Краткий путеводитель по беспроводным технологиям Интернета вещей. Часть 2

11.01.2018 > 13:42
Краткий путеводитель по беспроводным технологиям Интернета вещей. Часть 2
Рунические символы, составляющие логотип Bluetooth
Во второй части статьи рассмотрены такие простые и широко применяемые стандарты связи, как Bluetooth, ZigBee, а также ряд менее популярных, но от этого не менее эффективных протоколов: Thread, WirelessHART, MiWi, SNAP и другие.

Все они используют не требующие лицензирования полосы радиочастотного спектра из так называемого ISM-диапазона (англ. Industrial, Science, Medical — буквально «индустрия-наука-медицина»), выделенного для нужд промышленности, медицинского оборудования и научной аппаратуры. На практике этот диапазон частот, с учетом принятых для него ограничений, применяется и для организации каналов связи внутри ячеек и кластеров сотовых сетей IoT.

Несмотря на то, что аппаратура, работающая в диапазонах ISM, не требует лицензирования частот в большинстве сфер применения, непосредственно сами устройства, которые используют эти диапазоны, должны пройти определенные испытания, а часто и получить сертификацию. Недостатком рассматриваемых полос рабочих частот является то, что иногда в одном месте может находиться настолько много устройств, применяющих одни и те же радиочастотные диапазоны с различными протоколами, что их взаимные помехи становятся весьма существенной проблемой. Особенно это касается переполненного ISM-диапазона в области 2,4 ГГц (рис. 1).

Частотный спектр в конкретном местоположении устройства, как правило, используется целым рядом устройств
Частотный спектр в конкретном местоположении устройства, как правило, используется целым рядом устройств

Область 2,4 ГГц используется во всем мире для Wi-Fi и других протоколов персональных локальных сетей. Применяемые в этой области частот стандарты беспроводной связи (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi и несколько других) пользуются популярностью во многих сферах уже на протяжении нескольких лет. Реализация таких решений легко доступна, поскольку для этого имеется большое число микросхем и полностью законченных модулей, которые можно без особого труда интегрировать и использовать при разработке IoT-устройства. Если выбрать проектирование на уровне чипа, то это обеспечит большую гибкость, поскольку можно будет применить новейшие интегральные схемы с расширенными функциями и более высокой производительностью или те, которые необходимы именно для проектируемого IoT-устройства. Но тогда все вопросы, включая тестирование на соответствие стандартам, придется решать самостоятельно.

Что касается радиочастотных модулей, то это небольшие платы, на которых микросхемы, контроллеры, программное обеспечение (ПО) и даже антенна уже протестированы и сертифицированы на соответствие требуемым стандартам и заданным в спецификации характеристикам. Соответствие требованиям заранее обеспечивает изготовитель модуля. Благодаря этому соблюдение стандартов в части радиоканалов при испытаниях конечного оборудования значительно облегчается. Такой подход также позволит сократить время разработки проекта и уменьшить или даже полностью исключить затраты времени на проверку соответствия. Однако все это достигается за счет более высоких расходов на компоненты, чем при самостоятельном выполнении индивидуальной конструкции на основе интегральных радио­частотных микросхем. Так что к вопросу выбора компонентов нужен взвешенный подход.

Большинство стандартов для беспроводных систем связи ближнего радиуса действия относится к организации т. н. «персональной сети» — той, которая построена «вокруг» человека. Такая сеть в технической литературе иногда сокращенно именуется PAN (Personal Area Networks), хотя для нас более привычны другие названия — например, WLAN (от англ. Wireless Local Area Network — беспроводная локальная сеть). PAN — это сеть передачи данных, объединяющая персональные электронные устройства одного пользователя (телефоны, карманные персональные компьютеры, смартфоны, ноутбуки, беспроводные гарнитуры и т. п.). Обычно такие сети имеют радиус покрытия от 10 до 30 метров (хотя в хороших условиях все они могут обеспечить и большую дальность связи).

Устройства для организации персональной сети ближнего радиуса действия иногда оптимизируются для определенных приложений с помощью протоколов, называемых «профили приложений» (англ. application profile, или app profile) или использующих подобные идентификаторы. Такие протоколы адаптируются под конкретные сферы: здравоохранение, спорт, средства контроля и промышленной автоматизации, мониторинг зданий и сооружений и т. д. Специальные профили позволяют устройствам реализовывать подмножества всех беспроводных стандартов IoT за счет оптимизации встроенного ПО и сложности самого устройства, благодаря чему можно снизить общие затраты и сэкономить энергию аккумулятора. Стандарты организации беспроводных сетей IoT постоянно развиваются, но подобные профили могут использоваться и для новых версий стандартов, даже если они несовместимы с более ранними спецификациями.

Для простых радиочастотных линий связи «точка-точка» (двухточечная топология сети, англ. point-to-point) были разработаны спецификации более высокого уровня: протоколы для сетевых, транспортных (здесь имеется в виду транспортировка, т. е. передача, данных) и даже прикладных уровней. Поэтому ваш окончательный выбор беспроводных технологий, вероятнее всего, будет включать решения в части ПО, связанные с поставленной конечной целью и областью использования данных конкретного IoT-устройства.

Однако есть один важный момент. К миллиардам уже действующих беспроводных устройств в ближайшие несколько лет присоединится еще несколько миллиардов, в связи с чем многие используемые полосы частот станут переполненными, а взаимное влияние устройств — еще большей проблемой. В некоторых средах (например, в больницах) новые беспроводные устройства просто не в силах нормально функционировать по причине тяжелой электромагнитной обстановки из-за взаимных помех множества излучающих радиочастоты устройств, поэтому выбор полосы частотного спектра и вида модуляции для нового продукта должен обязательно учитывать этот фактор. Конечно, если рассматривать именно медицинское оборудование, то в стандартах, которые определяют требования в части электромагнитной совместимости (ЭМС) для таких устройств, заложено много положений, снижающих риски от взаимного влияния. Но ситуация в целом развивается так, что эта проблема будет нарастать как снежный ком. Хотя некоторые стандарты беспроводной связи имеют возможности обнаружения и предотвращения влияния внешних помех, они обычно делают это в рамках своих протоколов связи и не распознают чужие. Поэтому технологии с различными протоколами связи в радиочастотной среде не являются достаточно эффективными, особенно в том случае, когда несколько устройств, как уже было сказано выше, использует одну общую полосу частотного спектра.

Поясним ситуацию на примере. Когда устройства ближней связи технологии Bluetooth (о них мы будем говорить ниже) распознают взаимные помехи, они могут изменять в рамках протокола свои текущие рабочие частоты, используя быструю (буквально скачко­образную) перестройку рабочей частоты связанных устройств (англ. frequency hopping). Но они не способны распознавать как источник помех сигналы от устройств технологии Wi-Fi с расширенным спектром.

Методы испытаний и требования относительно должного функционирования устройств в средах, где необходима высокая помехоустойчивость (т. н. тестирование на совместное действие, англ. coexistence testing), постоянно ужесточаются. Они являются частью испытаний на выполнение требований ЭМС. Перед началом работы над проектом необходимо изучить соответствующие стандарты, такие как, например, IEEE/ANSI C63.27 (Standard Electromagnetic Noise and Field Strengths Instrumentation, 10 Hz to 40 GHz — Specifications) для устройств общего назначения. А, допустим, при проектировании медицинского оборудования — AAMI TIR69 (Risk Management of Radio-Frequency Wireless Coexistence for Medical Devices and Systems). В любом случае новое устройство должно быть спроектировано и протестировано так, чтобы гарантировать его должное функционирование в соответствующей окружающей электромагнитной среде, будь то жилые помещения, больницы или места общественного пользования.

Bluetooth

BluetoothBluetooth как протокол связи был разработан еще в середине 1990-х гг. специально для организации персональных локальных сетей, соединяющих различные носимые устройства, сотовые телефоны, компьютерную периферию и т. д. Bluetooth использует диапазон ISM 2,4 ГГц и первоначально был утвержден как стандарт IEEE 802.15.1. Сейчас его продвижением занимается специальная группа Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая является альянсом многих тысяч компаний, создающих устройства с применением данной технологии. Со временем стандарты Bluetooth диверсифицировались: за счет добавления в 2006 г. Bluetooth Low Energy (BLE, Bluetooth LE, или Bluetooth Smart) и Bluetooth 5 в 2016 г.

Существует несколько типов поведения этой технологии при радиосвязи, т. е. протоколов доступа к мультимедиа. Они разработаны и легализованы в виде стандарта Bluetooth SIG, и некоторые из них несовместимы с другими протоколами Bluetooth MAC. MAC (Medium Access Control) — это подуровень («уровень» иногда называют «слоем», как калька с англ. «layer») управления доступом к среде, который осуществляет передачу фрагментов данных структуры МАС посредством физического канала. Технология Bluetooth на физическом уровне (англ. physical layer, PHY) использует GFSK-модуляцию (Gaussian Frequency-Shift Keying). Это вид частотной манипуляции модуляцией, при которой применяется фильтр Гаусса для сглаживания положительных и отрицательных частотных перестроек, представляющих собой бинарный информационный код — «1» или «0». Также Bluetooth может использовать модуляцию с расширенным спектром FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum), которая повышает помехозащищенность канала связи путем псевдослучайной перестройки рабочей частоты. В технологии BLE применяется метод прямой последовательности для расширения спектра DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Эта технология модуляции обеспечивает высокую производительность локальных беспроводных сетей путем расширения спектра излучаемого сигнала. Она заключается в повышении тактовой частоты модуляции, при этом каждому символу передаваемого сообщения ставится в соответствие достаточно длинная псевдослучайная последовательность. Последние протоколы Bluetooth имеют функции предотвращения влияния помех.

Полная версия статьи опубликована на сайте Control Engineering Россия

Все Статьи

Комментарии
Авторизоваться