Době, kdy se veškerá navzájem komunikující zařízení propojovala mnohdy zcela nepřehlednou změtí různých kabelů odzvonilo. Nastala éra bezdrátové komunikace.
Jaké jsou současné možnosti bezdrátového propojení různých spotřebičů? Jaké jsou klady a zápory jednotlivých technologií a k čemu jsou vlastně vhodné? Jaký je princip těchto technologií? Na tyto a další otázky vám přináší odpověď 21. STOLETÍ.
IrDa – ještě není všemu konec
Přenos dat prostřednictvím infračerveného paprsku patří mezi jednu z nejstarších forem moderní bezdrátové datové komunikace. Lze ji již považovat za archaickou a překonanou nebo má stále své opodstatnění?
Éru přenosu informací prostřednictvím infračerveného rozhraní pravděpodobně nastartovala jedna z prvních aplikací v oblasti spotřební elektroniky, dálkové ovládání televizních přijímačů. Postupem času začal tento typ bezdrátového přenosu pronikat i do dalších oblastí a dnes tvoří pravděpodobně jednu z nejrozšířenějších forem bezdrátové komunikace. V současné době existují dva základní standardy přenosu signálu infračerveným světlem. První z nich je tzv. „IrDa Control“ – ten bývá zpravidla využíván k bezdrátovému propojení jednotlivých periferií, např. klávesnice, myši či joysticku s počítačem, nebo v oblasti spotřební elektroniky ve formě dálkových ovladačů. Druhý standard, označovaný „IrDa Data“ definuje obousměrnou komunikaci bezdrátového přenosu dat mezi různými zařízeními.
Bez domluvy to nejde
Aby spolu jednotlivá zařízení různých výrobců mohla komunikovat, musí být použité rozhraní vzájemně kompatibilní, což platí i v případě infračerveného přenosu dat. Proto vznikl na půdě mezinárodní asociace IrDA (Infrared Data Association) standard, který členské společnosti dodržují a tím pro své produkty zajišťují vzájemnou srozumitelnost přenášených dat. V současné době tvoří členskou základnu asociace více než 150 společností.
Použití IrDA v praxi
Infračervené rozhraní je dnes již běžnou součástí komunikační výbavy mobilních telefonů a infraportem jsou vybaveny prakticky všechny notebooky a kapesní počítače. Disponují jím i některé tiskárny, fotoaparáty a videokamery. Standardně je elektronika infračerveného rozhraní součástí i většiny nových základních desek pro osobní počítače, avšak optickou část je nutno v případě potřeby doplnit. Vlastní optické rozhraní se pak umísťuje do volné zásuvky disketové mechaniky. Existují však i externí infračervené adaptéry, které lze k počítači připojit stejně jednoduše jako např. čtečku paměťových karet nebo webkameru.
Omezující faktory
Komunikace prostřednictvím infračerveného rozhraní má ale také své mouchy. Kromě relativně nízké rychlosti přenosu dat, krátkého dosahu (max. cca 5 metrů) a faktu, že jednotlivá zařízení na sebe musí doslova fyzicky „vidět“, je tu i náchylnost podléhat vlivům okolního prostředí. Na přijímací část totiž negativně působí různé zdroje optického i elektromagnetického rušení, které může v krajním případě pocházet i od vlastních elektronických obvodů přenosového systému. Mimo vlastní vysílač je možné za zdroj rušení považovat prakticky všechny ostatní optické zářiče v pásmu citlivosti přijímače. V praxi se jedná hlavně o přímé sluneční záření a žárovkové či zářivkové osvětlení. Elektromagnetické rušení pak může způsobit, že infračervená přenosová zařízení mobilních telefonů či kapesních počítačů nebudou v takovémto prostředí funkční.
Má IrDA budoucnost?
Pravděpodobně největším konkurentem infračerveného rozhraní je technologie Bluetooth, která je, stejně jako IrDA, relativně levná a snadno použitelná. V současnosti obě tyto technologie existují vedle sebe a doplňují se navzájem. Prakticky každý mobilní telefon vyšší a v některých případech i vyšší střední třídy využívá obě komunikační rozhraní a stále častěji se tato kombinace začíná objevovat i u kapesních počítačů a notebooků. Vzhledem ke stávajícímu rozšíření a širokému spektru možných aplikací lze předpokládat, že přes některé své záporné vlastnosti má infračervené rozhraní před sebou stále ještě budoucnost, i když je skutečností, že bude postupně vytlačováno právě stále více se rozšiřující technologií Bluetooth.
Ledky blikají, data kolují…
Rozhraní IrDA se dorozumívá pomocí infračervených LED diod, pracujících na vlnové délce 875 nm, přičemž povolená výrobní tolerance je +/- 15 nm. Infračervená oblast světla se nachází v neviditelné části světelného záření, těsně pod kmitočtovou oblastí viditelného červeného světla. Formát dat vysílaných prostřednictvím infračerveného rozhraní je stejný jako u standardního sériového rozhraní. V obou případech jej totiž tvoří asynchronní bitové slovo, které začíná startovacím bitem, přičemž jednotlivé bity představují impulzy, tedy rozsvícení či nerozsvícení vysílací diody. Časově pak může být jeden impulz vyjádřen jako 3/16 doby impulzu nebo jako impulz s pevnou délkou 1,63 ms. Přijímač tvoří fotodiody typu PIN – v těch jsou dopadem infračerveného světla uvolňovány elektrony, čímž vzniká elektrický impulz. Tyto elektrické impulzy jsou pak upravovány různými filtry tak, aby vyhovovaly standardům pro daný druh komunikace.
Standard IrDA umožňuje podle specifikace sériové spojení v prostorovém úhlu 30° a ve vzdálenosti do jednoho metru by přenosová rychlost měla dosahovat až 4 Mbit/s. Podle příslušného standardu by každé zařízení IrDA mělo rovněž umět pracovat základní přenosovou rychlostí 9,6 kbit/s (přenosové rychlosti jsou dány normou). Nejrozšířenější a v praxi běžně používané normy jsou dvě, IrDA 1.0 a 1.1, přičemž základní norma IrDA 1.0 používá přenosové rychlosti do 115,2 kbit/s. Norma IrDA 1.1 navíc definuje rychlosti 576 kbit/s a 1,152 Mbit/s. Pro tyto rychlosti je využito pulzního kódování o délce čtvrtiny doby impulzu. Při těchto rychlostech je již nutné signál vysílat synchronně. Pro zajímavost lze dodat, že existuje i verze infračerveného rozhraní označovaná jako verze 1.4 nebo zkratkou VFIR, která umožňuje maximální rychlost až 16 Mb/s. Bývá však využíváno jen ve zcela výjimečných případech. Připravuje se ale i projekt UFIR s rychlostí nad 100 Mb/s.
Bluetooth – ztrácí modrý zub své prvenství?
Standard určený pro přenos dat radiovými vlnami, prostřednictvím sdíleného frekvenčního pásma, původně vyvinula společnost Ericsson pro svá přenosná zařízení. Vzhledem k zajímavým vlastnostem tohoto komunikačního rozhraní však došlo k jeho masivnímu rozšíření i do zařízení jiných výrobců.
Pojmenování této technologie nebylo zvoleno náhodně, a jeho původ je nutno hledat až v daleké historii. Název byl totiž odvozen od přezdívky dánského krále Haralda II, jemuž se říkalo Blatand, tj. „modrý zub“, podle jeho údajné záliby v borůvkách a ostružinách. Tento vikingský král, který žil v období 940 až 981, v průběhu své vlády sjednotil a pokřesťanštil skandinávský lid. Důvodem, proč pojmenovat nové komunikační rozhraní právě Bluetooth, byl tedy pravděpodobně záměr společnosti Ericsson nabídnout technologii, která bude působit rovněž jako sjednocující prvek.
Vítejte na modré vlně
Technologie Bluetooth využívá ke komunikaci stejně jako bezdrátová síťová zařízení typu WiFi rádiové vlny a s některými z nich dokonce sdílí i stejné frekvenční pásmo. Pracuje totiž ve veřejném pásmu 2,4 GHz. Na rozdíl od technologie WiFi se výkon vysílací části Bluetooth adaptérů první generace (specifikace Bluetooth 1.1) pohybuje kolem 1 mW, rychlost nepřesáhne 1 Mb/s (ve skutečnosti se pohybuje kolem 720 kbit/s) a dosah je v závislosti na místních podmínkách omezen na přibližně 10 metrů. Vysílací výkon lze zvýšit až na 100 mW, a to přidání výkonového zesilovače k vysílacímu dílu. S výstupním výkonem 100 mW je možné dosáhnout operační vzdálenosti až 100 m. Frekvenční rozsah využívaný technologií Bluetooth začíná na 2,402 GHz a končí 2,480 GHz, přičemž tyto frekvence patří do tzv. bezlicenčního pásma ISM, což bylo původně sdílené pásmo pro průmysl, vědu, medicínu a ostatní odvětví. Ve srovnání s Wifi je ale technologie Bluetooth méně energeticky náročná, což ji předurčuje k využití do přenosných zařízení. Na rozdíl od infračerveného rozhraní zde není nutné umístění komunikujících zařízení na dohled.
Bezpečný přenos dat
Aby bylo možné potlačit interference (vzájemné rušení) se signály dalších zařízení, jež pracují ve stejném frekvenčním rozsahu, využívá technologie Bluetooth metodu kmitočtových skoků (tzv. frequency hopping), s nominální rychlostí 1600 skoků za sekundu, přičemž vysílač mění frekvenci po každém přenosu či příjmu. První aktivovaný přístroj v síti se automaticky stane řídicím tzv. master zařízením. Ve své podstatě slouží takovéto frekvenční „poskakování“ k tomu, aby vedle již existujícího kódování signálu, byla zajištěna důkladnější ochrana proti vetřelcům a případnému odposlechu. V porovnání s ostatními bezdrátovými technologiemi využívá podstatně kratší datové pakety, které jsou přenášeny na různých kmitočtech. Přenos Bluetooth je velmi odolný proti vnějšímu rušení, protože narušené kmitočty se jednoduše vynechají. Při delších přenosových vzdálenostech a tím i malých intenzitách přijímaného signálu zabraňuje vzniku poruch zabezpečení pomocí samoopravného kódu FEC (Forward Error Correction).
Má Bluetooth budoucnost?
Bluetooth verze 1.2 nabízí oproti verzi 1.1 několik novinek. Nejzajímavější z nich je pravděpodobně tzv. adaptivní frequency hopping. Díky této vlastnosti by mělo být používání technologie Bluetooth zároveň s jinými technologiemi, které též používají bezlicenční pásmo 2,4 GHz, méně problematické než doposud. Zároveň by také mělo být snazší i současné používání více Bluetooth zařízení. Zlepšila se í kvalita přenosu hlasu a podpora QoS (Quality of Service). Nová verze standardu Bluetooth je pochopitelně i zpětně kompatibilní, ale při komunikaci dvou zařízení různých verzí je využíváno pouze těch vlastností, které podporují obě zařízení. Nová specifikace, která je také označována jako Bluetooth EDR (Enhanced Data Rate), by měla v závislosti na vnějších podmínkách umožňovat přenosy dat až do rychlosti 2,1 Mb/s. Zároveň se uvažuje i o druhé generaci Bluetooth adaptérů, označované Bluetooth 2, jež by se od svého předchůdce měla lišit zejména v přenosové rychlosti – až 12 Mb/s.
Technologie Bluetooth pomalu, ale jistě expanduje i mimo oblast informačních technologií a spotřební elektroniky. Stává se např. podstatnou a nedílnou součástí telematických zařízení v automobilovém průmyslu, a to nejen u navigačních a asistenčních systémů, ale také při přístupu k informačním zdrojům, včetně internetu. Technologie může být samozřejmě využita ke komunikaci mezi osobními elektronickými zařízeními, jako jsou např. PDA nebo mobilní telefony, a elektronickou výbavou automobilu. Sama společnost Ericsson se rozhodla další vývoj technologie Bluetooth ukončit, přestane vyvíjet nové Bluetooth čipy a nebude již hledat nové odběratele. Zachová pouze podporu pro své klíčové zákazníky a bude i nadále nabízet Bluetooth software. Toto rozhodnutí společnost zdůvodnila tím, že i přes velké objemy vyráběných Bluetooth čipsetů není tento segment pro firmu dostatečně zajímavý.
WiFi – budoucnost bezdrátového internetu?
Bezdrátové sítě typu WiFi, pracující v pásmu 2,4 GHz, jsou bezesporu současným hitem – tedy alespoň pokud se týká budování komunitních (místních) sítí a zprostředkování vysokorychlostního přístupu k internetu.
Pásmo 2,4 GHz je ve většině evropských zemí uvolněno jako sdílené frekvenční pásmo pro přenos dat metodou rozprostřeného spektra. Generální licence, vydaná Českým telekomunikačním úřadem (ČTÚ) definuje toto kmitočtové pásmo v rozmezí 2,400 – 2,483 MHz. Maximální povolený vyzářený výkon jednoho zařízení je omezen na 100 mW. V současné době jsou v České republice i na slovensku nejčastěji využívána zařízení, odpovídající standardu IEEE 802.11b, která umožňují maximální přenosovou rychlost 11 Mb/s.
Rychlá data vzduchem?
Rychlé datové přenosy umožňují např. WiFi zařízení, splňující parametry standardu IEEE 802.11g, která teoreticky umožňují rychlost až 54 Mb/s. Ve skutečnosti se však přenosové rychlosti v reálných podmínkách pohybují maximálně na hranici 22 Mb/s. Před finálním schválením tohoto standardu již začalo několik výrobců v předstihu vyrábět zařízení podle dosud neschválené a posléze i částečně pozměněné normy, takže se nyní může stát, že určitá starší zařízení některých výrobců nebudou zcela kompatibilní s produkty jiných značek, ačkoliv nesou označení 802.11g. Existují i různé specifické úpravy tohoto standardu, které pracují se spojením dvou kanálů a teoretická rychlost tak může dosahovat až 108 Mb/s. V praxi je však dosažení takto vysoké přenosové rychlosti prakticky nemožné. Důvodem je pravděpodobně vysoká vytíženost pásma 2,4 GHz, kde kromě WiFi sítí operují také Bluetooth zařízení, mikrovlnné trouby, zařízení na dálková ovládání a jiné domácí spotřebiče.
Pásmo 2,4 GHz již nestačí
Vzhledem k vysokému vytížení a možnému rušení v pásmu 2,4 GHz je nutné hledat nová frekvenční pásma, která by mohla být využívána výhradně pro sdílenou datovou komunikaci. Jako nejvhodnější bylo zvoleno frekvenční pásmo 5 GHz, jehož část je tedy vyhrazena pro zařízení splňující podmínky standardu IEEE 802.11a. V České republice je zatím frekvenční pásmo 5 GHz, tj. od 5,470 do 5,725 GHz, uzavřeno. V praxi lze sice již dnes pro datovou komunikaci využít ISM frekvence od 5,7 do 5,8 GHz, ale pouze s limitovaným výstupním výkonem použitých přenosových zařízení max. 25mW, což představuje dosah přibližně 800 metrů.
Jaký je výhled do budoucnosti?
V současné době probíhají intenzivní práce na přípravě nového standardu pro rychlou bezdrátovou komunikaci, který bude nést označení IEEE 802.11n. Své návrhy na podobu nového standardu předložilo několik firem, které se v zájmu snazšího prosazování svých návrhů spojily do dvou hlavních uskupení.
První z nich, jehož návrh standardu nese označení NSynch, je založen na způsobu řešení, které počítá s využitím pásma 5 GHz a s použitím kanálů o šířce 40 MHz, při současné podpoře 20 MHz kanálů. Takové řešení by umožnilo maximální rychlost 125 Mbps a díky použití technologie MIMO (multiple-input multiple-output) s více anténami teoreticky až 500 Mbps.
Druhá konkurenční skupina výrobců, která si dala název WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency), zvolila za základ technologii firmy Airgo Networks. Z hlediska technických parametrů WWiSE počítá se zachováním kompatibility se stávajícími Wi-Fi systémy v pásmech 2.4 GHz i 5 GHz. Pokud jde o rychlosti, existuje více variant. Základní varianta umožní přenosovou rychlost 135 Mbps, přičemž maximální přenosová rychlost může dosahovat až 540 Mbps, ale to opět pouze teoreticky. V obou případech jde totiž o bitové rychlosti, které nezohledňují režii použitých komunikačních protokolů a skutečná rychlost bude tedy znatelně nižší. Za naprosté minimum se však v případě 802.11n považuje 108 Mbps, tedy dvojnásobek toho, co nyní nabízí standard 802.11g a desetinásobek standardu 802.11b. Termín, kdy dojde ke schválení standardu 802.11n, lze zatím jen odhadovat, ale pravděpodobně se tak stane koncem tohoto či začátkem příštího roku.
Čekání na 5 GHz
Zatímco Český telekomunikační úřad rozhodne o možnosti zpřístupnění pásma 5 GHz až v tomto roce, v blíže neurčeném termínu, jeho slovenský protějšek – Telekomunikačný úrad SR, se zachoval mnohem pružněji a již koncem minulého roku ohlásil uvolnění pásma 5 GHz na území Slovenské republiky a možnost jeho využití v rámci příslušné generální licence. Co to znamená? Prakticky od začátku listopadu mohou slovenští poskytovatelé bezdrátového přístupu k internetu i ostatní uživatelé používat pro bezdrátový přenos dat kromě pásma 2,4 GHz také pásmo 5 GHz, konkrétně frekvence od 5,470 do 5,725 GHz. Maximální povolený vysílací výkon pro zařízení pracující na principu rozprostřeného spektra je 1W, což je desetinásobek povoleného výkonu v pásmu 2,4 GHz. Využívat bude možné i zařízení pracující na frekvencích od 5.150 do 5,350 GHZ, ale pouze pro využití uvnitř objektů, např. kancelářských budov nebo kongresových hal.
„Poptávka po zařízeních pracujících v tomto kmitočtovém spektru ihned po uvolnění pásma Telekomunikačným úradom SR na Slovensku prudce vzrostla,“ konstatuje Roman Danda, generální ředitel společnosti Techniserv, která je tzv. „Master Distributorem“ americké společnosti Proxim (společnost je jedním z největších světových výrobců technologií pro bezdrátový přenos dat). „Stejnou situaci lze očekávat i po uvolnění tohoto kmitočtového pásma v České republice,“ dodal Danda s tím, že již dnes si řada českých distribučních společností zajišťuje předběžnými objednávkami dostatečné množství těchto zařízení, aby mohly okamžitě uspokojit požadavky svých prodejců a velkých zákazníků.
PLC – pusťte sítě do sítí
Technologie PLC (PowerLine Communication) využívá pro přenos dat standardní elektrické rozvody, což umožňuje budování počítačových sítí bez nutnosti složitě vytvářet novou přenosovou infrastrukturu.
Ačkoliv se tato technologie rozhodně jako bezdrátová označit nedá, je takovým fenoménem, že si na tomto místě zmínku rozhodně zaslouží. Ostatně k tomu, abyste si pomocí této technologie „prosíťovali“ kancelář, byt nebo dům, vlastně kromě samotných adaptérů nic jiného nepotřebujete. Při použití určitého typu zařízení je možné podobným způsobem vytvořit síť např. v rámci celého sídliště nebo města. Rozdíl mezi těmito typy zařízení je však podstatný.
HomePlug vs. DS2
Tzv. HomePlug modul je jednoduché zařízení pro propojení relativně malého množství počítačů, které se dá charakterizovat jako jakýsi virtuální rozbočovač. Zařízení, která jsou postavena na bázi čipu Intellon, vyrábí více výrobců, ale jich parametry jsou prakticky shodné a mohou se v podstatě lišit jen kvalitou dílenského zpracování a montáže. Pro budování rozlehlých komunikačních sítí, využívajících jako přenosové médium vysokonapěťové elektrické médium 22kV a 400V, jsou určena zařízení, která však vyrábí pouze licencovaní partneři španělské firmy DS2. Lze s ním dosáhnout přenosové rychlosti až 200Mbit/s.
Pro práci a zábavu
Příkladem zařízení, určeného pro vytváření malých lokálních počítačových sítí, může být např. Amh-2000, které představuje koncové zařízení typu Ethernet Bridge, které odpovídá specifikaci HomePlug a teoreticky je schopno dosahovat přenosové rychlosti až 14 Mbit/s. Bez použití routeru (směrovače) je možné takto propojit až 16 adaptérů, za kterými se dále mohou skrývat buď servery jednotlivé pracovní stanice, tiskárny či bezdrátové přístupové body. Adaptér Amh-2000 se k počítači připojuje pomocí standardního síťového konektoru RJ45. Pokud jsou v rámci sítě použity routery Amrt-2000, je možné počet koncových zařízení navyšovat téměř bez omezení.
Díky možnosti změny konfigurace jednotlivých adaptérů lze v jedné elektrické síti zřídit několik oddělených počítačových sítí. Komunikace probíhající po elektrické síti je samozřejmě šifrována. Dosah zařízení je maximálně 250 m, ale tato vzdálenost může výrazně klesnout v případě nekvalitního elektrického rozvodu nebo pokud je v cestě mezi jednotlivými adaptéry jeden nebo více elektroměrů. Při využití tohoto zařízení je zpravidla možné bez problémů projít jedním elektroměrem a navázat komunikaci se zařízeními, která jsou za ním. Obvyklá rychlost přenosu se pohybuje mezi 4 až 8 Mbit/s.
Prosíťovaná města?
Největší projekty s využitím technologie PLC, postavené na platformě DS2, zatím realizovaly rozvodné společnosti EnBW v Německu, Enel v Itálii, Endesa ve Španělsku a EDP v Portugalsku. Marcos Lopez Ruiz, prezident španělské Public Utilities Alliance dokonce tvrdí, že PLC může úspěšně konkurovat ADSL. Právě ve Španělsku se díky iniciativě rozvodné společnosti Iberdola zrodil jeden z velkých projektů PLC s názvem OPERA, jehož rozpočet činí 26 miliónů euro a podílí se na něm více než tři desítky evropských společností. Ve Španělsku má PLC velkou podporu, kromě jiného i díky tomu, že zde sídlí jeden z hlavních výrobců čipových sad pro PLC, společnost Design of Systems on Silicon (DS2). V České republice v rutinním provozu zatím tato technologie nasazena není, ale několik poskytovatelů již projevilo zájem o její testování v rámci větších či menších pilotních projektů.
HomePlug – jak to pracuje?
Vlastní adaptér typu HomePlug představuje rozhraní mezi LAN adaptérem umístěným v počítači a běžnou elektrickou zásuvkou. Data, která přicházejí ze síťové karty jsou na jedné straně převedena na vysokofrekvenční signál v pásmu 4-20 Mhz (OFDM), který je přidán ke standardnímu elektrickému napětí o frekvenci 50Hz a spolu s ním se šíří po elektrickém vedení. Další adaptéry připojené do elektrické sítě tento VF signál od 50Hz napětí oddělují, demodulují a převádějí zpět do datového formátu, s kterým zpracuje běžný LAN adaptér.
Naše redakce měla možnost vyzkoušet čtyři zařízení typu HomePlug v praxi, přičemž se jednalo o dva jednoduché adaptéry, jeden router a jeden HomePlug WiFi adaptér. Aby byl náš malý redakční test alespoň trochu vypovídající, vyzkoušeli jsme tato zařízení v celkem pěti různých budovách různého stáří a kvality elektrických rozvodů. Kromě jednoho případu, kdy se adaptérům vůbec nepodařilo navázat spojení (jednalo se o bytový dům postavený v roce 1962 s hliníkovými rozvody), všechna zařízení pracovala bezproblémově, v případě jednoduchých adaptérů i bez nutnosti instalace konfigurační utility.
Kvalita propojení, tj. rychlost propojení a odezva, se samozřejmě v jednotlivých případech lišila, ale přesto zůstala takříkajíc „v normě“ – průměrná rychlost neklesla pod 5,72 Mbit/s při odezvě do 150 ms, což je srovnatelné s připojením prostřednictvím WiFi. Náš závěr je, že pro běžnou práci a pro sdílení připojení k internetu jsou tato zařízení dostačující a lze je použít i jako nouzové řešení tam, kde z technických důvodů nelze instalovat standardní kabeláž pro počítačové sítě.
