Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 17 июля
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 2

В Части 2 этой статьи (начало см. в ЭК10) описаны изменения и доработки в MAC-протоколе и их влияние на пропускную способность сетей.

Преодоление ограничений скорости передачи по беспроводному каналу

В статье рассмотрены факторы, ограничивающие скорость передачи данных в радиочастотном канале: емкость канала, полоса частот и уровень шума. Описаны методы, применяемые для увеличения скорости передачи (в т.ч. в сетях 3G). Выделены их достоинства и недостатки.

Тестирование систем связи на оборудовании JFW Industries

В статье рассказывается о возможностях приборов для тестирования и отладки систем связи американской компании JFW Industries, благодаря которым производители устройств, операторы беспроводной связи и разработчики соответствующего программного обеспечения могут в лабораторных условиях смоделировать взаимодействие компонентов системы для ее дальнейшей отладки.

 

21 декабря

Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN

Данная статья продолжает цикл публикаций (см. ЭК4, 10) на тему применения беспроводных технологий в промышленности. В этой части обсуждаются вопросы передачи речевой информации по беспроводным персональным сетям WPAN, которые определены в проекте стандарта ISA 100.15 по созданию единой беспроводной транспортной сети предприятия BACKHAUL.



В

настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в промышленности. В зависимости от скорости, дальности и назначения их можно представить как беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks); беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks), а также беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks): WiMAX, MBWA, или 3GPP; сети WAN (Wide Area Networks), включающие в себя магистральную беспроводную связь между городами и регионами, а также спутниковую связь [1].

Беспроводные персональные сети WPAN

Следует заметить, что с целью создания единой беспроводной транспортной сети предприятия BACKHAUL в разрабатываемом проекте стандарта ISA100.15 учтены практически все перечисленные выше категории беспроводных сетей (см. рис.1) [2]. Вполне определенная роль отведена сетям WPAN, которые в настоящее время исследуются с точки зрения их применения для решения прикладных задач, в т.ч. для передачи речевой информации. Вероятно, никто не будет возражать против предоставления персоналу новых видов мобильной связи на производстве, которая помимо сотовых сетей (WMAN) будет реализована в сетях WPAN?

Как известно, характерной особенностью WPAN является их невысокое энергопотребление. Поэтому использование в радиоустройствах автономных источников электропитания позволяет отнести эти сети к мобильным средствам связи с ограниченным радиусом действия (в отличие от WMAN или WAN). Сети WPAN становятся незаменимыми внутри производственной инфраструктуры, особенно в тех местах, где отсутствует доступ по сотовой мобильной связи или ее нельзя использовать на территории предприятия.

C помощью мобильных приложений оператор не только может постоянно отслеживать технологический процесс (АСУ ТП), но и обмениваться речевыми сообщениями по беспроводной корпоративной сети с персоналам, обслуживающим этот промышленный комплекс. В результате оператор всегда имеет возможность получить полную картину о состоянии производства за счет использования единой беспроводной сенсорной среды, которая может простираться на многие километры. Например, использование датчиков, объединенных беспроводной сетью ячеистой структуры, может обеспечить мобильность управления производственным процессом и предприятием в целом.

В настоящее время сети WPAN представлены двумя классами: с укороченным радиусом действия (до 10 м) и с увеличенным радиусом действия (до 100 м), что позволяет им по своим функциональным возможностям находиться на стыке с WLAN.

Персональные сети могут быть созданы на базе различных технологий, например: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4)& 6loWPAN, WiMedia/MBOA UWB (Ultra Wideband) стандарта ECMA368 (на базе IEEE802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE802.15.4a (см. рис. 1 и табл.1).

