ZigBee – перспективная технология для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

ZigBee - перспективная технология для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации

Содержание

Введение

1. Сравнительные характеристика протоколов организации беспроводных сетей

1.1 Что такое беспроводные сети?

1.2 Преимущества ZigBee

1.3 Сравнение стандартов семейства 802.15 и 802.11b

1.3.1 Организация WiFi сети

1.3.2 Организация Bluetooth сети

1.3.3 Организация ZigBee сети

1.3.4 Организация UWB сети

2. Организация сети ZigBee

2.1 Структура сети ZigBee 802.15.4

2.2 Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

2.3 Топология сети ZigBee

3. Реализация устройства ZigBee на базе однокристального модуля

3.1 Решение на основе чипа “Freescale” MC13192

3.2 Варианты аппаратных решений ZigBee на кристаллах различных производителей

3.2.1 Приемопередатчики ZigBee компании Ember

3.2.2 Отладочные средства для сетей ZigBee компании Ember

3.2.3 Отладочные средства для кристалла EM 250

3.2.4 Отладочные средства для кристалла EM 260

3.2.5 Отладочные средства для кристаллов EM2420+Atmega128L

3.3.a Програмные обеспечение Freescale

3.3.б Програмные обеспечение Ember

3.3.б.1 Стек протоколов ZigBee

3.3.б.2 Библиотеки EmberZNet

3.3.б.3 Компилятор xIDE for EM250

3.3.б.4 Анализатор трафика InSight Desk Top

3.3.с Технология программирования

Заключение

Список используемой литературы

Введение

ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и выключателей с батарейным питанием. Cтандарт ZigBee (6 947 Кб) опирается на Стандарт 802.15.4 (5 059 Кб), который описывает физическую среду передачи сигнала (PHY уровень) и способы доступа к ней (MAC уровень). Другими словами, стандарт 802.15.4. оговаривает следующие параметры радиосети - диапазон частот, тип модуляции, структуру пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т.д. Все эти характеристики, в большей или меньшей степени, реализуются в микросхеме приемопередатчика (трансивера). Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee.

Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это небольшие платы (2...5 кв. см.), на которых установлен чип трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые дискретные элементы. В управляющий микроконтроллер, в зависимости от желания и возможности производителя закладывается либо полный стек протоколов ZigBee, либо иная программа, реализующая возможность простой связи между однотипными модулями. В последнем случае модули именуются ZigBee-готовыми (ZigBee-ready) или ZigBee-совместимыми (ZigBee compliant). Все модули очень просты в применении - они содержат широко распространенные интерфейсы (UART, SPI) и управляются с помощью небольшого набора несложных команд. Применяя такие модули, разработчик избавлен от работы с высокочастотными компонентами, т.к. на плате присутствует ВЧ трансивер, вся необходимая "обвязка(connection, binding)" и антенна. Модули содержат цифровые и аналоговые входы

Низкая пропускная способность и маленький радиус действия не позволят применять сети ZigBee для трансляции больших объемов информации (скажем, потокового видео или аудио) или для связи между собой удаленных офисов. Впрочем, разработчики стандарта и не преследовали подобные цели - для этого существует технология широкополосной беспроводной передачи данных WiMAX.

Основной же сферой применения ZigBee-устройств в перспективе станут системы мониторинга, безопасности, контроля состояния медицинской аппаратуры и пр. Датчики с контроллерами ZigBee существенно упростят работу служб технической поддержки в крупных организациях. Ведь в этом случае при возникновении нештатной ситуации инженерам, чтобы выявить причину неисправности, будет достаточно быстро произвести опрос сенсоров, например, с помощью ноутбука или карманного компьютера. К тому же применение беспроводной связи и автономных источников питания повышает надежность охранных систем и комплексов мониторинга, поскольку злоумышленник не сможет вывести всю беспроводную сеть из строя путем отключения одного силового кабеля.

Предполагается также, что связь ZigBee станет неотъемлемой частью "цифрового дома". Причем контроллеры ZigBee получат не только датчики систем безопасности и сигнализации, но и бытовая техника, в том числе кондиционеры, видеомагнитофоны, телевизоры, и даже обыкновенные выключатели света. Это позволит контролировать работу всех приборов при помощи унифицированного пульта дистанционного управления или мобильного телефона. Кстати, компания Pantech & Curitel в конце прошлого года продемонстрировала первый в мире мобильник P1 с интегрированным контроллером ZigBee и функциями пульта ДУ (на фото).

Кроме того, ZigBee-котроллеры могут встраиваться в различные компьютерные устройства, не предъявляющие высокие требования к пропускной способности каналов связи. Это могут быть, например, джойстики, мыши и т.п.

В сфере медицины беспроводная связь ZigBee поможет отслеживать состояние перенесших операции пациентов или людей, находящихся в тяжелом состоянии. Вместо датчиков с проводами на руку пациента можно будет надеть электронный браслет с сенсорами давления, температуры, частоты сердечных сокращений и с нужной периодичностью сбрасывать снимаемые показания на центральный сервер, который в случае опасности выдаст сигнал тревоги с указанием номера палаты и койки.

