12.2. Стандарт ZigBee|

Стандарт IEEE| 802.15.4 є|з'являється,являється| одним з найсучасніших в серії безпровідних мереж. На його основі ZigBee| Alliance| розробив специфікацію протоколів мережевого|мережного| і прикладного рівня, які анонсував в грудні 2004 р. під назвою ZigBee|. Прикладні профілі орієнтовані, зокрема, на автоматизацію будівель, промисловий моніторинг, вентиляцію і кондиціонування, роботу з|із| датчиками. Специфікація ZigBee| описує побудову|шикування| мережі|сіті|, питання безпеки, прикладне програмне забезпечення.

Основною областю застосування|вживання| ZigBee/IEEE 802.15.4 є|з'являється,являється| передача інформації від рухомих частин|часток| механізмів (конвеєрів, роботів), промислових систем управління і моніторингу, бездротових мереж|сіті| датчиків, відстежування маршрутів руху і місцеположення майна і інвентаря, «інтелектуальне» сільське господарство, системи охорони.

На відміну від інших бездротових технологій, де ставиться завдання|задача| забезпечити високу швидкість передачі, велику дальність або високу якість обслуговування, ZigBee/IEEE 802.15.4 створювався спочатку за критеріями малої дальності дії, низької ціни, низької споживаної потужності, низької швидкості передачі і малих габаритів. Ці властивості ідеально відповідають вимогам до більшості промислових датчиків. Пристрої|устрої| ZigBee| використовуються в застосуваннях|вживаннях|, де Bluetooth| виявляється|опиняється| дуже|занадто| дорогим|любим| і де не потрібна висока швидкість передачі.

ZigBee|, як і Bluetooth|, використовує неліцензійований|ліцензувати| діапазон 2,4 Ггц. Стандарт передбачає також використання частот 868 Мгц в Європі і 915 Мгц в США. Максимальна швидкість передачі складає 250 кбіт/с в діапазоні 2,4 Ггц. Діапазон 2,4 Ггц розділений на 11...26 каналів шириною 5 Мгц кожен.

Не дивлячись на|незважаючи на| те що вся ідеологія стандарту IEEE| 802.15.4 побудована|спорудити| в припущенні|гадці|, що типовий зв'язок здійснюватиметься на відстані близько 10 м|м-коду|, стандарт не встановлює вимог до потужності передавача. Цей параметр регулюється нормативними документами в області радіозв'язку, специфічними для кожної держави. Найбільше розповсюдження|поширення| на ринку мають передавачі з|із| потужністю 1 мВт|, які забезпечують зв'язок на відстані до 10 м|м-коду| в приміщенні|помешканні|, а також передавачі з|із| потужністю 10 мВт|, що збільшують це відстань до 80 м|м-коду| в приміщенні|помешканні| і до 1 км. в умовах прямої видимості. Дальність зв'язку можна збільшити застосуванням|вживанням| антен спеціальної конструкції.

Модель OSI| мережі|сіті| ZigBee|. включає наступні|слідуючі| рівні|:

1. фізичний рівень (PHY|)

2. канальний рівень, що складається з підрівня доступу до середовища|середи| передачі MAC| і LLC|, які визначаються стандартом IEEE| 802.15.4

3. мережевий|мережний| рівень NWK| (NetWorK|)

4. рівень додатків|застосувань| APL|, що складається з підрівня підтримки додатків|застосувань| (Application| Support| sub-layer| — APS|), підрівня об'єктів пристроїв|устроїв| ZigBee| (ZigBee| Device| Object| — ZDO|) і об'єктів Application| Objects|, визначуваних виробником ZigBee-пристроїв|.

Підрівень MAC| управляє доступом до радіоканалу, використовуючи метод CSMA/CA. Він також відповідає за передачу маячкових| фреймів, синхронізацію і забезпечення надійних методів передачі інформації. Підрівень SSCS| (Service| Specific| Convergence| Sublayer| — підрівень зближення специфічних сервісів) виконує роль інтерфейсу між підрівнями LLC| і MAC|. Підрівень LLC| виконує зв'язок мережевого|мережного| рівня з|із| рівнем MAC|.

