Стандарты беспроводной связи диапазона ISM

Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (industrial, scientific and medical), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами:

• желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния;
• выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM;
• появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM.

 

В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.

– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;

– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;

– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.

Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.

Диапазон ISM

Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISM-диапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе — Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). В таблице 1 представлена классификация устройств, функционирующих в ISM-диапазоне, предложенная FCC и ETSI.

Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот.

2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы.

В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee, а также микроволновые печи. Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS).  Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности.

 

Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки: рабочий цикл в этой полосе частот ограничен;

Невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами;
Ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.

 

Стандарты ISM-диапазона

За последние несколько лет появилось несколько беспроводных стандартов, работающих в ISM-диапазоне. Эти стандарты вместе с патентованными решениями компаний обеспечивают широкие возможности для разработки разнообразных беспроводных продуктов. Стандарты ISM-диапазона отличаются скоростью передачи данных, дальностью связи, областью применения, а также используемым способом модуляции. На рисунке 1 представлены некоторые беспроводные стандарты ISM-диапазона в зависимости от дальности действия и скорости передачи. Среди беспроводных стандартов Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee и IEEE 802.15.4 можно рассматривать как наиболее широко распространенные сегодня. Большинство этих стандартов работает в 2,4-ГГц диапазоне.

 

Эта технология базируется на стандарте IEEE 802.15.1. Bluetooth, который позволяет устройствам устанавливать связь в диапазоне частот 2,4…2,4835 ГГц. Bluetooth позволяет таким устройствам как мобильные телефоны, КПК, принтеры, лэптопы и наушники обмениваться данными, когда они находятся в радиусе до 10…100 м друг от друга (дальность в большой мере зависит от наличия преград и помех). Эта технология использует частотную модуляцию с гауссовой фильтрацией (Gaussian frequency shift keying, GFSK) совместно с FHSS. В стандарте Bluetooth доступны три уровня выходной мощности. Устройства класса 1, 2 и 3 обеспечивают выходную мощность 20, 4 и 0 дБм, соответственно.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса ýже — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приемнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар «приемник-передатчик», то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка» (point-to-point), но и соединение «точка – множество точек» (point-to-multipoint).
В 2009 г. группой Bluetooth SIG была представлена новая версия стандарта Bluetooth 4.0, в которой применена технология Bluetooth с низким энергопотреблением — Bluetooth Low Energy. Этот стандарт предназначен для обмена данными с меньшей потребляемой мощностью, чем в предшествующей версии. Данная технология прежде всего предназначена для миниатюрных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т.д.).
Потребляя меньше энергии, технология Bluetooth Low Energy обеспечивает связь между небольшими устройствами (например, датчиками и мобильными устройствами) в пределах персональных сетей. Технология Bluetooth Low Energy имеет две одинаково важные реализации: однорежимную (single-mode) и двухрежимную (dual-mode). Миниатюрные устройства, такие как часы и спортивные датчики, на основе однорежимных модулей Bluetooth будут максимально использовать преимущества низкого энергопотребления и обеспечивать высокую степень интеграции и компактные размеры устройств. В двухрежимной реализации функциональные возможности Bluetooth Low Energy интегрируются в классический Bluetooth. Эта реализация улучшит существующие чипы новым стеком Bluetooth Low Energy, добавляя при этом новые возможности в классические устройства Bluetooth.
Низкое энергопотребление в Bluetooth 4.0 достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт обеспечивает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8–27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Надежность связи обеспечивает усовершенствованная коррекция ошибок, а высокий уровень безопасности — 128-битное AES-шифрование. Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т.д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные управляющие устройства: мобильные телефоны, КПК, ПК и т.д.