Беспроводные линии связи

Беспроводные линии связи

Работа без проводов (обзор средств связи  IrDA, Bluetooth, Wi-Fi, GSM и GPRS, CDMA и др.) Вряд ли удастся представить современную жизнь без компьютера, телефона, КПК и целого арсенала других электронных помощников. Также трудно отыскать перспективную должность, от претендента на которую не требуют способности управлять современной техникой. Новые технологии — хороший повод дополнительно загрузить человечество работой, но вместе с тем это способ облегчить и невероятно ускорить выполнение многих задач.  С внедрением в вычислительные устройства интерфейсов беспроводной связи эти полезные приборы становятся еще более удобными и функциональными. Стандарты такой связи предоставляют «мелкие бытовые удобства» (например, позволяют передать на мобильный новую мелодию) и дают возможность решать «глобальные задачи» (например, оперативно развернуть мобильный офис там, где того потребовала ситуация). О технологиях, сделавших реальными такие сценарии, пойдет речь в нашей статье. 

IrDA

Инфракрасную связь можно считать одним из самых первых стандартов беспроводной передачи данных между вычислительными устройствами (если вести речь не о технологии, а именно о стандарте). Прототип современного ИК-порта появился уже в 1979 году, во время «творческого поиска» компании Hewlett Packard (возможности стандартного калькулятора были расширены внедрением в устройство ИК-передатчика — он позволял отправлять результаты вычислений на принтер). Идею тут же подхватили производители бытовой техники (телевизоров, музыкальных центров и т.п.), предложившие пользователям новинку в виде ПДУ (пульта дистанционного управления). А вот в сфере компьютерных технологий место данному ноу-хау было найдено лишь в 1993 году. Именно тогда была создана некоммерческая организация под названием Infrared Data Association, приступившая к работам по стандартизации метода передачи данных (разработка единой мировой спецификации). На выполнение поставленных задач у группы ушел год, и с 1994-го в инфракрасных частотах — полный порядок. Стандарт унаследовал от «родителя» название IrDA и кроме собственно способа передачи данных (Serial Infrared Link — последовательная инфракрасная линия связи) описывает методы доступа и управления их потоком (Link Access Protocol — IrLAP — протокол доступа и Link Management Protocol — IrLMP — протокол управления).

В 1995 году стандарт получил признание на «высшем уровне» — корпорация Microsoft снабдила Windows 95 программным обеспечением для реализации инфракрасной связи. Тогда же крупнейшие производители электроники выпустили продукты, оснащенные ИК-портом для подключения к компьютеру.

По принципам передачи протокол IrDA во многом сходен с соединением через COM-порт, он также обеспечивает скорость от 2400 до 115200 бит в секунду; по нынешним меркам такой канал сложно назвать скоростным — передача 1 мегабайта информации даже в лучшем случае займет больше минуты. К слову, в конце лета 2005 года появились сведения, что «группа товарищей» (японские компании NTT DoCoMo, Sharp и ученые из Вазедского университета) добилась увеличения пропускной способности канала в 4-10 раз исключительно за счет модернизации алгоритма (аппаратная часть при этом остается прежней). Новый стандарт назван IR Simple, он полностью совместим со старыми версиями протокола и (так как изменения не затрагивают приемник и передатчик) может быть внедрен в устройства простым обновлением прошивки.

Как же происходит пересылка информации? Перед отправкой сообщения его двоичное представление кодируется в последовательность оптических сигналов. Процесс напоминает шифрование и отправку сообщения азбукой Морзе, отличен только «шифр»; очередность получившихся «тире» и «точек» (условно так названы моменты, когда передатчик включен и когда выключен) принимается и расшифровывается оптическим приемником.

Главное преимущество инфракрасной связи — это, конечно же, простота организации канала, определяющая и дешевизну метода. Вкупе с простотой принципов кодирования сигнала эти соображения позволяют без большой головной боли применять беспроводную связь в различных электронных «самоделках»: от чайников, управляемых с компьютера, до устройств автоматического включения света в помещении. Также «в плюс» тот факт, что оптический способ «разговора» защищает информацию от перехвата «третьими лицами». Увы, есть у IrDA и существенные «минусы». Главный — необходимость прямой видимости: любой объект, сопоставимый по размерам с окошком ИК-порта, попадающий на линию «просмотра», прерывает передачу. Во-вторых, связь осуществляется только в режиме «тет-а-тет», то есть приемник способен в данный момент времени «общаться» лишь с одним передатчиком. В-третьих, стандарт не предусматривает специального шифрования, а значит, при передаче по-настоящему секретных данных лучше еще на уровне подготовки информации пользоваться дополнительными мерами обеспечения безопасности.

