1. Особенности технологии ZigBee

.1 Почему именно ZigBee

У многих возникнет вопрос - почему ZigBee? Название ZigBee образовано из двух слов: zigzag (зигзагообразная траектория движения) и bee (пчела). А причем здесь пчелы? Домашние пчелы живут в ульях роем, во главе которого стоит королева. Ее обслуживают несколько трутней и тысячи рабочих пчел. Выживание, развитие и будущее колонии пчел напрямую зависит от того, насколько непрерывно, без сбоев будет происходить обмен информацией между всеми членами колонии. Принцип, по которому информация передается между членами пчелиного сообщества, допустим, о местонахождении цветочной поляны, схож с тем, на котором основаны алгоритмы ZigBee.

Сети ZigBee, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных, полностью удовлетворяют требования, а именно:

- благодаря ячеистой (mesh) топологии сети и использованию специальных алгоритмов маршрутизации сеть ZigBee обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов в случаях обрыва связи между отдельными узлами (появления препятствия), перегрузки или отказа какого-то элемента;

- спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных, передаваемых по беспроводным каналам, и гибкую политику безопасности;

- устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением, в особенности конечные устройства, для которых предусмотрен режим «сна», что позволяет этим устройствам работать до трех лет от одной обычной батарейки АА и даже ААА;

- сеть ZigBee - самоорганизующаяся, ее структура задается параметрами профиля стека конфигуратора и формируется автоматически путем присоединения (повторного присоединения) к сети образующих ее устройств, что обеспечивает простоту развертывания и легкость масштабирования путем простого присоединения дополнительных устройств;

- устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 ZigBee-модуль PAN4555 со встроенным микроконтроллером от Panasonic

Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. В сети ZigBee предусмотрено несколько альтернативных алгоритмов маршрутизации, выбор которых происходит автоматически.

Стандарт предусматривает возможность использования каналов в нескольких частотных диапазонах. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц.

Цена, которую пришлось заплатить в сетях ZigBee за минимизацию энергопотребления, компактность и дешевизну - относительно низкая скорость передачи данных.

«Брутто» скорость (включая служебную информацию) составляет 250 кбит/c. Средняя скорость передачи полезных данных, в зависимости от загрузки сети и числа ретрансляций, составляет от 5 до 40 кбит/с.

Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве.

Более того, сеть ZigBee в любой момент может быть расширена добавлением новых элементов или наоборот разбита на несколько зон простым назначением соответствующего числа новых конфигураторов сети. Это бывает полезно для снижения нагрузки и соответственно повышения скорости передачи данных.

.2 Состав и формат пакетов

Форматы передаваемых пакетов в сетях ZigBee:

• пакет данных (используется для передачи данных)

• пакет подтверждения (используется для подтверждения успешной передачи данных)

• пакет МАС команды (используется для организации пересылок управляющих МАС команд)

• сигнальный пакет (используется координатором для организации синхронизированного доступа)

Формат пакета данных:

• позволяет передавать до 104 байт данных

• для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Data sequence number)

• контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (Frame Check Sequence - FCS)

Формат пакета подтверждения:

• обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной передаче пакета данных

• малая длина пакета увеличивает время нахождения в состоянии покоя сетевых конечных устройств.

• передача пакета подтверждения осуществляется сразу после получения пакета данных

Формат пакета МАС команды:

используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств

позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети

Формат сигнального пакета:

конечные устройства «просыпаются» только в периоды приема пакетов синхронизации, считывают адреса в пакете синхронизации и переходят в спящее состояние, если адрес устройства не обнаружен

- сигнальные пакеты необходимы для сетей типа «многоячейковая» и «кластерное дерево», обеспечивая синхронизацию всех сетевых устройств без необходимости каждым из них тратить энергию своих автономных источников питания, «слушая» эфир в ожидании получения пакета

1.3 Схемы модуляции

Оборудование стандарта EEE 802.15.4b может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц во всем мире.

В диапазонах 868 МГц и 915 МГц полосы используются три дополнительных схемы модуляции: двоичная фазовая манипуляция BPSK, квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом OQPSK и технология расширения спектра методом параллельных последовательностей (Parallel Sequence Spread Spectrum, PSSS), что показано в таблице.

В зависимости от схемы модуляции радиооборудование может поддерживать различные скорости передачи данных: 250 Кбит на частоте 2,4 ГГц, от 20 кбит до 250 кбит на частоте 868 МГц и от 40 Кбит до 250 Кбит в диапазоне 915 МГц. На рисунке ниже показано распределение каналов в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4b, в соответствии с которым в диапазоне 868 МГц организуется только один канал, 10 каналов на 915 МГц и 16 каналов на 2,4 ГГц. Центральные частоты этих каналов fc определяются следующим образом:

fc = 868,3 [МГц], k = 0;

fc = 906+2(k-1) [МГц], k = 1, 2,…, 10;

fc = 2405+5(k-11) [МГц], k = 11, 12,…, 26, где k - номер канала .

Распределение каналов в стандарте IEEE 802.15.4b