1.5. Стандарты Bluetooth, Wi-Fi, WiMax
Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая гауссова частотная модуляция.
Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 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. 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.
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, а остальные — как подчиненные. 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».
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 (рис.1.12.).
Рис. 1.12. Пикосеть с одним подчиненным устройством а), несколькими б) и распределенная сеть в)
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. Длина цикла псевдослучайной последовательности — 227 элементов.
В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени. Основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство — в четные (рис. 1.13.). Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рис. 1.14.).
Рис. 1.13. Временная диаграмма работы канала
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.
При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые синхронные интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается. При асинхронной связи используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Если в адресном поле асинхронного пакета адрес не указан, пакет считается «широковещательным» — его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.
Рис. 1.14. Передача пакетов различной длины
Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72 бита, 54-битный заголовок и информационное поле длиной не более 2745 бит. Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), слово синхронизации (64 бита) и трейлер — 4 бита контрольной суммы.
Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей: AM_ADDR — 3-битный адрес активного элемента; 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; HEC — 8-битная контрольная сумма.
Информационное поле, в зависимости от типа пакетов, может содержать либо поля голоса, либо поля данных, либо оба типа полей одновременно.
Рассмотрим стандарт IEEE 802.11, используемый в локальных сетях передачи данных — т.е. в Ethernet-подобных беспроводных сетях, принципиально асинхронных по своей природе.
IEEE 802.11 рассматривает два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем — физический (определяются способ работы со средой передачи, скорость и методы модуляции) и уровень звена данных, причем на последнем уровне рассматривается нижний подуровень — MAC, т.е. управление доступом к каналу (среде передачи). IEEE 802.11 использует диапазон 2,400 — 2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц и предусматривает пакетную передачу с 48-битовыми адресными пакетами.
Стандарт предусматривает два основных способа организации локальной сети — по принципу «каждый с каждым» (связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, все устройства должны находится в зоне радиовидимости, никакого администрирования не происходит) и в виде структурированной сети (появляется дополнительное устройство — точка доступа, как правило, стационарная и действующая на фиксированном канале; связь между устройствами происходит только через точки доступа, через них же возможен выход во внешние проводные сети).
Как правило, функции управления распределены между всеми устройствами сети IEEE 802.11 — режим DCF. Однако для структурированных сетей возможен режим PCF, когда управление передано одной определенной точке доступа. Необходимость в режиме PCF возникает при передаче чувствительной к задержкам информации. Ведь сети IEEE 802.11 действуют по принципу конкурентного доступа к каналу — приоритетов нет. Чтобы их при необходимости задавать, и введен режим PCF. Однако работа в данном режиме может происходить только в определенные периодически повторяющиеся интервалы.
Для безопасности передачи данных на MAC-уровне предусмотрены аутентификация станций и шифрование передаваемых данных.
IEEE 802.11 осуществляет множественный доступ к каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Станция может начать передачу, только если канал свободен. Если станции обнаруживают, что на одном канале пытаются работать несколько станций, все они прекращают передачу и пытаются возобновить ее через случайный промежуток времени. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т.е. работать на прием 32.
Перед первой попыткой получить доступ к каналу устройство загружает длительность случайного интервала ожидания в специальный счетчик. Его значение декрементируется с заданной частотой, пока канал свободен. Как только счетчик обнулится, устройство может занимать канал. Если до обнуления счетчика канал занимает другое устройство, счет останавливается, сохраняя достигнутое значение. При следующей попытке отсчет начинается с сохраненной величины. В результате не успевший в прошлый раз получает больше шансов занять канал в следующий раз. В проводных сетях Ethernet подобного нет.
Пакеты, посредством которых происходит передача, фактически формируются на MAC-уровне, на физическом уровне к ним добавляется заголовок физического уровня (PLCP), состоящий из преамбулы и собственно PLCP-заголовка. Пакеты MAC-уровня могут быть трех типов — пакеты данных, контрольные и пакеты управления. Их структура одинакова. Каждый пакет включает MAC-заголовок, информационное поле и контрольную сумму.
В широкополосных городских беспроводных сетях передачи данных с фиксированным доступом используется стандарт IEEE 802.16.
Стандарт IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10 — 66 ГГц систем с архитектурой «точка-многоточка» (из центра — многим). Это двунаправленная система, т.е. предусмотрены нисходящий (от базовой станции к абонентам) и восходящий (к базовой станции) потоки. При этом каналы подразумеваются широкополосные (порядка 25 МГц), а скорости передачи — высокие (например, 120 Мбит/с).
Стандарт IEEE 802.16 предусматривает схему с модуляцией одной несущей (в каждом частотном канале) и допускает три типа квадратурной амплитудной модуляции: четырехпозиционную QPSK и 16-позиционную 16-QAM(обязательны для всех устройств), а также 64-QAM(опционально).
Данные на физическом уровне передаются в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длительность — 0,5; 1 и 2 мс. Кадр состоит из преамбулы (синхропоследовательности длиной 32 QPSK-символа), управляющей секции, последовательности пакетов с данными. Поскольку определяемая стандартом IEEE 802.16 система двунаправленная, необходим дуплексный механизм. Он предусматривает как частотное, так и временное разделение восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры, разделенные специальным интервалом. При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы транслируются каждый на своей несущей.
MAC-уровень IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня — подуровень преобразования сервиса (сервисы — это различные приложения), основной подуровень и подуровень защиты. На подуровне защиты реализуются механизмы аутентификации и шифрование данных. На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи данных через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных, которые затем передаются на физический уровень и транслируются через канал связи. Пакет MAC включает заголовок и поле данных, за которым может следовать контрольная сумма.
Ключевой момент в стандарте IEEE 802.16 — это понятие сервисного потока и связанные с ним понятия «соединение» и «идентификатор соединения» (CID). Сервисным потоком в стандарте IEEE 802.16 называется поток данных, связанный с определенным приложением. В этом контексте соединение — это установление логической связи на MAC-уровнях на передающей и приемной стороне для передачи сервисного потока. Каждому соединению присваивается 16-разрядный идентификатор CID, с которым однозначно связаны тип и характеристики соединения. Сервисный поток характеризуется набором требований к каналу передачи информации (к времени задержки символов, уровню флуктуаций задержек и гарантированной пропускной способности). Каждому сервисному потоку присваивается идентификатор SFID, основываясь на котором БС определяют необходимые параметры связанного с данным сервисным потоком конкретного соединения.
Основной принцип предоставления доступа к каналу в стандарте IEEE 802.16 — это доступ по запросу. Ни одна АС (абонентская станция) не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого, т.е. отведет временной интервал в восходящем канале и укажет его расположение. АС может, как запрашивать определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса. Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа — для каждого отдельного соединения и для всех соединений определенной АС. Очевидно, что первый механизм обеспечивает большую гибкость, однако второй существенно сокращает объем служебных сообщений и требует меньшей производительности от аппаратуры.