В общем, как «плюсов», так и «минусов» достаточно. С помощью ИК легко связывать мобильные устройства со стационарными или друг с другом. Например, часто именно так «знакомят» сотовые телефоны или мобильные компьютеры со стационарной периферией. Универсальный порт избавляет от необходимости носить с собой data-кабель. С другой стороны, требования стандарта IrDA затрудняют его использование для «постоянно подключенных устройств» (например, беспроводных клавиатур, т.к. не всегда гарантирована прямая видимость) или для развертывания мини-сетей мобильных устройств (например, соединения нескольких КПК с одним компьютером).

Bluetooth

 Bluetooth — спецификация беспроводных персональных сетей . Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10-100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях. Еще один способ избавиться от проводов — использовать стандарт беспроводной связи Bluetooth. Он очень удобен при соединении между собой электронных «игрушек» или при подключении их к «большим» компьютерам. Технология, несмотря на свою распространенность, достаточно молода — годом ее рождения считается 1998-й, именно тогда целый ряд известных компаний, продвигающих на рынок высокие технологии — Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, — организовали специализированную исследовательскую группу Special Interest Group (SIG), в задачи которой входили разработка и внедрение новой технологии связи в различные пользовательские устройства. Очевидно, что SIG блестяще справилась с поставленной задачей. К слову, группа и сейчас продолжает заниматься новыми версиями стандарта, развиваясь и расширяясь (сегодня в нее входят около 4000 компаний по всему миру).

Стандарт Bluetooth характерен полностью открытой спецификацией. Это означает, что любая компания без дополнительных разрешений и сертификации может внедрять его в свои устройства, будь то сотовые телефоны или домашние тапочки с автоматическим поиском.

Забавное название метода связи (в дословном переводе с английского — «синие зубы») по задумке его создателей должно было раскрывать его миссию. По-видимому, разработчики ожидали от пользователей техники глубочайшего знания мировой истории, тогда бы все помнили жившего в X веке короля Гаральда, объединившего Данию и Норвегию. «Собиратель земель скандинавских», как он известен в народе, то ли действительно за синие зубы, то ли из-за банальной лингвистической оплошности англичан, называвших его на свой манер, получил прозвище Блютус (Bluetooth). Памятуя о короле-«собирателе» из прошлого, создатели предложили для нового стандарта гордое имя, пророча ему честь объединения мобильной электроники всего мира.

Опишем принципы работы технологии вкратце, а заинтересованным читателям подскажем адрес сайта, на котором можно ознакомиться с официальными спецификациями (адрес SIG в Интернете — www.bluetooth.com). Для передачи радиосигналов «блютус» использует интервал частот из диапазона 2,402-2,480 ГГц. Работа на этих частотах не требует лицензирования, иногда их даже называют ISM (сокращение от «Industry, Science, Medicine»), подчеркивая, что «полоса» оставлена для нужд промышленности, науки и медицины. Для производителя и пользователей это означает, что для работы с «синезубыми», как в нашей стране, так и по всему миру, не понадобятся никакие лицензии. Создатели технологии даже предпринимают шаги по расширению «льготного» диапазона, но из-за того, что частоты жестко расписаны между разными организациями и отведены под другие стандарты, переговоры пока ни к чему не привели.

В вопросах безопасности беспроводной «синий зуб» практически не уступает соединению «через провод». То, что частоты «открыты», вовсе не означает открытости данных, передаваемых по Bluetooth. Во время работы приемник и передатчик в случайном режиме синхронно меняют несущую частоту, что вместе с алгоритмами шифрования дает необходимый для своего класса уровень секретности.

Главное удобство этого «массового» стандарта заключается в отсутствии требования прямой видимости между связываемыми устройствами (в отличие, например, от инфракрасной связи). Расстояния, на которых можно «знакомить» технику, зависит от используемого в ней класса Bluetooth (при минимуме в 1 метр оно может достигать и 100 метров). За удобство и комфорт работы без проводов приходится «платить» повышенным расходом энергии: на осуществление связи устройство тратит в среднем около 2,5 мВт электроэнергии. Простенькая Bluetooth-гарнитура способна работать около 100-120 часов в режиме ожидания (изредка меняясь с телефоном сообщениями о «видимости») или 6 часов в режиме разговора (т.е. при достаточно плотном «графике» передач). Понятно, что включенный передатчик быстрее «высаживает» батарею и на самом мобильнике.

Версия 1.0 стандарта Bluetooth поддерживает как полнодуплексный режим работы (одинаковая скорость передачи в обоих направлениях; предельное значение — 433,9 кбит/с), так и асинхронный (скорость в одном направлении больше, чем в другом; максимальный поток в «главном» направлении — 723,3 кбит/с) режим передачи. Сегодня уже разработаны и внедрены в некоторые устройства дальнейшие расширения стандарта — версии 1.1, 1.2 и 2.0. Каждая новая совместима с предыдущими, но отличается алгоритмами подавления шумов в сетях, экономичным энергопотреблением и повышенными скоростями передачи данных (до 2,1 Мбит в секунду при поддержке Enhanced Data Rate или EDR для версии стандарта 2.0).

