1.2 Рабочая группа IEEE 802.15
Комитет IEEE 802 ведет свою историю с 1980 г., когда была осознана необходимость определения стандартов локальных сетей ЭВМ для разработки сетевых интерфейсов, характеризующихся низкой стоимостью и высокой степенью унификации.
Общей особенностью стандартов этого комитета, занимающегося стандартами локальных и городских вычислительных сетей (LAN - Local Area Network и MAN - Metropolitan Area Network, соответственно), является то, что все стандарты IEEE 802 ограничены сетями с пакетами переменной длины. Службы и протоколы, определяемые в IEEE 802, находятся на двух нижних уровнях: канальном (PHY - Physical Layer) и физическом (DLL - Data Link layer) уровни) семиуровневой сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет канальный уровень OSI на два подуровня - подуровень управления доступом к среде (MAC - Media Access Control) и подуровень логической передачи данных (LLC - Logical Link Control). Первый подуровень (MAC) определяет метод доступа к среде. Второй подуровень, (LLC), определяет все другие канальные функции (управление потоком данных, контроль ошибок и т. п.).
Рабочая группа IEEE 802.15 специализируется на разработке стандартов WPAN, имеющих небольшой радиус действия. На разных этапах работы она включала в себя разные целевые группы.
IEEE 802.15.1 - Блютус (Bluetooth). Этот стандарт регламентирует беспроводные среднескоростные соединения стационарных и портативных устройств в радиусе до 100 м личного или рабочего пространства, расположенного, в том числе, в разных помещениях. Как уже отмечалось выше, первая версия этого стандарта была опубликована в 1998 г, промежуточная версия 1.1 - в 2001 г. Версия 1.2, утвержденная позднее как стандарт IEEE 802.15.1-2005, была обнародована в 2003 году.
Дальнейшее развитие Блютус получил как промышленный стандарт в рамках деятельности Специальной группы по интересам (Bluetooth Special Interest Group или Bluetooth SIG), которая была создана в 1998 г. в США пятью компаниями-учредителями в качестве некоммерческой организации. В 2013 г. количество членов этой организации достигло 20 000.
Блютус версии 2.0 был опубликован 10.11.2004 г. Он имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR составила 3 Мбит/с, хотя на практике скорость передачи данных не превышала 2,1 Мбит/с.
В период 2007 - 2009 г.г. Bluetooth SIG были последовательно опубликованы спецификации Bluetooth 2.1, Bluetooth 2.1 + EDR и Bluetooth 3.0 + HS. Особо отметим спецификацию Bluetooth 4.0, утвержденную Bluetooth SIG 30.06.2010 г.
Спецификация Bluetooth 4.0 включает в себя три протокола: Классический Блютус (Classic Bluetooth), Высокоскоростной Блютус (Bluetooth High Speed) и Блютус с низким энергопотреблением (BLE - Bluetooth Low Energy). Высокоскоростной Блютус основан на Wi-Fi, а Классический Блютус состоит из протоколов предыдущих спецификаций Блютус.
Блютус с низким энергопотреблением включает спецификацию ядра цифровой беспроводной технологии Wibree, со сверхнизким энергопотреблением и малым радиусом передачи (до 10 м), основанной на применении недорогих микросхем в передающих устройствах. Главным достоинством этой технологии является управление режимами энергопотребления в режимах передачи и простоя.
В 2001 г. компания Nokia определила несколько открытых сегментов беспроводных технологий. Чтобы их закрыть, концерн Nokia начал разработку технологии, основанной на стандарте Bluetooth. Новая технология должна была обеспечить низкое энергопотребление передающих устройств и более низкую стоимость оборудования по сравнению с Bluetooth. Наработки были представлены в 2004 г. под названием Bluetooth Low End Extension («Слабая» версия Блютус). Далее к разработке этой технологии подключились партнеры Nokia, и в октябре 2006 г. новая спецификация была представлена под брендом Wibree. Аббереатура от «Wi» (wireless - беспроводной) и «bree» (от староанглийского - перекресток). После переговоров в июне 2007 г. с членами группы Bluetooth SIG было получено согласие на включение Wibree в следующую спецификацию Bluetooth в качестве Блютус-технологии ультра низкого энергопотребления (Bluetooth Ultra Low Power Technology), теперь известной как BLE.
Спецификация BLE предназначена, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Низкое энергопотребление достигается за счет использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предусматривает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8ч27 байт. В новой версии два Блютус-устройства могут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.
Первый чип с поддержкой Блютус 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года.
Последняя спецификация Блютус - Блютус 4.1 была представлена Bluetooth SIG в конце 2013 г. Одно из улучшений, реализованных в этой спецификации, касается совместной работы Блютус и мобильной связи четвeртого поколения. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путем автоматической координации передачи пакетов данных.
IEEE 802.15.2. Эта группа занималась разрешением конфликтов между беспроводными персональными сетями (WPAN) и другими беспроводными устройствами, работающими на нелицензируемых частотных диапазонах, такими как беспроводные локальные сети (WLAN). Стандарт IEEE 802.15.2-2003 был опубликован в 2003 г. после чего деятельность этой целевой группы была приостановлена.
