ZIGBEE VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓS SZABVÁNY OKTATÁSI SEGÉDLET A VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓS SZABVÁNYOK OKTATÁSÁHOZ BSc villamosmérnök és mérnök-informatikus hallgatók részére Készítette: Varga Attila Károly adjunktus, doktorjelölt 2014. A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
1. A ZIGBEE VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓS SZABVÁNY 1.1. Vezeték nélküli kommunikáció A vezetékes hálózat hátránya a vezeték nélkülivel szemben, hogy ha kapcsolódni akarunk hozzá, mindenképpen valamilyen kábeles összeköttetést kell létrehoznunk, ami igen csak korlátozza a mozgásunkat, vagy mai divatos kifejezéssel élve a mobilitásunkat. Vezeték nélküli hálózat esetében azonban nincs szükségünk kábelekre, készülékeink hatósugarán belül bárhol kapcsolatot létesíthetünk más eszközökkel. A vezeték nélküli hálózatok lehetőségei szinte korlátlanok, sorra jelennek meg hétköznapi eszközök, amelyek rendelkeznek WiFi kapcsolat-teremtési képességgel (telefonok, DVD lejátszók, asztali PC-k, notebook-ok, fényképezőgépek, éjjellátó kamerák, egyéb szórakoztató elektronikai eszközök és természetesen PDA-k). 1. ábra - Vezeték nélküli kommunikációs hálózatok Napjainkban több vezeték nélküli kommunikációs szabvány áll rendelkezésre közepes és nagysebességű adatátvitelhez, hang, kép, videó, és PC-s hálózatok kiszolgálásához. A kínálatból azonban hiányoztak a szenzor és vezérlő egységek speciális igényeit kielégítő vezeték nélküli kommunikációs szabványok. Ezek a rendszerek nem igényelnek nagy sávszélességet, de szükséges a rövid várakozási idő, látencia, az alacsony energia felhasználás és a biztonságos kommunikáció. Természetesen az alacsony költségek is fontos paramétert jelentenek egy széles körben felhasznált vagy elterjeszteni kívánt szabványnál. A vezeték
nélküli hálózatok az évek során több szabvánnyal is gazdagodtak. A mai hivatalos szabványok (az adatátviteli képességet, sávszélességet tekintve) az IEEE 802.11b, 802.11a, és 802.11g. Az IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a nemzetközi szabványügyi szövetség, a 802.11 a WiFi szabványrendszert a B, A és G betűk pedig a konkrét szabványt jelzik. 1.2. A ZigBee Alliance megalakulása A 90-es évek végén szükségessé vált egy olyan szervezet létrehozása, mely az automatizálás és vezérlés területén globális, nyílt, megbízható, költség hatékony, alacsony energiafogyasztású vezeték nélküli hálózati megoldások kifejlesztésével foglalkozik. Hasonló szabványok már léteztek, de ezek a megoldások a nagy adatsebességre és az akkumulátoros tápellátásra összpontosítottak, melyek nem igazán elégítették ki a piaci igényeket. Olyan megoldásra volt szükség, mely a következő szempontokra fókuszált: - nagy kiterjedésű hálózatok (sok eszköz, földrajzilag nagy lefedettség), melyek több évig képesek megbízható és biztonságos működésre emberi beavatkozás nélkül, - nagy kapacitású akkumulátorok (több évig üzemeltethető legyen akár egy pár AA típusú elem használatával) alacsony infrastrukturális költséggel (alacsony eszköz és beüzemelési költség) egyszerű kivitellel és kis mérettel, - viszonylag kis adatátviteli sebesség, - szabványosított protokoll, mely lehetővé teszi különböző gyártóktól származó termékek együttműködését. Ezen célok összehangolása érdekében jött létre 2002-ben a ZigBee Alliance, melyhez több mint 225 neves cég csatlakozott. A szervezet szlogenje: Egyszerűen működő vezeték nélküli vezérlés, melyből egyértelműen kitűnik a végfelhasználók valós igénye. 2. ábra - A ZigBee Alliance-hoz csatlakozott cégek
A ZigBee Allaince olyan technológiát alkotott meg, mely alacsony költségű infrastruktúra révén biztosít intelligens, könnyen adaptálható vezeték nélküli kommunikációt a vezérlés, automatizálás és monitorozás terén. 1.3. A ZigBee, Bluetooth és IEEE 802.11 összehasonlítása A hagyományos technológiák a nagy mennyiségű adatfolyam Interneten keresztül történő továbbítását tartják elsődleges célnak. A ZigBee olyan egyszerű feladatokat lát el, mint például világításvezérlés vagy hőmérsékleti adatok elküldése. Míg a mindennapjainkban használt vezeték nélküli technológiák csak néhány óráig képesek akkumulátorról működni, addig a ZigBee-t több éves üzemelésre tervezték. Ahogy a vezeték nélküli szenzorhálózat technológia fejlődik, az erre épülő alkalmazások egyre szélesebb területen hódítanak teret. A vezeték nélküli kommunikációval az élet számos területén találkozhatunk. A ZigBee hálózati szabvány kiküszöböli azokat a problémákat, amelyekre más vezeték nélküli megoldások nem voltak képes. Míg a hasonló szabványok egyre nagyobb adatsebességet biztosítanak, addig a ZigBee a kis adatsebességet célozta meg (ld. 3. ábra). 3. ábra Vezeték nélküli kommunikációs szabványok
Összehasonlítva a ZigBee szabványt a Bluetooth és az IEEE 802.11 kommunikációs szabvánnyal érthetjük meg igazából, hogy a ZigBee miben is különbözik a többi szabványtól. Az 4. ábra az alapvető karakterisztikák alapján veti össze a három szabványt. Az IEEE 802.11 gyakorlatilag egy szabványcsalád. Az IEEE802.11b 2.4GHz-es sávban működik, mint ahogy a Bluetooth és a ZigBee is, nagy adatsebességet biztosít (11 Mbps) vezeték nélküli Internet hozzáférés révén, és tipikusan 30 és 100 méteres hatótávolságon belül használják. A Bluetooth alacsonyabb adatsebességet biztosít (kisebb mint 3 Mbps) és 2-10 méteren belüli kommunikációra alkalmas. A ZigBee szolgáltatja a legalacsonyabb adatsebességet, ugyanakkor hosszabb elemélettartam jellemző rá. 4. ábra A ZigBee összehasonlítása a Bluetooth és IEEE 802.11.b szabvánnyal A ZigBee alacsony adatsebessége miatt olyan alkalmazásoknál nem alkalmazható, ahol elvárt az 1Mbps-os sebesség. Ezért például vezeték nélküli Internet kapcsolatra vagy CD minőségű vezeték nélküli headset kommunikációra nem alkalmas. Mivel a vezeték nélküli kommunikáció célja, hogy egyszerű parancsokat továbbítson és fogadjon, illetve információkat gyűjtsön szenzoroktól (Pl.: hőmérséklet, páratartalom), a ZigBee a leghatékonyabb és legköltségkímélőbb megoldás a Bluetooth és IEEE 802.11b szabvánnyal összevetve. 1.4. Kis-hatótávolságú vezeték nélküli hálózati osztályok A kis-hatótávolságú vezeték nélküli hálózati megoldásokat 2 kategóriába sorolhatjuk: - vezeték nélküli helyi hálózatok (WLAN), - illetve vezeték nélküli személyes hálózatok (WPAN). A WLAN gyakorlatilag egyfajta kiterjesztése, még inkább helyettesítése a vezetékes helyi hálózatoknak. A WLAN eszköz a vezetékes LAN hálózatokkal integrálható, mely révén a vezeték nélküli eszköz egyenértékűvé válik a vezetékes eszközökkel ugyanazon szolgáltatásokat biztosítva. A WLAN célja a hatótáv és az adatsebesség maximalizálása.
5. ábra Kis-hatótávú vezeték-nélküli hálózati osztályok Ezzel ellentétben a WPAN nem arra lett tervezve, hogy felváltsák a LAN-okat. A WPAN célja, hogy alacsony energiaigényű vezeték nélküli kommunikációt biztosítson a személyes hálózati tartományon belül anélkül, hogy bármilyen infrastruktúra kialakítására lenne szükség. A WPAN-ok 3 osztályba sorolhatók (ld. 5. ábra): - nagy sebességű (HR-WPAN), - közepes sebességű (MR-WPAN), - és alacsony sebességű (LR-WPAN) WPAN-ok. Az IEEE802.15.3 szabvány nagy sebességű HR-WPAN, 11 Mbps - 55 Mbps adatsebességgel. Ennek a nagy adatsebességnek köszönhetően lehetséges valós-idejű mozgókép átvitelt megvalósítani egy kamera és egy televízió között. Az 1-3 Mbps adatsebességet szolgáltató Bluetooth az MR-WLAN-ok közé tartozik, mely kiváló minőségű hangátvitelre alkalmas a vezeték nélküli hedset-eknél. A ZigBee a 250 Kbps-os maximális adatsebességgel az LR- WPAN osztályba tartozik. 1.5. A ZigBee és az IEEE 802.15.4 szabvány közötti kapcsolat Egy kommunikációs hálózat (vezetékes vagy vezeték nélküli) kialakításához az alapvető koncepciót a hálózati rétegstruktúra biztosítja. Minden egyes réteg bizonyos funkcióért felelős a hálózatban. A rétegek alapesetben csak adatot és parancsokat küldenek a felettük vagy alattuk lévő rétegek számára. A ZigBee vezeték nélküli hálózati protokollrétegek szerveződését mutatja az 6. ábra. A ZigBee protokoll rétegek az OSI referencia modellen alapulnak.
6. ábra ZigBee vezeték-nélküli hálózati protokoll rétegek A hálózat rétegekbe való szervezése számos előnnyel jár. Például, ha idővel a protokoll megváltozik, akkor sokkal egyszerűbb eltávolítani vagy módosítani azt a réteget, melyet a változtatás érintett, mintha a teljes protokollt eltávolítanánk. Továbbá, alkalmazásfejlesztésnél a protokoll alacsonyabb rétegei függetlenek az alkalmazástól, így egy másik cégtől is beszerezhető, mely révén csak az alkalmazásrétegben kell elvégezni a megfelelő változtatásokat az adott alkalmazás hálózatba illesztése során. A protokoll szoftveres implementációját protokoll stack szoftvernek nevezik. Mint ahogy a 6. ábra is mutatja, az alsó két hálózati réteget az IEEE 802.15.4 szabvány definiálta. Ez a szabvány az IEEE 802 szabvány keretében került kidolgozásra, 2003-ban vezették be. Az IEEE802.15.4 szabvány a vezeték nélküli hálózat fizikai (PHF) és közeghozzáférési (MAC) rétegét specifikálja, de nem definiál semmilyen követelményt a felsőbb hálózati rétegekkel kapcsolatban. A ZigBee szabvány csak a hálózati, alkalmazás és biztonsági réteget definiálja, míg az IEEE802.15.4 szabvány fizikai és közeg-hozzáférési rétegét átemeli a protokoll. Ennek köszönhetően egy ZigBee eszköz képes együttműködni a IEEE 802.15.4 szabvánnyal. 7. ábra IEEE 802.15.4 szabványon alapuló hálózati protokoll
Bár az IEEE 802.15.4 a ZigBee szabványtól függetlenül lett kifejlesztve, így lehetőség van az IEEE 802.15.4 szabványon alapuló vezeték nélküli hálózat kialakítására anélkül, hogy a ZigBee specifikus rétegeket implementálnánk. Ebben az esetben a felhasználók a saját hálózati/alkalamzás rétegüket fejlesztik ki az IEE 802.15.4 fizikai és közeg-hozzáférési réteg felé (ld. 7. ábra). Ezek a hálózati/alkalmazás rétegek jóval egyszerűbbek, mint a ZigBee protokoll rétegei, valamint speciális alkalmazásokat céloznak meg. Az egyedi hálózati/alkalmazás rétegek előnye, hogy kis méretű memória szükséges a teljes protokoll implementálásához, mely költségmegtakarítást eredményez. Azonban a teljes ZigBee protokoll implementálása biztosítja, hogy különböző gyártók vezeték nélküli megoldásai képesek legyenek együttműködni, valamit a megbízhatóság is növelhető a ZigBee nyújtotta mesh hálózat révén. Annak eldöntése, hogy a teljes ZigBee protokollt implementáljuk-e, vagy csak az IEEE 802.1.5.4 fizikai és közeg-hozzáférési rétegét, az adott alkalmazástól és a termékkel szemben támasztott hosszú-távú céloktól függ. 1.6. Működési frekvencia, adatsebesség A hálózat fizikai szintű karakterisztikáit a fizikai réteg specifikációi határozzák meg, ezért olyan paraméterek, mint a működési frekvencia, adatsebesség, vételi érzékenység és az eszköz típusa az IEEE 802.15.4 szabványban kerültek rögzítésre. A IEEE802.15.4 szabvány legújabb verziója három frekvencia-sávot definiál: - 868-868.6 MHz, - 902-928 MHz, - 2400-2483.5 MHz. A 868 MHz-es sávot Európában használják számos olyan alkalmazásnál, melyek rövidtávú vezeték nélküli hálózatot igényelnek. A másik két sáv az ipari-tudományos-orvosi (ISM) frekvenciasávként ismert. A 915 MHz-es sávot leginkább Észak-Amerikában, míg a 2.4 GHzes sávot világszerte használják.
Frekvencia (MHz) Csatornák száma Moduláció Chip sebesség (Kchip/s) Bit sebesség (Kb/s) Szimbólum sebesség (Ksyombol/s) Szórási eljárás opcionális opcionális 868-868.6 1 BPSK 300 20 20 902-928 10 BPSK 600 40 40 868-868.6 1 ASK 400 250 12.5 902-928 10 ASK 1600 250 50 868-868.6 1 O-QPSK 400 100 25 902-928 10 O-QPSK 1000 250 62.5 2400-2483.5 16 O-QPSK 2000 250 62.5 Bináris DSSS Bináris DSSS 20 bites PSSS 5 bites PSSS 16 tömbös ortogonális 16 tömbös ortogonális 16 tömbös ortogonális 1. táblázat IEEE 802.15.4 adatsebességek és működési frekvenciák Az 1. táblázat részleteiben hasonlítja össze az IEEE 802.5.14 szabvány által specifikált három frekvenciasávot. Az IEEE 802.15.4 szabvány előírja, hogy ha egy készülék a 868 MHz-es sávban működik, akkor a 915 MHz-es sávban is képes legyen működni, illetve ez fordítva is igaz. Ennek köszönhetően a két frekvenciasávot együtt szokták alkalmazni, és 868/915 MHzes frekvenciasávnak nevezik. Az IEEE 802.15.4 szabvány alacsony adatsebességet (20 Kbps és 40 Kbps) specifikál a 868/915 MHz-es sávra. A két opcionális fizikai mód bevezetése előtt a 40 Kbps-tól nagyobb sebesség csak a 2.4 GHz-es frekvenciasáv használatával volt biztosítható. Ha bármilyen oknál fogva a 2.4 GHz-es sávban nem lenne megoldható a működés (Pl.: erős interferencia) vagy a 40 Kbps-os adatsebesség nem lenne elegendő, a felhasználónak lehetősége lenne 250 Kbps-os adatsebességet is elérnie a 868/915 MHz-es sávban. A 2.4 GHz-es tartományt világszerte alkalmazzák, melynek