Что такое беспроводные средства связи
Беспроводные сети и системы связи: виды, устройство, топологии
Технологии беспроводных сетей связи
Беспроводные технологии используются для передачи информации между находящимися на расстоянии точками без использования кабелей, проводов или других электрических проводников.
Выбор оптимальной технологии для беспроводных решений определяется множеством факторов:
● Объемом данных (сбор мегабитов в секунду/несколько раз за сутки);
● Временем отклика (получение команды в заданный момент времени);
● Надежностью отклика (гарантия получения команды, степень вероятности возникновения ошибок);
● Дистанцией связи (расположение узлов сети относительно друг друга);
● Количеством узлов связи (обслуживание одного/множества узлов);
● Стратегией оператора (предоставляемые и планируемые услуги);
● Целевой аудиторией (одна или несколько групп лиц, для которых предназначен продукт);
● Размером вложений в развитие сети, временем их окупаемости;
● Уже существующей сетевой инфраструктурой, наличием ресурсов для поддержания ее работоспособности;
● Временем, необходимым для запуска сети.
Особенности беспроводной связи
Беспроводной тип связи имеет несколько особенностей
● Расстояние передачи может варьироваться от нескольких метров до тысяч километров;
● Данный вид связи может использоваться для беспроводного доступа в Интернет, сотовой телефонии, беспроводной домашней сети и т. д.;
● Такая связь также применяется для GPS, спутникового, телевизионного вещания, беспроводных телефонов, различного типа гарнитур, радиоприемников.
Типы беспроводных сетей
Существует несколько основных классификаций беспроводных сетей:
1. По дальности действия:
● WPAN — беспроводные персональные сети (например, Bluetooth);
● WLAN — локальные беспроводные сети (Wi-Fi);
● WMAN — беспроводные сети масштаба города (WiMAX).
● Автономные локальные (потоки данных территориально замкнуты в пределах конкретного объекта);
● Локальные, имеющие выход в транспортную (первичную) сеть (часть пользователей имеет выход за пределы локальной сети, например, доступ к Интернету);
● Открывающие потребителям непосредственный доступ к транспортной сети.
● Корпоративные ведомственные (создаются компаниями для корпоративных нужд);
● Операторские (создаются операторами с целью возмездного оказания услуг).
Протоколы беспроводной передачи
Основой беспроводной сети выступает протокол, который регламентирует ее топологию, адресацию, маршрутизацию, формат передаваемых пакетов, порядок доступа сетевых узлов к каналу передачи данных, набор управляющих команд, систему защиты информации.
Существует следующая классификация протоколов согласно радиусу их действия:
Wireless LAN
Модель OSI
Сетевая модель стека протоколов OSI. Использование этой модели позволяет сетевым устройствам взаимодействовать между собой на различных уровнях, каждый из которых выполняет определенные функции:
1. Физический — физический носитель или кабель;
2. Канальный — передача, прием пакетов данных, вычисление аппаратных адресов;
3. Сетевой — ведение учета, маршрутизация;
4. Транспортный — обеспечение бесперебойной сквозной передачи данных;
5. Сеансовый — аутентификация, контроль полномочий;
6. Интерпретации данных — представление, сжатие данных;
7. Прикладной — оказание услуг конечному пользователю: регистрация, почта и т. д.
Отличие OSI и TCP / IP Suite
Между OSI и TCP/IP есть несколько отличий:
1. TCP/ IP Suite представляет собой цифровую модель, применяемую для установления соединения и связи через сеть, тогда как OSI — это концептуальная модель, которая практически не используется в связи, а служит для проектирования, понимания архитектуры системы;
2. Модель OSI имеет семь уровней сетевой иерархии, TCP/IP — четыре;
3. TCP/IP использует горизонтальный подход, OSI — вертикальный;
4. OSI следует подходу «снизу вверх», TCP/IP — «сверху вниз».
Топологии беспроводных сетей
Точка-Точка
Звезда
Многоячейковая сеть
Кластерное дерево
Методы разделения доступа
Безопасность беспроводных сетей связи
Алгоритмы шифрования
Существует несколько алгоритмов шифрования:
1. Е0 — данный поточный шифр применяется для стандарта Bluetooth. Построен на основании трех линейных генераторов сдвига;
2. AES — используется для защиты беспроводных каналов трансляции данных в протоколах ZigBee, UWB, RuBee, Wi-Fi, WiMAX;
3. Rolling Code System — шифр использует рекуррентный линейный регистр сдвига (основной — 32 бита, дополнительный — 5). Шифрование осуществляется побитным суммированием с ключом;
4. Crypto 1 — комбинация нелинейных и линейных рекуррентных регистров с длиной ключа, равной 48 бит;
5. А5 — шифрование потока данных осуществляется побитно. Происходит суммирование потока информации, получаемой по радиоканалу от пользователя и битового потока ключа, сгенерированного подобным алгоритмом.
Уязвимости беспроводных протоколов и возможные риски
Вещание радиомаяка
Подслушивание
Ложные точки доступа
Отказ в обслуживании
Атака типа «человек-в-середине»
Анонимный доступ в Интернет
Преимущества беспроводной связи
Экономическая эффективность
Гибкость
Удобство
Скорость
Доступность
Постоянная связь
Характеристики беспроводного канала связи
Потеря пути
Представлены отношением мощности транслируемого сигнала к мощности того же сигнала, который был принят приемником на данном пути.
Такие потери зависят от характера местности, используемой радиочастоты и могут быть описаны двумя моделями:
1. Распределение в свободном пространстве — простая модель, где сигнал прямого пути между приемником и передатчиком существует без многолучевых компонентов, ослабления в атмосфере;
2. Модель двух путей — предполагает достижение сигналом приемника по двум трактам, один из которых находится в прямой видимости, а другой расположен на пути, который осуществляет прием отраженной волны. Используется чаще модели первого типа.
Замирание
Колебание уровня сигнала при попадании на приемник.
Замирание делится на два типа:
Быстрое затухание
Медленное угасание
Интерференция
Беспроводные технологии должны противостоять идущим от различных источников помехам нескольких типов:
● Соседнего канала — находящиеся на на соседних частотах сигналы имеют компоненты, препятствующие текущей передаче на соседних частотах, находясь вне выделенных диапазонов;
● Совмещенного канала (узкополосные) — появляются из-за использования соседними системами аналогичной частоты передачи;
● Межсимвольным — искажение сигнала вызвано временным расширением отдельных сигнальных импульсов с их последующим перекрытием.
Доплеровский сдвиг
Беспроводные оптические каналы связи
Оптические линии, функционирующие в инфракрасном участке спектра, используются для соединения отдельных вычислительных локальных сетей (ЛВС), которые применяются в следующих случаях:
● Создание резервного и/или основного канала связи;
● Объединения нескольких ЛВС;
● Организация аварийной связи;
● Для связи «точка-точка» при максимальном расстоянии между точками до 1 километра;
● Создание магистральных каналов;
● Организация доступа к сети Интернет или к ведомственным, а также общим сетям передачи информации.
Принцип действия оптических беспроводных каналов связи (БОКС) следующий: сетевой трафик из кабеля через устройство сопряжения поступает к светодиоду, который функционирует в инфракрасном диапазоне спектра. Узконаправленным световым лучом сигнал подается на принимающий фотодиод, расположенный у другого конца сети. Далее осуществляется демодуляция полученного светового сигнала и его преобразование в коммуникационный протокол.
БОКС обладают рядом преимуществ:
● Низкая стоимость аппаратуры;
● Высокая надежность передачи данных;
● Быстрая установка (2−3 часа);
● Высокая скорость распространения информации (10 Мбит/сек);
● Повышенная устойчивость к помехам;
● Функционирование при любых погодных условиях;
● Безопасность (инфракрасное излучение неопасно для человека).
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗИ
Массовое использование радиосвязи пользователями, не имеющими квалификации для работы передающих и принимающих устройств, требует специальных правил. Для таких девайсов полосы частот выделены без разрешений и сборов. Устройства, работающие в этих диапазонах, должны иметь только законодательно ограниченную малую мощность и использовать выделенные каналы. Чаще всего это диапазоны ISM, зарезервированные для промышленных, научных и медицинских приложений, не связанных с телекоммуникациями. В разных странах для такого используются разные частоты, и при проектировании устройства, работающего в диапазонах ISM, необходимо выбрать соответствующий частотный диапазон.
Приборы радиосвязи имеют много преимуществ. Они удобны и дешевы, так как не требуют дорогостоящей проводки. Они обеспечивают неограниченную мобильность в реальном диапазоне. Но у них есть и недостатки. Передача по радиоканалам требует все более сложного кодирования для предотвращения перехвата данных или модификации в преступных целях.
Другой проблемой могут быть электромагнитные помехи, вызывающие затухание или искажение сигнала. В важных приложениях используются механизмы для восстановления некоторых потерянных данных с помощью программных методов. Но для этого требуется избыточная передача данных, которая замедляет фактическую скорость.
Принцип передачи данных
С технической точки зрения, для передачи данных нужен радиомодем и система передатчика и приемника, то есть трансивер. Модем преобразует цифровой сигнал на передающей стороне, то есть последовательность нулей и единиц, в аналоговый сигнал, который может быть отправлен по радиоканалу. Одним из наиболее известных методов является модуляция FSK (ЧМ) и ее вариации, заключающиеся в дискретном изменении несущей частоты в зависимости от передаваемого информационного бита.
Преобразование модулированного сигнала в цифровой
В требовательных устройствах модули радиосвязи с использованием специально разработанных и стандартизированных протоколов обмена данными. Универсального решения здесь нет, и стандарт радиосвязи выбирается в соответствии с требованиями приложения. В компьютерных технологиях протоколы обмена данными описываются с помощью многоуровневых моделей. В каждой из этих моделей есть разделение на самый нижний физический уровень, включая аппаратные решения, и более высокие уровни, определенные для конкретного протокола. В беспроводных интерфейсах физический уровень представляет собой радиоприемопередатчик, работающий в заданной полосе частот с определенной модуляцией и выходной мощностью. Интерфейс должен иметь возможность модулировать несущую волну частотного канала потоком передаваемых цифровых данных и демодулировать полученные данные.
Стандарты беспроводной связи хорошо документированы, и их кодовая реализация может быть написана без проблем. Это правда требует много рабочего времени программиста, и, следовательно, затраты явно возрастают. Поэтому на рынке доступны полные готовые модули, состоящие из ВЧ-части подключенной к микроконтроллеру, в которой есть прошивка выполняющая большинство функций, необходимых для установления соединения, передачи данных, обработки ошибок и так далее. В зависимости от версии реализована поддержка двух нижних уровней: оборудования и доступа к MAC-каналу или всего протокола с элементами прикладного уровня.
Простые радиомодули
Если нужно дешевое решение, чаще всего для соединения точка-точка, оптимальным выбором будут простые радиомодули. Например модули на базе nRF24L01 от Nordic Semiconductor стали своеобразным стандартом. Своей популярностью они обязаны невысокой цене и немалым возможностям. Модули с микросхемой nRF24L01 широко используются в среде Arduino, что также способствует ее большой популярности.
Блок-схема модуля nRF24L01
Есть два режима работы: Shock Burst и Direct (прямой).
Также возможно сгенерировать контрольный полином (CRC) аппаратно в схеме передатчика и подтвердить передачу на основе этого CRC в приемнике. Модули с микросхемой nRF24L01 достаточно технически продвинуты и могут успешно использоваться для более серьезных задач, несмотря на отсутствие поддержки радиопротоколов.
Комплект трансивера на диапазон 433 МГц
Если нужно простое решение, но в то же время предоставляющее уникальные возможности, стоит поинтересоваться предложением от компании MICRORISC. Простой радиомодуль был подключен к небольшому микроконтроллеру, и эта схема размещена на небольшой печатной плате. Такая идея не кажется чем-то новым, и она действительно была бы таковой, если бы на этом остановилась.
Продукт гораздо больше, чем просто радиомодуль и микроконтроллер. Вся система была спроектирована и собрана из небольших, простых в использовании и программируемых радиомодулей, комплектов DCC и проприетарных аппаратных и программных инструментов, обеспечивающих всестороннюю поддержку проектировщика.
Блок-схема модуля TR72
Пользователь имеет в своем распоряжении часть памяти программ микроконтроллера и может разместить свою прошивку, написанную на языке C, взаимодействующую со встроенной ОС. Производительность очень простого ядра микроконтроллера PIC16F и доступные ресурсы не позволяют реализовать более продвинутые протоколы радиосвязи, но для простых дел очень полезно гибкое соединение микроконтроллера, поддерживаемого простой ОС, с радиомодулем.
Схема принципиальная модуля TR72
Простая операционная система под названием IQRF OS была установлена на заводе в память микроконтроллера модуля. В распоряжении пользователя есть набор системных функций. Они используются для передачи данных по радиоканалу и передачи данных в хост-систему (стандартно через интерфейс SPI). Функции ОС IQRF поддерживают работу сетей MESH.
Пользовательская программа написана на C и скомпилирована с помощью компилятора CC5X. И здесь производитель позаботился о том, чтобы вам не пришлось беспокоиться о необходимых инструментах. Бесплатная версия компилятора достаточна для написания большой программы. Следует помнить, что такой модуль представляет собой интеллектуальную периферийную систему и на нем не выполняются большие задачи. При необходимости радиомодуль выполняет функции связи, а более сложные задачи выполняет хост. Разработка приложений возможна благодаря пакету IRQF IDE компании.
Хотя на первый взгляд это кажется простым инструментом, у него довольно много возможностей. С его помощью мы можем выполнять все проектные действия: редактировать (с помощью внешнего редактора) исходный файл языка C, компилировать его, программировать микроконтроллер радиомодуля и отлаживать работающую программу. И, наконец, «программатор» модулей позволяет с уровня IRQF IDE записывать во Flash память микроконтроллера программный код пользователя.
Для программирования памяти микроконтроллера потребуется дополнительный модуль программатора с интерфейсом USB. В программатор помещается радиомодуль, например упомянутый TR72, и после подключения с помощью кабеля USB можно программировать его. Также роизводитель предусмотрел возможность удаленного перепрограммирования модулей через радиосвязь. Один отдельный модуль может быть перепрограммирован или все подключены к нему одновременно.
Пример конфигурации сети IQMESH
В системе IQRF радиомодули TR52B, образующие сеть, могут работать в двух режимах: Одноранговый, IQMESH.
Microchip Mi-Wi
Microchip предлагает интересную систему беспроводной связи под названием Mi-Wi (не путать с Вай-Фай), которая включает в себя комплексные аппаратные и программные решения. Изначально радиочасть была предназначена для специализированных радиомодулей, взаимодействующих со стандартными микроконтроллерами PIC из разных семейств и с производительностью в зависимости от требований устройства.
С 2018 года компания заморозила разработку программного обеспечения Mi-Wi для микроконтроллеров PIC и сосредоточилась на решении, разработанном приобретенной компанией Atmel со специальными радио-микроконтроллерами Microchip SAMR30 и SAMR21 (2,4 ГГц).
Mi-Wi основан на стандарте радиосвязи IEEE802.15.4, описывающем сети WPAN, предназначенный для беспроводных сетей с низкими скоростями передачи данных, низким энергопотреблением и низкими затратами. Это очень важный стандарт, лежащий в основе многих протоколов беспроводной сети, включая хорошо известные ZigBee или Thread.
Стек протокола Mi-Wi использует модифицированный MAC-уровень стандарта IEEE 802.15.4, который добавляет команды для упрощения процесса подтверждения соединения. Проще реализовать процессы подключения и отключения, а также сканирование радиоканалов. Однако ряд действий, таких как, например, принятие решений о том, когда и как сканировать каналы или вводить механизмы энергосбережения, не реализованы в протоколе и должны выполняться на уровне приложений.
Mi-Wi может работать в режиме P2P (одноранговый) или с отдельной центральной точкой (звездообразная топология). А сетевые устройства делятся на три типа в зависимости от выполняемых функций:
В звездообразной топологии, показанной на рисунке, координатор PAN инициирует обмен данными и принимает входящие соединения от устройств в сети. Конечные устройства FFD или RFD могут устанавливать соединение только с координатором PAN. В устройствах FFD трансивер всегда включен, и устройства получают питание от сети.
Топология сети STAR Mi-Wi
RFD же питается от батареи, и его трансивер выключен в состоянии IDLE.
В топологии P2P, в отличие от звездообразных сетей, конечные устройства FFD могут устанавливать соединения не только с координатором PAN, но и друг с другом. Таким образом можно построить сетку MESH. Microchip поддерживает технологии Mi-Wi, предоставляя радиомодули, оценочные комплекты и бесплатное программное обеспечение. Библиотеки для микроконтроллеров PIC из семейств PIC16, PIC18 и PIC24, dsPIC33 и PIC32 поддерживают радиомодули с маршрутизаторами MRF24J40 (диапазон 2,4 ГГц) и MRF89XA (диапазон 870 МГц). Стек протоколов использует конечный автомат (без RTOS).
Топология сети P2P
Microchip отказалась от развития сети Mi-Wi на основе выделенных модулей и прошивок, хранящихся в памяти микроконтроллера семейств PIC micro. После приобретения Atmel новые воплощения стека Mi-Wi работают с микроконтроллерами семейств ATSAMR21 и ATSAMR30.
Протокол LoRaWAN
Большинство радиолиний в диапазонах, предназначенных для использования без отдельного разрешения, имеют небольшую прямую дальность действия максимум 100 метров на открытой местности. Это связано с большим ограничением мощности передатчиков и используемой модуляции. Диапазон может быть увеличен за счет использования ячеистых сетей и повторной передачи пакетов данных устройствами, работающими в сети. Но есть устройства, в которых требуется гораздо больший прямой диапазон без возможности повторной передачи данных. Например, датчики Интернета вещей (IoT) развернуты в малонаселенных районах, где нет развитой инфраструктуры и для этой цели нельзя использовать радиолинии ближнего действия.
Для динамично развивающихся сетей устройств IoT, распределенных на большой территории, предпринимаются попытки разработать и реализовать различные решения для радиосвязи. Наиболее перспективными являются выделенные радиосети на базе инфраструктуры сотовых сетей GSM. Предполагается, что это будут коммерческие решения, предлагающие платную передачу данных, но с ограниченными затратами из-за массового использования. И альтернативным решением могут стать сети LoRaWAN.
Для передачи по радиоканалу используется система связи LoRa. Передача данных на относительно большие расстояния возможна благодаря модуляции CSS (Chirp Spread Spectrum). Интересно, что это метод, разработанный в 1930-х годах для нужд созданных в то время радаров. Он также использовался для связи в космосе. CSS устойчив к помехам от отражений (помехи сигнала), устойчив к эффекту Доплера, не требует синхронизации приемника и передатчика и, что важно, амплитуда сигнала практически не влияет на частоту ошибок при передаче ( амплитуда влияет только на диапазон сигнала). С другой стороны, модуляция CSS из-за своих свойств не позволяет передавать данные на высоких скоростях.
Структура сети LoRaWAN
Узлы (конечные устройства) сети LoRaWAN, должны отличаться очень низким энергопотреблением. В устройствах класса A и B режим глубокого сна используется во время бездействия, что позволяет значительно снизить энергопотребление. Но также необходима определенная степень эффективности встроенного микроконтроллера, позволяющего обрабатывать стек, кодировать передачу данных и, конечно же, управлять измерительным датчиком. Поэтому многие производители используют 32-битные микроконтроллеры со встроенными расширенными режимами энергосбережения.
Подведём итоги
Быстрое развитие протоколов и аппаратных решений обусловлено постоянно растущей популярностью устройств Интернета вещей, а также их массовым применением в потребительских устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки, смарт-телевизоры и другие.
Для соединений между устройствами IoT и другими элементами используются стандарты, работающие в диапазонах ISM с низкой мощностью передачи. Ограничение мощности приводит к тому, что радиодиапазоны будут небольшими, в зависимости от стандарта и условий распространения, от 10 до 200 м. Это недостаток с одной стороны, но и преимущество с другой, потому что передатчики имеют ограниченный диапазон дальности и не мешают друг другу. Также низкие мощности не должны негативно сказываться на здоровье.
Стандартизованные решения сетевых протоколов позволили производителям аппаратных решений предложить готовые стеки протоколов, размещенные в памяти микроконтроллеров, взаимодействующих с радиомодулями, или в памяти микроконтроллеров, интегрированных с радиоприемопередатчиками. Стеки протоколов могут быть доступны в виде бесплатных библиотек, распространяемых производителями микроконтроллеров. Это решает для проектировщика множество проблем, связанных с кодированием передачи, организацией и настройкой сети, внедрением механизмов энергосбережения и так далее.
Устройства IoT, работающие в плохо урбанизированной зоне, должны иметь относительно большой радиус действия в километрах и ограниченное потребление энергии (упирается в мощность аккумулятора). Стандарт LoRaWAN, продвигаемый крупными производителями микроэлектроники, может быть ответом на эти потребности. Однако LoRaWAN нуждается в сети базовых станций, подключенных к Интернету. Хотя построить такую станцию самостоятельно не сложно, доступ к Интернету в плохо урбанизированной местности может стать проблемой.
Уже упоминавшаяся популярность сети устройств IoT и связанная с этим необходимость создания радиосетей привели к появлению соответствующих аппаратных решений. Здесь тоже есть тенденции. Изначально это были радиомодули, содержащие микросхемы с трансивером, микросхему модулятора, встроенную антенну и микросхему модуляции. Это большое подспорье, потому что для правильного проектирования высокочастотной системы требуется много знаний и еще больше опыта. Использование готового модуля избавляет проектировщиков от решения этих проблем. Нужно только отправить данные через последовательный интерфейс. Примером такой микросхемы является nRF24L01 и модули, построенные на ней. В то же время были модули, которые могли больше. Помимо трансивера, они содержали микроконтроллеры и программное обеспечение, поддерживающее нижние уровни сетевых протоколов. Многие из этих решений основаны на стандарте IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень MAC и уровень доступа к среде передачи в беспроводных персональных сетях с низкой пропускной способностью (LR-WPAN). Этот стандарт используется в сетях Mi-Wi, ZigBee и Thread.
В последнее время появилась еще одна новая тенденция. Конструкции микроконтроллеров со встроенным комплектным радиомодулем используются для построения элементов беспроводной сети. К примеру такие микроконтроллеры:
Во всех новых решениях особое внимание уделяется двум вещам. Во-первых, системы беспроводной передачи данных должны работать с очень ограниченным энергопотреблением. Конечные устройства в ячеистых сетях и сетях LoRaWAN могут работать от батареи, поэтому очень важно ввести расширенные режимы энергосбережения с возможностью быстрого выхода из спящего режима.
Форум по обсуждению материала БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗИