เทคโนโลยีของ WPAN สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลายที่ เช่น ในระบบบ้านอัจริยะ การแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ หรือแม้แต่ใช้ควบคุมอุปกรณ์ในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ทำให้จัดการได้สะดวก และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
WPAN จะเน้นไปที่ใช้กำลังไฟฟ้าต่ำ ต้นทุนต่ำ และมีความปลอดภัย โดย WPAN จะแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือที่เป็น Low Data Rate ได้แต่ Bluetooth, ZigBee และ High Data Rate: WirelessHD, WHDI, WiGig, UWB
Low Rate WPAN:
Bluetooth มีชื่อมาจากกษัตริย์ Harald Bluetooth จากประเทศเดนมาร์ก มีบริษัท Ericsson เป็นผู้ริเริ่มตั้งแต่ปี 1994 ส่งข้อมูลที่ย่านความถี่ 2.4 GHz ใช้ ออกแบบใช้กับอุปกรณ์ขนาดเล็ก อุปกรณ์พกพา กินกำลังไฟต่ำ ตามมาตรฐาน IEEE 802.15.1 ที่กำหนดมาตรฐานการส่งข้อมูลของ Physical layer และ Mac layer ซึ่งได้รับการรับรองในปี 2002 แต่ต่อมา กลุ่มบริษัทผู้ผลิต Bluetooth รวมตัวกัน ตั้งแต่เป็น Bluetooth SIG (Special Interest Group) ได้แต่ Sony, Nokia, Microsoft, Apple เป็นต้น และ IEEE 802.15.1 ก็เลิกพัฒนาแล้ว Bluetooth SIG จึงทำหน้าที่พัฒนาดูแลตรงนี้ต่อแทนBluetooth ในตอนเริ่มต้น ได้ทดสอบการส่งข้อมูลไร้สาย แทนการใช้ สาย RS-232 Serial port โดยการ พัฒนา RFCOMM ซึ่งเป็น Serial port emulator
รูปแสดง RFCOMM แทน RS-232
Bluetooth รุ่นที่ 1.1 - 1.2: สนับสนุนความเร็วสูงสุด 1 Mbps
Bluetooth รุ่นที่ 2.1: สนับสนุนความเร็วสูงสุด 2-3 Mbps
Bluetooth รุ่นที่ 3: สนับสนุนความเร็วสูงสุด 24 Mbps
Bluetooth รุ่นที่ 4: เน้นที่การประหยัดพลังงาน Bluetooth Low Energy (BLE)
Bluetooth Protocol Stack
รูปแสดง Bluetooth Protocol Stack
Physical Layer - กำหนดการส่งข้อมูลในระดับบิต แปลงบิตเป็นคลื่นวิทยุ ตามที่ออกแบบน OSI Physical Layer มี Bluetooth transceiver เป็นตัวรับส่งข้อมูล Bluetooth เฟรม ประกอบด้วย Access Code (72 บิต), Header (52 บิต) และ Payload (0-2745 บิต) ข้อมูลที่ถูกส่งจะใช้ Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) ร่วมกับ หลักการของ FHSS ในการส่งข้อมูล
Link Manager - จัดการการส่งข้อมูล ควบคุม Physical Link 2 ชนิด ได้แก่
- Asynchoronous Connectionless (ACL) Link ส่งข้อมูลแบบ packet switching สำหรับ Point-to-Multipoint แบบ Asymmetric data (ที่ความเร็ว 723.2/57.6 kbps) และสามารถ ส่ง packet ใหม่ กรณีที่เกิดข้อผิดพลาดขึ้น ACL ใช้ในการสร้าง SCO Link
- Synchronous Connection Oriented (SCO) Link ส่งข้อมูลแบบ circuit switching สำหรับ Point-to-point แบบ Symmetric data (ที่ความเร็ว 433.9 kbps และ 64 kbps x 3 แชนแนล สำหรับเสียง) ระหว่าง Master และ Slave ทั้ง Master และ Slave สามารถมี SCO Link ได้สูงสุดไม่เกิน 3 SCO Link
ใน Link Mnager ใช้ 3 วิธีในการควบคุมความผิดพลาดของข้อมูล คือ Forward Error Correction (FEC) และ Automatic Retransmission reQuest (ARQ) ดังนี้
- 1/3 FEC จะทำซ้ำข้อมูลเพิ่มจากเดิม 2 เท่า เช่น Header ของ Bluetooth มีขนาด 18 บิต หลังผ่านกระบวนการ 1/3 FEC จะทำการคัดลอกบิตเพิ่มอีก 36 บิต รวมเป็น 54 บิต ด้วยวิธีการนี้ หากมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้น ก็สามารถแก้ไขบิตได้เลย โดยที่ไม่จำเป็นต้องส่งข้อมูลกลับมาใหม่ อย่างไรก็ดี ความเร็วในการส่งข้อมูล จะถูกลดลง เหลือ 1/3 เท่าเช่นกัน จึงไม่แนะนำให้ใช้กับข้อมูล แต่ใช้กับ ส่วนหัวข้อมูล เนื่องจากมีความสำคัญและมีจำนวนบิตไม่มากเกินไป
- 2/3 FEC จะทำซ้ำข้อมูลเพิ่มจากเดิมเพียง 1/3 เท่า เช่น ข้อมูล ของ Bluetooth มีขนาด 8 บิต หลังผ่านกระบวนการ 2/3 FEC มีการเพิ่มบิตจากเดิมเพียง 3 บิต (8/3 ≈ 3) รวมเป็น 11 บิต ด้วยวิธีการนี้ หากมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นไม่เกิน 1 บิต จะสามารถแก้ไขบิตได้เลย แต่หากผิดมากกว่านั้น สามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดได้ แต่ไม่สามารถแก้ไขได้ จึงต้องพี่งพากลไกร้องขอการส่งข้อมูลใหม่
- ARQ เป็นกระบวนการร้องขอให้ต้นทางส่งข้อมูลมาใหม่ จนกว่าจะได้รับการตอบรับ (Acknowledgement) หรือหมดเวลา (timeout) ที่ถูกกำหนดไว้ในอุปกรณ์
Bluetooth Power Mode:
รูปแสดงการเชื่อมต่อของ Bluetooth และ การประหยัดพลังงาน
ใน piconet ของ Bluetooth จะมีอุปกรณ์ ทำหน้าที่เป็น Master เชื่อมต่อกับ Slave ไม่เกิน 7 ตัว และ ตัวที่เป็น Slave ก็สามารถเป็น Master ของ piconet อื่น ๆ ได้ Slave จะไม่สามารถติดต่อกันเองโดยตรงได้ โดยปรกติ หาก Slave กำลังรับส่งข้อมูลกับ Master จะอยู่ใน Active โหมด อย่างไรก็ดี Slave สามารถประหยัดพลังงาน โดยมีโหมดประหยัดพลังงาน 3 โหมด คือ โหมด Sniff จะลดอัตราการรับส่งข้อมูลลง, โหมด Hold Slave มีการเชื่อมต่อกับ Master โดยเวลายังคงเข้าจังหวะ (Synchronize) กัน และ โหมด Park เป็นโหมดที่ประหยัดพลังงานมากที่สุด หลับในช่วงเวลานานและอาจจะมาเข้าจังหวะกับ Master เป็นบางครั้ง
Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP) - เป็น Logical Link Control Layer ที่รับผิดชอบเกี่ยวกับการแบ่งและรวมแพ็คเก็จ ที่รับมาจาก Layer ที่อยู่ติดกัน บริหารจัดการ การเชื่อมต่อ (Connection) รวมถึงควบคุมการไหลของข้อมูล และให้บริการ QoS ได้
Application Profile - เป็น Application ที่กำหนดการทำงานของอุปกรณ์ Bluetooth นั้น เทียบเท่ากับการทำงานใน Applciation layer ใน OSI เช่น A2DP สำหรับหูฟังไร้สาย, AVRCP สำหรับรีโมทควบคุมอุปกรณ์, และ HFP สำหรับรถยนต์เชื่อมต่อกับโทรศัพท์ เพื่อรับสาย เป็นต้น
ZigBee
เป็นชื่อของเทคโนโลยีไร้สายในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ระยะใกล้ ความเร็วต่ำ (< 250 kbps) กินพลังงานน้อย แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นาน และสามารถเชื่อมต่อกันได้หลายรูปแบบ (เช่น แบบดาว, แบบต้นไม้, และ แบบตาข่าย (mesh) )
ZigBee จะแบ่ง Node ออกเป็น 3 ชนิดคือ
- Reduced Function Device (RFD) - คือ อุปกรณ์ปลายทาง เช่น สวิทช์ โคมไฟ ไม่สามารถจะส่งต่อแพ็คเก็จข้อมูลได้
