Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между уст-ройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент.

Архитектура порта IrDA

Рассмотрим физические основы IrDA. Передающую часть. Байт, который требует-ся передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные биты кодировались таким образом: логический "0" передается одиночным ИК-импульсом длиной от 1.6m s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6m s.

По окончании кодирования битов необходимо возбудить один или несколько ИК-светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс тре-буемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе ± 30° была в диапазоне 40–50 m W/Sr, причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880nm, как уже отмечалось ранее. Радиальная чувствительность приемника и длины связи диктуются, исходя из требований самой спецификации IrDA.

Приемная часть. Переданные ИК-импульсы поступают на PIN-диод, преобразую-щий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни. ИК-импульс в активном состоянии генерирует "0", при отсутствии света генерируется логическая "1". Протокол IrDA требует, чтобы приемник точно улавливал ИК-импульсы мощностью от 4m W/sm2 до 500mW/sm2 в угловом диапазоне ± 15°.

Формат данных IrDA

Для ИК-излучения cсуществует два источника интерференции (помех), основным из которых является солнечный свет, но к счастью в нем преобладает постоянная составляющая. Правильно спроектированные приемники должны компенсировать большие постоянные токи через PIN-диод. Другой источник помех – флуоресцент-ные лампы – часто применяются для общего освещения. Хорошо спроектирован-ные приемники должны иметь полосовой фильтр для снижения влияния таких источников помех. Вероятность ошибок связи будет зависеть от правильного выбора мощности передатчика и чувствительности приемника. В IrDA выбраны значения, гарантирующие, что описанные выше помехи не будут влиять на качество связи. Стандарт IrDA включает в себя стек протоколов трех согласованных обязательных уровней: IrPL (Physical Layer), IrLAP (Link Access Protocol) и IrLMP (Link Management Protocol).

Физический уровень (Physical Layer). Спецификация этого протокола устанавлива-ет стандарты для Ir-трансиверов, методов модуляции и схемы кодирова-ния/декодирования, а также ряд физических параметров. Стандарт предусматри-вает использование длины волны в диапазоне 850–900 nm. Минимальная и макси-мальная интенсивность передатчика (как уже говорилось) составляет 40–50 m W/Sr соответственно внутри 30° конуса. Для стандарта IrDA (скорость передачи данных 115.2Kbps) схема кодирования аналогична используемой в традиционной UART: бит старта ("0") и стоп-бит ("1") добавляются перед и после каждого байта соответственно. Но вместо схемы NZR (Non-Return to Zero) используется кодиров-ка, подобная RZ (Return to Zero), т.е. двоичный "0" кодируется единичным им-пульсом, а "1" – его отсутствием. Кадры отделяются друг от друга байтами Escape-последовательности, содержащимися в теле самого кадра. Для определения ошибок (EDt – Error Detection) используется 16bit циклическая контрольная сумма. Например, уже в стандарте IrDA 1.1 для протокола обмена 1.152Mbps (синхрони-зация выполняется как в протоколе HDLP – High-level Data Link Protocol высокого уровня) и 4Mbps (использование 4-PPM – Pulse-Phase Modulation) старт-бит и стоп-бит не применяются. Так, фреймы, получаемые от более высокоуровневого про-токола IrLAP, вкладываются в поле данных фреймов SIR, согласно используемому методу кодирования. Стандарт не содержит обязательных вариантов реализации этой процедуры и допускает варьирование алгоритмов в зависимости от возмож-ностей конкретного оборудования. В зависимости от скорости соединения пред-лагаются методы кодирования: асинхронный (ASYNC, 9600–115200 bps), синхрон-ный (HDLC, 0.576–1.152 Mbps) и 4-PPM (4Mbps).

Программная структура IrDA

Программный протокол. Он включает в себя: IrLAP (Link Access Protocol), зани-мающийся разбиением данных на блоки, контролем ошибок и другими функциями низкого уровня, и IrLMP (Link Management Protocol), позволяющий по одной ИК-линии обмениваться данными между несколькими приложениями. Данный протокол базируется на существующих стандартах асинхронной полудуплексной передачи данных HDLC и SDLC. Инфракрасная технология поддерживает только однонаправленную передачу информации, поэтому, в следствие полудуплексной природы SIR, возникла архитектура с одним главным (первичным) и множественными подчиненными (вторичными) устройствами. Схема обращения устройств представляет собой обычный протокол обмена данными, где есть фазы запросов (Request) и ответов (Response). Так, первичное устройство отвечает за организацию соединения, обработку ошибок, и посланные им фреймы называются управляющими (Command Frames), а пакеты вторичных устройств именуются ответными (Response Frames). Обмен информацией идет только с первичным устройством, которое всегда выступает инициатором соединения, однако его роль может играть любое из устройств, поддерживающих необходимые для этого функции. По желанию может быть включен протокол транспортного уровня, позволяющий осуществлять контроль передачи между приложениями в случае одновременной работы нескольких приложений на одной физической линии. Для разных уровней имеется три интерфейса. Служебные примитивы уровня LM-SVC позволяют одному из устройств IrDA узнать какие сервис и протоколы зарегистрированы на другом устройстве. Примитивы доступа к уровню M-SVC управляют режимом связи, открытием и закрытием независимых соединений ме-жду клиентами, а так же отправкой и приемом данных. Интерфейс L-SVC дает доступ к функциям протокола IrLAP.

Устройства, соответствующие стандарту IrDA, перед началом передачи должны в первую очередь попытался выявить (прочитать) нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне, установить не ведется ли какая-либо передача в пре-делах его досягаемости. Если такая активность обнаружена, то программе, вы-дающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а сам блок откладывает передачу. Поскольку оба соединяющихся устройства могут быть компьютерами (а не компьютер и принтер, или клавиатура, мышь), то любое из них может быть ве-дущим. Выбор зависит от того, какое устройство первым проявит инициативу.

Каждое устройство имеет 32bit адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее уст-ройство при старте присваивает 7bit-адрес соединения. Для возможных, но неже-лательных случаев, когда два устройства имеют одинаковый адрес, предусмотрен такой механизм, когда ведущее устройство дает команду всем подчиненным уст-ройствам изменить их адреса. В процессе установления связи два устройства "до-говариваются" о максимальной скорости, с которой они оба могут работать. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9.6Kbps.

Максимальный квант передачи может быть равен 100, 200 или 500 ms. Он пред-ставляет собой максимальное время, в течение которого устройство передает данные до того, как перейдет к прослушиванию подтверждения приема и зависит от скорости передачи, емкости буфера в принимающем устройстве. Минимальная длительность передачи определяется неспособностью передающего устройства перейти к приему данных сразу после выдачи последнего бита. Дело в том, что усилитель PIN-диода в передающем устройстве входит в состояние насыщения от собственной передачи. Время восстановления приемника – переменная величина, составляющая 0.001–10 ms. Этот параметр для данного устройства должен быть заранее известен и учитывается в фазе переговоров об установлении соединения. Процедуры расширенного восстановления включают в себя функцию сброса, ко-торая прерывает связь, но потом восстанавливает активное состояние с парамет-рами соединения, используемые по умолчанию.

Стандартом предусмотрено два основных состояния: NRM (Normal Response Mode) и NDM (Normal Disconnect Mode). Первое – это состояние соединения с распреде-ленными ролями первичного и вторичных устройств. Второе предусматривает функции детектирования доступных устройств, сбор информации о них, разреше-ние адресных конфликтов, а также позволяет передавать данные широковеща-тельно, без установления соединения. В протоколе IrLAP используется три типа кадров по аналогии с HDLC. Поле данных присутствует только у первого и послед-него вида фреймов, оно не ограничено по длине, но число бит в нем должно быть кратно 8. Ненумерованные (U-кадры) используются для установления связи: опе-рации соединения и разъединения, информирования об ошибках и передачи дан-ных, если нет необходимости в нумерации последовательностей. Информацион-ные (I-кадры) используются для передачи информации и предназначены для пе-редачи данных. Их командное поле содержит номер фрейма в последовательно-сти, помогающей принимающему устройству отслеживать нарушения очередно-сти. Нумерация организована так, что служит одновременно средством подтвер-ждения приема: S- и I-фреймы могут нести номер пакета, который ожидается на входе устройства-отправителя. Счетчик позволяет идентифицировать только 8 фреймов, таким образом, номер следующего ожидаемого приемником пакета мо-жет высылаться не с каждым фреймом, а только по получении нескольких про-межуточных пакетов. Величина, определяющая их количество, называется разме-ром окна. Четвертый бит контрольного поля у фрейма, сгенерированного первич-ным устройством, означает запрос данных, а в ответном фрейме он играет роль конечного бита, сигнализирующего о завершении передачи. Супервизорные (S-кадры) используются для функций handshaking (процедура договора устройств о параметрах синхронизации).

Структура фрейма

Договариваясь о соединении, устройства обмениваются информацией о скорости, максимальной и минимальной длительности цикла, максимальной величине фрейма, размере окна, количестве дополнительных флагов BOF (Beginning Of Frame) и пороговом времени разрыва соединения (промежуток, в течение которо-го не было принято ни одного корректного фрейма). Под максимальным циклом (maximum turn-around time) подразумевается отрезок времени, по истечении которого устройство должно установить в своем фрейме конечный бит, а под минимальным – длительность паузы, начиная с момента отсылки последнего байта последнего фрейма, запрошенного передающим устройством, чтобы подготовиться к приему данных. BOF выполняет роль задержки перед посылкой очередного фрейма устройствам с большей задержкой. Предусмотрена команда смены ролей XCHG, позволяющая передавать право называться первичным устройством, как эстафету. Для проверки правильности передачи фрейма к нему в конце дописывается поле FCS (Frame Check Sequence), которое содержит контрольную сумму формата CRC-CCITT.