Естественно, для ZigBee-устройств найдутся и многие другие области применения.

1. Сравнительные характеристики протоколов организации беспроводных сетей

Технологии развёртывания беспроводных сетей

Wireless network deployment issues can be best understood if placed into the following three service classifications Процесс развёртывания беспроводных сетей будет понятен лучше, если их разделить на три класса:

· Персональные беспроводные сети (WPAN)

· локальная или территориальная беспроводная сеть (WLAN)

· Обширная беспроводная сеть (WWAN)

Сегодня, технологическое ядро, скрывающееся за каждой из этих трёх служб, является уникальным и, что еще более важно, ему не присуща стратегия бесшовного сетевого интегрирования. Например, пользователь PDA подключающийся к Интернет через провайдера не может подключиться непосредственно к локальной сети учреждения, на территории которого он находится. Этот пример показывает, что эти две службы являются совершенно разными, с разными требованиями к оборудованию и имеющими различные фундаментальные ограничения.

Технология WPAN

Системы WPAN эволюционировали от технологий, заменяющих шнур. Вот некоторые примеры:

· Беспроводные клавиатуры.

· соединение PDA с персональным компьютером.

· Радиотелефон (беспроводное соединение между базой и носимой трубкой в современных аппаратах).

Исходя из первоначального назначения, WPAN использует маломощные передатчики и покрывает ограниченное пространство.

Наиболее известная технология WPAN называется «Bluetooth». Bluetooth - это маломощная беспроводная система изначально разработанная как замена для инфракрасного соединения. Вот характеристики:

· Скорость передачи данных 732 Kbps или менее.

· Расстояние передачи - не более 10 метров.

· Нет поддержки роуминга - возможности сохранения соединения при переходе от одного Bluetooth к другому.

Технология WLAN

Системы WLAN были разработаны для расширения возможностей, а в некоторых случаях для полной замены традиционных кабельных сетей. Преобладающим стандартом в сетях WLAN является IEEE 802.11b (802.11b - это улучшенная версия предыдущего 2-мегабитного стандарта 802.11). Вот основные характеристики:

· Скорость передачи данных - до 11 Mbs.

· Радиус действия ~ 30 метров.

· Поддержка роуминга.

Поддерживаемая топология включает перекрывающиеся ячейки и интеграцию отдаленных ячеек через существующую инфраструктуру сети.

В настоящее время в разработке находится следующее поколение беспроводных стандартов 802.11:

· 802.11g: стандарт 802.11b со скоростью передачи данных увеличенной до 20 Mb. Как 802.11b и Bluetooth, 802.11g работает на частоте 2.4 GHz.

· 802.11a: 54 Mb, работает на частоте 5 GHz. Не имеет обратной совместимости с 802.11b/g. Возможно, будет доступен в течение 2 лет, но ожидается высокая начальная стоимость оборудования и развёртывания, а так же необходимость в более плотном расположении точек доступа при обеспечении покрытия, эквивалентного покрытию систем 802.11b/g из-за различия в распространении радиоволн частотой 5 GHz и 2.4 GHz.

Существенным недостатком систем 802.11 является высокое энергопотребление. Данное требование к мощности обуславливает размер питающих элементов и делает непрактичным использование этих систем в компактных устройствах типа PDA.

Технология WWAN (сотовая)

Компании, предоставляющие услуги беспроводной телефонной связи используют широкий диапазон технологий для передачи голоса и данных. «Второе поколение» (G2) сотовых телефонных систем, распространённых сегодня включают: GSM, CDMA, TDMA технологии. Все эти системы в настоящее время имеют ограничения скорости передачи данных на уровне 9,6 Kbps. В течение следующих нескольких лет планируется обеспечить поддержку в существующих системах скорости передачи данных в 170 - 300 Kbps, а также внедрить системы следующего поколения - G3. Ожидается, что примерно через 5 лет, системы G3 получат широкое распространение, а скорость передачи данных будет достигать 2 Mbs.

В то время как распространяющаяся природа систем WWAN соблазнительна для потребностей маленьких мобильных устройств, типа PDA, более широкая полезность систем остается ограниченной. Действительно, скорость передачи данных систем сотовой связи доступная сегодня не достаточна для организации беспроводной сети полнофункциональных компьютеров. Чтобы как-то расширить возможности для передачи данных, сотовым компаниям приходится изобретать различные, весьма изотерические протоколы и службы, позволяющие компрессировать традиционную WEB-информацию и передавать её конечным пользователям.

Wireless Access Protocol (WAP) - это в сущности ужатый протокол Wireless Markup Language (WML). WML очень похож на HTML, но созданный для отображения содержания интернет-страниц на маленьких дисплеях сотовых телефонов и PDA. В свою очередь, WMA обрабатывается шлюзом WAP, где сильно сжимается и преобразуется в протокол WAP и, затем, передаётся через беспроводные сотовые сети клиентам, подключенным к службе WAP. Все эти преобразования делаются для того, чтобы получить возможность передачи информации по очень низкоскоростным беспроводным каналам сотовых сетей.

