Бездротові мережі передачі даних. Бездротові персональні мережі (WPAN)-мережі, що використовуються для зв'язку різних пристроїв

Бездротові технології служать передачі інформації на відстань між двома і більше точками, не вимагаючи зв'язку їх проводами. Для передачі може використовуватися інфрачервоне випромінювання, радіохвилі, оптичне чи лазерне випромінювання.

В даний час існує безліч бездротових технологій, найчастіше відомих користувачам за їх маркетинговими назвами, такими як Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Кожна технологія має певні характеристики, які визначають її сферу застосування.

Існують різні підходи до класифікації бездротових технологій.

Класифікація за дальністю дії:

Бездротові персональні мережі WPAN (Wireless Personal Area Networks). До цих мереж належать Bluetooth.
Бездротові локальні мережі WLAN (Wireless Local Area Networks). До цих мереж належать мережі стандарту Wi-Fi.
Бездротові мережі масштабу WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Приклади технологій – WiMAX.

Класифікація по застосуваннюю:

Корпоративні (відомчі) бездротові мережі — створювані компаніями для потреб.
Операторські бездротові мережі - створювані операторами зв'язку для надання послуг.

Коротким, але ємним способом класифікації може бути одночасне відображення двох найбільш істотних характеристик бездротових технологій на двох осях: максимальна швидкість передачі інформації та максимальна відстань.

Короткий огляд найпопулярніших технологій бездротової передачі даних

Wi-Fi

Розроблений консорціумом Wi-Fi Alliance на базі стандартів IEEE 802.11, "Wi-Fi" - торгова марка "Wi-Fi Alliance". Назва технології – Wireless-Fidelity («бездротова точність») за аналогією з Hi-Fi.

На початку використання установка Wireless LAN рекомендувалася там, де розгортання кабельної системи було неможливим або економічно недоцільним. На даний момент у багатьох організаціях використовується Wi-Fi, тому що за певних умов швидкість роботи мережі вже перевищує 100 Мбіт/сек. Користувачі можуть переміщатися між точками доступу на території покриття мережі Wi-Fi.

Мобільні пристрої (КПК, смартфони, PSP і ноутбуки), оснащені клієнтськими Wi-Fi приймальними пристроями, можуть підключатися до локальної мережі і отримувати доступ в Інтернет через точки доступу або хот-споти.

Історія

Wi-Fi був створений в 1991 році NCR Corporation/AT&T (згодом - Lucent Technologies та Agere Systems) в Нівегейні, Нідерланди. Продукти, призначені спочатку для систем касового обслуговування, було виведено ринку під маркою WaveLAN і забезпечували швидкість передачі від 1 до 2 Мбіт/с. Автор Wi-Fi - Вік Хейз ( Vic Hayes) працював у команді, що брала участь у розробці стандартів IEEE 802.11b, IEEE_802.11a та IEEE_802.11g. Стандарт IEEE 802.11n було затверджено 11 вересня 2009 року. Його застосування дозволяє підвищити швидкість передачі даних практично вчетверо порівняно з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт/с) за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі до 480 Мбіт/с.

Bluetooth

Bluetooth – виробнича специфікація бездротових персональних мереж (англ. Wireless personal area network, WPAN).

Специфікація Bluetooth була розроблена групою Bluetooth Special Interest Group, заснованою в 1998 році. До неї увійшли компанії Ericsson, IBM, Intel, Toshiba та Nokia. Згодом Bluetooth SIG та IEEE досягли угоди, на основі якої специфікація Bluetooth стала частиною стандарту IEEE 802.15.1 (дата опублікування – 14 червня 2002 року). Роботи зі створення Bluetooth компанія Ericsson Mobile Communication розпочала у 1994 році. Спочатку ця технологія була пристосована під потреби системи FLYWAY у функціональному інтерфейсі між мандрівниками та системою.

Радіус дії Bluetooth може досягати 100 метрів.

WiMAX (англ. Worldwide I nteroperability for Microwave Access) - телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального бездротового зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій та портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Технологія розроблена на основі стандарту IEEE 802.16, який також називають Wireless MAN.

Область використання

WiMAX розроблено для вирішення наступних завдань:

· З'єднання точок доступу Wi-Fi один з одним та іншими сегментами Інтернету.

· Забезпечення бездротового широкосмугового доступу як альтернативи виділеним лініям та DSL.

· Надання високошвидкісних сервісів передачі даних та телекомунікаційних послуг.

Створення точок доступу, які не прив'язані до географічного розташування.

WiMAX дозволяє здійснювати доступ до Інтернету на високих швидкостях, з набагато більшим покриттям, ніж у Wi-Fi мереж. Це дозволяє використовувати технологію як «магістральні канали», продовженням яких виступають традиційні DSL-і виділені лінії, а також локальні мережі. В результаті подібний підхід дозволяє створювати масштабовані високошвидкісні мережі у межах цілих міст.

Специфікації стандартів WiMAX

IEEE 802.16-2004 (відомий також як 802.16d або фіксований WiMAX). Специфікацію затверджено у 2004 році. Підтримує фіксований доступ у зонах з наявністю або відсутністю прямої видимості. Пристрої користувача: стаціонарні модеми для установки поза та всередині приміщень, а також PCMCIA-карти для ноутбуків. У більшості країн під цю технологію відведено діапазони 3,5 та 5 ГГц. За даними WiMAX Forum, налічується вже близько 175 впроваджень фіксованої версії. Багато аналітиків бачать у ній конкуруючу або взаємодоповнюючу технологію дротового широкосмугового доступу DSL.

IEEE 802.16-2005 (відомий також як 802.16e та мобільний WiMAX). Специфікація затверджена в 2005 році та оптимізована для підтримки мобільних користувачів та підтримує ряд специфічних функцій, таких як хендовер(англ.), idle mode та роумінг. Заплановані частотні діапазони для мереж Mobile WiMAX такі: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. У світі реалізовано кілька пілотних проектів, у тому числі першим у Росії свою мережу розгорнув Скартел. Конкурентами 802.16e є всі мобільні технології третього покоління (наприклад, EV-DO, HSDPA).

Основна відмінність двох технологій полягає в тому, що фіксований WiMAX дозволяє обслуговувати лише "статичних" абонентів, а мобільний орієнтований на роботу з користувачами, що пересуваються зі швидкістю до 120 км/год. Мобільність означає наявність функцій роумінгу і безшовного перемикання між базовими станціями при пересуванні абонента (як відбувається в мережах стільникового зв'язку). В окремому випадку мобільний WiMAX може застосовуватися і для обслуговування фіксованих користувачів.

Бездротова передача даних, коли сигнали передаються через повітря або космос без будь-яких фізичних обмежень, стає популярною альтернативою фізичним каналам передачі, таким як кручена пара, коаксіальний або оптоволоконний кабель. В даний час загальні технології бездротової передачі даних об'єднують мікрохвильову передачу, комунікаційні супутники, пейджери, стільникові телефони, персональні комунікаційні служби (PCS), інтелектуальні телефони, персональні кишенькові комп'ютери (PDA) та мережі мобільних даних.

Засобом бездротової передачі є спектр електромагнітних хвиль, показаний на рис. 8.3. Деякі типи бездротової передачі, такі як мікрохвилі або інфрачервоні хвилі, займають специфічні спектральні діапазони частот, які вимірюються в мегагерцах (МГц). Інші типи бездротової передачі набули широкого поширення в даний час (наприклад, стільникові телефони або пейджингові пристрої), тому в цьому випадку виділяється специфічний діапазон частот, що надається національними регулюючими агенціями, який регулюється міжнародними угодами. Кожен діапазон частот має властиві йому переваги та недоліки, що полегшують вибір області його застосування.

Мікрохвильові системи,як наземні, і повітряні, передають високочастотні радіосигнали через атмосферу і широко використовуються передачі великих обсягів даних величезні відстані, з одного пункту на другий. Мікрохвильові сигнали передаються по прямій лінії та не здатні огинати кривизну Землі; тому наземні системи передачі на далекі відстані вимагають, щоб станції передачі були розташовані на відстані від 25 до 30 миль один від одного, що призводить до їхнього подорожчання.

