Các tiêu chuẩn đầu tiên của IrDA đã được phát hành vào năm 1993 và 1994. Việc sử dụng ngày càng tăng và chấp thuận các tiêu chuẩn IrDA đã thúc đẩy việc thông qua các thông số kỹ thuật IrDA bởi các tổ chức tiêu chuẩn khác nhau. Năm 2000, người ta ước tính rằng việc sử dụng các thiết bị quang học không dây dựa trên tiêu chuẩn IrDA tăng trưởng 40% hàng năm, với số lượng cài đặt hơn 150 triệu đơn vị trên toàn cầu. Các giao thức dữ liệu IrDA xác định tiêu chuẩn cho một phổ tương thích hai chiều truyền dữ liệu không dây cổng IR. Giao thức này được tổ chức theo kiểu lớp, với các lớp vật lý tại cơ sở (cũng giống như trong mô hình OSI). Khi bộ tách sóng vật lý IrDA nhận dữ liệu, các gói dữ liệu trực tiếp đến lớp thấp nhất của chồng giao thức, lấy được dữ liệu điều khiển và chuyển thông tin còn lại tới lớp tiếp theo trong mô hình. Mỗi ngăn xếp trích xuất dữ liệu điều khiển theo yêu cầu và chuyển giao phần còn lại cho các lớp phía trên cho đến khi các dữ liệu truyền được nhận bởi ứng dụng. Thông tin sẽ được tạo ra bởi lớp ứng dụng sau quá trình nghịch đảo. Thông tin này được quản lý bởi các giao thức của lớp ứng dụng, trong đó có dữ liệu cần thiết được gắn thêm quản lý thông tin cho nó, và gửi thiết lập mới của thông tin này tới các lớp thấp hơn. Quá trình này chấm dứt khi thông tin được chuyển từ giao thức cấp thấp nhất qua bức xạ hồng ngoại.
Giao thức IrDA cơ sở lớp ngăn xếp bao gồm :
− IAS."Dịch vụ thông tin truy cập" có trách nhiệm cho việc phát triên các dịch vụ trên các thiết bị khác, và để cung cấp các cơ chế thích hợp để quảng cáo cho các thiết bị từ xa.
− Tiny TP: Lớp này chịu trách nhiệm cho mỗi kênh trong việc kiểm soát lưu lượng, phân đoạn, và tái gộp.
− IrLMP :"giao thức liên kết quản lý" cung cấp ghép kênh của các lớp IrLAP cũng như đăng ký dịch vụ và cơ chế phát hiện.
− IrLAP. "giao thức liên kết truy nhập" chịu trách nhiệm trách nhiệm cho việc thiết lập một liên kết giữa hai thiết bị (bao gồm phát hiện ra thiết bị, kết nối, đàm phán) và duy trì nó.
− Framer/Driver. Lớp này chịu trách nhiệm đáp ứng các yêu cầu trình điều khiển và thực hiện đóng khung gói tin theo yêu cầu của lớp vật lý.
− Tầng vật lý. Lớp này quy định các phần cứng vật lý cho các liên kết IR, cũng như các đặc điểm khác như bước sóng của hoạt động, phạm vi, BER (tỷ lệ lỗi bit), và góc của máy phát và thu. Các thành phần của lớp vật lý được minh họa trong hình 2.5
Hình 2.5 Thành phần vật lý lớp giao thức IrDA
Sáu lõi của ngăn xếp lớp giao thức được minh họa trong hình 9.2. Ở đây, ngăn xếp tùy chọn lớp trao đổi đối tượng OBEX (Object Exchange) và IrCOMM (Truyền thông IR) cũng được minh họa như hình vẽ
Hình 2.6 Ngăn xếp lớp giao thức IrDA
Một lợi thế của các thiết bị IrDA so với các thành phần hỗ trợ dạng khác của truyền thông không dây là tiêu thụ điện năng thấp trong thu phát. Điều này có thể được quan sát thấy trong bảng 9.1, trong đó so sánh giữa IrDA, Bluetooth, và WiFi được trình bày. Có thể được nhìn thấy ở đây là tiêu thụ điện năng của IrDA trong thu phát nhỏ hơn của Bluetooth trong khi cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn.
Dạng kỹ thuật không dây Tốc độ dữ liệu Khoảng cách Công suất
IrDA năng lượng thấp 4Mbps 20cm 60-120 A
IrDA trung bình 16 Mbps 1m 0.9-1.2 mA
WiFi 802.11b 11 Mbps 100m 480-700 mA
Bluetooth lớp 3 723 Mbps 1m 0.3-1.2 mA
Bluetooth lớp 2 723 Mbps 10m 75-100 mA
Bluetooth lớp 1 723 Mbps 100m 220-350 mA
Bảng 2.2 So sánh các Công nghệ không dây IrDA, Bluetooth, và WiFi
IrDA thu phát sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ số như là cách thức để truyền tải thông tin trên phần gần hồng ngoại của quang phổ. Bước sóng hoạt động của các máy thu phát là 880 nm (tương đương đến 300 THz), với tốc độ dữ liệu hiện tại lên đến 16Mbps. Về kiến trúc, IrDA định nghĩa kết nối điểm tới đa điểm là từ một điểm trung tâm duy nhất có thể kết nối tới 16 thiết bị. Ở đây, các điểm trung tâm truyền các khe thời gian cho các đơn vị thứ cấp, kiểm soát lưu lượng truy cập dữ liệu theo cách này. Các thuật toán cụ thể để thực hiện kết nối này có thể được quyết định bởi mỗi nhà sản xuất.
Mặc dù là phạm vi truyền dẫn quy định của IrDA là 1 mét, nhưng phạm vi thực tế đạt được bởi một thiết bị dựa trên đặc điểm kỹ thuật này thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện ánh sáng nền nơi mà máy thu phát hoạt động. Vì khoảng cách được quy định cụ thể như chỉ có 1 mét nên đã làm hạn chế năng lượng lượng. Đặc điểm kỹ thuật cũng xác định phát xạ hình nón=15° ở máy phát, và FOV rộng ở phía thu (đạt được thông qua một thấu kính hình bán cầu gắn trên đầu của diode tách sóng quang). Có nhiều tỷ lệ dữ liệu khác nhau được hỗ trợ cho các thiết bị IrDA. Đây là kết quả của sự phát triển của công nghệ, trong đó bao gồm tốc độ dữ liệu từ 2,4 kbps tới 10Mbps. Các tỷ lệ truyền nối tiếp hồng ngoại (SI) là các đặc điểm kỹ thuật vật lý lớp đầu tiên, cụ thể là 9,6; 19,2; 38,4; 57,6 và 115,2 kbps. Các tốc độ dữ liệu trên được hỗ trợ cho tất cả các
loại thiết bị IrDA. Một đặc điểm kỹ thuật nữa, thường được gọi là tiện ích hồng ngoại (MIR), xác định tỷ lệ bit nhanh hơn dựa trên một chương trình mã hóa tương tự như sử dụng cho SIR (tiêu chuẩn IR). Tốc độ của nó là 0,576 và 1,152 Mbps. Phiên bản sau của kỹ thuật này, thường được gọi là hồng ngoại nhanh (FIR), được dựa trên PPM và cho tốc độ dữ liệu được cải thiện lên tới 4 Mbps. Sự cải thiện tốc độ mới nhất được xác định bởi các đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý IrDA hỗ trợ tốc độ truyền 16 Mbps. Kỹ thuật này được biết đến là Hồng ngoại rất nhanh (VFIR) và nó được dựa trên mã hóa giới hạn chạy dài. Một trong các phương thức hoạt động ưa thích của các thiết bị IrDA là sử dụng mô hình point-and-shoot. Điều này có nghĩa rằng để thiết lập liên kết, người sử dụng phải hướng thiết bị của mình tại tới thiết bị mục tiêu thích hợp, do đó có thể phát hiện và xác thực các thiết bị khác và thiết lập một liên kết truyền thông. Thiết bị của người sử dụng tại thời điểm đó có thể gửi một số dữ liệu đến các thiết bị quan tâm.
2.7 Các giao thức lớp vật lý
Giao thức lớp vật lý xác định thành phần vật lý được sử dụng ở cấp thấp trong một liên kết IR không dây để truyền và nhận thông tin. Nó bao gồm các đặc tính của máy phát (chẳng hạn như các loại nguồn, trong trường hợp này là một đèn LED), và
các đặc tính của máy thu (trong đó có một photodiode PIN Si). Đặc điểm khác như các đặc tính quang học, điện, và vật lý liên quan tới IrDA mà các nhà sản xuất cần phải tuân thủ cũng được chỉ định trong giao thức lớp vật lý. Những đặc điểm này bao gồm các bước sóng hoạt động, tốc độ dữ liệu, các thành phần quang học cần thiết để cung cấp các FOVs thích hợp cho phát xạ, số lần tăng và giảm, tỷ lệ lỗi bit (BER), xung thời gian, phạm vi.
Các đặc điểm kỹ thuật đầu tiên của lớp vật lý, hỗ trợ tốc độ tối đa 115,2 kbps, được phát hành vào tháng 4 năm 1994 và hỗ trợ tốc độ lên đến 115,2 kbps. Kể từ đó, công nghệ đã được cải thiện và các phiên bản mới hơn của các đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý đã được phát hành. Phiên bản 1.4 đã được phê duyệt trong năm 2001 và xác định các thành phần cần thiết để hỗ trợ tốc độ bit dữ liệu lên đến 16 Mbps.
2.7.1 Các máy phát IrDA
Các thiết bị lớp vật lý chính, như LED (phát quang diode) và diode tách sóng quang, gói gọn trong một thành phần được gọi là một bộ thu phát. Các đèn LED được điều khiển bởi một trình điều khiển LED, có khả năng nhận được thông tin từ một bộ mã hóa (có chức năng là để chuyển đổi các bit dữ liệu thành tín hiệu điện thích hợp). Trình điều khiển đầu ra điều chỉnh công suất đầu ra của đèn LED theo cách mà các xung điện được chuyển đổi thành xung quang tương đương trong một quá trình được gọi là điều chế cường độ (IM). Nói đại khái, loại điều chế này bao gồm chuyển đổi các LED mở và tắt theo tỷ lệ quy định của giao thức. Các đặc tính của xung là rất quan trọng để đạt được chất lượng truyền tải thông tin và truyền tải tốc độ chính xác. Các đặc điểm của máy phát cần phải đưa vào tính toán để đảm bảo chất lượng truyền cường độ năng lượng thích hợp phát ra, thời gian đáp ứng các đèn LED (trong đó bao gồm các thời gian tăng và suy giảm của các thành phần và xác định các tốc độ mà tại đó các đèn LED có thể được bật vào và tắt), và thời gian đèn LED phát ra năng lượng đầy đủ. Thời gian nâng cao là thời gian cần thiết để LED tăng từ 10 đến 90% giá trị đỉnh của nó, và thời gian sụt giảm thu được định nghĩa là khoảng thời gian cần để LED để đi từ 90% của giá trị đỉnh đến 10%(có nghĩa là, thời gian cần để LED đi từ mức năng lượng phát xạ cao về trạng thái tắt). Giai đoạn đèn LED phát ra năng lượng xác định là thời gian của xung truyền và thời gian xung được định nghĩa là khoảng thời gian giữa thời điểm LED đạt đến 50% giá trị đỉnh ổn định của nó trong suốt thời gian tăng đến thời điểm này khi năng lượng phát ra đạt đến 50% của giá trị cao điểm trong suốt thời gian sụt giảm
Hình 2.7 Giới hạn xung hồng ngoại IrDA
(a) LED hiện tại
(b) bức xạ cường độ ánh sáng
Thời gian xung nhịp phụ thuộc vào cách mã hoá và giới hạn từ 1,41 đến 88,55 ms cho hồng ngoại chậm, giữa 28,3 và 45ns cho hồng ngoại rất nhanh. Khi các đèn LED được bật, giá trị năng lượng bức xạ có thể vượt quá giá trị của cường độ đỉnh. Hiệu ứng này được gọi là vượt ngưỡng, và nó thường là một hiệu ứng chuyển tiếp xảy ra trước khi các thành phần có thể đạt được trạng thái ổn định. Một hiệu ứng có giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn IrDA thường được gọi là rung pha biên. Điều này được định nghĩa là sự thay đổi đột ngột và không mong muốn ở vị trí biên xung nhịp đối với đích đến. Trong trường hợp của IR chậm, nó chỉ đề cập đến biên hàng đầu của xung, và giới hạn của nó phải trong phạm vi 6,5% chiều rộng của xung để thực hiện theo giao thức. Trong IR nhanh và rất nhanh, biên rung pha đề cập đến cả đầu và cuối biên của xung. Đối với tốc độ IR trung bình và nhanh, giới hạn rung pha biên là 4% độ rộng của xung, và cho tốc độ của IR trung bình, giới hạn được thiết lập là 2,9% chiều rộng của xung nhịp.