Спутниковые беспроводные системы(Satellite wireless systems)

Хотя такие системы и являются беспроводными, в некоторой степени они останутся за рамками этого документа. Тем не менее, спутниковые беспроводные системы могут быть рассмотрены как разновидность служб WWAN. Однако стоимость услуг такой службы обычно ограничивает использование таких систем исключительно специфическими приложениями, которые могут выгодно использовать одностороннюю передачу данных или для которых другие способы коммуникации не применимы. Спутниковые системы с высокоскоростной двунаправленной передачей данных из-за своей стоимости в большинстве случаев не актуальны для практического применения.

Проблемы реализации беспроводных сетей

Есть несколько основных моментов, которые необходимо помнить при развёртывании беспроводных сетей:

· Поскольку в беспроводной индустрии пока ещё не выработано однозначного направления развития, каждая система, развёртываемая сегодня, является продуктом индивидуального «творчества» и рассчитана на небольшой жизненный цикл.

· Каждый тип беспроводной технологии рассчитан на определённых пользователей и/или на определённую площадь покрытия.

· Системы WPAN, WLAN и WWAN в настоящее время не могут напрямую взаимодействовать друг с другом (это показано на примере выше).

· Каждый тип систем имеет свои ограничения.

Короче говоря, видение вездесущего и интегрированного беспроводного обслуживания, например для университета Cornell, состоявшего из отобранного набора решений маловероятно в ближайшем времени.

Беспроводные сети также имеют ограничения в сравнении с кабельными сетями. В настоящее время ведётся множество дискуссий на тему потенциальных возможностей обеспечения всех нужд беспроводными сетями и замены ими кабельных сетей на территории университета. В настоящий момент не существует веских причин, чтобы отказаться от классической кабельной инфраструктуры. Беспроводные сети просто не могут обеспечить должной скорости передачи данных (например 1 Ggbs), а также того уровня качества сервиса, которое дают современные кабельные сети.

Беспроводные системы, рассматриваемые в Корнелльском университете в настоящее время обеспечиваю передачу данных со скоростью 11 Mb. Даже с ожидаемыми улучшениями в области повышения скорости обмена, беспроводные системы не будут иметь того же качества, надёжности или потенциала сетевых приложений, что и кабельные системы. На практике, качество беспроводных систем находится на уровне, который обеспечивали кабельные технологии 10 лет назад.

Другие ограничения, которые включают беспроводные технологии:

· No current provisions for quality of service, thus eliminating support for voice and video services(IEEE 802.11e work group is defining 802.11 QoS standards.) Нет текущего обеспечения для качества сервиса, что делает невозможным поддержку для передачи голоса и видео (рабочая группа IEEE 802.11e определяет 802.11 QoS стандарты).

· Помехи, свойственные для радиодиапазона, делают проблематичным обеспечение гарантированного соединения.

· Короткий жизненный цикл оборудования.

Тем не менее, пользователи 11Mb беспроводных сетей обладают несомненным преимуществом - мобильностью. Сегодня беспроводные сети являются удобным и весьма полезным дополнением классических кабельных сетей.

Если одно из достоинств беспроводных систем - это мобильность, то развёртывание множества «одноразовых» систем будет явно недальновидным. Однако развёртывание большой системы, например беспроводной системы университетского городка, создаёт некоторые проблемы:

· IP-адресация для мобильных устройств.

· Координация развёртывания сети.

IP-адресация противоречит мобильной природе беспроводных клиентов. Например, в Корнелле она привязана к конкретному физическому расположению подсети.

В большинстве стандартно настроенных сетей вы не сможете просто отключить свой компьютер от сети, перейти в другое здание, подключиться к сети, ожидая, что ваш IP-адрес будет принят этой сетью. Скорее всего, ваш адрес будет принадлежать другой подсети.

Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), может разрешить эту проблему, однако DHCP серверу по-прежнему необходимо назначить номер, который будет работать в подсети с данным соединением. Чтобы разрешить проблему IP-адресации для мобильных устройств при помощи DHCP сервера, у организации есть два пути. Первый - это установка маршрутизаторов способных организовать VLAN на территории комплекса зданий (в данном случае - территории университетского городка) и организовать единую выделенную сеть, которая будет включать все мобильные устройства, таким образом, позволяя IP-адресам работать на всей данной территории. Другой способ - это рассмотреть возможность применения Mobile IP.

Помехи от других устройств, использующих тот же самый диапазон частот - это ещё одна проблема, которую также необходимо рассматривать при развёртывании беспроводной сети. Службы стандарта 802.11b/g используют тот же самый диапазон, что и Bluetooth, многие радиотелефоны и многие другие беспроводные устройства. Пользователи беспроводных устройств должны это помнить, ожидая высокого уровня качества данного сервиса. Дополнительно к этому, все беспроводные устройства стандарта 802.11x должны быть сопряжены друг с другом. Две или более точки доступа должны работать согласованно. Пока 802.11b/g имеет 11 каналов, соединение «от точки к точке» используется 3 и неиспользованные каналы между каждой точкой, как это советует делать «народная мудрость». В общем, все 11 каналов могут быть использованы одной интегрированной беспроводной системой. В попытках улучшить качество беспроводного сервиса, многие университеты организовывают строгий централизованный контроль за использованием частотного диапазона исключающий бесконтрольное использование беспроводных устройств.

1.1 Что такое беспроводные сети?

В общем, беспроводные сети передачи данных используют электромагнитные волны радио, ультракороткого и светового диапазона для передачи данных. Беспроводные сети передают данные от передатчиков и приёмников, подключенных к компьютеру к фиксированным приёмникам и передатчикам, подключенным к кабельной сетевой инфраструктуре через устройства, известные как беспроводные точки доступа. Точки доступа располагаются в соответствии с нуждами конечных пользователей и в соответствии с требованиями используемой технологией. Существуют разные технологии передачи данных в беспроводных сетях. Одни призваны передавать данные от устройства к устройству, другие обеспечивают общее покрытие выделенной площади.

Преимущества беспроводной сети очевидны. Пользователи беспроводной сети не привязаны к определённому месту, оборудованному информационной розеткой, т.е. ни что не ограничивает наслаждение работой в сети и, таким образом, такой стиль работы гораздо лучше соответствует требованиям современного мобильного образа жизни.

Важная форма беспроводной сети передачи данных, которая будет обсуждена в этом документе, известна как сотовая. Сотовая беспроводная сеть состоит из множества радио ячеек, сопряжённых друг с другом. В идеальном случае, пользователи сотовых сетей могут перемещаться из ячейки в ячейку в пределах области покрытия без ухудшения быстродействия или потери доступа. Преимущество ячеечной структуры в возможности рентабельно подстраивать радио охват в течение долгого времени, чтобы удовлетворять изменяющийся спрос. Такой принцип построения сети был применён для сотовой связи, которая к настоящему времени охватывает практически весь земной шар.

1.2 Преимущества ZigBee

А)

Сеть ZigBee разработана с учетом работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами предусмотрены следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, измерение параметров канала передачи, контроль целостности данных, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов. Для расширения спектра исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, в результате чего в эфир передается шумоподобный сигнал. Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами. Перед тем как начать передачу устройство отслеживает -- свободен ли канал, и, в случае занятости, делает паузу случайной величины, после чего вновь повторяет попытку. Такой механизм предотвращает одновременный выход в эфир двух и более передающих устройств. Если при передаче информации произошел сбой, то приемник может обнаружить этот факт с помощью проверки контрольной суммы переданного пакета (CRC- cyclic redundancy check). Если все же какой-то узел сети оказывается неработоспособным из-за помех или физической неисправности, информация может дойти до приемника через другие, соседние узлы.

Эксперты уже давно указывают на два основных недостатка беспроводных сетей Wi-Fi и Bluetooth - небольшой радиус действия и относительно высокое энергопотребление.

Хотя само по себе ZigBee-оборудование также не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, естественно, если они находятся в зоне видимости. Что касается энергопотребления, то, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет.

Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. При применении 64-битной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств. Наконец, после начала массового производства стоимость контроллеров ZigBee, по идее, окажется существенно ниже стоимости контроллеров Wi-Fi и Bluetooth.

Б)

· Низкое энергопотребление;

· Низкая стоимость ($ 3 - $ 5);

· Возможность организации сети различной топологии (число узлов до 264 при IEEE адресации и 216 при локальной адресации),увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала;

· Высокая надежность сетевых решений и самовосстанавливаемость системы (использование процедуры маршрутизации);

· Многоуровневая система безопасности (использование таблиц контроля доступа,AES алгоритма кодирования и собственных алгоритмов на уровне приложения);

· Простота установки и обслуживания

1.3 Сравнение стандартов семейства 802.15 и 802.11b

В диапазоне 2,4ГГц, на сегодняшний день, широкое распространение получили, такие технологии беспроводной передачи данных, как WiFi, Bluetooth и ZigBee. Иногда эти технологии рассматривают как конкурирующие. На самом деле, каждая из упомянутых технологий имеет свои уникальные характеристики, обуславливающие их области применения.

В таблице 1 приведены основные характеристики популярных стандартов беспроводной связи.

1.3.1 Организация WiFi сети

Таблица 1

Технология беспроводной передачи данных WiFi, основана на стандарте IEEE 802.11. Стандарт IEEE 802.11, определяет протоколы, необходимые для организации локальных беспроводных сетей (WLAN). Основные из них - протокол управления доступом к среде MAC (Medium Accsess Control) и протокол передачи сигналов в физической среде PHY. В качестве основного метода доступа к среде, стандартом 802.11, определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий). В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. WiFi ориентирован на передачу относительно больших объемов информации, - это может быть потоковое видео, HiFi аудио, голос, ЛВС.

1.3.2 Организация Bluetooth сети

Беспроводная технология Bluetooth, основана на стандарте IEEE 802.15.1, является стандартом, определяющим функционирование компактных систем связи на небольших расстояниях между мобильными персональными компьютерами, мобильными телефонами и иными портативными устройствами. Bluetooth представляет собой недорогой радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона около 100 м. Для работы радиоинтерфейса Bluetooth используется так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (industrial, scientific, medical), предназначенный для работы промышленных, научных и медицинских приборов. Радиоканал обладает полной пропускной способностью в 1 Мбит/с, что обеспечивает создание асимметричного канала передачи данных на скоростях 723,3/57,6 Кбит/с или полнодуплексного канала на скорости 433,9 Кбит/с. Если данные не передаются, то через Bluetooth-соединение можно передавать до 3-х дуплексных аудиоканалов по 64 Кбит/с в каждом направлении. Возможна также и комбинированная передача данных и звука. В части организации обмена данными Bluetooth соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону со скоростью 1600 переключений в секунду в полосе 2400-2483,5 МГц. Bluetooth работает как многоточечный радиоканал, управляемый, аналогично сотовой связи GSM, многоуровневым протоколом.

1.3.3 Организация ZigBee сети

ZigBee (IEEE, 802.15.4) - это стандарт для низкоскоростных персональных сетей беспроводной связи - Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Всего за ним закреплено 27 каналов в трех эфирных диапазонах. Общий для всего мира на частоте 2,4 ГГц (16 каналов), дополнительный для США на 915 МГц (10 каналов) и такой же на 868 МГц для Европы (один канал). Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и колеблется от 256 кбит/с, до скромных 20. Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), физический уровень использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-QPSK) на частоте 2,4 ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных, что позволяет использовать метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения.

1.3.4 Организация UWB сети

UWB (Ultra Wideband) - технология радиочастотной связи, основанная на передаче импульсов очень короткой продолжительности (несколько наносекунд и даже меньше) в самом широком на сегодня диапазоне частот (от 3 до 10 ГГц), из-за чего скорость передачи данных может достигать очень больших значений. Оборудование, использующее эту технологию, потребляет меньше мощности и при работе на одинаковых частотах с другими коммуникационными устройствами не создает существенных помех. Сфера применения данной технологии не ограничивается только беспроводными коммуникациями, UWB так же может использовать для передачи данных коаксиальные кабеля или витые пары с потенциальной скоростью передачи данных более 1 Гигабита в секунду.

UWB фундаментально отличается от других радиочастотных способов связи. Уникальность технологии состоит в том, что она не использует в качестве несущего сигнала синусоиду. Вместо этого используются модулированные высокочастотные низкоэнергетические импульсы с длительностью менее 1 нс.

Так как UWB использует широкий диапазон частот, скорость беспроводной передачи данных может достигать 480 Мбит/с, но на очень небольших дистанциях - до 3 метров. При увеличении расстояния до 10 метров можно достичь скорости не более 100 Мбит/с. В этом кроется основная проблема данной технологии: с увеличением расстояния резко падает скорость передачи данных, гораздо быстрее чем у Wi-Fi сетей.

2. Организация сети ZigBee

ZigBee определяет характер работы сетей датчиков. Устройства образуют иерархическую сеть, корнем которой является координатор ZigBee. Маршруты могут учитывать иерархию, возможна также оптимизация информационных потоков

1. Координатор ZigBee определяет сеть и устанавливает для нее оптимальные параметры

2. Маршрутизаторы ZigBee включаются в сеть либо через координатор ZigBee или через другие, уже входящие в сеть маршрутизаторы

3. Оконечные устройства могут соединяться с любым маршрутизатором ZigBee или координатором ZigBee

4. По умолчанию трафик сообщений распространяется по ветвям иерархии

5. Если маршрутизоры имеют соответствующие возможности, они могут определять оптимизированные маршруты к определенной точке и хранить их для последующего использования в таблицах маршрутизации

2.1 Структура сети ZigBee 802.15.4

Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации.

В 2001 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE разработал новый стандарт 802.15.4 семейства беспроводных персональных сетей WPAN. В 2002 году был организован альянс ZigBee. Альянс ZigBee -- это консорциум поставщиков полупроводниковых компонентов, производителей готовых решений, а также конечных потребителей (всего более 90 компаний), который разрабатывает глобальную спецификацию программного стека протоколов ZigBee на базе стандарта IEEE 802.15.4 для надежных, с низкими энергозатратами беспроводных приложений с поддержкой различных сетевых топологий типа «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть» [1].

Технология ZigBee заняла нишу радиоинтерфейсов для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением, где использовались либо технологии с более высокими эксплутационными характеристиками и с высоким энергопотреблением, либо решения, базирующиеся на микросхемах радиотрансиверов различных производителей, не относящихся ни к одному из распространенных стандартов. Приведенные на рис. 1 стандарты (Bluetooth, WLAN) отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с) и с дальностью передачи от 10 до 100 метров. Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов). Все это позволяет заменить проводные соединения в таких системах, как компьютерные и развлекательные системы, вычислительные сети. Однако существует огромное множество систем (разнообразные датчики, системы контроля и сбора информации и т. д.), обладающих особой спецификой (небольшие объемы передаваемой информации, малое энергопотребление, простота установки и обслуживания, большое количество узлов сети и т. п.), вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со 100-процентой эффективностью использовать упомянутые технологии. Именно на реализацию подобных задач нацелен стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей (рис. 1).

