Общие сведения о ZigBee

В 2001 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE разработал новый стандарт 802.15.4 семейства беспроводных персональных сетей WPAN (Wireless personal area network). В 2002 году был образован альянс ZigBee. Альянс ZigBee — это консорциум поставщиков полупроводниковых компонентов, производителей готовых решений (в общей сложности более 90 компаний), который осуществляет разработку глобальной спецификации программного стека протоколов ZigBee.

 Место стандарта IEEE 802.15.4 среди рассматриваемых радиоинтерфейсов.

Рис. 1 –  Место стандарта IEEE 802.15.4 среди рассматриваемых радиоинтерфейсов.

 

ZigBee — спецификация сетевых  протоколов верхнего уровня  (уровня приложений API и сетевого уровня NWK), применяющих сервисы нижних уровней:

  • управления доступом к среде MAC;
  • физического уровня PHY,

Два нижних уровня уровня регламентированы стандартом IEEE 802.15.4–2003 для низкоскоростных персональных радиосетей(рис. 2).

Стек протоколов ZigBee

Рис.2 – Стек протоколов ZigBee

Спецификация ZigBee предназначена для приложений, требующих гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).

Беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 направлен на построение сетей для управления и мониторинга автономных устройств. Документ IEEE 802.15.4 дает описание частот, аппаратных особенностей и других параметров сети, в то время как документ ZigBee включает в себя описание процесса сетевого управления, параметры безопасности, а также важные составляющие совместимости и профилей устройств.

Стандарт IEEE 802.15.4 использует под обмен данными 27 каналов в 3-х диапазонах частот (868 двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-QPSK) на частоте 2,4 ГГц). В связи с этим данный стандарт может получить лицензию на территории большинства стран (общеизвестно, что диапазоны, доступные для гражданского использования, разделяются в соответствии с взглядами правительств на данный вопрос), а также реализовать оптимальную передачу сигнала в любых условиях. В России функционирование сетей ZigBee в частотном диапазоне 2405-2485 МГц не требует получения частотных разрешений и других согласований. Максимальная скорость передачи данных в этом диапазоне равна 250 кбит в секунду (в других диапазонах она значительно ниже), а мощность устройств не должна быть больше 10 мВт на открытой территории и 100 мВт в зданиях.

Краткая характеристика стандарта IEEE 802.15.4

Рис. 3 – Краткая характеристика стандарта IEEE 802.15.4

Соотношение «сигнал/шум» позволяют сигналам стандарта IEEE 802.15.4 успешно сосуществовать с источниками излучения на той же частоте, например, устройствами, соединенными с помощью Wi-Fi. Так, в стандарте также реализованы каналы, не взаимодействующие с Wi-Fi, что позволяет функционировать сети даже рядом с интенсивными источниками излучения.

IEEE 802.15.4 реализует двустороннюю полудуплексную передачу данных, применяя при этом шифрование AES 128. В одной сети могут находиться около 65 тысяч устройств, благодаря расширенной адресации в рамках IEEE 802.15.4.

Доступ к каналу IEEE 802.15.4 построен на базе Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) — множественном доступе с прослушиванием несущей волны и избеганием коллизий (но не их обнаружением). При этом коллизиям подвержены исключительно jam-сигналы, предваряющие передачу.

Когда устройство планирует начать передачу, оно отправляет в сеть jam-сигнал и определенное время ждет подобных сигналов от других источников излучения. В случае если jam-сигналов других передающих устройств нет, устройство осуществляет передачу. Если замечен «чужой» сигнал, то передатчик «засыпает» на случайный отрезок времени, а потом опять пробует начать передачу. В данном случае одновременно передача может быть осуществлена только от одного устройства, что увеличивает производительность сети. Тем не менее, необходимость ожидания свободного канала влияет на скорость обмена данными. Поэтому стандарт IEEE 802.15.4 — не высокоскоростная беспроводная связь, но стандарт имеет свою собственную, и весьма значительную, область применения. Передача данных производится относительно маленькими пакетами, что характерно для сетей управления и мониторинга. Обязательное подтверждение получения данных является характерной особенностью стандарта.

Протокол передачи подразумевает «засыпание» передатчика при отсутствии данных для пересылки, за счет чего достигается низкое энергопотребление устройств, взаимодействующих по стандарту IEEE 802.15.4. В связи с этим время автономной работы оконечных устройств может составлять несколько лет. Важно отметить, что подобные «засыпания» не влияют на сохранении подключения. Создавая стандарт, основной упор был направлен на скорость процессов конфигурирования и переконфигурирования сети; и разработчики в этом весьма преуспели. Например, переход приемника в активное состояние составляет около 15 мс; а добавление нового устройства в сеть — около 30 мс. Сети Wi-iFi и Bluetooth не могут предоставить данного быстродействия.

Читайте продолжение: Топология ZigBee

Также интересно:

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Яндекс.Метрика