3.6. Архітектура стеку комунікаційних протоколів для радіомереж asnet

Архітектура протоколів радіомережі ASNET реалізована у вигляді вбудованих модулів програм без зовнішнього управління ними і задається в термінах ряду блоків, так званих рівнів. Кожен рівень відповідає за одну частину проекту і пропонує свої послуги верхньому рівню. Міжрівневі інтерфейси означають логічні зв'язки між рівнями. Архітектура мережі ASNET і структура шарів IEEE 802.15.4 схожа з моделлю Open Systems Interconnection. ASNET складається з набору рівнів, сполучених між собою логічними зв'язками. Кожен рівень відповідає за виконання конкретних функцій і надає сервіси для верхніх рівнів.

Рівні протоколів в проекті використовують наступну модель OSI:

1) PHY фізичний рівень IEEE 802.15.4 [кодування радіосигналу і вимір його якості];

2) канальний рівень:

‑ MAC IEEE 802.15.4 підрівень [доступ до середовища передачі ─ радіоканалам 11-26 в діапазоні 2.4 ГГц],

‑ LLC DQDB - R підрівень [управління мультислотовим логічною ланкою даних радіотракту];

3) NWK мережевий рівень [маршрутизація];

4) APS транспортно-сеансовий рівень [організація сеансів зв'язку і фрагментація повідомлень];

5) APL рівень представлень і прикладний рівень APL (зчитування вимірювальної інформації від датчиків і управління зовнішніми процесами) (тільки для сенсорів).

Стандарт IEEE 802.15.4 реалізує два рівні мережі: фізичний рівень PHY  Physical Layer, що описує низькорівневий механізм управління радіотрансивером і рівень управління доступом до радіосередовища MAC  Medium Access Control, що відповідає за доступ до радіоканалів усіх типів звернень верхніх рівнів. Регламентація роботи цих рівнів виконує стандарт ZigBee.

Базовий метод забезпечує гарантований доступ до радіоефіру через слоти суперкадру і слоти GTS. Для отримання дерева адрес мережі використовується алгоритм, який наведено у Додатку Б.

Фізичний рівень реалізує апаратно доступ до радіотрансивера через послуги PHY даних і PHY управління:

‑ ON/OFF трансивера, індикація рівня сигналу RSSI;

‑ вимір рівня енергії в каналі ED, оцінка якості ланки зв'язку LQI і статусу каналу CCA;

‑ передача/прийом кадрів через один з 16-ти каналів в діапазоні 2.4 ГГц в смузі 2400.0─2483.5 Мгц.

Підрівень MAC забезпечує доступ до радіоканалу для усіх типів передач через послуги MAC даних і MAC управління. Послуга MAC даних передає/приймає протокольні блоки даних MPDU через службу PHY даних з підтвердженням доставки кадрів. Функції MAC управління:

‑ генерація і аналіз маяків,

- синхронізація з маяком,

- доступ до каналу,

- управління слотами GTS,

‑ контроль формату кадрів,

- асоціація/реасоціація,

- виявлення конфліктів адреси і вузлів-сиріт.

Підрівень LLC  Logical Link Control Control відповідає за управління логічним з'єднанням (верхній підрівень канального рівня, запозичений з IEEE 802.2) і забезпечує доступ до шин BUS_A/BUS_B радіотракту з використанням суперкадрів мультислотової структури на базі DQDB_R протоколу.

Рівень SSCS  Service Specific Convergence Sublayer: сервіс, що реалізовує доступ LLC до MAC рівню.

Верхні рівні включають мережевий рівень NWK, який забезпечує налаштування мережі, формування маршрутних карт і маршрутизацію пакетів, APS [сеансовий плюс транспортний] і рівень Застосувань, який забезпечує передбачені функції датчиків.

PHY і MAC рівні описані у відповідних розділах цього техно-рабочого проекту.

Протокол рівня призначених для користувача Застосувань реалізує доступ до основних функцій сенсора.

Протокол транспортного і сеансового рівня (комбінований) ASNET забезпечує фрагментовану доставку пакетів з наскрізним підтвердженням уздовж шляху.

Протокол мережевого рівня ASNET забезпечує:

‑ конфігурацію мережі, управління і маршрутизацію даних прокладення/відкриття маршруту з формуванням карти "Frame Inside Route Map -FIRM" по методу "маршрутизація-від-джерела" і "лінійної маршрутизації контейнерів".

‑ процедуру маршрутизації-від-джерела в mesh -топології зі вбудованою в кадр даних картою FIRM;

‑ процедуру лінійної маршрутизації контейнерів в line -топології, яка не вимагає карти FIRM;

‑ автоматичне створення мережі з детерміністичною моделлю асоціації з визначенням черговості за розкладом і розподіленою 16-бітовою адресацією;

‑ підтримку стаціонарних і мобільних сенсорів з сервісом позиціонування "гіпермережа - кластер - радіотракт - вузол" з точністю до 3-5 метрів;

Протокол канального рівня ASNET забезпечує:

‑ доступ до MAC радіоканалу передачі кадрів: гарантовані тимчасові слоти в межах суперкадру і контейнери у складі кадрів даних для вставки і ретрансляції пакетів від сенсорів;

‑ MAC асоціацію вузлів і сенсорів, в т.ч. мобільних за допомогою хендовера;

‑ функцію детектування енергії при скануванні каналу Energy Detection;

‑ функцію індикації якості ланки зв'язку Link Quality Indication.

Для передачі використовується 16 каналів в діапазоні на частоті 2.4-2.45 ГГц.

Вузли мережі мають ієрархічну систему адресації з альтернативною інтегрованою маршрутизацією від джерела за допомогою включення маршрутних карт FIRM у формат кадру даних, що не вимагає ведення таблиць маршрутів у вузлах ретрансляції і істотно економить пам'ять вузла. Координатор радіотракту мережі рівномірно розподіляє вузли-нащадки по циклах суперкадрів, а сенсори - по вільних тайм-слотам/контейнерах. Доступ вузлів до радіотракту організований в слотах із застосуванням алгоритмів "аналіз радіоефіру" і "синхронізація суперкадру".

У мережі реалізовані механізми динамічної аутентифікації, динамічного регулювання потужності і перемикання ретранслятором транзиту кадру на резервний маршрут у разі збою в наступному хоп-вузлі.

Рис. 3.12 Прикладний рівень управління мережею ASNET

Специфікації PHY рівня (тільки для діапазону 2.4 ГГц).

PHY забезпечує інтерфейс між MAC і радіоканалом через RF JN5148 із вбудованим ПО MAC рівня.

PHY включає управління об'єктами PLME: 1) рівень управління послугами інтерфейсів, через які функції рівня управління ініціюють процедури; 2) ведення інформаційної бази даних PIB керованих PHY об'єктів. Опорна модель PHY з його компонентами і інтерфейсами має послуги PHY даних і PHY управління, доступні через PD, - SAP і PLME - SAP. PHY відповідає за виконання завдань:

‑ Transceiver On or Off ON/OFF - активація і деактивація радіотрансивера.

‑ Energy Detection ED - детектування потужності сигналу в каналі.

‑ Link Quality Indicator LQI - індикація якості ланки для пакетів, що приймаються.

‑ Clear Channel Assessment CCA - оцінка стану каналу для алгоритму CSMA - CA.

‑ Channel Selection CS - вибір логічного каналу.

‑ Data Transmission & Reception TxRxData - передача і прийом даних.

Визначений один PHY -уровень: 2.4 ГГц PSSS "parallel sequence spread spectrum" - розширений спектр сигналу з перебудовою частоти і паралельним впорядкуванням послідовності PHY.

Вузли працюють в смузі частот 2.4-2.5 ГГц з параметрами: Робоча частота PHY = 2.45 ГГц.

Метод модуляції: 2450MHz DSSS з O - QPSK→квадратурна фазова маніпуляція із зрушенням ключів. Бітова швидкість передачі даних PHY - 250 Кбіт/с. Символьна швидкість = 62.5 Ксимв/сек.

Час передачі: символу → 80 мксек, біта → 4 мксек, октету → 32 мксек.

Використовується тільки одна канальна сторінка № 0 і 16 каналів №№ 11-26 в дипазоне частот 2.4-2.45 ГГц з центральною частотою Fc = 2405 + 5 (k - 11) в MHz, для k = 11-26, k → номер каналу.

Мінімальний період міжкадрового інтервалу macMinLIFSPeriod / macMinSIFSPeriod = 40/12 символів.

Вимір RF потужності. Усі виміри ВЧ потужності проводяться на трансивері з антенним роз'ємом.

Потужність випромінювання. Максимальна потужність передачі вузла регулюється на локальному рівні, який має номінальний рівень вихідної потужності, що вказується параметром phyTransmit Power.

Межі позасмугового побічного випромінювання регулюються на локальному рівні.

Визначення "чутливість приймача" Receiver sensitivity → Вхідний поріг потужності сигналу, який переходить через заданий PER. PSDU довжина = 20 октетів. - PER < 1%.

PHY служба даних підтримує транспорт MPDU між об'єктами MAC однорангових вузлів:

‑ запит передачі PSDU від MAC до PHY.

‑ підтвердження закінчення передачі PSDU від PHY до видаленого PHY рівня однорангового вузла.

‑ передача до MAC отриманого PSDU.

PHY сервіс управління транспортує команди управління між MАС і PHY:

Алгоритм CSMA - CA просить PHY виконати оцінку каналу CCA; а PHY у відповідь відображає результати CCA і повертає статус BUSY/IDLE, якщо спроба CCA успішна, або код помилки.

MAC просить PHY змінити поточний статус трансивера: TRX_OFF ─ трансивер заборонений; TX_ON ─ передавач включений; RX_ON ─ приймач включений, а PHY відображає для MАС результат запиту по зміні статусу трансивера: SUCCESS, RX_ON, TRX_OFF або TX_ON.

Для побудови ASNET виділено 16-ть каналів, але усі вузли і сенсори якого-небудь радіотракту працюють в конкретний час на одному з вибраному каналі. При цьому суміжні радіотракти можуть працювати на інших каналах, а зв'язок між ними м би. організована з використанням інших інтерфейсів, напр., через SPI -порт.

Для підвищення завадостійкої прийому по відношенню до зосереджених перешкод використовується сигнал з розширеним спектром, що складається з 32-х фазоманіпульованих елементів (чіпів). Спектр сигналу формується згідно з вимогами стандарту 802.15.4 на електромагнітну сумісність з іншими радіомодулями, працюючими в цьому ж діапазоні.

Специфікації MAC рівня.

MAC рівень вузла надає доступ до фізичного радіоканалу і відповідає за наступні завдання:

‑ генерація мережевих маяків і синхронізація вузлів між собою за допомогою радіомаяків;

‑ підтримка асоціації і диассоціації з механізмом CSMA - CA доступу до каналу;

‑ обробка і підтримка механізму GTS;

‑ забезпечення надійного зв'язку між логічними об'єктами MAC двох однорангових вузлів.

Специфікації послуг MAC рівня. MAC забезпечує інтерфейс між NWK і PHY.

Сервіс управління MAC. Інтерфейс MAС транслює команди управ-я між NWK і MАС через примітиви:

‑ установки часу дозволу приймача ‑ просить включення приймача впродовж заданого інтервалу одночасно з початком поточного або наступного суперкадру або його виключення. Приймач включений/вимкнений тільки 1 раз на одну примітиву запиту. Параметри часу дозволу приймача вказують:

1) чи можна відкласти операцію до наступного суперкадру, якщо прошений час вже пройшов;

2) число періодів backoff від початку суперкадру до моменту ON/OFF приймача;

3) число періодів backoff, впродовж яких приймач буде включений.

Статус результатів спроби включити/відключити ON/OFF приймач: або успішно, або код помилки. Статус зв'язку при передачі і мережевих збоях з поверненням коду статусу комунікацій (збій зв'язку). Статус мережі сповіщає про збій в каналі з вузлом, якщо відбувається одно з подій:

1) Збій у вузлі при відкритті або відновленні маршруту до одержувача, заданого адресою МАВ.

2) NWK вузла має збій при доставці кадру до свого пристрою-нащадка із заданим параметром МАВ.

3) NWK отримав кадр команди network status, призначений для вузла. При цьому значення параметрів МАВ і Status відображають поля destination address і error code в кадрі команди.

Специфікації мережевого рівня NWK.

Мережевий рівень функціонує при коректному виконанні MAC операцій і забезпечує інтерфейсний сервіс для APS. NWK на інтерфейсі з APS концептуально включає два сервіси, доступних через дві точки доступу до послуги Service Access Point "SAP" і що реалізовують функції:

1) сервіс даних NWK Layer Data Entity "NLDE" (доступний через NLDE - SAP) - забезпечує сервіс передачі даних через його пов'язану NLDE - SAP;

2) сервіс управління Network Layer Management Entity "NLME" (доступний через NLME - SAP) - забезпечує сервіс управління через його пов'язану NLME - SAP.

NLME використовує NLDE для вирішення своїх завдань по управлінню мережею і супроводжує базу цих об'єктів управління ─ Network Information Base "NIB". Два сервіси NWK "компоненти і інтерфейси" забезпечують інтерфейс між APL і MAC через MCPS - SAP і MLME - SAP. Внутрішній інтерфейс між NLME і NLDE дозволяє NLME використовувати NWK сервіс даних.

Служба даних NLDE мережевого рівня.

NLDE через NLDE - SAP надає APL сервіс передачі даних "data service" для транспортування Application Protocol Data Units "APDU" між двома або більше одноранговими вузлами мережі. Самі вузли повинні розміщуватися в одному і тому ж кластері мережі. NLDE забезпечує наступний сервіс:

‑ генерація Network PDU "NPDU" мережевим рівнем: NLDE генерує NPDU з APS PDU за допомогою додавання відповідного протокольного заголовка.