Рис. 1. Классификация основных беспроводных стандартов

Применение технологии ZigBee/802.15.4 позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC [2]

2.2 Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

Таблица 2

Стандарт	802.15.4 ZigBee™
Частота	868 МГц	915 МГц	2,4 ГГц
Число каналов/шаг	1/-	10/2 МГц	16/5 МГц
География распространения	Европа	Америка	Весь мир
Макс. скорость, модуляция	20 кбит/с, BPSK	40 кбит/с, BPSK	250 кбит/с, O-QPSK
Выходная мошность, ном.	0 dBm (1 мВт)	0 dBm (1 мВт)	0 dBm (1 мВт)
Дальность	10-100м
Чувствительность (спецификация)	-92dBm	-92dBm	-85dBm
Размер стека	4-32 кбайт
Срок службы батареи	От 100 до 1000 и более дней
Размер сети	65536 (16-битные адреса), 264 (64-битные адреса)

Спецификация ZigBee-стека определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств.

Глобальная спецификация ZigBee для беспроводных приложений, основанная на едином стандарте 802.15.4, изначально нацелена и сфокусирована на приложениях мониторинга и контроля, распределенных сетях датчиков, на развертывании беспроводных информационных сетей для недорогих низкопотребляющих систем, использующихся в коммерческой, промышленной и домашней автоматике (рис. 2).



Рис. 2. Области применения технологии ZigBee / 802.15.4

Одним из основных преимуществ стандарта 802.15.4/ZigBee является простота установки и обслуживания подобных систем. Особенности спецификации ZigBee позволяют с легкостью развертывать беспроводные персональные сети: «вы просто вынимаете устройство из коробки, вставляете батареи и совершаете простую операцию наподобие нажатия клавиши -- подносите два устройства друг к другу, нажимаете кнопки и держите до тех пор, пока не загорятся зеленые светодиоды». Таким образом, происходит объединение двух устройств в сеть либо привязка, например, выключателя света к определенной лампе. Реализация данного принципа предполагает внедрение ZigBee-модулей во все новые приборы и системы для дома и офиса. В результате появляется возможность создания единой сети совместимых устройств от разнообразных производителей.

Главный критерий внедрения новых технологий на крупных предприятиях -- конечная цена одного устройства.

Цена вопроса в такого рода приложениях крайне высока, и в промышленных масштабах даже десятые доли цента играют огромную роль. Тем не менее, основным способом снижения стоимости конечного решения ZigBee является наличие большого числа потенциальных и существующих рынков и увеличение объемов поставок электронных компонентов от производителей. А ведь рынок бытовых устройств просто огромен и исчисляется миллиардами единиц [5].

Стоимость решений, базирующихся на стандарте 802.15.4/ZigBee, сейчас составляет около 5$ и будет постепенно снижаться до 2$ в течение нескольких лет (в цену входят микроконтроллер, радиотрансивер, программный стек).

Однако все зависит от составляющих элементов схемы. Некоторые решения позволяют использовать уже существующий микроконтроллер (МК) в системе, в других приложениях необходим дополнительный МК.

Например, использование только микросхемы приемопередатчика и программного обеспечения стека может добавить к стоимости конечного изделия порядка 2-4$, в то время как стоимость конечного изделия может возрасти на 5-6$, если потребуется применение более дорогого МК в системе или же использование дополнительного МК для реализации стека.

Стек протоколов ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee [1].

Реализация беспроводной сети возможна и без использования ZigBee-стека. Любой собственный стек может использовать уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет два нижних уровня стека: уровень доступа к среде (MAC) и физический уровень передачи данных в среде распространения (PHY), то есть нижние уровни протокола беспроводной передачи данных [2]. Альянс определяет программные уровни стека ZigBee от уровня канала передачи данных (Data Link Control) до уровня профилей устройств (ZigBee Profiles). Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов (табл. 2). Уровень PHY осуществляет активацию-дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала. Важно понимать, что стандарт 802.15.4 -- это физическое радио (микросхема радио-приемопередатчика), а ZigBee -- это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.

Далее в структуре стека ZigBee следует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, организацию сети, формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.

Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK, CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных.

Для предотвращения нежелательных взаимодействий возможно использование временного разделения на основе протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий).

Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются» для приема сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять передачу данных. Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), что не позволяет использовать метод CSMA-CA для обнаружения коллизий -- только для их предотвращения.

Создание библиотеки единых профилей устройств, работающих в сети ZigBee, призвано обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. Пользовательские профили (набор сервисов, необходимый для устройств определенного типа, например систем освещения или пожарных датчиков), находящиеся на самой вершине стека ZigBee, предоставляют типовые программные модули для использования в отдельных приложениях

2.3 Топология сети ZigBee

Стек ZigBee поддерживает разнообразные конфигурации сети и позволяет объединять устройства по следующим топологиям: «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть». Сетевые функции стека обеспечивают сканирование сети для детектирования активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, функции маршрутизации. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу. На рис. 3 наглядно представлены различные варианты топологий сетей ZigBee.



Рис. 3 Различные топологии сетей ZigBee/802.15.4

Компания Freescale Semiconductor начала в числе первых предлагать законченные решения по реализации беспроводных соединений различной степени сложности на базе стандарта IEEE 802.15.4 [3]. Номенклатура продукции компании включает микросхемы радиотрансиверов МС13191/2, работающих в диапазоне ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 ГГц, специализированные 8-битные микроконтроллеры MC9S08GB/GT, наборы программного обеспечения для реализации беспроводных интерфейсов любой топологии -- от простых соединений типа «точка-точка» и «звезда» до сложных сетевых топологий типа «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть» на базе стека ZigBee, что позволяет создавать готовые беспроводные решения 802.15.4 / ZigBee на компонентах одного производителя.

Линейка радиомодемов компании Freescale Semiconductor включает две микросхемы приемопередатчиков МС13191 и МС13192.

Радиомодемы работают на частоте 2,4 ГГц, соответствуют уровням MAC/PHY стандарта 802.15.4 (МС13192) и обеспечивают скорость передачи данных до 250 кбит/с. Микросхемы являются универсальными RF-приемопередатчиками, которые могут использоваться для организации любого радиоинтерфейса (не только ZigBee-совместимого). Для обмена данными возможно использование двух режимов: пакетный и потоковый режимы передачи.

3. Реализация устройства ZigBee на базе однокристального модуля

3.1 Решение на основе чипа “Freescale” MC13192

Для решения данного круга задач и был разработан стандарт низкоскоростных БСПД IEEE 802.15.4. Его разработчиком выступил альянс компаний (Invensys, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips и др.), назвавший себя ZigBee - (от Zig-zag - зигзаг и Вее -пчела). Подразумевалось, что топология сети будет напоминать зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к цветку. Под таким замысловатым названием технология ZigBee и получает все большее распространение.

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0-868,6 МГц (для Европы); 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот - 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц); 16 каналов в диапазоне 2450 МГц (шаг центральных частот - 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц). Соответственно, скорость в каналах - 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц), 40 Кбит/с (915 МГц) и 250 Кбит/с (2450 Мгц) (табл.3).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуляция и расширяющие последовательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц различны.

В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на группы по четыре бита. Каждая группа заменяется одной из 16 квазиортогональных последовательностей длиной 32 бита (чипа). Последовательности приведены в стандарте. Модуляция данных - квадратурная фазовая (QPSK). Четные чипы квазиортогональной последовательности (начиная с нулевого) модулируют синфазный (I) канал, нечетные - квадратурный (Q) канал. В результате последовательность в квадратурном канале смещена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется Offset-QPSK (QPSK со сдвигом).

Таблица 3.Частотные диапозоны и скорости передачи в сетях IEEE 802.15.4

Рис.4 Топология сети IEEE 802.15.4 типа “звезда” и каждый с каждым



Рис.5 Объединение нескольких кластеров в сети 802.15.4

Длительность импульса после квадратурного модулятора вдвое больше, чем длительность одного чипа (форма импульса - половина периода синусоиды с частотой, вдвое меньшей частоты чипов).

Рис.6 Структура пакетов физического уровня стандарта IEEE 802.15.4

В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию по схеме E = Ei-1 R, Е = 0. Здесь R и E -- биты до и после кодирования, соответственно. Далее происходит замена каждого бита расширяющей последовательностью длиной 15 бит ("1" заменяется на 053716, "0" - на инверсную последовательность 7АС816). Затем преобразованный поток данных передается в радиоканал посредством двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK). Форма импульса при этом соответствует так называемому приподнятому косинусу, в данном случае - функции вида [sin (x)]/ /[x(1-x2)], где x = 2р ft, t = 0..1/f. Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств - т.н. полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD). Их основное различие в том, что FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD - только с FFD. В каждой пико сети (PAN) должно быть устройство - координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD.

Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа "звезда". Если в сети несколько FFD, топология может быть более сложной - типа "каждый с каждым" (рис.4) или представлять собой объединение нескольких звездообразных кластеров (рис.5). Но в любом случае одно из FFD выполняет функцию координатора сети. Каждому устройству сети присваивается 64-разрядный адрес. Отметим, что стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках одной PAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения(simplification) обмена внутри сети координатор PAN может присвоить устройствам более короткие 16-разрядные адреса. В этом случае для межсетевого(internet) взаимодействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, также назначаемые координатором.

Информационный обмен в пико сети происходит посредством последовательности суперфреймов. В общем случае суперфрейм включает управляющий интервал (beacon), за ним следует интервал конкурентного доступа (САР- contention access period), в соответствии с механизмом CSMA/CA, и период назначенного доступа. Последний содержит набор временных интервалов, назначенных определенным устройствам, чувствительным к задержкам, для передачи данных (гарантированные тайм-слоты, GTS) - например, для связи беспроводного манипулятора "мышь" с компьютером. Управляющий интервал передает только координатор PAN. Отметим, что в суперфрейме может не быть ни управляющего интервала, ни GTS. В общем, структура суперфреймов аналогична принятой в стандарте IEEE 802.15.3 .

Каждое устройство передает информацию посредством фреймов (пакетов). Они могут быть четырех типов - управляющие (beacon frame), фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд МАС-уровня. Фреймы физического уровня (рис.6) содержат заголовок с синхропоследовательностью и информацией о размере фрейма (до 127 байт) и собственно поле данных - пакет МАС-уровня. Последний содержит заголовок со всей необходимой информацией о фрейме (тип, наличие криптозащиты, необходимость подтверждения приема и т.п.), адреса и идентификаторы устройства - отправителя и получателя, собственно поле данных и проверочную контрольную сумму. Сама процедура обмена информацией может использовать пакеты подтверждения приема данных (если потеря пакета критична).

В заключение нашего очень беглого обзора отметим, что рассмотренные стандарты весьма активно поддержали производители ИС. Недавно появились первые чипсеты стандарта IEEE 802.15.3. Так, Freescale Semiconductor, дочерняя компания фирмы Motorola, выпустила чипсет XS110 из трех микросхем - трансивера с ВЧ(высокая частота-High frequency)-трак-том, baseband-процессора (коммуникационный процессор, выполняющий все преобразования физического уровня, включая ЦАП/АЦП) и МАС-контроллера.



Рис.7 Структура кадров MAC-уровня стандарта IEEE 802.15.4

Рис.8 Однокристальный модем MC 13192 компании Freescale Semiconductor

Максимальная скорость, обеспечиваемая модемом на основе этого чипсета, - 114 Мбит/с (т.е. речь идет о версии стандарта на основе технологии DS-UWB). Энергия потребления чипсета - 750 мВт, напряжение питания - 3,3 В. Общая мощность излучения в полосе частот 3,1-10,6 ГГц менее 1 мВт. Микросхемы изготовлены на основе 0,18-мкм КМОП-и SiGe-технологии.

Для сетей IEEE 802.15.4 (ZigBee) чип сеты производит уже достаточно широкий круг производителей. Характерен продукт той же компании Freescale Semiconductor - однокристальный модем МС13192 для диапазона 2,4 ГГц . Это - законченное решение беспроводного модема. Устройство содержит интерфейс с микроконтроллером и может применяться во множестве задач.

3.2 Варианты аппаратных решений ZigBee на кристаллах различных производителей

3.2.1 Приемопередатчики ZigBee компании Ember

Компания Ember специализируется на разработке полупроводниковых кристаллов(Semi-conductor chip), отладочных средств(checkout device) и программного обеспечения(software) для беспроводных сетей датчиков. Она является одним из восьми основателей альянса ZigBee и предлагает сегодня программное обеспечение EmberZNet, сертифицированное альянсом.

Технология Ember позволяет строить беспроводные сети с топологиями "звезда","дерево", "мэш", в которых узлы способны самостоятельно распознавать друг друга без какой-либо сложной настройки, выполнять ретрансляцию сообщений, самостоятельно выбирать наилучший маршрут и находить новый маршрут в случае выхода из строя одного из узлов.

Компания Ember выпускает сегодня три различных кристалла для реализации устройств ZigBee: EM2420, EM250, EM260. Они различаются между собой по функциональному назначению, составу внутренних узлов и характеристикам собственно приемопередатчика ZigBee.

EM2420

Реализует функции физического уровня (PHY) и многие функции уровня управления доступом к среде (МАС) стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee. Требует малого количества внешних компонентов.



? Частотный диапазон 2.4 ГГц

? Скорость передачи данных: 250Кбит/c

? Встроенный управляемый переключатель прием/передача

? Низкий ток потребления (RX:19.7мА; TX:17,4мА; sleep:1мкА)

? Напряжение питания: 2.1 - 3.6В (имеется внутренний стабилизатор)

? Программируемая выходная мощность(Output power): -32...0 дБм

? Чувствительность приемника(receiver sensitivity): -94 дБм

? Встроенные буферы (RX-буфер - 128 байт, TX-буфер - 128 байт)

? Определение мощности принимаемого сигнала

? Аппаратные аутентификация и шифрование по AES-128

? Монитор батареи

? Температурный диапазон: -40°C...+85°С

? Корпус QLP48 (7мм x 7мм)

? SPI-интерфейс для связи с микроконтроллером

EM250

Однокристальное решение для построения экономичного устройства ZigBee

Включает приемопередатчик 2,4ГГц стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, малошумящий(low noise) усилитель в цепи приемника, усилитель в цепи передатчика, малопотребляющее 16-разрядное ядро XAP2, предназначенное как для выполнения сетевых функций, так и функций приложения.

Состав периферийных узлов:

? FLASH: 128K/RAM: 5K/EEPROM