Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

Лекция13. Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

1. Инфракрасный интерфейс IrDA

2. Радиоинтерфейс Bluetooth

1. Инфракрасный интерфейс IrDA

Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от свя­зывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малога­баритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспровод­ных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов перифе­рийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локаль­ным сетям.

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позво­ляет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (InfraRed) Connection — безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспе­чивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэто­му зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым простран­ством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных ком­пьютеров со стационарными компьютерами или ПУ. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современ­ные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные те­лефоны, цифровые фотокамеры и т. п.

Различают инфракрасные системы:

- низкой (до 115,2 Кбит/с)

- средней (1,152 Мбит/с)

- высокой (4 Мбит/с) скорости.

Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями.

Высокоскоростные — для обмена файлами между ком­пьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекцион­ный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позво­лят передавать «живое видео».

В 1993, году создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призван­ная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и Sharp - ASKIR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обес­печивают следующие скорости передачи:

·   IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;

·   в IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra Red) - 0,576 и 1,152 Мбит/с;

·   IrDA FIR (Fast Infra .Red) - 4 Мбит/с;

·   ASKIR - 9,6-57,6 Кбит/с.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм. Светодиод дает конус эффективного излуче­ния с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффектив­но принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требо­вания к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для при­емника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком боль­шая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в не­различимый сигнал.

Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют поме­хи: засветка солнечным освещением или лампами накаливания, дающая посто­янную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи прихо­дится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 10⁹ при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность — до 10 клюкс).

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, кото­рую рассмотрим снизу вверх.

Ниже перечислены возможные варианты IrDA на физическом уровне.

·   IrDA SIR — для скоростей 2,4-115,2 Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как в СОМ-портах): старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение бита кодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс на скорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-A). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 преду­смотрен и иной режим — IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс для всех этих скоростей.

·   ASK IR — для скоростей 9,6-57,6 Кбит/с также используется асинхрон­ный режим, но кодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой им­пульсов с частотой 500 кГц, единичный — отсутствием импульсов.

·   IrDA HDLC — для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхрон­ный режим передачи и кодирование, аналогичное SIR, но с длительностью импульса 1/4 битового-интервала. Формат кадра соответствует протоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадра эта битовая последовательность исключается с помощью вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.

·   IrDA FIR (IrDA4PPM) — для скорости 4 Мбит/с также применяется синх­ронный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 00 — 1000, 01 — 0100, 10 — 0010, 11 — 0001 (в четверках символов единица означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодирования позволяет вдвое снизить частоту включения светодиода по сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов, облегчает адаптацию к уровню внешней засвет­ки. Для повышения достоверности применяется 32-битный CRC-код.

Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-связи. Он преобразует данные в кадры и предотвращает конфликты устройств; при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга, одно из них назнача­ется первичным, а остальные — вторичными. Связь всегда полудуплексная. IrLAP описывает процедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соеди­нение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обмена по максиму из доступных обоим (9,6, 19,2, 38,4, 57,6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним веду­щим устройством).

Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLMP (IrDA Infrared Link Management Protocol). С его помощью устройство сообщает осталь­ным о своем присутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточно поднести новое устрой­ство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLMP могут узнать, присутствует ли требуемое им ус­тройство в зоне охвата. Однако гарантированной доставки данных этот прото­кол не обеспечивает.

Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP (IrDA Transport Protocols) — здесь обслуживаются виртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянные пакеты, ошибки данных и т. п.), произ­водится упаковка данных в пакеты и сборка исходных данных из пакетов (про­токол напоминает TCP). На транспортном уровне может работать и протокол IrTP.

Протокол IrCOMM позволяет через ИК-связь эмулировать обычное провод­ное подключение:

·   3-проводное по RS-232C (TXD, RXD и GND);

·   9-проводное по RS-232C (весь набор сигналов СОМ-порта);

·   Centronics (эмуляция параллельного интерфейса).

Протокол IrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям; он позволяет пере­давать кадры сетей Ethernet и Token Ring. Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство-провайдер с интерфейсом IrDA, подключенное обыч­ным (проводным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).

Протокол объектного обмена IrOBEX (Object Exchange Protocol) — простой протокол, определяющий команды PUT и GET для обмена «полезными» двоичны­ми данными между устройствами. Этот протокол располагается над протоколом Tiny ТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильных коммуникаций, определяющее передачу информации, относящуюся к сетям GSM (записная книжка, календарь, управление вызовом, цифровая передача голоса и т. п.), меж­ду телефоном и компьютерами разных размеров (от настольного до PDA).

Этими протоколами не исчерпывается весь список протоколов, имеющих от­ношение к ИК-связи. Заметим, что для дистанционного управления бытовой тех­никой (телевизоры, видеомагнитофоны и т. п.) используется то же 880-нм диа­пазон, но иные частоты и методы физического кодирования.

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различны­ми способами; по отношению к системному блоку он может быть как внут­ренним (размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зре­ния» (30° у передатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого уст­ройства (до 1 м).

Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2 Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В ряде современных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2, Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракрасной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствую­щий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программ­ный обмен (PIO) или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычная микросхема UART непригодна, поскольку она не поддерживает синх­ронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системную плату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.

Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connector системной платы, напрямую (если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточный разъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке на зад­ней стенке корпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем кон­некторе нет, и для большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжают кабелем с отдельными контактами разъема.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адап­тера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов.

В ОС Windows 9x/ME/2000 контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет

- устанавливать соединение с локальной се­тью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов);

- передавать фай­лы между парой компьютеров;

- выводить данные на печать;

- синхронизировать данные PDA, мобильного телефона и настольного компьютера;

- выгружать от­снятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других по­лезных действий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

2. Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радио­связи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными теле­фонами и любыми другими портативными устройствами.

Разработкой специфи­кации занимается труппа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, ком­пьютеров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вы­вела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.blueto6th.com), правда, весьма объемиста (около 15 Мбайт PDF-фай-лов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распрост­ранению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволим себе сократить название технологии до «ВТ» (это неофициальное сокращение). Само название берет начало от прозвища датского короля, объединившего Данию и Норвегию, — это намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для про­мышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F = 2402 + k (МГц), где k - 0,...,78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные), возможен сокращенный ва­риант с F = 2454 + k (k = 0,...,22). Кодирование простое — логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Пере­датчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100. МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью эко­номии энергии.

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на дру­гой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физичес­кий канал связи представляется определенной псевдослучайной последователь­ностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот).

Группа уст­ройств, разделяющих один, канал (то есть знающих одну и ту же последова­тельность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств.

В каждой, пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего уст­ройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный).

Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную»» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройство работает в одной пикосети, часть в другой). Более того, мастер одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосе­ти никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последо­вательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последователь­но нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной час­тоте несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяется адресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-сло­тов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то есть несколько пе­рескоков пропускаются). Мастер и ведомые устройства ведут передачу пооче­редно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физичес­кие связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронно­го графика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройства­ми, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повтор­ных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое уст­ройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO от­носятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер мо­жет связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа.