МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА” Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки РЕФЕРАТ на тему Технології та стандарти телекомунікації: Мережі стандарту IEEE 802.15.4 з дисципліни ОСНОВИ IT ТА ЕЛЕКТРОННОЇ ІНЖЕНЕРІЇ Спеціальність 6.172.00 «Телекомунікації та радіотехніка» Виконав студент групи ТР-12 Шевців Андрій Прийняв професор Голяка Р.Л. 1 IEEE 802.15.4 — стандарт, який визначає фізичний шар та керування доступом до середовища для бездротових персональних мереж з низьким рівнем потужності сигналу та швидкостями до 480 Мбіт/с. Стандарт підтримується робочою групою IEEE 802.15. Апаратура, побудована на основі цього стандарту, відноситься до пристроїв малого радіусу дії. Є базовою основою протоколів ZigBee, WirelessHART, MiWi, ISA100.11, Thread, кожен із яких, своєю чергою, пропонує рішення для побудови мереж у вигляді будівництва верхніх шарів, які регламентуються стандартом. В якості альтернативи він може бути використаний спільно зі стандартом 6LoWPAN та стандартними протоколами Інтернету для побудови вбудованого бездротового Інтернету. Рис.0. IEEE 802.15.4 Специфікація IEEE 802.15.4-2011 забезпечує двосторонню напівдуплексну передачу даних в низькошвидкісних бездротових персональних мережах (LowRate Wireless Personal Area Networks - LR-WPANs), підтримуючи при цьому шифрування AES 128. Передбачається використання 7 видів phase-shift keying (OQPSK), Binary phase-shift keying (BPSK), Amplitude-shift keying (ASK), Differential quadrature phase-shift keying (DQPSK), комбінована Burst (pulse) position modulation (BPM) і BPSK, M-ary phase-shift keying (MPSK), Gaussian frequencyshift keying (GFSK). Для зниження взаємних перешкод та інтерференції сигналів від великої кількості працюючих одночасно пристроїв використовується метод прямої послідовності для розширення спектру (Direct Sequence Spread Spectrum 2 DSSS) або розширення спектра методом лінійної частотної модуляції (Chirp spread spectrum - CSS). Рис.1. Деталі рівня IEEE 802.15.4-2011 Незважаючи на те, що вся ідеологія стандарту IEEE 802.15.4 побудована у припущенні, що типовий зв'язок здійснюватиметься на відстані близько 10 м, стандарт не встановлює вимог до потужності передавача. Цей параметр регулюється нормативними документами у сфері радіозв'язку, специфічними кожної держави. Найбільшого поширення на ринку мають передавачі з потужністю 1 мВт, які забезпечують зв'язок на відстані до 10 м у приміщенні, а також передавачі з потужністю 10 мВт, що збільшують цю відстань до 80 м у приміщенні та до 1 км в умовах прямої видимості. Дальність зв'язку також залежить від діапазону частот і застосування антен спеціальної конструкції. Стандарт IEEE 802.15.4 [IEEE ] є найновішим у серії бездротових (прийнятий у жовтні 2003 р.). На його основі ZigBee Alliance (www.zigbee.org) розробив специфікацію протоколів мережного та прикладного рівня, які анонсував у грудні 2004 року під назвою "ZigBee" [ZigBee]. ZigBee Alliance включає понад 180 фірм, що працюють спільно над просуванням стандартів, стеку протоколів і прикладних профілів для споживчого та промислового сектору економіки. Прикладні профілі орієнтовані, зокрема, на автоматизацію будівель, промисловий моніторинг, вентиляцію та кондиціювання, роботу з датчиками. Специфікація ZigBee визначає побудову мережі, питання безпеки, прикладне програмне забезпечення. 