- Full Function Device (FFD) คือ อุปกรณ์ Zigbee ที่สามารถส่งต่อมูลได้
- PAN Coordinator คือ อุปกรณ์ Zigbee ที่เป็น FFD ตัวแรก ที่จัดตั้งเครือข่าย piconet ขึ้นมา โดยส่วนมากจะเป็น Sink Device เช่น โทรศัพท์ PAN Coordinator มีหน้าที่กำหนดเวลา เพื่อใช้ในการเข้าจังหวะ การเชื่อมต่อระบบเครือข่าย รวมถึงสามารถทำ QoS กำหนดความสำคัญของโหนดต่าง ๆ ที่ใช้สิทธิ์ในการส่งข้อมูล
รูปแสดงตัวอย่าง ZigBee Topology
(จาก http://www.icpdas-usa.com/images/zigbee_topology.jpg)
ZigBee ใช้วิธีการส่งข้อมูลแบบ DSSS โดยแบ่งเป็น 27 channel ของ 3 ช่วงความถี่ คือ
- 868 MHz (1 channel กว้าง 600 kHz) มีใช้ในยุโรป ส่งข้อมูลที่ความเร็วสูงสุด 20 Kbps
- 915 MHz (10 channel แต่ละ channel กว้าง 2 MHz) มีในในอเมริกา และ ออสเตรเลีย ส่งข้อมูลที่ความเร็วสูงสุด 40 Kbps
- 2.450 GHz ใช้งานทั่วโลก (16 channel แต่ละ channel กว้าง 5 MHz) ซึ่งเป็นช่วงความถี่ที่กว้างมากที่สุด มีใช้งานในประเทศไทย (XBee) ส่งข้อมูลได้ที่ความเร็วสูงสุด 250 Kbps
การส่งข้อมูลของ Zigbee จะใช้ superframe โดยจะมี beacon เป็นข้อมูลอธิบายข้อมูลของ superframe คือ ซึ่ง แบ่งเป็น 2 ส่วน
- Content Access Period (CAP) อุปกรณ์ใน piconet จะใช้ CSMA/CA เพื่อขอใช้สิทธิ์ในการส่งข้อมูล
- Guaranteed Time Slots (GTS) ใช้สำหรับข้อมูลที่มีความสำคัญ โดย PAN จะเป็นคนกำหนด frame interval ว่าให้ โหนดใด ใน piconet มีสิทธิ์ในการส่งข้อมูล (หรืออาจจะไม่ใช้ GTS แล้วกำหนดเป็นช่วงเวลา CAP แทนก็ได้)
การเชื่อมต่อ piconet ของ ZigBee จะแบ่งเป็น 2 แบบคือ
- child piconet: PicoNet Coordinator (PNC) มี piconet เป็นของตัวเอง แต่เป็น child ให้กับ piconet วงอื่น ในลักษณะของ parent piconet
- neighbour piconet: PNC มี piconet เป็นของตัวเอง แยก piconet กัน และติดต่อระหว่าง piconet กันเอง เพื่อใช้ synchronize เวลาสำหรับการรับส่งข้อมูลระหว่าง piconet กัน
High Rate WPAN:
High Rate WPAN คือเทคโนโลยีไร้สายระยะใกล้ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับการส่งข้อมูลความเร็วสูง เช่น วิดีโอที่ไม่มีการบีบอัด พหุสื่อ (Multimedia) ต่าง ๆ กินกำลังไฟน้อย ต้นทุนต่ำ เชื่อมต่อได้ง่าย อัตโนมัติ สามารถรับประกันการให้บริการได้ รวมถึงมีบริการด้านความปลอดภัย ซึ่งมีมาตรฐานที่น่าสนใจ 3 แบบ คือ WHDI, WirelessHD, และ WiGig (อยู่ระหว่าง WPAN/WLAN ระยะการเชื่อมต่อ 30-100 เมตร)WHDI
Wireless Home Digital Interface (WHDI) เป็นมาตรฐานของคุณสมบัติอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโทรทัศน์ที่มีความละเอียดสูงแบบไร้สาย โดยการส่งวิดีโอความละเอียดสูง (1080p) จากเครื่องเล่นวิดีโอ เช่น บูลเรย์ดีวีดี หรือ โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่สนับสนุน WHDI ออกแบบและพัฒนาโดยกลุ่มบริษัทชั้นนำต่าง ๆ เช่น AMIMON, Sony, Samsung, LG, Sharp เป็นต้น นอกจากนี้ WHDI ยังสนับสนุนการเชื่อมต่อ HDMI รวมถึงระบบการป้องกันการคัดลอกวิดีโอด้วย
แม้ว่าตัวแนวคิดของ WHDI ในการส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงจะแพร่หลาย แต่รายละเอียดทางเทคนิคทั้งหมด ไม่ได้เป็นมาตรฐานเปิดเหมือนมาตรฐานของ IEEE การสนับสนุนของอุปกรณ์ต่าง ๆ จะจำกัดมากกว่ามาตรฐานอื่น
WirelessHD
WirelessHD เป็นการส่งข้อมูลที่ความถี่ 60 GHz สนับสนุนความเร็ว 10-28 Gbps ในระยะ 10 เมตร พัฒนาตามมาตรฐาน 802.15.3c (มาตรฐานนี้ หยุดพัฒนา เมื่อเดือน พ.ย. 2009) เพื่อใช้ส่งวิดีโอความละเอียดสูง มีบริษัทหลายบริษัทเข้าร่วม เช่น Sony, Dell, Sharp เป็นต้น มีสินค้ามากมาย เช่น คอมพิวเตอร์พกพา โปรเจคเตอร์ ตัวส่งวิดีโอไร้สาย เป็นต้น
WirelessHD แบ่ง Physical Layer ออกเป็น 3 โหมด
- Low Rate Physical (LRP) ส่งข้อมูลที่ความเร็ว 2.5 - 40 Mbps
- Medium-or-High Rate Physical (MHRP) 476 Mbps - 2 Gbps
- High Rate Physical (HRP) ส่งข้อมูลที่ความเร็ว 7-25 Gbps
สนับสนุน HDMI และ USB และมีการใช้เทคนิค Spatial multiplexing ในเมื่อส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูง
รูปแสดง การส่งข้อมูลโดยใช้เทคนิค Spatial Multiplexing
Spatial multiplexing เป็นการแบ่งเฟรมออกเป็นขนาดเล็ก ๆ ของแต่ละสตรีมข้อมูล แล้วแยกส่วนส่งไปตามเสาอากาศหลายเสาพร้อมกันแบบขนาน เพื่อเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูล และยังใช้งานร่วมกับเทคนิคบีมฟอร์มมิ่งในการเพิ่มความถูกต้องของข้อมูล
WiGig
WiGig ถูกพัฒนาจาก WiFi ที่ใช้ส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคต่าง ๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ แท๊ปเล็ต และ เซ็นเซอร์ต่าง ๆ จนไปถึงยุคของ Internet of Things (IoTs) WiGig ถูกกำหนดภายใต้ IEEE802.11ac ทำงานที่ความถี่ 5 GHz ซึ่งเป็นที่นิยมในประเทศไทย และ IEEE802.11ad ทำงานที่ความถี่ 60 GHz มีความเร็วสูงสุดถึง 7 Gbps
มี Protocol Adaptation Layer (PAL) เพื่อช่วยในการเป็นตัวกลางของการติดต่อระหว่างชั้น MAC กับ อุปกรณ์วิดีโอต่าง ๆ เช่น HDMI, USB 3.0, PCIe เป็นต้น
นำเทคนิค Beamforming มาช่วยทำให้การส่งสัญญาณจากผู้ส่ง ส่งไปหาผู้รับได้ชัดเจน มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น เทคนิคนี้อาศัยการป้อนข้อมูลกลับจากผู้รับ เพื่อให้ผู้ส่งปรับ เฟส และ แอมพลิจูน รวมถึงพารามิเตอร์อื่น ๆ ให้ส่งไปยังผู้รับได้ถูกต้องมากยิ่งขึ้น นั่นหมายความว่า ผู้ส่งจะต้องมีหน่วยความจำ หน่วยประมวลผล ที่มากกว่าเดิม เพื่อคำนวณเรื่องนี้ และ ถูกกำหนดเป็นมาตรฐานของ IEEE802.11ac และ IEEE802.11ad ด้วย
IEEE802.11ad ในช่วงความถี่ 60 GHz รวมถึงการ compatible กับ WiFi ในย่าน 2.4 และ 5 GHz ใช้การมอดูเลชั่น 2 แบบคือ (1) Single-carrier สำหรับอุปกรณ์พกพา เพราะใช้พลังงานน้อยกว่า สนับสนุนที่ความเร็วสูงสุดถึง 4.6 Gbps (2) OFDM สนับสนุนการส่งข้อมูลที่ความเร็วการส่งข้อมูลสูงสุดถึง 7 Gbps
รายละเอียดของ WiGig จะอธิบายเพิ่มเติมในเรื่อง WLAN กับ IEEE 802.11 series
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น