köszönhetően a gyártók előszeretettel fejlesztenek ebben a sávban működő adókészülékeket. Ebben a sávban 16 db csatorna áll rendelkezésre, melyek adatátviteli sebessége egyenként eléri a 250 Kbps-t, de természetesen alacsonyabb frekvenciasávokat is definiál. A 902-928 MHz-es tartományt többnyire a USA-ban használják, melyben 10 db egyenként 40 Kbps átviteli sebességű csatorna található. Az európai alkalmazások kapcsán használni lehet még egy csatornát 868 MHz-en, mely 20 Kbps sebességet biztosít a felhasználóknak. A frekvenciák eme bőséges kínálata lehetőséget nyújt az alkalmazások számára, hogy az adott hardveres konfiguráció mellett valós időben alkalmazkodjanak a helyi interferencia és/vagy terjedési viszonyokhoz. A 802.15.4-es szabványban, a fizikai rétegben több modulációs eljárást alkalmaznak:
- binary phase shift keying (BPSK), - amplitude shift keying (ASK), - offset quadrature phase shift keying (O-QPSK). A 868/915 MHz-es frekvencia sávokban BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulációt használnak, ellenben a 2.4 GHz körüli ISM sávban már az O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modulációt helyezik előtérbe. Mindkét modulációs eljárás kiválóan alkalmazható alacsony jel-zaj viszonyú környezetben. 1.7. Eszköz típusok Az IEEE 802.15.4 vezeték nélküli hálózatban 2-féle eszköz található: - teljes funkciójú eszközök (Full-Function Devices FDD), - korlátozott funkciójú eszközök (Reduced-Function Devices RFD). Egy FDD eszköz az IEEE 802.15.4 szabványban előírt valamennyi feladatot el tudja látni, és bármilyen szerepet betölthet a hálózatban, míg egy RFD eszköz korlátozott képességekkel rendelkezik. Például egy FDD bármely másik eszközzel képes kommunikálni, de egy RFD eszköz csak FFD eszközzel tud kommunikálni. Az RFD eszközök olyan egyszerű feladatokat látnak el, mint például egy kapcsoló le vagy felkapcsolása. Ebből kifolyólag egy RFD eszköz energiaigénye és memóriamérete kisebb, mint egy FFD eszközé. 1.8. Eszköz szerepek Egy IEEE 802.15.4 hálózatban egy FFD eszköz háromféle szerepet tölthet be: - koordinátor (coordinator), - PAN koordinátor (PAN coordinator), - vagy eszköz (device). A koordinátor olyan FFD eszköz, mely üzeneteket közvetít. Amennyiben a koordinátor a személyes hálózatot (PAN) is felügyeli, akkor PAN koordinátorról beszélünk. Egyszerűen eszközről beszélünk, ha nincs koordinátori szerepköre a hálózati berendezésnek. A ZigBee az IEEE 802.15.4 szabványtól eltérő terminológiát használ (ld. 8 ábra). A ZigBee koordinátor szerepét egy IEEE 802.15.4 PAN koordinátor tölti be. A ZigBee router hasonló funkciókat tölt be, mint az IEEE 802.15.4 koordinátor. A harmadik típusú ZigBee eszközt végeszköznek (end device) nevezik, mely nem tölt be router és koordinátori szerepkört sem. A ZigBee végeszköz rendelkezik a legkisebb memóriával és a legkisebb feldolgozási kapacitással, éppen ezért ezek a legolcsóbb eszközei a hálózatnak.
8. ábra Eszköz-szerepkörök az IEEE 802.15.4 és a ZigBee szabványban 1.9. ZigBee hálózati topológiák A lehetséges hálózati formációkat a ZigBee hálózati réteg határozza meg. A hálózat kétféle topológia szerint szerveződhet az IEEE 802.15.4 szabványban: - csillag topológia (star topology), - pont-pont topológia (peer-to-peer). A csillag topológiában (ld. 9. ábra) minden egyes eszköz csak a PAN koordinátorral tud kommunikálni. Egy tipikus forgatókönyv a csillag hálózati szerveződés során, amikor egy PAN koordinátornak programozott FFD az aktiválást követően elkezdi felépíteni a saját hálózatát. Első lépésként a PAN koordinátor választ magának egy olyan egyedi PAN azonosítót, melyet más hálózat még nem használ az adott sugárzási tartományában (radio sphere of influance az a terület az eszköz körül, melyen belül sikeresen tud kommunikálni más rádiókkal). Ezzel biztosítható, hogy egy PAN azonosítót az adott hálózat környezetében lévő összes többi hálózat ne használja. A pont-pont topológiában (ld. 10. ábra) minden egyes eszköz közvetlenül tud kommunikálni bármely másik eszközzel, ha az eszközök a hatókörüknek megfelelő távolságra vannak elhelyezve egymástól a sikeres kommunikációs kapcsolat kialakítása érdekében. Pont-pont kapcsolatban bármely FFD betöltheti a PAN koordinátor szerepét. Annak eldöntésére, hogy melyik eszköz legyen a PAN koordinátor, a legegyszerűbb módszer, ha az első FFD eszköz kezd el PAN koordinátorként kommunikálni. A hálózatban lévő valamennyi eszköz, mely üzenet közvetítésben vesz részt, FFD-ként van jelen, mivel az RFD-k nem képesek üzenetet küldeni. Habár az RFD része lehet a hálózatnak, de csak egy eszközzel (koordinátor, vagy router) kommunikálhat a hálózatban.