3 Основною сферою застосування ZigBee/IEEE 802.15.4 є передача інформації від рухомих і обертових частин механізмів (конвеєрів, роботів), промислові системи управління та моніторингу, бездротові мережі датчиків, відстеження маршрутів руху та розташування майна та інвентарю, "інтелектуальне" охорони. Рис.2. Модель стандарту IEEE 802.15.4 На відміну від інших бездротових технологій, де ставиться завдання забезпечити високу швидкість передачі, велику дальність або високу якість обслуговування, ZigBee/IEEE 802.15.4 створювався спочатку за критеріями малої дальності дії, низької ціни, низької потужності споживання, низької швидкості передачі і малих габаритів. Ці властивості ідеально відповідають вимогам більшості промислових датчиків. Тому ZigBee часто ототожнюють із промисловими бездротовими сенсорними мережами WSN (Wireless Sensor Network) [Hac A., Shen, Low, Gutierrez, Jiang, Bonivento]. Пристрої ZigBee використовуються у застосуваннях, де Bluetooth виявляється надто дорогим, і не потрібна висока швидкість передачі. ZigBee, як і Bluetooth, використовує діапазон 2,4 ГГц, що не ліцензується [Рішення]. Стандарт передбачає також використання частот 868 МГц у Європі та 915 МГц у США. Максимальна швидкість передачі становить 250 кбіт/с у діапазоні 2,4 ГГц. Діапазон 2,4 ГГц поділено на 11...26 каналів шириною по 5 МГц кожен. 4 Усі доступні радіочастотні діапазани поділені на канали, пропускна здатність яких може відрізнятися. Перший набір каналів було визначено у вихідній специфікації стандарту IEEE 802.15.4-2003, що вийшла 2003 року. Він називається Channel page zero (Нульова сторінка каналів) і містить 1 канал у діапазоні 868 МГц (канал 0, до 20 кбіт/с), 10 каналів у діапазоні 915 МГц (канали 1-10, до 40 кбіт/с) та 16 каналів у діапазоні 2450 МГц (канали 11-26, до 250 кбіт/с). Для другої та третьої сторінок каналів (Channel pages one and two) визначено: 10 каналів у діапазоні 915 МГц (до 250 кбіт/с) та 1 канал у діапазоні 868 МГц (до 100 або 250 кбіт/с залежно від типу модуляції). Для третьої сторінки каналів (Channel page three): 14 каналів у діапазоні 2450 МГц (до 1 Мбіт/с). Для четвертої сторінки каналів (Channel page four): 16 каналів у діапазоні UWB (250– 750 МГц, 3244–4742 МГц, 5944–10234 МГц, 6289,6–9185,6 МГц; до 27,2 Мбіт/с). Для п'ятої сторінки каналів (Channel page five): 8 каналів у діапазоні 780 МГц (до 250 кбіт/с). Для шостої сторінки каналів (Channel page six): 22 канали в діапазоні 950 МГц (до 20 або 100 кбіт/с залежно від типу модуляції). У різних країнах діють різні правила регулювання радіочастотного спектру, які дозволяють використання лише деяких каналів у різних діапазонах частот. І лише діапазон 2450 МГц (O-QPSK/DSSS) з нульової сторінки каналів може використовуватися практично по всьому світу без застережень. Рис.3. Процес передачі даних до пристрою Специфікація IEEE 802.15.4 постійно доповнюється з новими частотними діапазонами, методами модуляції та розширення спектру. Так у версії IEEE 802.15.4-2015 визначено вже 13 сторінок каналів та 19 методів модуляції. Підвищуються також доступні швидкості передачі даних. Здавалося б, мережі IEEE 802.15.4 у принципі не призначені для пристроїв, які передають великі обсяги даних та потребують високої пропускної спроможності. Саме збільшення швидкостей передачі пов'язане і з помітним підвищенням споживання кінцевими пристроями, багато з яких у мережах IEEE 802.15.4 працюють автономно (від батарейок). Тому може здатися, що наповнення стандарту все більш високошвидкісними каналами не має сенсу. Однак існують спеціальні механізми, які дозволяють пристроям у мережах IEEE 5 802.15.4 працювати лише у невеликі проміжки часу. І такі проміжки будуть тим меншими, чим швидше пристрій здатний передати або прийняти всі необхідні дані. Доступ до каналу IEEE 802.15.4 заснований на принципі множинного доступу з прослуховуванням несучої хвилі та уникненням колізій (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance - CSMA-CA) або ALOHA. Підтримуються як мережі без маячків, і з маячками. Рис.4.Фрейм даних по стандарту IEEE 802.15.4 Рівень додатків Рівень додатків пов'язує стек протоколів з кінцевим додатком користувача, наприклад, сервером ОРС, який далі використовується для обміну даними зі SCADA. Підрівень підтримки програм APS (див. Денисенко) забезпечує інтерфейс між мережевим рівнем і рівнем програм APL за допомогою загального набору сервісів, які використовуються як підрівнем об'єктів пристроїв ZDO, так і прикладними об'єктами Application Objects, що визначаються користувачем. Підрівень APS розподіляє між кінцевими мережевими пристроями інформацію, що постачається програмою, наприклад, команди увімкнення/вимкнення лампочки в системі автоматизації будівлі. Об'єкти програм у ZigBee виконують такі функції, використовуючи загальнодоступний інтерфейс ZDO: контроль та координація різних рівнів протоколу для пристроїв ZigBee; ініціювання стандартних мережевих функцій. У IEEE 802.15.4 існує три типи обмінних процесів: передача від пристрою до координатора мережі, передача від мережевого координатора до пристрою, передача між двома одноранговими пристроями; а також два види мережевих топологій: зіркова (Star) та однорангова (Peer-to-Peer). У зоряній топології використовуються лише два перші варіанти, оскільки в ній не існує обмінів між одноранговими пристроями. 6 Рис.5. Топологія «Зірка» та однорангова топологія Одним із компонентів ZigBee мережі є ZigBee пристрій. Прикладом може бути вимикач світла, термостат або віддалена система автоматичного керування, які мають доступ до радіоканала. В одному і тому ж пристрої з одним радіоканалом можуть бути логічно втілені різні функції, наприклад, функція вимірювання ваги і функція вимірювання температури. Декілька пристроїв, що взаємодіють, можуть утворювати автоматизовану систему управління, наприклад, АСУ "Розумний дім". У такій системі підрівень APS моделі OSI (Денисенко) забезпечує розподіл інформації, що поставляється додатком користувача, між пристроями. Такою інформацією можуть бути, наприклад, команди "Увімкнути світло", що надсилаються від програми різним пристроям по радіоканалу. 7 Рис.4. Приклад зв’язування кінцевих точок в мережі Рівень підтримки програм APS для реалізації своїх функцій використовує комунікаційні структури: профілі, кластери та кінцеві точки. Профіль описує колекцію (набір) пристроїв, що використовуються для певної програми, і неявно схему повідомлень між цими пристроями. Наприклад, у ZigBee є профілі для системи домашньої автоматизації та профілі для комерційних, промислових та установчих систем. Усі профілі використовують стандартні типи повідомлень, формати повідомлень та процедури їх обробки. У межах профілів пристрою обмінюються між собою за допомогою кластерів, які можуть виходити або входити до пристрою. Кластер – це повідомлення або колекція повідомлень, до складу яких можуть входити команди та відповіді на них. Наприклад, у профілі для домашньої автоматизації є спеціалізований кластер для керування освітленням. До його складу можуть входити команди Увімкнути/Вимкнути. До складу кластера може входити набір команд конфігурування пристрою. Кожен кластер має свій ідентифікатор і є унікальним лише у межах певного профілю. Кінцева точка вказує об'єкт у межах пристрою, з яким взаємодіє програма. Наприклад, кінцева точка EP1 (EP - від слів "End Point") може призначатися для керування світлом у цеху та коридорі (рис. 2.43), кінцева точка EP7 - для 8 керування системою вентиляції та кондиціонування, кінцева точка 1 другого пристрою - для керування системою охорони будівлі. Кінцеві точки виконують функцію адресації та дозволяють визначити, якому пристрою призначено надіслане повідомлення. У межах одного пристрою вони мають індекси від 1 до 240. Без кінцевих точок керувати кількома об'єктами в межах одного пристрою було б неможливо, оскільки адресується тільки пристрій, а кінцеві точки - це субадреси з номерами від 1 до 240. Література та інформаційні ресурси 1. https://standards.ieee.org/standard/802_15_4-2020.html 2. http://www.rovdo.com/ieee-802-15-4-networks 3. https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4 4. https://industry-hunter.com/v-cem-raznica-mezdu-ieee-802154-i-zigbee 9
