Технологии беспроводной связи в гостиничных комплексах

Любой гостиничный комплекс представляет собой динамически развивающийся объект, к управлению которым применима технология «интеллектуального здания». Эта технология позволяет интегрировать все системы управления объектом с ориентацией на потребителя — туриста.

Анализ современного рынка бытовой электроники показывает, что в настоящее время ведущие фирмы начали выпускать бытовую технику со встроенными средствами сопряжения с каналами связи (в частности, с сетью «Интернет») и средствами дистанционного управления. Уже выпускаются дистанционно управляемые кондиционеры, холодильники, стиральные машины, электрические плиты, средства освещения, видеокамеры и другие средства бытовой техники.

Проводя анализ сетевых технологий, прежде всего необходимо остановиться на стандарте оборудования домашней автоматики Х10. Эта технология была разработана более 10 лет назад и в настоящее время широко используется за рубежом, в Россию поставляется, например, фирмой «Эдванс». Главная особенность этой технологии заключается в том, что при работе оборудования Х10 (интерфейсных, релейных, сенсорных, ламповых и других специализированных модулей) могут использоваться для передачи данных и команд линии обычной домашней электрической сети переменного тока 220 В (50 или 60 Гц). Благодаря этому для реализации концепции «интеллектуального дома» не требуется прокладка огромного количества проводов. Кроме того, эта технология хорошо взаимодействует с другими технологиями связи, в частности с сетью «Интернет».

Обслуживающий персонал имеет возможность запрашивать необходимые параметры по объектам и снимать показания измерительных приборов с помощью мобильных телефонов. В случаях необходимости персонал, обслуживающий устройства аварийной сигнализации, немедленно получает инструкции непосредственно на свои телефоны и т.д.

Анализ развития сетевых технологий показывает, что до настоящего времени основным сдерживающим фактором развития является их высокая стоимость. Однако высокая эффективность и оптимальная стоимость новой технологии Bluetooth позволяет надеяться на быстрое ее внедрение в системах автоматизации дома, поэтому рассмотрим ее более подробно.

С технической точки зрения технология Bluetooth построена на основе многоточечного радиоканала, управляемого многоуровневым протоколом, аналогичным протоколу сотовой связи стандарта GSM. Устройства, работающие в протоколе Bluetooth, объединяются в пикосети, в которые могут входить от двух до восьми устройств. Одно из этих устройств является ведущим (master), а остальные ведомыми (slaves). Исходя из того, что в Bluetooth используются пикосети, где взаимодействующие устройства (абоненты сети) расположены в ограниченном пространстве и не перемещаются с высокой скоростью, при разработке протокола был выбран метод пакетной дуплексной передачи информации с временным разделением каналов TDD (Time Division Duplex). Данный метод обмена информацией по одной линии связи с уплотнением каналов передачи и приема в разных временных интервалах одного кадра наиболее эффективен для подобного класса сетей. В Bluetooth используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), т.е. метод формирования сигнала, основанный на использовании широкополосных сигналов с программной перестройкой рабочей частоты по псевдослучайному закону. Вся полоса используемых частот 2400,0—2483,5 МГц разделяется на 79 частотных подканалов шириной 1 МГц, на каждом из которых производится прием или передача информации в течение временного кадра длительностью 625 мкс. Переключение частотных подканалов осуществляется синхронно для всех устройств одной пикосети. Порядок переключения определяется псевдослучайной последовательностью длиной 227, определяемой уникальным 48-битовым адресом ведущего устройства пикосети. Ведущее устройство передает пакеты в нечетные временные кадры, а ведомое — в четные. Длина пакета может достигать длительности 5 временных кадров. В том случае, когда длина пакета больше длительности одного временного кадра, частота подканала не меняется до окончания передачи пакета. Основные технические показатели протокола Bluetooth сведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Основные технические показатели протокола Bluetooth

Характеристика

Параметр

Диапазон частот

2400,0 — 2483,5 МГц

Способ передачи информации

Пакетная дуплексная передача с временным разделением каналов TDD

Метод расширения спектра

Скачкообразная перестройка частоты FHSS

Ширина полосы частотного подканала

1 МГц

Число каналов

23 или 79 (в зависимости от региона использования)

Скорость перестройки рабочей частоты

до 1 600 скачков в сек

Окончание

Характеристика

Параметр

Длина цикла псевдослучайной последовательности

227

Длительность временного сегмента

625 мкс

Метод модуляции

Двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying)

