Компоненты беспроводной передачи данных

Компоненты и технологии, № 2'2003

Компоненты беспроводной

передачи данных

Мультимедийность информационного обмена предполагает конвергенцию технологий обеспечения различных видов связи, что в настоящее время встречает значительные трудности. Для поддержки технологий компонентами создаются альянсы ведущих фирм-производителей, при этом слышится все больше голосов в поддержку унификации на всех уровнях принципов построения и реализации сетей передачи данных. При создании устройств беспроводной передачи данных технически наиболее сложно обеспечить их портативность.

Владимир Дмитриев

Будем применять термины и определения, введенные в статье «Технологии беспроводной передачи данных». Последовательно и обобщенно рассмотрим основные технические параметры устройств беспроводной передачи данных технологий ZigBee, Bluetooth, IEEE 802.11x, HomeRF, DECT, сотовых и транковых систем. В основном данные устройства будут являться абонентскими терминалами (АТ), определяющими возможности и стоимость местных сетей (сетей доступа).

Различные технологии поддерживаются альянсами фирм-производителей компонентов. При этом в ряде случаев известные фирмы одновременно входят в конкурирующие группировки. Технология ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4) технологически обеспечивается организацией ZigBee Alliance, стандарт IEEE 802.15.3, призванный создать единую платформу для PAN, поддерживается WiMedia Alliance, технология Bluetooth получила поддержку в виде стандарта IEEE 802.15.1, семейство стандартов IEEE 802.11x реализует WECA (Wireless Ethernet Compatability Alliance) и т. д.

Диапазон задач, решаемых АТ, достаточно широк: передача данных между ПК (ноутбуками, PDA), доступ абонентов в Интернет, передача команд управления какими-либо устройствами и прием телеметрической информации от них. АТ в интегральных телекоммуникационных системах должны параллельно или последовательно передавать телефонию, видеоинформацию и т. д.

Создатели технологии ZigBee в качестве рекламы используют энергичный слоган «Не менее полугода работы портативного терминала от пары батареек типа ААА». Реально появление компонентов данной технологии планируется в этом году.

Компоненты Bluetooth

Наиболее продвинутой с точки зрения создания элементной базы является технология Bluetooth. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал передачи данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов или

канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость каждого голосового канала — 64 кбит/с, асинхронного канала в асимметричном режиме — до 723,2 кбит/с в прямом и 57,6 кбит/с в обратном направлениях или до 433,9 кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме. Одним из популярных приложений данной технологии является передача речи или данных от их источников к сотовой трубке, находящейся, например, в сети GSM. В первом случае АТ находится в составе гарнитуры, что предполагает создание устройств минимальных размеров, веса и энергопотребления. Во втором случае источником данных может явиться ноутбук или PDA, что требует от радиомодема примерно тех же параметров. Второй конец радиолинии, находящийся в сотовой трубке, размещается в ее батарейном отсеке. Размещение модуля в батарейном отсеке показано на рис. 1. Технические параметры модуля следующие: чувствительность радиоприемника — 85 дБм, требуемое отношение «сигнал — шум» на входе демодулятора — 18 дБ.

Несколько проще было создание USB-адаптеров (радиомодемов) для связи между собой двух ЭВМ.

Размер одного устройства несколько больше спичечного коробка, что косвенно подтверждается USB-разъемом на конце кабеля длиной 50 см. Поскольку технология Bluetooth определяет взаимодействие элементов

35 mm

UNIT1

LBMX-2002

ппппппппппппп

ООО

IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

ГсП

Рис. 2. Внешний вид и установочные размеры OEM — Bluetooth

Компоненты и технологии, № 2'2003

сети передачи данных на основе отношений клиент-сервер, важным является ПО поддержки, которое рассчитано на работу с операционными системами Windows 98SE/ME/2000.

Для интеграции в различные устройства также разработаны OEM — Bluetooth, внешний вид одного из них представлен на рис. 2.

Данное устройство заменяет кабельное соединение, имеющее интерфейс RS-232, обеспечивает поддержку версии Bluetooth 1.1 и не требует дополнительного программного обеспечения. Существуют три различных режима работы модуля. В командном режиме осуществляется переключение в два других режима функционирования, а также осуществляется настройка устройства и выполнение ряда других служебных функций. В режиме передачи данных по каналу эмулируется работа COM-порта (основной режим функционирования). Максимальная скорость передачи данных в таком режиме — 115,2 кбит/с. Режим сквозной передачи данных в COM-порт модуля Bluetooth предоставляет программному обеспечению доступ непосредственно к Bluetooth-модулю. Максимальная скорость передачи также 115,2 кбит/с.

Компоненты семейства стандартов IEEE 802.11x

Структура сетей, построенных на основе данных стандартов, может быть двух типов: автономные сети (ЛВС без выхода в телекоммуникационную сеть, см. рис. 3) и сети, связанные между собой и с другими информационным сетями (например, с Интернетом) через точки доступа телекоммуникационной сети (см. рис. 4).

X

station Rivÿi Ah2 ІРЙ y\

Ad Hoc Network 1 station 1 Ah3

V JL У

Рис. 3. Структура автономной локальной вычислительной сети

Компонентная база стандарта IEEE 802.11b развивается относительно давно, но в связи со спецификой технической реализации данной технологии, миниатюризацией ее компонентов занялись относительно недавно. Во многом это объясняется потенциальной возможностью ее вытеснения в ряде приложений технологиями Bluetooth и HomeRF. Кроме того, сами стандарты IEEE 802.хх имеют устойчивую тенденцию к просачиванию в PAN.

Основные технические параметры сети доступа на базе технологии IEEE 802.11b:

Абонентский терминал 11 Мбит/с WLAN PC Card имеет следующие характеристики: средняя дальность связи 45 м (при условии прямой видимости); пиковое значение скорости передачи данных 11 Мбит/с (эквивалентна 10Base-T Ethernet); реализует IEEE 802.11b — индустриальный стандарт для беспроводных ЛВС; обеспечивает безопасную работу с использованием шифрования данных (40-битный ключ); ПО совместимо с Windows 98SE и 2000; для подключения к ЭВМ требуется разъем PCMCIA Type II; используются сетевые протоколы TCP/IP, NetBEUI; обеспечивается совместимость стандартов IEEE 802.11b/802.11; диапазон рабочих частот 2,4-2,4835 ГГц (11 каналов, ISM-диапазон); применяются сигналы типа DS-SSS (direct sequence spread spectrum — прямое расширение спектра); напряжение питания 5 В (от ноутбука VAIO); габаритные размеры 118x5x54 мм (встроенная антенна длиной 8,7 мм); вес 55 грамм. Минимальные системные требования: ноутбук Sony VAIO или другой, ОС Windows 98SE или 2000.

Точки доступа (если таковые имеются в сети) имеют несколько большие размеры. В настоящее время имеется широкая номенклатура абонентских терминалов и точек доступа для данной технологии.

Компоненты технологии HomeRF

Компоненты сетей, построенных на основе технологии HomeRF, реализуют «домашнюю мультимедийную среду» с возможностью выхода пользователей в Интернет.

Основные технические параметры сети и компонентов на базе технологии HomeRF 2.0: рабочая частота 2,4 ГГц; вид многостанционного доступа FHSS (frequency-hopping spread spectrum, ППРЧ — программная перестройка

Server

DISTRIBUTION SYSTEM

Рис. 4. Структура многозоновой ЛВС с выходом в транспортную сеть

радиочастоты); дальность работы до 50 м сквозь стены и потолки (150 м в свободном пространстве); скорость передачи данных: 10 Мбит/с, 5 Мбит/с, 1,6 Мбит/с или 800 кбит/с; число абонентских терминалов — до 25; роуминг — неограниченный в пределах площади покрытия; поддержка ОС: имеются драйверы и приложения для Windows 98, 98SE, ME и 2000. Могут быть загружены драйверы Windows XP; базовая станция (точка доступа) имеет интерфейс с телекоммуникационной сетью (выход в Интернет) — 10/100Base-T RJ-45 Ethernet jack; PC Card предназначена для ноутбуков, содержит программное обеспечение модемного расширения и встроенный сетевой экран, имеет интерфейс — 3.3 В, 16-bit PCMCIA Type II Card; USB Adapter — выполняет аналогичные функции применительно к ПК.

Компоненты технологии DECT

DECT является технологией радиодоступа абонентов непосредственно к телекоммуникационной сети. Системы DECT в Европе могут работать в частотном диапазоне 1880-1900 МГц, который разбит на десять частотных каналов, и, следовательно, являются многочастотными (multycarriers — MC). В связи с превращением стандарта де-факто в общемировой, интенсивно исследуются вопросы применения полос частот в других частотных диапазонах — как выше, так и ниже указанного.

В каждом частотном канале данные передаются в 24 циклически повторяющихся временных интервалах или тайм-слотах (множественный доступ с разделением времени, TDMA). В первой половине тайм-слота осуществляется передача информации от базовой станции к портативным устройствам, а во второй половине — в обратном направлении (дуплекс с разделением времени передачи и приема — TDD). Система DECT, таким образом, может быть определена как MC/ TDMA/TDD. Каждый из дуплексных речевых каналов использует пару тайм-слотов, всего имеется возможность организации 120 речевых каналов. Стандарт определяет непрерывный динамический выбор канала (Continuous Dynamic Channel Selection — CDCS), что позволяет нескольким системам функционировать в области взаимного электромагнитного доступа независимо. Любое из портативных устройств стандарта имеет возможность использования любого частотно-временного канала. При установлении соединения портативное устройство связи определяет канал, обеспечивающий в данный момент времени наиболее качественную связь. После того как соединение установлено, данное устройство продолжает анализировать все каналы, и если обнаруживается канал, гарантирующий лучшее качество связи, то переключает соединение на него. Старое и новое соединения перекрываются во времени (некоторое время обмен производится параллельно по двум каналам), что обеспечивает возможность незаметного для пользователей переключения каналов («мягкий хэндовер»).

Благодаря применению CDCS в системах DECT не требуется планирования частот: решение этой проблемы фактически перекла-

Компоненты и технологии, № 2'2003

Modem

GigasetMIOI data Gigaset Ml01 data

i V.24

ISDN Analog

V.24

GigasetMIOI data GigasetMIOI data ^

V.24

V.24

Рис. 5. Варианты использования комплекта передачи данных Gigaset М-101 Data

дывается на портативное устройство связи. Данное обстоятельство делает инсталляцию систем простой процедурой, а также позволяет увеличивать общее число каналов путем простого добавления, где это необходимо, новых базовых станций.

При необходимости производители аппаратуры могут поддерживать отдельные факультативные элементы стандарта DECT для построения систем голосовой телефонии, доступа к сети ISDN и передачи данных. В целях обеспечения взаимодействия различных приложений DECT ETSI стандартизуется ряд совокупностей параметров, так называемых профилей (profiles).

Профили IIP и IAP предназначены для взаимодействия с ЦСИО: IAP (ETS 300 434 — профиль взаимодействия FP и PP, вместе эмулирующих ISDN-терминал) и IIP (DE/RES-03039 — профиль взаимодействия FP и PP, вместе составляющих прозрачный шлюз сети ISDN для устройств с общей шиной S0, подключенной к беспроводному DECT-терминалу — DECT Intermediate Portable System — DIPS). IIP поддерживает все базовые услуги ISDN — речевой канал с полосой 3,1 кГц, передачу данных со скоростью 64 кбит/с, дополнительный ISDN-сервис. При возникновении необходимости используется сдвоенный полудуплексный канал со скоростью 128 кбит/с.

Несмотря на то что стандартизация DECT имеет законченный вид, развиваются новые спецификации и создаются соответствующие технические описания. Появились стандарты передачи данных (DECT Data Standards). Так в течение 1998-1999 годов ETSI DECT Project разработал два новых базовых стандарта, относящихся к передаче данных: DECT Packet Radio Service (DPRS) — служба пакетной передачи данных и DECT Multimedia Access Profile (DMAP) — профиль мультимедийного доступа.

DPRS в действительности является объединением нескольких профилей передачи данных — A/B, C, D, E и F, Classes 1 и 2 — которые в начале-середине 90-х были преобразованы в вид, удобный для их практического применения. DMAP, созданный после DPRS, обеспечивает в рамках DECT мультимедийную службу, поддерживающую принцип plug-and-play и позволяющую осуществить обмен данными между ПК, принтерами, видеокамерами и другими источниками и потребителями информации в домашних условиях и для SOHO (малые или домашние офисы). Профиль DMAP в настоящее время находится в разработке и будет позволять пе-

редавать мультимедийный поток данных со скоростью до 0,5 Мбит/с.

Рассмотрим компоненты данной технологии, предназначенные для передачи данных.

Комплект для передачи данных Gigaset М-101 Data позволяет объединять два компьютера или компьютер с модемом. Фактически — это беспроводной удлинитель последовательного COM-порта RS-232, что позволяет обмениваться данными со скоростью 115,2 кбит/с в асинхронном режиме на расстоянии до 300 м. Вариант выхода в сеть (64 кбит/с — цифровой модем, 56 кбит/с — аналоговый) и вариант связи между ПК со скоростью 115 кбит/с показаны на рис. 5.

Модуль Gigaset M105 Data также предназначен для беспроводной передачи данных. Технические характеристики модуля: управляется при помощи ПК, имеет универсальный интерфейс USB, позволяет передавать данные со скоростью 115 кбит/с под управлением ОС Windows 98, ME, 2000, подключение к ПК/модему или с использованием USB-кабеля. Комплект для передачи данных Gigaset М-105 Data позволяет объединять два компьютера или компьютер с модемом. Фактически — это беспроводной удлинитель последовательного COM-порта RS-232, что позволяет обмениваться данными со скоростью 115,2 кбит/с в асинхронном режиме на расстоянии до 300 м. Размеры модуля: 74x41x107 мм, вес 75 г.

Транковаясвязь

Передача данных в сетях транковой связи обеспечивается со все большей скоростью. Американский iDEN представляет собой интегрированную систему, предоставляющую пользователям все основные возможности, характерные для современных цифровых систем транковой радиосвязи, в том числе передачу данных. Портативные терминалы iDEN имеют встроенные модемы и могут подключаться к портативным компьютерам с помощью адаптера RS-232. При этом нет необходимости иметь модем в компьютере. Функция

передачи данных позволяет мобильным абонентам принимать и посылать факсы и электронную почту, обмениваться данными с компьютерами в офисе и работать с Интернетом. В коммутационном режиме обеспечивается скорость передачи факсов и данных до 9,6 кбит/с, а в пакетном — до 64 кбит/с. Схема коррекции ошибок с опережением обеспечивает надежную передачу данных. Пакетный режим передачи данных поддерживает стандартный сетевой протокол TCP/IP.

Разработанный ETSI общеевропейский стандарт на транковые системы подвижной радиосвязи TETRA (TransEuropean Trunked RAdio) ориентирован на тех профессионалов, которым необходимы передача речи с высоким качеством и пакетная передача данных с возможностью шифрования. Стандарт TETRA базируется на технических решениях и рекомендациях стандарта GSM (Global System for Mobile Communications) и содержит две спецификации: TETRA VOICE + DATA (TETRA V+D) и TETRA PACKET DATA (TETRA PDO). Первая определяет возможность передачи речи и данных со скоростью 7,2 кбит/с с использованием корректирующего кода с перемежением. Вторая спецификация позволяет передавать только данные со скоростью 28,8 кбит/с (что соответствует скорости передачи сжатого видеопотока).

Сотовая связь

Одной из основных тенденций развития сетей сотовой связи является возможность передачи с их помощью данных с большими скоростями. Направления развития сотовой связи к третьему поколению показаны на рис. 6. В каждом из направлений предполагается поэтапное увеличение скорости передачи данных вплоть до 2 Мбит/с (для низких скоростей перемещения подвижного объекта).

В GSM реализована HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) — высокоскоростная передача данных по сетям с коммутацией каналов. При использовании технологии HSCSD максимальная скорость передачи может составлять 57,6 кбит/с, так как технология позволяет объединять несколько речевых каналов, создавая таким образом один канал передачи данных с более высокой скоростью. Скорость может меняться в зависимости от количества задействованных стандартных речевых каналов. Распределение каналов в соте между речевыми каналами и каналами передачи данных происходит динамически, и при этом разговорные вызовы имеют более высокий приоритет по отношению к передаче данных. Это означает, что в течение соедине-

IMT-2000 Terrestrial Radio Interfaces

IMT-2000 CDMA Direct Spread IMT-2000 CDMA Multi-Carrier IMT-2000 CDMA TDD IMT-2000 TDMA Single Carrier IMT-2000 FDMA/ TDMA

WCDMA

CDMA2000 IX and 3X

ULTRA TDD and TD-SCDMA

UWC-136/

EDGE

DECT

Рис. 6. Направления развития подвижной связи к 3G

Компоненты и технологии, № 2'2003

ния реальная скорость передачи данных может в зависимости от загрузки каналов и уровня сигнала быть ниже скорости, на которой было произведено подключение.

Уже сейчас доступны абонентские устройства, которые построены на основе технологии пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service). На начальном этапе могут быть предложены скорости доступа от 14,4 кбит/с (при использовании одного временного слота) до 115 кбит/с (при объединении нескольких слотов). GPRS предоставляет бесшовное соединение, например, через интерфейсы TCP/IP или Х.25, с существующими системами передачи данных, позволяя обеспечить поддержку самых разнообразных приложений: от низкоскоростной системы обмена сообщениями до работы с высокоскоростной корпоративной ЛВС.

Для того чтобы использовать возможность передачи данных посредством системы GPRS, требуются специальные терминалы, поддерживающие работу в режиме GPRS.

Стандартами определены 3 класса GPRS-терминалов:

• класс «А» — терминал позволяет осуществлять одновременно голосовое соединение и работу в режиме GPRS;

• класс «В» — терминал поддерживает и голосовое соединение, и передачу данных в пакетном режиме (GPRS), но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать голосовые звонки и наоборот);

• класс «С» — терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме. Наиболее вероятное исполнение — PCMCIA-карта, устанавливаемая в портативный компьютер.

Следующим шагом на пути развития сетей пакетной передачи данных будет внедрение технологии EDGE, которая позволит достичь скорости передачи информации до 385 кбит/с, при этом базой для развертывания технологии EDGE частично будет служить система GPRS. Таким образом, будет плавно осуществлен переход от систем с коммутацией каналов к системам пакетной передачи данных, которые найдут свою конечную реализацию в системах передачи информации третьего поколения. При этом для абонента станет возможной скорость передачи до 2 Мбит/с.

Перспективным направлением развития технологии GSM является создание ОЕМ-мо-дулей, которые могут использоваться в самых разнообразных приложениях. Они характеризуются приемлемыми параметрами для разрабатываемых систем. Примером является модуль Siemens TC35. В миниатюрной плате (54,5x36x6,8 мм при весе 18 г) воплощены все возможности, предоставляемые стандартом GSM: поддержка GSM900/1800, три типа кодирования голоса, SMS, передача данных со скоростью до 14,4 кбит/с. Управление модулем осуществляется с помощью обычных АТ-ко-манд (впервые их стали использовать в модемах). Эта плата может быть встроена в любые устройства и играть в них как основную роль (например, GSM-таксофон), так и вспомогательную (в автомобильных сигнализациях).

Модуль MC35 — это плата на основе ТС35 для использования инженерами-разработчи-ками в своих проектных решениях. Данное решение вписывается в любой программноаппаратный комплекс, где необходимо решать задачи, связанные с решением вопросов телематики, телеметрии, диспетчеризации или коммуникационного обслуживания по каналам GSM900/1800 с поддержкой GPRS.

Модуль MC35Terminal — это готовый к использованию внешний факс-модем в стандарте GSM900/1800 с поддержкой GPRS, разработанный на базе модуля MC35. Для работы с модулем необходимо подключить к его внешним разъемам антенну, источник постоянного тока и любой компьютер (контроллер) типа РС по последовательному СОМ-порту (RS-232). Дополнительно можно подключить внешнюю телефонную трубку и использовать TC35Terminal как стационарный сотовый телефон.

Как следует из рис. 6, наряду с развитием сотовых технологий к 3G через DECT и GSM несколько направлений определяется технологиями с кодовым разделением сигналов. Сети сотовой связи на основе стандарта cdma2000 предлагают высокую скорость и мультимедий-ность передачи данных. Эволюционный переход к cdma2000 подразделяется на две фазы, известные как 1X и 3X. Название 1Х происходит от технического термина 1XRTT, который относится к сетям cdma2000, занимающим полосу частот 1,25 МГц в различных участках частотного спектра. Чтобы реализовать эволюционный переход к IMT-2000 в полосе частот 1,25 МГц рассматривается еще одна фаза развития стандарта 1XEV, которая позволяет расширить возможности cdma2000 свыше 1X. Сети cdma2000 1X функционируют в той же полосе частот, что и существующие сети cdmaOne, но они имеют скорость передачи данных 144 кбит/с.

Cdma2000 3X является второй фазой развития стандарта cdma2000. Усовершенствования в данной фазе обеспечивают увеличение скорости передачи информации свыше того, что достигнуто в 1Х (до 2 Мбит/с) с использованием многоканальной системы передачи. Название 3Х происходит от термина 3XRTT, то есть используется три канала по 1,25 МГц для предоставления услуг 3G.

Абонентскими терминалами сотовых и транковых систем передачи данных являются портативные трубки, к которым подключается источник (получатель) данных, или модули, входящие в состав каких-либо устройств.

Подводя итог, отметим, что мультимедий-ность информационного обмена является одной из основных тенденций телекоммуникационных систем. При этом наблюдается конвергенция технологий передачи данных и других видов связи, важнейшей из которых по-прежнему остается речевой обмен. Традиционные технологии передачи речи, такие, как сотовая связь, интегрируют в себя передачу данных и наоборот, традиционные технологии построения локальных вычислительных сетей вынуждены обеспечивать качественную передачу речи. Соответственно развивается и компонентная база решения данных задач.