Протокол IrLAP устанавливает правила доступа к ИК-среде, процедуры открытия канала, согласование абонентов сети, обмена информацией и т.д. Хотя IrLAP и обязательный уровень IrDA, но не все его особенности являются таковыми. Любая станция, не принимающая в данный момент времени участия в обмене, перед тем как начать передачу, должна прослушивать канал не менее 500ms, чтобы убе-диться в отсутствии трафика. С другой стороны, станция, участвующая в обмене, должна вести передачу не более 500ms. Доступ к среде передачи регулируется посредством специального бита PF (Poll/Final), который устанавливается в теле кадра и выполняет функции, аналогичные маркеру. IrLAP допускает передачи без установления предварительного соединения. По своей природе такая передача является широковещательной и не требует получения подтверждения станции по-лучателя. Процедура открытия канала в этом случае предусматривает обмен идентификационной информацией (ID). Инициатор широковещательного обмена передает ID предопределенное количество раз и прослушивает канал в интерва-лах между ссылками (слот, Slot). Станция-получатель случайным образом выби-рает слот и посылает в ответ свой ID. При обнаружении коллизии процедура по-вторяется и применяется для согласования операционных параметров станций (скорость посылки бит, максимальная длина пакета). При установлении соедине-ния обмен данными, объем которых не должен превышать 64 байта, осуществля-ется со скоростью 9.6Kbps. После того, как соединение установлено, скорость об-мена и величина пакета данных могут быть по "договоренности" увеличены до максимальных. Кроме пакетов с пользовательскими данными, в обмене участвуют специальные, служащие для управления потоком, коррекции ошибок и передачи маркера. Связь может осуществляться в режиме "1:1" или "1:n". В процессе обме-на одна станция является первичной, а остальные – вторичными. Помимо описан-ных процедур существуют и другие: разрешение конфликтов адресов, изменение роли станции "первичная-вторичная" и т.д.

Протокол управления каналом IrLMP является обязательным, однако его некото-рые особенности могут быть опциональны. Каждое устройство IrDA содержит таб-лицу сервисов и протоколов, доступных в настоящий момент. Эта информация может запрашиваться у других устройств. Мультиплексор администратора соеди-нений и его схема управления позволяют нескольким приложениям обмениваться данными по одному физическому соединению. Протокол IrLMP содержит два ком-понента: LM-IAS (Link Management Information Access Service) и LM-MUX (Link Man-agement MUltipleXed). LM-IAS управляет информационной базой так, что станции могут запросить, какие службы предоставляются. Эта информация храниться как ряд объектов, с каждым из которых связан набор атрибутов. Например, Device является обязательным и имеет атрибуты DeviceName, IrLMPSupport (номер вер-сии протокола, поддержка ISA и MUX). LM-MUX выполняет мультиплексирование каналов поверх одного соединения, устанавливаемого протоколом IrLAP. С этой целью в Ir-станции определяется множество точек доступа канала – LSAP (Link Ser-vice Access Point) – каждая с уникальным селектором. Таким образом каждое из LSAP-соединений определяет логически различные информационные потоки. Про-токол LM-MUX обеспечивает передачу данных между точками доступа как внутри одной, так и между другими станциями. Он может работать в одном из двух ре-жимах: эксклюзивном (активизируется только одно соединение LSAP) и мультип-лексивном (несколько соединений LSAP могут разделять один канал IrLAP). В этом случае управление потоком должно быть обеспечено протоколами верхнего уров-ня или непосредственно приложением. Итак, IrLMP функционирует в двух режи-мах: мультиплексирования и эксклюзивном. Первый позволяет разделять одно физическое соединение нескольким задачам, второй отдает все ресурсы одному-единственному приложению. Каждое виртуальное соединение представлено сво-ей LSAP, таким образом, связь происходит на уровне двух LSAP (LSAP Connection). Также предусмотрено три варианта доступа: с установлением предварительного соединения, без установления предварительного соединения (Сonnectionless) и режим сбора информации о возможностях, сервисах и приложениях удаленного устройства (XID_Discovery).

Структура доступа IrDA

IrDA TP (Transport Protocol) работает над использованием в качестве транспортно-го протокола ISO-8073. Его применение позволяет пропускать по линии IrDA не-сколько потоков данных, с собственным управлением для каждого. Но использо-вание этого протокола не обязательно. TinyTP (Tiny Transport Protocol) – транс-портный протокол, осуществляющий функции управления потоком независимыми для любого LSAP-соединения. Каждая точка доступа этого протокола (TTPSAP – Ti-nyTP Service Access Point) идентифицируется с единственной точкой доступа IrLMP и использует единый с ней адрес. TinyTP также ведает сегментацией и сборкой фреймов). IrCOMM – протокол эмуляции последовательного и параллельного пор-тов, основанный на четырех типах сервиса: 3-Wire Raw, 3-Wire, 9-Wire и Centronics. Первый работает только через одно эксклюзивное соединение и используется, когда необходимо передавать исключительно данные. Второй эмулирует параллельную передачу по трем каналам (Signal Common, TD, RD), используя возможности TinyTP. Девятипроводный предназначен для эмуляции последовательных портов и обрабатывает, помимо трех вышеупомянутых, еще шесть сигналов (RTS, CTS, DSR, DTR, CD, RI). Centronics – это не что иное, как виртуальный параллельный интерфейс на базе TinyTP).

Эмуляция последовательного и параллельного портов

Протокол IrTran-P, введенный для передачи изображений, состоит из трех слоев (SCEP, bFTP, UPF) и пользуется услугами упоминавшегося ранее IrCOMM. Назначе-ние SCEP (Simple Command Execute Protocol) – изоляция вышележащих уровней от реалий конкретного интерфейса. Благодаря высокому уровню абстракции удалось спроектировать протокол bFTP (binary File Transfer Protocol) таким образом, что он может единообразно обслуживать нужды самых разных устройств в самых разных конфигурациях соединения. Имя файла упаковывается вместе с данными в единый блок, предусмотрены функции опроса удаленного устройства и согласования параметров представления информации, что максимально автоматизирует процесс. UPF (Uni Picture Format) обеспечивает гарантированное воспроизведение изображений, переданных с одного устройства на другое. UPF основывается на формате JPEG и позволяет сохранять, помимо изображения, еще и все дополнительные сведения о нем, обычно фиксируемые цифровыми камерами (дата, ориентация, уровень белого, уровень черного и т. д.). Чтобы устройства, содержащие аппаратно-зафиксированные алгоритмы обработки изображений, могли адекватно воспринимать модифицированный формат, вся расширенная информация вынесена в заголовок, а само изображение остается нетронутым.

Протокол пересылки изображения

VFIR (Very Fast IR) – дополнение к стандарту IrDA, позволяющее повысить скорость передачи данных до 16Mbps. Введен новый формат фрейма, в котором первым идет поле преамбулы (Preamble), состоящее из 240bit или слотов, после IrLAP-фрейма и контрольной суммы – поле FB (Flush Byte – 8 нулевых бит), в конце – по-ле Null (24 нулевых бита). Вся переданная информация кодируется по алгоритму HHH, обеспечивающему от 1 до 13 пустых слотов между импульсами. Конечно, необходимые изменения были сделаны и в протоколе IrLAP: добавлено обозначе-ние для скорости 16Mbps в поле Baud Rate, а также увеличен максимально воз-можный размер окна с 7 до 127 фреймов.

IrBus (IrControl). Спецификация, регулирующая вопросы, связанные с подключе-нием различной периферии, требующей взаимодействия с системными контрол-лерами. Ее положения применимы также к устройствам удаленного управления ПК, телевизорами высокой четкости (HDTV) и бытовыми приборами.

Физический уровень обеспечивает передачу данных, закодированных по схеме модуляции последовательными импульсами 16-PSM (Pulse Sequence Modulation – 8 слотов, где только 2 или 4 могут содержать импульс) со скоростью 75Kbps. Одна-ко, при использовании такой схемы кодирования, импульс означает "1", его отсут-ствие – "0". Частота несущей основного сигнала – 1.5MHz с минимальной дально-стью действия 5м. Данные пересылаются в пакетах двух видов: длинные (776bit) и короткие (72bit), структура которых абсолютно идентична за исключением зна-чения стартового флага, а также разрядности контрольной суммы. Так, протокол MAC (Media Access Control) регламентирует процессы взаимодействия множественной периферии с единственным основным устройством (Host) и обмена информацией между ними.

Структура стека семейства протокола IrControl

Существует три режима работы ведущего устройства: сон (с низким энергопо-треблением), нормальный и сосуществование с IrDA (поддержка IrDA SIR 1.1 и Ir-Control). Если от периферии долгое время не поступает никаких данных, то Host автоматически переходит в состояние сна, причем само периферийное устройст-во в случае необходимости может самостоятельно перевести его в нормальный режим работы. Host получает данные путем циклического опроса периферии (Poll) с периодом 13.8m s, в ходе которого обслуживается до четырех устройств с критическим временем латентности (для менее требовательной периферии га-рантируется период опроса в 69m s). Формат MAC-пакета состоит из поля адреса основного устройства (HA – Host Address), поля адреса периферии (PA – Peripheral Address) и контрольного поля (MAC). Значение структуры MAC зависит от того, ос-новное или периферийное устройство являются "автором" пакета, и содержит вспомогательную системную информацию.

Формат MAC-пакета

Прежде чем начнется обмен данными, должен пройти процесс идентификации всей доступной "лидеру" периферии (Enumeration), для чего предназначен специальный формат пакета, называемый "окликом" (Hail). После идентификации устройства и регистрации сведений о его максимально возможном времени опро-са оно включается в общий цикл Host-опроса. В зависимости от его дальнейшей активности частота обращений может быть повышена или понижена.