Рис. 1. Общий беспроводной транспортный интерфейс для промышленных сетей

 

Таблица 1. Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11

Стандарт/характеристика

802.15.4
ZigBee™

802.15.1
Bluetooth

ECMA 368 (802.15.3a for High Rate WPAN),WiMedia (MB UWB OFDM)

802.15.4a
DS-UWB
Chirp (CSS)

802.11b Wi-Fi

Приложения

Мониторинг, управление, сети датчиков, домашняя/промышленная автоматика

Голос, данные, замена кабелей (проводного на беспроводной канал)

Потоковые мультимедийные данные, замена кабелей аудио/видеосистем

Данные, голос, видео, LAN

Преимущества

Цена, энергосбережение, размеры сети, выбор частотных диапазонов, DSSS и PSSS

Цена, энергосбережение, передача голоса, FH

Высокая скорость, энергосбережение

Большой диапазон по скорости, DSSS

Частота

868 МГц

915 МГц

2,4 ГГц

2,4 ГГц

3,1…10,6 ГГЦ

2,4 ГГц; 3,1…10,6 ГГЦ

2,4 ГГц

Макс. скорость

20 Кбит/с

40 Кбит/с

250 Кбит/с

1, 3, 24 Мбит/с (доп. 55 Мбит/с)

53,3; 80; 106,7 МГц Доп.: 160, 200, 320, 400, 489 Мбит/с

250 Кбит/с, 1 Мбит/с (chirp); 110 Мбит/с (10 м), 200 Мбит/с (4 м); (доп. 480 Мбит/с)

1 Мбит/с
2 Мбит/с
11 Мбит/с

Выходная мощность, ном.

От 0 дБм (1 мВт)

0 дБм (класс 3)
4 дБм (класс 2)
–30…20 дБм (класс 1)

0 дБм

<100 мВт (110 Мбит/с) <250 мВт (200 Мбит/с)

20 дБм

Дальность

1—10 м (укороченный радиус действия) 10—100 м (увеличенный радиус действия)

1— 5 м (класс 3 —
укороченный радиус)
до 15 м (класс 2)
100 м (класс 1)

5…50 м

10 м (110 Мбит/с)
4 м (200 Мбит/с)
2 м (480 Мбит/с)

10 м
100 м

Чувствительность (спецификация)

–92 дБм

–85 дБм

–70 дБм

–75 дБм

–76 дБм

Размер стека

4…32 Кбайт

Более 250 Кбайт

Больше 1 Мбайт

Срок службы батареи (энергосбережение)

100—1000+ дней

1—7 дней

Нет статистики Теоретически более 1000 дней

0,5—5 дней

Размер сети

65536 (16-битные адреса),
264 (64-битные адреса)

Мастер +7

До 127/хост

32

Персональные сети WPAN укороченного радиуса действия в основном используются для беспроводного объединения отдельных устройств между собой (включая компьютерную, бытовую технику и оргтехнику), а сети увеличенного радиуса действия применяются в виде Piconet-сетей (как вариант — сетей Scatternet) для обмена информацией, а также для ее обмена с сетями более высокого уровня, в т.ч. с выходом в интернет.

Таким образом, основное назначение WPAN — либо создание беспроводных соединений (вместо кабелей) на небольших расстояниях (1…10 м) либо беспроводной транспортной среды для обмена информацией в некотором ограниченном пространстве, например, в зданиях административно-офисного типа с радиусом действия 10…100 м.

Персональные сети в их классическом понимании, как правило, относятся к категории беспроводных самоорганизующихся сетей (ad-hoc). Это беспроводные (одноранговые) сети с децентрализованным управлением, где каждое устройство может выступать в качестве инициатора при попытке передать информацию другому устройству через ретрансляторы.

Определение того, какому устройству пересылать данные, производится динамически либо на основе связности сети с переменным количеством мобильных узлов в некотором ограниченном пространстве (сети Piconet или Scatternet) либо на основе заранее созданной (запрограммированной) связности сети с фиксированным количеством элементов, хранящих информацию о передаче данных по определенным вариантам маршрутов. Последний вариант беспроводной сети может достигать расстояния в несколько километров, представляя собой распределенную самоорганизующуюся структуру.

Такие сети преимущественно используются на длинных трассах трубопроводов нефтеперегонных или химических предприятий.

Самоорганизующаяся беспроводная Wi-Fi-сеть для передачи речевой информации

К разряду ad-hoc можно отнести и соседствующую с WPAN Wi-Fi (WLAN) технологию, которая на скоростях от 1 Мбит/с (нижняя граница скоростного ряда стандартов IEEE802.11х) хорошо себя зарекомендовала в качестве транспортной среды не только для передачи данных, но и голосовых сообщений (см. табл. 1).

Разработка утвержденного в 2007 г. стандарта IEEE802.11е в виде дополне-ния к IEEE802.11х, где были учтены все меры по обеспечению качества услуг QoS с расстановкой приоритетов по типу передаваемой информации, позволила решить проблемы передачи речевой информации по беспроводным сетям Wi-Fi. В этих сетях голосу присваивается наивысший приоритет, а также назначается необходимая полоса пропускания.

Передача голоса по беспроводной сети Wi-Fi может быть организована с помощью протокола VoIP с учетом рекомендаций Н32.х ITU-T или МСЭ-Т (см. табл. 2).

Таблица 2. Рекомендации H32X ITU-T

Стандарт/характеристика

Пакетная сеть H.322

Пакетная сеть H.323

Телефонные сети общего пользования H.324

Сеть мобильной связи H.324/C

H.310

Год принятия

1995

1996

1998

1996

Последняя редакция

1.3

Сеть

С гарантированной пропускной способностью

С негарантированной пропускной способностью (Ethernet, RadioEthernet — Wi-Fi, WiMax)

Аналоговая телефонная система

Мобильная связь

Ш-ЦСИО, ATM, LAN

Аудио

G.711, G.722, G.728

G.711, G.722,
G.723, G.728, G.729

G.723

MPEG-2, G.711, G.722,
G.728

Данные

T.120

Коммуникационный интерфейс

I.400 и TCP/IP

TCP/IP

Модем V.34

Мобильное радио

AAI I.363, ATM I.361, PHY I.432

Стандарты H322&Н.323 (см. табл. 2) используют передачу информации (голос и видео) как с гарантией доставки по назначению (TCP), так и без нее (UDP). Передача речи в реальном масштабе времени осуществляется с помощью протокола RTP.

Основными аспектами при передаче речи по пакетной сети (Ethernet и Radio Ethernet) являются: преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид (АЦП и кодирование по определенному алгоритму); формирование пакетов; передача пакетов по пакетной сети (радиосети); восстановление речевого сигнала ЦАП и декодирование на приемном конце. Таким образом, для организации речевой связи помимо сетевой инфраструктуры необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, которые осуществляют оцифровку/восстановление речи по определенным алгоритмам (см. табл. 3), выполняют, а также формируют пакеты и вводят их наряду с пакетами данных в сеть.

Таблица 3. Основные параметры радиоканалов

ZigBee (WPAN)

Bluetooth (WPAN)

Wi-Fi (WLAN)

IEEE802.15.4
250 Кбит/с
TX: 30–35 мA
Standby: <3 мкA
32…60 Кбайт памяти
Удаленное управление и мониторинг

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточка, фиксированная mesh-сеть c ограниченными функциями маршрутизатора

Возможно управление мощностью передатчика ERP Tx

IEEE 802.15.1 версия 1.2
1 Мбит/с
TX: 40 мA
Standby: 200 мкA
100+ Кбайт памяти
Telecom Audio, Small file Xfer

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточка, Piconet, Scatternet

Управление передатчика ERP Тх реализовано для классов 1,2 (4–20 дБм)

Не реализовано при –30…1дБм)

802.11b/g
1…54 Мбит/с
TX: 400+ мA
Ожидание: 20 мA
100+ Кбайт памяти
Точка доступа АР, WLAN
как дополнение к LAN

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточка (инфраструктура) 802.11s (фиксированная mesh-сеть)

Управление мощностью ERP-передатчика не реализовано

Применение технологии Wi-Fi в качестве транспортной среды для передачи любой информации, представленной высокоскоростными стандартами (802.11b,g), с каждым днем становится все более привычным делом в местах массового пользования, в т.ч. в зданиях административно-офисного типа, где уже установлены базовые станции типа hot-spot [1].