Еще одно несомненное преимущество Bluetooth — возможность «конференции» между более чем двумя устройствами (для этого предусмотрен «многопользовательский» или «инфраструктурный» режим работы), тогда как, например, при использовании инфракрасного порта можно соединить только два (режим работы «точка»-«точка»). Одновременную передачу нескольких потоков данных «синий зуб» организует с помощью так называемого временного разделения канала, а итоговый поток данных составляется в каждом приемнике из «своих» пакетов.

Для интеграции «синезубых» в обычные локальные сети каждое из них имеет свой уникальный 48-битный сетевой адрес. Он совместим с форматом обычных сетевых MAC- адресов, что позволяет, например, создавать гибридные сети, часть которых проложена обыкновенной витой парой, а другая основана на применении Bluetooth.

Специалисты говорят, что стандарт не имеет себе равных при соединении устройств между собой. Он уже де-факто стал базовым при подключении беспроводных клавиатур, мышей и принтеров к компьютеру, а также при различных «внешних соединениях»: с сотовыми телефонами, КПК или, например, GPS-приемниками.

Wi-Fi

IEEE 802.11 (Wi-Fi) — набор стандартов связи, для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 2.4, 3.6 и 5 Ггц. Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющийся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию в мобильных электронно-вычислительных устройствах: КПК и ноутбуков.  Технологию без преувеличения можно назвать самым серьезным и продуманным стандартом беспроводной связи. Не считая инфракрасной передачи, никакого беспроводного стандарта человечество не ожидало так долго, как внедренного в конце прошлого века Wi-Fi. Еще в 1990 году стало понятно, что со временем компьютеризированным обществом будут затребованы беспроводные сети.

Поэтому уже в начале 90-х от комитета по развитию локальных сетей (IEEE — институт инженеров электроники и электротехники, США) была отделена специальная «группа 802.11». Ее задачей стала разработка стандартов беспроводной связи и

радиооборудования, работающего на частоте 2,4 ГГц. Первоначально в качестве «сверхзадачи» ей поставили цель — достижение скоростей передачи 1 и 2 Мбит в секунду, но, так как работы растянулись на 7 лет (первая версия появилась только в 1997 году), эти показатели уже казались смешными. Чтобы усилия не пропали даром, в опубликованный стандарт срочно внесли изменения. Так, в 1999-м была выпущена знакомая сегодня всем модификация 802.11b, обеспечившая скорость 11 Мбит в секунду (первоначально название документа звучало как 802.11 High rate).

Всемирно известная аббревиатура Wi-Fi — не что иное, как еще одно название стандарта 802.11b — расшифровывается как wireless fidelity (в дословном переводе с английского — «беспроводная точность»).

Для поддержки и дальнейшего развития этого направления в том же 1999 году была создана независимая международная организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), включающая более 80 лидеров компьютерной индустрии. Именно ее деятельность позволяет сегодня быть уверенным в совместимости устройств разных производителей, работающих с Wi-Fi.

Стандарт впервые сталкивает пользователя с понятиями «клиент» (любой компьютер, оборудованный соответствующей сетевой картой) и «точка доступа» (транслирующая сигналы между проводной и беспроводной частями сети). Согласно правилам Wi-Fi, подключения возможны в двух режимах: «точка-точка» (два пользователя, установившие связь) либо «клиент-сервер» (несколько пользователей, подключенных к одной точке доступа, его также называют «инфраструктура»). Второй способ примечателен тем, что позволяет, например, оказывать информационные услуги в местах большого скопления «клиентов» (например, в кафе, ресторанах, аэропортах, на вокзалах и т.п.).

Рабочий диапазон (2,4 ГГц) предоставляет достаточно широкую полосу частот, чтобы обеспечить связь одновременно нескольким устройствам (с минимальными помехами); на создаваемых множественных каналах могут работать независимые устройства (например, разные провайдеры предлагают собственные услуги). Теоретически в стандарте Wi-Fi прописана и возможность передачи данных в инфракрасном диапазоне (алгоритмы схожи), однако на практике она оказалась невостребованной.

Приемник и передатчик, подчиненные стандарту Wi-Fi, занимаются не простой «перегонкой» данных, а «интеллектуальным трудом». В ряде случаев при изменении уровня помех на территории, где осуществляется передача, они могут «договариваться» о синхронном изменении скорости передачи. Существует и так называемый энергосберегающий способ передачи данных.

Самый распространенный пример использования Wi-Fi, конечно же, локальные сети. Точки доступа буквально наступают на российские города. Вслед за пионерами данной области — университетами и прочими интеллектуальными центрами — сегодня задействуют новые технологии уже кафе и магазины. Может быть, не в любом таком «беспроводном узле» пользователь найдет выход в Интернет, но актуальную информацию (сайт компании, каталог продукции и прайс) ему предоставят.