Структура пакетов

В режиме сосуществования основное устройство в первые 50m s отводит на осу-ществление IrDA SIR 1.1-коммуникаций, а следующие 10m s производит опрос пе-риферии. Устройства, чувствительные к времени задержки, не могут получить в этом режиме надлежащего обслуживания, да и количество некритичного к циклу опроса оборудования уменьшается до двух устройств. Над уровнем MAC рас-полагается слой LLC (Logical Link Control), функции которого сводятся к обеспечению надежного соединения для вышележащих уровней. Именно LLC ведает пересылкой подтверждений об успешной доставке пакетов. Каждому устройству тут присваивается четыре оконечные точки (Endpoints): первая обслуживает "виртуальное" контрольное соединение, вторая и третья – входное и выходное соединения соответственно, а четвертая является опциональной и может служить для еще одного входного или выходного соединения. На прикладном же уровне определено только два стандартных, обслуживающих LLC, протокола – HA (Home Appliances) и HID (Human Interface Device). Последний поддерживает подключение USB-периферии с помощью IrDA Control Transceiver Module (IRB-TM), также являющегося USB-устройством и функционирующего как хаб (Hub).

IrLAN. Протокол обеспечивает доступ в локальную сеть с помощью инфракрасного соединения (сетевая среда IrLAN), где основными являются клиент и провайдер. Провайдер пассивен и ожидает проявления иницативы со стороны клиента, на ко-торого возлагаются все функции по детектированию и конфигурированию соеди-нения. Для этого используется контрольный канал – через него клиент получает необходимые сведения о провайдере из его IAS. Предусмотрено три метода дос-тупа в сеть: через точку доступа (Access Point), типа "порт–порт" (Peer-to-Peer) и режим основного функционирования (Hosted). Access point представляет собой специализированное устройство, имеющее как доступ к сети, так и IR-адаптер. При соединении "порт–порт" два устройства связываются через инфракрасное со-единение, а IrLAN лишь эмулирует локальную сеть. В этом случае каждый из уча-стников должен играть роли клиента и провайдера одновременно. В режиме "хост" компьютер-провайдер не только предоставляет услуги подключения к сети для удаленных устройств, но и сам пользуется ими, потому что провайдер и кли-ент делят один и тот же сетевой адрес и возникает потребность в специальном маршрутизирующем и фильтрующем ПО. При инициализации соединения устанав-ливаются два "виртуальных канала" – данных и контроля, причем оба используют TinyTP. В канале данных в настоящий момент поддерживаются пакеты типов 802.3 (Ethernet) и 802.5 (Token Ring). Формат фрейма данных IrLAN аналогичен формату ретранслируемого сетевого протокола. Драйвер IrLAN обычно не модифицирует содержимое пакетов, за исключением дескрипторов, и лишь в режиме Hosted мо-гут быть внесены определенные изменения. В канале контроля обмен осуществ-ляется на основе фреймов другого формата. В первом его 8bit-поле содержится команда, в таком же следующем – количество сопутствующих параметров, а дальше идут сами параметры, которые "укладываются" в промежуток 0–8160 bit.

Практически, сегодня уже нет мало-мальски уважающей компании, которая бы не производила компоненты для ИК портов. Например, компания Crystal Semiconduc-tor выпускает микросхему ИК приемопередатчика серии CS8130. Этот прибор яв-ляется интерфейсом между блоком UART, излучающим светодиодом и светочув-ствительным PIN-диодом. Он работает в форматах IrDA, ASK и TV формате беспро-водного управления, имеет функции программирования мощности передачи и по-рога срабатывания приемника. Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP очень малого размера (5х7 mm).

В качестве примера "интеграции" можно рассмотреть интерфейс IrDA, добавлен-ного на материнскую плату обычного ПК (в связи со сложностью схемы она не прилагается). Блок UART, имеющийся на плате, можно использовать как для того, чтобы управлять проводным СОМ-портом интерфейса RS-232, используя, напри-мер, преобразователь напряжения МАХ562, так и для управления ИК-портом, со-ответствующим стандарту IrDA, используя трансивер CS8130. Внешний вывод PWRDN# микросхемы CS8130 используется для перевода в третье состояние линий RXD и FORM/BSY, что позволит использовать UART. И наоборот, с помощью выво-дов EN и SHDN# можно перевести в третье состояние выходы R2OUT и R3OUT мик-росхемы МАХ562, передавая управление UART трансиверу CS8130. В качестве вто-рого примера можно привести схему (также не прилагается) внешнего модуля, который можно подключить к имеющемуся СОМ-порту любого компьютера. Этот модуль очень компактен и расположен в конце метрового кабеля, свободно ори-ентируемого в пространстве. Более подробно с конкретными реализациями ин-терфейса IrDA можно в документах, указанных в "списке дополнительных источ-ников"…

Bluetooth

В 1994 году начались работы по изучению возможности использования мобиль-ных, сетевых коммуникаций. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консор-циум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством уст-ройств с ограниченным радиусом действия. Проект получил название Bluetooth в честь короля Норвегии и Дании Гарольда «Голубой Зуб» (Harald Blaatand, 940-981 годы).

Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится и из локаль-ных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде Bluetooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология бы-стро развивается и трудно предсказать, какое место она займет в самые ближай-шие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документ v1.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (фи-зический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стан-дарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем.

Технология Bluetooth использует нелицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4?2,4835ГГц. При этом используются широкие за-щитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2ГГц, а верхняя - 3,5ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точно-стью ± 75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит.

Принцип работы Bluetooth

Вообще, спецификацию Bluetooth можно разбить на несколько уровней, на каж-дом из которых решаются свои задачи. В самом нижнем логическом слое специ-фикации протокола описан так называемый “radio-level”, т.е. физический уро-вень, регламентирующий порядок передачи данных по радиоканалу. Согласно стандарту, протокол использует диапазон частот от 2402 МГц до 2480 МГц, при этом частота меняется в этих рамках с шагом в 1 МГц около 1600 раз в секунду по псевдослучайному закону. Это сделано для того, чтобы избежать явления интер-ференции сигнала — а так же, чтобы свести к минимуму помехи от сторонних уст-ройств, ведь в этом диапазоне частот работают пульты от телевизоров и автомо-бильных сигнализаций, WiFi-оборудование и микроволновые печи.

Следует отметить факт: в некоторых странах (например, во Франции) из-за зако-нодательства, производители bluetooth-устройств вынуждены временно ограни-чить ширину используемого частотного коридора с 79 МГц до 23 МГц.

Что касается мощности сигнала, то здесь не все однозначно, всего есть три мощ-ностных класса. Первый класс подразумевает максимальную выходную мощность в 20 dBm и позволяет работать на расстоянии до 100 метров. Мощность сигнала в устройствах второго класса достигает 4 dBm, что позволяет держать связь внутри круга с радиусом 10 метров. И, наконец, третий класс устройств может работать на расстоянии в несколько сантиметров и мощность сигнала у него — 0 dBm. Об-рати внимание, что 0 dBm — это тоже мощность, и символический ноль совсем не означает отсутствие сигнала. Некоторые устройства предоставляют возможность управлять мощностью антенны при помощи специальных LMP-команд.

Что касается модуляции сигнала, то здесь применена гауссова частотная модуля-ция (GFSK, Gaussian Frequency Shift Keying)с параметром фильтрации BT=0.5

Bluetooth поддерживает два вида соединений: point-to-point и point-to-multipoint. Два и более устройства образуют маленькую беспроводную сеть, называемую pi-conet. При этом одно из устройств является главным (master) и предоставляет различные сервисы остальным. Slave-устройство может параллельно работать в нескольких piconet’ах. Эта возможность одновременно является и настоящим дос-тоинством, и головной болью. Так, например, при передаче данных между двумя устройствами, неавторизованное стороннее устройство злоумышленника вполне может попробовать получить доступ к передаваемой информации. Это, конечно, совсем не просто, однако не исключено.

Пикосети и распределённая сеть BLUETOOTH

Каждое Bluetooth-устройство имеет уникальный 48-разрядный адрес, представ-ляющий собой 12 шестнадцатеричных чисел, для наглядности разделенных по-байтно двоеточием, например: 00:0A:D9:2E:3B:BF. Есть большое сходство с MAC-адресами сетевых карт. На самом деле, BT-адрес (BT_ADDR) это и есть MAC уст-ройства: он определяется производителем оборудования и уникален для каждого устройства. Как легко догадаться, по BT_ADDR несложно судить о производителе устройства, на это указывают первые три байта адреса. В примере, символы 00:0A:D9, однозначно свидетельствуют о том, что это телефон SonyEricsson.

Теперь о том, как, выглядят BT-пакеты. Каждый пакет состоит из трех частей: ко-да доступа (68/72 бита), заголовка (54 бита) и, самих данных (0-2745 разряда). Код доступа используется для осуществления синхронизации данных, корректного разбиения на страницы, вычисления смещений и так далее. Всего есть три типа кодов: код канала (CAC), устройства (DAC) и очереди (IAC). Заголовок пакета сре-ди прочего позволяет контролировать ошибки при передаче данных: он несет в себе информацию с подтверждением о доставке пакета, а так же различные идентификаторы. Что касается самих данных, то они могут представлять собой как голос, так и просто что-то абстрактное. Само собой, что в спецификации Blue-tooth описано несколько типов пакетов, всего их 13 штук.

Основные профили Bluetooth

Мы поднимаемся на уровень вверх и перед нами — Link Manager Protocol, LMP. Этот протокол являет собой интерфейс, предназначенный для организации и управления связью между устройствами. При помощи предоставляемых функций можно организовывать связи между устройствами, шифровать передаваемую ин-формацию, управлять режимами работы устройств и т.д. При вызове одной из управляющих функций LMP в эфир передается пакет определенного содержания, который соответствует вызванной процедуре. Другое устройство получает этот пакет, интерпретирует его и отвечает схожим пакетом, который посылается так же через интерфейс LMP. Для обмена информацией протокол использует пакеты типов DM1 и DV, в зависимости от объема передаваемых данных.

Взаимодействие сетевых субуровней в протоколе Bluetooth

Устройство Bluetooth при установлении соединения может работать в четырех режимах: Active, Hold, Sniff и Park (активный, удержание, прослушивание и пас-сивный, соответственно).

Режимы работы Bluetooth

Конечно, Bluetooth проектировался с оглядкой на современную действительность, когда информация может стоить очень дорого и ее транспортировка – тем более по воздуху – должна быть максимально безопасным мероприятием. Bluetooth ис-пользует довольно изощренное шифрование передаваемых данных и, на первый взгляд, прекрасно их защищает. У протокола есть свои недостатки. Но сначала - сам процесс защиты информации.

Для обеспечения секретности передаваемых данных Bluetooth использует непро-стую многоуровневую схему, каждая ступенька в которой защищена предыдущей. При выполнении авторизации устройства только начальный параметр передается простым текстом, все остальные переменные защищены сложным ключом, кото-рый может меняться в зависимости от стадии аутентификации. Этот шифр носит гордое имя “link key”, что можно перевести как “ключ канала”. При передаче информации, она просто ксорится (от XOR) с этим ключом и таким образом защи-щается от взломщиков. Как я уже говорил, на разных стадиях обмена информаци-ей ключи канала разные, они последовательно сменяют друг друга.

Взаимодействие устройств начинается с генерации так называемого ключа ини-циализации; создание этого числа, как и вся авторизация устройств, основана на простом и действенном соображении: если оба устройства хотят соединения друг с другом, то их хозяева легко договорятся между собой о некотором общем сек-ретном пароле PIN – короткой цифре, например. И это число используется как от-правная точка для генерации всех последующих кодов.

128-битный ключ инициализации создается специальной функцией E22(BD_ADDR, PIN, l(PIN), IN_RAND), где l(PIN) – длина пина в октетах, а IN_RAND – случайное число, генерируемое устройством “A” и без всякой защиты передаваемое устрой-ства “B”. Шифр используется для защиты трафика при передаче параметров, с помощью которых проводятся дальнейшие действия по аутентификации уст-ройств, в частности – вычисление кода, которым будет шифроваться весь пользо-вательский трафик.

После генерации кода, он устанавливается ключом канала, и весь дальнейший обмен информацией защищается этим шифром. Затем создаются так называемые комбинированные ключи, используемые для шифрования пользовательских дан-ных при передаче между устройствами: следует заметить, что на этот раз ключи разные – для передачи информации от A к B используется шифр Kab и наоборот, информация, передающаяся от B к A защищается шифром Kba. Генерируются эти ключи следующим образом.

Первым делом каждое устройство создает по случайному числу, мы обозначим их за LK_RANDa и LK_RANDb. Затем, при помощи функции E21(LK_RAND, BD_ADDR), генерируются два числа LK_Ka и LK_Kb, причем в этот момент каждое устройство знает только свою величину, а цель дальнейшей работы устройств – сообщить друг другу эти числа так, чтоб никто чужой их не перехватил. Зашифровав слу-чайные числа LR_RAND, устройства меняются ими и вычисляют значения LK_K друг для друга. После этого уже очень легко получить ключи Kab=LK_Ka XOR LK_Kb и Kba=LK_Kb XOR LK_Ka.

После проделанных операций выполняется самая последняя и очень важная – ко-нечная аутентификация, при которой устройство, провоцирующее подключение, проходит проверку на желанность со стороны пассивного устройства. Для этого используется схема, которая получила название challenge-response.

Устройство “A”, которое запрашивает подключение, генерирует случайное число AU_RAND и посылает его соседнему устройству “B”. Устройство “B” вычисляет значение S специальной функции E1(AU_RAND, BD_ADDR, Kab), где BD_ADDR – это адрес устройства. “B” передает полученное значение S назад и теперь уже оче-редь “A” проделать тоже самое, получив значение S’. Если оба устройства ис-пользовали одинаковый ключ Kab, то значения S’ и S совпадут, а аутентификация будет успешно пройдена.

Если же устройства использовали различные ключи, попытка аутентификации бу-дет неудачной и устройству “B” не будет некоторое время отвечать на запросы “A”. С ростом числа неудачных попыток время ожидания будет расти экспоненци-ально, пока не упрется в некоторое максимальное значение. По задумке инжене-ров, это должно было решить проблему перебора PIN-кода. Теперь даже если злоумышленник напишет какую-нибудь программу, которая будет с одного и того же интерфейса в цикле пытаться установить соединение, то ничего из этой затеи не выйдет.

Атака на Bluetooth

В самом деле, так ли уж все безупречно? Конечно, нет. В самом начале сеанса простым текстом пересылается параметр IN_RAND, который при помощи опреде-ленных инструментов вполне может перехватить злоумышленник – к слову, точно так же пересылается и параметр AU_RAND. Что это дает? Обладая этой информа-цией уже вполне можно вычислить используемый для связи PIN-код и даже link key! Сделать это аналитически невозможно, а значит получить доступ к этим “секретным” данным можно простым перебором пина. Что если написать про-стенькую программку, которая в цикле по всем возможным значениям PIN будет вычислять последовательно значения-претенденты на LK_Ka, LK_Kb, Kab=LK_Ka XOR LK_Kb и функцию E1(AU_RANDa, BD_ADDRb, Kab). В случае, если мы угадаем PIN, полученное значение функции совпадет с захваченным. Таким образом, со 100% вероятностью можно восстановить используемый при соединении PIN-код. Однако, за какое время? Для каждой попытки необходимо один раз выполнить функцию E22, 2 раза — E21, 1 раз — E1 и трижды посчитать XOR, довольно ресур-соемкая задача. Однако, если вспомнить, что любой нормальный человек при ис-пользовании Bluetooth не указывать пины длиннее 6 символов, можно с уверенно-стью сказать, что секунд за 20 современный компьютер с такой задачей управит-ся.

Что касается шифрования с использованием ключа Kc, то здесь ситуация схожая с ситуацией только что разобранной.

Любое Bluetooth-устройство может находиться в двух режимах: доступном для внешнего обнаружения (discoverable-mode) и недоступном. По задумке создате-лей Bluetooth, режим non-discoverable должен был решить проблему неавторизо-ванного доступа. Однако не все так просто. Режим этот работает таким образом, что устройство не откликается на широковещательные запросы и молчит. Однако, если соседнее устройство обратится непосредственно к молчаливому устройству, то оно откликнется. Первые три байта адреса определяются производителем уст-ройства, таким образом, если мы интересуемся телефоном конкретного произво-дителя, то максимальное количество таких устройств составляет 16^6=16777216. В принципе, конечно, это большое число. Однако как посмотреть. Что мешает напи-сать программу, которая последовательно будет перебирать адреса и обращаться к каждому из них, пока не получит ответ? По существу – ничего!

На самом деле, легко понять, что полный перебор всего диапазона займет кучу времени и поэтому имеет смысл распараллеливать работу на нескольких интер-фейсах: специальные программы поддерживают такую многопоточность, что по-зволяет во многие разы сократить время просмотра всего диапазона.

Wi-Fi

Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой Wave-LAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Вик Хейз (Vic Hayes) — создатель Wi-Fi — был назван «отцом Wi-Fi» и находился в команде, уча-ствовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g.

Сегодня существует множество протоколов для беспроводной передачи данных: Bluetooth, WiMax, всевозможная сотовая связь. У каждого из них своя сфера дея-тельности — например, WiMax способен передавать данные на большое расстоя-ние, а Bluetooth не слишком "прожорлив". Но для того, чтобы избавиться от про-водов в рамках отдельно взятой квартиры, лучше всего подходит Wi-Fi.

Принцип работы Wi-Fi

Технология Wi-Fi предназначена для доступа на коротких дистанциях и, в то же время, на достаточно больших скоростях. Наиболее распространены три модифи-кации этого стандарта – IEEE 802.11a, b и g.

Сравнение технических характеристик модификаций стандарта 802.11

Они различаются максимальной возможной скоростью передачи данных и дально-стью, на которой может быть установлено соединение. Среди них наиболее попу-лярен IEEE 802.11b (обычно под сокращением Wi-Fi подразумевают именно него). Для передачи данных в нём используется диапазон частот от 2,4 до 2,4835 гига-герца, максимальная скорость равна 11 мегабитам в секунду, при этом дальность передачи сигнала составляет около 100 метров. Впрочем, на открытой местности иногда удается достичь и больших значений — вплоть до 300-400 метров. Два дру-гих стандарта — 802.11a и g работают на частотах 5 и 2,4 гигагерца, соответствен-но, а максимальная скорость передачи данных может достигать 54 мегабит в се-кунду.

Однако эти технологии обеспечивают меньший радиус распространения сигналов и требуют гораздо более мощных процессоров для обработки и кодирования ин-формации. Сегодня также ведётся разработка стандарта 802.11n, который может обеспечить доступ на скоростях до 320 мегабит в секунду.

Краткое описание IEEE 802.11

Стандарт IEEE 802.11 - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонен-тов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. 802.11 - первый про-мышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electron-ics Engineers (IEEE), 802.11 может быть сравнен со стандартом 802.3 для обычных проводных Ethernet сетей.

Стандарт IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access colli-sion avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизи-руется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна отве-тить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибоч-ного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет по-вторена.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.

На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют базовую зону обслужи-вания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), пред-ставляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся ин-фраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образу-ет расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом преду-смотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непо-средственно рабочими станциями.

В настоящее время существует множество стандартов семейства IEEE 802.11:

1. 802.11 - первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает переда-чу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с.
2. 802.11a - высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц.
3. 802.11b - самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
4. 802.11c - Стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.
5. 802.11d - Стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.
6. 802.11e - Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным ви-дам трафика - таким, как аудио- и видеоприложения. Требование качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN.
7. 802.11f - Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет меха-низм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта - Inter Access Point Proto-col. Стандарт, описывающий порядок связи между равнозначными точками доступа.
8. 802.11g - устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
9. 802.11h – Разработка данного стандарта связана с проблемами при использо-вании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм "квазиинтеллектуального" управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи. Стандарт, описывающий управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.
10. 802.11i (WPA2) – Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети - в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрования, под-держивающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совмес-тимость всех используемых в данное время устройств - в частности, Intel Cen-trino - с 802.11i-сетями. Затрагивает протоколы 802.1X, TKIP и AES.
11. 802.11j - Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.
12. 802.11n - Перспективный стандарт, находящийся на сегодняшний день в раз-работке, который позволит поднять пропускную способность сетей до 100 Мбит/сек.
13. 802.11r - Данный стандарт предусматривает создание универсальной и со-вместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зо-ны действия одной сети в зону действия другой.