‑ маршрутизація, що специфікується топологією мережі: NLDE передає NPDU до призначеного вузла (або кінцевому одержувачеві каналу зв'язку, або наступному кроку до кінцевого одержувача в ланцюжку зв'язку).

Служба управління мережею NLME забезпечує APL сервіс управління для роботи із стеком:

‑ конфігурація нового вузла і його стека для запрошених опцій: початок роботи як координатор або входження до складу існуючої мережі;

‑ старт мережі: можливість створення нової мережі;

‑ приєднання до мережі, повторне входження до складу мережі і вихід з мережі. Батько може запросити нащадка, щоб він покинув мережу;

‑ адресація: координатори можуть призначати адреси вузлам, що входять до складу мережі;

‑ виявлення сусідів: їх виявлення і реєстрація в таблиці сусідів з розсилкою інформації по мережі, що відноситься до one, - hop сусідам цього вузла;

‑ відкриття маршруту: відкриття і реєстрація в ТОРМ маршрутів для маршрутизації кадрів через мережу;

‑ управління приймачем для його активізації впродовж заданого таймслота, дозволяючи синхронізацію MAC з маяком або прямий прийом;

‑ маршрутизація: використання механізмів маршрутизації від джерела: unicast, broadcast або many to one для ефективного обміну даними в мережі.

Специфікації транспортно-сеансового APS рівня.

Рівень підтримки застосувань Application Support Layer "APS" специфікує частину рівня APL, надаючи послуги і інтерфейс для об'єктів застосувань і для об'єктів вузла. Визначені:

‑ сервіс даних, що дозволяє об'єктам застосувань транспортування даних;

‑ сервіс управління, що надає механізми для біндінгу;

‑ формати і типи APS кадрів.

Призначення APS - це коректне виконання операцій мережевим рівнем і об'єктами застосувань.

APS, використовуючи два сервіси, надає інтерфейс між NWK і APL рівнями через NLDE - SAP і обмежений NLME - SAP інтерфейс з основним набором послуг, використовуваним об'єктами застосувань. Ці послуги представляються двома логічними об'єктами (сервісами): DataService і ManagementService, доступними через дві точки доступу до послуги "SAP": APSDE - SAP і APSME - SAP, відповідно. Внутрішній інтерфейс між APSME і APSDE дозволяє APSME використовувати сервіс даних.

Сервіс даних APS Data Entity "APSDE" надає сервіс передачі даних мережевому рівню через NLDE - SAP і об'єктам застосувань через його пов'язаний APSDE - SAP для транспортування блоків PDU APL застосувань між двома або більше вузлами.

APS використовує 8-бит адреси для DstEndРoint і SrcEndРoint. Вузли розміщуються в одній і тій же мережі. APSDE надає наступний сервіс:

‑ генерація блоків ProtocolDataUnits PDU (APDU) рівня застосувань APL: APSDE приймає PDU застосувань і генерує APS PDU приєднанням відповідного заголовка протоколу;

‑ біндинг: як тільки два вузли пов'язано, APSDE може передавати повідомлення від одного вузла до іншого;

‑ надійний транспорт PDU застосувань між рівноцінними об'єктами APL: використання повторних передач "end - to - end" збільшує достовірність транзакцій більше, ніж доступна від NWK сама по собі;

‑ відкидання дупликатів: повідомлення, що передаються, не повинні прийматися більше одного разу;

‑ фрагментація: дозволяє сегментацію/зборку повідомлень, payload яких довше одного NWK кадру.

Сервіс управління APS Management Entity "APSME" надає застосуванню сервіс управління через його пов'язаний APSME - SAP для взаємодії із стеком. APS концептуально включає логічний об'єкт APSME, надаючи послуги інтерфейсу для запуску APS функцій управління. APSME сервіс → binding обслуговування для створення і супроводу таблиці для зберігання інформації. Управління біндінгом: спільна взаємодія і зв'язування разом двох рівноцінних об'єктів вузла на базі їх сервісу і потреб. Сервіс APSME - SAP підтримує команди управління між APL і APSME.

APSME також супроводжує базу цих об'єктів управління → APS Information Base "AIB".

Group Management і Group Addressing не підтримуються.

Інформаційна база даних PIB: APS, NWK, MAC і PHY обслуговується програмою-супервізором SVC через примітиви для читання і для запису PIB атрибутів. Константи і NWK, MAC і PHY атрибути бази PIB визначають параметри і характеристики цих рівнів.

Бази PIB включають атрибути, потрібні для управління рівнями APS, NWK, MAC і PHY вузла.