Беспроводная передача данных на коротких расстояниях

Традиционно беспроводные подключения используются для решения одной из двух принципиально различных задач. Первая задача -- передача данных на значительные расстояния, где по каким-то причинам невозможно или нерентабельно использовать кабель. Вторая -- передача данных на короткие расстояния, когда вроде бы и можно было бы использовать проводное подключение, однако, это неудобно, не унифицировано, требует дополнительного элемента (как минимум, самого провода с заданными характеристиками).

При этом очень часто пользователям важно, чтобы зона охвата беспроводных передатчиков была не просто мала, а ограничена, как говорят математики, "сверху", например, чтобы однотипные устройства в разных уголках дома или квартиры не мешали друг другу. Также ограничение по расстоянию -- дополнительная гарантия безопасности, т.е. гарантия того, что никто с улицы не сможет перехватить данные, передаваемые во время синхронизации сотового телефона с КПК. Стандарты малого радиуса действия удобны также и потому, что по отношению к ним применяется более мягкая политика надзорных органов в области распределения радиочастот. При условии отсутствия помех другим устройствам, а также при отсутствии требований к защите от помех со стороны прочих радиоэлектронных средств, такие стандарты могут лишь однажды получить одобрение у ГКРЧ и затем использоваться без оформления отдельных разрешений. На таких условиях, например, одобрены технологии ZigBee и Bluetooth. (см решение ГКРЧ о выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия)

В быту подключения на малые расстояния могут применяться для подсоединения периферии или аудио-видео оборудования к домашнему компьютеру, как способ синхронизации персональных гаджетов и т.п.. Поэтому производители оборудования и персональных устройств "массового потребления" чрезвычайно заинтересованы именно в разработке вариантов соединений на коротких дистанциях. Ведь с одной стороны, удачно разработанный и внедренный беспроводной стандарт, - это рост продаж устройств, даже в условиях кризиса, с другой стороны – способ получения дохода от применения разработки в устройствах конкурентов. Это лишь одна из причин того, что за последние 5 – 8 лет количество интерфейсов и стандартов (как официальных, так и нет) для беспроводной связи на коротких дистанциях перевалило за десяток. Рынок связи на малых расстояниях находится на стадии становления, но сейчас уже можно выделить группу лидеров среди разработчиков интерфейсов, одному или нескольким из которых в будущем выпадет задача "править бал". В этой статье мы постараемся дать основные характеристики наиболее известных и перспективных разработок.

Почему не Wi-Fi и Bluetooth?

Два наиболее распространенных на сегодняшний день стандарта беспроводной связи - Wi-Fi и Bluetooth. Соответствующие адаптеры есть практически во всех ноутбуках; один из интерфейсов (а иногда и оба) встраивается "по умолчанию" в коммуникаторы и сотовые телефоны. Почему же этого не достаточно?

Зона охвата и Wi-Fi, и Bluetooth измеряется десятками метров. Это существенно больше того, что обычно требуется для синхронизации или подключения периферии, если только ваш принтер не стоит в другой комнате (но, если речь идет не о сети, а об отдельном ПК с одним принтером, это скорее экзотическое исключение из правил). Большая зона охвата означает высокое энергопотребление и передатчика, и абонентского устройства. Соответственно, для задач, где требуется долгая автономная работа устройств, нужно придумывать что-то другое. У Bluetooth сейчас появилась версия с низким энергопотреблением, но продажи устройств начнутся, вероятно, только в 2010 году. Большая зона охвата означает к тому же возможность перехвата сообщений злоумышленниками, поджидающими за углом.

Подключение как по Wi-Fi, так и по Bluetooth требует от пользователя дополнительных действий (настройки), кроме того, установка соединения занимает некоторое время. Есть приложения, когда это неудобно.

Оба стандарта обеспечивают относительно низкую скорость передачи данных, явно недостаточную для комфортной передачи больших объемов данных, например, для закачки видео с компьютера на портативное устройство. Bluetooth позволяет передавать полезные данные со скоростью около 2 Мбит в секунду (при ассиметричном канале), а Wi-Fi - около 20Мбит /с. Ведутся разработки новых модификаций стандарта, которые позволят передавать данные с бОльшими скоростями, но особых чудес не предвидится. Вместе с этим стоимость устройств для хранения информации падает с невообразимой скоростью, и еще быстрее растут объемы пользовательских данных. В скором времени старые спецификации Wi-Fi и Bluetooth по своей скорости в принципе перестанут удовлетворять пользовательским запросам.

