Стандарты ИК-связи: между прошлым и будущим

Анализ спектра применяемых беспроводных интерфейсов ближнего действия в среде мобильных устройств свидетельствует, что рынок по-прежнему увлечен радиотехнологиями. И одно из проявлений этого – тенденция замещения ИК-портов интерфейсом Bluetooth. Однако вполне возможно, что благодаря усилиям японских разработчиков и принятию спецификации Giga-IR оптическим технологиям удастся восстановить свое реноме.

Как ни парадоксально, но вытеснение оптики беспроводными радиотехнологиями началось не в последние несколько лет. Ведь стандарт связи для локальных оптических беспроводных коммуникаций (IR-PHY) на дальность 10–20 м разрабатывался с 1993 г. и был утвержден еще в первоначальной версии хорошо известного IEEE 802.11 в 1997 г. Им закреплено использование фазоимпульсной модуляции PPM (Pulse-position modulation), согласно которой кодирование передаваемой информации заключается в изменении позиции импульсов в группе (кадре). Схема с 16PPM рекомендовалась для достижения скорости 1 Мб/с, а с кодированием по Грею (4PPM) – 2 Мб/с. Диапазон рабочих длин волн определен как 850–950 нм при импульсной мощности излучателя с диффузным рассеивателем до 2 Вт. Спецификация не получила должной реакции со стороны рынка, и в дальнейшем атмосферная оптика специальными группами не сопровождалась. Забегая несколько вперед, отметим, что создатели атмосферных оптических систем, напротив, неоднократно сверяли свои действия с различными стандартами, разработанными под эгидой IEEE. Это касается не только документов семейства Ethernet (802.1), но и рекомендаций для радиотехнологий миллиметрового диапазона, в частности 802.15.3 (PHY для WPAN), ведь некоторые принципы распространения радиоволн на частотах 25–100 ГГц и света достаточно схожи.

Следующей ассоциацией, в чьих планах также декларировалось создание систем малой дальности, является Infrared Communication Systems Association (ICSA). Результатом ее деятельности стал стандарт ARIB-Std-T50, поддержанный Ассоциацией радиовещательной индустрии и бизнеса Японии (по полномочиям аналогичной европейской ETSI). Третья версия результирующего документа датируется концом 2006 г. и определяет построение систем в диапазоне от 680 до 1600 нм со скоростями 10, 100 и 1000 Мб/с, согласованными с соответствующими спецификациями Ethernet Base-T, включая разделение доступа к среде по CSMA/CD. Согласно ей для работы внутри помещения допускается мощность (до диффузного рассеивателя) в соответствии с требованиями к излучателям Class 1, на приемной стороне оговаривается минимальная интенсивность 10 мкВт/см2, при которой вероятность ошибочного бита не превысит 10-8.

Для системы малого радиуса действия (1 м) могут применяться два типа устройств, включаемых в разрыв среды Ethernet на дальность порядка метра в пределах угла ±30° в горизонтальной и ±5° в вертикальной плоскостях: конвертер среды (подсоединяемый к MDI-разъему сетевой платы, выходная оптическая мощность 140 мВт) либо автономной карты ПК (35 мВт).

Стандарт, несмотря на его успешную гармонизацию с европейскими нормами, не получил существенного распространения в готовой продукции. Однако известно, что его наработки не забыты – часть из них положена в основу деятельности консорциума VLCC (Visible Light Communication Consortium), занимающегося проблемами беспроводной передачи информации в видимом участке оптического диапазона.

Главный персонаж – IrDA

Рис.1. Экосистема беспроводных технологий (по видению консорциума IrDA)

Однако наиболее значимый (по совокупному объему выпускаемых продуктов) вклад в развитие беспроводной персональной ИК-связи внесла некоммерческая ассоциация IrDA (Infrared Data Association), образованная еще в 1993 г. Ее целью стало создание единых стандартов, объединенных двумя основным направлениями: управление (IrDA Control) и передача данных (IrDA Data). В рамках последней были разработаны спецификации на разные уровни модели OSI.

Самый нижний уровень закреплен в IrPHY (Infrared Physical Layer Specification). Согласно последней версии документа (IrDA Data1.4) системы гарантируют дальность действия при стандартной мощности – 1 м (при малой – 20 см) и должны при минимальном телесном угле приемопередатчика, образуемом конусом с углом при вершине равном 15°, обеспечивать полудуплексную связь на скоростях от 2,4 Кб/с до 16 Мб/с. Причем поддерживать весь диапазон скоростей от каждого устройства не требуется – только совместимость сверху вниз. Им же определено применение конструктивного инфракрасного фильтра, рассчитанного на диапазон рабочих длин волн 875 ±30 нм.

UART-ориентированный SIR-интерфейс (Serial Infrared), наиболее давний (1994 г.) и до сих хорошо известный владельцам мобильных устройств, обеспечивает связь на стандартных дискретных скоростях до 115,2 Кб/с, специфицированных для COM-порта. Старт соединения (поиск, оповещение и сопряжение) производится на 9600 бит/с. Время, затрачиваемое на установление связи, составляет от 250 до 650 мс, причем процедуры инициализации соединения достаточно сложны, так как делались, по-видимому, «на вырост»: не только для связи «точка-точка», но и для работы нескольких устройств в единой среде.

В дальнейшем появилось расширение диапазона скоростей до 0,576 и 1,152 Мб/с в синхронном (в отличие от предыдущего) режиме обмена, получившее неофициальное название MIR (Medium Infra-red).

В обеих перечисленных спецификациях использована амплитудная манипуляция RZI (Return-to-zero, inverted). Логический 0 модулируется световым импульсом длительностью 3/16 либо 1/4 битового интервала, логической 1 соответствует его отсутствие.

Более высокую скорость обеспечивал принятый практически одновременно с SIR интерфейсный протокол AIR (Advance Infra-red), более известный как FIR (Fast IrDA, 1995 г.). C его помощью можно обеспечить до 4 Mб/с на расстоянии 1 м. Этой же спецификацией оговаривалось LAN-соединение на дальность до 10 м при соответствующем снижении скорости. FIR использовал уже более сложную структуру пакета и манипуляцию PPM (Pulse-position modulation) по четырем позициям. Он также применяется в сравнительно широком спектре устройств, в том числе и мобильных. С помощь опционального модуля, подключаемого к специальным разъемам некоторых материнских плат того времени, интерфейс мог быть реализован и в стандартном ПК.

Рис.2. В стандарте Giga-IR, кроме традиционной 2-уровневой, для достижения скорости 1024 Мб/с использована 4-уровневая ASK (источник: KDDI R&D LABS)

Вопрос скорости оставался на острие борьбы с «всепроникающим радио», и уже в 1997 г. в ходе экспериментов были установлены соединения на скорости до 50 Mб/с. Однако нацеленность разработчиков на предыдущих этапах на минимизацию стоимости интерфейса не преминула сыграть злую шутку – желание «ускорить» этот протокол привело к необходимости существенно усилить требования к аппаратной и алгоритмической поддержке интерфейса. Заметим, что к этому на тот момент также не был готов рынок, привыкший относиться к плодам данной технологии как к решению «доллар за пару». Большая часть производителей чипов и оптических модулей уже успела вкусить прелести прибыльности от разработки и расширяющегося по объемам выпуска компонентов для пользующихся всяческими преференциями радиотехнологий, либо переориентировалась на изготовление оптоустройств для ВОЛС.

Поэтому созданный в 1998 г. VFIr (Very Fast Infra-red) с обещанным максимумом в 16 Mб/с имеет для нашего обзора скорее теоретический, чем практический аспект. По отношению к данной спецификации высказывался ряд мнений со стороны разработчиков устройств и драйверов для ОС о том, что что IrLAP (Infrared Link Access Protocol, второй уровень протоколов стандарта IrDA), обеспечивающий необходимые для установления и поддержки соединения между устройствами служебные функции, и IrLMP (Infrared Link Management Protocol, протокол третьего уровня, описывающий высокоуровневые операции с соединением) для данной высокоскоростной спецификации недостаточно оптимальны. А успешность имплементации в готовый продукт напрямую зависит от качества аппаратной реализации интерфейса.

Низкая популярность VFIr подтверждается и анализом текущих предложений чипмейкеров: из 12 оптомодулей и чипов, выпускаемых ROHM, лишь четыре поддерживают FIR и ни один – Very Fast Infra-red. Комплектующие для данного интерфейса удалось найти лишь у одного производителя, близкого к группе его разработчиков, – Vishay Siliconix.

Известно, что Ассоциацией с привлечением дополнительных инициативных групп проводились достаточно активные работы по созданию нового интерфейса с производительностью 100 Mб/с (так называемый UFIR), однако практически значимых для массового рынка упоминаний по его применению не имеется.

Свет в конце тоннеля

Некоторый просвет в череде отвергнутых рынком предложений появился лишь в прошлом году после демонстрации на региональной выставке «ЭкспоКомм» японской KDDI-lab гигабитовой экспериментальной системы с излучателем на основе лазерного диода и дальностью в пару сантиметров. Разработчик стал активно продвигать свое решение, указывая на его место в экосистеме беспроводных технологий (рис.1). И уже в апреле описание технологии Giga-IR было утверждено IrDA в качестве стандарта. Полный текст спецификации пока широко не распространяется, однако некоторые технические подробности все же стали известны.

Giga-IR, по мнению исследователей, уже в скором времени может быть предложен в виде готовых внешних либо встраиваемых в устройства модулей (обратносовместимых с FIR), работающих на двух основных скоростях: 512 Мб/с и с использованием двухуровневой ASK, а также двух- и четырехуровневой ASK на скорости 1024 Мб/с (рис.2). К сожалению, информация о наличии промежуточных значений производительности, кроме оговоренных в FIR, а также возможности «обмена скорости на дальность» пока недоступна.

Для обоих значений скорости обмена используется предкодирование по правилу 8B/10B. Как известно, четырехуровневая ASK более чувствительна к различного рода шумам и искажениям. Тем не менее на дальности от 1 до 5 см гарантированное значение битовых ошибок не превысит 10-10.

Рис.3.Для получения требуемого быстродействия от излучающего светодиода на передающей стороне возможно использование предкоррекции (источник: KDDI R&D LABS)

Еще одна интересная подробность. Известно, что если с быстродействием ИК-фотоприемников вопрос не возникал – достаточно дешевые диоды освоены практически всеми занимающимися ими вендорами, то прогресс в области подходящих для ИК-связи светодиодов менее динамичен. Переход на типовой ИК-лазер затруднен, так как требуется обеспечить достаточно широкий луч (конус с расхождением в десятки градусов) с необходимой плотностью потока мощности при умеренной цене интерфейса в целом. Недорогой LED-кристалл (а именно таким представляется передатчик для интерфейса, претендующего на сравнение с USB и Bluetooth) – не слишком быстродействующий прибор с относительно высокой паразитной электрической емкостью и оптической «инерционностью». Поэтому он довольно сильно «заваливает» фронты и спады излучаемых импульсов. Для борьбы с этим явлением и получения требуемой крутизны электрооптической характеристики излучающего светодиода на передающей стороне предлагается использовать предкоррекцию аналогично применяемому решению для повышения в ЖК-панелях скорости переключения («овердрайва») (рис.3).

В заключение

Экспериментальный образец устройства с гигабитовым интерфейсом, разработанный японской KDDI

Коль уж данная тема нечасто поднимается в прессе, нам остается обратить внимание на ряд принципиальных аспектов, связанных с общими вопросами развития персональных оптических беспроводных коммуникаций. И мы предлагаем взглянуть на упомянутую в начале статьи тенденцию немного шире и попытаться разобраться в причинах происходящего. Упомянем несколько ключевых моментов.

Прежде всего это объективные научные и особенно технологические сложности на пути практического освоения атмосферных оптических коммуникаций. Другой носит довольно философский характер (и может восприниматься в развитие предыдущего). Он указывает на некоторую однобокость ключевой линии прогресса в информационных технологиях, в частности на приоритетное развитие «электрических» технологий в противовес «оптическим». Наконец, очень важная составляющая относится скорее к сфере экономической и свидетельствует о ряде промахов, в том числе и маркетинговых, на пути продвижения технологий по мере их совершенствования.

Можно возразить, что в отличие от беспроводной, волоконная оптика продолжает успешно развиваться и вскоре обещает сделать обыденным обмен со скоростью 10 Гб/с. И хотя основы техники приемопередачи и концепция построения у них почти те же самые, не следует забывать, что философия их реализации существенно разнится. ВОЛС в противовес атмосферной оптике функционирует в волокне, представляющем собой относительно стабильную ограниченную среду. Исходя из ее параметров достаточно легко оценить энергетический бюджет всей протяженной линии и гарантировать параметры канала, в частности дальность и скорость обмена. Кроме того, в ней по определению не должно возникнуть вопроса, насколько точно сориентировал пользователь связываемые устройства между собой.

Возвращаясь же к главному поводу появления данного материала, остается добавить, что в IrDA, по-видимому, со всей серьезностью отнеслись к анализу своей деятельности. В частности, есть все основания предполагать, что находящийся в разработке еще один стандарт, получивший название IrUSB, как симбиоз нового инфракрасного интерфейса Giga-IR и протокола USB, будет готов в черновике к апрелю 2010 г.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365