Число устройств в пикосети

до 8

Скорость передачи информации: в синхронном режиме

в асинхронном режиме

3 канала по 64 кбит/с в каждом направлении;

до 723,2 кбит/с в прямом направлении и 57,6 кбит/с в обратном направлении

Радиус действия устройств

10 м (в перспективе 100 м)

В соответствии со спецификацией Bluetooth должен обеспечивать радиосвязь в радиусе до 10 м при энергопотреблении устройства в пределах 100 мВт. При этом по сравнению с некоторыми другими стандартами (например, IrDA) Bluetooth не требует прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала. В перспективе планируется предусмотреть возможность организации связи при расстояниях до 100 м. Важным свойством протокола Bluetooth является возможность его простой интеграции с протоколами TCP/IP, используемыми в сети «Интернет».

Bluetooth представляет собой хорошее средство для организации локальных компьютерных сетей при размещении приборов, оснащенных модулями Bluetooth, на небольшом расстоянии друг от друга. Пропускная способность радиоинтерфейса вполне позволяет обеспечить высокую скорость обмена информацией. Удобство беспроводного соединения компьютеров с периферийными устройствами наверняка привлечет к себе внимание многих пользователей. Рано или поздно технология Bluetooth должна найти применение в различных изделиях бытовой электроники, телевизорах, видеомагнитофонах, плеерах, видеокамерах и т.д. Сторонники Bluetooth убеждены, что в будущем все бытовое оборудование, находящееся в доме, будет объединено в единую сеть и управляться с единого центра в виде персонального компьютера или простого органайзера. Причем станет возможно дистанционное управление бытовыми приборами, например по каналам сотовых сетей связи.

При достижении малых габаритов Bluetooth-устройства могут найти достаточно большое применение и в интеллектуальных подвижных объектах. Например, легко представить автоматическое считывание пробега и маршрута движения автомобиля после очередного рейса при въезде в гараж. Технология Bluetooth может найти применение в пунктах оплаты проезда по платным дорогам. Вполне вероятно и создание беспроводной локальной сети на основе системы Bluetooth, объединяющей различные приборы транспортного средства. Есть уверенность в том, что со временем технология Bluetooth начнет широко использоваться в торговле. Например, все торговые автоматы некоторого торгового центра, находящиеся на небольшой площади, могут быть связаны средствами Bluetooth с центром управления. Этот центр может передавать всем автоматам информацию об изменениях цен и получать сведения об объемах проданных товаров или о техническом состоянии автоматов.

Надежный канал радиосвязи Bluetooth, реализованный на базе программной перестройки рабочей частоты, наверняка будет использоваться в системах охранной сигнализации и контроля доступа. Стандартные меры шифрования и аутентификации, предусмотренные в протоколе Bluetooth, уже позволяют достичь определенного уровня безопасности связи. А структура передаваемых пакетов данных не препятствует реализации собственных оригинальных алгоритмов защиты информации для достижения любого необходимого уровня конфиденциальности передаваемых сообщений.

Технология беспроводной локальной связи Bluetooth за последние несколько лет уже приобрела огромную популярность. Разработкой устройств, использующих протокол Bluetooth, занимаются более 2000 компаний, в настоящее время выпущено более 500 млн сотовых телефонов, портативных компьютеров, цифровых камер, аудиосистем и других устройств, поддерживающих протокол Bluetooth. Сегодня можно уверенно констатировать, что технология Bluetooth получила должное признание на рынке устройств беспроводной связи. Учитывая все это, можно сделать вывод о перспективности использования рассмотренной технологии как в стационарных, так и в мобильных интеллектуальных объектах.

Весьма перспективной, конкурирующей с Bluetooth в настоящее время является технология UWB (Ultra Wideband). Идея технологии заключается в использовании сверхширокополосного сигнала для передачи информации при помощи импульсно-кодовой модуляции. Длительность излучаемого моноимпульса может колебаться в пределах 0,2—2 нс, а период импульсной последовательности составляет от 10 до 1000 нс. Передача сверхкоротких импульсов без высокочастотного заполнения позволяет рассматривать технологию UWB как предельный случай «гармонических» систем, в которых длительность импульсов равна одному периоду несущей.