Конечно, существуют задачи, при решении которых специализированные стандарты, работающие только на коротких расстояниях, не могут конкурировать с Bluetooth и Wi-Fi. Однако, они имеют ряд неоспоримых преимуществ, если речь идет о подключениях на коротких расстояниях, например, для синхронизации:

• Короткие расстояния снимают ограничения на ширину используемого при передаче спектра, стало быть, существует возможность значительно повысить скорости передачи данных.
• Следует отметить высокую помехозащищенность такого канала, соответственно, скорость можно повышать не только за счет расширения полосы, но и за счет логики интерфейса, т.е. исключения сложных алгоритмов контроля передачи.
• Ограничения на зону охвата повышают безопасность подключения даже без использования экзотических способов защиты. Самым безопасным подключением до сих пор является провод, но, если злоумышленник получит полезный сигнал, мощность которого будет существенно ниже обычного шума, он просто не сможет использовать его в своих целях.

Но перейдем к самим стандартам. Начнем, пожалуй, с самого "короткодействующего" - Near Field Communication.

Near Field Communications

В широком смысле понятие Near Field Communication (NFC, ближнепольные коммуникации) охватывает все множество технологий, обеспечивающих обмен данными на расстояниях порядка нескольких сантиметров. Основная сфера применения NFC – мобильные технологии: как для синхронизации устройств, так и для дополнения мобильного телефона функциями универсально проездного билета или банковской карты. Яркий пример NFC – это бесконтактные смарт-карты, используемые в общественном транспорте многих городов мира, в том числе и в Московском метрополитене. В смарт-карту встраивается пассивная метка (RFID- radio frequency identification), на которую записана определенная информация. Специальное считывающее устройство - RFID reader - умеет ее считывать, причем очень быстро, без длительной предварительной установки соединения. Используется частота 13,56 МГц

Термин Near Field Communication так же относится к конкретному высокочастотному беспроводному стандарту, поддержкой и разработкой которого занимается некоммерческая организация NFC Forum. В состав форума входят такие компании, как Hewlett-Packard, Innovision Research & Technology PLC, Inside Contactless, MasterCard Worldwide, Microsoft Corporation, NEC Corporation, Nokia Corporation, NTT DOCOMO, INC., NXP Semiconductors, Panasonic, Renesas Technology Corp., Samsung Electronics Co., Sony Corporation, STMicroelectronics N.V., Visa Inc. и многие другие. Разработку NFC в той или иной степени поддерживают многие мобильные операторы мира. Следует отметить, что NFC является официально одобренным стандартом ISO/IEC, ETSI а также ECMA.

Сам принцип действия NFC отличается от привычных стандартов беспроводной связи. Данные передаются посредством индукции магнитного поля. Стандарт представляет собой дальнейшее развитие идеи уже упоминавшихся ранее бесконтактных смарт-карт, поддерживая множество созданных ранее технологий. NFC работает в частотной полосе около 13,5 МГц при ширине полосы пропускания около 2 МГц. Дальность передачи данных – до 20 см, что существенно ограничивает список потенциальных опасностей, грозящих пользователям NFC. Скорость передачи ограничивается килобитами в секунду, однако, этого достаточно для обозначенных стандартом сфер применения: мобильные билеты, эмуляция мобильным устройством бесконтактных смарт-карт, пассивное считывание меток на товарах в супермаркетах и т.п. Диапазон частот, используемый данным стандартом, официально разрешен в России для использования индукционными устройствами малого радиуса действия (см. Приложение 4 к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001; в данном случае ограничивается лишь магнитная напряженность поля на расстоянии 10 м).

Главное преимущество NFC по сравнению с ближайшими аналогами: быстрое начало обмена данными и способность работать даже в условиях сильной зашумленности выбранной полосы частот. NFC подразумевает возможность "пассивного" режима работы, при котором устройство может и не иметь собственного источника питания. Кроме того, аппаратное обеспечение для поддержки NFC является более дешевым, чем, например, аналогичные чипы для Bluetooth.

