Самоорганизация ZigBee сетей и маршрутизация сообщений – ЧАСТЬ 1

4.4.3.1. Общие сведения о самоорганизации ZigBee сетей. Самоорганиза­ция ZigBee PAN состоит в установлении связей между приборами, намеренны­ми выполнять функции узлов сети, включая:

–                установление идентификатора сети (PANID), отличающего ее от других

сетей;

–                присвоение каждому прибору индивидуального сетевого адреса (Network

Address), отличающего данный прибор от других приборов.

Общее количество приборов, входящих в сеть с одним идентификатором, ограничено числом 254 [6, 15]. Если число приборов, между которыми предпо­лагается установить ZigBee связь, превосходит эту величину, то общая сеть под­разделяется на несколько составных частей (кластеров). Различные кластеры отличаются идентификаторами; совокупность однокластерных сетей именуется многокластерной сетью (см. рис. 4.36).

Установление связей между приборами в пределах однокластсрной сети инициализируется полнофункциональным прибором (FFD), который принима­ет на себя выполнение функций координатора PAN; протоколом [15] для него предусмотрено наименование «вершина кластера» (Cluster Head – СН). В зави­симости от соотношения размеров области персонального радиовлияния СН и размеров территории, на которой распределяются приборы кластера, топология создаваемой сети может иметь форму звезды или дерева (рис. 4.47). В одно- кластерной сети с топологией типа звезда взаимосвязь абонентов сети (Member Deice – MD) с координатором является однопролетной (One Нор), а в сети с топологией типа дерево – многопролетной (Multihop). Конечные приборы каж­дой ветви «дерева» связываются с СН посредством ретрансляции сообщений промежуточными приборами. Конечные и некоторые промежуточные приборы сети с топологией типа дерево могут находиться за пределами POS вершины кластеоа (dhc. 4.47).

Рис. 4.47. Топология типа «дерево»

Наращивание однокластерной сети при ее самоорганизации осуществляет­ся ступенчато, начиная с подключения к СН соседних приборов. Координатор PAN по отношению к этим приборам выполняет роль родительского (Parent) узла. Подключаемые приборы являются по отношению к СН дочерними (Child). Полнофункциональный дочерний прибор может инициировать подключение к себе дочерних приборов нижеследующей ступени; по отношению к ним этот прибор является родительским. В двух смежных ступенях промежуточный при­бор (например, прибор 1 на рис. 4.47) является дочерним в вышестоящей сту­пени (связь с координатором) и родительским в нижестоящих ступенях (связь с приборами 9, 15).

Количество пролетов от СН до конечного прибора носит наименование глу­бины (depth) сети [6]. Глубина сети до различных конечных приборов может от­личаться. Максимально возможное значение глубины может достигать 263 [6].

Промежуточные узлы ветвей «дерева», расположенные между СН и ED, содержат полнофункциональные приборы (FFD). Эти приборы выполняют две функции:

–                наращивание сети при ее самоорганизации (в качестве «координатора» [5]);

–                осуществление ретрансляционной передачи сообщений в восходящем и нис­ходящем направлениях ветви в процессе функционирования сети (в качестве «маршрутизатора» [6])

Создание многокластерной сети инициализируется прибором, который, согласно [5], именуется первым координатором PAN, а согласно [6] – выделен­ным прибором (Dedicated Device – DD). В функции последнего входит распреде­ление идентификаторов кластеров (PANID, Cluster ID) и поддержание связей между их вершинами (СН) Общее число кластеров может достигать 264 [6]j кластеру, вершиной которого является выделенный прибор, присваивается 0-й номер. Наращивание кластеров в многокластерной сети осуществляется сту­пенчато (аналогично наращиванию узлов вокруг СН в однокластерной сети). Кластер 0 является родительским по отношению к подключаемым к нему до­черним кластерам; дочерние кластеры первой ступени являются родительскими по отношению к дочерним кластерам второй ступени. Связь между вершинами кластерного дерева показана на рис. 4.48. Отличие передачи сообщений между вершинами кластеров от передачи сообщений между узлами однокластерной сети состоит в том, что области персонального радиовидения вершин кластеров, как правило, территориально отделены, и передача сообщений между вершина­ми производится релейно через промежуточные узлы кластеров. Технология самоорганизации многокластерной сети рассматривается в [15]; спецификация [6] ограничивается рассмотрением однокластерных сетей.

Рис. 4.48. Связь между вершинами кластерного дерева

Процессы самоорганизации однокластерной ZigBee сети контролируются сетевым уровнем (Network Layer) стека протоколов. Аналогично MAC уров­ню (см. табл. 4.21) элементы менсдэ:смепта сетевого уровня (Network Layer Management Entity – NLME) осуществляют функции организации во взаимо­действии с элементами обработки сетевых данных (Network Layer Data Entity – NLDE). Внутриуровневое взаимодействие элементов NLME, NLDE сочетается с их межуровневым взаимодействием, а именно, обменом сообщениями данных и менеджмента с вышестоящим прикладным уровнем (Application Layer- APL) и нижестоящим MAC уровнем (см. рис. 4.32). Межуровневое взаимодействие осуществляется через сервисные точки доступа (SAP), аналогично тому, как это происходит между MAC и PHY уровнями (рис. 4.33, табл. 4.21). В целом, во вза­имодействии различных уровней стека протоколов APL уровень определяет за­дачи самоорганизации (например, инициирует создание сети), сетевой уровень осуществляет менеджмент самоорганизации, a MAC и PHY уровнн реализуют выполнение конкретных составляющих процесса самоорганизации.

Взаимодействие сетевых уровней различных приборов осуществляется по­средством фреймов данных этого уровня (Network Layer Protocol Data Unit –


NLPDU) и обеспечивает изменение состава абонентов сети (их ассоциацию и де- ассоциацию), присвоение абонентам сетевых адресов, учет соседства абонентов в пределах POS каждого из них, маршрутизацию сообщений при передаче от одно­го абонента к другому и пр. [6]. Из приведенного перечня функций далее кратко рассматриваются принципы адресации приборов и маршрутизации сообщений.

4.4.3.2. Адресация приборов и маршрутизация сообщений. Присвоение сетевых адресов (адресация приборов) является необходимым условием марш­рутизации сообщений при их ретрансляции от источника (source) к получателю (destination) через промежуточные узлы сети. Спецификацией ZigBee сети [6] предусматривается два метода адресации:

1)           метод распределенного назначения адресов (Distributed Address Assignment

Method);

2)           метод централизованного ситуативного назначения адресов (Stochastic

Address Assignment Method).

Сущность первого метода состоит в том, что каждому родительскому узлу однокластерной сети априорно выделяется некоторая совокупность адресов для подключаемых к нему абонентов. Причем объем этой совокупности зависит от глубины рассматриваемого родительского прибора в сети, предусмотренной максимальной глубины конечных приборов (Max Depth), максимального числа подключаемых к родительскому узлу дочерних приборов (Max Children), макси­мального числа маршрутизаторов (Max Router) среди этих дочерних приборов. В процессе самоорганизации сети каждый родительский прибор назначает сво­им дочерним приборам адрес из выделенной ему совокупности. Сетевые адреса оказываются взаимосвязанными с топологическим местоположением прибора в сети. Этот метод адекватен условиям заблаговременного (Proactive) планирова­ния сети.

Второй метод состоит в выборе и назначении координатором PAN сетевого адреса каждому прибору сети в процессе ее самоорганизации. Запрос на при­своение адреса (Node ID Request) прибору, который находится на глубине более одного скачка, передается промежуточными узлами. Сетевой адрес выбирается координатором PAN как случайное число из совокупности возможных адресов (254 адреса). Этот метод адекватен условиям ситуативного (reactive) формиро­вания сети. Применительно к иллюстративной однокластерной сети с топологи­ей типа дерево (рис. 4.47) ситуативное присвоение адресов сводилось бы к сле­дующему. Первый этап адресации состоял бы в присвоении адресов приборам 1, 2, 3, 4, которые находятся в пределах POS координатора PAN и производят запрос на включение в сеть (Connection Request). Запрос осуществляется при условии предшествующей передачи координатором PAN (вершиной сети) маяч­кового фрейма, который согласно протоколу [15] носит наименование «HELLO». Присваиваемые приборам 1, 2, 3, 4 адреса содержатся в ответах (Connection Response) координатора PAN (предполагается, что ответы положительны). Вто­рой этап адресации состоял бы в передаче приборами 1,2,3,4 своих маячковых фреймов и обмене фреймами запроса и ответа на подключение близлежащих приборов, находящихся в пределах их POS (приборов 5,6, 7, 8,9,13,15). Третий

этап процесса, аналогичный второму, сводился бы к подключению в сеть при­боров 10, 11, 14, 16, 17. Наконец, четвертый этап – к подключению прибора 12, глубина которого составляет 4 пролета. Обмен фреймами между вершиной сети (СН) и приборами с глубиной 1 и 2 пролета (обозначены, соответственно, сим­волами В и С) иллюстрируется рис. 4.49.

Рис. 4.49. Обмен фреймами между вершиной сети и приборами

В процессе функционирования сети координатор PAN и маршрутизатор вет­вей периодически передают маячковые фреймы (см. рис. 4.41). Приборы, находя­щиеся в пределах POS координатора/маршрутизатора, принимая маячковые фрей­мы, имеют возможность составить список соседей (Neighbor List), где наряду с соседями по рассматриваемому кластеру отображаются соседи из смежных кла­стеров. На рис. 4.50 взаимосвязи между соседними узлами, выявленные в процес­се функционирования иллюстративной сети рис. 4.47, отображены пунктирными линиями; в качестве примера представлен список соседей узла 12. Сведения о списке соседей каждый узел периодически передаст координатору PAN в сообще­нии о состоянии связей (List State Report). Координатор сети составляет сводный перечень сообщений о состоянии связей, анализ которого обеспечивает возмож­ность обновления топологии сети с целью уменьшения глубины узлов.

Рис. 4.50. Иллюстрация учета взаимосвязей между соседними узлами

Маршрутизация сообщений в ZigBee сетях с установившимися связями между приборами может осуществляться двумя регламентированными спосо­бами [63, 71]:

–                во-первых, посредством установления по требованию узла-отправителя си­туативного маршрута методом дистанционного векторного поиска (Ad Нос on Demand Distance Vector Protocol – AODV);

–                во-вторых, посредством использования иерархических связей топологшгкла- стерного дерева (Hierarchical Routing Strategy).

Возможность применения двух способов маршрутизации сообщений соче­тается с возможностью управляемого выбора одного из них. Переход от одного способа к другому обеспечивается внутриприборным обменом сообщениями и отражается во фреймах сетевого уровня (NPDU).

Маршрутизация посредством АОDVалгоритма предполагает предвари­тельное (до обмена сообщениями) установление наиболее короткого марш­рута их передачи между отправителем и получателем (например, в иллю­стративной сети с древовидной топологией рис. 4.47 между узлами 12 и 14 наиболее короткий маршрут проходит через узлы 6, 5, 13). Основные опе­рации установления маршрута сводятся к следующему: 1) рассылка узлом- источником соседним приборам фрейма запроса на маршрут до определен­ного получателя (Router Request) с последующей ретрансляцией фрейма запроса узлами, принявшими запрос; 2) анализ в каждом промежуточном узле пути прохождения фрейма запроса с установлением наиболее короткого пУти; 3) формирование узлами фрейма ответа на запрос (Route Reply) и по­следующая ретрансляция ответа узлами, лежащими на наиболее коротком пУти до узла-источника; 4) ведение узлами сети таблиц маршрутизации для каждого запрашиваемого маршрута с контрэлем времени его использования. Длительность предельного интервала пользования установленным маршру­том ограничена; по истечении этого интервала применение маршрута кращается.

Иерархическая маршрутизация сообщений сводится к их передаче оч точника к получателю, вдоль ветвей кластерного дерева с учетом родитель и дочерних взаимосвязей каждого звена/пролета (например, в иллюстрати сети рис. 4.47 передача сообщений между узлами 12, 14 осуществляется 1 узлы 13, 4, 0, 3, 6, И). Иерархическая маршрутизация, как правило, связ; прохождением сообщения по более длинному маршруту, однако ее достош состоит в отсутствии необходимости устанавливать маршрут по заказу, что же связано с расходом времени.

Оценка рациональных способов маршрутизации сообщений при при» нии ZigBee сетей выходит за пределы технологических рекомендаций [63] ставляет предмет исследовательских работ, в частности [72-74].

В заключение изложения сведений о WPAN с низкой скоростью пер< данных целесообразно отметить, что прогноз развития производства электро промышленности свидетельствует об относительном увеличении доли прои ства сенсорных приборов в общем объеме электронной продукции [75,76].} вое перераспределение уровней производства различных сегментов электро промышленности связано с общей тенденцией роста автоматизации энергое процессов в индустрии, сельском хозяйстве, строительстве, домашних уело При общегодовом росте продукции электронного производства около 6% производства сенсорных приборов прогнозируется равным 7.5% [76].

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100