Главные параметры, характеризующие UWB-устройства, — частота повторения коротких импульсов, средняя мощность в пересчете на 1 МГц и пиковая мощность в любой полосе шириной 50 МГц. Важна также относительная ширина полосы, определяемая как отношение необходимой ширины полосы к значению центральной частоты (предполагается, что типичное значение этого параметра должно превышать 0,25).

Для традиционных средств связи сигналы UWB недоступны не только к приему, но даже и к определению самого факта своего существования. Поскольку передача в UWB-системах осуществляется с очень малыми уровнями мощности, то принять правильное решение по одному импульсу сложно. По этой причине для надежной передачи информации в UWB используются длинные серии моноциклов, большая частота следования которых позволяет использовать для передачи каждого бита информации пакета из 100 и более импульсов, что и обеспечивает их высокую защиту от помех.

Модуляция таких импульсов полезными данными может осуществляться любым из известных методов на основе изменения их амплитуды, длительности, частоты следования и т.п. Однако на практике сейчас чаще всего используется технология ТМ- UWD, при которой сигналы формируются с помощью времяим- пульсной модуляции (Pulse-Position Modulation — PPM), т.е. информационным параметром является временное положение переднего фронта импульсов. При РРМ, в зависимости от мгновенного значения модулирующего сигнала, позиция каждого рабочего импульса изменяется во временной области по отношению к положению периодических опорных импульсов. Типовая величина временного сдвига составляет у4 длительности импульса. Период повторения импульсов определяет скорость передачи данных. Так, при периоде повторения импульсов 10 нс максимальная скорость передачи составит 100 Мбит/с.

Образование ряда независимых каналов связи может осуществляться методом временных скачков (Time Hopping), основанном на вводе еще одного дополнительного временного кодирования положения импульсов с помощью последовательности псевдослучайных кодов, обеспечивающих сдвиг импульсов на величины в 10—100 раз большие, чем дает модуляция передаваемыми данными. Для выделения сигнала в приемной части должна использоваться такая же последовательность псевдослучайных кодов. В случае применения иной последовательности приемник будет открываться в другие временные интервалы и приема информационных импульсов не произойдет. Применение известных ортогональных кодов для управления временными задержками импульсов позволяет создать в одной полосе до 1000 и более дуплексных каналов связи на одной станции.

Кроме временного кодирования для разделения каналов могут применяться и другие методы, например дополнительные поднесущие. В этом случае информационный сигнал предварительно модулируется тем или иным традиционным методом модуляции (AM, FM, PM, FSK, PSK, РСМ и т.д.), а далее модулированные поднесущие используются для выполнения временной модуляции рабочих импульсов.

Еще одна интересная особенность UWB происходит от радиолокации, а именно потенциальная возможность создавать сети, способные определять геометрическое расположение участников. Для этого могут быть применены фазированные антенные решетки. Подобная возможность полезна для адресации. Кроме того, в этом случае возможно создание динамической диаграммы направленности антенны, чтобы наилучшим образом принимать сигналы, идущие от конкретного устройства. Этот подход еще более увеличит пространственную эффективность использования эфира.

Все преимущества технологии UWB перед узкополосными и широкополосными системами следуют из самой физической сути формирования, передачи и приема сверхширокополосных сигналов. Наиболее значимые преимущества приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Преимущества технологии UWB перед узкополосными и широкополосными системами

Преимущества технологии UWB

Примечание

Большие скорости передачи информации

До 500 Мбит/с и выше

Высокая пропускная способность

До тысячи каналов одновременного доступа к цифровому дуплексному каналу на скорости 64 Кб/с

Высокая помехозащищенность

Влияние узкополосных помех незначительно

Устойчивая связь в условиях многолучевого распространения радиоволн

Используется очень большой спектр сигналов

Окончание

Преимущества технологии UWB

Примечание

Высокая степень защищенности связи от перехвата

Приемники обычных радиосистем воспринимают UWB-сигналы как случайные помехи

Высокая электромагнитная совместимость

Шумоподобная структура и обычно довольно малые уровни сигналов UWB-систем практически не создают помех для других устройств

Высокая проникающая способность

Может эффективно использоваться, например, для целей подповерхностной радиолокации и наблюдения через стены или связи в условиях преград

Возможность измерения расстояний с очень высокой точностью

Весьма малая длительность импульсов обусловливает возможность определения расстояний с погрешностью до единиц сантиметров

Возможность работы с малой излучаемой мощностью

Малые энергозатраты

Техническая простота и относительная дешевизна аппаратурной реализации

Исследования в этом направлении наряду с Intel ведут компании Fujitsu, Sony и ряд других

Результаты проведенного сравнения различных технологий связи представлены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Название технологии (стандарт)

Дальность, м

Частота, ГГц

Ширина канала, МГц

Пропускная способность, Мбит

UWB

10

3,1—10,6

7500

до 500

802.11b

100

2,4

80

ДО 11

802.11а

50

5

200

до 54

Bluetooth

100

2,4

80

ДО 1

Технические и эксплуатационные преимущества UWB-техно- логии позволяют уверенно прогнозировать для такого оборудования широчайшие возможности ее применения. Большинство нынешних применений UWB-систем можно отнести к одной из двух категорий.

Первая — это средства радиосвязи малого радиуса действия для передачи речи, данных или сигналов управления, вторая — радарные системы и системы идентификации и определения местоположения объекта. К первой категории, в частности, относятся высокоскоростные радиолинии передачи на небольшие расстояния (до 1 км) для локальных и персональных беспроводных сетей. В офисе UWB-станция способна заменить провода, соединяющие компьютер с мониторами, клавиатурой, мышью, громкоговорителями, принтерами, локальной сетью. Технология UWB также может быть использована для высокоскоростной синхронизации между PDA, ноутбуками и мобильными телефонами, поскольку сигналы UWB сравнительно устойчивы к многолучевому затуханию, возникающему при отражении волны от стен, потолка, зданий, транспортных средств и интерферирующему с непосредственным сигналом. UWB-технология особенно интересна для рынка беспроводных мобильных систем с высоким уровнем передачи данных.

Следующая сфера применения радиосвязи с малым радиусом действия — системы безопасности, оснащенные датчиками движения, например электронные заграждения и устройства предупреждения о приближении объектов. UWB-технология может быть использована в медицинских приложениях, таких как мониторинг работы сердца, органов дыхания и т.п.

С помощью UWB-датчиков можно создать средства защиты автомобильных систем, начиная от простых систем предотвращения столкновений или дистанционного управления замками до значительно более сложных интеллектуальных приложений для скоростных автодорог. Возможность измерения расстояний с точностью до сантиметров позволяет широко использовать системы UWB для определения местоположения различных объектов.

Совокупность таких свойств, как высокая помехозащищенность, скрытность, малое энергопотребление и простота реализации, позволяет реализовать скрытную беспроводную связь, высокоскоростную передачу больших массивов информации.

С помощью данной технологии могут быть реализованы локационные системы, которые способны обнаруживать неглубокие залежи различных минералов, определять местонахождения неметаллических труб, пластиковых мин, археологических ценностей, трещин в мостах и дорожном покрытии, находить людей под завалами или снежными лавинами и т.д.

На базе технологии UWB можно создать устройства передачи изображения, обеспечивающие безопасность работ при строительстве и ремонте зданий, устранении последствий стихийных бедствий и др.

Перспективы развития технологии UWB. Первые прототипы коммерческого сверхширокополосного оборудования были продемонстрированы еще в середине 2001 г. Очередной этап становления технологии UWB наступил в феврале 2003 г., когда международный Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) одобрил беспроводной стандарт 802.16a, основанный на UWB и ориентированный на использование при строительстве беспроводных сетей масштаба города — Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN).

Основные производители, такие как компании Intel, Cisco, Fujitsu, Motorola, Siemens, Sony, Texas Instruments, Time Domain, Xtreme Spectrum и др., вышли на рынок с оборудованием для UWB-систем уже в конце 2003 — начале 2004 г. Их появление поставило под вопрос доминирующую позицию стандарта WLAN (802.1 lx). Основным сектором рынка для внедрения ультраши- рокополосной связи станут «Беспроводные домашние сети». В США проводится тестирование в целях изучения вопроса о промышленном использовании UWB в диапазоне свыше 10 ГГц. В настоящее время рабочей группой Ultra Wideband Working Group разрабатывается спецификация на радиоинтерфейс для UWB со скоростью передачи 110—480 Мбит/с на расстояния до Юм.

Таким образом, по потенциальной пропускной способности и удельной плотности передачи данных технология UWB не имеет себе равных на расстояниях до 10 м и может стать альтернативой скоростным проводным стандартам.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >