Телекоммуникационные возможности ZigBee сетей – ЧАСТЬ 1

Узлы ZigBee сетей, в которых выполнение функций приемо-передачи ра­диосигналов составляет только одну из составляющих полного перечня функ­циональных свойств, согласно [62], именуют приборами (в отличие от узлов среднескоростных и высокоскоростных WPAN, где по отношению к одному из элементов узла используется понятие устройство; другим элементом являет­ся хост). Радиотехнологические аспекты передачи сообщений, которыми ис­черпывались функции устройств рассматриваемых ранее стандартов WLAN и WPAN [17, 44], в LR-WPAN приборах являются лишь базовой составной ча­стью, Функции, соответствующие верхним уровням стека протоколов, в ZigBee сетях также выполняются приборами (см. рис. 4.33, на котором показана уров- невая архитектура протоколов LR-WPAN приборов). Рассматриваемые далее телекоммуникационные возможности сетей ZigBee в основном ограничиваются радиотехнологическими аспектами.

4.4.1.1. Топология ZigBee сетей. В соответствии с возможностями микро­контроллеров приборов, последние согласно [62] подразделяют на две категории:

–                полнофункциональные приборы (Full Functional Devices – FFD);

–                ограниченно функциональные приборы (Reduced Functional Devices – RFD).

Критерий принадлежности прибора к FFD или RFD состоит в полноте

их трансиверов, а роль ZigBee спецификаций – в регламентации взаимодей­ствия их микроконтроллеров.

функций, которые прибор способен выполнять как элемент сети. FFD способны выполнять функции координатора (Coordinator) сети – инициализировать ее создание, ассоциировал, другие приборы в состав ее абонентов, синхронизовать


■» ош

работу абонентов, обжить передаточными звеньями цепочки передачи сообще­ний. Возможности RFD ограничиваются исполнительскими функциями- они могут быть ассоциированными абонентами, но не способны выполнять функ­ции координатора (заметим, что согласно ZigBee спецификациям, регламенти­рующим два верхних уровня стека протоколов LR-PAN, приборы подразделяют­ся на 3 категории: ZigBee координаторы – ZC, ZigBee маршрутизаторы – ZR и ZigBee конечные приборы – ZED; RFD по своим функциям аналогичны ZED)

Рис. 4.33. Уровневая архитектура протоколов приборов LR-WPAN [62]

Сенсорные сети отличаются от классических персональных сетей размера­ми площади, на которой их приборы могут быть расположены. В классических WPAN расстояние между приборами ограничивается т.н. сферой персонального радиовлияния (radio sphere of influence, personal operating space) с линейными раз­мерами порядка единиц метров; благодаря этому обеспечивается прямая (Point- to-Point) связь между приборами. Территория покрытия сенсорных сетей может превышать размеры сферы персонального радиовлияния, и, соответственно, пе­редача сообщений между удаленными абонентами сетей возможна лишь посред­ством многоступенчатой ретрансляции промежуточными узлами.

ZigBee сети являются самоорганизующимися (Ad-Hoc) сетями. Стандартом [62] предусмотрены две топологии ZigBee сетей, приборы которых расположе­ны в пределах перекрывающихся сфер персонального радиовлияния: – топология типа звезда (Star Topology), в которой центральный узел сети (рис.

4.34, а) выполняет функции ее координатора (PAN coordinator); конечные

приборы сети могут быть полнофункциональными (FFD) или ограниченно

функциональными (RFD);

полносвязная топология (Pear-to-Pear Topology), в которой каждый из прибо ров (рис. 4.34, б) является полнофункциональным и способен поддерЖива^ связь с любым другим прибором. Координированная передача сообщений обеспечивается одним из приборов, который именуется координатором PAN (функции координатора может выполнить любой из приборов).

Рис. 4.34. Топологии ZigBee сетей с перекрывающимися сферами персонального радиовидения приборов [62]:

а)      топология типа звезда;

б)      полносвязная топология

Сети, в которых сферы персонального радиовлияния отдельных приборов территориально разделены, имеют топологию типа дерево и кластерное дерево [62]. Топология типа дерево (Tree Topology) представляет собой комбинацию то­пологий типа звезда (рис. 4.35). Комбинация топологий состоит в ступенчатом (иерархическом) разветвлении исходной «звезды»: конечные приборы предше­ствующей ступени являются вершинами «звезд» последующей. Прибор, обра­зующий вершину всего дерева, является общим координатором сети (ZigBee Coordinator); приборы, соответствующие промежуточным вершинам, называ­ются маршрутизаторами (ZigBee Router).

Маршрутизатор ZigBee представляет собой полнофункциональное устрой­ство стандарта IEEE 802.15.4, которое не является координатором ZigBee, но может быть координатором или маршрутизатором сообщений между ZigBee-приборами и устройством, присоединяющим новые приборы к сети. Любое устройство стандар­та IEEE802.15.4 (RFD или FFD), которое не является ни координатором ZigBee, ни маршрутизатором, называют оконечным устройством (ZigBeeEnd Device).

Рис. 4.35. Топология ZigBee сетей типа дерево

Топология типа кластерного дерева характеризуется тем, что элементами «дерева» являются не отдельные узлы сети, а элементарные сети, именуемые кластерами (см. рис. 4.36). В каждом из кластеров имеется координатор сети (PAN coordinator). Координатор исходного кластера именуется «Первым коор­динатором PAN» (First PAN coordinator). Координаторы кластеров нижележа­щих ступеней связаны с FFD-приборами кластеров предшествующих (более высоких) ступеней. Каждая сеть при ее образовании присваивает себе условное идентификационное обозначение (PAN Identifier – PAN ID). Кластеры развет­вленных сетей имеют различные идентификаторы, обозначаемые условными номерами – PAN ID1,..PAN ID7 (рис. 4.36).

Применение LR-PAN в промышленности, сельском хозяйстве и медицине предполагает, что количество узлов сенсорной сети может быть очень большим. Стандарт [62] предусматривает возможность наличия в сети до 216 приборов. Важные потребительские свойства приборов состоят в их низкой стоимости и низком уровне потребляемой мощности. Электрическое питание сенсорных узлов должно осуществляться от химических источников питания без их за­мены в течение длительного времени (порядка десятков месяцев). Приемлемая периодичность мониторинга может быть невысокой (исчисляемой минутами). Это означает, что коэффициент заполнения времени передачей сообщений (Duty Cycle) каждого узла сети невелик, причем его уменьшение обеспечивает уве­личение длительности бессменной работы источников питания. Мощность, по­требляемая узлами при передаче сообщений, имеет величину порядка единиц и долей милливатта, а с учетом коэффициента заполнения потребляемая средняя мощность исчисляется микроваттами.

Применение беспроводных сенсорных сетей, наряду с их низкой стоимостью и энергопотреблением, стимулируется наличием других существенных эксплуа­тационных свойств: высокой надежностью (Reliability), адаптивностью к усло­виям работы (Adaptability), удобством наращивания (Scalability) сети [7]. Реализа­ции этих свойств способствует гибкость топологии сенсорных сетей.

Рис. 4.36. Топология ZigBee сети типа кластерное дерево [62]

Сведения о частотном ресурсе и каналах ZigBee сетей

4.4.1.2. Частотный ресурс и частотные характеристики каналов свя­зи ZigBee сетей. В соответствии с предназначением ZigBee сетей, частотный ресурс, выделяемый для их применения, лежит в диапазонах частот, предна­значенных для производственного, научного, медицинского (ISM) и бытового (Domestic) использования [8]. Согласно [62], для применения ZigBee приборов предусматривается использование трех диапазонов: 868-868.6 МГц, 902-928 МГц и 2450-2483.5 МГц. Общее число частотных каналов во всех перечислен­ных диапазонах составляет 27. Распределение каналов по диапазонам, их ну­мерация и сетка используемых частот иллюстрируются данными табл. 4.18, а также рис. 4.37.

Таблица 4.18

Частотный диапазон, МГц

Число частотных каналов

Номера каналов

Шаг сетки частот, МГц

Соотношения, определяющие средние частоты каналов, МГц

868-868.6

1

к=0

/,= 868.3

902-928

10

£=1,2,…,10

2

f~ 906 + 2(Ы)

2400-2483.5

16

&=11,12,…,26

5

/А = 2405 + 5(*-11)

Согласно используемым радиотехнологиям, предусматривается [62] деле­ние каналов на группы, именуемые «страницами» (Channel pages). Всего пред­усмотрены 32 возможных «страницы», однако в настоящее время регламентиро­ваны кайалы только первых трех (им присвоены номера 0, 1, 2); остальные зарезервированы. «Страница» с номером 0 включает все 27 перечисленных выше частотных канала. «Страницы» 1 и 2 включают лишь по 11 каналов, соот­ветствующих диапазонам 868-868.6 МГц и 902-928 МГц (остальные каналы зарезервированы). Радиотехнологии, соответствующие «стр н и ц1>> * 2 и №3 „ведены стандартом [62]; они не являются обязательньши (т.е. опциональны – optional) для реализации в приборах и далее не рассматриваются

Рис. 4.37. Частотные каналы ZigBee сетей [71]: а) 0-й канал; б) каналы 1-10; в) каналы 11-26

Общая черта радиотехнологий каналов всех трех используемых частотных диапазонов 0-й канальной «страницы» состоит в применении радиосигналов с расширенным спектром. Скорости передачи информационных двоичных сигна­лов (Bit Rate) в каналах различных частотных диапазонов составляют 20, 40 и 250 кбит/с (см. табл. 4.19). Чиповые скорости расширенных по спектру сигналов соответственно равны 300, 600 и 2500 кбит/с. Значения коэффициентов расши­рения спектра (Spreading Factor – SF) каналов к – 0-н 10 совпадают (равны 15); в каналах 3-го диапазона (к= 11-*-26) SF=8.

Таблица 4.19

Характеристики радиоканалов 0-й канальной страницы ZigBee сетей

Номера каналов

Битовая скорость, кбит/с

Передаваемые символы

Расширение спектра

Метод модуляции

Тип

Символьная скорость, кс им в/с

Способ

Чиповая скорость, кчип/с

0

20

Двоичные

20

DSSS

300

DBPSK

1-10

40

Двоичные

40

DSSS

600

DBPSK

11-26

250

16-ричные

62,5

DSSS

2000

OQPSK

Модуляция радиосигналов осуществляется методами, которым свойственна высокая помехоустойчивость: в каналах 0…10 применяется относительная дво­ичная фазовая манипуляция (Differential Binary Phase Shift Keying – DBPSK) – рис. 4.38, а; в каналах 11…26 – квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (Offset Quadrature Phase Shift Keying – OQPSK) – рис. 4.38, б. В каналах 0… 10 скорость первичных битовых потоков совпадает со скоростью двоичных сим­волов, поступающих на расширитель спектра. Различие символьных и бито­вых потоков обусловлено применением относительной фазовой манипуляции и сводится к дифференциальному кодированию, не оказывающему влияния на скорость элементов потока. В каналах 11.. .26 первичный битовый поток, пре­жде чем подвергнуться расширению спектра, преобразуется в поток 16-ричных символов, каждый из которых соответствует одной из возможных комбинаций четырех битов исходного двоичного потока. Скорость следования символов, по­ступающих на расширитель спектра, в 4 раза ниже битовой (62.5 ксимв/с).

Максимальная мощность излучаемых радиосигналов в каналах всех диа­пазонов ограничивается величиной 1 мВт. Необходимая ширина полосы частот каналов различных диапазонов определяется скоростями чиповых потоков (см. табл. 4.19) и для каналов 0, 1… 10, 11.. .26 составляет, соответственно, 0.6 МГц, 1.2 МГц и 2 МГц [68]. Сопоставление ширины необходимой полосы с шагом сетки частот (см. табл. 4.18) свидетельствует о наличии заметных защитных ин­тервалов между необходимыми полосами.

Применение в приборах ZigBee помехоустойчивых видов модуляции, расши­рения спектра и излучаемых сигналов малой мощности, обеспечивает, при нали­чии достаточно большого числа радиочастотных каналов, их существенное при­кладное свойство – хорошую внутрисистемную и межсистемную ЭМС [69].

Рис. 4.38. Структурные схемы формирования сигналов каналов 0-10 (а) и 11-26 (б)

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