Конспект содержит материалы, излагаемые в лекционном курсе, с необходимыми рисунками и схемами

Использование существующих каналов для телеметрии

Часто для телеметрии используют имеющиеся стандарты и каналы передачи данных. К наиболее часто используемым можно отнести Bluetooth и линии электросетей.

Bluetooth (переводится «синий зуб», в честь Харальда I Синезубого; разговорные названия: блютус, блютуз, блютуф, блитуз, синезуб) – производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN) [25].
Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10…100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях. Устройства Bluetooth делятся на три класс в зависимости от выходной мощности:
класс 1 – 100 мВт (20 дБм), радиус действия до 100 м;
класс 2 – 2,5 мВт (4 дБм), радиус действия до 10 м;
класс 3 – 1 мВт (0 дБм), радиус действия до 1 м.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Затем множество других компаний, включая Microsoft, Lenovo и Motorola, вступили в неё как ассоциированные члены. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стало частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования – 14 июня 2002 года)
Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4…2,48 ГГц). Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — псевдослучайная перестройка рабочей частоты). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же – 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудио-сигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях.
Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.
В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).
В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.
Bluetooth версии 2.0 (2004) полностью совместим с версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка EDR (Enhanced Data Rate), что позволило повысить скорость передачи до 2,1 Мбит/с.
В Bluetooth версии 2.1 (2007) добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при спаривании), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3…10 раз. Кроме того обновленная спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.
Одним из способов создания сети для обмена данными между электронными устройствами является организация передачи данных по электропроводам (PLC – Power Line Communications) [26]. Действительно, при том охвате, который имеют сети электропередачи (а он намного превышает охват телефонных или любых других коммуникаций, покрывая практически весь «цивилизованный мир»), полоса пропускания в них используется очень неэффективно – переменный ток потребителям передается лишь на частоте 50…60 Гц в то время, как все, что находится выше в частотном спектре, совершенно свободно, в отличие, например, от жестко регламентированного радиоэфира.
Есть, конечно, у электросети и глобальный недостаток, а именно неспособность противостоять любым бытовым помехам. С этим фактором принято связывать замедленное распространение технологий передачи данных по электросетям. Разветвленность среды передачи и влияние помех существенно ограничивает скорость обмена информацией, но, учитывая ширину доступного спектра, с этим научились бороться с помощью высокопроизводительных сигнальных процессоров за счет разделения одного потока данных на несколько параллельных и их передачи по разным каналам.
Нельзя сказать, что технология передачи информации по электропроводам является наилучшей, однако для решения некоторых задач она может оказаться оптимальной. К примеру, в ситуации, когда по дому разбросано множество устройств, а модификации кабельной системы и дополнительные дыры в стене при этом не приветствуются. Также стандарт является находкой для тех, кто любит перемещать технику между комнатами, но не любит заново прокладывать сетевые провода.
Существуют различные варианты передачи энергии по электропроводам и различные варианты «подмешивания» информационной составляющей в эту передачу.
Передача данных по энергосетям независимо от действующего в них напряжения принципиально ничем не отличается. В основе такой передачи данных лежит принцип частотного уплотнения, когда в нижней части спектра передается электроэнергия, в более высокочастотной осуществляется передача информации в виде сигналов данных, речи и т.д. Следует подчеркнуть, независимо от типа энергосети (ее напряжения), при передаче данных по энергосетям используются практически близкие методы модуляции и кодирования, при которых максимальная доступная скорость передачи определяется удельной скоростью передачи около 8…10 бит/с/Гц. Эта цифра также является практическим пределом при передаче данных для ADSL, цифрового кабельного ТВ, SHDSL и VDSL. Например, при ширине полосы частот сигнала 1 МГц максимальная скорость передачи составит 8…10 Мбит/с.
Существуют многочисленные варианты классификации PLC. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные и узкополосные по ширине частотного спектра, который они используют для передачи данных (Broadband over Power Lines и Narrowband over Power Lines соответственно). С точки зрения конечного пользователя логично отделять варианты организации локальной сети в рамках квартиры от всех остальных способов PLC. А вот с позиции рынка варианты высокочастотной связи по электросети принято делить несколько по другому критерию, связанному с областью применения: на узкополосную передачу (точка – точка) в высоковольтных сетях (более 35 кВ) и широкополосную передачу в сетях низкого и среднего напряжения (0,4…35 кВ). В последнюю категорию и попадают домашние сети, а также так называемая «последняя миля» провайдеров Интернет.