Ця проблема може бути вирішена шляхом відображення мікрохвильових сигналів від супутників, які є ретрансляційними станціями для мікрохвильових сигналів, що передаються від наземних станцій. Комунікаційні супутники ефективні (забезпечують мінімальні витрати) під час передачі великої кількості інформації на надвеликі відстані. Супутники зазвичай використовуються для здійснення комунікацій серед великих, географічно розкиданих організаціях, коли утруднений зв'язок за допомогою кабельних систем або наземних мікрохвильових станцій. Наприклад, компанія Amoco використовує супутники передачі даних, що містять результати розвідки нафтових покладів на океанському шельфі, в режимі реального часу. Дослідницькі кораблі передають зібрані дані, використовуючи геосинхронні (геостаціонарні) супутники, в центральні комп'ютерні центри в США з метою їх дальності.

найширшого використання дослідниками у Х'юстоні, Тулзі та передмістях Чикаго. На рис. 8.4 ілюструються принципи роботи цієї системи.

Звичайні комунікаційні супутники обертаються стаціонарними орбітами на відстані приблизно 22 тис. миль від поверхні Землі. Останнім часом запускаються нові супутникові системи, звані низкоорбитальные супутники. Ці супутники знаходяться значно ближче до Землі та здатні вловлювати сигнали від малопотужних передавачів. Ці супутники також споживають менше енергії, які запуск обходиться дешевше, ніж у випадку з геостаціонарними супутниками. З такими бездротовими мережами ділові люди зможуть подорожувати всюди світом і мати доступ до багатих комунікаційних можливостей, включаючи відеоконференції та доступ до Інтернету.

Інші бездротові передавальні технології використовуються в ситуаціях, що вимагають віддаленого доступу до корпоративних систем та мобільних обчислювальних потужностей. Пейджингові системи застосовуються кілька десятиліть, спочатку лише подаючи звуковий сигнал, коли користувач, отримуючи повідомлення, повинен був передзвонити в офіс, щоб дізнатися про зміст самого

Microwave (мікрохвилі/радіохвилі)

Передача великих обсягів інформації на далекі відстані з пункту в пункт передачею через атмосферу радіосигналів високої частоти від однієї наземної станції до іншої.

Satellite (супутниковий канал)

Передача даних з використанням орбітальних супутників, які служать як ретрансляційні станції передачі мікрохвильових сигналів на дуже великі відстані.

Paging system (пейджингова система)

Бездротова передавальна технологія, що передбачає прийом пейджерами радіосигналів, що супроводжується відповідним звуком у момент отримання повідомлення; використовується для передачі коротких алфавітно-числових повідомлень.

повідомлення. В даний час пейджингові пристрої можуть надсилати та отримувати короткі алфавітно-числові повідомлення, які користувач читає на екрані пейджера. Пейджинг корисний для сполучення з рухомими робітниками, такими як ремонтні бригади; односторонній пейджинг також може забезпечити недорогий спосіб сполучення з працівниками в офісах. Наприклад, Computer Associatesпоширює двосторонні пейджери, забезпечені керуючими програмами СА Unicenter, які дозволяють операторам комп'ютерних мереж контролювати ситуацію, а також оперативно реагувати на проблеми, що виникають.

Стільникові телефонифункціонують шляхом передачі/прийому радіохвиль для сполучення з базовими станціями, розташованими всередині суміжних географічних територій, що називаються сотами. Телефонний сигнал передається локальній соті, потім він передається від станції до станції (від стільника до соті), поки не досягне цільової стільники, після чого передається телефону, що отримує. У міру того як стільниковий сигнал переміщається від однієї стільники до іншої, комп'ютер, кото-

Cellular telephone (стільниковий телефон)

Personal communication services (PCS) (персональні комунікаційні послуги)

Цифрова стільникова технологія, яка використовує радіохвилі нижчої потужності, вищої частоти, ніж аналогова стільникова технологія.

Smart phone (інтелектуальний телефон)

Бездротовий телефон, який пропонує можливості голосового та текстового зв'язку, а також підключення до Інтернету.

рий контролює сигнали від сот, виділяє радіоканал, призначений наступній соті. Розмір шестикутних сот зазвичай досягає восьми миль, хоча він може зменшуватися в густонаселених місцевостях.

Старіші стільникові системи є аналоговими, а новіші стільникові системи - цифрові. Персональні комунікаційні служби (PCS) є популярним типом цифрової послуги. Служба PCS має повністю цифровий характер. З її допомогою забезпечується передача мови та даних, а також використовується більш частотний діапазон, ніж у випадку з аналоговими стільниковими телефонами. Стільники PCS значно менші за розміром і ближче розташовані, ніж аналогові стільники, і можуть передавати більший обсяг трафіку. На додаток до мовних комунікацій нові моделі цифрових стільникових телефонів можуть обробляти голосову пошту, електронну пошту і факси; зберігати адреси; забезпечувати доступ до приватних корпоративних мереж, а також до Інтернету. Ці інтелектуальні телефони оснащені web-браузерами, завдяки чому забезпечується доступ до web-сторінок, що містять текст або іншу інформацію (без графіки), що зручно у разі пристроїв, які мають невеликі за розміром екрани. Деякі моделі інтелектуальних телефонів мають великі екрани, а також додаткові клавіатури, що полегшує доступ до Інтернету. У гол. 9 докладно розглядається застосування цих пристроїв для бездротового доступу до Інтернету.

Кишенькові комп'ютери (PDA) є невеликими, забезпеченими сенсорними екранами, портативними комп'ютерами, що забезпечують можливість цифрової передачі даних. Пристрої PDA мають інтегровані бездротові телекомунікаційні здібності, також програмне забезпечення органайзера. Добре відомим прикладом є органайзер Palm VII, що підключається. Цей пристрій дає змогу обмінюватись повідомленнями електронної пошти, а також забезпечує доступ до Інтернету. Також підтримуються такі програми, як електронний планувальник, адресна книга та фінансовий організатор. Пристрій може приймати дані, введені за допомогою пера, що ведеться по сенсорному екрані. В «Організаційному вікні» описано діяльність організації Safeway U. К., яка використовує PDA у додатку електронної комерції для здійснення покупок у гастрономі.

Personal digital assistants (PDA) (кишенькові комп'ютери)

Маленькі, забезпечені сенсорними екранами, портативні комп'ютери, що мають вбудовані цифрові телекомунікаційні можливості.

Mobile data networks (мережі мобільних даних)

Бездротові мережі, які здійснюють двосторонню передачу файлів даних дешево та ефективно.

Бездротові мережі, спеціально спроектовані для двосторонньої передачі файлів даних, називаються мобільними мережами даних.Ці базовані на радіохвилях мережі передають дані, що генеруються портативними комп'ютерами. Інший тип мережі мобільних даних заснований на серіях передавачів, побудованих спеціально для передачі тексту та даних. Мережа Ardis(який володіє American Mobile Satellite Corp.)є загальнодоступною мережею, яка використовує описані можливості для організації двосторонньої передачі в національному масштабі. Компанія Otis Elevatorsвикористовує мережу Ardisдля управління переміщеннями фахівців з технічного обслуговування в межах усієї країни, перебуваючи в офісі, розташованому в штаті Коннектикут. Фахівці застосовують цю мережу для надсилання складених звітів.

Бездротові мережі та передавальні пристрої дорожчі, повільні та схильні до помилок, ніж звичайні локальні мережі (Varshney and Vetter, 2000). Однак основні цифрові мережі постійно підвищують швидкість передачі даних (гл. 9). (Власники супутникових систем, таких як Teledesic, витрачають мільярди на забезпечення величезних швидкостей передачі великих обсягів даних бездротовими мережами, пов'язаними з мультимедійними додатками.) Забезпечення оптимальної пропускної спроможності та енергоспоживання в бездротових пристроях вимагає уважного управління з точки зору як технічного, так і програмного забезпечення (Imielinski and Badrinath, 1994). Внаслідок того, що радіосигнал може бути легко перехоплений, утруднюється забезпечення безпеки та секретності (гл. 14),

Дані не можуть бути передані у цілісному вигляді між різними бездротовими мережами, якщо вони використовують несумісні стандарти. Наприклад, цифрова стільникова служба в Сполучених Штатах підтримується різними операторами, які використовують одну з кількох конкуруючих цифрових стільникових технологій (CDMA, GSM 1900 та TDMA IS-136), які несумісні одна з одною. Багато цифрових стільникових портативних приймачів, які використовують одну з цих технологій, не можуть діяти в країнах за межами Північної Америки, вони функціонують на різних частотах з різними наборами стандартів. Детальний розгляд цих стандартів, а також інших мережевих стандартів провадиться в гол. 9.

У статті розглядаються три технології бездротової передачі даних, назви яких, що називається, у всіх на слуху: ZigBee, BlueTooth та Wi-Fi, а також наводяться можливі області їх використання та рекомендації щодо вибору технології для конкретного завдання.

Технологія бездротової передачі даних BlueTooth

Технологія BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала першою технологією, що дозволяє організувати бездротову персональну мережу даних (WPAN - Wireless Personal Network). Вона дозволяє здійснювати передачу даних та голоси по радіоканалу на невеликі відстані (10–100 м) у діапазоні частот, що не ліцензується, 2,4 ГГц і з'єднувати ПК, мобільні телефони та інші пристрої за відсутності прямої видимості.

Своєму народженню BlueTooth зобов'язана фірмі Ericsson, яка у 1994 році розпочала розробку нової технології зв'язку. Спочатку основною метою була розробка радіоінтерфейсу з низьким рівнем енергоспоживання та невисокою вартістю, який дозволяв би встановлювати зв'язок між стільниковими телефонами та бездротовими гарнітурами. Однак згодом роботи з розробки радіоінтерфейсу плавно переросли у створення нової технології.

На телекомунікаційному ринку, а також на ринку комп'ютерних засобів успіх нової технології забезпечують провідні фірми-виробники, які приймають рішення щодо доцільності та економічної вигоди від інтеграції нової технології у свої нові розробки. Тому, щоб забезпечити своєму дітищу гідний майбутній та подальший розвиток, у 1998 році фірма Ericsson організувала консорціум BlueTooth SIG (Spesial Interest Group), перед яким ставилися такі завдання:

подальша розробка технології BlueTooth;
просування нової технології над ринком телекомунікаційних коштів.

До консорціуму BlueTooth SIG входять такі фірми, як Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor.

Логічно було б припустити, що перші кроки, що здійснюються консорціумом BlueTooth SIG, полягатимуть у стандартизації нової технології з метою сумісності BlueTooth-пристроїв, розроблених різними фірмами. Це було реалізовано. Для цього були розроблені специфікації, що детально описують методи використання нового стандарту та характеристики протоколів передачі даних.

В результаті було розроблено стек протоколу бездротової передачі даних BlueTooth (рис. 1).

Рис. 1. Стек протоколу Bluetooth

Технологія BlueTooth підтримує як з'єднання типу «крапка-крапка», так і «крапка-багатоточок». Два або більше використовують один і той самий канал пристрою утворюють пикосеть (piconet). Один із пристроїв працює як основне (master), а решта - як підлеглі (slave). В одній пікосеті може бути до семи активних підлеглих пристроїв, при цьому інші підлеглі пристрої перебувають у стані паркування, залишаючись синхронізованими з основним пристроєм. Взаємодіючі пікосети утворюють «розподілену мережу» (scatternet).

У кожній пікосеті діє лише один основний пристрій, однак підпорядковані пристрої можуть входити до різних пікосетів. Крім того, основний пристрій однієї пікосети може бути підлеглим до іншого (рис. 2).

Рис. 2. Пікосеть з підлеглими пристроями. а) з одним підлеглим пристроєм. б) декількома. в) розподілена мережа

З моменту появи на ринку перших модулів BlueTooth їх широкому застосуванню в нових програмах перешкоджала складна програмна реалізація стеку протоколу BlueTooth. Розробнику необхідно було самостійно реалізувати управління BlueTooth-модулем і розробити профілі, що визначають взаємодію модуля з іншими BlueTooth-пристроями за допомогою команд інтерфейсу хост-контролера (HCI - Host Controller Interface). Інтерес до технології BlueTooth зростав з кожним днем, з'являлися все нові і нові фірми, що розробляють для неї компоненти, але не було рішення, яке значною мірою спростило б управління BlueTooth-модулями. І таке рішення було знайдено. Фінська фірма, вивчивши ситуацію на ринку, однією з перших запропонувала розробникам наступне рішення.

У більшості випадків технологія BlueTooth використовується розробниками для заміни провідного послідовного з'єднання між двома пристроями бездротовим. Для організації з'єднання та виконання передачі даних розробнику необхідно програмно, за допомогою команд інтерфейсу хост-контролера реалізувати верхні рівні стеку протоколу BlueTooth, до яких відносять: L2CAP, RFCOMM, SDP, а також профіль взаємодії по послідовному порту – SPP (Serial Port Profi le) та профіль виявлення послуг SDP (Service Discovery Profi le). На цьому і вирішила зіграти фінська фірма, розробивши варіант прошивки BlueTooth-модулів, що представляє закінчену програмну реалізацію всього стеку протоколу BlueTooth (рис. 1), а також профілів SPP та SDP. Це рішення дає можливість розробнику здійснювати управління модулем, встановлювати бездротове послідовне з'єднання та виконувати передачу даних за допомогою спеціальних символьних команд, так само, як це робиться під час роботи зі звичайними модемами через стандартні AT-команди.

На перший погляд, розглянуте вище рішення дозволяє істотно скоротити час інтеграції технології BlueTooth у вироби, що знову розробляються. Однак це накладає певні обмеження використання можливостей технології BlueTooth. В основному це позначається на зменшенні максимальної пропускної здатності та кількості одночасних асинхронних з'єднань, що підтримуються BlueTooth-модулем.

У середині 2004 року на зміну специфікації BlueTooth версії 1.1, яка була опублікована у 2001 році, прийнято специфікацію BlueTooth версії 1.2. До основних відмінностей специфікації 1.2 від 1.1 відносять:

Реалізація технології адаптивної перебудови частот каналу (Adaptive Friquency hopping, AFH).
Удосконалення голосового з'єднання.
Скорочення часу, затрачуваного встановлення з'єднання між двома модулями BlueTooth.

Відомо, що BlueTooth і Wi-Fi використовують один і той же неліцензійний діапазон 2,4 ГГц. Отже, у тих випадках, коли BlueTooth-пристрої знаходяться в зоні дії пристроїв Wi-Fi та здійснюють обмін даними між собою, це може призвести до колізій та вплинути на працездатність пристроїв. Технологія AFH дозволяє уникнути появи колізій: під час обміну інформацією для боротьби з інтерференцією технологія BlueTooth використовує стрибкоподібну перебудову частоти каналу, при виборі якого не враховуються частотні канали, на яких обмінюються даними пристрою Wi-Fi. На рис. 3 проілюстровано принцип дії технології AFH.

Рис. 3. Принцип дії технології AFH. а) колізії б) ухиляння від колізій за допомогою адаптивної перебудови частоти каналу

Розвиток технології BlueTooth не стоїть дома. Консорціумом SIG розроблено концепцію розвитку технології до 2008 року (рис. 4).

Рис. 4. Етапи розвитку технології Bluetooth

В даний час на ринку працює велика кількість фірм, що пропонують модулі BlueTooth, а також компоненти самостійної реалізації апаратної частини BlueTooth-пристрою. Практично всі виробники пропонують модулі, що підтримують специфікації BlueTooth версії 1.1 та 1.2 та відповідні класу 2 (діапазон дії 10 м) та класу 1 (діапазон дії 100 м). Однак, незважаючи на те, що версія 1.1 повністю сумісна з 1.2, усі розглянуті вище удосконалення, реалізовані у версії 1.2, можуть бути отримані тільки якщо обидва пристрої відповідають версії 1.2.