Стандарт IEEE 802.11 работает на двух нижних уровнях модели ISO/OSI: физиче-ском и канальном. Другими словами, использовать оборудование Wi-Fi так же просто, как и Ethernet: протокол TCP/IP накладывается поверх протокола, описы-вающего передачу информации по каналу связи. Расширение IEEE 802.11b не за-трагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физиче-ском уровне.

В беспроводной локальной сети есть два типа оборудования: клиент (обычно это компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой картой, но может быть и иное устройство) и точка доступа, которая выполняет роль моста между беспро-водной и проводной сетями. Точка доступа содержит приемопередатчик, интер-фейс проводной сети, а также встроенный микрокомпьютер и программное обес-печение для обработки данных.

Физический уровень IEEE 802.11

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает передачу сигнала одним из двух методов - прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) различающиеся способом мо-дуляции, но использующие одну и ту же технологию расширения спектра. Основ-ной принцип технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потен-циальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет зна-чительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.

Метод FHSS предусматривает изменение несущей частоты сигнала при передаче информации. Для повышения помехоустойчивости нужно увеличить спектр пере-даваемого сигнала, для чего несущая частота меняется по псевдослучайному за-кону, и каждый пакет данных передается на своей несущей частоте. При исполь-зовании FHSS конструкция приемопередатчика получается очень простой, но этот метод применим, только если пропускная способность не превышает 2 Мбит/с, так что в дополнении IEEE 802.11b остался один DSSS. Из этого следует, что со-вместно с устройствами IEEE 802.11b может применяться только то оборудование стандарта IEEE 802.11, которое поддерживает DSSS, при этом скорость передачи не превысит максимальной скорости в "узком месте" (2 Мбит/с), коим является оборудование, использующее старый стандарт без расширения. В основе метода DSSS лежит принцип фазовой манипуляции (т.е. передачи ин-формации скачкообразным изменением начальной фазы сигнала). Для расшире-ния спектра передаваемого сигнала применяется преобразование передаваемой информации в так называемый код Баркера, являющийся псевдослучайной после-довательностью. На каждый передаваемый бит приходится 11 бит в последова-тельности Баркера. Различают прямую и инверсную последовательности Баркера. Из-за большой избыточности при кодировании вероятность того, что действие по-мехи превратит прямую последовательность Баркера в инверсную, близка к нулю. Единичные биты передаются прямым кодом Баркера, а нулевые биты - инверс-ным.

Под беспроводные компьютерные сети в диапазоне 2,4 ГГц отведен довольно уз-кий "коридор" шириной 83 МГц, разделенный на 14 каналов. Для исключения вза-имных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Несложный подсчет показывает, что в одной зоне одновременно могут использоваться только три канала. В таких условиях невозможно решить проблему отстройки от помех автоматическим изменением частоты, вот почему в беспроводных локальных сетях используется кодирование с высокой избыточно-стью. В ситуации, когда и эта мера не позволяет обеспечить заданную достовер-ность передачи, скорость с максимального значения 11 Мбит/с последовательно снижается до одного из следующих фиксированных значений: 5,5; 2; 1 Мбит/с. Снижение скорости происходит не только при высоком уровне помех, но и если расстояние между элементами беспроводной сети достаточно велико.

Канальный уровень IEEE 802.11

Подобно проводной сети Ethernet, в беспроводных компьютерных сетях Wi-Fi ка-нальный уровень включает в себя подуровни управления логическим соединени-ем (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде передачи (Media Ac-cess Control, MAC). У Ethernet и IEEE 802.11 один и тот же LLC, что значительно упрощает объединение проводных и беспроводных сетей. MAC у обоих стандартов имеет много общего, однако есть некоторые тонкие различия, принципиальные для сравнения проводных и беспроводных сетей.

В Ethernet для обеспечения возможности множественного доступа к общей среде передачи (в данном случае кабелю) используется протокол CSMA/CD, обеспечи-вающий выявление и обработку коллизий (в терминологии компьютерных сетей так называются ситуации, когда несколько устройств пытаются начать передачу одновременно).

В сетях IEEE 802.11 используется полудуплексный режим передачи, т.е. в каждый момент времени станция может либо принимать, либо передавать информацию, поэтому обнаружить коллизию в процессе передачи невозможно. Для IEEE 802.11 был разработан модифицированный вариант протокола CSMA/CD, получивший на-звание CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Работает он следующим образом. Станция, которая собирается передавать информацию, сначала "слушает эфир". Если не обнаружено активности на рабочей частоте, станция сначала ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, потом снова "слушает эфир" и, если среда передачи данных все еще свободна, осуществляет передачу. Наличие случайной задержки необходимо для того, что-бы сеть не зависла, если несколько станций одновременно захотят получить дос-туп к частоте. Если информационный пакет приходит без искажений, принимаю-щая станция посылает обратно подтверждение. Целостность пакета проверяется методом контрольной суммы. Получив подтверждение, передающая станция счи-тает процесс передачи данного информационного пакета завершенным. Если под-тверждение не получено, станция считает, что произошла коллизия, и пакет пе-редается снова через случайный промежуток времени.

Еще одна специфичная для беспроводных сетей проблема - две клиентские стан-ции имеют плохую связь друг с другом, но при этом качество связи каждой из них с точкой доступа хорошее. В таком случае передающая клиентская станция может послать на точку доступа запрос на очистку эфира. Тогда по команде с точки дос-тупа другие клиентские станции прекращают передачу на время "общения" двух точек с плохой связью. Режим принудительной очистки эфира (протокол Request to Send/Clear to Send - RTS/CTS) реализован далеко не во всех моделях оборудо-вания IEEE 802.11 и, если он есть, то включается лишь в крайних случаях. В Ethernet при передаче потоковых данных используется управление доступом к каналу связи, распределенное между всеми станциями. Напротив, в IEEE 802.11 в таких случаях применяется централизованное управление с точки доступа. Кли-ентские станции последовательно опрашиваются на предмет передачи потоковых данных. Если какая-нибудь из станций сообщает, что она будет передавать пото-ковые данные, точка доступа выделяет ей промежуток времени, в который из всех станций сети будет передавать только она.

Следует отметить, что принудительная очистка эфира снижает эффективность работы беспроводной сети, поскольку связана с передачей дополнительной слу-жебной информации и кратковременными перерывами связи. Кроме этого, в про-водных сетях Ethernet при необходимости можно реализовать не только полудуп-лексный, но и дуплексный вариант передачи, когда коллизия обнаруживается в процессе передачи (это повышает реальную пропускную способность сети). По-этому, увы, при прочих равных условиях реальная пропускная способность бес-проводной сети IEEE 802.11b будет ниже, чем у проводного Ethernet. Таким обра-зом, если сетям Ethernet 10 Мбит/с и IEEE 802.11b (максимальная скорость пере-дачи информации 11 Мбит/с) с одинаковым числом пользователей давать одина-ковую нагрузку, постепенно увеличивая ее, то, начиная с некоторого порога, сеть IEEE 802.11b начнет "тормозить", а Ethernet все еще будет функционировать нор-мально.

Поскольку клиентские станции могут быть мобильными устройствами с автоном-ным питанием, в стандарте IEEE 802.11 большое внимание уделено вопросам управления питанием. В частности, предусмотрен режим, когда клиентская стан-ция через определенные промежутки времени "просыпается", чтобы принять сиг-нал включения, который, возможно, передает точка доступа. Если этот сигнал принят, клиентское устройство включается, в противном случае оно снова "засы-пает" до следующего цикла приема информации.

Схема работы

Ядром сети является точка доступа (Access Point). Вокруг неё образуется террито-рия радиусом 50-100 метров, называемая хот-спотом, или зоной Wi-Fi. Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (AP, от англ. access point) и не менее одного клиента (режим «инфраструктура»). Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не ис-пользуется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой SSID (англ. Service Set IDentifier, Network name — идентификатор сети, сетевое имя) с помощью специальных пакетов, называемых сигнальными пакетами, передающихся каждые 100 мс. Сигнальные пакеты пере-даются на скорости 0.1 Mбит/с и обладают малым размером, поэтому они не влияют на характеристики сети. Так как 0.1 Mбит/с — наименьшая скорость пере-дачи данных для Wi-Fi, то клиент, получающий сигнальные пакеты, может быть уверен, что сможет соединиться на скорости не менее, чем 0.1 Mбит/с. Зная па-раметры сети (то есть SSID), клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. Программа, встроенная в Wi-Fi карту клиента, также может влиять на подключение. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID программа может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе кри-териев для соединения и роуминга. В этом преимущество Wi-Fi, хотя оно означа-ет, что один из адаптеров может выполнять эти действия гораздо лучше другого. Последние версии операционных систем содержат функцию, называемую zero configuration, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними «на лету». Это означает, что роуминг будет полностью контролироваться операционной системой. Wi-Fi передаёт данные в эфире, по-этому он обладает свойствами, сходными с некоммутируемой Ethernet-сетью, и для него могут возникать такие же проблемы, как при работе с некоммутируемы-ми Ethernet-сетями.

Wi-Fi и сотовые телефоны

Некоторые считают, что Wi-Fi и подобные ему технологии со временем могут за-менить сотовые сети, такие как GSM. Препятствиями для такого развития событий в ближайшем будущем являются отсутствие роуминга и возможностей аутентифи-кации, ограниченность частотного диапазона и сильно ограниченный радиус дей-ствия Wi-Fi. Более правильным выглядит сравнение Wi-Fi с другими стандартами сотовых сетей, таких как UMTS или CDMA. Тем не менее, Wi-Fi идеален для ис-пользования VoIP в корпоративных сетях или в среде SOHO. Первые образцы обо-рудования были доступны уже в начале 90-х, однако не поступали в коммерче-скую эксплуатацию до 2005 года. Тогда компании Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi и многие другие представили на рынок VoIP Wi-Fi телефоны по «разум-ным» ценам. В 2005 ADSL ISP провайдеры начали предоставлять услуги VoIP своим клиентам (например нидерландский ISP XS4All). Когда звонки с помощью VoIP ста-ли очень дешёвыми, а зачастую вообще бесплатными, провайдеры, способные предоставлять услуги VoIP, получили возможность открыть новый рынок — услуг VoIP. GSM телефоны с интегрированной поддержкой возможностей Wi-Fi и VoIP начали выводиться на рынок, и потенциально они могут заменить проводные те-лефоны. В настоящий момент непосредственное сравнение Wi-Fi и сотовых сетей нецелесообразно. Телефоны, использующие только Wi-Fi имеют очень ограничен-ный радиус действия, поэтому развёртывание таких сетей обходится очень доро-го. Тем не менее, развёртывание таких сетей может быть наилучшим решением для локального использования, например, в корпоративных сетях. Однако устрой-ства, поддерживающие несколько стандартов, могут занять значительную долю рынка.

Коммерческий доступ к сервисам на основе Wi-Fi предоставляется в таких местах, как интернет-кафе, аэропорты и кафе по всему миру (обычно эти места называют Wi-Fi-кафе), однако их покрытие можно считать точечным по сравнению с сото-выми сетями.

Возможности работы Wi-Fi

Для использования в промышленности технологии Wi-Fi предлагаются пока ограниченным числом поставщиков. Так Siemens Automation & Drives предлагает Wi-Fi решения для своих контроллеров SIMATIC в соответствии со стандартом IEEE 802.11g в свободном ISM-диапазоне 2,4-ГГц и обеспечивающем максимальную скорость передачи 11 Мбит/с. Данные технологии применяются в основном для управления движущимися объектами и в складской логистике, а также в тех случаях, когда по какой-либо причине невозможно прокладывать проводные сети Ethernet.

Международные пректы

Другая бизнес-модель состоит в соединении уже имеющихся сетей в новые. Идея состоит в том, что пользователи будут разделять свой частотный диапазон через персональные беспроводные роутеры, комплектующиеся специальным ПО. На-пример FON — молодая испанская компания, созданная в ноябре 2005. Она наме-ревается стать самой большой сетью хотспотов в мире с 30 000 точками доступа. Пользователи делятся на три категории: linus, выделяющие бесплатный доступ в Интернет; bills, продающие свой частотный диапазон; и aliens, использующие дос-туп через bills. Таким образом, система аналогична пиринговым сервисам. Не-смотря на то, что FON получает финансовую поддержку от таких компаний, как Google и Skype, лишь со временем будет ясно, будет ли эта идея действительно работать. Сейчас у этого сервиса есть три основные проблемы. Первая заключа-ется в том, что для перехода проекта из начальной стадии в основную требуется больше внимания со стороны общественности и СМИ. Нужно также учитывать тот факт, что предоставление доступа к вашему Интернет-каналу другим лицам мо-жет быть ограничено вашим договором с интернет-провайдером. Поэтому Интер-нет-провайдеры будут пытаться защитить свои интересы. Так же, скорее всего, поступят звукозаписывающие компании, выступающие против свободного распро-странения MP3. И в третьих, программное обеспечение FON всё ещё находится в стадии бета-тестирования, и остаётся только ждать, когда будет решена пробле-ма безопасности.

OLSR (en) — один из протоколов, используемых для создания свободных сетей. Некоторые сети используют статическую маршрутизацию, другие полностью пола-гаются на OSPF. В Израиле разрабатывается протокол WiPeer для создания бес-платных P2P-сетей на основе Wi-Fi. Также имеет смысл обратить внимание на Netsukuku — проект независимой открытой распределенной анархичной сети.

В Wireless Leiden разработали собственное программное обеспечение для мар-шрутизации под названием LVrouteD для объединения Wi-Fi сетей, построенных на полностью беспроводной основе. Большая часть сетей построена на основе ПО с открытым кодом, или публикуют свою схему под открытой лицензией.

Некоторые небольшие страны и муниципалитеты уже обеспечивают свободный доступ к Wi-Fi хотспотам и доступ к Интернету через Wi-Fi по месту жительства для всех.

Тем не менее, есть и третья подкатегория сетей, созданных сообществами и ор-ганизациями, такими как университеты, где свободный доступ предоставляется членам сообщества, а тем, кто в него не входит, доступ предоставляется на плат-ной основе. Пример такого сервиса — сеть Sparknet в Финляндии. Sparknet также поддерживает OpenSparknet — проект, в котором люди могут делать свои собст-венные точки доступа частью сети Sparknet, получая от этого определённую выго-ду.

В последнее время коммерческие Wi-Fi провайдеры строят свободные Wi-Fi хот-споты и хотзоны. Они считают, что свободный Wi-Fi-доступ привлечёт новых кли-ентов и инвестиции вернутся.

Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, напри-мер, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслу-живаться беспроводными сетями.

Wi-Fi-устройства широко распространены на рынке. А устройства разных произво-дителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.

Wi-Fi сети поддерживают роуминг, поэтому клиентская станция может переме-щаться в пространстве, переходя от одной точки доступа к другой.

Wi-Fi — это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Недостатки Wi-Fi

Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не-одинаковы; во многих европейских странах разрешены два дополнительных кана-ла, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низко-частотных каналов. Более того, некоторые страны, например Италия, требуют ре-гистрации всех Wi-Fi сетей, работающих вне помещений, или требуют регистра-ции Wi-Fi-оператора. В России также обязательна регистрация сетей Wi-Fi.

Довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.

Самый популярный стандарт шифрования, Wired Equivalent Privacy или WEP, мо-жет быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости ключа). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол Wi-Fi Protected Access (WPA), многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, кото-рые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют допол-нительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения.

Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний Wi-Fi маршрути-затор стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Расстояние зависит также от частоты. Wi-Fi в диапазоне 2.4 ГГц ра-ботает дальше, чем Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц, и имеет радиус меньше, чем Wi-Fi (и пре-Wi-Fi) на частоте 900 МГц.

Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может по-мешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi.

Неполная совместимость между устройствами разных производителей или непол-ное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соеди-нения или уменьшению скорости.

Что такое WiMax?

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — это коммерческое «имя» стандарта беспроводной связи 802.16, принятого в январе 2003 года и поддер-жанного промышленной группой (WiMax Forum), в состав которой входят не один десяток известных коммуникационных компаний, таких как: Airspan Networks, Al-varion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Nokia, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN Inc… Целью этой организации является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всём мире и сертификация оборудования 802.16.

WiMax позволяет передавать данные по радиоканалу (подобно мобильной связи) в городских условиях, не смотря на застройки, деревья или погодные условия. Пе-редатчики WiMax устанавливаются провайдерами в различных районах города и позволяют подключаться к интернету в пределах всей зоны покрытия с помощью компьютера или мобильного телефона, поддерживающего WiMax. Кроме доступа к интернету WiMax используется для высококачественной голосовой и видеосвя-зи.

Как устроен WiMax

• Дальность действия: до 50 км.
• Максимальная скорость передачи данных: до 70 Мбит/с на сектор одной базо-вой станции. Типовая базовая станция имеет до шести секторов.
• Рабочая частота: 2-11 ГГц.
• Спектральная эффективность: до 5 бит/с/Гц.
• Покрытие: расширенные возможности работы вне прямой видимости значи-тельно улучшают качество покрытия обслуживаемой зоны.
• Модуляция OFDM - 64-QAM
• Доступ к среде адаптивный, динамический
• Управление сетью централизованное

Схема работы WiMax

Протокол 802.16 разработан для организации беспроводного доступа на уровне мегаполисов и призван решить провайдерскую проблему «последней мили», а также сократить финансовые расходы и временные затраты на разворачивание новых подключений благодаря унификации решения. WiMax сможет решить глав-ную проблему, стоящую перед компаниями, предоставляющими доступ в интер-нет: как помочь людям быстро выйти во всемирную сеть без прокладки оптико-волоконного кабеля, для которой нужно перекапывать дороги, разрушать мосто-вые и тротуары. Если сегодня на подключение одного предприятия к сети может уходить несколько месяцев, то в будущем это будет возможно сделать за не-сколько часов или дней.

Схема организации зоны покрытия

Точки доступа 802.16 будут устанавливаться на высотных зданиях и мачтах сетей сотовой связи. Работая в частотном диапазоне от 2 до 11 ГГц, они позволят раз-вернуть беспроводной доступ с шириной канала до 70 мегабит в секунду на сек-тор одной базовой станции (до 6 секторов на одну ТД) и обеспечить передачу данных вне зоны прямой видимости. Полоса пропускания, выделяемая клиентам, может контролироваться на стороне провайдера, что позволит, к примеру, обес-печить физическим лицам канал на уровне цифровых абонентских линий (DSL), а организациям — до уровня выделенной телефонной линии (T1).

Схема организации доступа к конечному пользователю

Также стоит отметить, что протокол 802.16 предусматривает не только передачу данных, но и голоса, а также видео (в виде тех же данных), что позволит органи-зовать на основе этого протокола сотовые сети с возможностью видеофонии (па-раллельный обмен голосовыми данными и видео), а также доступ к интернету и интранету.

Взаимодействие WiMax и WI FI

Описание протоколов IEEE 802.16

Название стандарта IEEE 802.16 можно было бы перевести как «Радиоинтерфейс для систем фиксированного широкополосного беспроводного доступа». Однако говорить о радиоинтерфейсе в данном случае не вполне корректно, поскольку спецификации 802.16 регламентируют реализацию не только физического, но и МАС-уровня в беспроводных сетях доступа, а также вопросы безопасности функ-ционирования таких сетей.

с HIPERACCESS. Кроме того, в ETSI разрабатываются спецификации HIPERMAN, рег-ламентирующие построение систем в диапазоне частот ниже 11 ГГц. Эта деятель-ность ведется в тесной кооперации с IEEE с целью гармонизации спецификаций HIPERMAN и 802.16a в варианте с ортогональным частотным мультиплексировани-ем (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Стандарт 802.16 содержит описание основных протоколов для систем фиксиро-ванного беспроводного доступа.

1. Описание подуровня конвергенции (Convergence Sublayer, CS), расположенно-го над МАС-уровнем и предназначенного для организации взаимодействия между более высокими уровнями сети и МАС-уровнем. В стандарте определе-ны два типа подуровней конвергенции: АТМ и пакетный. Первый обеспечивает взаимодействие МАС-уровня 802.16 с протоколами АТМ, второй - с пакетными протоколами, такими как IP, PPP и Ethernet.
2. Описание МАС-уровня, в частности сервисов между МАС-уровнем и подуров-нем CS, формата фрейма MAC PDU (MAC Protocol Data Unit), а также сервисов и механизмов опроса, обеспечивающих поддержку QoS. Среди них можно на-звать следующие:
   • Unsolicited Grant Service (UGS) -предназначен для поддержки потоков реального времени, генерирующих пакеты данных фиксированного размера (например, при передаче потоков Е1 или голоса поверх IP без подавления пауз);
   • Real-Time Polling Service (rtPS) - отвечает за поддержку потоков реаль-ного времени, которые формируют пакеты данных переменной длины, таких как видео в формате MPEG;
   • Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) - обеспечивает транспортировку по-токов с использованием пакетов переменной длины (например, при ши-рокополосной передаче средствами FTP);
   • Best Effort (BE) Service - реализует дисциплину обслуживания трафика best effort.
3. На МАС-уровне предусмотрена поддержка дуплексной передачи, синхрониза-ции и механизмов разрешения коллизий, возникающих на этапе установления системы или при поступлении запроса на передачу. На этом же уровне обес-печивается измерение расстояния до абонентских станций, необходимое для корректной работы протокола, обновление описания канала и разделение абонентского оборудования на абонентские группы. Кроме того, в описании MAC-уровня рассматриваются концептуальные подходы к обеспечению качест-ва обслуживания.
4. Описание уровня безопасности охватывает алгоритмы шифрования на участке между базовой и абонентскими станциями. К нему относятся протокол инкап-суляции для шифрования пакетов, включающий в себя несколько схем шиф-рования/аутентификации и правила их применения к пакетам МАС-уровня, а также протокол управления ключами шифрования (Privacy Key Management, PKM), который обеспечивает распределение между абонентами ключей, пере-даваемых базовой станцией.

Описание физического уровня, в том числе режимов временной и частотной дуп-лексной передачи, алгоритмов адаптивной смены вида модуляции и кодирования (FEC). В процессе адаптации, исходя из условий в физической линии, вид моду-ляции и скорость кодирования изменяются динамически от пакета к пакету и ин-дивидуально для каждого пользователя, что позволяет примерно вдвое увеличить реальную пропускную способность по сравнению с быстродействием неадаптив-ных систем.

Передача трафика в восходящем направлении (от абонентских устройств к базо-вой станции) базируется на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA (доступ по запросу) и TDMA (доступ с временным разделением каналов). Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета МАС-уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодиро-вание и модуляцию по алгоритмам QPSK, 16QAM и 64QAM. Два последних метода модуляции предусмотрены для абонентских устройств в качестве опции.

Нисходящая передача ведется в режиме временного дуплекса в едином потоке для всех абонентских устройств одного сектора. Передатчик осуществляет ран-домизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию в соответствии с алго-ритмами QPSK, 16QAM и 64QAM. Последний вариант предусмотрен для базовых станций в качестве опции.

В системе информация передается в виде фреймов, каждый из которых делится на два субфрейма. Первый служит для передачи трафика базовой станцией, вто-рой - абонентским оборудованием.

Рекомендуемые стандартом полосы частот и соответствующие скорости передачи при различных видах модуляции

Рекомендованное стандартом среднее значение выходной мощности передатчика составляет не менее 15 дБм. Значения чувствительности приемника зависят от метода модуляции сигнала. Так, для полосы 20 МГц и частоты ошибок передачи BER, равной 0,000001, предусмотрены следующие величины чувствительности: для QPSK - 77дБм, для 16QAM - 70 дБм, для 64QAM - 61 дБм. Приведенные в стандарте значения чувствительности далеки от потенциально достижимых. Скорее всего, такой запас оставлен для того, чтобы не закрывать дорогу дешевому оборудованию.

Исходная версия стандарта охватывает диапазон частот 10-66 ГГц, включающий в себя лицензируемые диапазоны 10.5, 25, 26, 31, 38 и 39 ГГц. Для него предусмот-рено использование указанных выше видов модуляции в одночастотном (Single Carrier, SC) режиме. Особенности распространения радиоволн этого диапазона ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимости. В ти-пичной городской среде это позволяет подключить примерно половину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2-11 ГГц и, помимо одночастотной передачи, предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и множественного доступа на основе такого мульти-плексирования (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного симво-ла можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой ви-димости базовой станции. Режим OFDMA предполагает использование мультип-лексирования OFDM с 2048 поднесущими и одновременный обмен трафиком сразу со многими абонентами. При стандартном количестве поднесущих (256) обеспе-чивается одновременная работа с восемью абонентами.

В стандарте также описаны модели сред, в которых распространяются радиовол-ны, и на этой основе сформулированы требования к параметрам радиооборудова-ния. Предусмотрены механизмы автоматической регулировки коэффициента уси-ления и динамического выбора частоты в нелицензируемых диапазонах. Помимо топологии «точка - много точек» в виде опции допускается использование полно-связной топологии (Mesh Mode), которая позволяет обеспечивать прямую связь между пользователями, значительно снижать помехи, характерные для безлицен-зионных диапазонов.

Рынок WiMax

Основной конкурент WiMax это технологии третьего поколения мобильных техно-логий 3G. Наиболее распространенными технологиями 3G являются EDGE, HSPDA и WCDMA (EV-DO). Эти технологии медленнее WiMax, но обладают сравнимой дальностью действия. Кроме того, оборудование для 3G обходится дороже, по-этому, скорее всего, мобильные операторы будут развивать сети WiMax. И уже некоторые серьезные игроки рынка даже относят WiMax к поколению "4G", хотя это не совсем правильно. На сегодняшний день специалисты сходятся во мнении, что WiMax лучше для городских условий и для фиксированного доступа в интер-нет, а 3G - лучше для мобильной связи за городом. А новое поколение телеком-муникационных сетей позволит Вам незаметно переключаться на тот тип связи (Wi-Fi, WiMax, EDGE, HSPDA), который наиболее оптимален в той точке, где вы сей-час находитесь.

Разработка столь сложных стандартов подразумевает сосуществование с другими беспроводными стандартами, включая сотовые сети, разработку новых поколений "умных" антенн, применение новых видов модуляции вроде OFDMA, новых типов сервисов вроде QoS, защиту данных и множество других параметров.

Диаграмма зависимости пропускной способности от расстояния для различных протоколов

Бесспорно, на сегодняшний день большинство пользователей интернета подклю-чены через уже проложенные кабельные или телефонные линии (ADSL). И ско-рость подключения их вполне устраивает. И даже (возможно) нет надобности за-ходить в интернет из различных мест. Но доступ в интернет для бизнеса в наше время должен быть по-настоящему надежным. Нет коннекта - бизнес останавливается. А провайдеры проводного интернета часто пользуются монопольным положением и недостаточно оперативно устраняют проблемы с интернетом. Поэтому многие компании и пользователи используют WiMax в качестве дополнительного канала доступа, обеспечивающего непрерывность бизнес-процессов и независимость от внешних факторов.

Кроме того, развертывание сетей WiMax в неосвоенных до сих пор районах - эко-номически более выгодно, чем прокладка кабеля, поэтому в этих случаях WiMax доступ будет еще и дешевле.

Нынче максимальное внимание внедрению сетей WiMax уделяется в странах с большими территориями и удаленностью от крупных городов, с большим процен-том сельского населения. Даже таким развитым странам как Швеция выгодно внедрять WiMax в качестве альтернативы проводным магистральным коммуника-циям, сетям GSM/EDGE и 3G. Что уж говорить о развивающихся странах вроде Ки-тая, Индии и России, где при любом раскладе приходится начинать с нуля.

WiBro

Компания Samsung нашла весьма неожиданное применение стандарту беспровод-ной связи WiMax. Корейская фирма разработала на его основе собственный стан-дарт для сотовой связи — WiBro (Wireless Broadband — широкополосная беспро-водная связь). По утверждению представителей Samsung, совместимость с уст-ройствами WiMax сохранится, но поскольку адаптеры WiBro отличаются низким энергопотреблением, то ими будут оснащены даже смартфоны и сотовые телефо-ны, и кроме того, их планируется встраивать в ноутбуки.

Пока идут только тестовые испытания — например, WiBro применялся для связи во время Олимпиады в Турине, но вскоре, сотовая связь на данном формате уже должна быть запущена в Корее. Выбор данной страны обусловлен не только тем, что это родина LG, но и тем, что там широко распространен широкополосный дос-туп, а WiBro поможет сделать его еще и беспроводным. В данный момент прави-тельство выделило под новый стандарт 100-МГц полосу частот в районе 2,4 ГГц, что позволит связываться с базовыми станциями на расстоянии 1—5 км со скоро-стью 20—30 Мбит/с.

Наряду с мобильными WiMAX-устройствами предполагается продавать также WiMAX-модемы для организации стационарных точек связи — фактически для вы-хода в Интернет с домашнего ПК через новый протокол.

Перспективы WiMax

Несмотря на то, что интернет во многих случаях позволяет решать вопросы не вы-ходя из офиса (например, с помощью Web-конференции), мобильность интернет - пользователей с каждым годом возрастает. Происходит это потому, что благодаря тому же интернету, бизнес становится более глобальным. Сотрудники, партнеры и клиенты часто живут в разных городах, разных странах. А без личной встречи в некоторых случаях не обойтись.