9. ábra Csillag hálózati topológia 10. ábra Mesh hálózati topológia Egy pont-pont hálózat többféleképpen szerveződhet attól függően, hogy milyen megkötések vonatkoznak a kommunikációban résztvevő eszközökre. Amennyiben semmilyen megkötés nincs megadva, úgy szövevényes hálózat alakul ki. A pont-pont kommunikáció egyik másik formációja, amit a ZigBee támogat, a fa topológia (ld. 11. ábra). Ebben az esetben, a ZigBee koordinátor (PAN koordinátor) hozza létre az induló hálózatot. A ZigBee router-ek hozzák létre az ágakat és közvetítik az üzeneteket. A ZigBee végeszközök a fa struktúra leveleiknek tekinthetők, és az üzenettovábbításban nem vesznek részt. A ZigBee routerek bővítésével elég nagy hálózat alakítható ki a ZigBee koordinátor által létrehozott induló hálózathoz képest. A 11. ábrán megfigyelhető, hogy egy üzenettovábbítás miként terjesztheti ki a hálózatot akkor, amikor valami akadály folytán másik útvonalat kell választani a kommunikáció lefolytatásához. Például az A eszköz üzenetet akar küldeni a B eszköznek, de a kettő között lévő akadály miatt a jelerősség annyira leromlik, hogy direkt módon nem oldható meg a kommunikáció. A fa topológia révén az üzenet el fog jutni a B eszközhöz, kikerülve az akadályt. Ezt többszörös ugrándozásnak (multihopping) is szokták nevezni, mivel az üzenet az egyik csomópontról a másikra ugrálva tud elérni a célcsomóponthoz, mely gyakran nagy üzenetkésleltetés révén érhető el. Az IEEE 802.15.4 hálózatot - függetlenül attól, hogy milyen topológiáról beszélünk - mindig a PAN koordinátor hozza létre. A PAN koordinátor a hálózat vezérlése mellett az alábbi feladatokat látja el: - egyedi címeket (16 vagy 64 bites) foglal le a hálózatban lévő eszközök számára, - elindítja, megszűnteti és irányítja az üzeneteket a hálózaton keresztül, - egyedi PAN azonosítókat választ a hálózat részére, mely lehetővé teszi az eszközök számára, hogy 16-bites címzési módot használjanak, illetve megteremti az egymástól független hálózatok közötti lehetőséget.
11. ábra - ZigBee fa topológia A teljes hálózatban csak egy PAN koordinátor található. A PAN koordinátornak huzamosabb ideig kell aktívan részt vennie a hálózatban, így általában vezetékes tápellátás szükséges elemes megoldás helyett. Az összes többi eszköz elemes tápellátással működik. A legkisebb lehetséges hálózat 2 eszközt tartalmaz: egy PAN koordinátort és egy eszközt. 1.10. A ZigBee és IEEE 802.15.4 kommunikáció alapjai Az IEEE 802.15.4 szabvány egy egyszerű eljárás implementálása révén éri el, hogy ugyanazt a csatornát használja több eszköz a kommunikáció során. Erre a vivő-érzékelős többszörös hozzáférés ütközés elkerüléssel (Carrier Sense Mutiple Access with Collision Avoidance CSMA-CA) típusú csatornahozzáférési mechanizmust használja. A CSMA-CA mechanizmusban (ld. 12. ábra), amikor egy eszköz adni akar, akkor először leellenőrzi, hogy szabad-e a csatorna, nem használja-e épp egy másik eszköz. Üres jelzés esetén az eszköz elkezdi küldeni a saját jelét. A frekvencia csatornában lévő spektrális energia mérése, vagy a foglaltságot okozó jel detektálása révén eldönthető, hogy a csatorna szabad-e. Amikor egy eszköz üzenetküldésre készül, akkor először vevő módban megvizsgálja az adott csatornában lévő jel energiaszintjét. Ezt az eljárást energia-detektálásnak (Energy Detection - ED) nevezik. Az energia detektálás során a vevőnek nem célja, hogy dekódolja a csatornában lévő jelet, csak a jelszint mérése a cél. A másik lehetőség a csatornafoglaltság ellenőrzésére a vivő-érzékelős megoldás. Az energia detektálással ellentétben, miután kiderül, hogy a csatorna foglalt, és a jel IEEE 802.15.4 típusú, akkor az eszköz foglaltnak minősíti a csatornát még akkor is, ha a jelszint egy bizonyos határ alatti szintet ér csak el. Ha a csatorna foglalt, akkor az eszköz egy véletlenszerű időre visszalép, majd ismét megpróbálja az adást. Ez a véletlenszerű időre történő visszalépés, illetve újraadás mindaddig ismétlődik, amíg a csatorna szabaddá nem válik vagy el nem éri a felhasználó által definiált újrapróbálkozások maximális számát.
12. ábra A CSMA közeg-hozzáférési eljárás modellje Adatátviteli eljárások Az IEEE 802.15.4 szabvány 3-féle adatátviteli módszert definiál: - adatátvitel a koordinátor felé egy eszköztől, - adatátvitel a koordinátortól egy eszköz felé, - adatátvitel két eszköz között. Mind a három módozat használható pont-pont topológiában. Csillag topológiában csak az első kettőt használják. 13. ábra Adatátvitel a koordinátor felé Adatátvitel a koordinátor felé Küldés-engedélyező (beacon-enable) hálózatban, amikor egy eszköz küldeni akar egy koordinátor felé, az eszköz szinkronizálja az órajelét az alapjelhez, majd elkezdi küldeni az adatot CSMA-CA metódus révén. A koordinátor csak akkor fogja fogadni az adatot, ha az
adatküldéshez a küldő eszköz előzetesen engedélyt kért. A 13.a ábra ennek a folyamatnak a lépéseit mutatja be. A 13.b ábra azt mutatja be, hogy nem küldés-engedélyezésen alapuló hálózatban (nonbeacon network) hogyan történik az adattovábbítás. Ebben az esetben az eszköz elküldi az adatot, mihelyst szabaddá válik a csatorna. A PAN koordinátor nyugtázása opcionális. Adatátvitel a koordinátortól Az 14.a ábra az koordinátor által kezdeményezett adatátvitelt illusztrálja küldés-engedélyező hálózatban. Amikor a koordinátor adatot akar küldeni egy eszköznek, akkor egy jelzést küld az adott eszköznek, melyet követően az eszköz egy kérést indít a koordinátor felé jelezve, hogy aktív és kész az adatfogadásra. A koordinátor nyugtázza az adatkérő parancsot és küldeni kezd az eszköznek. A küldés utáni nyugtázás opcionális. Nem küldés-engedélyezésen alapuló hálózatban (ld. 14.b ábra) a koordinátornak meg kell várnia, míg az eszköz adatkérő üzenetet küld. Ha az eszköz adatkérő utasítást küld a koordinátornak, de nem várakozik rá adat, akkor a koordinátor egy speciális formátumú üzenetet küld vissza az eszköznek, jelezve, hogy nincs semmilyen adat az eszköz számára. Legegyszerűbb megoldás ilyenkor, ha a koordinátor egy adatüzenetet küld az eszköznek nulla hosszúságú adattartalommal. 14. ábra - Adatátvitel a koordinátortól egy eszköz felé Pont-pont adatátvitel Pont-pont topológiában minden eszköz közvetlenül tud kommunikálni bármely másik eszközzel. Számos alkalmazásban a pont-pont adatátvitel esetén a résztvevő eszközök szinkronizációjára van szükség.
Adatellenőrzés A csomag (packet) bitek sorozatából épül fel, melyek együtt kerülnek továbbításra egy specifikus formátum alapján. A vevőnek olyan mechanizmusra van szüksége, mely révén képes ellenőrizni, hogy valamennyi bit hibátlanul megérkezett-e. Az IEEE 802.15.4 szabvány erre egy 16 bites keretellenőrző szekvenciát használ (Frame Check Sequence - FCS), mely a Nemzetközi Telekommunikációs Egyesület (International Telecommunication Union - ITU) által kidolgozott ciklikus redundancia ellenőrző (Cyclic Redundancy Check - CRC) módszeren alapul. Ezen módszer használatával az adatcsomagban lévő hiba egyértelműen detektálható. Címzés A hálózatban lévő valamennyi eszköznek egyedi azonosítóval kell rendelkeznie. Az IEEE 802.15.4 szabvány kétféle címzési módot alkalmaz: - 16 bites rövid címzés, - 64 bites kiterjesztett címzés. A hálózat bármelyik címzési módot választhatja. Egy egyszerű hálózatban rövid címzést érdemes használni a kommunikáció során, mely révén: - csökkenthető az üzenetek hossza, - valamint kevesebb memória szükséges a lefoglalt címek tárolására. Az egyedi PAN azonosító és a rövid címzés kombinációja kiválóan alkalmas független hálózatok közötti kommunikációra. A 64 bites címzés mód azt jelenti, hogy a hálózatba kapcsolható eszközök maximális száma 2 64 lehet, ami megközelítőleg 1,8 10 19. Tehát az IEEE 802.15.4 vezeték nélküli hálózatban a résztvevő eszközök száma gyakorlatilag korlátlan, akadály nélkül be tud csatlakozni egy újabb eszköz. A ZigBee protokoll hálózati rétege (Network - NWK) egy 16 bites NWK címet rendel az IEEE címhez. Egy egyszerű táblázatot használ a 64 bites IEEE címek és egyedi NWK címek összerendeléséhez. Az NWK réteg tranzakciói az NWK címek révén hajhatók végre. A hálózatban lévő adó-vevők (radio) tehát rendelkeznek egy egyszerű IEEE címmel és egy NWK címmel. Egyetlen adó-vevőhöz maximum 240 eszköz csatlakozhat, melyeket 1..240 közötti számmal, úgynevezett végkészülék címmel (endpoint address) különböztetnek meg. Felcsatlakozás és lecsatlakozás A csatlakozási és lecsatlakozás szolgáltatásokat az IEEE 802.15.4 szabvány biztosítja, melyek révén egy eszköz könnyedén be tud kapcsolódni egy kommunikációba, illetve le tud csatlakozni egy hálózatról. Például amikor egy eszköz a PAN-hoz akar csatlakozni, akkor egy felcsatlakozási kérelmet küld a koordinátor felé. Kötés (binding)
