ZigBee и IEEE 802.15.4

Стандарт IEEE 802.15.4 [IEEE ] является самым новым в серии беспроводных (принят в октябре 2003 г.). На его основе ZigBee Alliance (www.zigbee.org) разработал спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня, которые анонсировал в декабре 2004 года под названием "ZigBee" [ZigBee]. ZigBee Alliance включает в себя более 180 фирм, работающих совместно над продвижением стандартов, стека протоколов и прикладных профилей для потребительского и промышленного сектора экономики. Прикладные профили ориентированы, в частности, на автоматизацию зданий, промышленный мониторинг, вентиляцию и кондиционирование, работу с датчиками. Спецификация ZigBee описывает построение сети, вопросы безопасности, прикладное программное обеспечение.

Основной областью применения ZigBee/IEEE 802.15.4 является передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов (конвейеров, роботов), промышленные системы управления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря, "интеллектуальное" сельское хозяйство, системы охраны.

В отличие от других беспроводных технологий, где ставится задача обеспечить высокую скорость передачи, большую дальность или высокоекачество обслуживания, ZigBee/IEEE 802.15.4 создавался изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены, низкой потребляемой мощности, низкой скорости передачи и малых габаритов. Эти свойства идеально соответствуют требованиям к большинству промышленных датчиков. Поэтому ZigBee часто отождествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями WSN (Wireless Sensor Network) [Hac A., Shen, Low, Gutierrez, Jiang, Bonivento]. Устройства ZigBee используются в применениях, где Bluetooth оказывается слишком дорогим, и не требуется высокая скорость передачи.

ZigBee, как и Bluetooth, использует нелицензируемый [Решение] диапазон 2,4 ГГц. Стандарт предусматривает также использование частот 868 МГц в Европе и 915 МГц в США. Максимальная скорость передачи составляет 250 кбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц разделен на 11...26 каналов шириной по 5 МГц каждый.

Несмотря на то, что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Этот параметр регулируется нормативными документами в области радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее распространение на рынке имеют передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.

Модель OSI сети ZigBee представлена в табл. 2.16 Она включает в себя физический уровень (PHY), канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC (смысл обозначений см. в описании Ethernet), которые определяются стандартом IEEE 802.15.4, а также сетевой уровень NWK (NetWorK) и уровень приложений APL, состоящий из подуровня поддержки приложений (APplication Support sub-layer - APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object - ZDO) и объектов Application Objects, определяемых изготовителем ZigBee-устройств.

Подуровень MAC управляет доступом к радиоканалу, используя метод CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов (см. ниже), синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информации. Подуровень SSCS (Service Specific Convergence Sublayer - "подуровень сближения специфических сервисов") выполняет роль интерфейса между подуровнями LLC и MAC. Подуровень LLC выполняет связь сетевого уровня с уровнем MAC.

Уровень NWK использует методы, обеспечивающие:

o регистрацию в сети нового устройства и исключение его из сети;

o обеспечение безопасности при передаче фреймов;

o указание маршрута фрейма к месту назначения;

o прокладку маршрутов между устройствами в сети;

o обнаружение в сети ближайших соседей;

o запоминание необходимой информации о соседних узлах.

В ZigBee имеются три типа устройств:

o координатор - формирует топологию сети и может устанавливать мосты в с другими сетями. В каждой ZigBee сети имеется только один координатор;

o маршрутизатор - работает как промежуточное звено, передавая в нужном направлении данные от других устройств;

o конечное устройство - передает данные координатору или маршрутизатору и не может связываться с аналогичными ему устройствами.

Уровень NWK координатора отвечает за организацию новой сети, когда это нужно и назначение адресов новым устройствам, подключаемым к сети.

Подуровень APS уровня приложений обеспечивает:

o обслуживание таблиц для связывания устройств сети на основе информации о необходимости и возможности связывания;

o передачу сообщений между связанными устройствами;

o определение группового адреса устройств, удаление и фильтрацию сообщений с групповыми адресами;

o отображение 64-битного адреса в 16-битный;

o фрагментацию, перекомпоновку и транспортировку данных.

Подуровень ZDO обеспечивает:

o определение роли устройств в сети (координатор, маршрутизатор или оконечное устройство);

o инициирование или ответ на запрос соединения;

o защиту информации;

o обнаружение устройств в сети и определение, какой сервис они предоставляют.

Топология Zigbee-сети поддерживается уровнем NWK и может иметь форму звезды, дерева или ячеистой сети. В топологии типа звезды сеть контролируется координатором. Координатор отвечает за инициализацию и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непосредственно взаимодействующих с координатором. В ячеистой и древовидной структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор некоторых ключевых параметров, но сеть может быть расширена с помощью ZigBee маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения по сети, используя иерархическую стратегию маршрутизации. Древовидные сети могут использовать маячковую стратегию маршрутизации (см. ниже).

Ячеистая сеть должна обеспечить полную одноранговую коммуникацию устройств, т.е. в ячеистой сети нет устройств разных рангов (координаторов, маршрутизаторов и т.п. - все устройства равноправны).

Поиск по сайту: