Беспроводные интерфейсы периферийных устройств

10
Лекция13.  Беспроводные интерфейсы периферийныхустройств
1.     Инфракрасный интерфейс IrDA
2.      РадиоинтерфейсBluetooth
1.Инфракрасный интерфейс IrDA
Беспроводные (wireless)интерфейсы позволяют освободить устройства от свя­зывающих их интерфейсныхкабелей, что особенно привлекательно для малога­баритной периферии, по размеруи весу соизмеримой с кабелями. В беспровод­ных интерфейсах используютсяэлектромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Blue Tooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов перифе­рийных устройств существуюти беспроводные способы подключения к локаль­ным сетям.
Применение излучателей иприемников инфракрасного (ИК) диапазона позво­ляет осуществлять беспроводнуюсвязь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров.Инфракрасная связь —IR (InfraRed) Connection — безопасна для здоровья, несоздает помех в радиочастотном диапазоне и обеспе­чивает конфиденциальностьпередачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэто­му зона приема ограничиваетсянебольшим, легко контролируемым простран­ством. Инфракрасная технологияпривлекательна для связи портативных ком­пьютеров со стационарными компьютерамиили ПУ. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров,им оснащают многие современ­ныемалогабаритные устройства: карманные компьютеры(PDA),мобильные те­лефоны, цифровые фотокамеры и т. п.
Различают инфракрасныесистемы:
 - низкой (до 115,2 Кбит/с)
 - средней (1,152 Мбит/с)
 - высокой (4 Мбит/с) скорости.
Низкоскоростные системыслужат для обмена короткими сообщениями.
Высокоскоростные — дляобмена файлами между ком­пьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода напринтер, проекцион­ный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена,которые позво­лят передавать «живое видео».
 В 1993, году создана ассоциация разработчиковсистем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призван­ная обеспечитьсовместимость оборудования от различных производителей. В настоящее времядействует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системыфирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard SlowInfra Red)и Sharp-ASKIR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обес­печивают следующие скоростипередачи:
·                   IrDA SIR (Serial Infra Red),HP-SIR — 9,6-115,2 Кбит/с;
·                   в IrDA HDLC, известный и какIrDA 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-связиявляется светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм.Светодиод дает конус эффективного излуче­ния с углом около 30°. В качествеприемника используют PIN-диоды, эффектив­но принимающие ИК-лучи в конусе 15°.Спецификация IrDA определяет требо­вания к мощности передатчика ичувствительности приемника, причем для при­емника задается как минимальная, таки максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не«увидит», а слишком боль­шая мощность «ослепляет» приемник — принимаемыеимпульсы сольются в не­различимый сигнал.
Кроме полезного сигнала наприемник воздействуют поме­хи: засветка солнечным освещением или лампаминакаливания, дающая посто­янную составляющую оптической мощности, и помехи отлюминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Этипомехи прихо­дится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовыхошибок (BER — Bit Error Ratio) не более 109 при дальности до 1 ми дневном свете (освещенность — до 10 клюкс).
 Поскольку передатчик почти неизбежно вызыва­етзасветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать кполудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене на­правленияобмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нетсвета) и различные схемы кодирования.
Спецификация IrDA определяетмногоуровневую систему протоколов, кото­рую рассмотрим снизу вверх.
Ниже перечислены возможныеварианты IrDA на физическом уровне.
·                   IrDA SIR— для скоростей 2,4-115,2Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как в СОМ-портах):старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение битакодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс наскорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-A). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждаяпосылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 преду­смотрен ииной режим — IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс длявсех этих скоростей.
·                   ASK IR—для скоростей 9,6-57,6 Кбит/с также используется асинхрон­ный режим, нокодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой им­пульсов с частотой 500кГц, единичный — отсутствием импульсов.
·                   IrDAHDLC — для скоростей 0,576 и1,152 Мбит/с используется синхрон­ный режим передачи и кодирование, аналогичное SIR, нос длительностью импульса 1/4 битового-интервала. Формат кадра соответствуетпротоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадраэта битовая последовательность исключается с помощью вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.
·                   IrDA FIR(IrDA4PPM) — дляскорости 4 Мбит/с также применяется синх­ронный режим, но кодирование несколькосложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульснымкодом: 00 — 1000, 01 — 0100, 10 — 0010, 11 — 0001 (в четверках символов единицаозначает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала).Такой способ кодирования позволяет вдвое снизить частоту включения светодиодапо сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов,облегчает адаптацию к уровню внешней засвет­ки. Для повышения достоверностиприменяется 32-битный CRC-код.
Над физическим уровнемрасположен протокол доступаIrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протоколаHDLC,отражающая нужды ИК-связи. Он преобразует данные в кадры и предотвращаетконфликты устройств; при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга,одно из них назнача­ется первичным, а остальные — вторичными. Связь всегдаполудуплексная. IrLAP описываетпроцедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соеди­нениеустанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обменапо максиму из доступных обоим (9,6, 19,2, 38,4, 57,6 или 115,2 Кбит/с) иустанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним веду­щимустройством).
Над IrLAP располагается протокол управления соединениемIrLMP(IrDA Infrared Link Management Protocol).С его помощью устройство сообщает осталь­ным о своемприсутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточноподнести новое устрой­ство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы,предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в ролимультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения спомощью 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 обслуживаютсявиртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянныепакеты, ошибки данных и т. п.), произ­водится упаковка данных в пакеты и сборкаисходных данных из пакетов (про­токол напоминает TCP). На транспортном уровнеможет работать и протокол IrTP.
ПротоколIrCOMM 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 параллельногоинтерфейса).
ПротоколIrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям; он позволяет пере­давать кадрысетей EthernetиToken Ring.Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство-провайдер синтерфейсом IrDA, подключенное обыч­ным(проводным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержкав клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).
Протокол объектного обменаIrOBEX(Object Exchange Protocol) — простой протокол, определяющий команды PUT и GET дляобмена «полезными» двоичны­ми данными между устройствами. Этот протоколрасполагается над протоколом TinyТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильныхкоммуникаций, 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 неисчерпывается 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 частотыи методы физического кодирования.
Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеруразличны­ми способами; по отношению к системному блоку он может быть как внут­ренним(размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольномместе. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зре­ния» (30° упередатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого уст­ройства (до 1 м).
Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR,ASK IR)подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В рядесовременных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2, Для этого в дополнение к UART чипсетсодержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколькопротоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракраснойсвязи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствую­щий режим (запретинфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (дляшин ISA, PCI, PCCard), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.
На средних и высокихскоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивныйпрограмм­ный обмен (PIO)или DMA, с возможностью прямогоуправления шиной. Здесь обычная микросхемаUARTнепригодна, поскольку она не поддерживает синх­ронный режим и высокую скорость.Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения либо интегрируется в системнуюплату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.
Приемопередатчикподключается к разъему IR-Connector системной платы, напрямую(если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточныйразъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке на зад­ней стенкекорпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем кон­некторе нет, идля большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжаюткабелем с отдельными контактами разъема.
Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232Cдля подключения к СОМ-порту или же с шинойUSB. Пропускнойспособности USB достаточно даже дляFIR, СОМ-портпригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост,как казалось бы: для работы модулятора-де­модулятора требуется сигналсинхронизации с частотой, 16-кратной частоте пе­редачи данных (этот сигналпоступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходеСОМ-порта нет и его приходится восстанав­ливать из асинхронного битовогопотока. Адаптер ASK IR в этом плане проще — передатчик должен передаватьвысокочастотные импульсы все время, пока на выходе TXD находится сигнал высокогоуровня; приемник должен формировать огибающую принятых импульсов.
Для прикладногоиспользования IrDA кроме физическогоподключения адап­тера и трансивера требуется установка и настройкасоответствующих драйверов.
В ОСWindows 9x/ME/2000контроллер IrDA попадает в «Сетевое окружение». Сконфигурированное ПО позволяет
— устанавливать соединение слокальной се­тью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов);
— передавать фай­лы междупарой компьютеров;
— выводить данные на печать;
— синхронизировать данные PDA,мобильного телефона и настольного компьютера;
 - выгружать от­снятые изображения изфотокамеры в компьютер и выполнять ряд других по­лезных действий, не заботясь нио каком кабельном хозяйстве.
2.РадиоинтерфейсBluetooth
Bluetooth(синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средствапередачи информации на небольшие расстояния посредством радио­связи междумобильными (и настольными) компьютерами, мобильными теле­фонами и любымидругими портативными устройствами.
 Разработкой специфи­кации занимается труппалидирующих 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 Bluetoothсвободно доступна в Сети (www.blueto6th.com), правда, весьма объемиста (около15 Мбайт PDF-фай-лов). Открытость спецификации должна способствовать еебыстрому распрост­ранению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволимсебе сократить название технологии до «ВТ» (это неофициальное сокращение). Самоназвание берет начало от прозвища датского короля, объединившего Данию и Норвегию,— это намек на всеобщую объединяющую роль технологии.
Каждое устройство ВТ имеетрадиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этотдиапазон в большинстве стран отведен для про­мышленной, научной и медицинскойаппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместнуюприменимость 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 соответствуетположительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Пере­датчики могут бытьтрех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100. МВт, причемдолжна быть возможность понижения мощности с целью эко­номии энергии. 
Передача ведется сперескоком несущей частоты с одного радиоканала на дру­гой, что помогает вборьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физичес­кий канал связипредставляется определенной псевдослучайной последователь­ностью используемыхрадиоканалов (79 или 23 возможных частот).
 Группа уст­ройств, разделяющих один, канал (тоесть знающих одну и ту же последова­тельность перескоков), образует такназываемую пикосеть (piconet), в которую может входить от2 до 8 устройств.
В каждой, пикосети имеетсяодно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охватаведущего уст­ройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные»ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков исинхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться даннымидо тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомоеустройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройстводеактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующейактивации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный).
Пикосети могут перекрыватьсязонами охвата, образуя «разбросанную»» сеть(scatternet). Приэтом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входитьв несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройствоработает в одной пикосети, часть в другой). Более того, мастер одной пикосетиможет быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосе­ти никак несинхронизированы, каждая из них использует свой канал (последо­вательностьперескоков).
Канал делится на тайм-слотыдлительностью 625 мкс, слоты последователь­но нумеруются с цикличностью 227.Каждый тайм-слот соответствует одной час­тоте несущей в последовательностиперескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяетсяадресом устройства-мастера пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакетможет занимать от 1 до 5 тайм-сло­тов. Если пакет длинный, то он весьпередается на одной частоте несущей, но отсчет слотов  по 625 мкс продолжается, и после длинногопакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то естьнесколько пе­рескоков пропускаются). Мастер и ведомые устройства ведут передачупооче­редно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованноеим ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).
Между мастером и ведомымиустройствами могут устанавливаться физичес­кие связи двух типов: синхронные иасинхронные.
Синхронные связи (они же изохронные) сустановлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачиизохронно­го графика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа«точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомымиустройства­ми, и для каждой связи определяется период (в слотах), через которыйдля нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повтор­ныхпередач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трехсвязей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое уст­ройство можетиметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO сдвумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO от­носятсяк коммутациицепей.
Асинхронные связи без установления соединения,ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутациюпакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всемиведомыми устройствами пикосети. Мастер мо­жет связываться с любым из ведомыхустройств пикосети в слотах, не занятых подSCO, послав емупакет и потребовав ответа.
Ведомое устройство имеет пра­вона передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибоч­нодекодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматриваетсяповторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посылать ибезадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети.С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.