Kötésről beszélünk, amikor egy logikai link jön létre adott alkalmazások között. Például egy ZigBee eszköz, ami egy lámpához van csatlakoztatva gyakorlatilag egy másik ZigBee eszközhöz kapcsolódik, mely egy lámpát vezérlő kapcsolóval van összecsatlakoztatva. A logikai linkek egy kötési táblázatban (binding table) tárolódnak. A ZigBee szabvány az alkalmazás rétegben hozza létre és tartja fenn a kötési táblát. ZigBee önszervező és önjavító tulajdonságok A ZigBee hálózat azonnal létrejön, amikor az eszközök aktívvá válnak. Például egy mesh hálózatban az első kommunikálni kívánó FFD eszköz válik a ZigBee koordinátorrá, melyet követően a többi eszköz csatlakozni tud a hálózathoz egy csatlakozási kérelem elküldése után. Mivel járulékos felügyelet nem szükséges a hálózat kialakításához, így a ZigBee hálózatok önszervező hálózatként képesek működni. Mesh hálózat létrehozása esetén több módon is megoldható egy üzenet elküldése. Természetesen, a legoptimálisabb út kiválasztása a cél az üzenet továbbítása során. Abban az esetben, ha egy router nem működik megfelelően, például a gyenge elemek miatt, vagy az üzenet útvonalát valami akadályozza, akkor a hálózat egy alternatív útvonalat választ ki. Ezt a ZigBee mesh hálózat ön-javító képességének nevezzük. A ZigBee gyakorlatilag egy ad hoc elven szerveződő vezeték nélküli hálózat. Egy ilyen ad hoc jellegű hálózatban az útvonal, melyen keresztül megy az üzenet a forrástól a cél csomópontig, dinamikusan kerül kiválasztásra a hálózatban kialakult kapcsolatoktól függően. Ha a hálózati feltételek megváltoznak, akkor valószínűleg az útvonal is meg fog változni. Számos hálózati technológiával ellentétben, ahol kiépített infrastruktúra biztosítja az üzenetek továbbítását, ott mindig adott eszközök kerülnek kiválasztásra, és úgy működnek mint a hálózati routerek. 1.11. A ZigBee és IEEE 802.15.4 hálózat réteg funkciói 1.11.1. PHY réteg A ZigBee vezeték nélküli hálózatban a legalsó réteg (ld. 6. ábra) az IEEE 802.15.4 fizikai réteg (PHY). Ez a réteg van a legközelebb a hardverhez, és közvetlenül irányítja, illetve kommunikál a rádióadókkal. A PHY réteg felelős azon rádiók aktiválásáért, amelyek csomagokat küldenek vagy fogadnak. A PHY választja ki a csatornafrekvenciákat és ellenőzi le, hogy az adott csatornát jelenleg nem használják-e más eszközök egy másik hálózatban. A PHY csomag általános felépítése Az adatok és parancsok csomagok formájában kerülnek továbbításra a különböző eszközök között. Az 15. ábra az általános struktúráját mutatja be egy ilyen csomagnak. A PHY csomag 3 komponensből tevődik össze:
- szinkronizációs fejléc (Synchronization header - SHR), - PHY fejléc (PHY header), - PHY adatrész (PHY payload). Az SHR lehetővé teszi, hogy a vevő szinkronizáljon és zároljon a bit folyamban. A PHR tartalmazza a kerethossz információt és a PHY adatrészt, melyet a felsőbb rétegek szolgáltatnak, valamint járulékos adatokat és parancsokat tartalmaz a fogadó eszköz számára. A MAC keret, mely a többi eszköz felé továbbítódik, mint PHY adatrész, három részből tevődik össze: - a MAC fejléc (MAC header - MHR) címzési és biztonsági információkat tartalmaz, - a MAC adatrész (MAC payload) változó hosszúságú (akár nullhosszúságú is lehet) és parancsokat illetve adatot tartalmaz, - a MAC lábléc (MAC footer - MFR) az adatellenőrzéshez szükséges 16 bites Keret Ellenőrző Szekvenciát tartalmaz (Frame Check Sequence - FCS). Az NWK keret két részből tevődik össze: - NWK fejléc (NWK header - NHR), - NWK adatrész (NWK payload). Az NWK fejléc hálózati szintű címzési és vezérlési információkat tartalmaz, míg az NWK adatrészt az APS alréteg szolgáltatja. 15. ábra ZigBee csomagstruktúra Az APS alréteg keretében az APS fejléc (APS header - AHR) alkalmazás-réteg szintű vezérlő és címzési információkat tartalmaz. A kiegészítő keret fejléc (Auxiliary Frame Header) olyan mechanizmust tartalmaz, mely kerethez kapcsolódó biztonsági teendőket és a biztonsági kulcsokat tartalmazza. Az információ feloldásához szükséges biztonsági kulcsok a résztvevő eszközök számára közösek. Az NWK és MAC keretek szintén tartalmazhatnak opcionális kiegészítő fejlécet, az APS adatrész (APS Payload) adatot és parancsokat tartalmaz. Az Üzenet Integritási Kód (Message Integrity Code - MIC) egy védelmi lehetőség az APS