Ее основными особенностями являются простота принципов построения и настроек мобильного абонента под беспроводную сеть.

Wi-Fi-технология позволяет строить беспроводные самоорганизующиеся сети инфраструктурного типа, т.е. создавать многоточечную топологию с беспроводной точкой доступа для подключения мобильных абонентов. Однако такая топология, скорее, является одним из недостатков, если рассматривать ее как вариант самоорганизующейся сети — выход из строя базовой станции (точки доступа) приводит к падению мобильной радиосети в целом.

Это замечание не относится к беспроводным сетям ячеистой структуры стандарта IEEE802.11s, которые находят применение в качестве беспроводных сетей фиксированной связи. Их узлы не имеют, как правило, автономных источников электропитания (аккумуляторных батарей).

Вторым недостатком мобильных Wi-Fi-сетей с точками доступа по-прежнему остается небольшой срок работы аккумуляторных батарей и высокий показатель EIRP. Поэтому для использования модулей Wi-Fi совместно с портативными устройствами мобильной связи в последних дополнениях к стандарту IEEE802.11 все же был предусмотрен энергосберегающий режим (sleep) [3].

Безусловно, WLAN Wi-Fi-класса — идеальная технология для организации передачи речевой информации по беспроводной инфраструктуре предприятия или внутри зданий административно-офисного типа. Начиная с 2005 г. уже появились компактные телефоны VoIP Wi-Fi, представленные такими фирмами как Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi. ADSL ISP. В то же время некоторые поставщики интернет-услуг (например, нидерландская компания ISP XS4All) даже начали предоставлять клиентам услуги VoIP.

Но, несмотря на все свои преимущества, технология Wi-Fi существенно проигрывает беспроводным самоорганизующимся сетям WPAN по мобильности (см. табл. 1, 3).

Особое место среди ad-hoc-сетей WPAN занимают беспроводные сенсорные сети.

Самоорганизующиеся беспроводные сенсорные сети и их назначение

Их основное назначение заключается не только в обмене данными между узлами по децентрализованной самоорганизующейся сети, но и в сборе передаваемой информации (в основном, данных) от датчиков (температуры, давления, влажности, уровня радиации, акустических колебаний) в центральный узел с целью ее последующего анализа или обработки.

Востребованность беспроводных сенсорных сетей на рынке также тесно связана с концепцией интеллектуализации таких объектов как дом, офис и производственные помещения, где городской человек проводит до 90% своего времени, а также с концепцией создания кибернетических производств (полностью оснащенных роботами), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных технологий на уровне АСУ ТП [4, 5].

Что касается концепции «умного дома» и создания максимального комфорта на работе, то в последнее время такие беспроводные технологии как Home RF (Shared Wireless Access Protocol- SWAP) и Bluetooth пришли на замену хорошо известным проводным решениям LonWork и HomePNA, завоевав свою нишу на рынке связи для домашней автоматизации и в современных зданиях административно-офисного типа [4].

Современные беспроводные сенсорные сети домашнего, офисного и промышленного применения, ориентированные в основном на передачу данных, представлены технологиями ZigBee и ZigBee Pro (их прежние названия HomeRF lite, Firefly и RF-EasyLink); Bluetooth; WHart (IEC) и ISA 100.11a.

Следует особо отметить экономичную технологию ZigBee, которая имеет, скорее, домашнее и офисное применение, тогда как дорогостоящие технологии WHart и ISA 100.11a специально разработаны для сетей промышленного назначения. Разница в стоимости объясняется тем, что интеллектуализация жилых и офисных помещений предназначена обеспечить человеку максимальный уровень комфорта и характеризуется минимумом финансовых затрат на разработку беспроводных сенсорных сетей [4], в то время как концепция создания кибернетических производств, где роботы или исполнительные механизмы функционируют в совершенно иных условиях (повышенного давления и влажности или несовместимого с жизнью человека уровня радиации, а также с высокими требованиями к надежности и целостности передаваемой информации), требует совершенно иных финансовых затрат [4—7].

Однако следует отметить, что разработка дополнения к стандарту IEEE802.15.4 в виде IEEE802.15.4e все же позволила несколько приблизить ZigBee к промышленному сектору.

Стандарт IEEE802.15.4 — основа беспроводных самоорганизующихся сенсорных сетей

Перечисленные выше технологии представлены разными протоколами верхнего уровня модели OSI. Несмотря на разное назначение, все стеки протоколов этих технологий (за исключением Bluetooth) разработаны на базе единого стандарта LR WPAN IEEE802.15.4, который описывает протоколы нижнего уровня (PHY и MAC) модели OSI и предлагается в качестве единственного низкоскоростного энергосберегающего стандарта для беспроводных персональных сетей WPAN [8].

Позднее у международного стандарта IEEE802.15.4 появилось дополнение в виде IEEE802.15.4а, позволяющее на физическом уровне повысить скорость передачи данных с 250 Кбит/с до 1 Мбит/с в 2,4-ГГц ISM-диапазоне и выше, т.е. до 480 Мбит/с с радиусом действия до 2 м (DS UWB) в частотном диапазоне 3…10 ГГц [9]. В настоящее время в России уже реализованы некоторые проекты по созданию беспроводных сенсорных сетей с использованием chirp-технологий (CSS) и UWB [10].

Одновременно cо стандартом IEEE802.15.4а был создан еще один высокоскоростной стандарт — WPAN укороченного радиуса действия ECMA 368 (MB UWB) в виде ISO/IEC26907 (см. табл. 1) с учетом предложений WiMedia/MBOA и решений по IEEE802.15.3а [11].

Над разработкой радиочипов UWB работают такие компании как Intel (технологии WiMedia и USB 2.0), WISAIR (MB UWB OFDM), Motorola (DS UWB), Freescale (MB-UWB и DS-UWB) [12–14].

Однако основное назначение стандарта IEEE802.15.4.а и ECMA — создание высокоскоростной транспортной среды в виде WPAN для пересылки высококачественных мультимедийных сообщений, в т.ч. для применения в некоторых «особых случаях» (см. табл. 1). В данном случае имеется ввиду пересылка данных со специальными требованиями ко времени отклика (Тз) в сенсорной сети, например, в специальных сетях заводской автоматики с Тз <10 мс или в сенсорных сетях с большим количеством узлов [15].

ZigBee

Последние достижения в области беспроводных технологий в виде энергосберегающих ad-hoc ZigBee и ZigBee-подобных технологий (IEEE802.15.4) (см. табл. 1) позволили создать низкоскоростные самоорганизующиеся сенсорные сети ячеистого типа (mesh).

Отличительной особенностью сети топологии «ячейка» в сравнении с другими топологиями в том, что она состоит, как правило, из однородных элементов, каждый из которых выступает как независимый маршрутизатор. Mesh-cеть, в которой каждый узел может связаться с каждым другим узлом, представляет собой полносвязную систему. Для нее характерна избыточность с заранее определенным количеством узлов, которая, в свою очередь, существенно повышает надежность в сравнении с мобильной технологией Bluetooth.

Как уже отмечалось, исключением из общего правила построения энергосберегающих беспроводных самоорганизующихся сенсорных сетей (IEEE802.15.4) является технология Bluetooth (IEEE802.15.1) [16].

Bluetooth

В настоящее время технология Bluetooth представлена различными версиями (от 1.1 до 4.х) и скоростными диапазонами (1…5 Мбит/с). Причем достижение высоких скоростей по-
следних версий стало возможным не за счет архитектуры построения беспроводной «ad-hoc» сети, а за счет функции «colocation» (две в одном устройстве), реализуемой совместно с другими технологиями, например, совместно с Wi-Fi или UWB.

Если говорить о преимуществах Bluetooth, то, прежде всего, следует отметить ее как высокоскоростную технологию, которую можно смело поставить в ряд с UWB или Wi-Fi (см. табл. 1). К ее недостаткам, скорее, можно отнести энергоемкость (по сравнению, например, с технологией ZigBee). Поэтому основная проблема, которая решалась на протяжении последних лет и решается в настоящее время в последних версиях Bluetooth, заключается в увеличении срока службы автономных источников электропитания. Вопросы по созданию технологии Bluetooth в качестве энергосберегающей решаются в т.ч. за счет специальных алгоритмов работы радиопередающих устройств, которые включаются в сеть лишь на момент пересылки данных (версии 4.0).

Беспроводная сеть Bluetooth в классическом понимании — это беспроводная одноранговая динамическая сеть с переменным количеством мобильных узлов типа Piconet или Scatternet с децентрализованным управлением, которая может быть развернута в ограниченном пространстве (с количеством узлов до 80). Для организации беспроводной сенсорной сети

необходима общая точка доступа в качестве центрального узла управления сетью и обработки информации.

Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) в 1998 г. В нее вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии группа Bluetooth SIG и организация IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 [16].

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в безлицензионном ISM-диапазоне (2,4…2,4835 ГГц) со скоростями 1 Мбит/с (версия 1.2); 3 Мбит/с (версия 2.0); 24 Мбит/с (версия 3.0).

В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS. Метод FHSS прост и устойчив к помехам, а радиоустройства в основном недорогие.

Начиная с версии 1.2, были добавлены возможности адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что частично решило проблемы сосуществования разных систем в одном частотном диапазоне. Топологии сети: slave, точка-точка; master-slave, точка-Piconet; multi-masters, Scatternet.

Передача речевой информации и технология Bluetooth

Передача речевой информации для технологии Bluetooth также не является новой. В Bluetooth версии 1.2 предусмотрен профиль Hands Free для передачи монозвука (поток E0 = 64 Кбит/с). Возможно одновременное использование трех голосовых радиоканалов на один Piconet.

Применение технологии eSCO (расширенных синхронных подключений) улучшило качество передачи голоса путем повторения поврежденных пакетов. Реальная скорость передачи информации (версия 1.2) составляет около 721 Кбит/с; используется также режим управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol). Таким образом, при передаче цифровых данных и речевой информации в виде звукового сигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования. Повторная передача речевой информации не предусмотрена, а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях

В поздних версиях (начиная с 2.1) был разработан профиль Headset, позволяющий передавать даже стереозвук. Этот профиль был опробован стереогарнитурах.

Для версий 2.х (скорость передачи от 3 Мбит/с) разработан профиль NFC (Network Field Connection) c одновременным использованием радиоканала под два или несколько радиоустройств.

В классах 1, 2, которые характеризуют выходные мощности радиосигналов ERP-передатчиков, был решен вопрос об их управлении. Основные характеристики технологии Bluetooth, в т.ч. касающиеся энергопотребления, в сравнении с другими беспроводными технологиями представлены в таблицах 1 и 2.

Мобильная беспроводная инфраструктура для передачи речевой информации

Из сказанного следует, что основными претендентами по созданию мобильной беспроводной транспортной среды для передачи речевой информации внутри инфраструктуры предприятия наряду с Wi-Fi являются также технологии Bluetooth и ZigBee (см. рис. 2).

Рис. 2. Архитектура беспроводной сенсорной сети ad-hoc для передачи речевой информации

На рисунке 2 представлены два варианта (Mesh и Piconet) построения беспроводной сети, состоящие из узлов в виде приемо-передающих ретрансляторов радиосигналов, с возможностью подключения через интерфейс (например, RS-232, см. рис. 3) акустических датчиков (и датчиков телефонии). Каждое устройство должно включать в себя микропроцессорные модули с режимами энергосбережения, например: ARM, AVR (Atmel), PIC c RISC-подобной архитектурой или на базе Intel 8051 (Atmel, Maxim, IC, SiLab, TI, NXP). Каждая беспроводная транспортная среда, состоящая из узлов, может содержать дополнительные элементы избыточности с целью повышения ее надежности. Устройства беспроводной сети должны обладать способностью автоматически определять наиболее приемлемый вариант передачи информации по оптимальному маршруту. Точка радиодоступа, представленная на рисунке 2, должна осуществлять координацию, организацию и установку параметров беспроводной сети выбранной топологии. Возможно использование нескольких точек доступа, общее количество которых рассчитывается исходя из возможностей сети и количества акустических датчиков. В ее состав входит шлюз с выходом в Ethernet. Кроме того, могут быть также реализованы дополнительные возможности беспроводной связи с помощью Wi-Fi или 3G. Шлюз, как правило, используется для пересылки информации от устройств беспроводной сети в многофункциональный ПК для ее последующей обработки.

Рис.3. Блок преобразования речевой информации

Совершенно очевидно, что применение в качестве базы беспроводных сенсорных сетей, которые традиционно были предназначены для передачи данных, будет связано с определенными трудностями. Блок воспроизведения речевой информации может находиться как в ПК, так и в точке доступа. С помощью обозревателя многофункционального ПК, который используется в т.ч. в качестве системного менеджера, можно оперативно осуществлять настройку и управление всей системой в целом с помощью встроенного в точку доступа веб-интерфейса.

Технология передачи речи должна быть похожа на VoIP, а голосовой трафик транслироваться в реальном времени. В случае низкоскоростной передачи по беспроводной сети (ZigBee) необходимо применение вокодеров/девокодеров, существенно снижающих скорость речевого потока (при монозвуке стандартный поток E0 = 64 Кбит/c) и восстанавливающих на приемной стороне, чтобы позволить передачу речи от других узлов радиосети (см. рис. 3).

Возникает также проблема обеспечения безопасности переговоров.

Сравнение возможностей Bluetooth и ZigBee в качестве беспроводных сенсорных сетей

Уместно заметить, что для Bluetooth характерно стихийное создание мобильной сети массового пользователя, когда практически любой человек, владея таким радиоинтерфейсом, может к ней без труда подключиться, если, конечно, не будет грамотно решена политика безопасности от несанкционированного доступа. Это становится первостепенной задачей при использовании технологии Bluetooth для беспроводной сенсорной сети.

Если говорить о ZigBee, то для этой технологии уже предусмотрены программно- аппаратные средства в виде AES-криптозащиты. Основное назначение ZigBee — беспроводные сенсорные сети. В отличие от Bluetooth, ZigBee-сеть представляет собой распределенную самоорганизующуюся беспроводную структуру, которая может простираться на многие километры и состоять из большого количества узлов. В ее архитектуре помимо возможностей подключения датчиков предусмотрено наличие центрального узла управления (в виде точки доступа с возможностью для подключения стационарного ПК или переносного компьютера, выполняющего функции управления и обработки информации). В настоящее время технология ZigBee, разработанная непосредственно для беспроводных сенсорных сетей, является, по сути, единственной технологией, с помощью которой можно решить любые задачи мониторинга и контроля, которые в т.ч. критичны ко времени отклика (Тз) от датчиков.

Для проектирования беспроводных сенсорных сетей на базе технологии ZigBee (в отличие от Bluetooth) выпущен большой ряд инструментальных наборов таких компаний-разработчиков как Telegesis, Ember, Freescale, Dust, TI и др.

Альянс ZigBee также одобрил применение технологии UWB стандарта IEEE802.15.4a. Однако на рынке пока нет высокоскоростных ZigBee-решений (за исключением оригинальных решений [17]). Возможности технологии ZigBee, ее преимущества и недостатки в сравнении с Bluetooth и с другими беспроводными технологиями представлены в таблицах 1, 4.

