Die drahtlose Datenübertragung erlebt derzeit eine Art Boom. Wenn beim Sprachaustausch alles klar genug ist, jeder ihn überall und immer braucht, dann ist die Situation im Bereich der drahtlosen Datenübertragung nicht so klar. Die größten Technologieentwickler und Hersteller der Elementbasis versuchen fieberhaft, die Marktentwicklungstrends, dh die Interessen der Verbraucher, zu bestimmen. Technologien und die damit verbundene Produktion von Komponenten entstehen und vergehen leise. Es gibt viel mehr Fragen als Antworten.

Datennetze können klassifiziert werden auf die folgende Weise:

1. Autonome lokale Netze (Datenströme sind innerhalb des Unternehmens, Büros, Hauses, Wohnungs räumlich geschlossen).
2. Lokale Netzwerke mit Zugriff auf das (primäre) Transportnetz (einige Verbraucher haben Zugriff außerhalb des lokalen Netzwerks, z. B. auf das Internet).
3. Netze mit direktem Zugang der Verbraucher zum Verkehrsnetz.

Eine solche vereinfachte Klassifizierung ist in diesem Fall völlig ausreichend (siehe Abb. 1).

Moderne Telekommunikationsnetzwerke werden gemäß einer zweistufigen Hierarchie aufgebaut und optimiert: Backbone-Transportnetzwerke und Zugangsnetzwerke, was für den Aufbau offener Systeme und die Bereitstellung integrierter Dienste viel wirtschaftlicher und bequemer ist. Beim Aufbau eines Netzes fallen bis zu 90 % der Gesamtkosten auf dessen unteres Glied, also auf das lokale Netz oder Zugangsnetz. Um das Problem der "letzten Meile" zu lösen, wurde heute eine Reihe von Technologien vorgeschlagen. "Letzte Meile" ist ein Teil des öffentlichen Telekommunikationsnetzes, der sich zwischen dem Ressourcenverteilungspunkt des primären Netzes und der Teilnehmerausrüstung befindet. Zusätzlich zu herkömmlichen verdrahteten Technologien werden drahtlose Teilnehmerzugangssysteme und eine Anzahl anderer Technologien verwendet, um Informationen zu verteilen. Das Angebot an Telekommunikationsdiensten, die Endbenutzern derzeit zur Verfügung gestellt werden, ist ziemlich breit: Datenübertragung, Internetzugang, Telefonie, interaktives Video, Kommunikation mit mobilen Objekten. Jede der Dienstleistungen kann je nach Leistungsniveau und angebotener Qualität weiter unterteilt werden.

Die typische Struktur eines Teilnehmerzugangssystems umfasst in der Regel ein Zugangsnetz und ein Verteilungsnetz.

• Teilnehmerterminal (AT) - ein empfangendes und sendendes Funkgerät kleiner Größe mit einer internen oder externen Antenne. Die Endgeräte-Benutzerausrüstung ist direkt mit dem Benutzerendgerät verbunden und hat über einen Funkkanal Zugriff auf das Kommunikationsnetz;
• Zugangspunkt (AP) - ein Gerät, das die Kommunikation von Zugangsnetzteilnehmern mit einem (primären) Telekommunikationszugangsnetz bereitstellt;
• Verteilungspunkt (TP) - ein Element des primären Netzwerks, das die Organisation eines Verteilungsnetzwerks mit Zugangspunkten bereitstellt.

Der Begriff "Verteilungsnetz" bezeichnet den Teil des Netzes zwischen dem Zugangspunkt und dem Verteilungspunkt. Das Verteilungsnetzwerk kann fehlen, wenn das Zugangsnetzwerk direkt vom Ressourcenverteilungspunkt des Transportnetzwerks stammt. Der Zugangspunkt muss die Implementierung von Zugangsnetzwerkprotokollen bei der Interaktion mit Teilnehmerendgeräten, öffentlichen Netzwerkprotokollen bei der Arbeit mit einem Vermittlungsknoten sowie die gegenseitige Konvertierung dieser Protokolle und die Datenflusskontrolle im Teilnehmerzugangssystem sicherstellen. In der Praxis werden diese Funktionen von Routern (in Datennetzwerken), Hubs und Basisstationen (in zellularen Netzwerken und drahtlosen Teilnehmerzugangssystemen) und einigen anderen Geräten ausgeführt. Sowohl für das Zugangsnetz als auch für das Verteilungsnetz können unterschiedliche Technologien verwendet werden; Hybridnetzwerke können ebenfalls bereitgestellt werden. Verschiedene Netzwerkkonfigurationen sind akzeptabel, abhängig von der erforderlichen Bandbreite, den Kosten des geplanten Netzwerks, der Topologie, den von verschiedenen Regulierungsbehörden auferlegten Einschränkungen usw.

Die Klassifizierung von drahtlosen Teilnehmerzugangssystemen (WLL (Wireless Local Loop) oder RLL (Radio Local Loop)) kann auch nach einer Reihe von Parametern erfolgen - Struktur, verwendeter Frequenzbereich, Verkehrsinhalt usw.

Es gibt heute keine allgemein akzeptierte Klassifizierung von WLL-Systemen, jedoch ist eine gewisse Systematisierung nach den Hauptmerkmalen möglich (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1. Systematisierung von WLL-Eigenschaften

Der Hauptzweck von Punkt-zu-Punkt-Systemen in der „letzten Meile“-Infrastruktur ist die Anbindung kleiner konzentrierter Kommunikationssysteme (Local Area Network, PABX etc.) an Unternehmensnetzwerke, öffentliche Kommunikationsnetze oder Telekommunikationsknoten. Zellulare und Punkt-zu-Mehrpunkt-Systeme werden in Fällen verwendet, in denen es notwendig ist, unterschiedliche Gruppen von Teilnehmern mit einem Kommunikationssystemknoten zu verbinden. Es gibt eine große Vielfalt von WLL-Systemen dieser beiden Arten, was es notwendig macht, Systeme mit einer zellularen Struktur und einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Struktur gemäß der Art ihres Verkehrs zu klassifizieren. Es gibt drei Hauptklassen solcher Systeme:

• Systeme für den Teilnehmerzugang zu Datenübertragungsnetzen;
• Systeme zum Anschluss von Teilnehmern an das öffentliche Telefonnetz;
• Systeme vom integralen Typ.

Teilnehmerzugangssysteme zu Datenübertragungsnetzen lassen sich wiederum in folgende Unterklassen einteilen:

a) Systeme, die sich auf die Bedienung von Teilnehmern mit geringer individueller Intensität von Short-Transaktionen konzentrieren (Überwachungssysteme für verschiedene Zwecke, Zahlungssysteme für bargeldlose Zahlungen usw.);
b) Systeme, die auf die Bereitstellung des Zugriffs auf Netzwerkinformationsressourcen ausgerichtet sind (Internet, ISDN-Dienste, Fernzugriff auf lokale Computernetzwerke usw.).

Funksysteme zum Anschluss von Teilnehmern an das öffentliche Telefonnetz (TF-OP) werden teilweise auch als „Telefonfunk-Extender“ bezeichnet. Oft bieten drahtlose "Telefonnebenstellen" auch Daten- und Faxdienste.

Systeme vom integralen Typ kombinieren Systeme der ersten beiden Typen und sind universeller. Zusätzlich zur Bereitstellung von Telefonkommunikationen können Systeme vom integralen Typ Abonnenten bedienen, die Daten und Videoinformationen übertragen. Darüber hinaus können Abonnenten, die Daten übertragen, in einem breiten Bereich von Übertragungsraten arbeiten – von 1200 bps bis zu zehn und sogar hundert Kilobit pro Sekunde. Eine integrale Aufgabe solcher Systeme besteht auch darin, Teilnehmern Zugang zu Diensten von dienstintegrierten digitalen Kommunikationsnetzen (ISDN) zu verschaffen.

Wenn wir uns im Rahmen des Katechismus bewegen, dann werden wir uns konsequent mit den Fragen auseinandersetzen, die sich im realen Leben rund um die drahtlose Datenübertragung stellen, und darauf Antworten geben. Eine hinreichend vollständige Betrachtung dieses Problems würde spezielle Studien erfordern, weshalb wir uns auf eine Analyse von (offenbar unvollständigem) Material aus ausländischen (hauptsächlich amerikanischen und europäischen) eher technischen als wissenschaftlichen Zeitschriften sowie aus inländischen Zeitschriften entsprechender Ausrichtung beschränken werden zu Recht als Neuheiten, aber auch als Trends wahrgenommen. Das fremdsprachige Internet mit bekannten Adressen wird nicht vergessen, obwohl es einige Besonderheiten aufweist.

Ohne auf Details einzugehen, lässt sich festhalten, dass die Datenübertragung als eine der Kommunikationsarten die höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit stellt. übermittelte Informationen. Dateiübertragungen zum Beispiel tolerieren normalerweise überhaupt keine Fehler.

Die Antwort auf die erste Frage "Wer braucht drahtlose Datenübertragung?" einfach - jeder bis zu einem gewissen Grad. Eine der Tugenden von Hollywood (abgesehen von Spezialeffekten) ist die unbestreitbare Tatsache, dass es formt öffentliche Meinung und informationstechnisch in die richtige Richtung. " Intelligentes Haus“ (Smart House) erfordert eine kontinuierliche Überwachung aller Lebenserhaltungssysteme, das Auto erfordert dasselbe und so weiter. Das ist nicht die Zukunft, sondern die Realität.

Üblicherweise sah der Konflikt zwischen Konsument und Produzent etwa so aus: Ich brauche das, aber andererseits klang es – aber ich kann es. Jetzt sieht das Bild genau umgekehrt aus (abgesehen von den ewigen natürlichen und vorübergehenden technologischen Einschränkungen). Die Bewegung auf Seiten der Verbraucher ist offensichtlich - mehr und billiger. Aber was wird benötigt? Es gibt zwei Möglichkeiten - Arbeit und Leben. Außerdem sind sich beide Optionen nicht fremd. Also, die nächste Frage - was brauchen Sie, um zu arbeiten? Die Antwort ist, dass alles benötigt wird. Wo ein System ist, sind Menschen. Mal sehen, was sie uns anbieten können bestehende Technologien und Komponenten. Zur Orientierung verwenden wir Abb. 2, die die ungefähre Positionierung einiger drahtloser Datenübertragungstechnologien in den Koordinaten „Kommunikationsreichweite – Übertragungsgeschwindigkeit“ zeigt.

Oben in der Abbildung sind typische Anwendungen dieser Technologien dargestellt. Hier werden nacheinander mit dem Wachstum der erforderlichen Übertragungsrate platziert: Sprachübertragung, fest grafische Bilder, Low-Speed-Internetzugang, drahtlose Musikübertragung, Video-Streaming, digitale Videoübertragung, Mehrkanal-Videoübertragung. Die Kommunikationsreichweite variiert von Metern bis Kilometern, die Datenübertragungsrate variiert von mehreren zehn Kilobit pro Sekunde bis zu mehreren zehn Megabit pro Sekunde.

Die Technologieoptionen Bluetooth 1 und Bluetooth 2 unterscheiden sich in der Leistungsklasse (weitere Einzelheiten finden Sie im entsprechenden Abschnitt). Die Abkürzung HL2 steht für die von ETSI (The European Telecommunications Stahdarts Institute) entwickelte HiperLAN2-Technologie. Verbrauchereigenschaften von HL2- und IEEE802.11a-Technologien sind nah. Die Abbildung zeigt nicht die HomeRF-Technologie, die in ihrer ersten Version mit einer Übertragungsrate von 1,6 Mbit/s nahe an Bluetooth ist und in ihrer Version von HomeRF 2.0 mit einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s mit IEEE802.11b konkurriert In der Abbildung sind die entsprechenden Netzkürzel dargestellt Technologien, in denen die betreffenden Technologien eingesetzt werden können. Diese sind: PAN (ein relativ neues Konzept – Personal Area Network), LAN (Local Area Networks) und WAN (verteilt). LMDS (Local Multipoint Distribution Service) bedeutet Datenverteilungsnetz (jetzt in Zellularfernsehsystemen verwendet). Diese Position kann auch MMDS (Multipoint Multichannel Distribution Service) aufnehmen - ein Mehrkanal-Datenverteilungssystem.

Die Abbildung zeigt deutlich die Verteilung von Technologien auf verschiedene Verbrauchernischen und das Vorhandensein konkurrierender Technologien, die in der Regel amerikanischen und europäischen Ursprungs sind. Nebeneinander gestellte Technologien können teilweise auch austauschbar sein, das heißt, sie ergänzen sich eher, als dass sie konkurrieren.

Gebraucht Frequenzbänder und deren Regulierung

In Abb. 2 gibt es keine Informationen über die verwendeten Frequenzressourcen. Grundsätzlich können sowohl Frequenzbänder, die einer staatlichen Genehmigung (und damit Lizenzgebühren) bedürfen, als auch unlizenzierte Frequenzbänder, die relativ frei nutzbar sind, zur Datenübertragung genutzt werden. Gemeint ist damit meist die Begrenzung der zulässigen elektromagnetischen Felddichte im Fernfeld, die durch die Sendeleistung und die Richtwirkung der Antennen bestimmt wird. Charakteristisch ist nun die weit verbreitete Nutzung von nicht lizenzierten Frequenzbändern. Potenziell wird dies unweigerlich zu Problemen sowohl der systeminternen als auch der systemübergreifenden EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) führen (und führt dies auch).

Diese Art von Frequenzressourcen umfasst ISM (Industrial, Scientific, and Medical Equipment) – ein Frequenzbereich, der für die Verwendung in nicht lizenzierten Geräten (Industrie, Wissenschaft, Medizin, Haushalt oder ähnliches) vorgesehen ist, mit Ausnahme von Kommunikationsanwendungen. Das Gerät muss Hochfrequenzenergie lokal erzeugen und nutzen. In den USA umfasst dieser Bereich eine Reihe von Intervallen: 915,0 ± 13 MHz; 2450 ±50 MHz; 5,8 ± 0,075 GHz; 24,125 ± 0,125 GHz. Die europäische Version weist einige Unterschiede auf.

Heute wird das Frequenzintervall von 2450 MHz weithin zur Organisation von Datenübertragungssystemen über kurze Entfernungen verwendet (z. B. drahtlose lokale Netzwerke WLAN). In Russland ist die Verwendung des Intervalls 2400–2483,5 MHz auf sekundärer Basis erlaubt (sekundär bedeutet, dass es nicht verwendet werden kann, wenn Systeme gestört werden, die diesen Bereich auf primärer Basis verwenden). Derzeit gemäß der Entscheidung des Staatlichen Ausschusses für Funkfrequenzen vom 29. April 2002 (Protokoll Nr. 18/3) „Über das Verfahren zur Nutzung auf dem Territorium Russische Föderation bürointerne Datenübertragungssysteme im Frequenzband 2400-2483,5 MHz » gesetzlich u Einzelpersonen Frequenzbänder für die Organisation von bürointernen drahtlosen Datenübertragungssystemen auf dem Territorium der Russischen Föderation auf sekundärer Basis und vorbehaltlich keiner Ansprüche wegen möglicher Störungen durch militärische und zivile RES sowie durch Hochfrequenzanlagen für Industrie, Wissenschaft und Medizin und Hausgebrauch mit dem angegebenen Frequenzband. Gleichzeitig sollte berücksichtigt werden, dass diese Systeme keiner Koordinierung mit den Hochfrequenzbehörden des Verteidigungsministeriums der Russischen Föderation und (falls erforderlich) anderen Ministerien und Abteilungen Russlands bedürfen. Zur Erlangung der Erlaubnis zur Nutzung von Funkfrequenzen für den Betrieb von innerbetrieblichen Datenübertragungsanlagen sendet der Antragsteller einen Funkfrequenzantrag an die Anschrift des Landeseinheitsunternehmens „Hauptfunkzentrale“ in dem in Anlage 1 des Beschlusses genannten Formblatt des Landesausschusses für Funkfrequenzen vom 29. April 2002 (Protokoll Nr. 18//3). In Ermangelung von Stellungnahmen zum Antrag bereitet das Bundesstaatliche Einheitsunternehmen "Haupthochfrequenzzentrum" Projekte vor Genehmigungen. Nach Zahlung für die Prüfung des Antrags erhält der Antragsteller eine Genehmigung zur Nutzung des Frequenzbands 2400-2483,5 MHz für den Betrieb von RES von bürointernen Systemen. Auf Grundlage dieses Dokuments erhält der Antragsteller vom zuständigen Landesbetrieb der Hochfrequenzzentrale des Bundesbezirks eine Genehmigung zum Betrieb des RES.

Das 5,8-GHz-Band deckt sich mit den für U-NII-Systeme (Unlicensed National Information Infrastructure) zugewiesenen Frequenzen, was eine schnelle Bereitstellung von Systemen zu viel geringeren Kosten als bei lizenzpflichtigen Bändern ermöglicht. Im Januar 1997 hat die US Federal Communications Commission (FCC) drei Frequenzbänder für U-NII-Dienste mit einer Gesamtbreite von 300 MHz im 5-GHz-Band zugeteilt: das U-NII-Band 1 (5,15-5,25 GHz) und das U-NII-Band 1 (5,15-5,25 GHz). NII-Band 2 (5,25 - 5,35 GHz) für LANs und andere Kurzsund U-NII 3 (5,725 - 5,825 GHz) für Netzwerke, die eine größere Reichweite erfordern. In Russland können Frequenzen im Bereich von 5,725 bis 5,875 GHz verwendet werden, sofern der Pegel der Funkstörungen von Strahlungsquellen den zulässigen Pegel industrieller Funkstörungen nicht überschreitet.