IEEE 802.15.3 . Эта группа занимается разработкой стандартов для высокоскоростных (от 11 до 55 Мбит/с) WPAN. В период с 2003 по 2009 г.г. было опубликовано 4 версии этого стандарта. Последний стандарт IEEE 802.15.3c-2009 был опубликован 11.09.2009 г. Создавшая его целевая группа TG3c, образованная в марте 2005 г., разработала альтернативный физический уровень, основанный на миллиметровых волнах, для первой версии стандарта 802.15.3-2003 WPAN. Эти миллиметровые WPAN работают на нелицензируемых частотах в диапазоне 57ч63 ГГц. Такой выбор частот обеспечивает возможность бесконфликтной работы на близком расстоянии с другими микроволновыми системами, определенными в стандартах IEEE 802.15. Сети WPAN IEEE 802.15.3c-2009 обеспечивают очень большую скорость передачи данных (более 3 Гбит/c), что позволяет реализовывать доступ в интернет, потоковую передачу мультимедиа (потоковое видео, HDTV, домашний кинотеатр и т.д.) и даже замену некоторых проводных шин передачи данных беспроводным каналом.
В настоящее время развитием высокоскоростных WPAN занимается целевая группа TG3d. Последняя черновая версия спецификации IEEE P802.15-13-0522-06-0thz, опубликованная этой группой 20.03.2014 г., демонстрирует возможность передачи данных со скоростью 100 Гбит/с на дистанции 20 м и со скоростью 40 Гбит/с на расстоянии 1,1 км.
IEEE 802.15.4. Эта группа занимается спецификациями протоколов PHY и MAC для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости передачи (Low-rate WPAN).
Стандарт IEEE 802.15.4-2003, первая версия которого была опубликована в 2003 г., ориентирован на очень длительное время автономной работы (месяцы и даже годы), низкую сложность устройств и очень малую стоимость передачи одного бита информации при низкой скорости передачи.
Первоначальная версия этого стандарта определяла два варианта физического уровня, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра. Первый работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а второй в диапазоне 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с при дальности связи порядка 10 м.
Дальнейшее развитие этого стандарта осуществляется путем публикации поправок, разрабатываемых несколькими целевыми группами.
Целевая группа TG3а разработала поправку IEEE 802.15.4a, первый вариант которой был представлен в 2006 г., а окончательный - в 2007 г. и получил формальное название IEEE 802.15.4a-2007. Это - дополнение к IEEE 802.15.4, определяющее допустимые варианты реализации физического уровня. Поправка нацелена на достижение:
более высокой точности расположения (от 1 метра),
большей пропускной способности,
масштабируемости скорости передачи данных,
большей дальности
более низкого энергопотребления и стоимости.
В версии 2006 г. были повышены максимальные скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц до 100 и 250 кбит/с. Кроме того, были определены четыре варианта физических уровня в зависимости от метода модуляции. Три из них сохранили подход широкополосной модуляции в диапазоне 868/915 МГц, включая двоичную и квадратурную фазовую манипуляции. Последняя является более подходящей для диапазона 2450 МГц. Четвертый вариант на частоте 868/915 МГц использует комбинацию двоичного кодирования и амплитудной манипуляции на основе параллельного, а не последовательного расширения спектра. Стало возможно динамическое переключение между поддерживаемыми вариантами 868/915 МГц физического уровня.
Версия 2007 г. расширила четыре варианта физического уровня, которые были доступны в версии 2006 г., до шести вариантов. Для реализации повышения скорости передачи были выбраны две технологии:
последовательная радиотехнология UWB Pulse Radio (нелицензируемый UWB диапозон частот);
технология частотного расширения спектра Chirp Spread Spectrum (CSS) (нелицензируемая 2,4 ГГц частота).
Технология UWB Pulse Radio основана на технологии Continuous Pulsed UWB и способна обеспечить связь с высокой точностью покрытия. Физический слой UWB выделен частотами в трtх диапазонах: ниже 1 ГГц, между 3 и 5 ГГц, и между 6 и 10 ГГц. На физический слой CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц диапазона ISM.
Целевая группа TG4b разработала поправку IEEE 802.15.4b, которая была принята в июне 2006 г. и опубликована в сентябре 2006 как IEEE 802.15.4-2006. Она направлена на создание таких улучшений и пояснений к стандарту IEEE 802.15.4-2003, как уменьшение числа неоднозначностей, избавление от ненужных сложностей, повышение гибкости использования ключей безопасности, расширение диапазона частот и др.
Поправка IEEE 802.15.4c, разработанная целевой группой TG4c, была одобрена в 2008 г. и опубликована в январе 2009 г. Она определила новые спецификации радиочастотного спектра в связи с открытием регулирующими органами Китая для использования WPAN следующих частотных диапазонов 314ч316 МГц, 430ч434 МГц и 779ч787 МГц. При этом добавилось еще несколько вариантов физического уровня. Для частоты 780 МГц стала доступна квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature phase-shift keying, QPSK) и фазовая манипуляция высоких порядков (M-PSK).