Таблица 4. Основные параметры программно-аппаратных средств передачи речевой информации

Стандарт

Тип кодирования; сложность алгоритма, MIPS; качество речи, MOS

Требуемая полоса пропускания, Кбит/с

Задержка накопления, мс

Задержка при кодировании, мс

Размер кадра, кол-во октетов

G.726

ADPCM; 8; 3,8

16; 24; 32; 40

5

1

10, 15, 20, 25

G.728

LD-CELP; 40; 3,6

16

3…5

10

G.729

CS-ACELP; 30; 2,68—3,92

8

10

10

G.723.1

Multi Rate Coder (ACELP/MP-MLQ); 20/3,7—3,9

5,3; 6,3

30

30

20, 24

G.711

PCM; 8/4,1

48; 56; 64

5

0,75

30, 35, 40

Что касается практического применения ZigBee как технологии для передачи речевой информации, то этот вопрос требует проведения дополнительных исследований, хотя уже известны схемотехнические решения в этой области, разработанные фирмой Jennic и CaliforniaLab [17,18].

Выводы

На предприятиях промышленного комплекса возможно использование беспроводных сенсорных сетей не только по их основному назначению (для сбора данных и передачи команд исполнительным механизмам полевого уровня АСУ ТП), но и в качестве создания мобильной беспроводной инфраструктуры для обмена речевой информацией. Наиболее подходящими для этой цели являются технологии Bluetooth и ZigBee, которые в соответствии с разрабатываемым проектом стандарта ISA100.15 BACKHAUL легко интегрируются в единую беспроводную среду промышленных предприятий и крупных производственных комплексов.

Литература

1. Г.Ф. Гайкович. Обзор беспроводных технологий для современных мобильных устройств связи. Электронные компоненты. №1. С. 65. 2007.

2. Г.Ф. Гайкович. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП. №1. С. 48. 2009.

3. www.microchip.com.

4. В.С. Барсуков. Новые технологии интеллектуальных объектов: комфорт плюс безопасность. Специальная техника №4. 2004//st.ess.ru/publications/4_2004/barsukov/barsukov.htm.

5. Г.Ф. Гайкович. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 10. С. 64. 2007.

6. В.М. Вишневский, Г.Ф. Гайкович. Беспроводные сенсорные сети в системах промышленной автоматики. Электроника №1. 2008//www.electronics.ru/issue/
2008/1.

7. Г.Ф. Гайкович. Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 2. С.75. 2008.

8. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). Revision of 802.15.4-2003. July 2006//standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.

9. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendent 1: Add Alternate PHYs. 2007//standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.

10. А.С.Дмитриев, Е.В. Ефремова и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53 №10. С.1278–1289.

11. ECMA368 или ISO/IEC 26907:2007. Information technology. Telecommunications and information exchange between systems. High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard.

12. Широкополосный беспроводный контроллер Intel Wireless UWB Link 1480 MAC//www.vsesmi.ru/news/140739.

13. Wisair и Intel считают, что UWB готов к внедрению//www.7wolf.ru/index_list_news_ny_2004_nm_04_nd_09.zhtml.

14. Freescale nabs UWB design win, backs USB 2.0//www.commsdesign.com/news/tech_beat/showArticle.jhtml?articleID=164902887.

15. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные высокоскоростные, сверхширокополосные сети. Электронные компоненты. № 10.
С.14. 2009.

16. IEEE Std 802.15.1-2005. IEEE Standard for Information technology. Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements Part 15.1: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks//ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1490827.

17. ZICM2410P0-1C @CEL//www.cel.com.

18. ZigBee-контроллер JN5139 для создания беспроводного аудиосигнала с телефонным качеством//www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Jennic/JN5139-EK0x0.htm.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Галина Гайкович, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты