Научная статья посвящена исследованию универсального частотного диапазона ISM (Industrial, Scientific, Medical), который используется для обмена данными во всем мире. Кратко рассмотрены особенности и области применения распространенных стандартов беспроводной связи диапазона ISM.
Ключевые слова: ISM (Industrial, Scientific, Medical), частотный диапазон, Wi-Fi, беспроводная сеть, Bluetooth, технология MIMO .
ISM (Industrial, Scientific, Medical) — представляет собой универсальный доступный и открытый не лицензируемый частотный диапазон. Выбор и конкретизация этого диапазона частот обусловлено желанием регулирующих органов различных стран выделить ISM диапазон как общий для беспроводных устройств. Также появилось множество беспроводных стандартов, обеспечивающих совместимость работы устройств в данном диапазоне. Одной из главных причин стало желание ухода от фиксированной проводной связи.
Проводная связь обеспечивала надёжную передачу информации на высокой скорости, обладая большим сроком службы. С распространением различных мобильных устройств, требующих постоянный обмен информацией, проявились отрицательные стороны и ограничения фиксированной связи. В большинстве случаев прокладка проводов является затруднительной, особенно в сельской или горной местности. В локальных сетях, наличие множество устройств подразумевало бы проводное подключение к каждому из них, что было бы некомфортно и неэкономично. Стоимость проводной системы прямо зависит от длины и качества используемого провода, а в сети между устройствами, расположенными на колоссальном расстоянии, могут потребоваться повторители, для компенсации падения уровня сигнала. Вышеперечисленные недостатки стали причиной внедрения беспроводных технологий.
Наиболее частыми используемыми частотными диапазонами являются 2,4 ГГц и субгигагерцовые частоты. Системы, спроектированные для работы в ISM диапазоне, обладают низким энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных, но с новыми версиями стандартов этого диапазона скорость передачи данных увеличивается. В последнее время идёт освоение диапазона 5 ГГц. Такое решение постепенно осваивается из-за довольно сильно перегруженности частоты 2,4 ГГц. Важно при разработке продуктов ISM диапазона учитывать отличия между 2,4 ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот. При работе в различных географических областях 2,4 ГГц могут обеспечить функциональную совместимость с другими системами.
У ISM полосы частот всё же имеются минусы. Основным минусом является наличие огромного количества устройств, работающих в этом диапазоне частот. В основном это Wi-Fi и Bluetooth устройства. В этом диапазоне работают такие системы как ZigBee и IEEE 802.15.4. Из приборов, не относящихся к беспроводной системе связи, самыми популярными являются микроволновые печи. Работа этих устройств при нахождении в одной сети (или вблизи друг от друга) может вызвать сильные помехи.
Не менее значительным минусом является сильное поглощение радиоизлучений частоты 2,4 ГГц окружающей средой, что ограничивает работу диапазона.
Для работы в диапазоне ISM было образовано множество беспроводных стандартов, которые обеспечивают широкие возможности для разработчиков беспроводных продуктов. Они различаются по дальности связи, скорости передачи данных и способу модуляции. Самыми распространёнными из беспроводных стандартов можно выделить Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee и IEEE 802.15.4. Все из перечисленных стандартов работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц.
Bluetooth, технология базируемая на стандарте IEEE 802.15.1, позволяет устанавливать связь между устройствами в диапазоне частот 2.4…2,4835 ГГц. Технология предназначена для обмена информации между мобильными и стационарными устройствами, такими как телефоны, принтеры, персональные компьютеры (зачастую с использованием внешнего USB Bluetooth модуля), ноутбуки, лэптопы и наушники. Передача данных может осуществлять в радиусе до 10…100 метров между устройствами, но на качество и скорость передачи данных будет влиять наличие преград между и помех на канале связи. Стандарт Bluetooth имеет три уровня выходной мощности.
Устройства высокого класса 1 обеспечивают мощность до 100 мВт, 20 дБм и обладают радиусом до 100 метров. Устройства класса 2 имеют мощность 2,5 мВт, 4 дБм, и действуют в радиусе 10 метров. Устройства низкого класса 3 имеют мощность 1 мВт, 0 дБм и имеют радиус 1 метр.
В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду, согласно алгоритму FHSS. Всего выделяется 79 рабочих частот шириной по 1 МГц. В странах Япония, Франция и Испания полоса имеет 23 частотных канала. Для каждого соединения выбирается своя частота, которая синхронно меняется на соединённых устройствах каждые 625 микросекунд, т. е. один временной слот. Это предназначено для того, чтобы несколько пар устройств, работающих в одном месте, не мешали друг другу, и не создавали друг другу помехи. Также этот алгоритм позволяет обеспечить надёжную защиту и конфиденциальность передаваемой информации. Переход между каналами определяемыми для каждого соединения по отдельности, происходит по псевдослучайному алгоритму.
При передаче аудиосигналов и цифровых данных в обоих направлениях используются схемы кодирования. Как правило, аудиосигнал не повторяется, а цифровые данные передаются повторно, в случае утери пакета информации. Протокол Bluetooth поддерживает как соединение «точка-точка» (point-to-point), так и соединение «точка-множество точек» (point-to-multipoint). В 2009 г. Bluetooth SIG представили новую версию стандарта Bluetooth 4.0, который отличает низкое энергопотребление из-за технологии Bluetooth Low Energy. Данный стандарт предназначен для меньшего потребления мощности при обмене данных.
Технология Bluetooth Low Energy позволила обеспечить связь между миниатюрными устройствами, такими как часы или датчики, которые используются в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и другие. Потребляя меньше энергии, такие датчики не требуются в постоянной подзарядке. Низкое энергопотребление устройств, работающих на технологии Bluetooth 4.0, достигается за счёт его алгоритма работы. Передатчик в основное время находится в режиме пониженного энергопотребления, и включается только для отправки данных. Это обеспечивает работу устройства от одной батарейки в течение нескольких лет. При включении устройство устанавливает соединение с приемником меньше чем за 5 микросекунд, и способно поддерживать его на расстоянии до 100 метров.
Датчики температуры, влажности, давления, скорости передвижения, пульса и другие способны осуществлять отправку данных на ПК, ноутбуки, мобильные телефоны, персональные компьютеры, используя этот стандарт Bluetooth [1].
Wi-Fi, технология базируемая на наборе стандартов IEEE 802.11, за исключением 802.11n, как и Bluetooth работает в полосе частот ISM диапазона, а именно 2,4…2,4835 ГГц.
Эта технология широко распространена в беспроводных сетях, объединяющих компьютеры, мобильные телефоны, планшеты и другие устройства для связи с Интернетом. К проблемам Wi-Fi можно отнести безопасность сети, так как существует возможность проникновения в беспроводную локальную сеть извне.
Сеть Wi-Fi подразумевает наличие не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Существует возможность подключения двух клиентов в режиме «точка-точка» (point-to-point), когда они соединяются «напрямую» с помощью сетевых адаптеров. Точка доступа передаёт SSID свой идентификатор сети с помощью сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с. Передача таких пакетов проходит каждые 100 миллисекунд. 0,1 Мбит/с наименьшая скорость передачи данных для технологии Wi-Fi. Данный стандарт даёт клиенту широкие возможности и свободу выбора критериев для соединения.
В 2009 г. был принят стандарт IEEE 802.11n, позволяющий повысить скорость при передаче информации практически в четыре раза, в сравнении со скоростью передачи информации стандартов 802.11g, с максимальной скоростью 54 Мбит/с. Теоретически IEEE 802.11n способен обеспечить скорость передачи информации до 600 Мбит/с.
Устройства стандарта IEEE 802.11n могут работать как в диапазоне 2.4 ГГц, так и в новом диапазоне 5 ГГц, что повышает гибкость их применения. Также использование диапазона 5 ГГц позволяет отстроиться от источников радиочастотных помех, что значительно повышает характеристики работающих в этом диапазоне устройств. Устройства 802.11n способны работать в трёх режимах.
Наследуемый режим (legacy) обеспечивает поддержку устройств предыдущих поколений стандарта Wi-Fi. (802.11b/g и 802.11a). Смешанный режим (mixed) поддерживает устройства, как и предыдущих поколений, так и данный стандарт IEEE 802.11n. Чистый режим позволяет пользоваться всеми преимуществами этого поколения Wi-Fi — повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных. Спецификация стандарта 802.11n предусматривает использование каналов как стандартных шириной 20 МГц, так и каналов широкополосных 40 МГц с улучшенной пропускной способностью.
Ключевым компонентом стандарта 802.11n является технология MIMO (Multiple Input, Multiple Output), которая предусматривает применение пространственного мультиплексирования для одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу. Также технология MIMO применяет многолучевое отражение, обеспечивающее доставку каждого бита получателю с маленькой вероятностью потерь данных и влияния помех. Именно это определяет высокую пропускную способность устройств, работающих на стандарте IEEE 802.11n.
По всему миру Wi-Fi имеет разделение на 11 каналов, выделенных пользователям. В России разрешены к использованию 13 беспроводных каналов. В обоих случаях три канала: первый, шестой и одиннадцатый являются не пересекающимися, и не создают друг для друга помех. В остальных случаях происходит перекрытие каналов, и их наложение друг на друга. В основном на Wi-Fi роутерах стоит режим автонастройки канала, но в большинстве случаев, при нахождении в одной сети более трёх Wi-Fi роутеров, возникает переключение по каналам на каждом, и в любом случае будет возникать перекрытие.
Если на беспроводном адаптере установлен номер канала 12 или 13, то устройство, предназначенное для использования в США, не увидит точку доступа. Это можно исправить лишь вручную на адаптере, перенастроив канал на любой в диапазоне с 1 по 11 [2].
В этом кратком обзоре мы не будем рассматривать технологию ZigBee, построенную на базе стандарта IEEE 802.15.4, работающий в ISM полосе частот, в диапазоне 2,4 ГГц. Этот стандарт предназначен для приложений, требующих большого времени для автономной работы от батарей, и требующих большую безопасность при меньших скоростях передачи данных.
Беспроводная сеть ISM диапазона используется во всех областях жизни, что требует продуманного распределения частотного спектра, выделенного для этого диапазона. Другой задачей является борьба с помехами, вызванными высокой степенью загруженности этого диапазона частот.
Литература:
- Стандарты беспроводной связи диапазона ISM [Электронный ресурс] / Время электроники. — URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2187/doc/53409/ (дата обращения: 25.05.2022).
- Как работает VPN соединение [Электронный ресурс]. — URL: https://fb.ru/article/221829/kak-rabotaet-vpn-soedinenie (дата обращения: 27.05.2022).
