Hlavní navigace

Infračervené sítě

Rita Pužmanová 20. 1. 2004

Nejen rádiové sítě plní dobře svoji funkci v bezdrátové komunikaci, ale stále častěji se k nim připojují také optické bezdrátové sítě. Ty výborně fungují ve venkovním prostoru, ale jakou šanci mají pro vnitřní? Infračervené sítě mají své výhody, ale řešení jejich nedostatků je zatím spíše ve fázi výzkumu.

Pro domácí bezdrátovou komunikaci se nemusí používat pouze rádiové spojení, ale lze využít komunikace pomocí infračervených paprsků. Nejčastější využití infračervené komunikace je pro dálkové ovládání TV přijímačů nebo HiFi zařízení spotřební elektroniky, ale zkouší se i „opravdické“ sítě. Infračervený paprsek má však problém s překážkami, což limituje využití sítě spíše na dvoubodovou komunikaci mezi infračervenými porty elektronických zařízení na krátkou vzdálenost.

Existují dvě možnosti využití infračerveného záření: přímo, koncentrované paprsky jsou namířeny směrem k příjemci, nebo rozptýleně (DFIR, Diffused Infrared), kdy se paprsky vyšlou různými směry a odrazem od stěn se dostanou k cíli. Druhou variantu ve svých počátcích nabízela také prapůvodní WLAN 802.11 jako alternativu k rádiovým fyzickým vrstvám na bázi rozprostřeného spektra. Navazující 802.11a/b/g ji již nenabízejí.

IrDA

Specifikací protokolů pro infračervenou komunikaci se zabývá průmyslové sdružení Infrared Data Association (IrDA). První specifikace IrDA vznikla v roce 1993 jako náhrada kabelů (dvoubodová sériová infračervená komunikace), ale záhy se vyvinuly další normy pro bezdrátovou komunikaci: protokol IrOBEX (InfraRed OBject EXchange) pro bezdrátovou výměnu vizitek, záznamů v kalendáři a dalších objektů. S nástupem PDA se začala IrDA integrovat nejen do těchto přenosných zařízení, ale i do laptopů, mobilních telefonů či tiskáren.

Infračervený vysílač je dioda (LED, Light Emitting Diode) pracující v pásmu 780–950 nm. Výstupní intenzita záření je omezena předpisy pro bezpečnost očí na 500 mW/Sr, ale běžně se pohybuje dokonce pod 100 mW/Sr. Šíření infračerveného záření je obdobné jako u viditelného světla. Přímá viditelnost není díky schopnosti odrazů v uzavřeném prostoru (60–90 procent světla jsou stěny a stropy schopny odrážet a rozptýlit) obecně přísnou podmínkou pro infračervené sítě, ale IrDA ji vyžaduje.

Infračervené záření (optická bezdrátová komunikace) má mnohem větší šířku pásma než rádiová komunikace a není limitováno dostupným spektrem. Teoreticky je kapacita optické bezdrátové LAN omezena jen výkonností transceiveru a vlastnostmi kanálu.

Protokolová architektura

Protokoly se v rámci specifikace IrDA Data dělí na povinné a volitelné (viz obrázek 1). Povinné protokoly jsou následující:

  • IrPHY (Infrared Physical layer specification) – fyzický protokol
  • IrLAP (Infrared Link Access Protocol) – navazuje spolehlivé spojení, protokol založený na HDLC
  • IrLMP (Infrared Link Management Protocol) – multiplexuje službu a aplikace na spojení LAP
  • LM-IAS (Link Management – Information Access Service) – zpřístupňuje informace o službách jednotlivých zařízení.

1064


Obrázek 1: Protokolová architektura IrDA.

Fyzický protokol IrPHY 1.0 (SIR, Serial InfraRed) v rámci první verze IrDA 1.0 podporoval sériovou asynchronní komunikaci v režimu polovičního duplexu s přenosovou rychlostí 2,4 kbit/s až 115,2 kbit/s. Vzdálenost mezi zařízeními je do jednoho metru s polem vidění (FOV, Field of View) 15° až 30°.

IrPHY 1.1 (FIR, Fast InfraRed) nabízí maximální rychlost 4 Mbit/s na fyzické vrstvě. Je vhodná pro rychlou bezdrátovou komunikaci v malém dosahu a v přímé viditelnosti mezi PC, digitálními kamerami, příručními elektronickými datovými zařízeními.

Protokol IrLAP slouží ke zjišťování zařízení v síti, řešení konfliktů adres, ke zjišťování, zda jiné zařízení je dostupné pro navázání spojení (sniffing), pro navazování spojení se specifickou QoS a pro přenos dat (se spojením specifickému cílovému uzlu nebo bez spojení všem).

IrDA je autokonfigurační systém, kde se používají dva typy adres:

  • adresa zařízení (v délce 32 bitů) – generuje ji a spravuje interně každé zařízení IrDA; jakmile se zařízení inicializuje, generuje náhodné číslo, které má použít jako adresu zařízení; v případě kolize adresy s jiným uzlem v IrDA je zařízení vyzváno ke změně adresy
  • adresa spojení (v délce 7 bitů) – identifikuje dané spojení s jiným systémem; jakmile se naváže spojení, primární stanice alokuje náhodné číslo, které však nesmí kolidovat s jinou aktivní adresou spojení

Mezi volitelné protokoly patří transportní TinyTP (Tiny Transport Protocol), protokol pro řízení toku na základě kreditů, IrCOMM jako emulátor sériového a paralelního spoje portu (jak pro spojení DTE-DCE, tak DTE-DTE) a protokol pro komunikaci s lokální sítí IrLAN. IrLAN umožňuje připojení počítače k bezdrátové LAN prostřednictvím přístupového bodu (IrLAN adaptéru), nebo umožňuje dvoubodovou komunikaci mezi počítači, případně umožňuje připojení počítače k LAN prostřednictvím jiného již připojeného PC.

IrDA existuje ještě ve zjednodušené variantě (IrDA Lite) pro minimalistické implementace infračervené komunikace, snižující cenu použitých zařízení. Specifikace zjednodušuje IrLAP a IrLMP moduly, eliminuje volitelné možnosti, podporuje řadu předdefinovaných hodnot a používá i zjednodušené algoritmy pro zjištění ostatních zařízení komunikujících prostřednictvím Ir­DA.

IrDA versus Bluetooth a WiFi

Porovnání IrDA s klasickými řešeními WLAN a WPAN naznačuje obrázek 2.

1067


Obrázek 2: Porovnání IrDA s Bluetooth a WiFi

Vylepšená infračervená komunikace

AIr (Advanced Infrared) specifikuje optickou bezdrátovou lokální síť. Podobně jako 802.11 používá modulaci PPM (Pulse Position Modulation). AIr užívá 4-PPM pro rychlost 4 Mbit/s (s délkou pulsu 125 ns), 2 Mbit/s, 1 Mbit/s, 500 kbit/s a 250 kbit/s. Na rozdíl od 802.11 byla důvodem pro specifikaci více rychlostí snaha po udržení konektivity v různorodém vnitřním prostředí. Nejnižší rychlost umožňuje zvýšit dosah AIr s použitím opakovacího kódování (repetition coding). Ještě rychlejší varianta VFIr (Very Fast Infrared) nabízí rychlost 16 Mbit/s na základě kódováním typu RLL (Run Length Limited).

Protokol pro řízení přístupu k médiu (MAC, Media Access Protocol) podobně jako u 802.11 obsahuje rezervační mechanismus, aby se minimalizoval tzv. problém skryté stanice. Zdrojová stanice si před vysláním dat vymění s cílovou stanicí dva minipakety: Request-to-Send (RTS) a Clear-to-Send (CTS). RTS a CTS inzerují informaci o době, kdy bude kanál obsazen následujícím vysíláním, které může obsahovat více datových paketů. Všechny stanice, které zachytí RTS nebo CTS pakety, se zdrží vysílání až do vypršení rezervační doby.

V rámci specifikace AIr se výměna RTS/CTS používá k dojednání rychlosti, jež se bude používat. Oba pakety obsahují pole o délce 4 bitů, které specifikuje faktor redukce rychlosti (RR, Rare Reduction), který může nabývat hodnot 1, 2, 4, 8 a 16 (proto AIr může podporovat pět rychlostí). Vysílající stanice navrhne RR ve svém rámci RTS. Cílová stanice indikuje nejvhodnější úroveň redukce rychlosti v rámci CTS, a to na základě měření v průběhu příjmu rámce RTS.

Pozice infračervených sítí

Největší výhodou infračerveného záření je dostupnost kmitočtového spektra. Infračervené sítě jsou také vysoce bezpečné, protože neopouštějí místnost, tedy ani zamýšlený dosah sítě. Ze stejného důvodu také infračervené sítě nejsou nikde regulovány. Kmitočtové pásmo navíc může být v sousední místnosti opětovně použito, nemusí se sdílet jako při běžné rádiové komunikaci.

Infračervené sítě trpí ale jinými problémy, z nichž nejzávažnější je vysílací výkon. Bez ohledu na směrové charakteristiky transceiverů a splnění podmínek přímé viditelnosti je dosah sítí velice omezený. Potřebný vysílací výkon či maximální dosah jsou určeny především citlivostí přijímače.

Zatím nemají šanci nahradit rádiové vnitřní sítě, protože jejich dosah a rychlost jsou mnohem menší. Přitom nemají takový problém se zvýšením přenosové kapacity jako se zlepšením dosahu. Difusní infračervené systémy, které se testují, dosud trpí příliš malou citlivostí přijímače a vysokou ztrátou na cestě (path loss).

Holografie a bezpečné bezdrátové sítě

Optický bezdrátový systém založený na vícebodové difusní architektuře může docilovat rychlostí srovnatelných dokonce s pevnými LAN a překonat WLAN. Zatím se s těmito systémy experimentuje. Výzkumníci na Univerzitě v Ottawě, School of Information Technology and Engineering vyvinuli holografický difuzér, který rozptyluje infračervené laserové záření do velkého prostoru, aby bylo možné využít bezdrátového vysílání do hodnot 37,1 mW bezpečných pro oči. Difusér rozšíří velikost laserového paprsku na desetinásobek a jednotně rozprostře vyzařovací diagram do oblasti o velikosti přibližně 4×5 metrů ve vzdálenosti dva metry, takže zdroj může být silnější. Holografický optický prvek implementovaný ve vysílači i v přijímači dokáže zvýšit poměr signál/šum o více než 11 dB.

Bezpečnostní pravidla pro oči omezují vysílací výkon na 0,24 mW při 850 nm. Přitom nižší vysílací výkon současně znamená vyšší chybovost. Výzkumníci předpokládají, že budou schopni převést výstup z bodového výkonnějšího zdroje tak, aby byl bezpečný stejně jako z rozšířeného zdroje.

Zkoumanou technologii bude možné uplatnit také v hybridní podobě pro domácí sítě (viz obrázek 3): v dopředném směru se bude využívat infračervených signálů, zatímco ve zpětném směru mikrovlnné technologie (Bluetooth).

1066


Obrázek 3: Hybridní rádiová a infračervená domácí síť

Anketa

Má infračervená vnitřní síť naději na uplatnění?

Našli jste v článku chybu?

5. 3. 2006 1:25

uživatel si přál zůstat v anonymitě
a co ronja?

27. 1. 2004 20:04

Rita Pužmanová (neregistrovaný)
Omezeni pro bezpecnost oci by se mela ridit normami IEC 825-1 a CENELEC EN 60825-1.
DigiZone.cz: Recenze Westworld: zavraždit a...

Recenze Westworld: zavraždit a...

Vitalia.cz: Z tohoto konopí dělají léčivé masti

Z tohoto konopí dělají léčivé masti

Podnikatel.cz: Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Měšec.cz: U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

Měšec.cz: Kdy vám stát dá na stěhování 50 000 Kč?

Kdy vám stát dá na stěhování 50 000 Kč?

Root.cz: Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Root.cz: 250 Mbit/s po telefonní lince, když máte štěstí

250 Mbit/s po telefonní lince, když máte štěstí

Měšec.cz: Finančním poradcům hrozí vracení provizí

Finančním poradcům hrozí vracení provizí

DigiZone.cz: Milan Kruml: procházka TV historií

Milan Kruml: procházka TV historií

Lupa.cz: Seznam mění vedení. Pavel Zima v čele končí

Seznam mění vedení. Pavel Zima v čele končí

Root.cz: Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Podnikatel.cz: Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Lupa.cz: Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

120na80.cz: Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

120na80.cz: Stoná vaše dítě často? Upravte mu jídelníček

Stoná vaše dítě často? Upravte mu jídelníček

Měšec.cz: Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Měšec.cz: Banky mlží o nákladech na předčasnou splátku hypotéky

Banky mlží o nákladech na předčasnou splátku hypotéky

Měšec.cz: Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Podnikatel.cz: Na poslední chvíli šokuje výjimkami v EET

Na poslední chvíli šokuje výjimkami v EET

DigiZone.cz: Flix TV má set-top box s HEVC

Flix TV má set-top box s HEVC