппаратура рассчитана на очень низкое потребление энергии. Этой группой созданы такие разные стандарты, как ZigBee, WirelessHART и прочие.
Группа 5 – Разработка Mesh сетей WPAN.
Группа 6 – Body Area Network.
Группа 7 – Персональная связь на частотах видимого диапазона ( VLC - Visible Light Communications).
4.3. Стандарт Bluetooth
Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth) – универсальный радиоинтерфейс, обеспечивающий связь на малых расстояниях нескольких электронных устройств. Используя Bluetooth, легко организовать временное соединение между компьютером и MS, между несколькими компьютерами, включая управляющие и исполнительные устройства.
Аппаратура Bluetooth работает в нелицензируемом диапазоне 2,4….2,483 ГГц, где выделено 79 каналов шириной 1 МГц. Каналы пронумерованы: k = 0….78, центральные частоты каналов определяют по формуле
fk = 2402 + k (МГц).
Сквозная скорость в радиотракте 1 Мбит/с. При передаче по радиоканалу используют Гауссову ЧММС. По мощности передатчиков устройства Bluetooth делят на 3 класса (табл. 4.1). В устройствах 1-го класса предусмотрена обязательная регулировка уровня мощности от 20 до 4 дБм. Чувствительность приемника не хуже -70 дБм.
Таблица 4.1
|
Класс мощности |
Максимальная выходная мощность |
Минимальная выходная мощность |
Дальность связи, м | ||
|
мВт |
дБм |
мВт |
дБм | ||
|
1 |
100 |
20 |
1 |
0 |
100 |
|
2 |
2,5 |
4 |
0,25 |
-6 |
10 |
|
3 |
1 |
0 |
- |
- |
1 |
Соединения и пикосети Bluetooth построены по иерархическому принципу. В каждой сети есть ведущее устройство – мастер, и одно или несколько ведомых (slave), рис. 4.5
Рис. 4.5. Пикосети с соединением точка-точка (a), точка-многоточие (б) и пример организации распределенной сети (в)
Интерфейс Bluetooth поддерживает 2 типа соединений:
синхронное, ориентированное на соединение, обозначаемое SCO (Synchronous Connection-Oriented),
асинхронное, не ориентированное на соединение, обозначаемое ACL (Asynchronous Connection-Less).
На рис. 4.6 приведен пример временных диаграмм при синхронном соединении. Характеристики синхронного соединения в Bluetooth приведены в табл. 4.2.
Рис. 4.6. Передача пакетов при синхронном соединении
Таблица 4.2
|
Тип пакета |
Информационная нагрузка в пакете, байт |
Rкода |
Макс. скорость в симм. канале, кбит/с |
|
HV1 |
10 |
1/3 |
64 |
|
HV2 |
20 |
2/3 |
64 |
|
HV3 |
30 |
1 |
64 |
|
EV3 |
1 - 30 |
1 |
96 |
|
EV4 |
1 - 120 |
2/3 |
192 |
|
EV5 |
1 - 180 |
1 |
288 |
Характеристики асинхронных соединений приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
|
Тип пакета |
Информ. нагрузка в пакете, байт |
Rкода |
Симм. макс. скорость, кбит/с |
Асимметр. макс. скорость, кбит/с | |
|
Прямой |
Обратный | ||||
|
DM1 |
0 - 17 |
2/3 |
108,8 |
108,8 |
108,8 |
|
DH1 |
0 - 27 |
1 |
172,8 |
172,8 |
172,8 |
|
DM3 |
0 - 121 |
2/3 |
258,1 |
387,2 |
54,4 |
|
DH3 |
0 - 183 |
1 |
390,4 |
585,6 |
86,4 |
|
DM5 |
0 - 224 |
2/3 |
286,7 |
477,8 |
36,3 |
|
DH5 |
0 - 339 |
1 |
433,9 |
723,2 |
57,6 |
Рис. 4.7. Передача пакетов при асинхронном соединении
Стандарт Bluetooth описан соответствующими спецификациями, начиная с версии 1.0 (1999г.) и кончая версией 4.0 (2010г.). В версии 2.0 (2004г) была увеличена скорость передачи за счет ввода многопозиционной модуляции 4-ОФМ и 8-ОФМ. Фактически скорость выросла в 3 раза, достигнув величины в 2,1 Мбит/с.
Bluetooth 2.1 (2007г.) – введена новая энергосберегающая технология Sniff Subrating, что увеличило время работы аккумуляторной батареи более, чем в 3 раза.
Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) (2009г.) – объединение двух радиосистем: 802.15.1 и 802.11, где можно передавать данные со скоростями до 24 МГц. Однако эта система несовместима с сетями 802.11b/g и 802.11n. Bluetooth 4.0 (2010) – стандарт, поддерживающий все прежние технологии, но обеспечивающий в низкоскоростных режимах очень низкое энергопотребление, что ориентирует его для использования в миниатюрных устройствах, датчиках и проч.
Программное обеспечение Bluetooth построено по модульному принципу и состоит из базового ПО и прикладного, которое определяют в виде профилей Bluetooth. К настоящему времени разработано более 20 профилей стандарта.