Важно, что на данном этапе NFC уже не является делом далекого будущего. С разных концов мира поступают сообщения о том или ином варианте применения данной технологии. Не так давно Visa продемонстрировала способ безопасной оплаты покупок при помощи NFC; а Nokia в апреле этого года анонсировала первый мобильный телефон с интегрированной поддержкой NFC (Nokia 6216 classic).

Существуют идеи о внедрении NFC в технологию Bluetooth для устранения его основных недостатков – длительности подключения и необходимой настройки. С NFC соединение двух мобильных устройств по Bluetooth можно будет свести к простому касанию (в данном случае прикосновение двух устройств будет "активировать" соединение по тому же принципу, что и существующий на сегодняшний день ввод пин-кода). Аналогично NFC может использоваться для конфигурации устройств Wi-Fi и других беспроводных интерфейсов.

В конце 2008 года издание 3D News окрестило Near Field Communications одной из восьми наиболее ожидаемых мобильных технологий 2009 – 2010 годов (http://www.3dnews.ru/news/gartner_8_naibolee_ozhidaemih_mobilnih_tehnologii_v_2009_10/). С другой стороны, издание ссылается на исследования аналитической компании Gartner, по мнению которой NFC вряд ли ждет большой успех в сфере мобильных платежей в развитых странах даже к 2010 году.

TransferJet

Разработкой стандарта TransferJet занимается организация под названием TransferJet Consortium, в которую вошли Sony, Canon, Kenwood, Matsushita Electric Industrial, Pioneer, Samsung Electronics, Nikon, Olympus Imaging и другие. Организация была основана в середине 2008 года; цель членов консорциума - развитие технологии и стандартизация устройств.

Спецификация TransferJet основана на идее, принципиально отличной от NFC. Если описанный выше стандарт концентрировал свое внимание на малом энергопотреблении и быстрой установке соединения, то TransferJet изначально направлен на синхронизацию мобильных устройств. При этом радиус действия был ограничен несколькими сантиметрами, а частотная полоса расширена, чтобы обеспечивать передачу данных со скоростями до 560 Мбит в секунду. Таким образом, стандарт оперирует с низкими мощностями передатчиков, т.е. уровень интерференции нескольких устройств, находящихся в одном помещении, даже если все они одновременно что-то передают в этом частотном диапазоне, достаточно низок. Это же позволяет добиться еще одного преимущества – соответствия уровня электромагнитных сигналов локальным законодательным нормам.

Стандарт функционирует в диапазоне 4,3 – 4,8 ГГц; центральная частота: 4,5 ГГц. Следует отметить, что указанные 560 Мбит в секунду – это физическое ограничение спецификации; реальная скорость его работы – около 375 Мбит в секунду (в одну сторону); при этом скорость устанавливается в зависимости от окружающей среды.

Разработка технологии находится на завершающей стадии, о чем говорит начало приема новых участников консорциума по программе "Adopter". В своем пресс-релизе, посвященном этому событию, организация отмечает, что уже существует готовая спецификация для двух базовых уровней интерфейса (физического и канального).

Автор технологии, компания Sony, представила широкой общественности первые устройства, связывающиеся по TransferJet, еще в 2008 году (до организации самого консорциума). Работающий вариант технологии в реализации другого производителя был представлен в этом году на выставке Consumer Electronics Show (CES) компанией Toshiba.

Ultra-Wide Band

А что если требуется передать большие объемы данных на расстояния порядка метра? В этой нише функционируют сразу несколько технологий сверширокополосной связи (Ultra-Wide Band).

Как и с термином Near Field Communications, с Ultra-Wide Band возможно двоякое толкование. С одной стороны, это все множество технологий для широкополосной беспроводной передачи данных в диапазоне выше 500 МГц на короткие расстояния, а с другой – вполне конкретный стандарт, разработкой которого занимается организация под названием WiMedia Alliance. Далее в этой статье под UWB будет подразумеваться именно разработка WiMedia, как минимум потому что конкурирующие решения пользуются пока что слишком малой популярностью.

Так же как и в случае с TransferJet, разработки были направлены на обеспечение высокоскоростной связи для передачи больших объемов данных. При этом стандарт изначально был ограничен двумя нижними уровнями модели взаимодействия открытых систем; предполагалось, что он будет мспользоваться другими альянсами и технологиями. В каком-то смысле это и стало «началом конца» UWB как самостоятельного стандарта, т.к. одно за другим стали появляться сообщения о намерениях интеграции этой разработки в новые версии существующих спецификаций Bluetooth, Wireless USB и т.п. В марте этого года WiMedia Alliance подтвердил слухи о том, что все разработки будут переданы Bluetooth Special Interest Group (SIG), Wireless USB Promoter Group и USB Implementers Forum.

Это далеко не первое радикальное изменение диспозиции на рынке стандартов высокоскоростной беспроводной связи. Сама идея использования сверхширокой полосы пропускания для передачи больших объемов данных буквально «витала в воздухе», поэтому многие компании пытались продвигать собственные разработки. Постепенно многие из них угасают, как, например, идеи компаний WiQuest Communications или Intel, свернувшей программу еще в конце 2008 года. Издание 3D News отмечает здесь сразу несколько причин, от глобальных проблем регуляции стандартов, до энергопотребления оборудования, поддерживающего новшества. Стоит так же отметить глобальное снижение доходов высокотехнологичных компаний (в связи с экономическим спадом) и, стало быть, снижение их расходов на новые разработки. Кстати, по мнению аналитической компании Gartner, Bluetooth 3.0, куда уже будут включены идеи UWB, на первом месте в восьмерке наиболее ожидаемых мобильных технологий 2009 – 2010 годов.

Но это все – политика. С точки зрения технологий на данный момент спецификация WiMedia UWB прошла все необходимые бюрократические процедуры и является официальным стандартом. В 2007 году он был одобрен Международной организацией ECMA International в качестве основного стандарта ISO. Протокол WiMedia так же известен как ISO/IEC 26907.

UWB использует полосу частот 3,1 – 10,6 ГГц, обеспечивая скорость передачи до 480 Мбит в секунду (тот же диапазон, что и для TransferJet, однако, здесь применяется более широкая полоса пропускания). Столь высокие скорости возможны на расстояниях не более 3 м; на 10 м скорость падает до 110 Мбит в секунду. При еще большем удалении двух устройств друг от друга скорость падает даже быстрее чем у Wi-Fi. За счет этого свойства UWB его использование возможно и в тех странах, где указанный диапазон занят военными: их мощные передачи на дальние расстояние ни коим образом не будут мешать близким подключениям.

Wireless USB, Wireless FireWire, etc.

Wireless USB нельзя назвать самостоятельным стандартом в полном смысле этого слова. Он использует два нижних уровня (по схеме взаимодействия открытых систем) от UWB, "надстраивая" остальные уровни по-своему - по аналогии с проводным стандартом USB. Таким образом, технические параметры этого стандарта абсолютно идентичны описанному выше UWB: те же 480/110 Мбит в секунду и 3/10 метров расстояния. Сфера применения Wireless USB ничем не отличается от обычного USB: игровые контроллеры, принтеры, сканеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, MP3 и т.п. Ключевой аспект разработки Wireless USB – полная совместимость с проводным аналогом; но, т.к. в беспроводной реализации проблема нехватки свободных портов заведомо отсутствует, все устройства подключаются напрямую к хосту (без дополнительных разветвителей). Напомним, что к каждому такому хосту может подключаться одновременно до 127 устройств.

Похожим образом могут быть реализованы и другие проводные интерфейсы: так называемый Wireless FireWire, следующая версия Bluetooth и т.п. Wireless USB при этом был первым доведен до состояния сертификации и готового коммерческого стандарта; для выделения из множества однотипных технологий его иногда называют Certified Wireless USB.

Поддержкой дальнейшей разработки, а также вопросами сертификации под WUSB занимается Wireless USB Promoter Group, куда входят Intel Corporation, HP, LSI Logic, Microsoft Corporation, NEC Corporation, NXP Semiconductors, Samsung Electronics и другие, а также USB Implementers Forum. Как уже говорилось выше, в марте этого года WiMedia Alliance объявил о том, что все будущие реализации UWB будут доступны в частности и разработчикам Wireless USB. Это, а также поддержка крупных разработчиков аппаратного и программного обеспечения, позволяет надеяться на будущий успех стандарта.

WirelessHD и WHDI

На момент образования альянса WiMedia Alliance, идея UWB была, фактически, единственной, предлагавшей своим пользователям столь высокую скорость передачи данных по беспроводному интерфейсу. Однако, сейчас в ходу и более смелые идеи: WirelessHD и WHDI.

По большому счету, Wireless HD и Wireless High Definition Interface (WHDI) не могут считаться конкурентами для Wireless USB, хотя рассчитаны на работу примерно на тех же расстояниях. Это специализированные решения для передачи мультимедийного сигнала в быту (между компьютерами, домашним кинотеатром, музыкальным центром и т.п.) со скоростями в несколько Гигабит в секунду.

Спецификация WirelessHD была впервые представлена в начале 2008 года. Стандарт использует непрерывную полосу частот шириной 7ГГц в области 60 ГГц и позволяет транслировать несжатый поток аудио и видео данных HD-качества. Теоретически скорости оцениваются в 25 Гбит в секунду при передаче на расстояния до 10 м. WirelessHD поддерживается и развивается организацией, в которую входят Broadcom Corporation, Intel Corporation, LG Electronics Inc., Panasonic Corporation, NEC Corporation, SAMSUNG ELECTRONICS, CO., SiBEAM, Inc., Sony Corporation и Toshiba Corporation.

Wireless High Definition Interface (WHDI) – аналогичная технология для видео-устройств, разработанная компанией Amimon и поддерживаемая такими компаниями, как: Motorola, Hitachi, LG Electronics, SAMSUNG, Sharp и Sony. Интерфейс обеспечивает передачу видео и аудиопотоков со скоростями до 3 Гбит в секунду; для этого используется полоса частот шириной 40 МГц в диапазоне 5 ГГц. Дальность передачи может достигать 30 метров. Логически стандарт WHDI предназначен именно для передачи видео, поэтому в него включены механизмы для оптимизации передачи несжатого мультимедиа-потока.

Оба интерфейса на данный момент нельзя назвать официально внедренными, соответственно, рано говорить о лидерстве одного из них.

WiGig

Wireless Gigabit Alliance (WiGig) – еще одна группа, разрабатывающая стандарт высокоскоростной широкополосной связи в области 60 ГГц. Это прямой конкурент частным решениям Wireless HD, Wi-Fi и WHDI, при этом именно Wireless HD ляжет в его основу. Стандарт будет ориентирован не только на передачу потоковых мультимедиа-данных, но и на синхронизацию персональных устройств и создание обычных сетей. Пока известна лишь приблизительная скорость передачи данных, которая оценивается в 6 Гбит в секунду.

К слову, столь высокое внимание именно к частотам в районе 60 ГГц не случайно; в этой области наблюдается чрезвычайно высокое поглощение электромагнитных волн молекулами кислорода, содержащимися в атмосфере. Так же высоко поглощение и рассеяние на различных препятствиях, что позволяет исключить случайное увеличение дальности связи (т.е. снижение уровня безопасности, засорение эфира и т.п.).

Giga-Fi

Одна из последних разработок в области передачи данных на короткие расстояния – интерфейс Giga-Fi. Спецификация Giga-Fi вышла из недр Института исследований электроники и телекоммуникаций (Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI) в г. Сеул (Южная Корея) и на данный момент является самым высокоскоростным действующим вариантом беспроводной передачи данных, обеспечивая передачу на расстояния до 10 м со скоростью до 3 Гбит в секунду (напомним, скорость 25 Гбит в секунду для Wireless HD – пока лишь теоретическая).

Данный стандарт, в отличие от всех описанных ранее, разрабатывается не Альянсом или Консорциумом, а отдельным научно-исследовательским институтом. К сожалению, в связи с этим достаточно велика вероятность того, что Giga-Fi постигнет та же участь, что и множество самостоятельных разработок других компаний. Однако, если итоговая версия стандарта будет выпущена и пройдет необходимые бюрократические процедуры, устройства, поддерживающие Giga-Fi, могут появиться в продаже уже в этом году.

Спецификация Giga-Fi заинтересовала таких крупных мировых производителей, как Intel, IBM, Sony и Motorola, а поддержка мировых гигантов обеспечит стандарту стабильное и, скорее всего, светлое будущее.

Этот список вовсе не ограничивает множество беспроводных технологий, существующих для обеспечения связи на расстояниях до нескольких метров. Здесь мы рассказали лишь о наиболее нашумевших; к сожалению, большинство из них на данный момент находятся на стадии становления. Только время покажет, какие из этих стандартов перейдут в разряд "де факто", а какие будут отложены и забыты.

Е. Баранова