Тема 4.3. Принципы построения аппаратуры передачи данных. Стандарт IEEE 802.15 Bluetooth для сетей PAN

Требования к знаниям

Студент должен

иметь представление:

• о технологии FH-CDMA скачков по частоте.

знать:

· состав радиоинтерфейса Bluetooth, метод доступа FDMA/TDD, временные диаграммы работы канала, структуру пакета, кода доступа, заголовка;

· стек протоколов Bluetooth (уровни модели ВОС);

· принципы построения и элементную базу устройств Bluetooth.

 

Содержание учебного материала

Техническое решение проблемы беспроводной вычислительной сети было реализовано в стандарте IEEЕ 802.11, радио-Ethernet, обеспечивающим построение профессиональных сетей со скоростью обмена до 11 Мбит/с в нелицензируемом в ряде стран диапазоне ISM (900, 2400 и 5800 МГц). Этот же стандарт определил соединения в ИК-диапазоне (до 16 Мбит/с). Основной недостаток IEEE 802.11 - относительно высокая сложность и стоимость оборудования.

Однако появившиеся ноутбуки, сотовые телефоны и карманные компьютеры (PDA), CD/DVD и МРЗ-плейеры и масса иных мобильных устройств, часто подсоединяемых как друг к другу, так и к стационарным компьютерам, создали проблему. Кабель стал неудобен — подключаться необходимо часто, размеры самого кабеля с разъемами едва не больше собственно подключаемого устройства и т.д. На этом фоне резко возросла актуальность беспроводных локальных технологий, обеспечивающих столь же простое подключение устройства, сколь просто происходит обращение к диску собственного персонального компьютера. При этом пользователи не должны быть привязаны к какому-либо месту.

В связи с этим на базе спецификаций IEEE 802.11 были разработаны беспроводные технологии Bluetooth и HomeRF (SWAP) – более простые и дешевые решения для потребительского рынка. Стоимость адаптеров Bluetooth не должна была превышать $5-10.

Спецификация Shared Wireless Access Protocol (SWAP), основной конкурент технологии Bluetooth, предложена группой Home RF. Сравнительные характеристики Bluetooth и HomeRF представлены в таблице 8:

Табл. 8

Сравнительные характеристики технологий Bluetooth и Home RF

Характеристика	Home RF	Bluetooth
Вид модуляции	Шумоподобный сигнал, метод частотных скачков	Шумоподобный сигнал метод частотных скачков
Число скачков в секунду		1 600
Мощность передатчика, мВт	1 00	1 00
Скорость обмена данными, Мбит/с	1 или 2
Способ модуляции	Двух- или четырехуровневая ЧМ	Двухуровневая ЧМ
Количество устройств в сети	До 127	Не ограничено
Защита информации	Blowfish data security	40-, 64- и 128 -битное шифрование
Радиус действия, м		10-100

 

Технически это очень близкие системы, поскольку основой для их создания послужил стандарт IEЕЕ 802.11. Однако если предлагаемая группой Home RF локальная сеть - фактически беспроводной аналог домашней сети Home PNA, где все устройства взаимодействуют через компьютер (компьютеры), то идеология Bluetooth иная - это универсальный радиоинтерфейс, связывающий самые разные устройства друг с другом и не требующий дорогой аппаратной поддержки.

Описание технологии Bluetooth. Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц ISM-диапазона (Европа и США). В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков FH-CDMA и двухуровневая гауссова частотная модуляция (binary Gaussian Frequency Shift Keying).

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 (Европа и США) или 23 (Япония, Испания, Китай) радиочастотным подканалам. Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал. Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Построение сети. Протокол Bluetooth поддерживает как соединения типа точка-точка, так и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть. Одно из устройств работает как основное (master), а остальные — как подчиненные (slaves). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scattemet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устрой­ства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой. Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте - каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Последовательность скачков является уникальной для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства.

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени TDD (time division duplexing). Основное устройство передает пакеты в нечетные

временные сегменты, а подчиненное устройство в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета.

Рис. 26Передача пакетов различной длины

 

 

Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал 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 в каждом направлении, асинхронного 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.

Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точка-точка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам — например, голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, вспомогательное — до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух — с разными основными устройствами. При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCO-ин­тервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается.

При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле ACL-пакета адрес не указан, пакет считается «широковещательным» — его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.

Стандартный пакет Bluetoothсодержит код доступа, заголовок и информационное поле:

 

72 бита	54 бита	0 – 2745 бит
Код доступа	заголовок	Передаваемая информация

Структура пакета

Пакеты могут быть различных типов, например состоять только из кода доступа. В этом случае длина пакета будет равна 68 битам.

Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и процедуры запросов:

4 бита	64 бита	4 бита
Преамбула	Слово синхронизации	Трейлер

Структура кода доступа

 

Код доступа включает преамбулу, слово синхронизации, и трейлер (4 бита контрольной суммы).

Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из 6 полей:

3 бита	4 бита	1 бит	1 бит	1 бит	8 бит
AMADDR	TYPE	FLOW	ARQN	SEQN	НЕС

 

AMADDR — 3-битный адрес активного элемента (active member address);

TYPE — 4-битный код типа данных;

FLOW — 1 бит управления потоком данных, показывающий готовность устройства к приему;

ARQN — 1 бит подтверждения правильного приема;

SEQN — 1 бит, служащий для определения последовательности пакетов;