Il Protocollo IrDA

Il protocollo di comunicazione IrDA (Infrared Device Application) è uno standard di interconnessione dati tramite infrarossi bidirezionale tra dispositivi posizionati in visibilità reciproca. Per definire questo standard è stata fondata nel 1993 negli Stati Uniti un’organizzazione, Infrared Data Association. I dipartimenti principali di questa organizzazione sono: la commissione tecnica che si occupa della definizione della parte software e hardware dello standard di comunicazione; la commissione marketing per la promozione e la pubblicità della comunicazione infrarossa e la commissione test per le operazioni di verifica e messa a punto dello standard. In questo articolo analizzeremo le caratteristiche e la struttura di questo protocollo.

Introduzione

La  comunicazione  IrDA  presenta  le  seguenti caratteristiche:

  • range d’azione di circa 1 metro
  • tecnologia punto-punto
  • bit rate intorno ai 4 Mbps (la prima versione IrDA 1.0, aveva un bit rate intorno ai 2440 bps)
  • cono di copertura di circa 30°
  • tecnologia a basso costo, sicura, a basso consumo non suscettibile ad interferenze radio.
  • utilizzo  di  frequenze elevate che  si  trovano appena sotto lo spettro elettromagnetico della luce visibile.

La comunicazione infrarossa trova applicazione nei seguenti dispositivi:

  • Notebook
  • Palmari
  • LAN
  • Videocamere
  • Strumenti musicali
Figura 1. La comunicazione IrDA

Figura 1. La comunicazione IrDA

Installata su più di circa 150 milioni di unità, la comunicazione IrDA mette a disposizione una nuova porta hardware universale con cui scambiare rapidamente informazioni. Lo  standard  di comunicazione  ad  infrarossi è stato introdotto dalla Infrared Data Association. Questa associazione  è  formata  da  più  di  50 aziende multinazionali tra cui la Hewlett-packard e la Sharp.

Figura 2. Caratteristiche della comunicazione Wireless

Figura 2. Caratteristiche della comunicazione Wireless

Dal punto di vista della sicurezza il sistema a raggi infrarossi è immune all’intercettazione di dati, poiché, non potendo oltrepassare i corpi, limita di molto la diffusione del segnale. Poiché non sono necessari cavi per far comunicare un dispositivo con un altro, le comunicazioni avvengono senza alcuna connessione fisica (Tabella 1).

Tabella 1. Informazioni tecniche

Tabella 1. Informazioni tecniche

L’architettura IrDA

La trasmissione dati via luce infrarossa è un mezzo di trasmissione di facile utilizzo e buona affidabilità per applicazioni semplici tra due dispositivi. La connessione via infrarossi è praticamente a prova di errori, non è possibile collegare i connettori in modo errato, la velocità e i parametri di connessione vengono stabiliti automaticamente all’atto della connessione e il dispositivo ha un costo estremamente basso. I protocolli IrDA forniscono la connettività senza fili senza connessione fisica, “a vista” (senza ostacoli frapposti), tra dispositivi. I standard più diffusi della comunicazione infrarossa sono: SIR (originariamente “Serial Infrared” ma per confronto con la successiva implementazione più veloce, anche “Slow Infrared”), il protocollo contempla  velocità di trasmissione da 9.6 kbps fino a 115 kbps (half duplex). FIR (Fast Infrared), il protocollo riguarda velocità di trasmissione fino a 4 Mbps (half duplex). VFIR (Very Fast Infrared), in questo standard la velocità raggiunge 16 Mbps (half duplex). Oltre agli standard IrDA, sul mercato è presente lo standard  “de  facto” chiamato CIR  (Consumer Infrared), nato praticamente nei telecomandi dei televisori. Purtroppo non essendo un vero standard, ne esistono numerose varianti.  Tuttavia  (come  dimostrato  dai telecomandi  “universali”) è possibile realizzare apparati che praticamente riescono a comunicare con tutte le varianti. Tipicamente la modulazione (velocità di trasmissione) è tra 35 e 40 kHz, che male si “sposa” con le tipiche velocità “informatiche” di IrDA.  Esistono software che forzano un hardware IrDA a generare segnali CIR, ma spesso il risultato è di limitata portata. Una  tipica  comunicazione  tra due dispositivi può essere rappresentata dalla figura 3.

Figura 3. Wire configuration

Figura 3. Wire configuration

La figura 3 mostra un esempio di comunicazione  tra  dispositivi connessi   mediante   un   cavo (Wire configuration). Con l’introduzione della comunicazione IrDA (figura 4)   la connessione seriale viene sostituita da un protocollo di comunicazione con un dispositivo ottico che converte le informazioni da trasmettere in un segnale infrarosso. Il segnale infrarosso sarà trasmesso in una certa direzione e con un certo angolo solido.

Figura 4. Schema a blocchi della comunicazione IrDA

Figura 4. Schema a blocchi della comunicazione IrDA

L’architettura di un sistema IrDA può essere rappresentato mediante la figura 5.

Figura 5. Architettura del sistema IrDA

Figura 5. Architettura del sistema IrDA

Le  parti  fondamentali  che  ne costituiscono sono:

  • Convertitore Ottico
  • Il protocollo di comunicazione
  • Host controller.

Il protocollo di comunicazione

Il protocollo IrDA (figura 6 e 7) è un protocollo di rete configurato secondo lo standard OSI.

Figura 6. Protocollo IrDA Data

Figura 6. Protocollo IrDA Data

Figura 7. Protocollo IrDA Control

Figura 7. Protocollo IrDA Control

Fornisce un insieme di regole e informazioni sui dati (bit rate, bit format…) che vengono trasmessi. Molti dispositivi, tra cui il PDA, utilizzano la trasmissione seriale asincrona IR o SIR. Notebook e alcune stampanti implementano la comunicazione sincrona FIR. Questo tipo di comunicazione è compatibile con le altre e supporta velocità di trasmissione dati dell’ordine di 4Mbps. Il protocollo IrDA  può essere diviso in:

- IrDA data (figura 6): orientato al trasferimento dati tra periferiche ad alta velocità, come notebooks e fotocamere digitali. Questo prevede il trasferimento point-point.

- IrDA control (figura 7): orientato invece a periferiche di controllo a velocità minori, come tastiere, joystick. Queste prevede anche il trasferimento point-to-multi-point.

I stati  di  funzionamento  per  il Protocollo IrDA sono (figura 8):

  • Normal Disconnect Mode (NDM)
  • Discovery Mode (DM)
  • Normal Response Mode (NRM)
Figura 8. I stati di funzionamento del protocollo IrDA

Figura 8. I stati di funzionamento del protocollo IrDA

Vediamo in che cosa consistono questi 3 stati. NDM  è un particolare stato che indica la ricerca, di altri dispositivi IrDA, da parte di un dispositivo primario che invierà un segnale opportunamente codificato ad intervalli di tempo.  Se nel range del dispositivo primario ci sono altre apparecchiature IrDA, il dispositivo primario riceverà un segnale in risposta al suo.  Una volta stabilita la connessione il primario invierà al secondario un segnale di identificazione. DM, invece, è lo stato per il quale i due dispositivi generano un canale di comunicazione. Il primario  invierà  al  secondario un segnale che contiene informazioni relativi ai parametri di collegamento. NRM, infine,   è lo  stato  dove dati ed errori viaggiano da un dispositivo IrDA all’altro. Quando la comunicazione è terminata il primario invierà al secondario un segnale di interruzione. Vediamo adesso i vari protocolli di comunicazione del IrDA data.

Il protocollo di comunicazione: IrLAP

Il protocollo IrLAP (Infrared Link Access Protocol) è responsabile del collegamento fisico tra due dispositivi. E’ una modifica del protocollo HDLC che riflette le necessità della comunicazione IrDA.  Le specifiche più importanti sono:

  • controllo di accesso
  • Scoperta dei soci potenziali di comunicazione
  • Stabilizzazione di un collegamento bidirezionale certo
  • Trattativa dei ruoli del dispositivo di Primari/Secondary

Sullo strato di IrLAP i dispositivi di comunicazione sono divisi in un  dispositivo   primario  ed  in uno o più dispositivi secondari. In generale, esso racchiude i frame e fa si che i dispositivi IrDA non vadano in conflitto tra di loro. La comunicazione è sempre half-duplex. Inoltre IrLAP descrive come i dispositivi stabiliscono una connessione, come la chiudono e come saranno numerati internamente. Non appena le informazioni riguardanti le velocità supportate sono scambiate, i canali logici (ognuno di questi controllato da un singolo dispositivo primario) vengono creati.

Il protocollo di comunicazione: IrLMP

Il  protocollo IrLMP  (Infrared Link Management protocol) permette a più dispositivi IrDA di far parte di un collegamento fisico. Esempio di applicazione è l’utilizzo di una stampante da parte di più utenti. Siccome la configurazione dei dispositivi IrDA cambia, ogni dispositivo fa sapere agli altri dispositivi le proprie informazioni attraverso il protocollo IrLMP. L’obiettivo dell’IrLMP è di rilevare la presenza di dispositivi che offrono un servizio, di controllare il flusso di dati, e di agire come un multiplexer per configurazioni con differenti dispositivi con diverse proprietà richieste. Le applicazioni usano IrLMP per chiedere se un dispositivo richiesto è nelle vicinanze.

Il protocollo di comunicazione: IAS

Il protocollo IAS (Information Access Service) mette a disposizione un servizio che può essere richiesto mediante il protocollo IrLMP. Affinché il servizio sia accessibile da altri dispositivi connessi in IrDA vi è un “selettore” chiamato LSAP (Link Service Access Point).

Il protocollo di comunicazione: Tiny TP

Il protocollo Tiny TP è un protocollo che svolge due funzioni basi: controllo del flusso di dati segmentazione e  riassemblaggio dei pacchetti di dati. Lavora insieme a IrLAP per il controllo del flusso di dati.  L’utilizzo del protocollo Tiny TP è di fondamentale rilevanza per il protocollo IrLAN.

Il protocollo di comunicazione: IrOBEX

Il protocollo IrDA Object Exchange può essere visto essenzialmente come HTTP per la comunicazione infrarossa. E’ stato sviluppato cercando di assomigliare il più possibile al protocollo internet. IrOBEX è utilizzato in quei casi dove oggetti di qualunque tipo devono essere trasferiti da un dispositivo ad un altro: per esempio uno scanner che cattura l’immagine e lo invia mediante collegamento infrarosso ad un computer per essere manipolata.

Il protocollo di comunicazione: IrCOMM

Il protocollo IrCOMM provvede ad emulare le porte di comunicazioni seriali e paralleli. Grazie al supporto IrComm, è possibile utilizzare il computer e un telefono cellulare dotato di ricetrasmettitore a infrarossi per la connessione al provider di servizi Internet o per l’invio di fax senza che siano necessarie apparecchiature aggiuntive.

Il protocollo di comunicazione: IrLPT

Il  protocollo   IrLPT  è  anche  denominato  come IrCOMM 3-Wire. Provvede ad emulare le porte LPT.

Il protocollo di comunicazione: IrTran-P

Il protocollo IrTran-P (IrDA Transfer Picture) è utilizzato in alcuni dispositivi per trasferire immagini digitali. IrTran-P utilizza il protocollo IrCOMM. Definisce un formato standard di file immagine, UPF (Uni-Picture Format).

Il protocollo di comunicazione: IrMC

Il protocollo  IrMC (IrDA Mobile Communications) è un set di 4 protocolli proposti dal gruppo di comunicazione mobile IrDA. Questo protocollo permette la comunicazione tra dispositivi IrDA con quelli di tecnologia Mobile (cellulari). IrMC è formato dai seguenti protocolli: IrCOMM, IrOBEX, RTCON e ULTRA. ULTRA è un protocollo di comunicazione simile al IrOBEX.

Il protocollo di comunicazione: RTCON

Il Protocollo RTCON è utilizzato per trasmettere in tempo reale voce e dati. Esempio tipico  è la trasmissione di dati tra l’auricolare IrDA e il cellulare. Vediamo adesso alcune proprietà del Protocollo IrDA control. Lo standard IrDA Control è pensato per collegare periferiche a bassa velocità, generalmente non intelligenti, come tastiere, mouse, joystick, a periferiche intelligenti (dette host) come ad esempio un PC. Dato che lo standard è orientato a periferiche decisamente più semplici di quelle previste dall’IrDA Data, anche il “protocol stack” è decisamente più semplice che nel caso precedente. I vari protocolli sono: PHY (Physical Layer),  MAC (Media Acces Control) e   LLC (Logical Link Control). Per quanto riguarda il Physical Layer, lo standard impone un minimo di 5 metri di raggio d’azione, con comunicazione bidirezionale, data rate di 75 kbps. Il Media Access Control deve essere tale da permettere all’host di comunicare con più periferiche, per la precisione sono possibili fino a 8 periferiche contemporaneamente; deve inoltre garantire tempi di risposta contenuti e bassa latenza. Infine il Logical Link Control offre funzionalità per  la robustezza del canale, come la ritrasmissione in caso di errore.

L’host controller

L’interfaccia UART è l’interfaccia di collegamento tra il protocollo e il dispositivo di controllo  (Host  controller).  I  segnali che controllano il flusso di dati tra i due dispositivi sono RTS e CTS. Il primo indica la possibilità di comunicazione tra protocollo e host controller; il secondo, invece, indica la possibilità di comunicazione nella direzione opposta.  Il segnale CTS deve  essere monitorato  dall’host controller per sapere quando può avvenire il trasferimento dei dati. La comunicazione avviene entro una finestra temporale dell’ordine della decina del millisecondo.

Il protocollo IrSimple

Il protocollo IrSIMPLE consente a dispositivi come i videofonini e i PDA di connettersi istantaneamente ad un televisore, ad un monitor o ad un proiettore e trasmettere centinaia di foto in pochi secondi. Il protocollo IrSimple consente velocità di trasferimento dati intorno ai 100 Mbit al secondo, ovvero 25 volte superiori a quelle che caratterizzano le interfacce IrDA (figura 9).

Figura 9. Architettura dell’IrDA a 4 Mbps

Figura 9. Architettura dell’IrDA a 4 Mbps

I dati vengono trasmessi secondo la modulazione PPM (Pulse Position Modulation) e opportunamente codificati. L’evoluzione dello standard IrSIMPLE è avvenuto in due fasi, ciascuna corrispondente ad un differente layer fisico: il primo di questi, chiamato VFIR (Very Fast InfraRed), supporta velocità fino a 16 Mbps; il secondo, chiamato UFIR (Ultra FIR), spinge le performance a 100 Mbps, ovvero la velocità di una comune rete wired Fast Ethernet.

BIBLIOGRAFIA

  • Wireless Communication using the IrDA Standard Protocol – Mark Palmer
  • The IrDA standards for High-Speed Infrared Communications – Iain Millar, Martin Beale, Bryan J. Donoghue, Kirk W. Lindstrom, Stuart Williams – Hewlett Packard Company
  • Infrared Data Communications with IrDA – Charles D. Knutson, Glade Diviney-Counterpoint Systems Foundry.

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 12 gennaio 2017

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