keretben, melyet arra használnak, hogy bármilyen az üzenet tartalmán végzett nem engedélyezett változtatást felderítsen. A 15. ábra azt mutatja be, hogy az elsőként átvitt bit a legkevésbé szignifikáns bit (least significant bit - LSB) az SHR-ben. A legszignifikánsabb bit (most significant bit - MSB) a PHY adatrész utolsó oktetjében (octet) található, mely a legutolsóként kerül továbbításra. 1.11.2. MAC réteg A közeghozzáférési réteg (Medium Access Layer MAC) a PHY réteg és az NWK réteg közötti interfész szerepét tölti be. A MAC réteg felelős az adás-engedélyezést kérő és szinkronizációs üzenetek kiküldéséért. A MAC réteg felcsatlakozási és lecsatlakozási szolgáltatásokat is biztosít. MAC keret struktúrák Az IEEE 802.15.1 4 MAC keret struktúrát definiál: - adás-engedélyezést kérő keret (Beacon Frame), - adat keret (Data Frame), - nyugtázó keret (Acknowledge Farme), - MAC parancs keret (MAC Command Farme). Az adásengedélyezést kérő keretet a koordinátor használja beaconok kiküldésére. A beaconoket az ugyanazaon hálózatban lévő összes eszköz órajelének szinkronizálására használják. A adat keret az adatok átvitelére, a nyugtázó keret a sikeres átvitelt követő nyugtázást biztosítja. A MAC parancs keretben MAC parancsok kerülnek továbbításra. Beacon keret A Beacon keret struktúrája a 16. ábrán látható. A teljes MAC keret a PHY csomag adatrésze. A PHY adatrész tartalmát PHY Szolgáltatás Adat Egységnek nevezik (PHY Service Data Unit - PSDU). A PHY csomagban a kezdő mező (preamble field) a vevő szinkronizálására szolgál. A keretkezdő határoló (start-of-frame delimiter - SDF) az SHR végét jelzi, illetve a PHR elejét. A kerethossz a PHY adatrészben (PSDU) lévő oketek számát jelzi. A MAC keret három részből tevődik össze: - a MAC fejlécből (MAC header - MHR), - a MAC adatrészből (MAC payload), - és a MAC láblécből (MAC footer MFR). Az MHR-ben lévő keretvezérlő mező (frame control field) a keret típusát, címzési mezőket és egyéb vezérlő flageket tartalmaz. A szekvencia szám a beacon szekvencia számot (Beacon Sequance Number BSN) specifikálja, a címző mező a forrás és cél címeket tartalmazza. A
kiegészítő védelmi fejléc opcionális és a védelmi folyamatokhoz szükséges információkat tartalmaz. A MAC adatrészt az NWK réteg szolgáltatja. A szuperkeret (superframe) két beacon kerettel határolt keret. A szuperkeret használata a kérés-engedélyező hálózatban opcionális és a GTSek definiálásban segít. A MAC adatrészben lévő GTS mező adatrésze határozza meg, hogy a GTS-t vételre vagy adásra használja a rendszer. A beacon keretet nem csak a hálózatban lévő eszközök szinkronizálásra használják, hanem a koordinátor használhatja arra, hogy tudassa egy adott eszközzel, hogy számára adat várakozik a koordinátorban. Az eszköz felveszi a kapcsolatot a koordinátorral és megkéri arra, hogy küldje el részére az adatot. Ezt indirekt átvitelnek nevezzük. A MAC adatrészben lévő címmező tartalmazza annak az eszköz címét, amelyik számára adat várakozik a koordinátornál. Amikor az eszköz egy beacon-t kap, leellenőrzi a címmezőt, hogy a várakozó adat neki szól-e vagy sem. 16. ábra MAC beacon keret struktúra A beacon adatrész mező opcionális, melyet az NWK réteg használhat és a beacon kerettel együtt kerül továbbításra. A vevő a keretellenőrző szekvencia (FCS) révén vizsgálja meg, hogy a kapott keretben van-e hiba. Adat keret A MAC adatkeret felépítését a 17. ábra szemlélteti. Az adatrészt az NWK réteg szolgáltatja. A MAC adatrészben lévő adatot MAC Szolgáltatás Adat Egységnek (MAC Service Data Unit - MSDU) nevezik. Ebben a keretben lévő mezők hasonlóak a beacon keret mezőihez, kivéve a szuperkeretet, a GTS-t és a függő címmezőket. A PHY-ből érkező adatrész gyakorlatilag a MAC adat keret, melyet MAC Protokoll Adat Egységnek (MAC Protocol Data Unit - MPDU) neveznek.