Целевая группа TG4d была создана для внесения изменений в стандарт 802.15.4-2006. Разработанная ею поправка IEEE 802.15.4d определяет новый вариант физического уровня и некоторые изменения в MAC подуровень, необходимые для поддержки нового диапазона частот 950 МГцч956 МГц, выделенного для WPAN в Японии. Для этого были сделаны доступными гауссовская частотная манипуляция (GFSK - Gaussian Frequency-Shift Keying) и двоичная фазовая манипуляция (BPSK - Binary Phase-Shift Keying).
Целевая группа TG4e была создана для внесения поправок в MAC подуровень стандарта IEEE 802.15.4-2006. Целью поправки IEEE 802.15.4e, принятой в 2011 г., является расширение функциональности MAC стандарта IEEE 802.15.4-2006 для:
более широкого обеспечения поддержки промышленного применения,
обеспечения совместимости с изменениями, произошедшими с китайскими WPAN.
Этой же поправкой были добавлены технологии Channel Hopping и Variable Time Slot, совместимые с ISA100.11a. В итоге, с учетом сделанных к этому времени многочисленных поправок в 2011 г. была опубликована новая базовая версия стандарта IEEE 802.15.4-2011.
Целевая группа TG4f была создана для определения новых вариантов беспроводных физических уровней и улучшения MAC подуровня стандарта 802.15.4-2006 для обеспечения поддержки активных RFID систем, двунаправленных и навигационных приложений. Разработанная этой группой поправка была опубликована в 2012 г. как IEEE 802.15.4f-2012.
Целевая группа TG4g была создана для разработки поправки к физическому уровню PHY стандарта IEEE 802.15.4. Поправка IEEE 802.15.4g предназначена для поддержки сильномаштабируемых, географически разнесенных сетей с минимальной инфраструктурой и миллионами конечных узлов, таких как инженерные сети Smart Grid («умные сети»). В итоге эта поправка была принята в апреле 2012 г. как стандарт IEEE 802.15.4f-2012.
В настоящее время работы по совершенствованию стандарта IEEE 802.15.4 продолжаются в целевых группах TG4n, TG4q и TG4r, а также в группе Интересов по безопасности (Interest Group SEC), занимающейся вопросами обеспечения безопасности сетей IEEE 802.15.4.
IEEE 802.15.5. Эта группа занимается разработкой архитектурного фреймворка или сетевой топологии, позволяющей строить на основе WPAN устройств стабильные, совместимые и маcштабируемые беспроводные ячеистые сети или Mesh-сети. Стандарт IEEE 802.15.5-2009 состоит из двух частей: низкоскоростные и высокоскоростные Mesh-сети. Низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC, тогда как для построения высокоскоростных Mesh-сетей используется стандарт IEEE 802.15.3b-2006 MAC.
Mesh-сети образуются на основе множества соединений типа «точка-точка» из узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга. Наиболее часто встречающееся определение Mesh-сетей выглядит следующим образом: «Mesh - сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям».
В обоих типах Mesh-сетей поддерживаются такие опции, как инициализация сети, адресация и многоскачковое распространение. Кроме того, низкоскоростная Mesh-сеть поддерживает групповую адресацию, обеспечение надежности вещания, переносимую поддержку, трассировку маршрута и функции экономии энергии, а высокоскоростная Mesh-сеть поддерживает многоскачковую ячетстую архитектуру в реальном времени.
IEEE 802.15.6. Первая целевая группа TG6 была сформирована в ноябре 2007 г. для работы над стандартом энергоэффективных беспроводных устройств низкой дальности, оптимзированных для работы на/в теле человека (или другого живого организма) и обеспечивающих работу различных медицинских, бытовых или развлекательных приложений. Затем на основании утвержденного заочным голосованием 22.07.2011 г. проекта BAN (Body Area Network) в декабре 2011 г. была создана целевая группа TG6t для разработки стандарта IEEE 802.15.6 сетей датчиков мониторинга параметров тела человека.
IEEE 802.15.7 В январе 2009 г. состоялось первое заседание целевой группы TG7, на котором обсуждалось написание стандарта IEEE 802.15.7 создания WPAN с помощью видимого света (Visible Light Communications). В декабре 2011 г. эта целевая группа завершила определение физического и MAC уровней для данного вида связи, опубликовав спецификацию IEEE 802.15.7-2011.
Кроме перечисленных направлений работ в IEEE 802.15 существует постоянный комитет IEEE P802.15, который был создан для облегчения и стимулирования презентаций и дискуссий на тему новых беспроводных технологий. Комитет может инициировать новые стандартизационные проекты и адресовывать рабочей группе 802.15 решение вопросов и исправление ошибок, связанных с технологиями и методами построения беспроводных персональных сетей.