У листопаді 2004 року було прийнято специфікацію BlueTooth версії 2.0, що підтримує технологію розширеної передачі даних (Enhanced Data Rate, EDR). Специфікація 2.0 за допомогою EDR дозволяє здійснювати обмін даними на швидкості до 3 Мбіт/с. Перші серійно виготовлені зразки модулів, що відповідають версії 2.0 та підтримують технологію розширеної передачі даних EDR, були запропоновані виробниками наприкінці 2005 року. Радіус дії таких модулів становить 10 м за відсутності прямої видимості, що відповідає класу 2, а за наявності прямої видимості може досягати 30 м.

Як зазначалося раніше, основне призначення технології BlueTooth - заміна провідного послідовного з'єднання. При цьому профіль SPP, який використовується для організації з'єднання, звичайно ж, не єдиний профіль, який розробники можуть використовувати у виробах. Технологією BlueTooth визначені такі профілі: профіль загального доступу (Generic Access Profile), профіль виявлення послуг (Service Discovery Profile), профіль взаємодії з бездротовими телефонами (Cordless Telephony Profile), профіль інтеркому (Intercom Profile), профіль бездротових гарнітур для мобільних телефонів (Headset) Profile), профіль віддаленого доступу (Dial-up Networking Profile), профіль факсимільного зв'язку (Fax Profile), профіль локальної мережі (Lan Access Profile), профіль обміну даними (Generic Object Exchange), профіль передачі даних (Profile Object Push Profile), профіль обміну файлами (File Transfer Profile), профіль синхронізації (Synchronization Profile).

Технологія бездротової передачі даних Wi-Fi

З Wi-Fi склалася трохи заплутана ситуація, тому для початку визначимося з термінологією.

Стандарт IEEE 802.11 є базовим стандартом для побудови бездротових локальних мереж (Wireless Local Network – WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постійно вдосконалювався, і в даний час існує ціла родина, до якої відносять специфікації IEEE 802.11 з буквеними індексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o , p, q, r, s, u, v, w. Однак тільки чотири з них (а, b, g та i) є основними і користуються найбільшою популярністю у виробників обладнання, інші ж (с-f, h-n) є доповненням, удосконаленням або виправленням прийнятих специфікацій.

У свою чергу, Інститут інженерів з електроніки та електротехніки (IEEE) тільки розробляє та приймає специфікації, на перераховані вище стандарти. До його обов'язків не входять роботи з тестування обладнання різних виробників на сумісність.

Для просування на ринку обладнання для бездротових локальних мереж (WLAN) була створена група, яка отримала назву Альянс Wi-Fi. Цей альянс здійснює керівництво роботами з сертифікації обладнання різних виробників та надання дозволу на використання членами Альянсу Wi-Fi логотипу торгової марки Wi-Fi. Наявність на обладнанні логотипу Wi-Fi гарантує надійну роботу та сумісність обладнання при побудові бездротової локальної мережі (WLAN) на обладнанні різних виробників. В даний час Wi-Fi-сумісним є обладнання, побудоване за стандартом IEEE 802.11a, b і g (може використовувати стандарт IEEE 802.11i для забезпечення захищеного з'єднання). Крім того, наявність на обладнанні логотипу Wi-Fi означає, що робота обладнання здійснюється в діапазоні 2,4 ГГц або 5 ГГц. Отже, під Wi-Fi слід розуміти сумісність обладнання різних виробників, призначеного для побудови бездротових локальних мереж, з урахуванням наведених вище обмежень.

Початкова специфікація стандарту IEEE 802.11, прийнята в 1997 році, встановлювала передачу даних на швидкості 1 і 2 Мбіт/с в неліцензійному діапазоні частот 2,4 ГГц, а також спосіб управління доступом до фізичного середовища (радіоканалу), який використовує метод множинного несучою та усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Метод CSMA-CA ось у чому. Для визначення стану каналу (зайнятий або вільний) використовується алгоритм оцінки рівня сигналу в каналі, відповідно до якого виконується вимірювання потужності сигналів на вході приймача та якість сигналу. Якщо потужність прийнятих сигналів на вході приймача нижче порогового значення, то канал вважається вільним, якщо їх потужність вище порогового значення, то канал вважається зайнятим.

Після ухвалення специфікації стандарту IEEE 802.11 кілька виробників представили на ринку своє обладнання. Однак обладнання стандарту IEEE 802.11 не набуло широкого поширення внаслідок того, що специфікації стандарту не були однозначно визначені правила взаємодії рівнів стека протоколу. Тому кожен виробник представив свою версію реалізації стандарту IEEE 802.11, не сумісну з іншими.

Для виправлення ситуації, що склалася в 1999 році, IEEE приймає перше доповнення до специфікації стандарту IEEE 802.11 під назвою IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b став першим стандартом побудови бездротових локальних мереж, що набуло широкого поширення. Максимальна швидкість передачі у ньому становить 11 Мбіт/с. Таку швидкість розробникам стандарту вдалося отримати за рахунок використання методу кодування послідовністю додаткових кодів (Complementary Code Keying). Для управління доступом до радіоканалу використовується той самий метод, що й у початковій специфікації стандарту IEEE 802.11 – CSMA-CA. Наведене вище значення максимальної швидкості передачі даних, звичайно, є теоретичним значенням, так як для доступу до радіоканалу використовується метод CSMACA, що не гарантує наявності вільного каналу в будь-який момент часу. Тому на практиці при передачі даних протоколу TCP/IP максимальна пропускна здатність складе близько 5,9 Мбіт/с, а при використанні протоколу UDP - близько 7,1 Мбіт/с.

У разі погіршення електромагнітної обстановки обладнання автоматично знижує швидкість передачі спочатку до 5,5 Мбіт/с, потім до 2 Мбіт/с, використовуючи для цього метод адаптивного вибору швидкості (Adaptive Rate Selection, ARS). Зниження швидкості дозволяє використовувати більш прості і менш надлишкові методи кодування, чому сигнали, що передаються, стають менш схильними до згасання і спотворень внаслідок інтерференції. Завдяки методу адаптивного вибору швидкості обладнання стандарту IEEE 802.11b може здійснювати обмін даними в різних електромагнітних умовах.

Наступним стандартом, що поповнив сімейство стандарту IEEE 802.11, є стандарт IEEE 802.11a, специфікація якого була прийнята IEEE 1999 року. Основна відмінність специфікації стандарту IEEE 802.11a від початкової специфікації стандарту IEEE 802.11 полягає в наступному:

передача даних здійснюється в діапазоні частот, що не ліцензується, 5 ГГц;
використовується ортогональна частотна модуляція (OFDM);
максимальна швидкість передачі становить 54 Мбіт/с (реальна швидкість - близько 20 Мбіт/с).

Так само, як у стандарті 802.11b, 802.11a реалізований метод вибору адаптивної швидкості (ARS), що знижує швидкість передачі даних в наступній послідовності: 48, 36, 24, 18, 12, 9 і 6 Мбіт/с. Передача інформації здійснюється за одним із 12 каналів, виділених у діапазоні 5 ГГц.

Використання діапазону 5 ГГц при розробці специфікації 802.11a обумовлено насамперед тим, що даний діапазон менш завантажений, ніж діапазон 2,4 ГГц, а отже, сигнали, що передаються в ньому, менш схильні до впливу інтерференції. Безперечно, цей факт є перевагою, але в той же час використання діапазону 5 ГГц призводить до того, що надійна робота обладнання стандарту IEEE 802.11a забезпечується лише на прямій видимості. Тому при побудові бездротової мережі потрібно встановити більшу кількість точок доступу, що, в свою чергу, впливає на вартість розгортання бездротової мережі. Крім того, сигнали, що передаються в діапазоні 5 ГГц, більш схильні до поглинання (потужність випромінювання обладнання IEEE 802.11b і 802.11a одна і та ж).

Перші зразки обладнання стандарту IEEE 802.11a були представлені на ринку у 2001 році. Слід зазначити, що обладнання, яке підтримує лише стандарт IEEE 802.11a, не мало великого попиту на ринку з кількох причин. По-перше, на той момент обладнання стандарту IEEE 802.11b вже зарекомендувало себе на ринку, по-друге, всі наголошували на недоліках використання діапазону 5 ГГц і, по-третє, обладнання стандарту IEEE 802.11a не сумісне з IEEE 802.11b. Однак згодом виробники для просування IEEE 802.11a запропонували пристрої, що підтримують обидва стандарти, а також обладнання, що дозволяє адаптуватися в мережах, побудованих на устаткуванні стандарту IEEE 802.11b, 802.11а, 802.11g.

У 2003 році було прийнято специфікацію стандарту IEEE 802.11g, що встановлює передачу даних у діапазоні 2,4 ГГц зі швидкістю 54 Мбіт/с (реальна швидкість становить близько 24,7 Мбіт/с). Для керування доступом до радіоканалу використовується той самий метод, що й у початковій специфікації стандарту IEEE 802.11 - CSMACA, а також ортогональна частотна модуляція (OFDM).

Устаткування стандарту IEEE 802.11g повністю сумісне з 802.11b, однак, через вплив інтерференції, в більшості випадків реальна швидкість передачі даних 802.11g можна порівняти зі швидкістю, що забезпечується обладнанням стандарту 802.11b. Тому єдиним правильним рішенням для потенційних користувачів бездротових локальних мереж є покупка обладнання, що підтримує одразу три стандарти: 802.11a, b та g.

Wi-Fi-сумісне обладнання у більшості розробників асоціюється насамперед із організацією точок доступу для виходу в Інтернет та з абонентським обладнанням. Слід зазначити, що й індустрія вбудованих систем не оминула своєю увагою стандарти IEEE 802.11a, b та g. Вже зараз на цьому сегменті ринку є пропозиції, що дозволяють зробити будь-який пристрій Wi-Fi-сумісним. Йдеться про ОЕМ-модулі стандарту IEEE 802.11b, до складу яких входять: приймач, процесор обробки додатків та виконання ПЗ. Таким чином, ці модулі є повністю закінченим рішенням, що дозволяє істотно скоротити час і вартість реалізації Wi-Fi-сумісності виробу, що розробляється. В основному ОЕМ-модулі стандарту IEEE 802.11b інтегруються у вироби для віддаленого моніторингу та керування через Інтернет. Для підключення OEM-модуля стандарту IEEE 802.11b до виробу використовується послідовний інтерфейс RS-232, а управління модулем виконується AT-командами. Максимальна відстань між OEM модулем стандарту IEEE 802.11b та точкою доступу при використанні спеціальної виносної антени може становити до 500 м. У приміщення максимальна відстань не перевищує 100 м, а за наявності прямої видимості збільшується до 300 м. Істотним недоліком таких ОЕМ-модулів висока вартість.

У таблиці 1 наведено основні технічні характеристики стандартів IEEE 802.11a, b та g.

Таблиця 1. Основні технічні характеристики стандартів IEEE 802.11a, b та g

Технологія бездротової передачі даних ZigBee

Технологія бездротової передачі даних ZigBee була представлена на ринку після появи технологій бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi. Поява технології ZigBee обумовлено, перш за все, тим, що для деяких додатків (наприклад, для віддаленого керування освітленням або гаражними воротами, або зчитування інформації з датчиків) основними критеріями при виборі технології бездротової передачі є енергоспоживання апаратної частини та її низька вартість. З цього випливає мінімальна пропускна здатність, тому що в більшості випадків електроживлення датчиків здійснюється від вбудованої батареї, час роботи від якої має перевищувати кілька місяців і навіть років. Інакше щомісячна заміна батареї для датчика відчинення-зачинення гаражних воріт кардинально змінить ставлення користувача до бездротових технологій. Існуючі на той час технології бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi не відповідали цим критеріям, забезпечуючи передачу даних на високих швидкостях, з високим рівнем енергоспоживання та вартості апаратної частини. У 2001 році робочою групою № 4 IEEE 802.15 було розпочато роботи зі створення нового стандарту, який би відповідав наступним вимогам:

дуже мале енергоспоживання апаратної частини, що реалізує технологію бездротової передачі даних (час роботи від батареї має становити від кількох місяців до кількох років);
передача інформації має здійснюватися на невисокій швидкості;
низька вартість апаратної частини.

Результатом стала розробка стандарту IEEE 802.15.4. Багато публікаціях під стандартом IEEE 802.15.4 розуміють технологію ZigBee і навпаки під ZigBee - стандарт IEEE 802.15.4. Однак, це не так. На рис. 5 наведена модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee та кінцевого користувача.

Рис. 5. Модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee та кінцевого користувача

Стандарт IEEE 802.15.4 визначає взаємодію лише двох нижчих рівнів моделі взаємодії: фізичного рівня (PHY) та рівня управління доступом до радіоканалу для трьох діапазонів частот, що не ліцензуються: 2,4 ГГц, 868 МГц і 915 МГц. У таблиці 2 наведено основні характеристики обладнання, що функціонує в діапазонах частот.

Таблиця 2. Основні характеристики обладнання

Рівень MAC відповідає за керування доступом до радіоканалу з використанням методу множинного доступу з розпізнаванням несучої та усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а також за керування підключенням та відключенням від мережі передачі даних та забезпечення захисту інформації, що передається, симетричним. ключем (AES-128).

У свою чергу, технологія бездротової передачі даних ZigBee, запропонована альянсом ZigBee, визначає інші рівні моделі взаємодії, до яких відносять рівень мережі, рівень безпеки, рівень структури програми та рівень профілю програми. Мережевий рівень технології бездротової передачі даних ZigBee відповідає за виявлення пристроїв і конфігурацію мережі і підтримує три варіанти топології мережі, наведені на рис. 6.

Рис. 6. Три варіанти топології мережі

Для забезпечення низької вартості інтеграції технології бездротової передачі ZigBee у різні програми фізична реалізація апаратної частини стандарту IEEE 802.15.4 виконується у двох виконаннях: пристрої з обмеженим набором функції (RFD) та повністю функціональні пристрої (FFD). За реалізації однієї з топологій мережі, наведеної на рис. 6, потрібна наявність принаймні одного FFD-пристрою, що виконує роль мережевого координатора. У таблиці 3 наведено перелік функцій, що виконуються пристроями FFD та RFD.

Таблиця 3. Перелік функцій, що виконуються пристроями FFD та RFD

Низька вартість апаратної частини RFD-пристроїв забезпечується з допомогою обмеження набору функцій з організацією взаємодії з мережевим координатором чи FFD-устройством. Це, у свою чергу, відбивається на неповній реалізації моделі взаємодії, наведеної на рис. 5, а також висуває мінімальні вимоги до ресурсів пам'яті.

Окрім поділу пристроїв на RFD та FFD, альянсом ZigBee визначено три типи логічних пристроїв: ZigBee-координатор (що погоджує пристрій), ZigBee-маршрутизатор та кінцевий пристрій ZigBee. Координатор здійснює ініціалізацію мережі, управління вузлами, а також зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, підключеного до мережі. ZigBee-маршрутизатор відповідає за маршрутизацію повідомлень, що передаються мережею від одного вузла до іншого. Під кінцевим пристроєм розуміють будь-який кінцевий пристрій, підключений до мережі. Розглянуті вище пристрої RFD і FFD таки є кінцевими пристроями. Тип логічного пристрою під час побудови мережі визначає кінцевий користувач за допомогою вибору певного профілю (рис. 5), запропонованого альянсом ZigBee. При побудові мережі з топологією «кожний з кожним» передача повідомлень від одного вузла мережі до іншого може здійснюватися за різними маршрутами, що дозволяє будувати розподілені мережі (що об'єднують кілька невеликих мереж в одну велику – кластерне дерево) із встановленням одного вузла від іншого на досить великому відстані та забезпечити надійну доставку повідомлень.

Трафік, що передається по мережі ZigBee, зазвичай поділяють на періодичний, уривчастий і повторюваний (що характеризується невеликим часовим інтервалом між посилками інформаційних повідомлень).

Періодичний трафік характерний для додатків, де необхідно дистанційно отримувати інформацію, наприклад від бездротових сенсорних датчиків або лічильників. У таких програмах отримання інформації від датчиків або лічильників здійснюється наступним чином. Як уже згадувалося раніше, будь-який кінцевий пристрій, в якості якого в даному прикладі виступає бездротовий датчик, переважну частину роботи має перебувати в режимі «засинання», забезпечуючи тим самим дуже низьке енергоспоживання. Для передачі інформації кінцевий пристрій у певні моменти часу виходить з режиму «засипання» і виконує пошук у радіоефірі спеціального сигналу (маяка), що передається пристроєм управління мережею (ZigBee-координатором або ZigBee-маршрутизатором), до якої приєднаний бездротовий лічильник. За наявності радіоефіру спеціального сигналу (маяка) кінцевий пристрій здійснює передачу інформації пристрою управління мережею і відразу ж переходить в режим «засипання» до наступного сеансу зв'язку.

Уривчастий трафік властивий, наприклад, для пристроїв дистанційного керування освітленням. Уявімо ситуацію, коли необхідно при спрацьовуванні датчика руху, встановленого біля вхідних дверей, передати команду на включення освітлення у передпокої. Передача команди у разі здійснюється так. При отриманні пристроєм керування мережею сигналу про спрацювання датчика руху він видає команду кінцевого пристрою (бездротового вимикача) підключитися до бездротової мережі ZigBee. Потім встановлюється з'єднання з кінцевим пристроєм (бездротовим вимикачем) і виконується передача інформаційного повідомлення, що містить команду включення освітлення. Після прийому команди з'єднання розривається та виконується відключення бездротового вимикача від мережі ZigBee.

Підключення та відключення кінцевого пристрою до мережі ZigBee тільки у необхідні для цього моменти дозволяє істотно збільшити час перебування кінцевого пристрою в режимі «засинання», забезпечуючи мінімальне енергоспоживання. Метод використання спеціального сигналу (маяка) є набагато енергоємнішим.

У деяких додатках, наприклад, охоронних системах, передача інформації про спрацювання датчиків повинна здійснюватися практично миттєво і без затримок. Але треба враховувати той факт, що в певний момент часу можуть «спрацювати» відразу кілька датчиків, генеруючи в мережі так званий трафік, що повторюється. Імовірність цієї події невелика, але не враховувати її в охоронних системах неприпустимо. У бездротовій мережі ZigBee для повідомлень, що передаються в бездротову мережу при спрацьовуванні одразу кількох охоронних датчиків (кінцевих пристроїв), передбачена передача даних від кожного датчика спеціально виділеному тимчасовому слоті. У технології ZigBee тимчасовий слот, що спеціально виділяється, називають гарантованим тимчасовим слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наявність у технології ZigBee можливості надавати гарантований тимчасовий слот для передачі невідкладних повідомлень дозволяє говорити про реалізацію у ZigBee методу QoS (якість обслуговування). Виділення гарантованого тимчасового слота передачі невідкладних повідомлень здійснюється мережевим координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

При розробці апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee, що реалізує модель взаємодії, практично всі виробники дотримуються концепції, відповідно до якої вся апаратна частина розміщується на одному чипі. На рис. 7 наведено концепцію виконання апаратної частини технології бездротової передачі даних ZigBee.

Рис. 7. Концепція виконання апаратної частини технології бездротової передачі ZigBee

Для побудови бездротової мережі (наприклад, мережа з топологією «зірка») на основі технології ZigBee розробнику необхідно придбати, принаймні, один мережевий координатор і необхідну кількість кінцевих пристроїв. При плануванні мережі слід враховувати, що максимальна кількість активних кінцевих пристроїв, приєднаних до мережного координатора, не повинна перевищувати 240. Крім того, необхідно придбати у виробника ZigBee-чіпів програмні засоби для розробки, конфігурування мережі та створення програм та профілів. Майже всі виробники ZigBee-чіпів пропонують на ринку цілу лінійку продукції, що відрізняється, зазвичай, тільки обсягом пам'яті ROM і RAM. Наприклад, чіп з 128 Кбайт ROM і 8 Кбайт RAM може бути запрограмований на роботу як координатор, маршрутизатор і кінцевий пристрій.

Висока вартість налагоджувального комплекту, до складу якого входить набір програмних та апаратних засобів для побудови бездротових мереж ZigBee будь-якої складності, є одним із факторів масового поширення технології ZigBee на ринку Росії. Необхідно відзначити, що поява технології бездротової передачі ZigBee стала певною відповіддю на потреби ринку створення інтелектуальних систем управління приватними будинками та будинками, попит на які з кожним роком зростає. Вже в найближчому майбутньому приватні будинки та будівлі будуть оснащені величезною кількістю бездротових мережних вузлів, які здійснюють моніторинг та управління системами життєзабезпечення будинку. Інсталяція даних систем може бути виконана в будь-який час і за короткі терміни, так як не вимагає розведення в будівлі кабелів.

Перерахуємо програми, в які може бути інтегрована технологія ZigBee:

Системи автоматизації життєзабезпечення будинків та будівель (віддалене управління мережевими розетками, вимикачами, реостатами тощо).
Системи керування побутовою електронікою.
Системи автоматичного зняття показань із різних лічильників (газу, води, електрики тощо).
Системи безпеки (датчики задимлення, датчики доступу та охорони, датчики витоку газу, води, датчики руху тощо).
Системи моніторингу навколишнього середовища (датчики температури, тиску, вологості, вібрації тощо).
Системи промислової автоматизації.

Висновок

Наведений у статті короткий огляд технологій бездротової передачі даних BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee показує, що навіть для розробників, що мають досвід, буває важко однозначно віддати перевагу тій чи іншій технології тільки на підставі технічної документації.

Тому підхід до вибору має ґрунтуватися на комплексному аналізі кількох параметрів. Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi та ZigBee наведено в таблиці 4. Ця інформація допоможе прийняти правильне рішення при виборі технології бездротової передачі даних.

Таблиця 4. Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi та ZigBee

Література

В.А. Григор'єв, О.І. Лагутенка, Ю.А. Розпаїв. "Системи та мережі радіодоступу", М.,: ЕкоТрендз, 2005 р.
www.ieee.com
www.chipcon.com
www.ember.com
www.BlueTooth.org

Існують різні підходи до класифікації бездротових технологій.

Класифікація за дальністю дії:

Бездротові персональні мережі WPAN (Wireless Personal Area Networks). До цих мереж належать Bluetooth.
Бездротові локальні мережі WLAN (Wireless Local Area Networks). До цих мереж належать мережі стандарту Wi-Fi.
Бездротові мережі масштабу WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Приклади технологій – WiMAX.

Класифікація по застосуваннюю:

Корпоративні (відомчі) бездротові мережі — створювані компаніями для потреб.
Операторські бездротові мережі - створювані операторами зв'язку для надання послуг.

Короткий огляд найпопулярніших технологій бездротової передачі даних

Wi-Fi

Історія

Bluetooth

Bluetooth – виробнича специфікація бездротових персональних мереж (англ. Wireless personal area network, WPAN).

Радіус дії Bluetooth може досягати 100 метрів.

Область використання

WiMAX розроблено для вирішення наступних завдань:

· З'єднання точок доступу Wi-Fi один з одним та іншими сегментами Інтернету.

· Забезпечення бездротового широкосмугового доступу як альтернативи виділеним лініям та DSL.

· Надання високошвидкісних сервісів передачі даних та телекомунікаційних послуг.

Створення точок доступу, які не прив'язані до географічного розташування.

Специфікації стандартів WiMAX

Завдяки прогресу ми отримали безліч пристроїв, що полегшують наше життя, і приладів, які функціонують за рахунок винаходу нових технологій. Проривом у сфері зв'язку стала як передача інформації бездротовим каналом, а й синхронізація різноманітних пристроїв за відсутності провідного з'єднання.

Що таке бездротове передавання даних?

Відповісти на це запитання просто: БПД - це перенесення інформації від одного пристрою до іншого, що знаходяться на певній відстані, без проводового підключення.

Технологія передачі голосової інформації з радіоканалу стала застосовуватися ще наприкінці ХІХ ст. З того часу з'явилася велика кількість радіокомунікаційних систем, які стали використовувати під час виробництва обладнання для дому, офісу чи підприємств.

Існує кілька способів синхронізації пристроїв для здійснення передачі даних. Кожен з них використовується у певній області та має індивідуальні властивості. Бездротові мережі передачі даних відрізняються своїми характеристиками, тому мінімальна та максимальна відстань між пристроями, залежно від виду технології передачі інформації, буде різною.

Для синхронізації пристроїв по радіоканалу встановлюються спеціальні адаптери, які здатні надсилати та отримувати інформацію. Тут може йтися як про невеликий модуль, який вбудовується в смартфон, так і про орбітальний супутник. Приймачем та передавачем можуть бути різні види пристроїв. Передача здійснюється за допомогою каналів різних частот та діапазонів. Зупинимося докладніше на специфіці різних видів бездротової синхронізації.

Класифікація бездротових каналів

Залежно від природи передавального середовища розрізняють чотири типи бездротової передачі.

Радіоканали стільникового зв'язку

Передача даних здійснюється бездротовим шляхом від передавача до приймача. Передавач формує радіоімпульс певної частоти та амплітуди, коливання випромінюється у простір. Приймач фільтрує та обробляє сигнал, після цього відбувається вилучення потрібної інформації. Радіохвилі частково поглинаються атмосферою, тому такий зв'язок може спотворюватися за підвищеної вологості або дощу. Мобільний зв'язок працює саме на основі радіохвильових стандартів, канали бездротової передачі даних відрізняються швидкістю передачі інформації та діапазоном робочих частот. До радіочастотної категорії передачі даних належить Bluetooth – технологія бездротового обміну даними між пристроями. У Росії використовуються такі протоколи:

GSM. Це глобальна система здійснення стільникового зв'язку. Частота – 900/1800 мГц, максимальна швидкість передачі даних – 270 Кбіт/с.
CDMA. Цей стандарт забезпечує найкращу якість зв'язку. Робоча частота – 450 МГц.
UMTS. Має дві робочі смуги частот: 1885-2012 МГц та 2110-2200 МГц.

Супутникові канали

Цей спосіб передачі інформації полягає у використанні супутника, на якому встановлена антена зі спеціальним обладнанням. Сигнал надходить від абонента на найближчу наземну станцію, потім здійснюється переадресація сигналу супутник. Звідти інформація надсилається на приймач, іншу наземну станцію. Супутниковий зв'язок використовується для забезпечення телебачення та радіомовлення. Супутниковим телефоном можна скористатися у будь-якій віддаленій від станцій стільникового зв'язку точці.

Інфрачервоні канали

Зв'язок встановлюється між приймачем та передавачем, що знаходяться на близькій відстані один від одного. Такий канал для бездротової передачі працює за допомогою світлодіодного випромінювання. Зв'язок може бути двостороннім або широкомовним.

Лазерні канали

Принцип дії такий самий, як у попередньому варіанті, тільки замість світлодіодів використовується лазерний промінь. Об'єкти повинні бути в безпосередній близькості один від одного.

Бездротові середовища передачі розрізняються своєю специфікою. Головними відмінними рисами є дальність дії та сфера застосування.

Технології та стандарти бездротової передачі даних

Інформаційні технології нині розвиваються швидкими темпами. Передавати інформацію тепер можна за допомогою радіохвиль, інфрачервоного чи лазерного випромінювання. Такий спосіб обміну інформацією набагато зручніший, ніж провідний вид синхронізації. Дальність дії при цьому, залежно від технології, відрізнятиметься.

Наведемо приклади:

Персональні мережі (WPAN) З допомогою цих стандартів підключається периферійне устаткування. Використовувати бездротові комп'ютерні миші та клавіатури набагато зручніше порівняно з дротовими аналогами. Швидкість бездротової передачі досить висока. Персональні мережі дають змогу обладнати системи розумних будинків, синхронізувати бездротові аксесуари з гаджетами. Прикладами технологій, що працюють за допомогою персональних мереж, є Bluetooth та ZigBee.
Локальні мережі (WLAN) базуються на стандартних продуктах 802.11. Термін Wi-Fi зараз відомий кожному. Спочатку ця назва була надана продуктам серії стандарту 802.11, а тепер цим терміном позначають продукти будь-якого стандарту з даного сімейства. Мережі WLAN здатні створювати більший робочий радіус порівняно з WPAN, підвищився рівень захисту.
Мережі міського масштабу (WMAN). Такі мережі працюють за тим самим принципом, що і Wi-Fi. Відмінною особливістю даної системи бездротової передачі є ширший обхват територій, підключитися до цієї мережі може більше приймачів. WMAN - це той самий Wi Max, технологія, яка надає широкосмугове підключення.
Глобальні мережі (WWAN) – GPRS, EDGE, HSPA, LTE. Мережі цього типу можуть працювати на основі пакетної передачі даних або за допомогою комутації каналів.

Відмінності в технічних характеристиках мереж визначають сферу їх застосування. Якщо розглядати загальні властивості бездротових мереж, можна виділити такі категорії:

корпоративні мережі – використовуються для зв'язку об'єктів усередині однієї компанії;
операторські мережі - створюються операторами зв'язку надання услуг.

Якщо розглядати протоколи бездротової передачі даних, можна виділити такі категорії:

IEEE 802.11a, b, n, g, y. Дані протоколи прийнято поєднувати під загальною маркетинговою назвою Wi-Fi. Розрізняються протоколи дальністю дії зв'язку, діапазоном робочих частот та швидкістю передачі даних.
IEEE 802.15.1. В рамках стандарту здійснюється передача даних за технологією Bluetooth.
IEEE 802.15.4. Стандарт для бездротової синхронізації за допомогою технології ZigBee.
IEEE 802.16. Стандарт телекомунікаційної, що відрізняється широкою дальністю дії. WiMax функціонально схожа на технологію LTE.

В даний час найбільшою популярністю з усіх бездротових протоколів передачі користуються 802.11 і 802.15.1. На базі цих протоколів здійснюється дія технологій Wi-Fi та Bluetooth.

Bluetooth

Точкою доступу, як у випадку з Wi-Fi, може бути будь-який пристрій, оснащений спеціальним контролером, який формує навколо себе пікосеть. У цю пикосеть можуть входити кілька пристроїв, за бажання вони можуть бути об'єднані мости передачі даних.

У деяких комп'ютерах та ноутбуках вже вбудований контролер Bluetooth, якщо ця функція відсутня, тоді використовуються USB-адаптери, які під'єднуються до апарата та наділяють його можливістю бездротової передачі даних.

Bluetooth використовує частоту 2,4 ГГц, споживання енергії при цьому є максимально низьким. Саме цей показник дозволив технології зайняти свою нішу у галузі інформаційних технологій. Невелике споживання енергії пояснюється слабкою потужністю передавача, невеликою дальністю дії та низькою швидкістю передачі даних. Незважаючи на це, даних характеристик виявилося достатньо для підключення та функціонування різноманітних периферійного обладнання. Технологія Bluetooth надала нам велику різноманітність бездротових аксесуарів: навушники, колонки, комп'ютерні миші, клавіатури та багато іншого.

1-й клас. Дальність дії бездротової синхронізації може досягати 100 м. Пристрої такого типу використовують, як правило, у промислових масштабах.
2-й клас. Радіус дії становить 10 м. Пристрої цього найпоширеніші. Більшість бездротових аксесуарів належать саме до цієї категорії.
3-й клас. Дальність дії – 1 метр. Такі приймачі ставлять в ігрові консолі або деякі гарнітури, коли немає сенсу віддаляти передавач і приймач один від одного.

Система бездротової передачі даних на базі технології Bluetooth дуже зручна для підключення пристроїв. Собівартість чіпів досить низька, тому оснащення обладнання функцією бездротового підключення не надто впливає на підвищення ціни на нього.

Wi-Fi

Поряд з Bluetooth технологія Wi-Fi набула такого ж повсюдного поширення в області бездротових комунікаційних технологій. Проте популярність до неї прийшла не одразу. Розробки технології Wi-Fi розпочалися ще у 80-х роках, але остаточний варіант представили лише у 1997 році. Компанія Apple вирішила використати нову опцію на своїх ноутбуках. Так з'явилися перші мережеві картки в iBook.

Принцип дії технології Wi-Fi наступний: в апарат вбудовується чіп, який може дати надійну бездротову синхронізацію з іншим чіпом. Якщо пристроїв більше, ніж два, необхідно використовувати точку доступу.

Точка доступу Wi-Fi – це бездротовий аналог стаціонарного роутера. На відміну від останнього, підключення здійснюється без участі проводів за допомогою радіохвиль. При цьому з'являється можливість підключити кілька пристроїв. Не слід забувати, що при використанні великої кількості девайсів швидкість передачі даних буде значно знижена. Для захисту даних мережі Wi-Fi точки доступу захищають шифруванням. Без введення пароля до такого джерела даних не підключиться.

Перший стандарт технології Wi-Fi був прийнятий в 1997 році, але поширення він так і не отримав, так як швидкість передачі даних була занадто низька. Пізніше з'явилися стандарти 802,11a та 802,11b. Перший давав швидкість передачі 54 Мб/с, але працював на частоті 5 ГГц, яка скрізь дозволена. Другий варіант дозволяв мережам передавати дані на максимальній швидкості 11 Мб/с, чого було замало. Тоді виник стандарт 802,11g. Він поєднав переваги попередніх варіантів, забезпечуючи досить високу швидкість при робочій частоті 2,4 ГГц. Стандарт 802,11y є аналогом 802,11g, відрізняється великою відстанню дії мереж (до 5 км на відкритому просторі).

LTE

Цей стандарт нині є найперспективнішим поряд з іншими глобальними мережами. Широкополосний мобільний доступ дає найвищу швидкість бездротової пакетної передачі даних. Щодо лінії робочих частот все неоднозначно. Стандарт LTE дуже гнучкий, мережі можуть базуватися у частотному діапазоні від 1,4 до 20 МГц.

Дальність дії мереж залежить від висоти розташування базової станції та може досягати 100 км. Можливість підключення до мереж надається великою кількістю гаджетів: смартфонів, планшетів, ноутбуків, ігрових консолей та інших пристроїв, які підтримують цей стандарт. В апаратах має бути вбудований модуль LTE, який працює спільно з наявними стандартами GSM та 3G. У разі обриву зв'язку LTE девайс переключиться на доступ до мереж 3G або GSM без обриву підключення.

Щодо швидкості передачі даних можна відзначити таке: порівняно з мережами 3G вона підвищилася в кілька разів і досягла позначки 20 Мбіт/с. Використання великої кількості гаджетів, обладнаних LTE-модулями, забезпечує попит на цю технологію. Встановлюються нові базові станції, які забезпечують віддалені від мегаполісів населені пункти.

Розглянемо принцип дії мереж четвертого покоління. Технологія бездротової пакетної передачі даних здійснюється через протокол IP. Для швидкої та стабільної синхронізації між базовою станцією та мобільною станцією формується як частотний, так і тимчасовий дуплекс. За рахунок великої кількості комбінацій парних частотних діапазонів можливе широкосмугове підключення абонентів.

Розповсюдження мереж LTE знизило тарифи на користування мобільним зв'язком. Широкий діапазон дії мережі дозволяє операторам заощаджувати на дорогому обладнанні.

Пристрої передачі даних

У своєму повсякденному житті ми оточені пристроями, що функціонують на базі бездротових технологій передачі даних. Причому кожен пристрій має кілька модулів активності тих чи інших стандартів. Приклад: класичний смартфон використовує мережі GSM, 3G, LTE для передачі пакетних та голосових даних, Wi-Fi для виходу в інтернет через точку доступу, Bluetooth для синхронізації девайсу з аксесуарами.

Розглянемо найпопулярніші пристрої бездротової передачі даних, які набули повсюдного поширення:

Wi-Fi-роутер. Даний пристрій здатний забезпечувати доступом до інтернету кілька девайсів. Сам апарат синхронізований з джерелом інтернету провідним шляхом або за допомогою сім-карти оператора стільникових мереж.
Смартфон. Універсальний засіб зв'язку, який дає можливість передавати голосову інформацію, надсилати короткі текстові повідомлення, отримувати доступ до інтернету та синхронізуватися з бездротовими або дротовими аксесуарами.
Планшетний комп'ютер. Функціонально може бути ідентичним смартфону. Відмінною особливістю є великий екран, завдяки якому використання гаджета стає комфортнішим для певних видів робіт.
Персональний комп'ютер. Повноцінний стаціонарний апарат із вбудованою операційною системою, що дозволяє працювати в мережах інтернету, зокрема бездротових. Бездротова передача даних на комп'ютер від точки доступу зазвичай здійснюється через Wi-Fi-адаптер, який підключається через роз'єм USB.
Ноутбук. Зменшена версія персонального комп'ютера. У більшості ноутбуків є вбудований Bluetooth-адаптер і Wi-Fi-модуль, що дозволяє синхронізувати для отримання доступу до інтернету, а також підключення бездротових аксесуарів без додаткових USB-адаптерів.
Бездротові аксесуари та периферійні пристрої. До цієї категорії належать бездротові колонки, навушники, гарнітури, миші, клавіатури та інші популярні аксесуари, які підключаються до девайсів або комп'ютерів.
ТБ або Smart-TV. Телевізор з операційною системою функціонально нагадує комп'ютер, тому наявність вбудованих бездротових модулів для нього потреба.
Ігрова приставка. Для встановлення софта у даного гаджета передбачений бездротовий вихід в Інтернет. Ігрові консолі синхронізовані із пристроєм за технологією Bluetooth.
Бездротове обладнання "Розумний дім". Дуже складна та багатостороння система, управління якою здійснюється бездротовим способом. Усі датчики та елементи обладнання оснащені спеціальними модулями передачі сигналів.

З удосконаленням бездротових технологій на зміну старим девайсам постійно приходять нові апарати, які функціонально більш ефективні та практичні. Устаткування бездротової передачі швидко видозмінюється і модифікується.

Перспективи використання бездротових мереж

Нині простежується тенденція заміни провідних елементів устаткування новими бездротовими варіантами. Це набагато зручніше не тільки через мобільність апаратів, але і з точки зору зручності у використанні.

Виробництво бездротового обладнання дозволить не тільки впроваджувати новітні системи у світ девайсів для зв'язку, але й обладнати за останнім словом техніки житло стандартного середнього мешканця будь-якого населеного пункту. В даний час таке можуть дозволити собі тільки люди з високим рівнем статку, що мешкають у мегаполісах.

У галузі бездротових радіокомунікацій ведуться постійні дослідження, результатом яких є інноваційні технології, що відрізняються від попередників своєю більшою продуктивністю, зниженою енерговитратою та практичністю використання. Результатом таких досліджень є поява нового обладнання. Виробники завжди зацікавлені у випуску продукції, яка відповідатиме інноваційним технологіям.

Більш продуктивні точки доступу та потужні базові станції дозволять повсюдно використовувати нові технології на великих підприємствах. Управління обладнанням можна вести дистанційно. У галузі освіти бездротові технології здатні полегшити процес навчання та контролю. У деяких школах уже починають запроваджувати процес мобільної освіти. Полягає він у віддаленому навчанні за допомогою відеозв'язку через інтернет. Наведені приклади є лише початковим кроком переходу розвитку суспільства на новий щабель, який буде побудований на базі бездротових технологій.

Переваги бездротової синхронізації

Якщо порівнювати провідну та бездротову передачу даних, можна виявити безліч переваг останньої:

не заважають дроти;
висока швидкість передачі;
практичність та швидкість підключення;
мобільність використання устаткування;
виключено зношування або обрив зв'язку;
є можливість використання декількох варіантів бездротового підключення в одному девайсі;
можливість підключення відразу кількох пристроїв до точки доступу інтернету.

Поряд з цим є деякі недоліки:

випромінювання великої кількості апаратів може негативно позначитися на здоров'я;
при близькому розташуванні різного бездротового обладнання є можливість виникнення перешкод і збоїв у зв'язку.

Причини масової поширеності бездротових мереж є очевидними. У необхідності завжди залишатися на зв'язку потребує будь-який середньостатистичний член сучасного суспільства.

На закінчення

Бездротові технології надали можливість повсюдного впровадження телекомунікаційного обладнання, яке використовується масово у всіх країнах світу. Постійні доопрацювання та нові відкриття в галузі бездротових комунікацій дають нам все більший рівень комфорту, а облаштування побуту за допомогою інноваційних приладів стає дедалі доступнішим для більшості людей.