Не пожалел, что сходил в универ сегодня. В кои-то веки получил действительно занимательную информацию по относительно молодой технологии построения беспроводных сетей zigbee. [показать]

Введение новой технологии было направлено на замену технологии Bluetooth, главным недостатком которой было высокое энергопотребление (вспомните,к ак быстро садиться батарейка мобильника при включённом блютусе даже без передачи данных). Zigbee позволила достигнуть сверхнизкого энергопотребления - одновольтовой батарейки хватает гарантированно на 7 лет, в идеале на 15 лет. Это обеспечивается за счёт того, что передатчик находится в спящем режиме, периодически посылая паекты для поодержания связи и полноценно работает только в периоды передачи данных.

Технология реализуется в виде миниатюрных модулей объёмом всего 1 см³ (экспериментальные образцы до 1мм³). Каждый модуль содержит в себе трансивер, управляющий модуль, блок питания модуля и прочие дискретные элементы. Фактически, платы модуля могли быть ещё меньше в размерах, но на современном этапе стоит проблема уменьшения элементов питания. Установленный в модуле микропроцессор по вычислительной мощности соответсвует среднестатистическим ПК 90-ых годов.

Модули полностью автономны и могут самостоятельно развёртываться в широкие сети. Т.к. технология относится к первому классу беспроводных сетей и работает на малых расстояниях, то для передачи информации на большие расстояния каждый из модулей может стать ретранслятором сигнала или маршрутизатором, орагнизовывая таким образом настолько широкую сеть, насколько доступно модулей в зоне действия.

А теперь представьте как их можно использовать. Стоит вспомнить про распределённые вычисления. Мощность процессора каждого модуля не очень высока, однако разбросав эти кубики по небольшой территории и настроив программное обеспечение распределённых вычислений, можно на некоторой территории получить огромный по площади супер-компьютер. Примерно такой же метод используется для ведения метеорологических и экологических наблюдений за большими территориями, подключая модули к тем или иным датчикам.

К модулю можно прикрепить сейсмологические датчики и датчики движения. разбросав такие модули по большой территории врага, можно всегда знать где и как много передвигается войск противника. Обнаружить и уничтожить модули практически невозможно, они слишком малы. При том уничтожение нескольких из них не нарушит топологии сети, и передача данных будет продолжаться в полном объёме.

В последнее время американцы ведут разработку генетических паспортов, вшивая микроскопические модули zigbee под кожу человека. Таким образом, скрыться будет уже некуда. Кроме того, вживлённые модули могут снимать показатели кардиограммы, сердцебиения, давления и т.п.

Подумайте только, сколько ещё областей применения можно придумать. Возможно такой сетью опутаны все контитенты.

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе от 10 до 75 метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Для сравнения, широко распространенные в настоящее время беспроводные сети Bluetooth и Wi-Fi обеспечивают пропускную способность до 2,1 Мбит/с и 54 Мбит/с, соответственно.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей (Carrier Sense, Multiple Access, CSMA), то есть устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу. Поддерживается шифрование по алгоритму AES с длиной ключа 128 бит.

Изначально стандарт ZigBee разрабатывался с целью максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети. При этом большую часть времени аппаратура будет находиться в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир.

В целом, все оборудование ZigBee можно условно разделить на три основные категории - координаторы, полнофункциональные устройства и устройства с ограниченными возможностями. Координаторы способны управлять работой всей сети, хранить информацию о ее параметрах и осуществлять настройку, а также использоваться в качестве моста в другие сети. Полнофункциональные устройства могут получать и передавать информацию и играть роль ретрансляторов. В свою очередь, устройства с ограниченными возможностями только лишь реагируют на команды координатора и не участвуют в маршрутизации.

В разработанных версиях протоколов ZigBee закреплены механизмы создания и расширения одной PAN, и не рассматриваются механизмы создания сетей путём объединения разных PAN. Этот факт отмечен термином intraPAN.
На рис.1 привдена сложная топология сети из устройствZigBee, иллюстрирующая их свойства. Сеть ZigBee включает три типа логических устройств: координаторZigBee, маршрутизаторZigBee и оконечное устройство ZigBee. Координатор ZigBee (ZigBeeCoordinator, ZC) является координатором PAN.Функции, выполняемыеZC, зависят от топологии сети. Маршрутизатор ZigBee (ZigBeeRouter) – полнофункциональное устройствостандарта IEEE 802.15.4, которое не является координаторомZigBee, однако может быть координатором стандарта 802.15.4 и маршрутизатором сообщений между устройствами ZigBee и устройством, присоединяющим новые устройства к сети.
Оконечное устройство (ZigBeeEnd Device, ZED) – любое устройствостандарта IEEE802.15.4 (RFD иFFD), не являющееся ни координатором ZigBee, ни маршрутизатором ZigBee.
Пример присоединения сетевых устройств ZigBee к сети приведен на рис.2-4. Присоединение производится по принципу: родительское устройство присоединяет (на что указывает входящая стрелка) дочернее. На рис.2 родительским устройством является координатор ZigBee.
На рис.3 и 4 присоединённые к сети маршрутизаторы ZigBee присоединяют новые сетевые устройства. В результате образуется адресная иерархия из родителей и детей. Эта иерархия в дальнейшем может быть использована маршрутизаторами ZigBee при доставке данных по сети. Этот алгоритм в протоколах ZigBee реализован процедурами языка XML.

[показать] Рис. 1. Сеть ZigBee со сложной топологией. Черные линии — качественный соединения, зеленые — некачественные соединения.

[показать] Рис. 2. Присоединение новых сетевых узлов к координатору ZigBee.

[показать] Рис. 3. Присоединение новых сетевых узлов к маршрутизатору ZigBee.

[показать] Рис. 4. Очередное расширение сети.

Передача данных в сетях с древовидной топологией использует иерархическую стратегию выбора маршрута и может производиться под централизованным управлением, для чего на физическом уровне требуется использовать периодические сигналы маяков от координаторов IEEE 802.15.4. Поэтому в таких сетях может быть использован режим синхронизированного доступа и «спячки» сетевых устройств, позволяющий экономить энергопотребление. Этот режим поддерживают сетевые протоколы ZigBee.
В Таблице 1 приведены рекомендуемые периоды следования сигналов маяков (BI).

В таких сетях (Beaconenabled PAN) сетевые устройства «слушают» эфир и «говорят» в эфир в моменты времени, «привязанные» к сигналам маяков. В остальное время устройства «спят». Может «спать» и устройство, излучающее сигналы маяков. Эту ситуацию можно трактовать как гомогенное (однородное) распределение мощности меж ду всеми сетевыми устройствами.
Сети с топологией Mesh принципиально ориентированы на асинхронную передачу данных (Not Beacon-enabled PAN), к примеру, команд включения выключения в сетях управления или данных от «проснувшихся» или «не спящих» сенсоров в сенсорных сетях. Вся сеть должна «не спать» и быть всегда готова передать эти данные адресату, к примеру, приборам или центру сбора информации.
В таких сетях распределение потребляемой мощности между сетевыми устройствами может быть ассиметрично. В то время как одни устройства постоянно «бодрствуют», другие устройства почти всегда «спят». Выход из «спячки» этих устройств должен быть обусловлен некой серьезной внешней причиной.Например, необходимостью передать по сети команду. Подобные сети иногда называют гетерогенными (неоднородными).
Пример использования сети управления с топологией Mesh приведен на рис. 5-9 [1]. В этой сети доставка сообщения по сети осуществляется совместными усилиями многих равных в правах маршрутизаторов без централизованного координирования сетью со стороны некоторого выделенного устройства. Сеть используется для доставки команд управления бытовыми приборами (оконечными устройствами ZigBee). Заметим, что выключатель (оконечное устройство ZigBee) на физическом уровне представляет собой полнофункциональ ное устройство стандарта IEEE 802.15.4. Со стороны этого устройства поступает команда включения удалённого бытового прибора (рис.7).
При сбое внутри сети (рис.8) маршрутизаторы совместными усилиями находят новый маршрут доставки команды включения (рис.9).
Сеть Mesh постоянно «слушает» и адаптируется к обстановке внутри сети. Каждый узел следит за своими соседями, постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности принятых от них сигналов. В результате, при изменении пространственного расположения соседей или выходе их из сети одного из устройств (физического удаления устройств, прекращения энергопитания устройства т.п.), вычисляется новый маршрут. В приведённой на рис.5-9 неисправности в сети её самоустранение (Selfhealing) может быть произведено по следующему алгоритму. Все «услышавшие» команду включения соседи по ячейке (Mesh) должны запомнить в своей памяти эту команду и включить таймер на получение кадра-квитанции ACKknowledgement [2] от узла, которому адресована эта команда. Тогда, по затянувшемуся ответу на переданную команду от выбывшего из строя узла, они могут принять решение о новом маршруте для команды. Решение может быть принято на основании имеющихся у всех маршрутизаторов оценок качества линий связи (Link Quality Indication, LQI) и полной информации о топологии сети, полученной на этапе присоединения к сети. Заметим, что в алгоритме доступа сигнал ACKknowledgement должен быть разрешён, поскольку доступ в сетях стандарта IEEE 802.15.4 может производиться и без этого кадра. Поэтому, при использовании изложенного алгоритма в сетях с топологией Mesh все маршрутизаторы должны постоянно «слушать», всегда «отвечать», постоянно трудиться («жужжать») и быть готовыми к Zигзагу маршрута, затрачивая на это энергию.
Отсюда объяснение термина ZigBee: зигзаг (Zig) пчелы (Bee). Благодаря трудолюбию каждой из пчёл улея информация о всех зигзагах маршрута её полёта до цветочной поляны становится доступной всему улею.

[показать] Рис. 5. Сетевые узлы: маршрутизаторы ZigBee (зеленые кружки) и оконечные устройства ZigBee (выключатель и бытовые приборы).

[показать] Рис. 6. Сеть управления домашней электроникой с топологией Mesh.

[показать] Рис. 7. Передача команды включения лампы. Маршрут команды отмечен красным цветом.

[показать] Рис. 8. Сбой в двух маршрутизаторах ZigBee.

[показать] Рис. 9. Выбор нового маршрута команды включения лампы. По отношению к маршруту на рис. 7, новый маршрут сделал Zигзаг.

[показать] Рис. 10. Законченная платформа ZigBee с профилем ZigBee.

[показать] Рис. 11. Открытая платформа с профилемZigBee разработчика сети.