Описание стандарта IEEE 802.15.4 - Моделирование беспроводных сенсорных сетей

Стандарт 802.15.4 предназначен для организации двух нижних уровней эталонной модели OSI в беспроводной сенсорной сети - физический (PHY) и канальный (подуровень MAC). Эти слои предлагают услуги высшим слоям (Рис. 2). Интерфейсы между слоями служат для определения логических связей. Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. Задачи уровня - активация/дезактивация радио - приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергии (energy detection), передача и получение пакетов через физическую среду. MAC уровень предоставляет следующие услуги: обслуживание данных и обслуживание управления на канальном уровне. Задачи уровня - сигнальное управление, доступ к каналу, управление GTS, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (дизассоциация) с устройствами, кроме того обеспечение механизма безопасности

Рис.2 Архитектура уровней

Стандарт определяет протокол и взаимосвязь устройств в следующих трех не лицензируемых радиодиапазонах:

- 868,0 - 868,6 МГц (Европа, один канал); - 902 - 928 МГц (Северная Америка, всего 10 каналов, шаг центральных частот - 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц); - 2450 МГц (остальной мир, всего 16 каналов, шаг центральных частот - 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц).

Скорости передачи данных в каналах при этом составляют от 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц) до 250 Кбит/с (2450 МГц).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS) и параллельной (PSSS). Вся используемая "широкая" полоса частот делится на некоторое число подканалов. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из n бит, и эти n бит передаются одновременно и параллельно, используя все n подканалов.

В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума. Благодаря этому можно использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и "поверх них" -- широкополосными.

Модуляция данных - квадратурная фазовая со сдвигом (O-QPSK). Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты квадратурной составляющей несущей Q имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°). Серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об "эталонном" синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определить абсолютный сдвиг фазы.

Все устройства стандарта можно классифицировать по функциональности и по назначению.

По функциональности можно выделить два типа устройств: полнофункциональные (FFD) и полуфункциональные (RFD). Полнофункциональное устройство может соединяться с любым устройством в сети, а полуфункциональные - только с FFD.

По назначению существуют три различных типа устройств ZigBee.

Координатор ZigBee (ZC) -- наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он управляет сетью - назначает PAN ID сети, раздает короткие адреса, выбирает частоту.

Маршрутизатор ZigBee (ZR) -- может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство ZigBee (ZED) -- его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Выделяют следующие топологии сети:

- звезда; - точка-точка (сеть равноправных узлов).

Рис.3 Топология сети

В топологии "звезда" обмен данными происходит между центральным главным контроллером, называемым PAN-координатором и остальными ведомыми устройствами. Он является первичным устройством в сети и поэтому может питаться от стационарного источника.

В топологии "равноправных узлов" также имеется PAN-координатор, однако любое устройство, в отличие от топологии "звезда", может связаться с другим, пока они находятся в пределах друг друга. Таким образом "равноправные узлы" могут образовывать более сложные сетевые образования, например, петлю или кластерное дерево (Рис. 4). В этом случае RFD устройства соединяются с древовидной кластерной схемой как листовое устройство в конце ветви.

Рис.4 Кластерная топология

Все устройства должны поддерживать уникальные 64-разрядные адреса. Эти адреса используются для адресации в пределах данной сети. Чтобы уменьшить трафик сети предусмотрено использование 16-разрядных адресов, назначаемых координатором сети.

В стандарте также определено опциональное использование суперструктуры (superframe). Она определяется координатором и связывается маяками (beacon). Эти маяки передаются в первом слоте каждой суперструктуры. Существует ее два вида - с активным и неактивным периодами. В течении неактивного периода координатор может перейти в маломощный режим. Если использовать суперструктуру не обязательно, то координатор перестанет посылать маяки. Маяки служат для синхронизации устройств с PAN-координатором во время соединения. Любое устройство, желающее связаться в течении CAP (период доступа), конкурирует с другими устройствами, используя CSMA-CA механизм. Все транзакции завершаются до следующего маяка. Для приложений, требующих низкий уровень ожидания или требующих пропускную способность для специфических данных, координатор выделяет специальные суперструктуры - гарантированные временные слоты (GTS). GTS формируется в свободный период (CFP), который всегда появляется в конце активной суперструктуры, после CAP.

Упомянутый механизм CSMA-CA работает по принципу прослушивания частот в течение определенного времени и обнаружения свободной частоты для передачи данных. Если канал занят, то узел "отстраняется" и ждет определенное количество времени, прежде чем опять предпринять попытку отправки пакета. Избежание коллизий используется для того, чтобы улучшить производительность CSMA, отдав сеть единственному передающему устройству. Эта функция возлагается на "сжатый сигнал" в CSMA/CA. Улучшение производительности достигается за счет снижения вероятности коллизий и повторных попыток передачи. Но ожидание "сжатого сигнала" создает дополнительные задержки, поэтому другие методики позволяют достичь лучших результатов.

Модель пересылки данных заключает в себе три вида транзакций. Первый вид - передача данных координатору, второй - передача от координатора, третий вид - передача между равными устройствами. В топологии типа "звезда" применяется только первые два вида транзакций, так как данные идут между координатором и устройством. В топологии "равноправных узлов" возможны все три вида транзакций.

Пересылка данных координатору происходит в следующем порядке (Рис. 5):

- устройство ищет маяк, посылаемый координатором. Когда маяк найден устройство синхронизируется; - далее в определенный момент времени (по механизму CSMA-CA) отправляются сами данные; - получив данные, координатор отправляет устройству подтверждение об успешном приеме данных.

В случае, если маяк не используется, данные сразу пересылаются координатору по механизму CSMA-CA. При получении данных он также отправляет подтверждение.

Рис.5 Схема передачи данных координатору с использованием и без использования маяка

Пересылка данных от координатора (Рис. 6):

- координатор информирует устройство в маяке о наличии данных; - устройство, получив маяк, отправляет MAC команду запроса данных; - в ответ координатор отправляет подтверждение об успешном приеме; - сразу за подтверждением пересылаются сами данные; - по прибытию данных устройство отправляет координатору подтверждение об успешном получении.

Если маяк не используется, то координатор накапливает данные и при получении запроса от устройства отправляет их.

Рис.6 Схема передачи данных от координатора с использованием и без использования маяка

При передаче данных между равноправными устройствами данные могут передаваться, как и в первых двух случаях, после синхронизации.

Стандартом определяется четыре типа пакетов:

- сигнальный пакет (beacon frame), используемый координатором, чтобы передавать маяки; - пакет данных (data frame), используемый для передачи данных; - пакет подтверждения (acknowledgment frame), используемый для подтверждения успешного приема; - командный пакет, используемый для управления объекта MAC.

Сигнальный пакет имеет следующую структуру (Рис. 7).

Рис.7 Структура сигнального пакета

Пакет данных имеет следующую структуру (Рис. 8).

Рис.8 Структура сигнального пакета

Пакет подтверждения имеет следующую структуру (Рис. 9).

Рис.9 Структура пакета подтверждения

Командный пакет имеет следующую структуру (Рис. 10).

Рис.10 Структура командного пакета

Для проверки целостности пакета в нем содержится так называемая контрольная сумма (16-битное поле FCS). Алгоритм вычисления контрольной суммы носит название циклического избыточного кода (CRC). Для получения контрольной суммы, необходимо сгенерировать полином G(x). Основное требование к полиному: его степень должна быть равна длине контрольной суммы в битах. При этом старший бит полинома обязательно должен быть равен "1". Из файла берется первое слово. Если старший бит в слове "1", то слово сдвигается влево на один разряд с последующим выполнением операции XOR. Соответственно если старший бит в слове "0", то после сдвига операция XOR не выполняется. После сдвига (умножения) теряется старый старший бит, а младший бит освобождается (обнуляется). На место младшего бита загружается очередной бит из файла. Операция повторяется до тех пор, пока не загрузится последний бит файла.

После прохождения всего файла, в слове остается остаток, который и является контрольной суммой.

В данном стандарте 802.15.4 предусматривается защита данных с помощью симметричных ключей шифрования. Криптографический механизм предусматривает:

- конфиденциальность данных (передаваемая информация известна только тем, кому она предназначена); - подлинность данных (защита от изменения данных в пути); - дублирование данных (повторная передача данных).

Описание стандарта IEEE 802.15.4 - Моделирование беспроводных сенсорных сетей

Похожие статьи