Darüber hinaus kündigte die FCC die Notwendigkeit an, die Methodik für die Zuweisung von Frequenzbändern selbst zu ändern. Der Grundgedanke ist, das Spektrum dynamisch zuzuweisen, da einige Frequenzbereiche sehr intensiv genutzt werden, während andere praktisch frei sind. Es soll auch bei der Lizenzierung nicht nur die Frequenzen selbst berücksichtigen, sondern auch den Zeitpunkt ihrer Belegung, die Strahlungsleistung. Es empfiehlt sich auch, das Thema einer effektiveren Interferenzanalyse zu erarbeiten, um die maximale Sendeleistung in Abhängigkeit von Frequenzbereichen und Rauschpegel einzustellen. Schließlich wird vorgeschlagen, drei Arten der Lizenzierung von Frequenzressourcen einzuführen: ausschließliche Nutzung, allgemeine Nutzung und kontrollierte Nutzung. Dieser Ansatz ist unseres Erachtens der Gegenwart durchaus angemessen.

Kurze Beschreibung der Technologien

Lassen Sie uns eine kurze Beschreibung der drahtlosen Datenübertragungstechnologien geben und dann ihre vergleichende Analyse durchführen. Traditionell konkurrieren in diesem Bereich der Telekommunikation (und nicht nur hier) amerikanische IEEE-Standards, europäische ETSI-Standards und proprietäre Standards.

Die ZigBee-Technologie wird von der ZigBee Alliance gefördert, die darauf abzielt, die oberen Schichten des Sieben-Schichten-Modells mit einem Protokollstapel (von der Netzwerkschicht bis zur Anwendungsschicht) auszustatten, einschließlich Anwendungsprofilen und technischer Implementierung der Komponenten dieser Technologie. Das IEEE 802.15.4-Komitee, das die Schichten MAC (Media Access Control) und PHY (Physical Medium Signaling Layer) des Sieben-Schichten-Modells entwickelt, beteiligte sich an der Entwicklung des entsprechenden Niedriggeschwindigkeits-Datenübertragungsstandards. Es ist die erste, physikalische Schicht (PHY), die hauptsächlich die Kosten des Systems, die Datenübertragungsraten, den Stromverbrauch, die Abmessungen und den verwendeten Frequenzbereich bestimmt.

Der Zweck dieser Technologie ist die Bereitstellung von Aund Fernbedienung für verschiedene Zwecke. Gleichzeitig war das Ziel für den AT, ihn mit zwei AA-Zellen für einen Zeitraum von sechs Monaten bis zwei Jahren mit autonomer Batterieleistung zu versorgen. Optionen für die Verwendung von Geräten, die auf dieser Technologie basieren: drahtlose Haussicherheitssysteme vor unbefugtem Eindringen in sie; Fernsteuerung von Klimaanlagen, Raumbeleuchtung und Jalousien; Kontrolle aller Geräte durch Behinderte, ältere Menschen und Kinder; universelle Steuerung von Audio- und Videogeräten; drahtlose Tastatur, PC-Maus, Bedienfeld für Spielkonsolen; Drahtlose Rauch- und CO-Detektoren; Automatisierung und Steuerung von Elementen von Industrie- und Wohngebäuden (Beleuchtung usw.).

Die Entwicklung von Gateways für die Interaktion dieser Systeme mit anderen Datenübertragungsnetzen ist vorgesehen.

Verwendete Frequenzen: ISM (2,4 GHz bei 250 kbps), europäisches Band 868 MHz (20 kbps) und US-Band 915 MHz (40 kbps).

Die Bluetooth-Technologie ist eine Funkübertragungstechnologie über kurze Entfernungen (bis zu 10 m, erweiterbar auf bis zu 100 m), die es drahtlosen Telefonen, Computern und verschiedenen Peripheriegeräten ermöglicht, ohne Sichtverbindung zu kommunizieren. Entsprechend der Leistung des Funksenders werden die Geräte in drei Klassen eingeteilt: die erste (maximale Ausgangsleistung beträgt 100 mW), die zweite (2,5 mW) und die dritte (1 mW).

Die Technologie wurde von Ericsson Mobile Communications entwickelt. Das ursprüngliche Ziel war die Bereitstellung einer neuen, stromsparenden und kostengünstigen Funkschnittstelle, die die Kommunikation zwischen Mobiltelefonen und Headsets ermöglichen würde. Außerdem war die neue Schnittstelle für die Datenübertragung zwischen einem PC, zwischen einem PC und seinen Peripheriegeräten, zwischen einem Laptop und einem Mobiltelefon usw.

Im Februar 1998. Ericsson hat zusammen mit Intel, IBM, Toshiba und Nokia eine spezielle Technologieentwicklungs- und -förderungsgruppe namens Bluetooth SIG (Special Interest Group) gebildet. Diese Technologie ist völlig offen, und daher kann jedes Unternehmen, das eine Lizenzvereinbarung unterzeichnet hat, der Bluetooth SIG beitreten und darauf basierende Produkte entwickeln.

Die IEEE 802.11x-Standardfamilie wird vom amerikanischen IEEE Institute entwickelt. Der 1997 fertig gestellte Standard IEEE 802.11 ist der Basisstandard und definiert die Protokolle, die zur Organisation von Wireless Local Area Networks (WLANs) benötigt werden. Die wichtigsten sind das MAC-Medium-Access-Control-Protokoll (die untere Teilschicht der Verbindungsschicht) und das PHY-Protokoll für die Signalisierung im physikalischen Medium. Als letzteres ist die Verwendung von Funkwellen und Infrarotstrahlung erlaubt. Der 802.11-Standard definiert eine einzelne MAC-Unterschicht, die mit drei Arten von Protokollen der physikalischen Schicht interagiert, die verschiedenen Signalisierungstechnologien entsprechen – über Funkkanäle im 2,4-GHz-Band mit direkter Spread-Spektrum-Breitbandmodulation (DSSS) und Frequenzsprung (FHSS) sowie unter Verwendung von Infrarotstrahlung. Die Spezifikationen des Standards sehen zwei Datenraten vor - 1 und 2 Mbps. Im Vergleich zu kabelgebundenen LANs wurde die Ethernet-MAC-Unterschicht um eine Reihe von Funktionen erweitert, die normalerweise von übergeordneten Protokollen ausgeführt werden, insbesondere Paketfragmentierung und Weiterleitungsverfahren. Dies ist auf den Wunsch zurückzuführen, den effektiven Durchsatz des Systems zu erhöhen, indem der Overhead der Paketneuübertragung reduziert wird.

Der 802.11-Standard definiert den CSMA/CA-Mechanismus (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) als Hauptmethode für den Zugriff auf das Medium.

Energieverwaltung. Um Energieressourcen mobiler Workstations zu sparen, die in drahtlosen LANs verwendet werden, bietet der 802.11-Standard einen Mechanismus zum Umschalten von Stationen in den sogenannten passiven Modus mit minimalem Stromverbrauch.

Netzwerkarchitektur und Komponenten. Der 802.11-Standard basiert auf einer zellularen Architektur, und das Netzwerk kann entweder aus einer oder mehreren Zellen bestehen. Jede Zelle wird von einer Basisstation gesteuert, die ein AP ist, der zusammen mit Benutzerarbeitsstationen innerhalb seiner Reichweite einen Basisdienstbereich bildet. Zugangspunkte eines mehrzelligen Netzwerks interagieren miteinander über ein Verteilungssystem, das einem Backbone-Segment von Kabel-LANs entspricht. Die gesamte Infrastruktur, inklusive Access Points und Verteilsystem, bildet einen erweiterten Versorgungsbereich. Der Standard sieht auch eine Single-Cell-Version des drahtlosen Netzwerks vor, die ohne Access Point implementiert werden kann, während einige seiner Funktionen direkt von Workstations ausgeführt werden.

Wandernd. Um den Übergang mobiler Workstations von der Abdeckung eines Access Points zu einem anderen in Mehrzellensystemen zu gewährleisten, sind spezielle Verfahren zum Scannen (aktives und passives Hören der Luft) und zum Beitreten (Association) vorgesehen, der 802.11-Standard jedoch nicht strenge Vorgaben für die Umsetzung von Roaming machen.

Sicherheit. Zum Schutz des WLAN bietet der Standard IEEE 802.11 eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen für die Datenübertragung unter dem allgemeinen Namen Wired Equivalent Privacy (WEP). Es umfasst Mittel, um dem unbefugten Zugriff auf das Netzwerk entgegenzuwirken (Authentifizierungsmechanismen und -verfahren) sowie das Abfangen von Informationen zu verhindern (Verschlüsselung).

Der heute am weitesten verbreitete Standard ist IEEE 802.11b. Mit hohen Datenraten (bis zu 11 Mbit/s), die fast der Bandbreite herkömmlicher kabelgebundener Ethernet-LANs entsprechen, und dem Fokus auf das 2,4-GHz-Band, ist dieser Standard unter den Herstellern drahtloser Netzwerkgeräte zum beliebtesten geworden. Die endgültige Version des 802.11b-Standards, auch bekannt als Wi-Fi (Wireless Fidelity), wurde 1999 angenommen. Es verwendet DSSS mit 8-Bit-Walsh-Sequenzen als zugrunde liegende Funktechnologie. Da Geräte, die mit einer maximalen Geschwindigkeit von 11 Mbit/s arbeiten, eine geringere Reichweite haben als niedrigere Geschwindigkeiten, sieht der 802.11b-Standard eine automatische Geschwindigkeitsreduzierung vor, wenn die Signalqualität abnimmt. Wie beim Basisstandard 802.11 werden durch die 802.11b-Spezifikationen keine klaren Roaming-Mechanismen definiert. Eine Weiterentwicklung der IEEE 802.11x-Familie war der IEEE 802.11a-Standard, der Datenübertragungsraten von bis zu 54 Mbit/s vorsieht (die 1999 genehmigte Ausgabe des Standards definierte drei obligatorische Raten – 6, 12 und 24 Mbit/s und fünf optional - 9, 18, 36, 48 und 54 Mbps). Im Gegensatz zum Basisstandard, der sich auf den 2,4-GHz-Frequenzbereich konzentriert, sehen die 802.11a-Spezifikationen den Betrieb im 5-GHz-Band vor. Als Signalmodulationsverfahren wurde Orthogonal Frequency Multiplexing (OFDM) gewählt. Der wesentliche Unterschied zwischen diesem Verfahren und den DSSS- und FHSS-Funktechnologien besteht darin, dass bei OFDM ein Nutzsignal gleichzeitig über mehrere Frequenzen in der Reichweite parallel übertragen wird, während Spread-Spectrum-Technologien Signale sequentiell übertragen. Dadurch werden die Kanalkapazität und die Signalqualität erhöht. Zu den Nachteilen von 802.11a gehören der höhere Stromverbrauch von Funksendern für 5-GHz-Frequenzen sowie eine kürzere Reichweite (Geräte für 2,4 GHz können in einer Entfernung von bis zu 300 m und für 5 GHz - etwa 100 m) betrieben werden.

Um die Betrachtung der Fähigkeiten der IEEE802.11x-Familie abzuschließen, präsentieren wir eine kurze Beschreibung einer Reihe anderer Standards und ihrer Spezifikationen. In dem Bemühen, die Geographie von 802.11-Netzwerken zu erweitern, entwickelt das IEEE universelle Anforderungen für die physikalische Schicht von 802.11 (Kanalisierungsprozeduren, pseudozufällige Frequenzsequenzen usw.). Der entsprechende 802.11d-Standard befindet sich noch in der Entwicklung. Die Spezifikationen eines weiteren in Entwicklung befindlichen Standards, 802.11e, ermöglichen es, drahtlose Multi-Service-LANs zu erstellen, die auf verschiedene Kategorien von Benutzern ausgerichtet sind, sowohl Unternehmen als auch Einzelpersonen. Unter Beibehaltung der vollen Kompatibilität mit den bereits eingeführten Standards 802.11a und 802.11b wird deren Funktionalität erweitert, indem das Streaming von Multimedia-Daten und garantierte Dienstgüte (QoS) unterstützt werden. Die Spezifikation 802.11f beschreibt das Protokoll zum Austausch von Dienstinformationen zwischen Zugangspunkten (Inter-Access Point Protocol, IAPP), das zum Aufbau verteilter drahtloser Datennetze notwendig ist. Die IEEE 802.11h Working Group erwägt das Hinzufügen von Algorithmen zu den bestehenden 802.11 MAC- und 802.11a PHY-Spezifikationen. effektive Wahl Frequenzen für Büro- und Outdoor-Wireless-Netzwerke sowie Frequenzmanagement, Strahlungsleistungsüberwachung und Berichterstattung. Es wird davon ausgegangen, dass die Lösung dieser Probleme auf der Verwendung der von ETSI vorgeschlagenen Protokolle Dynamic Frequency Selection (DFS) und Transmit Power Control (TPC) basiert. Diese Protokolle ermöglichen drahtlosen Clients, dynamisch auf Funkstörungen zu reagieren, indem sie Kanäle wechseln, die Leistung reduzieren oder beides.

Die Spezifikationen des IEEE 802.11i-Standards werden die Fähigkeiten des 802.11-MAC-Protokolls erweitern, indem sie Mittel zum Verschlüsseln übertragener Daten sowie eine zentralisierte Authentifizierung von Benutzern und Arbeitsstationen bereitstellen. Dadurch können Wireless LANs auf Hunderte und Tausende von Arbeitsstationen skaliert werden. Der Standard basiert auf dem Extensible Authentication Protocol (EAP), das auf PPP basiert. Am Authentifizierungsverfahren selbst sind drei Parteien beteiligt – der Anrufer (Client), der Angerufene (Zugangspunkt) und der Authentifizierungsserver (in der Regel ein RADIUS-Server). Gleichzeitig neue Norm wird offenbar die Implementierung von Schlüsselverwaltungsalgorithmen dem Ermessen der Hersteller überlassen. Die entwickelten Datenschutz-Tools sollen nicht nur in drahtlosen, sondern auch in anderen lokalen Netzwerken – Ethernet und Token Ring – Anwendung finden. Daher erhielt der zukünftige Standard die IEEE 802.1X-Nummer, und die 802.11i-Gruppe entwickelt ihn gemeinsam mit dem IEEE 802.1-Komitee.

Die 802.11g-Spezifikation, die derzeit überarbeitet wird, ist eine Weiterentwicklung des 802.11b-Standards, der es ermöglicht, die drahtlosen LAN-Datenraten auf 22 Mbps (und möglicherweise höher) zu erhöhen, indem eine effizientere Signalmodulation verwendet wird. Aus mehreren Vorschlägen für die zugrunde liegende Funktechnologie für diesen Standard hat eine IEEE-Arbeitsgruppe kürzlich eine Intersil-Lösung basierend auf dem OFMD-Verfahren ausgewählt. Einer der Vorteile des zukünftigen Standards ist die Abwärtskompatibilität zu 802.11b.

Die 802.11j-Spezifikation legt fest, dass 802.11a- und HiperLAN2-Netzwerke im selben Band existieren.

Unbedingt zu erwähnen sind die Aktivitäten des IEEE im Bereich der LMDS- und MMDS-Technologien (rechte obere Ecke von Abb. 2). Lokale und Mehrkanal-Mehrpunkt-Verteilungssysteme LMDS und MMDS (auch als "zellulares Fernsehen" und "drahtloses CATV" bezeichnet), die ursprünglich zum Ausstrahlen von Fernsehprogrammen in Gebieten ohne Kabelinfrastruktur vorgesehen waren, werden in letzter Zeit zunehmend verwendet, um breitbandige drahtlose Übertragungsdaten zu organisieren auf der letzten Meile. Die Reichweite von MMDS-Sendern, die im 2,1–2,7-GHz-Band arbeiten, kann bis zu 40–50 km betragen, während die maximale Signalübertragungsreichweite in LMDS-Systemen, die viel höhere Frequenzen im 27–31-GHz-Bereich verwenden, 2,5–3 km beträgt. Die Massenverbreitung dieser Systeme wird bisher durch fehlende Industriestandards und die daraus resultierende Inkompatibilität von Produkten unterschiedlicher Hersteller behindert. Anfang 2000 wurde das IEEE 802.16-Arbeitskomitee gegründet, um verschiedene Lösungen zu untersuchen und einheitliche Regeln für den Aufbau drahtloser Breitbandkommunikationssysteme zu entwickeln. Zunächst konzentrierte es sich auf die Standardisierung von LMDS-Systemen im Bereich von 28 bis 30 GHz, bald wurde das Mandat des Gremiums jedoch auf den Frequenzbereich von 2 bis 66 GHz ausgeweitet und mehrere Arbeitsgruppen darin gebildet. Die 802.16.1-Gruppe entwickelt Ffür Systeme, die das 10–66-GHz-Band verwenden. Die Arbeitsgruppe 802.16.2 befasst sich mit der „Koexistenz“ fester Breitbandzugangsnetze in den lizenzfreien 5-6 GHz-Bändern (insbesondere mit Wireless LANs nach dem 802.11a-Standard). Schließlich bereitet die 802.16.3-Gruppe Lfür lizenzierte Systeme im 2-11-GHz-Band vor. Das Hauptziel der Gründung dieser Gruppe bestand darin, die beschleunigte Bereitstellung von MMDS-Systemen zu erleichtern, indem es Herstellern ermöglicht wird, kompatible Produkte auf der Grundlage eines einzigen Standards zu erstellen.

Die Standards werden auf der Grundlage eines einzigen Referenzmodells entwickelt, das drei Arten von Schnittstellen im Kommunikationspfad zwischen Teilnehmergeräten oder -netzen (z. B. LAN oder PABX) und dem Transportnetz (PSTN oder Internet) kombiniert. Die erste Funkschnittstelle definiert die Interaktion des Transceiver-Knotens des Teilnehmers mit der Basisstation, die zweite umfasst zwei Komponenten, die den Austausch von Signalen zwischen Funkknoten und "dahinterliegenden" Netzwerken abdecken - Teilnehmer und Transport (andere IEEE-Gremien beteiligen sich ebenfalls an den detaillierten Studium der Spezifikationen dieser Schnittstelle). Die Spezifikationen für eine dritte, optionale Funkschnittstelle schreiben den Einsatz von Repeatern oder Reflektoren vor, um die Systemabdeckung zu erhöhen und Hindernisse im Signalweg zu vermeiden.

Das 802.16-Komitee hat bereits Entwürfe von Ffür Systeme im Bereich von 10–66 GHz verabschiedet, die Einzelträger-Signalübertragungstechnologien verwenden. Der 802.16a-Standard definiert sowohl Einzelträger- als auch OFDM-Signalübertragungsverfahren für Systeme im 2–11-GHz-Band, und der 802.16b-Standard definiert die OFDM-Technologie für das 5–6-GHz-Band.

Die europäische "Antwort" auf die Schaffung amerikanischer Standards war die Entwicklung der HiperLAN2-Technologie (High Performance Radio LAN), die verspricht, der Hauptkonkurrent der 802.11-Wireless-LAN-Technologien zu werden. Initiatoren und aktive Unterstützer des neuen Standards sind Nokia und Ericsson. Genau wie 802.11a konzentriert sich der HiperLAN2-Standard auf den Betrieb im 5-GHz-Band und kann Datenübertragungsraten von bis zu 54 Mbit/s bereitstellen. Beide Standards verwenden ähnliche Signalmodulationstechniken, die auf orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) basieren, haben aber unterschiedliche MAC-Zugriffsprotokollspezifikationen. Wenn es bei 802.11a Ethernet ähnlich ist, dann ist es bei HiperLAN2 eher wie ATM. Ein weiterer Unterschied zwischen HiperLAN2 und 802.11a, der ihm einen gewissen Vorteil gegenüber seinem Konkurrenten verschaffen kann, ist die Unterstützung für Multimedia-Verkehr und QoS (802.11a konzentriert sich hauptsächlich auf die Datenübertragung). Laut ETSI berücksichtigt die Entwicklung des Standards die Kompatibilität von Geräten mit 802.11a-Systemen.

Die amerikanische HomeRF-Technologie konzentriert sich auf die Schaffung einer "Heim-Multimedia-Umgebung", die Datenübertragungskanäle, Telefonie, Audio- und Videoinformationen kombiniert, möglicherweise in Zukunft Telemetrie von Sicherheitssystemen und Lebenserhaltungssystemen. Darüber hinaus ermöglicht Ihnen die Technologie, mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit auf das Internet zuzugreifen. Daher die Anforderungen an die Technologie: niedrige Kosten, geringer Stromverbrauch (insbesondere für tragbare Geräte), reduzierte Abmessungen, einfache technische Installation und Softwareinstallation. Die Struktur eines Heim-Multimedia-Netzwerks, das mit HomeRF-Technologie aufgebaut wurde, ist in Abbildung 3 dargestellt. Personalcomputer, drahtlose Handapparate, Headsets können als mobile Endgeräte fungieren. Ein Zugangspunkt (in der Abbildung als Basisstation bezeichnet) stellt eine kabelgebundene Verbindung zum Internet her.

Die Technologie verwendet den Betriebsfrequenzbereich von 2,4 GHz, es wird eine adaptive Sprungfrequenz mit einer Anzahl von Sprüngen von 50 - 100 pro Sekunde verwendet. Die erste Version des Standards bot eine Spitzendatenrate von bis zu 1,6 Mbit/s und eine typische Kommunikationsreichweite von bis zu 50 m. Die zweite Generation von HomeRF 2.0 ermöglicht die Datenübertragung mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 Mbit/s. Beide Optionen zeichnen sich derzeit durch einen geringen Stromverbrauch der Teilnehmerendgeräte im Standby-Modus bei vorhandener Konnektivität über das TCP/IP-Protokoll aus (weniger als 10 mW im „Online“-Modus). Die dritte Technologiegeneration wird Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 20 Mbit/s ermöglichen.

Die Spezifikationen, die die Netzwerkschnittstelle beschreiben, beziehen sich auf die beiden unteren Schichten des siebenschichtigen OSI-Modells (Open Systems Interconnection) (siehe Abbildung 4).

Die zweite Schicht (Data Link Control, DLC) definiert in diesem Fall die Medienzugriffskontrolle (MAC) und stellt Funktionen für Sprach- oder Prioritätsdatenübertragung, Kommunikationssicherheit, Roaming und Einhaltung der oberen Schichten des Modells bereit. Die Parameter der beiden unteren Ebenen in dieser Norm werden gemeinsam optimiert, um die gegebenen Anforderungen an die systeminterne und systemexterne EMV zu erfüllen.

Die HomeRF-Technologie bietet drei Arten der Datenübertragung (siehe Abbildung 4):

• asynchron, ohne Aufbau einer Verbindung vom Typ „Datenübertragung in Paketen“ (oder „drahtloses Ethernet“) basierend auf dem TCP/IP-Protokoll („Ethernet“-Datenpfad);
• verteilt nach Priorität - Session-Übertragung von Multimediadaten auf Basis von UDP / IP (Streaming Data Path);
• isochron, duplex, symmetrisch, bidirektionale Übertragung als Referenz Telefongespräche nach dem DECT-Protokoll (Toll Quality Voice Path).

Der Zeitbereich ist so aufgebaut, dass innerhalb des Zeitintervalls (10 bzw. 20 ms) zuerst Prioritätsdaten übertragen werden (insgesamt sind bis zu acht Prioritätsstufen möglich). Der letzte Teil der Hauptdauer der Domäne ist für die Übertragung von Sprachverkehrssignalen bestimmt und wird in die entsprechende Anzahl von Schlitzen fester Länge unterteilt. Die Sprachübertragung ist auf Basis der Protokolle der oberen Ebene des DECT-Standards organisiert. Darüber hinaus wendet die HomeRF-Technologie direkt die technischen Lösungen der Hersteller von DECT-Geräten an. Wichtig ist, dass die Datenrate umso höher ist, je kleiner der Sprachaustausch ist. Abhängig von der Menge des Sprachverkehrs werden 10 oder 20 ms der Dauer des Zeitbereichs für die Übertragung von asynchronem Verkehr zugewiesen. Bis zu acht Paketströme können gleichzeitig übertragen werden, wobei die Übertragungsreihenfolge durch die festgelegte Priorität bestimmt wird. Wenn die Anzahl der Streams jedoch weniger als acht beträgt, gibt es keine Paketreservierung (Übertragungsverzögerung). Der letzte Teil der Domäne bietet die Übertragung verlorener Sprachpakete auf einer anderen Frequenz, was in dieser Technologie einzigartig ist und es Ihnen ermöglicht, eine Sprachqualität bereitzustellen, die der kabelgebundenen Kommunikation entspricht.

Vergleich mehrerer Technologien

Beginnen wir in der unteren linken Ecke der Abbildung und vergleichen die Bluetooth- und ZigBee-Technologien. Ergebnisse vergleichende Analyse dargestellt in Form von table.2.

Anmerkungen:

1. Die Übertragungsrate in einer Funkverbindung mit diskreten, beispielsweise digitalen Signalen, wird in Baud gemessen, was der Anzahl diskreter Signalparameteränderungen pro Zeiteinheit entspricht. Manchmal wird dieser Parameter als technische Übertragungsrate bezeichnet, da er den Betrieb des Funkverbindungsmodems charakterisiert. Die Informationsübertragungsrate wird in Bits oder Bytes gemessen, die pro Zeiteinheit übertragen werden, und charakterisiert die Leistung der Informationsquelle. Der Verbraucher ist an der "Bit"-Übertragungsrate interessiert, und der Hersteller implementiert sie mit einem bestimmten Modem. Dies impliziert eine Diskrepanz in den Werten dieser Parameter für dieselbe Funkverbindung.
2. Teilnehmerendgeräte können sich in drei Modi befinden: aktiv (Übertragung läuft), im Standby-Empfangsmodus (das Endgerät ist bereit zur sofortigen Übertragung) und im Schlafmodus, aus dem das Endgerät nur periodisch und für lange Zeit austritt. Der letztere Modus reduziert den Stromverbrauch des Benutzerterminals dramatisch.

Vergleichen wir nun die Technologien HomeRF und IEEE802.11x. Als Indikatoren für die Übereinstimmung der betrachteten Technologien mit den zu lösenden Aufgaben nehmen wir Folgendes: Kosten, Qualität des Sprachaustauschs, Unterstützung für Multimedia-Austausch, Datenübertragungsrate, Kommunikationsreichweite, Stromverbrauch, Gewichts- und Größenparameter, Netzwerktopologie, externe EMV, interne EMV, Abhörsicherheit und die Roamingverfügbarkeit im Freien. Die Technologien werden anhand absoluter Indikatoren dieser Parameter verglichen.

Preis. Die geringere Komplexität verschafft HomeRF einen Kostenvorteil gegenüber IEEE802.11. In den nächsten Jahren wird HomeRF bei gleichem Produktionsvolumen einen Vorteil in der BOM (Bill of Materials) Kenngröße von mindestens Faktor 2 haben.

Die Qualität des Sprachaustauschs. Die HomeRF-Technologie bietet einen Mehrkanal-Sprachaustausch mit Qualitätsindikatoren, die der drahtgebundenen Kommunikation entsprechen, während die IEEE802.11-Technologie modernen Anforderungen eindeutig nicht gerecht wird. Dabei setzt HomeRF auf den DECT-Standard mit seiner bewährten Technologie. IEEE802.11 ist im Allgemeinen nicht auf den Sprachaustausch ausgerichtet, was die Verwendung spezieller zusätzlicher Geräte erfordert. Aber auch in diesem Fall ist die Sprachübertragung nicht vor äußeren Einflüssen geschützt. Es gibt auch einen solchen Nachteil wie die Inkompatibilität mit der DECT-Technologie.

Unterstützung für Multimedia-Sharing. Die HomeRF-Technologie unterstützt die sprachunabhängige multidirektionale Multimedia-Übertragung mit mehreren Zugriffsprioritäten. IEEE802.11b und IEEE802.11a ermöglichen die Datenübertragung mit hohen Geschwindigkeiten, jedoch kann es bei erheblichem asynchronem Datenverkehr im Netzwerk zu unerwünschten Folgen kommen. Dieses Problem wird vom IEEE802.11e-Entwicklungsteam durch eine Verbesserung der MAC-Schicht gelöst. Es gebe Entwicklungen privater Unternehmen in diese Richtung, aber das sei „keine IEEE802.11-Technologie mehr“.

Tabelle 2. Vergleich von Bluetooth- und ZigBee-Technologien

Übertragungsrate. HomeRF und IEEE802.11 bieten die notwendige Übertragungsgeschwindigkeit für ein Hochgeschwindigkeitssystem, aber für HomeRF nicht weitere Entwicklung bis zu Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 20 Mbit / s ist damit nicht verbunden globale Fragen, wie bei IEEE802.11 (Übergang in einen neuen Frequenzbereich). IEEE802.11b bewegt sich ebenfalls in Richtung 20 MBit/s-Datenraten unter Beibehaltung der Abwärtskompatibilität (IEEE802.11g Development Group), aber die vorgeschlagenen Lösungen verletzen die bestehenden Regeln für die Verwendung des 2,4-GHz-Bands. Vielmehr wird IEEE802.11a erfolgreich sein, aber es ist nicht kompatibel mit dem bestehenden IEEE802.11b.

Kommunikationsreichweite. IEEE802.11 wurde ursprünglich für den Betrieb ohne externe Störungen entwickelt, während HomeRF für raue elektromagnetische Umgebungen ausgelegt ist.

Energieverbrauch. Die HomeRF-Technologie ist für einen niedrigen AT-Standby-Stromverbrauch optimiert. Gleiches gilt für die aktive Phase der Geräte.

Parameter Gewicht und Abmessungen. Die HomeRF-Technik hat eine viel einfachere Anordnung tragbarer Komponenten. Für IEEE802.11 ist die PC Card (oder PCMCIA Card) ebenfalls weit verbreitet, jedoch entsprechen die kleinsten Parameter der Compact Flash Card, die bisher nur in HomeRF verwendet werden kann.

Netzwerktopologie. Die HomeRF-Technologie unterstützt gleichzeitig das Zusammenspiel von hierarchischen Netzwerkelementen und Peer-Netzwerkelementen. Hierarchische Struktur ideal für hochwertige Sprachübertragung und Internetanwendungen wie Webcasting. Eine einstufige Struktur ist praktisch für eine effiziente Verteilung von Netzwerkressourcen (z. B. für den Zugriff auf ein Servicegerät). Bluetooth ist im Wesentlichen ein Punkt-zu-Mehrpunkt-System. Dies ist in einem "Host/Netzwerk von Benutzern"-Netzwerk wirksam (insbesondere da der Master nicht vorbestimmt sein kann). Dieser Umstand bestimmt jedoch zunächst die ineffiziente Nutzung der „Systembandbreite“ insgesamt. Versionen des IEEE802.11-Standards können in beiden Arten von Netzwerken (PCF - Point Coordination Function oder DCF - Distributed Coordination Function) funktionieren, jedoch nicht gleichzeitig in beiden. Vorhandene IEEE802.11b-Produktvarianten funktionieren nur in DCF. Das Reduzieren des Stromverbrauchs und das Implementieren einer priorisierten Datenübertragung kann mit einer komplexeren und teureren PCF erreicht werden. Die IEEE802.11e-Forschungsgruppe untersucht aktiv die Entwicklung von PCF auf der Grundlage von MAC-Layer-Änderungen, die die Entwicklung der IEEE802.11b-Variantentechnologie in Richtung Datenstreaming grundlegend verändern könnten. Eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Lösung dieses Problems wird die Bereitstellung von Verbraucher-Roaming sein.

Externe EMV. HomeRF wurde ursprünglich entwickelt, um äußeren Störungen im 2,4-GHz-Band erfolgreich entgegenzuwirken. Um die hohe Qualität des Sprachaustauschs unter dem Einfluss von außersystemischen Störungen aufrechtzuerhalten, wird eine spezielle Technologie zur erneuten Übertragung betroffener Sprachpakete bereitgestellt. In Abwesenheit von marginalem Sprachverkehr wird eine qualitativ hochwertige Übertragung von Datenströmen basierend auf der Verwendung von Frequenzsprungverfahren bereitgestellt. Bisher wurde der IEEE802.11b-Standard viel mehr auf die Auswirkungen der Exposition gegenüber unerwünschten Emissionen untersucht, obwohl die verfügbaren Daten weitgehend widersprüchlich sind. So achten die meisten Benutzer beispielsweise nicht auf eine Verringerung der Übertragungsgeschwindigkeit um 10-40% bei einem Gerät, das sich neben einem Mikrowellenherd befindet. Ein großes Problem für IEEE802.11-Netzwerke sind starke Schwankungen in der Qualität der Sprachübertragung bei einer erheblichen Menge an übertragenen Daten (interne Netzwerküberlastung). Die IEEE802.11a-Variante ist heute nur "frei" von Interferenzproblemen, weil das 5-GHz-Band derzeit relativ frei ist, aber die gleichen Probleme erwarten sie in der Zukunft.

Interne EMV. Das Designziel von IEEE802.11 ist effektive Organisation LAN in einem großen Unternehmen, nicht viele kleine nebeneinander. Die Performance des Systems als Ganzes wurde optimiert und nicht eines einzelnen oder einer Gruppe von Benutzern. Wenn Strahlung erkannt wird (selbst mit einem Pegel unter dem störenden), hört das Gerät auf, im Netzwerk zu arbeiten, und zwei Netzwerke, die sich nicht wirklich stören, hören auf zu funktionieren. Die HomeRF-Technologie weist diesen Mangel möglicherweise nicht auf.

Abhörschutz. Die fraglichen Standards sind digital und die Verwendung von Standardverschlüsselungs- und Authentifizierungsverfahren schützt sie auf Haushaltsebene vor Funkabhörungen. Allerdings ab spezielle Systeme Sie haben nicht genug Schutz. Die durchgeführten Studien haben die Öffnungsfähigkeit des IEEE02.11b-Schutzsystems und die Möglichkeit gezeigt, das Gerät des Benutzers mit einem externen Netzwerk zu verbinden, um unbefugten Zugriff auf seine Informationen zu erhalten oder Desinformationen darin einzugeben, auch ohne den Verschlüsselungsschlüssel zu definieren. HomeRF bietet besseren Schutz auf logischer Ebene.

Im Freien unterwegs. Wird von beiden Standards unterstützt.

Die integrale Schlussfolgerung aus der Analyse einer Reihe von Technologien lautet wie folgt: Jede Technologie wird für ihren eigenen Zweck entwickelt. Der IEEE802.11-Standard ist für den geschäftlichen Einsatz konzipiert. Die HomeRF-Technologie wurde entwickelt, um ein Heim-Multimedia-Netzwerk mit Breitband-Internetzugang für Benutzer zu schaffen. Bluetooth ermöglicht die drahtlose Kommunikation in mobilen (Transport-)Systemen und auf engstem Raum. ZigBee ist der Standard zum Erstellen technologische Netzwerke Austausch von Telemetrie- und Steuerbefehlen.

Gegenwärtig ist es nicht gelungen, die Unterschiede zwischen einzelnen Gruppen von Entwicklern und Herstellern von Datenübertragungstechnologien zu überwinden. Wird es möglich sein, eine einzige technologische Plattform für die Datenübertragung zu schaffen? Bisher ist die Lösung dieses Problems nicht offensichtlich.

Wladimir Dmitrijew

Die drahtlose Datenübertragung, bei der Signale ohne physikalische Einschränkungen durch die Luft oder den Weltraum übertragen werden, entwickelt sich zu einer beliebten Alternative zu physikalischen Übertragungswegen wie Twisted-Pair-, Koaxial- oder Glasfaserkabel. Gegenwärtig umfassen übliche Technologien zur drahtlosen Datenübertragung Mikrowellenübertragung, Kommunikationssatelliten, Pager, Mobiltelefone, persönliche Kommunikationsdienste (PCS), Smartphones, persönliche digitale Assistenten (PDAs) und mobile Datennetze.

Spectrum ist das Medium für drahtlose Übertragung. Elektromagnetische Wellen in Abb. gezeigt. 8.3. Einige Arten der drahtlosen Übertragung, wie Mikrowellen oder Infrarotwellen, belegen bestimmte spektrale Frequenzbänder, die in Megahertz (MHz) gemessen werden. Andere Arten der drahtlosen Übertragung sind inzwischen weit verbreitet (z. B. Mobiltelefone oder Pager), daher wird in diesem Fall ein bestimmtes Frequenzband zugewiesen, das von nationalen Regulierungsbehörden bereitgestellt wird und das durch internationale Vereinbarungen geregelt wird. Jeder Frequenzbereich hat seine eigenen Vor- und Nachteile, was die Auswahl des Einsatzgebietes erleichtert.

Mikrowellensysteme, sowohl am Boden als auch in der Luft übertragen hochfrequente Funksignale durch die Atmosphäre und werden häufig verwendet, um große Datenmengen über große Entfernungen von einem Punkt zum anderen zu übertragen. Mikrowellensignale breiten sich in einer geraden Linie aus und können sich nicht um die Erdkrümmung biegen; daher erfordern terrestrische Fernübertragungssysteme Übertragungsstationen, die 25 bis 30 Meilen voneinander entfernt angeordnet sind, was sie teurer macht.

Dieses Problem kann gelöst werden, indem Mikrowellensignale von Satelliten reflektiert werden, die als Relaisstationen für von Bodenstationen gesendete Mikrowellensignale dienen. Kommunikationssatelliten sind effektiv (bieten minimalen Overhead) bei der Übertragung einer großen Menge an Informationen über sehr große Entfernungen. Satelliten werden üblicherweise verwendet, um innerhalb großer, geografisch verstreuter Organisationen zu kommunizieren, wo die Kommunikation über Kabelsysteme oder Mikrowellen-Bodenstationen schwierig ist. Amoco verwendet beispielsweise Satelliten, um Daten mit Ergebnissen der Offshore-Erdölexploration in Echtzeit zu übertragen. Forschungsschiffe übermitteln die gesammelten Daten mittels geostationärer (geostationärer) Satelliten an zentrale Rechenzentren in den Vereinigten Staaten zwecks Weiterverarbeitung

am häufigsten von Forschern in Houston, Toolse und den Vororten von Chicago verwendet. Auf Abb. 8.4 zeigt die Funktionsprinzipien dieses Systems.

Gewöhnliche Kommunikationssatelliten bewegen sich in stationären Umlaufbahnen etwa 22.000 Meilen von der Erdoberfläche entfernt. Vor kurzem wurden die neuesten Satellitensysteme, die sogenannten Low-Orbit-Satelliten, gestartet. Diese Satelliten sind viel näher an der Erde und können Signale von Sendern mit geringer Leistung empfangen. Diese Satelliten verbrauchen auch weniger Strom und sind billiger zu starten als geostationäre Satelliten. Mit solchen drahtlosen Netzwerken können Geschäftsleute um die ganze Welt reisen und Zugang zu umfangreichen Kommunikationsoptionen haben, einschließlich Videokonferenzen und Internetzugang.

Andere drahtlose Übertragungstechnologien werden in Situationen verwendet, in denen ein Fernzugriff auf Unternehmenssysteme und mobile Rechenleistung erforderlich sind. Paging-Systeme gibt es seit Jahrzehnten, zunächst nur durch Piepen, wenn ein Benutzer nach Erhalt einer Nachricht das Büro zurückrufen musste, um sich nach dem Inhalt der Nachricht selbst zu erkundigen.

Mikrowelle (Mikrowellen / Radiowellen)

Die Übertragung großer Informationsmengen über große Entfernungen von Punkt zu Punkt durch Übertragung hochfrequenter Funksignale durch die Atmosphäre von einer Bodenstation zur anderen.

Satellit (Satellitenkanal)

Datenübertragung mit umlaufenden Satelliten, die als Relaisstationen zur Übertragung von Mikrowellensignalen über sehr große Entfernungen dienen.

Paging-System (Paging-System)

Eine drahtlose Übertragungstechnologie, die es Pagern ermöglicht, Funksignale zu empfangen, die von einem entsprechenden Ton begleitet werden, wenn eine Nachricht empfangen wird; verwendet, um kurze alphanumerische Nachrichten zu senden.

Mitteilungen. Gegenwärtig können Paging-Geräte kurze alphanumerische Nachrichten senden und empfangen, die der Benutzer auf dem Pager-Bildschirm liest. Paging ist nützlich für die Kommunikation mit mobilen Mitarbeitern wie Wartungsteams; One-Way-Paging kann auch eine kostengünstige Möglichkeit bieten, mit Mitarbeitern in Büros zu kommunizieren. Zum Beispiel, Computer-Partner vertreibt Zweiwege-Pager, die mit der Unicenter CA-Steuerungssoftware ausgestattet sind, die es Computernetzbetreibern ermöglicht, die Situation zu kontrollieren und schnell auf auftretende Probleme zu reagieren.

Handys arbeiten durch das Senden/Empfangen von Funkwellen, um mit Basisstationen zu kommunizieren, die sich in zusammenhängenden geografischen Gebieten befinden, die als Zellen bezeichnet werden. Das Telefonsignal wird an die lokale Zelle übertragen, dann wird es von Station zu Station (Zelle zu Zelle) übertragen, bis es die Zielzelle erreicht, wonach es an das empfangende Telefon übertragen wird. Während das zellulare Signal von einer Zelle zur anderen wandert, macht der Computer das

Mobiltelefon (Handy)

Persönliche Kommunikationsdienste (PCS) (persönliche Kommunikationsdienste)

Digitale Mobilfunktechnologie, die Funkwellen mit geringerer Leistung und höherer Frequenz als analoge Mobilfunktechnologie verwendet.

Smartphone (Smartphone)

Ein schnurloses Telefon, das Sprach-, Text- und Internetkonnektivität bietet.

Der erste überwacht die Signale der Zellen und wählt den der nächsten Zelle zugewiesenen Funkkanal aus. Die Größe der sechseckigen Waben beträgt normalerweise bis zu acht Meilen, obwohl sie in dicht besiedelten Gebieten abnehmen kann.

Ältere zellulare Systeme sind analog und neuere zellulare Systeme sind digital. Persönliche Kommunikationsdienste (PCS) sind eine beliebte Art von digitalen Zellulardiensten. Der PCS-Service ist vollständig digital. Es bietet Sprach- und Datenübertragung und nutzt einen höheren Frequenzbereich als analoge Mobiltelefone. PCS-Zellen sind viel kleiner und dichter beabstandet als analoge Zellen und können mehr Verkehr transportieren. Zusätzlich zur Sprachkommunikation können neuere Modelle digitaler Mobiltelefone Voicemail, E-Mail und Faxe handhaben; Adressen speichern; Zugang zu privaten Unternehmensnetzwerken sowie zum Internet bereitstellen. Diese Smartphones sind mit Webbrowsern ausgestattet, die den Zugriff auf Webseiten mit Text oder anderen Informationen (ohne Grafiken) ermöglichen, was für Geräte mit kleinen Bildschirmen praktisch ist. Einige Smartphones sind mit großen Bildschirmen sowie zusätzlichen Tastaturen ausgestattet, um den Zugriff auf das Internet zu erleichtern. In Kap. 9 diskutiert im Detail die Verwendung dieser Geräte, um einen drahtlosen Zugang zum Internet bereitzustellen.

Persönliche digitale Assistenten (PDAs) sind kleine tragbare Computer mit Berührungsbildschirm, die zur vollständig digitalen Datenübertragung fähig sind. PDAs verfügen über integrierte drahtlose Telekommunikationsfähigkeiten sowie eine Organizer-Software. Bußgeld berühmtes Beispiel ist ein Plug-in-Organizer Palm VII. Mit diesem Gerät können Sie Nachrichten austauschen Email und bietet auch Zugang zum Internet. Anwendungen wie ein elektronischer Planer, ein Adressbuch und ein Finanzorganizer werden ebenfalls unterstützt. Das Gerät kann Daten akzeptieren, die mit einem Touchscreen-Stift eingegeben werden. Das Organisationsfenster beschreibt, wie Safeway U.K. einen PDA in einer E-Commerce-App verwendet, um in einem Lebensmittelgeschäft einzukaufen.

Persönliche digitale Assistenten (PDA) (PDAs)

Kleine, tragbare Computer mit Touchscreen und integrierten digitalen Telekommunikationsfähigkeiten.

Mobile Datennetze (mobile Datennetze)

Drahtlose Netzwerke, die eine kostengünstige und effiziente Übertragung von Datendateien in beide Richtungen durchführen.

Drahtlose Netzwerke, die speziell für die bidirektionale Übertragung von Dateien entwickelt wurden, werden als drahtlose Netzwerke bezeichnet mobile Datennetze. Diese auf Funkwellen basierenden Netzwerke übertragen von Laptop-Computern erzeugte Daten. Eine andere Art von mobilen Datennetzwerken basiert auf einer Reihe von Sendern, die speziell für die Text- und Datenübertragung gebaut wurden. Netz Ardis(die besitzt American Mobile Satellite Corp.) ist ein öffentliches Netzwerk, das die beschriebenen Funktionen verwendet, um die bidirektionale Datenübertragung auf nationaler Ebene zu organisieren. Unternehmen Otis-Aufzüge nutzt das Netzwerk Ardis die Bewegung von Spezialisten in zu verwalten Wartung im ganzen Land, in einem Büro im Bundesstaat Connecticut. Experten nutzen dieses Netzwerk, um Berichte zu versenden.

Drahtlose Netzwerke und Übertragungsgeräte sind teurer, langsamer und fehleranfälliger als herkömmliche LANs (Varshney und Vetter, 2000). Große digitale Mobilfunknetze erhöhen jedoch ständig ihre Datenraten (Kapitel 9). (Besitzer von Satellitensystemen wie Teledesic geben Milliarden aus, um enorme Datenraten über drahtlose Netzwerke zu liefern, die mit Multimedia-Anwendungen verbunden sind.) Die Sicherstellung eines optimalen Durchsatzes und Stromverbrauchs in drahtlosen Geräten erfordert eine sorgfältige Verwaltung, sowohl technisch als auch softwaremäßig. 1994). Da das Funksignal leicht abgehört werden kann, ist es schwierig, Sicherheit und Geheimhaltung zu gewährleisten (Kap. 14),

Daten können nicht konsistent zwischen verschiedenen drahtlosen Netzwerken übertragen werden, wenn sie inkompatible Standards verwenden. Beispielsweise wird der digitale Zellulardienst in den Vereinigten Staaten von verschiedenen Betreibern unterstützt, die eine von mehreren konkurrierenden digitalen Zellulartechnologien (CDMA, GSM 1900 und TDMA IS-136) verwenden, die nicht miteinander kompatibel sind. Viele digitale Mobilfunk-Handempfänger, die eine dieser Technologien verwenden, können nicht in Ländern außerhalb Nordamerikas betrieben werden und arbeiten auf unterschiedlichen Frequenzen mit unterschiedlichen Normensätzen. Eine ausführliche Diskussion dieser Standards sowie anderer Netzwerkstandards findet sich in Kap. 9.

Der Artikel behandelt drei drahtlose Datenübertragungstechnologien, deren Namen, wie sie sagen, jedem bekannt sind: ZigBee, BlueTooth und Wi-Fi, sowie mögliche Bereiche ihrer Verwendung und Empfehlungen für die Auswahl einer bestimmten Technologie Aufgabe.

Drahtlose Bluetooth-Technologie

Die BlueTooth-Technologie (Standard IEEE 802.15) war die erste Technologie, die ein drahtloses persönliches Datennetzwerk (WPAN - Wireless Personal Network) organisierte. Es ermöglicht die Übertragung von Daten und Sprache über einen Funkkanal über kurze Distanzen (10–100 m) im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband und die Verbindung von PCs, Handys und andere Geräte ohne Sichtverbindung.

BlueTooth verdankt seine Geburt Ericsson, das 1994 mit der Entwicklung begann neue Technologie Verbindungen. Ursprünglich bestand das Hauptziel darin, eine kostengünstige Funkschnittstelle mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln, die die Kommunikation zwischen Mobiltelefonen und drahtlosen Headsets ermöglichen würde. Später entwickelte sich die Arbeit an der Entwicklung der Funkschnittstelle jedoch allmählich zur Schaffung einer neuen Technologie.

Sowohl auf dem Telekommunikationsmarkt als auch auf dem Computermarkt wird der Erfolg einer neuen Technologie durch die führenden Herstellerfirmen sichergestellt, die über die Machbarkeit und den wirtschaftlichen Nutzen der Integration der neuen Technologie in ihre Neuentwicklungen entscheiden. Um seinem Nachwuchs eine würdige Zukunft und Weiterentwicklung zu sichern, organisierte Ericsson daher 1998 das BlueTooth SIG (Special Interest Group) Konsortium, das folgende Aufgaben hatte:

• Weiterentwicklung der BlueTooth-Technologie;
• Förderung neuer Technologien auf dem Telekommunikationsmarkt.

Das BlueTooth SIG-Konsortium umfasst Unternehmen wie Ericsson, Nokia, 3COM, Intel und National Semiconductor.

Es wäre logisch anzunehmen, dass die ersten Schritte des BlueTooth SIG-Konsortiums darin bestehen würden, die neue Technologie zu standardisieren, um BlueTooth-Geräte, die von verschiedenen Unternehmen entwickelt wurden, miteinander zu verbinden. Das wurde umgesetzt. Dazu wurden Spezifikationen entwickelt, die detailliert die Methoden zur Verwendung des neuen Standards und die Eigenschaften von Datenübertragungsprotokollen beschreiben.

Als Ergebnis wurde der BlueTooth-Protokollstapel für die drahtlose Datenübertragung entwickelt (Abb. 1).

Reis. 1. Bluetooth-Protokollstapel

Die BlueTooth-Technologie unterstützt sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen. Zwei oder mehr Geräte, die denselben Kanal verwenden, bilden ein Piconet. Eines der Geräte arbeitet als Master (Master) und der Rest - als Slaves (Slave). In einem Piconet können bis zu sieben aktive Slaves vorhanden sein, wobei die verbleibenden Slaves im "geparkten" Zustand mit dem Master synchronisiert bleiben. Interagierende Pikonetze bilden ein „verteiltes Netzwerk“ (Scatternet).

Jedes Piconetz hat nur ein Master-Gerät, aber Slave-Geräte können Teil verschiedener Piconetze sein. Außerdem kann das Hauptgerät eines Piconets ein Slave in einem anderen sein (Abb. 2).

Reis. 2. Piconet mit Slave-Geräten. a) mit einem Slave-Gerät. b) mehrere. c) Verteiltes Netzwerk

Seit der Einführung der ersten BlueTooth-Module auf dem Markt wurde deren breite Verwendung in neuen Anwendungen durch die komplexe Softwareimplementierung des BlueTooth-Protokollstapels behindert. Der Entwickler musste die Steuerung des BlueTooth-Moduls eigenständig implementieren und Profile entwickeln, die die Interaktion des Moduls mit anderen BlueTooth-Geräten mithilfe von HCI-Befehlen (Host Controller Interface) bestimmen. Das Interesse an der BlueTooth-Technologie nahm jeden Tag zu, immer mehr neue Unternehmen entwickelten Komponenten dafür, aber es gab keine Lösung, die die Verwaltung von BlueTooth-Modulen erheblich vereinfachen würde. Und eine solche Lösung wurde gefunden. Das finnische Unternehmen, das die Marktsituation untersucht hatte, war eines der ersten, das Entwicklern die folgende Lösung anbot.

In den meisten Fällen wird die BlueTooth-Technologie von Entwicklern verwendet, um eine kabelgebundene serielle Verbindung zwischen zwei Geräten durch eine drahtlose zu ersetzen. Um eine Verbindung zu organisieren und eine Datenübertragung durchzuführen, muss der Entwickler programmgesteuert unter Verwendung der Befehle der Host-Controller-Schnittstelle implementieren oberen Ebenen BlueTooth-Protokollstapel, der Folgendes umfasst: L2CAP, RFCOMM, SDP sowie das Interaktionsprofil für serielle Ports – SPP (Serial Port Profile) und das SDP-Diensterkennungsprofil (Service Discovery Profile). Das finnische Unternehmen entschied sich dafür, eine Version der Firmware für BlueTooth-Module zu entwickeln, bei der es sich um eine vollständige Softwareimplementierung des gesamten BlueTooth-Protokollstapels (Abb. 1) sowie der SPP- und SDP-Profile handelt. Diese Lösung ermöglicht es dem Entwickler, das Modul zu steuern, eine drahtlose serielle Verbindung herzustellen und die Datenübertragung über Sonderzeichenbefehle durchzuführen, genau wie es bei herkömmlichen Modems über Standard-AT-Befehle erfolgt.

Auf den ersten Blick kann die oben diskutierte Lösung die Integrationszeit der BlueTooth-Technologie in neu entwickelte Produkte erheblich verkürzen. Dies erlegt jedoch bestimmte Einschränkungen für die Verwendung der Fähigkeiten der BlueTooth-Technologie auf. Dies wirkt sich hauptsächlich auf die Verringerung des maximalen Durchsatzes und der Anzahl gleichzeitiger asynchroner Verbindungen aus, die vom BlueTooth-Modul unterstützt werden.

Mitte 2004 wurde die BlueTooth-Spezifikation Version 1.1, die 2001 veröffentlicht wurde, durch die BlueTooth-Spezifikation Version 1.2 ersetzt. Die Hauptunterschiede zwischen Spezifikation 1.2 und 1.1 sind:

1. Implementierung der Technologie des adaptiven Frequenzspringens (Adaptive Friquency Hopping, AFH).
2. Verbesserte Sprachverbindung.
3. Reduzierung der Zeit, die benötigt wird, um eine Verbindung zwischen zwei BlueTooth-Modulen herzustellen.

Es ist bekannt, dass BlueTooth und Wi-Fi dasselbe unlizenzierte 2,4-GHz-Band verwenden. Wenn sich BlueTooth-Geräte in Reichweite von Wi-Fi-Geräten befinden und miteinander kommunizieren, kann dies daher zu Kollisionen führen und die Leistung der Geräte beeinträchtigen. AFH-Technologie vermeidet Kollisionen: Während des Informationsaustauschs zur Bekämpfung von Interferenzen verwendet die BlueTooth-Technologie Channel Frequency Hopping, das die Frequenzkanäle nicht berücksichtigt, auf denen Wi-Fi-Geräte kommunizieren. Auf Abb. 3 veranschaulicht das Funktionsprinzip der AFH-Technologie.

Reis. 3. Funktionsprinzip der AFH-Technologie. a) Kollisionen b) Vermeidung von Kollisionen durch adaptives Kanalfrequenzspringen

Die Entwicklung der BlueTooth-Technologie steht nicht still. Das SIG-Konsortium hat bis 2008 ein Technologieentwicklungskonzept entwickelt (Bild 4).

Reis. 4. Entwicklungsstadien der Bluetooth-Technologie

Derzeit gibt es eine große Anzahl von Unternehmen auf dem Markt, die BlueTooth-Module sowie Komponenten zur unabhängigen Implementierung der BlueTooth-Gerätehardware anbieten. Nahezu alle Hersteller bieten Module an, die die BlueTooth-Spezifikationen Version 1.1 und 1.2 unterstützen und Klasse 2 (Reichweite 10 m) und Klasse 1 (Reichweite 100 m) sind. Obwohl Version 1.1 vollständig mit Version 1.2 kompatibel ist, können alle oben beschriebenen Verbesserungen, die in Version 1.2 eingeführt wurden, nur erhalten werden, wenn beide Geräte 1.2-kompatibel sind.

Im November 2004 wurde die Version 2.0 der BlueTooth-Spezifikation eingeführt, die die Enhanced Data Rate (EDR)-Technologie unterstützt. Die Spezifikation 2.0 mit EDR-Unterstützung ermöglicht den Datenaustausch mit Geschwindigkeiten von bis zu 3 Mbit/s. Die ersten Serienmuster von Modulen, die der Version 2.0 entsprechen und die EDR-Technologie unterstützen, wurden Ende 2005 von den Herstellern angeboten. Die Reichweite solcher Module beträgt 10 m ohne Sichtverbindung, was der Klasse 2 entspricht, und kann bei Sichtverbindung 30 m erreichen.

Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptzweck der BlueTooth-Technologie darin, eine kabelgebundene serielle Verbindung zu ersetzen. Gleichzeitig ist das zur Organisation der Verbindung verwendete SPP-Profil natürlich nicht das einzige Profil, das Entwickler in ihren Produkten verwenden können. Die folgenden Profile werden von der BlueTooth-Technologie definiert: Profil öffentlicher Zugang(Generisches Zugangsprofil), Diensterkennungsprofil, Profil für schnurlose Telefonie, Intercom-Profil, Headset-Profil, DFÜ-Netzwerkprofil), Faxprofil, LAN-Zugangsprofil, generisches Objektaustauschprofil, Profilobjekt-Push-Profil, Dateiübertragungsprofil, Synchronisierung Profil

Wi-Fi-Wireless-Technologie

Mit Wi-Fi hat sich eine etwas verwirrende Situation entwickelt, also definieren wir zuerst die verwendete Terminologie.

Der Standard IEEE 802.11 ist der grundlegende Standard zum Aufbau drahtloser lokaler Netzwerke (Wireless Local Network - WLAN). Der IEEE 802.11-Standard wurde ständig verbessert, und jetzt gibt es eine ganze Familie, die IEEE 802.11-Spezifikationen mit den Buchstabenindizes a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n umfasst , o , p, q, r, s, u, v, w. Allerdings sind nur vier davon (a, b, g und i) die wichtigsten und bei Geräteherstellern am beliebtesten, während der Rest (c-f, h-n) Ergänzungen, Verbesserungen oder Korrekturen akzeptierter Spezifikationen sind.

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) wiederum entwickelt und verabschiedet nur Spezifikationen für die oben genannten Standards. Es gehört nicht zu seinen Aufgaben, Geräte verschiedener Hersteller auf Kompatibilität zu prüfen.

Um Geräte für drahtlose lokale Netzwerke (WLAN) zu vermarkten, wurde eine Gruppe namens Wi-Fi Alliance gegründet. Diese Allianz leitet die Arbeit an der Zertifizierung von Geräten verschiedener Hersteller und die Erteilung von Genehmigungen zur Verwendung des Wi-Fi Alliance-Logos durch Mitglieder. Warenzeichen W-lan. Das Vorhandensein des Wi-Fi-Logos auf dem Gerät garantiert einen zuverlässigen Betrieb und Kompatibilität des Geräts beim Aufbau eines drahtlosen lokalen Netzwerks (WLAN) auf Geräten verschiedener Hersteller. Gegenwärtig basieren Wi-Fi-kompatible Geräte auf den Standards IEEE 802.11a, b und g (können auch den Standard IEEE 802.11i verwenden, um eine sichere Verbindung bereitzustellen). Darüber hinaus bedeutet das Vorhandensein des Wi-Fi-Logos auf dem Gerät, dass das Gerät im 2,4-GHz- oder 5-GHz-Band arbeitet. Daher sollte Wi-Fi unter Berücksichtigung der oben genannten Einschränkungen als Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller verstanden werden, die zum Aufbau drahtloser lokaler Netzwerke entwickelt wurden.

Die ursprüngliche Spezifikation des 1997 verabschiedeten Standards IEEE 802.11 etablierte die Datenübertragung mit 1 und 2 Mbit/s im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband sowie ein Verfahren zur Zugriffskontrolle auf das physikalische Medium (Funkkanal), das das Verfahren verwendet des Mehrfachzugriffs mit Identifikationsträger und Kollisionsbeseitigung (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Das CSMA-CA-Verfahren ist wie folgt. Um den Zustand des Kanals (belegt oder frei) zu bestimmen, wird ein Algorithmus zur Schätzung des Signalpegels im Kanal verwendet, nach dem die Signalleistung am Empfängereingang und die Signalqualität gemessen werden. Liegt die Leistung der empfangenen Signale am Empfängereingang unter dem Schwellwert, so gilt der Kanal als frei, liegt ihre Leistung jedoch über dem Schwellwert, so gilt der Kanal als belegt.

Seit der Einführung der Standardspezifikation IEEE 802.11 haben mehrere Hersteller ihre Geräte auf den Markt gebracht. Die Geräte des IEEE 802.11-Standards fanden jedoch keine weite Verbreitung, da die Standardspezifikation die Regeln für das Zusammenspiel der Protokollstapelebenen nicht eindeutig definierte. Daher präsentierte jeder Hersteller seine Version der Implementierung des Standards IEEE 802.11, die nicht mit den anderen kompatibel ist.

Um dieser Situation abzuhelfen, verabschiedete das IEEE 1999 die erste Ergänzung der IEEE 802.11-Standardspezifikation, genannt IEEE 802.11b. Der IEEE 802.11b-Standard war der erste weit verbreitete WLAN-Standard. Die maximale Datenübertragungsrate darin beträgt 11 Mbps. Diese Geschwindigkeit erreichten die Entwickler des Standards durch die Methode der Codierung mit einer Folge zusätzlicher Codes (Complementary Code Keying). Die Funkzugangskontrolle verwendet dieselbe Methode wie die ursprüngliche IEEE 802.11-Spezifikation, CSMA-CA. Der obige Wert für die maximale Datenrate ist natürlich ein theoretischer Wert, da für den Zugriff auf den Funkkanal das CSMACA-Verfahren verwendet wird, das nicht garantiert, dass jederzeit ein freier Kanal zur Verfügung steht. Daher beträgt der maximale Durchsatz bei der Datenübertragung mit dem TCP / IP-Protokoll in der Praxis etwa 5,9 Mbit / s und bei Verwendung des UDP-Protokolls etwa 7,1 Mbit / s.

Im Falle einer Verschlechterung der elektromagnetischen Umgebung reduziert das Gerät die Übertragungsrate automatisch zu Beginn auf 5,5 Mbit/s und dann auf 2 Mbit/s unter Verwendung der Adaptive Rate Selection (ARS)-Methode. Die Reduzierung der Rate ermöglicht die Verwendung einfacherer und weniger redundanter Codierungsverfahren, wodurch die übertragenen Signale weniger anfällig für Dämpfung und Verzerrung durch Interferenzen sind. Durch das adaptive Ratenauswahlverfahren können IEEE 802.11b-Geräte in verschiedenen elektromagnetischen Umgebungen kommunizieren.

Der nächste Standard, der die IEEE 802.11-Familie erweitert, ist der IEEE 802.11a-Standard, dessen Spezifikation 1999 vom IEEE übernommen wurde. Der Hauptunterschied zwischen der IEEE 802.11a-Spezifikation und der ursprünglichen IEEE 802.11-Spezifikation ist:

• die Datenübertragung erfolgt im lizenzfreien Frequenzbereich von 5 GHz;
• orthogonale Frequenzmodulation (OFDM) wird verwendet;
• maximale Geschwindigkeit Die Datenübertragungsrate beträgt 54 Mbit/s (die tatsächliche Geschwindigkeit beträgt etwa 20 Mbit/s).

Genau wie 802.11b implementiert 802.11a ein adaptives Ratenauswahlverfahren (ARS), das die Datenrate in der folgenden Reihenfolge reduziert: 48, 36, 24, 18, 12, 9 und 6 Mbit/s. Informationen werden über einen der 12 im 5-GHz-Band zugewiesenen Kanäle übertragen.

Die Nutzung des 5-GHz-Bandes bei der Entwicklung der 802.11a-Spezifikation ist vor allem darauf zurückzuführen, dass dieses Band weniger überlastet ist als das 2,4-GHz-Band und daher die darin übertragenen Signale weniger störanfällig sind. Zweifellos ist diese Tatsache ein Vorteil, aber gleichzeitig führt die Nutzung des 5-GHz-Bandes dazu, dass ein zuverlässiger Betrieb von IEEE 802.11a-Geräten nur in Sichtweite gewährleistet ist. Daher müssen beim Aufbau eines drahtlosen Netzwerks mehr Zugriffspunkte installiert werden, was sich wiederum auf die Kosten für die Bereitstellung eines drahtlosen Netzwerks auswirkt. Darüber hinaus sind im 5-GHz-Band übertragene Signale anfälliger für Absorption (die abgestrahlte Leistung von IEEE 802.11b- und 802.11a-Geräten ist gleich).

Das erste IEEE 802.11a-Gerät wurde 2001 auf den Markt gebracht. Es sollte beachtet werden, dass Geräte, die nur den IEEE 802.11a-Standard unterstützen, nicht verwendet werden sehr gefragt auf dem Markt aus mehreren Gründen. Erstens hatten sich damals die Geräte des Standards IEEE 802.11b bereits auf dem Markt etabliert, zweitens bemerkte jeder die Nachteile der Nutzung des 5-GHz-Bandes und drittens waren die Geräte des Standards IEEE 802.11a nicht mit IEEE kompatibel 802.11b. In der Folge boten die Hersteller jedoch zur Förderung von IEEE 802.11a Geräte an, die beide Standards unterstützen, sowie Geräte, die eine Anpassung an Netzwerke ermöglichen, die auf Geräten der IEEE 802.11b-, 802.11a-, 802.11g-Standardgeräte aufgebaut sind.

Im Jahr 2003 wurde die Spezifikation des IEEE 802.11g-Standards übernommen, der eine Datenübertragung im 2,4-GHz-Band mit einer Geschwindigkeit von 54 Mbps (die tatsächliche Geschwindigkeit beträgt etwa 24,7 Mbps) etabliert. Die Funkzugangskontrolle verwendet das gleiche Verfahren wie die ursprüngliche Spezifikation des IEEE 802.11-Standards - CSMACA, sowie orthogonale Frequenzmodulation (OFDM).

IEEE 802.11g-Geräte sind vollständig kompatibel mit 802.11b, jedoch ist die tatsächliche Datenübertragungsrate von 802.11g aufgrund von Interferenzen in den meisten Fällen mit der Geschwindigkeit vergleichbar, die von 802.11b-Geräten bereitgestellt wird. Daher ist die einzig richtige Entscheidung für potenzielle Wireless-LAN-Benutzer, Geräte zu kaufen, die drei Standards gleichzeitig unterstützen: 802.11a, b und g.

Die meisten Entwickler assoziieren Wi-Fi-kompatible Geräte in erster Linie mit der Organisation von Zugangspunkten für den Zugriff auf das Internet und mit Teilnehmergeräten. Es sei darauf hingewiesen, dass die Industrie für eingebettete Systeme die Standards IEEE 802.11a, b und g nicht umgangen hat. Schon jetzt gibt es in diesem Marktsegment Vorschläge, beliebige Geräte Wi-Fi-fähig zu machen. Es geht umüber IEEE 802.11b-Standard-OEM-Module, die umfassen: Transceiver, Anwendungsprozessor und Softwareausführung. Somit stellen diese Module eine Komplettlösung dar, die den Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung der Wi-Fi-Kompatibilität des in der Entwicklung befindlichen Produkts erheblich reduzieren kann. Grundsätzlich werden OEM-Module nach IEEE 802.11b-Standard in Produkte zur Fernüberwachung und -steuerung über das Internet integriert. Das IEEE 802.11b OEM-Modul wird über die serielle RS-232-Schnittstelle mit dem Produkt verbunden, und das Modul wird über AT-Befehle gesteuert. Die maximale Entfernung zwischen dem OEM-Modul nach IEEE 802.11b-Standard und dem Access Point kann bei Verwendung einer speziellen abgesetzten Antenne bis zu 500 m betragen.

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten technische Eigenschaften IEEE 802.11a-, b- und g-Standards.

Tabelle 1. Hauptspezifikationen der Standards IEEE 802.11a, b und g

Drahtlose ZigBee-Übertragungstechnologie

Die drahtlose Datenübertragungstechnologie ZigBee wurde nach dem Aufkommen der drahtlosen Datenübertragungstechnologien BlueTooth und Wi-Fi auf den Markt gebracht. Das Aufkommen der ZigBee-Technologie ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass für einige Anwendungen (z. B. zur Fernsteuerung von Beleuchtung oder Garagentoren oder zum Auslesen von Informationen von Sensoren) der geringe Stromverbrauch das Hauptkriterium für die Wahl einer drahtlosen Übertragungstechnologie ist Hardware und ihre niedrigen Kosten. Dies impliziert einen geringen Durchsatz, da die Sensoren in den meisten Fällen von einer eingebauten Batterie gespeist werden, deren Betriebszeit mehrere Monate oder sogar Jahre überschreiten sollte. Andernfalls wird der monatliche Batteriewechsel für den Auf-Zu-Sensor des Garagentors die Einstellung des Benutzers zu drahtlosen Technologien drastisch ändern. Die damals existierenden drahtlosen BlueTooth- und Wi-Fi-Datenübertragungstechnologien erfüllten diese Kriterien nicht und ermöglichten eine Datenübertragung mit hohen Geschwindigkeiten, einem hohen Stromverbrauch und hohen Hardwarekosten. Im Jahr 2001 begann die IEEE 802.15-Arbeitsgruppe Nr. 4 mit der Arbeit an der Erstellung eines neuen Standards, der die folgenden Anforderungen erfüllen würde:

• sehr geringer Stromverbrauch der Hardware, die die Technologie der drahtlosen Datenübertragung implementiert (die Batterielebensdauer sollte mehrere Monate bis mehrere Jahre betragen);
• die Übertragung von Informationen sollte mit niedriger Geschwindigkeit durchgeführt werden;
• niedrige Hardwarekosten.

Das Ergebnis war die Entwicklung des Standards IEEE 802.15.4. In vielen Veröffentlichungen bezieht sich der IEEE 802.15.4-Standard auf die ZigBee-Technologie und umgekehrt bezieht sich ZigBee auf den IEEE 802.15.4-Standard. Dies ist jedoch nicht der Fall. Auf Abb. Abbildung 5 zeigt das Interaktionsmodell des Standards IEEE 802.15.4, der drahtlosen Datenübertragungstechnologie ZigBee und des Endbenutzers.

Reis. 5. Interaktionsmodell des IEEE 802.15.4-Standards, der drahtlosen ZigBee-Datenübertragungstechnologie und des Endbenutzers

Der IEEE 802.15.4-Standard definiert die Interaktion nur der zwei untersten Schichten des Interaktionsmodells: der physikalischen Schicht (PHY) und der Funkzugangskontrollschicht für drei unlizenzierte Frequenzbänder: 2,4 GHz, 868 MHz und 915 MHz. Tabelle 2 zeigt die Hauptmerkmale der Geräte, die in diesen Frequenzbereichen betrieben werden.

Tabelle 2. Hauptmerkmale der Ausrüstung

Die MAC-Schicht ist für die Kontrolle des Zugriffs auf den Funkkanal nach dem Verfahren Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) zuständig, verwaltet die Verbindung und Trennung vom Datennetz und gewährleistet den Schutz der übertragenen Informationen durch symmetrische Schlüssel ( AES-128).

Die von der ZigBee-Allianz vorgeschlagene drahtlose ZigBee-Datenübertragungstechnologie wiederum definiert die verbleibenden Ebenen des Interaktionsmodells, zu denen die Netzwerkschicht, die Sicherheitsschicht, die Anwendungsstrukturschicht und die Anwendungsprofilschicht gehören. Die Netzwerkschicht, die drahtlose ZigBee-Datenübertragungstechnologie, ist für die Geräteerkennung und Netzwerkkonfiguration verantwortlich und unterstützt drei Netzwerktopologieoptionen, die in Abb. 6.

Reis. 6. Drei Netzwerktopologieoptionen

Um die niedrigen Kosten für die Integration der drahtlosen ZigBee-Übertragungstechnologie in verschiedene Anwendungen zu gewährleisten, wird die physische Hardwareimplementierung des IEEE 802.15.4-Standards in zwei Versionen implementiert: Geräte mit reduzierter Funktion (RFD) und Geräte mit vollständiger Funktion (FFD). Bei der Implementierung einer der in Abb. 6 muss mindestens ein FFD-Gerät als Netzwerkkoordinator fungieren. Tabelle 3 listet die Funktionen auf, die von FFDs und RFDs ausgeführt werden.

Tabelle 3. Liste der Funktionen, die von FFD- und RFD-Geräten ausgeführt werden

Die niedrigen Kosten der Hardware von RFD-Geräten werden durch die Begrenzung des Funktionsumfangs bei der Organisation der Interaktion mit einem Netzwerkkoordinator oder einem FFD-Gerät sichergestellt. Dies wiederum spiegelt sich in der unvollständigen Implementierung des in Abb. 5 und stellt auch minimale Anforderungen an die Speicherressourcen.

Neben der Unterteilung von Geräten in RFD und FFD definiert die ZigBee Alliance drei Typen von logischen Geräten: ZigBee-Koordinator (Koordinator), ZigBee-Router und ZigBee-Endgerät. Der Koordinator führt die Netzwerkinitialisierung und Knotenverwaltung durch und speichert auch Informationen über die Einstellungen jedes mit dem Netzwerk verbundenen Knotens. Der ZigBee-Router ist für das Routing von Nachrichten verantwortlich, die über das Netzwerk von einem Knoten zum anderen gesendet werden. Endgerät bezieht sich auf jedes mit dem Netzwerk verbundene Endgerät. Die oben diskutierten RFD- und FFD-Geräte sind genau die Endgeräte. Beim Aufbau eines Netzwerks wird der Typ des logischen Geräts vom Endbenutzer bestimmt, indem er ein bestimmtes Profil (Abb. 5) auswählt, das von der ZigBee-Allianz vorgeschlagen wird. Beim Aufbau eines Netzwerks mit einer „Jeder-mit-jedem“-Topologie kann die Übertragung von Nachrichten von einem Netzwerkknoten zum anderen über verschiedene Routen erfolgen, wodurch Sie verteilte Netzwerke aufbauen können (das Zusammenfassen mehrerer kleiner Netzwerke zu einem großen - einem Cluster Baum) mit der Installation eines Knotens von einem anderen in ausreichend großer Entfernung und gewährleisten eine zuverlässige Zustellung von Nachrichten.

Der über das ZigBee-Netzwerk übertragene Datenverkehr wird in der Regel in periodisch, intermittierend und sich wiederholend unterteilt (gekennzeichnet durch ein kleines Zeitintervall zwischen dem Senden von Informationsnachrichten).

Periodischer Datenverkehr ist typisch für Anwendungen, die Informationen aus der Ferne empfangen müssen, z. B. von drahtlosen Sensoren oder Messgeräten. Bei solchen Anwendungen wird das Erhalten von Informationen von Sensoren oder Messgeräten wie folgt durchgeführt. Wie bereits erwähnt, jedes Endgerät also dieses Beispiel Wenn der Funksensor aktiv ist, sollte sich der überwiegende Teil der Betriebszeit im "Sleep"-Modus befinden, wodurch ein sehr geringer Stromverbrauch gewährleistet ist. Zur Übermittlung von Informationen wacht das Endgerät zu bestimmten Zeitpunkten auf und durchsucht die Luft nach einem speziellen Signal (Beacon), das von dem Netzwerkmanagementgerät (ZigBee-Koordinator oder ZigBee-Router) gesendet wird, mit dem der Funkzähler verbunden ist. Wenn ein spezielles Signal (Beacon) auf dem Funkgerät vorhanden ist, überträgt das Endgerät Informationen an das Netzwerksteuergerät und geht sofort bis zur nächsten Kommunikationssitzung in den "Schlaf"-Modus.

Intermittierender Datenverkehr ist beispielsweise typisch für ferngesteuerte Beleuchtungssteuergeräte. Stellen wir uns eine Situation vor, in der es notwendig ist, wenn ein Bewegungssensor am installiert ist Haustür, senden Sie einen Befehl, um die Beleuchtung im Flur einzuschalten. Die Übertragung des Befehls wird in diesem Fall wie folgt durchgeführt. Wenn der Netzwerkmanager ein Signal erhält, dass der Bewegungssensor ausgelöst wurde, gibt er einen Befehl an das Endgerät (Funkschalter) aus, sich mit dem drahtlosen ZigBee-Netzwerk zu verbinden. Dann wird eine Verbindung mit dem Endgerät (Funkschalter) hergestellt und eine Informationsnachricht mit einem Befehl zum Einschalten der Beleuchtung gesendet. Nach Erhalt des Befehls wird die Verbindung getrennt und der Funkschalter vom ZigBee-Netzwerk getrennt.

Indem Sie das Endgerät nur in den dafür notwendigen Momenten mit dem ZigBee-Netzwerk verbinden und trennen, können Sie die Zeit, die das Endgerät im „Schlafmodus“ verweilt, erheblich verlängern und so einen minimalen Stromverbrauch sicherstellen. Die Methode der Verwendung eines speziellen Signals (Beacon) ist viel energieintensiver.

Bei manchen Anwendungen, wie beispielsweise Sicherheitssystemen, muss die Übertragung von Informationen über den Betrieb von Sensoren fast sofort und ohne Verzögerung ausgeführt werden. Allerdings müssen wir berücksichtigen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt mehrere Sensoren gleichzeitig „triggern“ können und so genannten Repetitive Traffic im Netzwerk erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit dieses Ereignisses ist gering, aber es ist nicht akzeptabel, es in Sicherheitssystemen nicht zu berücksichtigen. Im ZigBee-Funknetz ist für Nachrichten, die beim gleichzeitigen Auslösen mehrerer Sicherheitssensoren (Endgeräte) an das Funknetz übertragen werden, die Datenübertragung von jedem Sensor in einem speziell zugewiesenen Zeitschlitz vorgesehen. In der ZigBee-Technologie wird ein dedizierter Zeitschlitz als Garantierter Zeitschlitz (GTS) bezeichnet. Das Vorhandensein der Fähigkeit in der ZigBee-Technologie, einen garantierten Zeitschlitz für die Übertragung dringender Nachrichten bereitzustellen, ermöglicht es uns, über die Implementierung des QoS-Verfahrens (Quality of Service) in ZigBee zu sprechen. Die Zuweisung eines garantierten Zeitschlitzes für die Übermittlung dringender Nachrichten erfolgt durch den Netzwerkkoordinator (Abb. 6, PAN-Koordinator).

Bei der Entwicklung des Hardwareteils der drahtlosen Datenübertragungstechnologie ZigBee, der das Interaktionsmodell umsetzt, halten sich fast alle Hersteller an das Konzept, wonach die gesamte Hardware auf einem einzigen Chip untergebracht ist. Auf Abb. 7 zeigt das Konzept der Ausführung der Hardware der drahtlosen ZigBee-Datenübertragungstechnologie.

Reis. 7. Das Konzept der Ausführung der Hardware der drahtlosen ZigBee-Datenübertragungstechnologie

Um ein drahtloses Netzwerk (z. B. ein Netzwerk mit Sterntopologie) basierend auf der ZigBee-Technologie aufzubauen, muss ein Entwickler mindestens einen Netzwerkkoordinator und die erforderliche Anzahl von Endgeräten erwerben. Beachten Sie bei der Netzwerkplanung, dass die maximale Anzahl aktiver Endgeräte, die mit dem Netzwerkkoordinator verbunden sind, 240 nicht überschreiten sollte. Darüber hinaus müssen Softwaretools für die Entwicklung, Konfiguration des Netzwerks und die Erstellung eigener Anwendungen und Profile vom ZigBee-Chip erworben werden Hersteller. Fast alle Hersteller von ZigBee-Chips bieten eine ganze Reihe von Produkten auf dem Markt an, die sich in der Regel nur in der Größe des ROM- und RAM-Speichers unterscheiden. Beispielsweise kann ein Chip mit 128 KB ROM und 8 KB RAM so programmiert werden, dass er als Koordinator, Router und Endgerät fungiert.

Die hohen Kosten des Debug-Kits, das eine Reihe von Software- und Hardware-Tools zum Aufbau beliebig komplexer ZigBee-Funknetzwerke umfasst, sind einer der einschränkenden Faktoren für die Massenverbreitung der ZigBee-Technologie auf dem russischen Markt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Aufkommen der drahtlosen ZigBee-Übertragungstechnologie zu einer eindeutigen Antwort auf die Bedürfnisse des Marktes nach der Schaffung intelligenter Steuerungssysteme für Privathäuser und Gebäude geworden ist, deren Nachfrage jedes Jahr zunimmt. In naher Zukunft werden Privathäuser und Gebäude mit einer Vielzahl von drahtlosen Netzwerkknoten ausgestattet sein, die häusliche Lebenserhaltungssysteme überwachen und steuern. Die Installation dieser Systeme kann jederzeit und z kurze Zeit, da keine Verkabelung im Gebäude erforderlich ist.

Wir listen die Anwendungen auf, in die die ZigBee-Technologie integriert werden kann:

• Lebenserhaltende Automatisierungssysteme für Häuser und Gebäude (Fernsteuerung von Steckdosen, Schaltern, Rheostaten usw.).
• Steuerungssysteme für Unterhaltungselektronik.
• Automatische Auslesesysteme für verschiedene Zähler (Gas, Wasser, Strom etc.).
• Sicherheitssysteme (Rauchsensoren, Zugangs- und Sicherheitssensoren, Gas- und Wasserlecksensoren, Bewegungssensoren usw.).
• Überwachungssysteme Umfeld(Sensoren für Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Vibration usw.).
• Industrielle Automatisierungssysteme.

Abschluss

Der kurze Überblick über die drahtlosen Datenübertragungstechnologien BlueTooth, Wi-Fi und ZigBee im Artikel zeigt, dass es selbst für erfahrene Entwickler schwierig sein kann, nur anhand der technischen Dokumentation eindeutig der einen oder anderen Technologie den Vorzug zu geben.

Daher sollte der Auswahlansatz auf einer umfassenden Analyse mehrerer Parameter basieren. Vergleichende Eigenschaften BlueTooth-, Wi-Fi- und ZigBee-Technologien sind in Tabelle 4 aufgeführt. Diese Informationen helfen Ihnen, bei der Auswahl einer drahtlosen Datenübertragungstechnologie die richtige Entscheidung zu treffen.

Tabelle 4. Vergleichende Eigenschaften von BlueTooth-, Wi-Fi- und ZigBee-Technologien

Literatur

1. V.A. Grigoriev, O.I. Lagutenko, Yu.A. Raspjew. „Funkzugangssysteme und -netze“, M.,: EcoTrends, 2005
2. www.ieee.com
3. www.chipcon.com
4. www.ember.com
5. www.bluetooth.org

Die Entwicklung von Standards und Datenübertragungssystemen geht in zwei Hauptrichtungen:

• - Erhöhung des Durchsatzes der Kommunikationskanäle;
• - Radius (Reichweite) des SPT.

Es gibt folgende Möglichkeiten, Informationen drahtlos zwischen Mobilgeräten zu übertragen:

• - über Infrarotkanal (Protokoll IrDA (Infrared Data Association));
• - über Funkkanal (Protokolle: Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, ZigBee, Wireless USB, GPRS, EDGE, WCDMA),
• - Verbindung über einen Mikrowellenkanal (Richtfunk und Satellitendatenübertragung).

Derzeit wird die Infrarotübertragung aufgrund mangelnder Mobilität und Problemen bei der Hindernisüberwindung praktisch nicht mehr genutzt; Richtfunk- und Satellitensysteme werden verwendet, um Fernkommunikationskanäle zu organisieren und daher Steuersysteme und Informationsunterstützung zu erstellen kleine Geschäfte bei einer verteilten infrastruktur ist es sinnvoll, drahtlose funktechnologien einzusetzen.

Aus Sicht des Aktionsradius (Reichweite) werden alle drahtlosen Datennetze unterteilt in:

• 1. Wireless Personal Area Networks (Wireless Personal Area Network, WPAN), die mit den Protokollen Bluetooth, WirelessUSB, ZigBee arbeiten;
• 2. drahtlose lokale Netzwerke (Wireless Local Area Network, WLAN), Wi-Fi verwenden;
• 3. stadtweite drahtlose Netzwerke (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN) oder drahtlose Breitbandzugangsnetzwerke (Broadband Wireless Access, BWA), die derzeit auf WiMAX betrieben werden;
• 4. Drahtlose Weitverkehrsnetze (Wireless Wide Area Network, WWAN), das sind drahtlose Datenübertragungsnetze, die auf Richtfunk-, Mobilfunk- und Satellitentechnologien basieren.

Die Beziehung zwischen Reichweite und Datenrate für verschiedene Protokolle ist in Abbildung 14 dargestellt.

Reis. 14.

Gleichzeitig können die folgenden Haupttypen von drahtlosen Kommunikationsnetzen unterschieden werden, die zur Versorgung mobiler Teilnehmer verwendet werden:

• - persönliche Netzwerke;
• - temporär erstellte Netzwerke beliebiger Struktur;
• - lokale Netzwerke für drahtlosen Zugang;
• - drahtlose terrestrische Richtfunkleitungen;
• - Mobilfunknetze;
• - globale Satellitennetze;
• - hybride heterogene Netze unterschiedlicher Konfigurationen.

Drahtlose Netzwerke für den persönlichen Bereich (Wireless Personal Area

Netzwerk, WPAN) haben eine kurze Reichweite (bis zu 10-15 m), implementieren normalerweise Indoor-Kommunikation sowie das Zusammenspiel von Hardware-Gerätekomponenten.

Die allererste Technologie zur Datenübertragung im persönlichen Bereich ist IrDA - eine Datenübertragungstechnik im Infrarotbereich, der IrDA-Standard wurde bereits 1993 entwickelt. Der IrDA-Anschluss ermöglicht die Kommunikation über eine kurze Distanz im Punkt-zu-Punkt-Modus. Der Standard sieht nicht vor, ein lokales Netzwerk basierend auf IR-Strahlung zu erstellen, da Netzwerkschnittstellen komplex sind und eine hohe Leistung erfordern, und hier war das Ziel niedriger Verbrauch und Wirtschaftlichkeit. Die Schnittstelle verwendet einen schmalen Infrarotbereich mit geringem Stromverbrauch, wodurch Sie kostengünstige Geräte erstellen können. Die Hauptnachteile des drahtlosen Informationsaustauschs über Infrarotkanäle sind die mangelnde Mobilität und das Problem von Hindernissen.

Eine modernere Implementierung von WPAN ist das Bluetooth-Protokoll. Um eine drahtlose Verbindung mit dem Bluetooth-Protokoll herzustellen, ist im Gegensatz zur Infrarotkommunikation keine Sichtverbindung zwischen den Geräten erforderlich.

Die Bluetooth-Technologie (IEEE 802.15-Standard) ermöglicht die Daten- und Sprachübertragung über einen Funkkanal über kurze Distanzen (10-100 m) im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband und verbindet PCs, Mobiltelefone und andere Geräte ohne direkte Sichtbarkeit.

Die Bluetooth-Technologie unterstützt sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen. Zwei oder mehr Geräte, die denselben Kanal verwenden, bilden ein Piconet. Eines der Geräte arbeitet als Master (Master) und der Rest - als Slaves (Slave). In einem Piconet können bis zu sieben aktive Slaves vorhanden sein, wobei die verbleibenden Slaves im "geparkten" Zustand mit dem Master synchronisiert bleiben. Interagierende Pikonetze bilden ein „verteiltes Netzwerk“ (Scatternet).

Jedes Piconetz hat nur ein Master-Gerät, aber Slave-Geräte können Teil verschiedener Piconetze sein. Außerdem kann das Hauptgerät eines Piconets ein Slave in einem anderen sein (Abbildung 15).

Reis. 15. Piconet mit Slaves: a) mit einem Slave; b) mit mehreren; c) Verteiltes Netzwerk

Die Bluetooth-Technologie wurde entwickelt, um Kabelverbindungen zwischen Computern, Peripheriegeräten und anderen elektronischen Geräten zu beseitigen. Die Technologie ermöglicht es den Geräten auch zu kommunizieren, sobald sie sich im Versorgungsbereich des anderen befinden, und die Geräte müssen nicht konfiguriert werden – sie sind immer eingeschaltet und arbeiten im Hintergrund. Im Gegensatz zu IrDA können Bluetooth-Geräte Hindernisse überwinden, ohne dass eine Sichtverbindung erforderlich ist. Der Nachteil der Technologie ist die geringe Bandbreite der Funkkanäle, die eine Bereitstellung nicht zulässt große Geschwindigkeit Datenübertragung.

ZigBee ist eine WPAN-Technologie, die auf dem Standard IEEE 802.15.4 basiert. Diese Technologie wurde entwickelt, um eine billigere und weniger energieintensive Lösung als andere WPAN-Technologien, insbesondere Bluetooth, bereitzustellen. Das ZigBee-Protokoll ist für den Einsatz in Datenerfassungs- und Steuerungssystemen vorgesehen. Es hat einen geringen Stromverbrauch, zuverlässige Datenübertragung und Informationsschutz.

ZigBee kann in 15 Millisekunden oder weniger aufwachen (d. h. vom Ruhezustand in den aktiven Zustand wechseln), die Reaktionslatenz des Geräts kann sehr gering sein, insbesondere im Vergleich zu Bluetooth, wo die Latenz vom Ruhezustand bis zum Aufwachen typischerweise bis zu drei Sekunden beträgt. Als

ZigBee schläft die meiste Zeit, der Stromverbrauch kann sehr gering sein, was zu einer langen Batterielebensdauer führt.

Der ZigBee-Standard hat 27 Kanäle in drei Frequenzbändern – 2,4 GHz (16 Kanäle), 915 MHz (10 Kanäle) und 868 MHz (1 Kanal). Die maximale Datenrate für diese Luftbänder beträgt 250 kbps, 40 kbps bzw. 20 kbps.

Die Besonderheit von ZigBee besteht darin, dass es nicht nur einfache Punkt-zu-Punkt- und Sternverbindungen, sondern auch komplexe Netzwerke mit Baum- und Maschentopologien implementieren kann, die das Weiterleiten unterstützen und nach einer effizienten Datenübertragungsroute suchen können. ZigBee-Netzwerke sind selbstorganisierend und selbstheilend.

Die Vorteile der Technologie bestehen darin, dass ZigBee-Geräte zwar keine Datenübertragung über eine Entfernung von mehr als 70-80 Metern ermöglichen können, aber die Kanäle von Wi-Fi- oder Bluetooth-Geräten als Verkehrstunnel verwenden können, wenn sie sich in der Sichtbarkeitszone befinden. Was den Stromverbrauch betrifft, sollte theoretisch eine kleine Batterie ausreichen, um ZigBee-Geräte über Monate oder sogar Jahre am Laufen zu halten.

Weitere Vorteile des Standards sind eine gute Skalierbarkeit, die Fähigkeit zur Selbstheilung bei Ausfällen und eine einfache Konfiguration.

Geringe Bandbreite und geringe Reichweite erlauben keine Verwendung von ZigBee-Netzwerken zum Übertragen von Multimedia-Informationen oder zum Verbinden entfernter Objekte.

Der Standard WEE 802.11 ist der grundlegende Standard zum Aufbau drahtloser lokaler Netzwerke (Wireless Local Network - WLAN). Der IEEE 802.11-Standard hat eine Reihe von Spezifikationen mit Buchstabenindizes a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, 1, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Der Begriff WiFi wurde von der Wi-Fi Alliance geprägt, um sich auf die 802.11b-Produktserie zu beziehen, aber heute gilt er für jeden Standard in der 802.11-Familie. 802.11-Standards verwenden zur Datenübertragung die lizenzfreien Frequenzbänder 2,4 GHz und 5 GHz. Die Kommunikation erfolgt in einem Umkreis von 100-300 Metern von einem Standardzugangspunkt in einem offenen Bereich. Bis heute sind die wichtigsten Standards 802.11a, 802.11b und 802.1 lg sowie das kürzlich zertifizierte 802.1 In. Der 802.1 In-Standard ist für drahtlose Netzwerke mit Datenraten bis zu 600 Mbit/s ausgelegt.

Zu den Vorteilen von 802.1 In gehören:

• - Steigerung des Durchsatzes drahtloser WiFi-Netzwerke um das bis zu Zehnfache, insbesondere im 5-GHz-Band;
• - Erhöhung der Tragfähigkeit;
• - Erweiterung des Abdeckungsbereichs durch ein effizienteres Antennensystem;
• - Möglichkeit der schrittweisen Aufrüstung bestehender Funknetze auf das Niveau von 802.1 In bei gleichzeitigem Betrieb von 802.11 a/b/g/n Geräten in der Übergangsphase.

Nachteile von 802.1 In:

• - ein außergewöhnlich breitbandiges Signal kann andere drahtlose Geräte stören - insbesondere im überlasteten 2,4-GHz-Band;
• - die Komplikation von Antennensystemen führt zu einer Vergrößerung der Abmessungen der Geräte;
• - Eine Erhöhung der Anzahl von Sendern führt zu einer Verringerung der Batterielebensdauer von tragbaren Geräten.
• - Eine signifikante Leistungssteigerung von Funknetzen ist nur im 5-GHz-Band verfügbar.

Alle 802.11-Standards sehen drei Arten der drahtlosen Netzwerkorganisation vor (Abbildung 16):

• - Peer-to-Peer-Modus ("Punkt-zu-Punkt") oder IBSS-Modus (Independent Basic Service Set);
• - Access Point-Modus (Zugangspunkt) oder BSS-Modus (Basic Service Set);
• - ESS-Modus (Extended Service Set), vereint BSS-Netzwerke.

Die Entwicklung von Wi-Fi-Protokollen geht in mehrere Richtungen. IN

In naher Zukunft wird nicht nur der Durchsatz erhöht (Standard 802.1 In), sondern auch die Protokolle, die die Mechanismen zur Umsetzung von Qualität (Quality of Service, QoS), erhöhter Sicherheit usw. festlegen, werden verbessert.

Bis vor kurzem gab es für städtische Funknetze keinen Standard, und jeder Hersteller bot seine eigene Datenübertragungstechnik an. Derzeit beginnt die WiMAX-Technologie (Worldwide Interoperability for Microwave Access) auf der Grundlage des Standards IEEE 802.16-2004 eine Schlüsselrolle bei der Schaffung von drahtlosen MAN-Netzwerken zu spielen. Basierend auf WiMAX ist es möglich, eine alternative drahtlose Lösung für das Last-Mile-Problem für Breitband-Internetverbindungen zu implementieren.

Die ursprüngliche Version des 802.16-Standards arbeitete im 10-66-GHz-Frequenzband und stellte eine Verbindung nur innerhalb der Sichtlinie bereit. Die Erweiterung des 802.16a-Standards arbeitet bei niedrigeren Frequenzen von 2–11 GHz, die Reichweite beträgt bis zu 50 km, erweiterte Out-of-Sicht-Fähigkeiten verbessern die Qualität der Abdeckung des versorgten Bereichs, die maximale Datenübertragungsrate pro Sektor der Basisstation: bis zu 70 Mbit/s.

Reis. 16.

Da WiMAX als Standard für den drahtlosen Breitbandzugang (Broadband Wireless Access, BWA) verwendet wird, wird die WiMAX-Technologie auch als BWA 802.16 bezeichnet.

Im Moment ist es relevant, die Möglichkeit zu entwickeln, Roaming zwischen verschiedenen Basisstationen zu organisieren.

• 802.16, um diese Verbindung mit einer mobilen Verbindung zu verbinden. Es gibt bereits eine spezielle 802.16e-Gruppe, die sich der Organisation von Roaming zwischen verschiedenen Netzwerken widmet, sodass ein Gerät von einem drahtlosen 802.1lb-Netzwerk zu einem 802.16-Netzwerk oder sogar von einem kabelgebundenen 802.11-Netzwerk wechseln kann
• 802.16.

Der Platz der WiMAX-Technologie in der allgemeinen Struktur von Datenübertragungsnetzen wird in Abbildung 17 gut veranschaulicht.

Reis. 17.

Mobilfunkstandards im Zusammenhang mit WWAN werden normalerweise in Generationen unterteilt: 1G, 2G, 3G usw. Die Standards der ersten Generation (1G) waren analog, und der erste revolutionäre Sprung wurde während des Übergangs zu digitalen Standards der zweiten Generation gemacht, zwischen denen zwei Hauptrichtungen unterschieden werden sollten - TDMA und CDMA.

In Bezug auf die zweite Generation ist zunächst GSM (Global Standard for Mobile Communications) zu erwähnen - der globale Standard für die mobile zellulare Kommunikation mit Kanalteilung nach dem TDMA-Prinzip (Time Division Multiple Access), das Mehrfachzugriff impliziert mit Zeitteilung. Bei dieser Art der Nutzung von Funkfrequenzen befinden sich mehrere Teilnehmer in einem Frequenzschlitz und unterschiedliche Teilnehmer verwenden unterschiedliche Zeitschlitze zur Übertragung. Einer der Hauptnachteile solcher Netzwerke ist die niedrige Übertragungsrate (9600 bps).

Mit dem Übergang zur Nutzung der GPRS-Technologie (General Packet Radio Service - Paketdatenübertragung über Funknetze) haben sich die Möglichkeiten des mobilen Internetzugangs erheblich erweitert. Die durchschnittliche Datenübertragungsrate bei Verwendung von GPRS beträgt ca. 48 kbps. GPRS eignet sich für Anwendungen, die auf dem Protokoll (Wireless Application Protocol - WAP) basieren.

Nachdem sie sich in der Phase der zweiten Generation verzweigt haben, sind zellulare Kommunikationstechnologien zu einem einzigen WCDMA-Protokoll gekommen, dem Standard der dritten Generation, der UMTS-Netzwerken (Universal Mobile Telecommunications System) zugrunde liegt.

UMTS ist in der Lage, Datenraten von 2 Mbit/s bereitzustellen, dies ist jedoch nur für einen stationären Benutzer möglich. Fußgänger können Daten mit 384 Kbps austauschen, Nutzer in fahrenden Fahrzeugen mit 144 Kbps.

Der Hauptunterschied zwischen WCDMA und GSM besteht darin, dass der Standard breite Frequenzbänder verwendet, in denen ein rauschartiger Code übertragen wird, der Daten für alle Teilnehmer enthält.

4.3 Entwicklung eines Blockdiagramms eines intelligenten Systems zur (drahtlosen) Fernüberwachung und -steuerung eines Getreidespeicherprototyps mit innovativen horizontalen Silos

Das Blockdiagramm eines intelligenten (drahtlosen) Fernüberwachungssystems zur Überwachung und Steuerung des technologischen Prozesses der Getreidelagerung in einem Getreidespeicher mit horizontalen Silos eines innovativen Typs ist in Abbildung 18 dargestellt. Sensor 1 - Sensor N Messsensoren sammeln Informationen über den Zustand von der technologische Prozess und technologische Ausstattung. Daten von Sensoren, die über analoge und digitale Schnittstellen kommen, werden je nach Art des Primärwandlers von der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) PLC160 des Herstellers OWEN ausgewertet. Die Auswahl dieses Controllertyps erfolgte unter Berücksichtigung der erforderlichen Rechenleistung, der Verfügbarkeit einer ausreichenden Anzahl und Art von Schnittstellen sowie der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit.

Basierend auf der Analyse von Daten von Sensoren gemäß dem entwickelten Algorithmus generiert die SPS Regulierungs- und Steuersignale an die Aktoren von Gerät 1 bis Gerät N, um den Prozess innerhalb der festgelegten Normen zu halten und auf kritische (Notfall-) Zustände von erkannten Prozessanlagen zu reagieren das Diagnosesystem.

Zur Fernsteuerung des Getreidespeichers nutzt das System eine Datennetzarchitektur mit Internetzugang nach 3G-Standard. Dieser Standard wurde aufgrund des am weitesten entwickelten Abdeckungsnetzes sowohl in der Region Nordkasachstan als auch in Kasachstan insgesamt ausgewählt.

Das Datennetzwerkmanagement wird auf dem Router tp-link wrl043nd mit einem vorinstallierten OpenWRT-Distributionskit auf dem GNU/Linux-Kernel implementiert. Auf diese Weise können Sie ein System zur Lösung einer bestimmten Aufgabe der Überwachung und Verwaltung eines Getreidespeichers erstellen.

Bild. 18. Strukturdiagramm eines intelligenten Systems zur Fernüberwachung und -steuerung des Getreidespeicherprozesses in einem Getreidespeicher mit horizontalen Silos eines innovativen Typs

Insbesondere implementiert das System die Videoüberwachung eines Objekts mit IP-Kameras Bewegungserkennung / IP-Kamera 1 - IP-Kamera N. Dazu verwendet OpenWRT die Motion-Software, ein leistungsstarkes kostenloses Programm zur Erkennung von Bewegungen auf einer Kamera. Mit dieser Software können Sie Bewegungen im Rahmen verfolgen und, wenn sie erkannt werden, die Aufzeichnung in den Netzwerkspeicher der Datenbank starten oder Bilder des erkannten Objekts über das Internet senden.

Der Zugriff auf die SPS wird über das Modbus-Protokoll organisiert, ein offenes Kommunikationsprotokoll, das auf einer Master-Slave-Architektur basiert. Verwendet für die Datenübertragung über serielle Kommunikationsleitungen RS-485, RS-422, RS-232. Die Methode zur Implementierung des Modbus-RTU-Protokolls erfolgt über ein Shell-Skript und eine Bindung in Form eines js-Codes.

Außerdem wird über das Ethernet-Netzwerk und die Webkameras Photogrammetrie / IP-Kamera 1 - IP-Kamera N ein System berührungsloser Messungen auf der Grundlage photogrammetrischer Methoden implementiert.

Die aktuellen Überwachungsdaten werden in diskreten Intervallen an einen entfernten Server im Internet übertragen, wo sie in einer Datenbank gesammelt werden und dem Benutzer zur Ansicht und Überwachung zur Verfügung stehen. Im Falle einer kritischen Situation (Verletzung Fertigungsprozess, ausgelöster Alarm usw.) Alarmdaten werden dem Benutzer in Form von Push-Benachrichtigungen zugestellt.

In unmittelbarer Nähe des Objekts erhält der Benutzer über eine drahtlose Wi-Fi-Verbindung Zugriff auf die gesammelten Daten und Getreidespeicherverwaltungssysteme. Dazu wird auf Basis des OpenWRT-Kernels ein Lighttpd- und PHP5-Webserver mit SQLite3-Datenbanken eingesetzt.

Um die Vertraulichkeit von Daten zu wahren und unbefugten Zugriff darauf zu verhindern WiFi-Netzwerke Sie müssen den modernen AES/CCMP-Verschlüsselungsalgorithmus verwenden – einen Algorithmus, der auf AES256 basiert zusätzliche Kontrollen und Schutz. Darüber hinaus wird bei der Arbeit mit dem Internet die Verwendung des HTTPS-Protokolls bereitgestellt - eine Erweiterung des HTTP-Protokolls, die die Verschlüsselung unterstützt. Die Daten werden im SSL- oder TLS-Verschlüsselungsprotokoll „verpackt“.

Ein im Internet gehosteter Remote-Server kontrolliert den Datenempfang in fest definierten Intervallen, und wenn nach einer bestimmten Zeit keine Daten empfangen werden, generiert der Server eine Alarm-Push-Benachrichtigung für den Client. Somit ist die Kontrolle über die Funktionsfähigkeit des Sicherheitssystems und die Stromversorgung der Anlage gewährleistet.

Schlussfolgerungen für den vierten Abschnitt:

• 1. Aufgrund der Überprüfung sind wir zu dem Schluss gekommen, dass es sinnvoll ist, drahtlose Technologien bei der Entwicklung und Implementierung intelligenter Fernüberwachungs- und -steuerungssysteme in Agrarunternehmen einzusetzen und insbesondere die Technologie der Getreidelagerung in Getreidespeichern zu verbessern innovative Horizontalsilos.
• 2. Im Laufe der Forschung wurde ein Blockdiagramm eines intelligenten Systems zur Fernüberwachung und -steuerung des Getreidespeicherprozesses in einem Getreidespeicher mit horizontalen Silos eines innovativen Typs entwickelt. Die Beschreibung des Blockdiagramms enthält spezifische technische Lösungen und Empfehlungen für den Einsatz von drahtlosen Technologien. Die funktionalen Aufgaben der Hauptknoten des intellektuellen Systems werden bestimmt.

Elektronik liegt fast jeder Kommunikation zugrunde. Begonnen hat alles mit der Erfindung des Telegrafen im Jahr 1845, gefolgt vom Telefon im Jahr 1876. Die Kommunikation wurde ständig verbessert, und die Fortschritte in der Elektronik, die erst in jüngster Zeit stattgefunden haben, haben eine neue Stufe in der Entwicklung der Kommunikation geschaffen. Heute hat die drahtlose Kommunikation ein neues Niveau erreicht und besetzt selbstbewusst den dominierenden Teil des Kommunikationsmarktes. Und neues Wachstum im Bereich der drahtlosen Kommunikation wird sowohl aufgrund der sich entwickelnden Mobilfunkinfrastruktur als auch erwartet moderne Technologien, wie zum Beispiel . In diesem Artikel betrachten wir die vielversprechendsten Technologien für die nahe Zukunft.

4G-Zustand

4G bedeutet auf Englisch Long Term Evolution (LTE). LTE ist eine OFDM-Technologie, die heute die dominierende Struktur des zellularen Kommunikationssystems darstellt. 2G- und 3G-Systeme existieren noch, obwohl die Einführung von 4G 2011 - 2012 begann. Heute ist LTE hauptsächlich von den größten Carriern in den USA, Asien und Europa implementiert, und der Rollout ist noch nicht abgeschlossen. schnelle Geschwindigkeit Datenübertragung hat Möglichkeiten wie Video-Streaming für eine effiziente Filmbetrachtung eröffnet. Allerdings ist nicht alles so perfekt.

Obwohl LTE Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s versprach, wurde dies in der Praxis nicht erreicht. Geschwindigkeiten von bis zu 40 oder 50 Mbit/s können erreicht werden, aber nur mit spezielle Bedingungen. Mit einer minimalen Anzahl von Verbindungen und minimalem Datenverkehr können solche Geschwindigkeiten nur sehr selten erreicht werden. Die wahrscheinlichsten Datenraten liegen im Bereich von 10 – 15 Mbps. Zu Stoßzeiten sackt die Geschwindigkeit auf wenige Mbit/s ab. Dies macht die Implementierung von 4G natürlich nicht zu einem Fehlschlag, sondern bedeutet, dass sein Potenzial bisher nicht voll ausgeschöpft wurde.

Einer der Gründe, warum 4G nicht die angegebene Geschwindigkeit bietet, ist, dass es zu viele Verbraucher gibt. Bei zu intensiver Nutzung wird die Datenübertragungsgeschwindigkeit deutlich reduziert.

Es besteht jedoch Hoffnung, dass dies korrigiert werden kann. Die meisten Netzbetreiber, die 4G-Dienste anbieten, müssen noch LTE-Advanced implementieren, eine Erweiterung, die eine Verbesserung der Datenübertragungsgeschwindigkeit verspricht. LTE-Advanced verwendet Carrier Aggregation (CA), um die Geschwindigkeit zu erhöhen. „Trägerbündelung“ bezieht sich auf das Kombinieren einer Standard-LTE-Bandbreite von bis zu 20 MHz in 40-MHz-, 80-MHz- oder 100-MHz-Teile, um den Durchsatz zu erhöhen. LTE-Advanced hat auch eine MIMO-Konfiguration von 8 x 8. Die Unterstützung dieser Funktion eröffnet das Potenzial, die Datenraten auf bis zu 1 Gbit/s zu erhöhen.

LTE-CA ist auch als LTE-Advanced Pro oder 4.5G LTE bekannt. Diese Kombinationen von Technologien werden von der 3GPP-Standardentwicklungsgruppe in Version 13 definiert. Sie umfassen Carrier Aggregation sowie Licensed Assisted Access (LAA), eine Technik, die LTE im unlizenzierten 5-GHz-WLAN-Spektrum verwendet. Es setzt auch LTE-Wi-Fi (LWA) Link Aggregation und duale Konnektivität ein, sodass ein Smartphone gleichzeitig sowohl mit einem kleinen Hotspot-Knoten als auch mit einem Wi-Fi-Hotspot „sprechen“ kann. Es gibt zu viele Details in dieser Implementierung, auf die wir nicht eingehen werden, aber das Gesamtziel besteht darin, die Lebensdauer von LTE zu verlängern, indem die Latenz verringert und die Datenraten auf 1 Gbit/s erhöht werden.

Aber das ist nicht alles. LTE wird in der Lage sein, eine höhere Leistung zu liefern, wenn Netzbetreiber beginnen, ihre Strategie mit kleinen Zellen zu vereinfachen und schnellere Datenraten für mehr Abonnenten bereitzustellen. Kleine Zellen sind einfach Miniatur-Mobilfunkbasisstationen, die überall installiert werden können, um Lücken in der Makrozellenabdeckung zu schließen und bei Bedarf Leistung hinzuzufügen.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Produktivität ist die Verwendung von Wi-Fi. Diese Methode gewährleistet schnelle Downloads zum nächstgelegenen WLAN-Hotspot, sofern verfügbar. Nur wenige Netzbetreiber haben es verfügbar gemacht, aber die meisten suchen nach einer Erweiterung von LTE namens LTE-U (U für nicht lizenziert). Dies ist eine ähnliche Methode wie LAA, die das nicht lizenzierte 5-GHz-Band für schnelle Downloads verwendet, wenn das Netzwerk die Last nicht bewältigen kann. Dadurch entsteht ein Frequenzkonflikt mit letzterem, das das 5-GHz-Band nutzt. Bestimmte Kompromisse wurden entwickelt, um dies zu implementieren.

Wie wir sehen können, ist das Potenzial von 4G noch nicht vollständig erschlossen. Alle oder die meisten dieser Verbesserungen werden in den kommenden Jahren implementiert. Es ist erwähnenswert, dass Smartphone-Hersteller auch Hardware- oder Softwareänderungen vornehmen werden, um die LTE-Leistung zu verbessern. Diese Verbesserungen werden wahrscheinlich eintreten, wenn die Masseneinführung des 5G-Standards beginnt.

Entdeckung von 5G

5G gibt es noch nicht. Daher ist es noch zu früh, um eine lautstarke Aussage über „einen völlig neuen Standard zu machen, der die Herangehensweise an die drahtlose Informationsübertragung verändern kann“. Allerdings streiten einige Internetanbieter bereits darüber, wer als erster den 5G-Standard umsetzt. Aber es lohnt sich, an den Streit der letzten Jahre um 4G zu erinnern. Schließlich gibt es noch kein echtes 4G (LTE-A). Die Arbeit an 5G ist jedoch in vollem Gange.

Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) arbeitet am 5G-Standard, dessen Einführung in den kommenden Jahren erwartet wird. Die International Telecommunication Union (ITU), die den Standard "segnen" und verwalten wird, sagt, dass 5G bis 2020 endlich verfügbar sein soll. Einige frühe Versionen des 5G-Standards werden jedoch noch in erscheinen Wettbewerb Anbieter. Einige 5G-Anforderungen werden bereits 2017-2018 in der einen oder anderen Form erscheinen. Die vollständige Implementierung von 5G wird keine leichte Aufgabe sein. Ein solches System wäre eines der komplexesten, wenn nicht sogar das komplexeste der drahtlosen Netzwerke. Der vollständige Einsatz wird bis 2022 erwartet.

Der Grundgedanke hinter 5G besteht darin, die Einschränkungen von 4G zu überwinden und Möglichkeiten für neue Anwendungen zu schaffen. Die Einschränkungen von 4G sind hauptsächlich die Abonnentenbandbreite und begrenzte Datenraten. Mobilfunknetze haben sich bereits von der Sprachtechnologie auf Rechenzentren verlagert, aber in Zukunft sind weitere Leistungsverbesserungen erforderlich.

Darüber hinaus wird ein Boom bei neuen Anwendungen erwartet. Dazu gehören HD-4K-Video, Virtual Reality, das Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine (M2M)-Architekturen. Viele sagen immer noch voraus, dass zwischen 20 und 50 Milliarden Geräte online sind, von denen viele sich über Mobilfunk mit dem Internet verbinden werden. Während die meisten IoT- und M2M-Geräte mit niedrigen Datenraten arbeiten, erfordert das Streamen von Daten (Video) hohe Internetgeschwindigkeiten. Weitere potenzielle Anwendungen, die den 5G-Standard nutzen werden, sind Smart Cities und Kommunikation für die Sicherheit im Straßenverkehr.

5G dürfte eher revolutionär als evolutionär sein. Dies beinhaltet die Schaffung einer neuen Netzwerkarchitektur, die das 4G-Netzwerk überlagert. Das neue Netzwerk wird verteilte kleine Zellen mit Glasfaser- oder Millimeter-Rückweg verwenden und wird kostengünstig, nichtflüchtig und leicht skalierbar sein. Darüber hinaus werden 5G-Netze mehr Software als Hardware haben. Auch Methoden des Programmatic Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV), Self-Organizing Network (SON) kommen zum Einsatz.

Es gibt auch ein paar andere Schlüsselfunktionen:

• Die Verwendung von Millimeterwellen. Die ersten Versionen von 5G können das 3,5-GHz- und das 5-GHz-Band verwenden. Frequenzoptionen von 14 GHz bis 79 GHz werden ebenfalls in Betracht gezogen. Die endgültige Version wurde noch nicht ausgewählt, aber die FCC sagt, dass die Auswahl in naher Zukunft erfolgen wird. Getestet wird bei Frequenzen von 24, 28, 37 und 73 GHz.
• Neue Modulationsschemata werden berücksichtigt. Die meisten von ihnen sind eine Variante von OFDM. Für unterschiedliche Anwendungen können im Standard zwei oder mehr Schemata definiert werden.
• Multiple Input Multiple Output (MIMO) wird in irgendeiner Form für erweiterte Reichweite, Datenrate und Verbindungszuverlässigkeit enthalten sein.
• Die Antennen werden Phased Arrays mit adaptiver Strahlformung und Lenkung sein.
• Niedrigere Latenz - Das Hauptziel. Weniger als 5 ms sind spezifiziert, aber weniger als 1 ms ist das Ziel.
• Datenraten von 1 Gbit/s bis 10 Gbit/s werden in Bandbreiten von 500 MHz oder 1 GHz erwartet.
• Chips werden aus Galliumarsenid, Siliziumgermanium und einigen CMOS hergestellt.

Eine der größten Herausforderungen bei der Einführung von 5G wird voraussichtlich die Integration des Standards in Mobiltelefone sein. Moderne Smartphones sind bereits vollgestopft mit diversen Sendern und Empfängern, mit 5G wird es noch schwieriger. Ist eine solche Integration notwendig?

Wi-Fi-Entwicklungspfad

Zusammen mit Mobilfunk ist eines der beliebtesten drahtlosen Netzwerke - Wi-Fi. Wie , ist Wi-Fi eines unserer bevorzugten "Dienstprogramme". Wir gehen davon aus, dass wir fast überall mit einem Wi-Fi-Netzwerk verbunden sind, und in den meisten Fällen erhalten wir Zugriff. Wie die meisten gängigen drahtlosen Technologien wird sie ständig weiterentwickelt. Die neueste veröffentlichte Version heißt 802.11ac und bietet Geschwindigkeiten von bis zu 1,3 Gbit/s im nicht lizenzierten 5-GHz-Band. Anwendungen werden auch für den 802.11ad-Ultrahochfrequenzstandard 60 GHz (57-64 GHz) gesucht. Es ist eine bewährte und kostengünstige Technologie, aber wer braucht Geschwindigkeiten von 3 bis 7 Gbit/s bei Entfernungen von bis zu 10 Metern?

Derzeit gibt es mehrere Projekte zur Entwicklung des 802.11-Standards. Hier sind einige der wichtigsten:

• 11af ist die Version von Wi-Fi in den weißen Bändern des TV-Bands (54 bis 695 MHz). Daten werden in lokalen 6- (oder 8) MHz-Bandbreiten übertragen, die nicht ausgelastet sind. Datenraten bis zu 26 Mbit/s sind möglich. Es wird manchmal als White-Fi bezeichnet, und die Hauptattraktion von 11af ist, dass die mögliche Reichweite bei niedrigen Frequenzen viele Kilometer beträgt und es keine Sichtverbindung (NLOS) gibt (Betrieb nur in offenen Gebieten). Diese Wi-Fi-Version wird noch nicht verwendet, hat aber Potenzial für IoT-Anwendungen.
• 11ah – mit der Bezeichnung HaLow – ist eine weitere Wi-Fi-Variante, die das unlizenzierte 902-928-MHz-ISM-Band verwendet. Es handelt sich um einen Dienst mit geringer Leistung und niedriger Rate (Hunderte von kbit/s) mit einer Reichweite von bis zu einem Kilometer. Ziel ist die Anwendung im IoT.
• 11ax - 11ax ist ein Upgrade auf 11ac. Es kann auf den 2,4- und 5-GHz-Bändern verwendet werden, wird aber höchstwahrscheinlich nur auf dem 5-GHz-Band arbeiten, um die 80- oder 160-MHz-Bandbreite zu nutzen. Neben 4 x 4 MIMO und OFDA/OFDMA werden Spitzendatenraten von bis zu 10 Gb/s erwartet. Die endgültige Ratifizierung wird erst 2019 erfolgen, obwohl die Vorabversionen voraussichtlich vollständig sein werden.
• 11ay ist eine Erweiterung des 11ad-Standards. Es wird das 60-GHz-Frequenzband verwendet und das Ziel ist eine Datenrate von mindestens 20 Gbit / s. Ein weiteres Ziel ist es, die Reichweite auf 100 Meter zu erweitern, um mehr Anwendungen wie den Rückverkehr für andere Dienste zu haben. Dieser Standard wird voraussichtlich nicht im Jahr 2017 veröffentlicht.

Drahtlose Netzwerke für IoT und M2M

Wireless ist definitiv die Zukunft des Internet of Things (IoT) und Machine-to-Machine (M2M). Kabelgebundene Lösungen sind zwar auch nicht ausgeschlossen, aber der Wunsch nach Funk ist dennoch vorzuziehen.

Typisch für IoT-Geräte sind kurze Reichweite, geringer Stromverbrauch, niedrige Datenübertragungsrate, batteriebetrieben oder batteriebetrieben mit einem Sensor, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eine Alternative könnte eine Art Fernauslöser sein, wie in der Abbildung unten gezeigt:

Oder eine Kombination aus beidem ist möglich. Beide verbinden sich normalerweise über ein drahtloses Gateway mit dem Internet, können sich aber auch über ein Smartphone verbinden. Die Verbindung zum Gateway erfolgt ebenfalls drahtlos. Die Frage ist, welcher Funkstandard verwendet wird?

Wi-Fi wird zur offensichtlichen Wahl, da es schwer ist, sich einen Ort ohne es vorzustellen. Aber für einige Anwendungen wird es überflüssig sein, und für einige wird es zu energieintensiv sein. Bluetooth ist eine weitere gute Option, insbesondere die BLE-Version (Low Energy). Neue Ergänzungen zum Bluetooth-Netzwerk und -Gateway machen es noch attraktiver. ZigBee ist eine weitere bereite und wartende Alternative, und vergessen wir nicht Z-Wave. Es gibt auch mehrere Varianten von 802.15.4, wie z. B. 6LoWPAN.

Hinzu kommen die neuesten Optionen, die Teil energieeffizienter Weitverkehrsnetze (Low Power Wide Area Networks (LPWAN)) sind. Diese neuen drahtlosen Optionen bieten Netzwerkverbindungen mit größerer Reichweite, die mit den oben erwähnten herkömmlichen Technologien normalerweise nicht möglich sind. Die meisten von ihnen arbeiten im nicht lizenzierten Spektrum unterhalb von 1 GHz. Einige der neuesten Wettbewerber für IoT-Anwendungen sind:

• LoRa ist eine Semtech-Erfindung und wird von Link Labs gewartet. Diese Technologie verwendet eine lineare Frequenzmodulation (Chirp) bei einer niedrigen Datenrate, um eine Reichweite von bis zu 2-15 km zu erreichen.
• Sigfox ist eine französische Entwicklung, die ein ultraschmalbandiges Modulationsschema mit niedriger Datenrate verwendet, um Kurznachrichten zu senden.
• Schwerelos – Verwendet Fernsehleerzeichen mit kognitiven Funktechniken für größere Reichweiten und Datenraten von bis zu 16 Mbit/s.
• Nwave ähnelt Sigfox, aber wir konnten im Moment nicht genügend Informationen sammeln.
• Ingenu - im Gegensatz zu anderen verwendet dieser das 2,4-GHz-Band und ein einzigartiges Random-Phase-Multiple-Access-Schema.
• Halow ist 802.11ah Wi-Fi, oben beschrieben.
• White-Fi ist 802.11af, oben beschrieben.

Mobilfunk ist definitiv eine Alternative zum IoT, da es seit über 10 Jahren das Rückgrat der Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation ist. Die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation verwendet hauptsächlich drahtlose 2G- und 3G-Module, um entfernte Maschinen zu überwachen. Während 2G (GSM) irgendwann auslaufen wird, wird 3G immer noch am Leben sein.

Ab sofort ist ein neuer Standard verfügbar: LTE. Konkret heißt es LTE-M und verwendet eine verkürzte Version von LTE in einer Bandbreite von 1,4 MHz. Eine andere Version von NB-LTE-M verwendet eine Bandbreite von 200 kHz, um mit einer niedrigeren Geschwindigkeit zu arbeiten. Alle diese Optionen können vorhandene LTE-Netze mit aktualisierter Software nutzen. Module und Chips für LTE-M sind bereits verfügbar, wie sie auf den Geräten von Sequans Communications zu finden sind.

Eines der größten Probleme beim Internet der Dinge ist das Fehlen eines einheitlichen Standards. Und in naher Zukunft wird er höchstwahrscheinlich nicht erscheinen. Vielleicht wird es in Zukunft mehrere Standards geben, nur wie bald?