Стандарты беспроводной связи диапазона ISM

Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (industrial, scientific and medical), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами:

– желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния;

– выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM;

– появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM.

В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.

– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;

– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;

– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.

Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.

Диапазон ISM

Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISM-диапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе — Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). В таблице 1 представлена классификация устройств, функционирующих в ISM-диапазоне, предложенная FCC и ETSI.

Таблица 1. Классификация устройств ISM-диапазона по FCC и ETSI

Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот.

2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы.

1. В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee, а также микроволновые печи. Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS).

2. Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц
более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности.

Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки:

– рабочий цикл в этой полосе частот ограничен;

– невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами;

– ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.

Стандарты ISM-диапазона

За последние несколько лет появилось несколько беспроводных стандартов, работающих в ISM-диапазоне. Эти стандарты вместе с патентованными решениями компаний обеспечивают широкие возможности для разработки разнообразных беспроводных продуктов. Стандарты ISM-диапазона отличаются скоростью передачи данных, дальностью связи, областью применения, а также используемым способом модуляции. На рисунке 1 представлены некоторые беспроводные стандарты ISM-диапазона в зависимости от дальности действия и скорости передачи.

Рис. 1. Беспроводные стандарты ISM-диапазона

Среди беспроводных стандартов, приведенных на рисунке 1, Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee и IEEE 802.15.4 можно рассматривать как наиболее широко распространенные сегодня. Большинство этих стандартов работает в 2,4-ГГц диапазоне.

Bluetooth

Эта технология базируется на стандарте IEEE 802.15.1. Bluetooth, который позволяет устройствам устанавливать связь в диапазоне частот 2,4…2,4835 ГГц. Bluetooth позволяет таким устройствам как мобильные телефоны, КПК, принтеры, лэптопы и наушники обмениваться данными, когда они находятся в радиусе до 10…100 м друг от друга (дальность в большой мере зависит от наличия преград и помех). Эта технология использует частотную модуляцию с гауссовой фильтрацией (Gaussian frequency shift keying, GFSK) совместно с FHSS. В стандарте Bluetooth доступны три уровня выходной мощности. Устройства класса 1, 2 и 3 обеспечивают выходную мощность 20, 4 и 0 дБм, соответственно (см. табл. 2).

При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка» (point-to-point), но и соединение «точка – множество точек» (point-to-multipoint).

В 2009 г. группой Bluetooth SIG была представлена новая версия стандарта Bluetooth 4.0, в которой применена технология Bluetooth с низким энергопотреблением — Bluetooth Low Energy. Этот стандарт предназначен для обмена данными с меньшей потребляемой мощностью, чем в предшествующей версии. Данная технология прежде всего предназначена для миниатюрных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т.д.).

Потребляя меньше энергии, технология Bluetooth Low Energy обеспечивает связь между небольшими устройствами (например, датчиками и мобильными устройствами) в пределах персональных сетей. Технология Bluetooth Low Energy имеет две одинаково важные реализации: однорежимную (single-mode) и двухрежимную (dual-mode). Миниатюрные устройства, такие как часы и спортивные датчики, на основе однорежимных модулей Bluetooth будут максимально использовать преимущества низкого энергопотребления и обеспечивать высокую степень интеграции и компактные размеры устройств. В двухрежимной реализации функциональные возможности Bluetooth Low Energy интегрируются в классический Bluetooth. Эта реализация улучшит существующие чипы новым стеком Bluetooth Low Energy, добавляя при этом новые возможности в классические устройства Bluetooth.

Низкое энергопотребление в Bluetooth 4.0 достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт обеспечивает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8–27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Надежность связи обеспечивает усовершенствованная коррекция ошибок, а высокий уровень безопасности — 128-битное AES-шифрование.

Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т.д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные управляющие устройства: мобильные телефоны, КПК, ПК и т.д.

Wi-Fi

На сегодня это наиболее известная технология беспроводной связи для компьютеров и интернета. Технология Wi-Fi объединяет большую часть компьютеров, КПК и других устройств, в том числе игровых и портативных аудиоустройств. Понятие Wi-Fi применимо к беспроводным устройствам, которые используют набор стандартов IEEE 802.11. За исключением 802.11n, стандарт Wi-Fi работает в полосе частот 2,4 ГГц (2,4…2,4835 ГГц) и использует технологии FHSS и DSSS. Одной из проблем технологии 802.11 является безопасность сети, т.к. в беспроводную локальную сеть можно проникнуть извне.

Обычно схема Wi-Fi-сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Возможно также подключение двух клиентов в режиме «точка-точка», когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются с помощью сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения.

В 2009 г. был принят стандарт IEEE 802.11n, который позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n (см. табл. 3). Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.

Таблица 3. Сравнение скоростей передачи данных стандартов IEEE 802.11

Устройства стандарта 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов — 2,4 или 5 ГГц. Это намного повышает гибкость их применения, позволяя отстраиваться от источников радиочастотных помех. Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трех режимах:

– наследуемом (legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a;

– смешанном (mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n;

– «чистом» режиме 802.11n (именно в этом режиме можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальности передачи данных, которые обеспечены стандартом 802.11n).

Спецификация 802.11n предусматривает использование как стандартных каналов шириной 20 МГц, так и широкополосных — 40 МГц с более высокой пропускной способностью. Проект версии 2.0 рекомендует применять 40-МГц каналы только в диапазоне 5 ГГц, однако пользователи многих устройств такого типа получат возможность вручную переходить на них даже в диапазоне 2,4 ГГц.

Ключевой компонент стандарта 802.11n — технология MIMO (Multiple Input, Multiple Output) — предусматривает применение пространственного мультиплексирования с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных. Именно возможность одновременной передачи и приема данных определяет высокую пропускную способность устройств 802.11n.

IEEE 802.15.4

В отличие от Bluetooth и Wi-Fi/802.11 связь по стандарту IEEE 802.15.4 предназначена для приложений с малой скоростью передачи данных на частотах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Число каналов и скорость передачи, используемые в данном стандарте, различаются в зависимости от выбранного частотного диапазона:

– 868,0…868,6 МГц: Европа, разрешается один канал связи;

– 902…928 МГц: Северная Америка, тридцать доступных каналов;

– 2400…2483,5 МГц: используется во всем мире, свыше шестнадцати каналов.

Наиболее популярной частотой является 2,4 ГГц с максимальной скоростью передачи 250 кбит/с. Основными областями применения этого стандарта являются системы домашней автоматики, дистанционные измерения, игровые системы и сети беспроводных датчиков. Одним из главных направлений использования являются системы сбора данных и управления в реальном времени, где, как правило, не требуется слишком большая скорость. Одной из ключевых особенностей стандарта IEEE 802.15.4 является малое энергопотребление, что обеспечивает длительный срок службы батарей (10—20 лет). Обычно предельной дальностью работы является 10-м радиус связи со скоростью передачи 250 кбит/с. Сравнение стандартов IEEE 802.15.4 и Bluetooth приведено в таблице 4.

Таблица 4. Сравнение стандартов IEEE 802.15.4 и Bluetooth

В ряду важнейших функций стандарта IEEE 802.15.4 — обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как проверка качества соединений и детектирование энергии.

Первоначальная версия стандарта определяла два физических слоя, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра DSSS, один из которых работает в полосе 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а другой в полосе 2,4 ГГц со скоростью 250 кбит/с.

В 2009 г. были добавлены (спецификации 802.15.4c и 802.15.4d) доступные физические слои: в полосе 780 МГц используется квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature phase-shift keying, QPSK) или фазовая манипуляция более высоких порядков (M-PSK); в полосе 950 МГц — гауссовская частотная манипуляция (Gaussian frequency-shift keying, GFSK) или двоичная фазовая манипуляция (Binary phase-shift keying, BPSK).

Стандарт определяет два типа узлов сети. Первый — полнофункциональное устройство (FFD). Оно может работать в качестве координатора персональных сетей, а также в качестве общего узла. Другой — устройства с облегченными функциями. Это чрезвычайно простые устройства, которые могут только поддерживать связь с полнофункциональными устройствами и никогда не действуют в качестве координаторов.

Сети могут быть построены как по одноранговой (равноправной) топологии, так и по топологии типа «звезда». Однако в каждой сети должно быть, по меньшей мере, одно полнофункциональное устройство для работы в качестве координатора. Каждое устройство имеет уникальный 64-разрядный номер или при определенных условиях — укороченный 16-разрядный идентификатор. В пределах каждого домена персональной сети используют, как правило, краткие идентификаторы.

Zigbee

Стандарт Zigbee построен на базе физического уровня стандарта IEEE 802.15.4. Диапазон 2,4 ГГц остается наиболее широко используемой полосой частот для Zigbee. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). Стандарт ZigBee предназначен для приложений, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при меньших скоростях передачи данных.

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе 10…75 м с максимальной скоростью 250 кбит/с. Для сравнения: широко распространенные в настоящее время беспроводные сети Bluetooth и Wi-Fi обеспечивают пропускную способность до 2,1 и 54 Мбит/с, соответственно.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах — 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250, 40 и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей (Carrier Sense, Multiple Access, CSMA), т.е. устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу. Поддерживается шифрование по алгоритму AES с длиной ключа 128 бит.

Изначально стандарт ZigBee разрабатывался с тем, чтобы максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети. При этом большую часть времени аппаратура будет находиться в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир. Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. При применении 64-разрядной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Области применения данной технологии — построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также системы бытовой электроники и ПК. Спецификация ZigBee доступна для широкой публики при условиях некоммерческого использования.

Существуют три различных типа устройств ZigBee:

– координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он запускает сеть и может хранить информацию о сети, включая секретные пароли;

– маршрутизатор ZigBee (ZR) может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные от других устройств. Он также может запускать функцию приложения;

– конечное устройство ZigBee (ZED) может обмениваться информацией с материнским узлом (или с координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Это позволяет узлу большую часть времени находиться в спящем состоянии и, следовательно, экономить ресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, поэтому он дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Кроме стандартов, представленных выше, беспроводная связь в диапазоне ISM применяется и в некоторых новых стандартах, которые находятся на ранней стадии разработки. Например, UWB (Ultra-Wide Band) — это технология для высокоскоростной связи на малые расстояния при очень низком энергопотреблении. Использование широкой полосы частот позволяет UWB достичь скорости до 480 Мбит/с, правда, на очень малых расстояниях — до 3 м. На дальности до 10 м технология позволяет достичь лишь 110 Мбит/с.

Пропускная способность устройств стандарта UWB резко падает с увеличением расстояния — гораздо быстрее, чем у стандарта 802.11a/g, обеспечивающего пропускную способность до 54 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Одним из перспективных направлений применения технологии UWB является беспроводная замена интерфейса USB.

В результате происходящей сейчас революции беспроводной связи этот вид коммуникаций становится все более доступным. Беспроводная связь диапазона ISM используется во всех областях жизни, поэтому требуется тщательное и продуманное распределение частного спектра, выделенного для этого диапазона. Второй задачей, которой придается огромное значение, является необходимость создания новых методов борьбы с помехами, что обусловлено высокой степенью загруженности этого диапазона.

Литература

1. Iboun Taimiya Sylla. The ISM Revolution: The Next Big Thing//www.eetimes.com.

2. Louis E. Frenzel. ISM-Band Innovations Make Wireless Design A Snap//www.electronicdesign.com.

3. N. Golmie. Interference in the 2.4 GHz ISM Band: Challenges and Solutions//National Institute of Standards and Technology.

4. Shone Tran. Clearing the confusion on battery life and range for 2.4-GHz low power RF//www.eetimes.com.

5. Iboun Taimiya Sylla. To ZigBee or Not to ZigBee? Factors to consider when selecting ZigBee Technology//www.eetimes.com.