Автор: Mr. Vivek, Katare N.
Источник:International Journal of Science and Research (IJSR), India Online ISSN: 2319–7064
Mr. Vivek, Katare N. Сравнительный анализ и интерпретация различных технологии беспроводных сетей малой дальности. С развитием более мощных датчиков по сравнению с традиционными датчиками данных, в этой статье разработаны и проанализированы беспроводные датчики и модули, такие как UWB и другие, с помощью которых мы можем интерпретировать сравнительные различия между различными беспроводными технологиями, применяемыми промышленной коммуникацией. На основе этого анализа предлагается, какую беспроводную технологию лучше использовать для отраслевых и домашних сетей автоматизации, и передачи данных.
Беспроводные технологии становятся все более популярными во всем мире. Потребители ценят беспроводной образ жизни, освобождая их от известного "кабельного хаоса", который, как правило, растет под их столом. В наши дни мир практически остановится, если беспроводная связь вдруг станет недоступна. И наш образ жизни, и глобальная экономика сильно зависят от потока информации через беспроводные средства, такие как телевидение и радио. За последнее десятилетие сотовые телефоны стали весьма доступными. [1]
Новые беспроводные технологии внедряются все чаще. За последние несколько лет технологии IEEE 802.11 [2] начали быстро распространяться, позволяя потребителям создавать собственные беспроводные сети. Это представляет собой важное изменение в том, как беспроводная связь становится доступной для потребителей. Беспроводные сети больше не предоставляются одними крупными корпорациями, они также могут быть реализованы частными лицами. Наше общество становится все более зависимым от беспроводной связи по мере внедрения новых сфер использования.
IR wireless – это использование беспроводной технологии в устройствах или системах, передающих данные через инфракрасное (ИК) излучение. Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитную энергию на длине волны или длинах волн, несколько превышающих длину волны красного света. ИК–спектр с наименьшей длиной волны граничит с видимым красным цветом в спектре; Наиболее длинноволновый ИК граничит с радиоволнами.
Инфракрасная беспроводная связь используется для связи и управления малой и средней дальности. Некоторые системы работают в режиме прямой видимости; Это означает, что между передатчиком (источником) и приемником (местом назначения) должна быть визуально беспрепятственная прямая линия через пространство. Другие системы работают в диффузном режиме, также называемом режимом рассеивания. Этот тип системы может функционировать, когда источник и место назначения не видны друг другу напрямую. Инфракрасная беспроводная технология используется в детекторах проникновения; блоки управления домашних развлечений; системы управления робота; лазерная связь среднего радиуса действия; беспроводные микрофоны, наушники, модемы, принтеры и другие периферийные устройства. В отличие от радиочастотных (RF) беспроводных линий связи, ИК беспроводная связь не может проходить через стенки. Поэтому, как правило, между различными комнатами в доме или между различными домами в районе (за исключением тех случаев, когда у них имеются окна) невозможно использовать ИК–связь. Это может показаться недостатком, но IR Wireless является более индивидуальна, чем RF Wireless. Некоторые IR беспроводные схемы предлагают уровень безопасности, сравнимый с уровнем безопасности жёстких проводных систем. Например, трудно прослушивать хорошо сконструированную линию связи с инфракрасным лазером.
Домашняя RF использовала расширенный спектр скачкообразной перестройки частоты (FHSS) в полосе частот 2,4 ГГц и теоретически могла достичь максимальной пропускной способности 10 Мбит/с; Его узлы могут перемещаться в радиусе 50 метров от точки беспроводного доступа, оставаясь при этом подключенными к персональной сети (PAN). Исходный RF допускал обмен как речевыми телефонными сигналами, так и сигналами данных по одной и той же беспроводной сети. Поэтому в Home RF беспроводные телефоны и портативные компьютеры, например, могут совместно использовать одну и ту же полосу пропускания в одном и том же доме или офисе. Доступные локальные сети (LAN) Home RF поддерживают 1,6 Мбит/с, относительно медленно по сравнению с технологией, продаваемой под торговой маркой Wi–Fi. Например, локальные сети второго поколения 802.11b поддерживают 11 Мбит/с. 802.11n достигает максимальной скорости 600 Мбит/с. Несколько стандартов и рабочих групп сосредоточили свое внимание на технологии беспроводных сетей в радиочастотах (RF). Стандарты включают популярное семейство IEEE 802.11, 802.16 и Bluetooth.
Беспроводная технология Bluetooth также быстро распространяется. Количество наборов микросхем Bluetooth, поставляемых в год, удвоилось с 2002 года до 69 миллионов в 2003 году [3]. Становятся доступными приложения Bluetooth; Многие потребители уже будут иметь устройства Bluetooth и будут готовы начать использовать Bluetooth PAN (Personal Area Networks), где все их устройства Bluetooth будут взаимодействовать друг с другом [4].
Bluetooth является открытым стандартом для ближней, низкой мощности и недорогой цифровой беспроводной связи [5].
Bluetooth – это современный отраслевой стандарт для беспроводных подключений ближнего действия. Технология Bluetooth широко используется в бытовой электронике для беспроводной передачи данных ближнего радиуса действия, как принтеры и цифровые камеры. Он работает эффективно в диапазоне 20–25 футов в среде без оборудования WLAN. Сигналы Bluetooth работают в том же диапазоне частот, что и стандарт Wi–Fi (802.11b, g). Это самый большой его недостаток из–за его помех сигналам Wi–Fi. Устройство с поддержкой Bluetooth не может эффективно функционировать вблизи сигналов Wi–Fi. Технология Bluetooth заняла много лет, чтобы выйти на массовый рынок, но все еще с трудом доказывает свой потенциал. Bluetooth сталкивается с серьезными проблемами из–за предстоящего стандарта Ultra–Broadband, который имеет множество преимуществ, таких как более высокая скорость передачи данных и возможность сосуществования с другими стандартами беспроводной связи.
Wi–Fi (802.11a, b, g) – технология беспроводной локальной сети не нова для нас. Она существует на рынке уже несколько лет и теперь рассматривается как зрелое беспроводное решение LAN, которое заменило Ethernet–кабели во многих офисных и домашних сетях. Ethernet обеспечивает подключение 100 Мбит/с, а Gigabit Ethernet – гораздо больше. Не сопоставимая со скоростью передачи данных Ethernet, Wi–Fi пытается обеспечить хорошую скорость передачи данных для приложений, требующих высокой пропускной способности в среде LAN.
Технологии WLAN гораздо лучше подходят для среды LAN, где сетевое подключение более важно, чем одноранговый общий доступ к файлам. При максимальной скорости передачи данных 11 Мбит/с (802.11b), 22 Мбит/с (802.11a) и 54 Мбит/с (802.11g) WLAN по–прежнему не способен обрабатывать данные поставщика – обеспечивает высокую скорость передачи данных с возможностью мгновенного подключения.
Zigbee – относительно новая, беспроводная персональная сетевая технология, основанная на IEEE 802.15.4, с диапазоном передачи 100 метров [6]. Устройства связи на основе ZigBee потребляют очень мало энергии и, следовательно, время автономной работы 1000 дней является обычным. При низком энергопотреблении и меньших затратах по сравнению с Bluetooth и Wi–Fi, Zigbee является перспективной технологией для приложений, которые не требуют слишком большой пропускной способности. Причина заключается в увеличении зоны покрытия, снижении энергопотребления и безопасности сети. Zigbee работает в промышленной, научной и медицинской радиоландах – 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц в большинстве других стран мира. UWB предназначен для совместного использования мультимедийных файлов и мгновенного подключения, которое Zigbee не может обещать. Ассортимент будет проблемой для продуктов поставщиков данных с технологией Zigbee.
Это система для подключения выключателей освещения и нагрузок без дополнительной проводки, аналогичная стандарту X10, разработанная специально для устранения присущих стандарту X10 ограничений, но также для включения обратной совместимости с X10. Insteon разработан для того, чтобы дать возможность простым устройствам, таким как выключатели света, объединяться в сеть с использованием линии электропередачи, радиочастоты (RF) или и того, и другого. Все устройства Insteon являются одноранговыми, то есть каждое устройство может передавать, принимать и повторять любое сообщение протокола Insteon, не требуя главного контроллера или программного обеспечения маршрутизации.
Ultra–Broadband – предложенный стандарт для беспроводной связи ближнего радиуса действия, целью которого является замена технологии Bluetooth в ближайшем будущем. Это идеальное решение для беспроводной связи в диапазоне от 10 до 20 метров между бытовой электроникой, мобильными устройствами и периферийными устройствами ПК, которое обеспечивает очень высокую производительность и потребляет очень мало энергии батареи. Она предлагает наилучшее решение для требований к пропускной способности, стоимости, энергопотреблению и физическим размерам для электронных устройств следующего поколения. Радиостанции UWB могут использовать частоты от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, ширина полосы более 7 ГГц. Каждый радиоканал может иметь полосу пропускания более 500 МГц в зависимости от его центральной частоты. Из–за такой большой полосы пропускания сигнала FCC ввёл жёсткие ограничения мощности вещания. При этом UWB–устройства могут использовать чрезвычайно широкую полосу частот, в то же время испуская минимальное количество энергии, чтобы обнаруживаться другими более узкими полосовыми устройствами. Следовательно, сигнал устройства UWB не может мешать другим сигналам устройства более узкой полосы частот, и по этой причине устройство UWB может сосуществовать с другими беспроводными устройствами. UWB рассматривается как Wireless USB – замена стандартных решений USB и FireWire (IEEE 1394) благодаря своей более высокой скорости передачи данных по сравнению с USB и FireWire. Сигналы UWB могут сосуществовать с другими сигналами беспроводной связи малой/большой дальности благодаря своей собственной природе обнаружения в качестве шума для других сигналов. В соответствии с действующими правилами FCC сигналы UWB, используемые для коммерческой связи, способны передавать очень высокие скорости передачи данных в коротких диапазонах.
Были обсуждены некоторые сравнительные параметры, приведенные ниже [7].
A. Радио–каналы
Протоколы Bluetooth, ZigBee и Wi–Fi имеют методы расширения спектра в диапазоне 2,4 ГГц, который нелицензирован в большинстве стран и известен как промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазон. Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с 79 каналами и полосой пропускания 1 МГц, в то время как Zigbee использует расширенный спектр прямой последовательности (DSSS) с 16 каналами и полосой пропускания 2 МГц. Wi–Fi использует DSSS (802.11), комплементарную кодовую клавиатуру (CCK, 802.11b) или модуляцию OFDM (802.11a/g) с 14 радиочастотными каналами (11 доступны в США, 13 в Европе и всего 1 в Японии) и полосой пропускания 22 МГц. UWB использует тактовую частоту 3,1–10,6 ГГц со стандартом 802.15.3a без подтверждения и заклинивания, из которых доступны два метода расширения, DS–UWB и MB–OFDM.
B. Механизм сосуществования
Поскольку Bluetooth, ZigBee и Wi–Fi используют полосу 2,4 ГГц, необходимо решить проблему сосуществования. В основном Bluetooth и UWB обеспечивают адаптивную скачкообразную перестройку частоты, чтобы избежать столкновения каналов, в то время как ZigBee и Wi–Fi используют динамический выбор частоты и управление мощностью передачи. IEEE 802.15.2 обсуждал проблему помех Bluetooth и Wi–Fi. Также Сикора и Гроза [8] предоставили количественные измерения вопроса сосуществования для ZigBee, Bluetooth, Wi–Fi и микроволновых печей. Shuaib и др. [9] сосредоточен на количественном определении потенциальных помех между Zigbee и IEEE 802.11g путем изучения влияния на пропускную способность устройств IEEE 802.11g и Zigbee при их наличии в конкретной среде. Кроме того, Neelakanta и Dige [10] представили оценку производительности Bluetooth и ZigBee, расположенных на промышленном этаже для надежной заводской беспроводной связи.
C. Размер сети
Максимальное количество устройств, принадлежащих строительной ячейке сети, составляет 8 (7 ведомых плюс один мастер) для пикосети Bluetooth и UWB, свыше 65000 для звёздной сети ZigBee и 2007 для структурированной Wi–Fi BSS. Все протоколы имеют положение для более сложных сетевых структур, построенных из соответствующих базовых ячеек: spatternet для Bluetooth, peer–to–peer для UWB, cluster tree или mesh networks для ZigBee, и ESS для Wi–Fi.
Таблица: Сравнение различных беспроводных технологий на основе различных параметров
| IR Wireless | Bluetooth | Insteon | Wi–Fi | Home RF | ZigBee | UWB (Ultra Wide Band) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Скорость передачи данных | 20–40 Kбит/с 115 Kбит/с 4 &16 Mбит/с |
1 Mбит/с | 3 Mбит/с | 11 & 54 Mбит/с | 10 Mб/с | 20, 40, and 250 Kбит/с |
50–100 Mб/с, >500 Mб/с ожидаемый в будущем |
| Дальность | <10 meters (line of sight) | 10 метров | 50 метров | 50–100 метров | 50 метров | 10–100 метров | 170 метров |
| Сетевая топология | Точка–точка | Ad–hoc, очень небольшие сети | Одноранговая | Точка–концентратор | Ad–hoc, очень небольшие сети | Ad–hoc, точка–точка, звезда, ячейки | Точка–точка |
| Рабочая частота | 380 MHz | 2.4 GHz | 1 GHz | 2.4 and 5 GHz | 2.4 GHz | 868 MHz (Европа) 2.4 GHz (во всем мире) | 3.1–10.7 GHz |
| Сложность (влияние на устройства и приложения) | Низкая | Высокая | Низкая | Высокая | Низкая | Низкая | Средняя |
| Потребляемая мощность (возможности и срок службы батареи) | Низкая | Средняя | Низкая | Высокая | Низкая | Очень низкая | Низкая |
| Типовые приложения | Дистанционное управление, ПК, КПК, телефон, портативный компьютер | Беспроводная связь между устройствами, такими как телефоны, КПК, ноутбуки, наушники | Удаленное управление, интерфейсы охранной сигнализации и датчики | Подключение к беспроводной локальной сети, широкополосный доступ в Интернет | Удаленное управление, интерфейсы охранной сигнализации и датчики | Промышленный контроль и мониторинг, сети датчиков, автоматизация зданий, домашний контроль и автоматизация, игрушки, игры | Промышленный контроль и мониторинг, сети датчиков, автоматизация зданий, домашний контроль. Потоковое видео, домашние развлекательные приложения |
Были проанализированы и исследованы различные беспроводные стандарты с количественной оценкой по времени передачи, эффективности кодирования данных, рабочей частоте, топологии сети, сложности и энергопотреблению. Кроме того, предварительно сопоставлены также радиоканалы, механизм сосуществования, размер сети и безопасность. Каждый стандарт беспроводной связи имеет свои собственные применения, преимущества и недостатки в зависимости от параметров, но особенно UWB является более эффективным и экономичным по сравнению с другими стандартами беспроводной связи малой дальности.