Рівень NWK| використовує методи, що забезпечують:

• реєстрацію в мережі|сіті| нового пристрою|устрою| і виключення|виняток| його з|із| мережі|сіті|;

• забезпечення безпеки при передачі фреймів;

• вказівка маршруту фрейма до місця|місце-милі| призначення;

• прокладку|прокладення| маршрутів між пристроями|устроями| в мережі|сіті|;

• виявлення в мережі|сіті| найближчих сусідів;

• запам'ятовування необхідної інформації про сусідні вузли.

У ZigBee| є|наявний| три типи пристроїв|устроїв|:

• координатор — формує топологію мережі|сіті| і може встановлювати мости з|із| іншими мережами|сітями|. У кожній ZigBee| мережі|сіті| є|наявний| тільки|лише| один координатор;

• маршрутизатор — працює як проміжна ланка, передаючи|передавати| в потрібному напрямі|направленні| дані від інших пристроїв|устроїв|;

• кінцевий|скінченний| пристрій|устрій| — передає дані координаторові або маршрутизатору і не може зв'язуватися з|із| аналогічними йому пристроями|устроями|.

Рівень NWK| координатора відповідає за організацію нової мережі|сіті|, коли це потрібно і призначення адрес новим пристроям|устроям|, що підключаються до мережі|сіті|. Підрівень APS| рівня додатків|застосувань| забезпечує:

• обслуговування таблиць для зв'язування пристроїв|устроїв| мережі|сіті| на основі інформації про необхідність і можливість|спроможність| зв'язування;

• передачу повідомлень|сполучень| між зв'язаними пристроями|устроями|;

• визначення групової адреси пристроїв|устроїв|, видалення|віддалення| і фільтрацію повідомлень|сполучень| з|із| груповими адресами;

• відображення 64-бітової адреси в 16-бітовий;

• фрагментацію, перекомпонування і транспортування даних.

Підрівень ZDO| забезпечує:

• визначення ролі пристроїв|устроїв| в мережі|сіті| (координатор, маршрутизатор або крайовий пристрій|устрій|);

• ініціація або відповідь на запит з'єднання|сполучення,сполуки|;

• захист інформації;

• виявлення пристроїв|устроїв| в мережі|сіті| і визначення, який сервіс вони надають.

Топологія ZigBee-мережі| підтримується рівнем NWK| і може мати форму зірки, дерева або сотової|пористої| мережі|сіті|. У топології типу|типа| зірки мережа|сіть| контролюється координатором. Координатор відповідає за ініціалізацію і обслуговування мережевих|мережних| пристроїв|устроїв| і всіх кінцевих|скінченних| пристроїв|устроїв|, що безпосередньо взаємодіють з|із| координатором. У комірчастій|пористій| і деревовидній структурі мережі|сіті| координатор відповідає за організацію мережі|сіті| і вибір деяких ключових|джерельних| параметрів, але|та| мережа|сіть| може бути розширена за допомогою ZigBee| маршрутизаторів. У мережі|сіті| з|із| деревовидною топологією маршрутизатори переміщають дані та керуючі дані|сполучення| по мережі|сіті|, використовуючи ієрархічну стратегію маршрутизації. Деревовидні мережі|сіті| можуть використовувати маячкову| стратегію маршрутизації .

Сотова|пориста| мережа|сіть| повинна забезпечити повну|цілковиту| однорангову комунікацію пристроїв|устроїв|, тобто в сотовій|пористій| мережі|сіті| немає пристроїв|устроїв| різних рангів (координаторів, маршрутизаторів і тому подібних — всі пристрої|устрої| рівноправні|).

Фізичний рівень моделі OSI| забезпечує інтерфейс між стеком протоколів і середовищем|середою| передачі інформації (ефіром). Фізичний (PHY|) і канальний (MAC|) рівні моделі OSI| визначені в стандарті IEEE| 802.15.4. Вони мають наступні|слідуючі| основні характеристики:

• швидкість передачі: 250 кбіт/с;

• коротка 16-бітова адреса або розширений завдовжки 64-біти|;

• виділення інтервалу часу для передачі інформації кожен вузлом;

• метод доступу до каналу типу|типа| CSMA/CA;

• протокол обміну з|із| повідомленням про отримання|здобуття|;

• мале споживання|вжиток| потужності;

• контроль рівня енергії;

• наявність індикатора якості зв'язку;

• 16 каналів в діапазоні 2,45 Ггц.

Стандарт IEEE| 802.15.4 використовує модуляцію типу|типа| OQPSK| (Offset-Quadrature| Phase-Shift| Keying| — зміщена квадратурна фазова маніпуляція).

Основним призначенням фізичного рівня є|з'являється,являється| прийом і передача даних через радіоканал. Тут також вимірюється потужність радіосигналу, оцінюється|оцінює| якість зв'язку і чистота каналу, здійснюється вибір каналу.

Підрівень MAC| управляє маячком, доступом до каналу, виділяє гарантовані слоти часу, перевіряє достовірність передачі фреймів, передає фрейм підтвердження про отримання|здобуття|, виконує частину|частку| роботи по забезпеченню захисту інформації.

Рис. 12.1. Структура суперфрейма з|із| гарантованими часовими слотами

Стандарт допускає опціональне| використання суперфреймової структури повідомлень|сполучень| (рис. 12.1). Формат суперфрейма визначається мережевим|мережним| координатором. Суперфрейм з двох сторін обмежується маячками, ділиться на 16 рівних по довжині слотів і посилається мережевим|мережним| координатором. Маячок поміщається на місце|місце-милю| першого слота кожного суперфрейма. Координатор може відключити|відключати| режим повідомлень|сполучень| з|із| маячками. Маячки використовуються для синхронізації приєднаних пристроїв|устроїв|, для ідентифікації мережі|сіті| і для опису структури суперфрейма. Будь-які пристрої|устрої|, що бажають почати|розпочинати,зачинати| процес комунікації в проміжок часу між двома маячками, повинні використовувати слотовый| механізм доступу CSMA/CA. Передача повідомлень|сполучень| повинна бути закінчена до приходу|прибутку| наступного|такого| маячка.

IEEE| 802.15.4 встановлює два механізми доступу до каналу CSMA/CA залежно від типу|типа| конфігурації мережі|сіті|. У мережі|сіті| без маячків використовується звичайний|звичний| (безслотовий|) механізм доступу CSMA/CA. Кожного разу, коли пристрій|устрій| збирається почати|розпочинати,зачинати| передачу, він повинен витримати паузу випадкової тривалості після того, як канал звільниться|визволятиме|. Випадкова затримка потрібна тому, що дуже ймовірно|певно,мабуть|, що багато пристроїв|устроїв| мережі|сіті| чекають звільнення|визволення| каналу і тому після|потім| його звільнення|визволення| можуть почати|розпочинати,зачинати| передачу одночасно. Якщо канал зайнятий|позичати,посідати|, то пристрій|устрій| може повторити спробу після|потім| повторної випадкової затримки. Фрейми підтвердження про отримання|здобуття| посилаються відразу, без використання описаного алгоритму.

У мережі|сіті| з|із| маячками використовується слотовий| (тактований) механізм доступу CSMA/CA, в якому початок часового слота повинен збігатися з|із| межею|кордоном| суперфрейма мережевого|мережного| координатора, тобто початок слота для кожного пристрою|устрою| повинен бути синхронізований з|із| початком передачі маячка мережевим|мережним| координатором. Оскільки пристрій|устрій| не може почати|розпочинати,зачинати| передачу, поки|доки| не знайде маячок, а маячки розсилаються тільки|лише| мережевим|мережним| координатором, то мережевий|мережний| координатор за допомогою маячків тактує акти обміну у всій мережі|сіті|. При цьому PHY| рівень повинен забезпечити, щоб|аби| всі передачі в мережі|сіті| починалися|розпочинали,зачинали| одночасно з початком слотів. Введення|вступ| описаної синхронізації дозволяє зменшити ймовірність одночасної передачі повідомлень|сполучень| декількома вузлами мережі|сіті|.

Для пристроїв|устроїв|, які вимагають термінової|строкової| доставки або великої пропускної спроможності каналу, мережевий|мережний| координатор може зарезервувати частину|частку| суперфрейма, в якому буде відсутня конкуренція за канал (мал. 2.38), оскільки в цей час мережевий|мережний| координатор забороняє будь-яку передачу всім іншим пристроям|устроям|. Ця частина|частка| слотів суперфрейма називається гарантованими тимчасовими слотами (Guaranteed| Time| Slots| — GTSs|).