Кроме того, вэб-приложения, которые на порядок поднимают эффективность биз-неса, становятся все более популярными. Поэтому спрос на глобальный беспро-водный доступ к интернету в скором времени станет таким же, как на традицион-ную мобильную связь.

Новый стандарт должен произвести революцию на рынке сетевых решений, так как его возможности действительно впечатляют. Известно, что Япония и некото-рые страны Европы (не говоря о США) уже присматриваются всерьез к нему.

Что же касается России, то большинство пользователей используют для доступа в интернет «устаревший» Dialup. Цены за мегабайт трафика на выделенной линии все еще по-прежнему высоки. Это означает, что внедрение WiMax начнется с кор-поративных клиентов, которые будут готовы платить за новые технологии, и толь-ко позже начнется работа с частными абонентами.

Словом, многие сходятся во мнении, что до 2009 года WiMax-сети вряд ли выбе-рутся за пределы крупных городов России. Хотя, в Сети также можно обнаружить достаточно много противоположных мнений, делающих ставку на то, что если на начальном этапе внедрение WiMax-сетей окажется удачным, их количество за ко-роткие сроки вырастет как снежный ком.

История возникновения UWB

Расширение многообразия периферийных устройств ЭВМ требует новых широко-полосных интерфейсов. Одним из таких решений стал последовательный интер-фейс USB (Universal Serial BUS), порт IEEE-1394 (FireWire) и некоторые другие. Эти интерфейсы позволяют объединить несколько внешних устройств в сеть. Еще од-ной тенденцией в подключении внешних устройств является исключение прово-дов (вспомним беспроводные клавиатуры и мыши, а также стандарт Bluetooth). Но Bluetooth может гарантировать скорость обмена не более 232 Кбит/c, USB 2.0 – до 480 Мбит/c.

Жизнь не стоит на месте, и в течение нескольких следующих лет следует ожидать широкого распространения еще одной беспроводной технологии.

Ее называют технологией сверхширокополосной передачи данных (ultra wideband, UWB) или импульсной цифровой беспроводной связью. Она будет применяться для доставки телевизионных программ, фильмов, игр и многомегабайтных фай-лов данных в «беспроводных» домах и офисах. UWB обладает более высоким бы-стродействием, чем современные беспроводные локальные сети, и обеспечивает формирование работающих на небольших расстояниях широкополосных каналов передачи данных, не чувствительных к внешним помехам.

Впервые реализация технологии UWB была продемонстрирована Джералдом Рос-сом в радарах и коммуникационных приложениях в конце 60-х и начале 70-х го-дов. Разработанная по заказу агентства оборонных исследований DARPA, она на-зывалась тогда «широкополосной импульсной связью без несущей частоты» или «сигнальной системой с временной синхронизацией», пока в 1989 году в Пентаго-не не назвали ее сверхширокополосной связью.

В определенном смысле технология UWB возвращает нас ко временам изобрете-ния радио и опытам Джулио Маркони с искровыми передатчиками. UWB является также далеким потомком технологии широкополосного радиовещания, которая применялась во время Второй мировой войны. Тогда передача осуществлялась на многих различных радиочастотах с одновременным использованием только одной из них во избежание взаимных помех. Курьезом можно считать тот факт, что че-редование частот было изобретено и запатентовано в 1942 году актрисой Хеди Ламар и композитором Джорджем Антейлом. В отличие от этой технологии UWB одновременно использует все доступные частоты.

Принцип работы UWB

UWB не заменит непосредственно другие типы беспроводных коммуникаций, но обладает определенными свойствами, отсутствующими в других технологиях. Пе-редатчик UWB посылает миллиарды кратковременных импульсов в широком диа-пазоне радиочастот. Каждый из этих радиочастотных «всплесков» длительностью от одной триллионной (10–12) доли секунды до нескольких наносекунд занимает лишь несколько периодов несущей радиоволны. Такая небольшая продолжитель-ность передачи придает сигналам UWB уникальные свойства. Они в достаточной мере устойчивы к эффектам затухания, возникающим при множественном прие-ме, когда отраженная волна, пришедшая в противофазе с основным сигналом, снижает его результирующую мощность. Импульсы UWB так коротки, что основ-ной сигнал завершается до момента получения отраженного, поэтому не происхо-дит их взаимного гашения. Из-за весьма небольшой длительности импульсов UWB они могут использовать очень широкий спектр частот, что позволяет снизить мощность сигналов, что, в свою очередь, минимизирует взаимные помехи с дру-гими радиопроцессами и снижает угрозы здоровью людей. Однако, поскольку мощность сигнала часто оказывается ниже уровня шума, это затрудняет его де-тектирование.

С технической точки зрения к UWB относится любая технология радиопередачи со спектром, занимающим более 20% центральной части диапазона, или осуществ-ляемой на частотах не менее 500 МГц. В современных системах UWB для эффек-тивного использования чрезвычайно широкой полосы пропускания используются различные методы модуляции, включая OFDM (Orthogonal Frequency Division Multi-plexing).

Диаграмма зависимости пропускной способности UWB от расстояния

Резкое снижение пропускной способности в связи с увеличением дистанции явля-ется больным местом новой технологии еще и потому, что мнение Intel не совпадает по этому вопросу с мнениями остальных разработчиков технологии, входящих в рабочую группу IEEE 802.15.3a, ответственную за UWB. В данном случае Intel выступает в роли представителя альянса MBOA (Multiband-OFDM Alliance), радеющего за разбиение частотного диапазона UWB на множество поддиапазонов шириной 528 МГц (также считающимися широкополосными) и применение технологии мультиплексирования сигнала по ортогональным несущим (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Разбиение выделенного под UWB спектра на поддиапазоны промежуточной ширины призвано снизить искажение сигнала в каждом 528-мегагерцовом диапазоне и, пусть ненамного, но увеличить дальность связи.

Совсем другого подхода придерживается группа разработчиков DS-UWB (Direct-Sequence UWB), возглавляемая компанией Motorola. DS-UWB предполагает исполь-зование всего спектра как единого целого, что должно позволить добиться пропу-скной способности до 1 Гбит/с., правда, опять-таки на малой дистанции - до 3 метров. Отметим, что эта магическая цифра - три метра, также присутствует в представленном на IDF варианте Intel (MBOA-UWB) для максимальной пропускной способности в 480 Мбит/с. Различие в показателях скорости между вариантами Intel и Motorola как раз и объясняется тем, что в первом случае частотный диапа-зон разбивается на куски, а во втором - нет. Заметим также, что само число 480 Мбит/с выбрано не случайно - эта скорость обмена данными соответствует спе-цификациям USB 2.0, а Intel, которой хотелось бы внедрить свои решения в мак-симально широкий спектр продуктов, надеется на использование UWB в техноло-гиях Wireless USB, находящихся на стадии начальной разработки. Надеясь на уни-версальность технологии, Intel и поддерживает вариант MBOA-UWB - компания не теряет уверенности, что в будущем удастся увеличить дальность действия UWB до 50-100 метров (тут необходимо преодолеть ряд трудностей, связанных с сильным взаимодействием широкополосного сигнала 3-10 ГГц со всем, что попадается у него на пути - стенами, деревьями, людьми и т. д.). Но если это удастся, стан-дарт сможет конкурировать с технологиями беспроводной связи семейства 802.11. Подытожив, можно сказать, что Intel, с одной стороны, хочет видеть тех-нологии UWB как основу для использования в стандарте Wireless USB, а с другой стороны, не хочет превращения UWB в узкоспециализированную технологию (как этого желает Motorola).

Применение UWB

В настоящее время UWB предназначается для высокоскоростной передачи данных в «персональных сетях» с эффективным радиусом работы, не превышающим де-сяти метров. Хотя эти возможности сравнимы с Bluetooth, здесь применяется со-вершенно другая технология. При использовании UWB расстояние заметно влияет на скорость передачи — чем больше расстояние, тем меньше быстродействие. Расстояние, возможно, будет увеличено до километра. Но это потребует специ-альных высокочувствительных антенн. Кроме того, следует ожидать снижения производительности.

Одной из важных особенностей технологии UWB является весьма низкое энерго-потребление, которое, как утверждают, не превышает 0,001% мощности сотового телефона. Сигналы UWB не детектируются обычными радиоприемниками, по-скольку не превышают уровень обычного для них шума. UWB-телефоны будут по-треблять так мало электроэнергии, что смогут неделями работать без перезаряд-ки аккумуляторов. И так как они используют весь доступный частотный диапазон, проектирование и производство подобных устройств может оказаться дешевле других радиосистем, которые настраиваются на вполне определенную частоту.

Взаимодействие приемников и передатчиков UWB должно синхронизироваться с точностью до триллионной доли секунды. При этом приемники воспринимают только вполне определенные, «знакомые», последовательности импульсов. Это делает UWB весьма защищенной технологией, и объясняет, почему она в свое время применялась для скрытого общения военных и разведчиков. В состав обо-рудования UWB войдут радары и системы электронного определения местополо-жения и позиционирования. Сигналы UWB-радара способны проникать сквозь сте-ны, пол и потолки здания, которые блокируют или отражают другие типы радио-волн. UWB обеспечивает более высокую точность, чем GPS, и может использо-ваться внутри помещений.

Со временем, как ожидают, сети UWB достигнут гигабитных скоростей и будут способны передавать трафик телефонных сетей, телевидения и Internet для до-машних применений, а также в секторе малого бизнеса.

Есть и еще один взгляд на данную технологию. Кевин Мартин (Kevin Martin), член комиссии FCC: "Сегодня пользование тем или иным частотным диапазоном с необхо-димостью осуществляется на исключительной основе. В противовес нашей традици-онной парадигме распределения спектра, которая часто заставляет нас определять выигравших и проигравших, технология UWB может привести к тому, что выиграв-ших станет больше". Однако пока не ясно, кто окажется проигравшим при вне-дрении технологии UWB.