Стек протоколів ІЕЕЕ802.15.4
Стандарт IEEE 802.15.1 базується на специфікації Bluetooth v.1.1 і визначає рівні керування доступом. Пікомережі, які працюють за стандартом Bluetooth, забезпечують покриття від 10 до 200 м і можуть складатися з 255 пристроїв, з них 8 є активними одночасно і можуть обмінюватись даними. Один з пристроїв у пікомережі є головним, а інші підлеглими. Активний підлеглий пристрій може обмінюватись даними тільки з головним пристроєм, а прямий обмін поміж підлеглими є неможливим. Всі підлеглі пристрої, крім активних, знаходяться у режимі зниженого енергоспоживання, у якому вони періодично прослуховують команду головного пристрою з метою переходу при необхідності в активний стан. Головний пристрій забезпечує доступ до розподілюваного середовища пікомережі, яке використовує неліцензовані частоти діапазону 2,4 ГГц. Розподілюване середовище передає дані зі швидкістю 1 Мбіт/с, але реальна швидкість не перевищує 777 кбіт/с. Пропускна здатність розподіляється поміж підлеглими пристроями за принципом ТДМ. У якості головного пристрою пікомережі використовується комп’ютер. Підключення до пікомережі здійснюється динамічно. Головний пристрій опитує всі пристрої, які є для нього доступні, і при виявленні нового, який пройшов перевірку аутентичності і є дозволеним, під’єднує його до мережі. Кілька мереж, які обмінюються між собою даними, утворюють роззосереджену мережу. Взаємодія у межах такої мережі реалізується за рахунок моста, який може бути членом кількох пікомереж і відігравати роль головного пристрою однієї мережі та підлеглого іншої. Для запобігання інтерференції сигналів різних пікомереж кожний головний пристрій використовує власну послідовність псевдовипадкового налаштування частоти. В той же час взаємодія між мережами забезпечується тим, що міст при підключенні до кожної мережі повинний відповідно змінювати частоту. Колізії можуть відбуватися, якщо два або більше пристроїв з різних пікомереж вибирають один частотний канал, але ймовірність такої події є невелика. Таким чином, мережі Bluetooth використовують метод прямої корекції помилок FEC, а отримання кадру підтверджується квитуванням. Стек протоколів Bluetooth забезпечує вибір конкретного профілю, тобто набору протоколів для розв’язання конкретних задач, наприклад взаємодії комп’ютера або мобільного телефону з головними телефонами, є також профіль для пристроїв, які обмінюються файлами, профіль емуляції порту RS-232 тощо. Для трафіка, який є чутливим до затримок (мовного), мережа Bluetooth підтримує синхронний сигнал, який орієнтований на з’єднання і забезпечує швидкість 64 кбіт/с. Для трафіка передавання даних використовується асинхронний канал, який не орієнтується на з’єднання і виділяється за запитом підлеглого пристрою або за потребою головного. Слід відмітити, що нові версії Bluetooth здатні передавати потокове аудіо та відео; існують цифрові відеокамери, клавіатури, миші з підтримкою Bluetooth, але тут виникає протиріччя – швидкості, менші за 1 Мбіт/с, є недостатні для відео реального часу і завеликі для простих пристроїв [3]. Безпека у безпровідних мережах повина враховувати два аспекти: з одного боку персональні пристрої, які пересуваються з користувачем, можуть попасти у різне оточення; у деяких випадках вони мають взаємодіяти з пристроями інших приватних мереж, а в інших – така взаємодія може привести до витоку конфіденційної інформації; протоколи приватних мереж забезпечують різноманітні методи аутентифікації пристроїв та шифрування даних для мобільних пристроїв; для мобільних сенсорних медичних пристроїв необхідною вимогою є випромінювання ними сигналів невеликої потужності, які не можуть спричинити лихо хворому; зазвичай потужність має бути обмежена 100 мВт. Протоколи IEEE 802.15.1 забезпечують більш високий рівень захисту, ніж протокол WEP стандарту IEEE 802.11. Стандарт IEEE 802.15.2 визначає безпечну взаємодію поміж пристроями стандартів IEEE 802.11 та IEEE 802.15 [4]. Проблеми сумісної роботи в одному приміщенні можна буде вирішувати завдяки стандарту бездротових мереж PAN, інтероперабельному з 802.11. Цей стандарт використовує Bluetooth(IEEE 802.15.11) як основу і адаптує його таким чином, щоб не займалися частоти 802.11b. Це дає можливість комбінувати пристрої PAN і WLAN. Технології 802.11 та 802.15.1 використовують спільний рівень MAC, перемикаючись між двома фізичними рівнями з заданою швидкістю. Таким чином, для більш високих рівнів і користувачів складається враження одночасної роботи на одних частотах, наприклад, передавання Bluetooth та прийом 802.11, і навпаки. Описані вище стандарти оперують в одному або в одних діапазонах частот; в той же час можна було б розробити єдиний стандарт для всіх додатків бездротових мереж. Наявність багатьох стандартів визначається потребою користувача у мережах з різною швидкістю передавання, споживаною енергією та сферою використання. Сфери використання різних стандартів можуть перекриватися, що і відбувається зараз у медичних додатках. Стандарти ZigBee, Bluetooth і DECT, наприклад, можуть використовуватись не тільки в одному медичному закладі, а навіть в одному приміщенні. Може виникнути також проблема вибору різних технологій для одного додатку. Всі бездротові стандарти останніх версій можуть автоматично вибрати несійну частоту у своєму робочому діапазоні, яка б забезпечувала їм найкраще функціонування. Для систем діапазону 2,4 ГГц це особливо важливо, тому що вони повинні бути стійкими не тільки до стандартів IEEE 802.11, Bluetooth, але й до завад, створюваних побутовими приладами. Крім того, у розвитку стандарту IEEE 802.15.2 планується розробляти обладнання, яке дозволить різним мережам стандартів IEEE 802.11 та IEEE 802.15 взаємодіяти за рахунок включення шлюзів між різними бездротовими мережами. Стандарт IEEE 802.15.3 [4,7] призначений для високошвидкісних приватних бездротових мереж зі швидкістю передавання 50 Мбіт/с. Висока швидкість досягається за рахунок квадратурної маніпуляції з фазовим зсувом зі зміщенням. Персональні бездротові мережі стандарту IEEE 802.15.3 розраховані на взаємодію інформаційних пристроїв у радіусі від десятків сантиметрів до 10 метрів. До протоколів 802.15.3 можна віднести IRDA – протокол обміну через IR-порти, який має той недолік, що потребує прямої видимості поміж передавачем та приймачем, та IEEE 802.15.3 “Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specification for High Rate Wireless Personal Area Networks” – високошвидкісну бездротову персональну систему передавання даних. Пікомережа у стандарті IEEE 802.15.3 – це Ad-hoc система, у якій кілька незалежних пристроїв можуть безпосередньо взаємодіяти один з одним. Основні вимоги до такої мережі – висока швидкість передавання даних, проста інфраструктура, простота входження у мережу та гарантія якості обслуговування, QoS. Пікомережа може об’єднувати кілька пристроїв, один з яких виконує функції управління – PNC(Piconet coordinator). Стандарт дозволяє можливість формування так званих дочірніх пікомереж і описує взаємодію поміж незалежними пікомережами. Обмін даними здійснюється або асинхронними, або потоковими даними (звук, відео). Інформаційний обмін ґрунтується на послідовності суперкадрів. Кожний кадр складається з керуючого сегмента (beacon), інтервалу конкурентного доступу CAP (contention access period), які призначаються конкретним пристроям. PCN визначає межі всіх інтервалів і розподіляє канали поміж пристроями. Під час CAP доступ до каналу здійснюється на основі механізму контролю несійної з усуненням колізій CSMA/CA. У період захоплення каналу, передаються команди або асинхронні дані. Канальні інтервали (CTA) PCN призначає кожному пристрою або їх групі за запитанням. У керуючому сегменті для кожного з них задаються початок і тривалість. Призначення CTA для будь-якого пристрою означає, що ніякий інший пристрій у цей час не може працювати на передачу. CTA можуть динамічно розподілятись у суперкадрі окремо для асинхронних та ізохронних даних або бути фіксованими для ізохронних даних. Специфікація фізичного каналу задокументована тільки для діапазону 2400…2483,5 МГц і передбачає п’ять швидкостей передавання, з них базовою є 22 Мбіт/с і її підтримують всі пристрої IEEE 802.15.3; на цій швидкості дані не кодуються. На інших швидкостях дані перед формуванням модуляційних символів кодуються загортковим кодером за допомогою гратчастого коду. Стандарт потребує, щоби пристрої могли працювати у будь-якому з п’яти можливих частотних каналів у двох режимах – високої щільності(чотири канали у припустимому діапазоні і сумісності з мережею стандарта IEEE 802.11b. Кожний пристрій перед початком роботи сканує діапазон, знаходить вільні канали і визначає наявність мережі 802.11b. Стандарт IEEE 802.15.3 було затверджено 2003 році. Для підвищення швидкості обміну до 480 Мбіт/с і навіть до 1320 Мбіт/с спектральна ширина каналу була підвищена і було здійснено перехід у область надширокосмугового зв’язку UWB. Для цього у США отримано доступ у середині приміщень у діапазоні 3100…10600 МГц при максимальній щільності потужності випромінювання 7,41*10-14 Вт/Гц. Для розв’язання цієї задачі було висунуто дві пропозиції по технології UWB: на основі ортогональних кодів – мультисмуговий множинний доступ за допомогою ортогональних несійних OFDM і шляхом розширення спектра сигналу методом прямої послідовності DS-UWB. Зараз пропонується об’єднати ці дві пропозиції і виробляти двоходові пристрої, які підтримують і MB-OFDM, і DS-UWB. Недоліком технології MB-OFDM є небажана можливість перебільшувати допустимі 7,42*10-14 Вт/Гц для смуги 500 МГц, що є неприпустимо для медицини. Стандарт IEEE 802.15.4 та його програмна надбудова ZigBee [5] можуть бути реалізовані майже цілком апаратно; в той же час канальний рівень IEEE може бути реалізований програмно. Специфікація ZigBee та стандарт IEEE 802.15.4 описують різні рівні моделі OSI, IEEE 802.15.4 описує тільки фізичний та канальний рівні, а ZigBee – всі сім рівнів, які забезпечують створення моніторингових та керувальних мереж на базі стандарту, у тому числі, у медицині. Стандарт створювався спеціально для мереж зв’язку з датчиками і керувальними пристроями, наприклад, лікувальними. Вимогами до стандарту були забезпечення дальності, яку можна порівняти з WiFi, але менше енергоспоживання. Ці вимоги можна було задовольнити тільки за рахунок зниження швидкості передавання даних, що для медичних датчиків є цілком припустимо. Підтримує та розвиває стандарт IEEE 802.15.4 утворений у 2002 році “Альянс ZigBee”. Альянс складається з представників різних галузей – виробників контролерів бездротового зв’язку, компаній, які обслуговують та тестують мережі тощо. Основна задача, яку розв’язує ZigBee – передавання невеликих обсягів даних на середні відстані при мінімальному енергоспоживанні. За стандартами IEEE 802.15.4 та ZigBee не можна передавати якісне потокове аудіо або відео високої чіткості, але вони підходять для створення складних мереж моніторингу і керування у багатьох сферах, зокрема для створення індивідуального діагностичного та лікувального медичного обладнання. Стандарт IEEE 802.15.4 описує частоти, апаратні особливості і параметри мережі, а стандарт ZigBee описує процес мережного управління, параметри безпеки, поняття сумісності і профілів пристроїв. Бездротовий стандарт IEEE 802.15.4 забезпечує обмін даними з 27 каналами у трьох частотних діапазонах 868 МГц, 915 МГц і 2,4 ГГц. Це дозволяє забезпечити оптимальне передавання сигналів у різних умовах. Швидкість передавання у неліцензованому частотному діапазоні 2,4 ГГц сягає 250 кбіт/с, а у решті діапазонів вона значно нижча. У стандарті передбачені канали, які не пересікаються з діапазоном WiFi, що дозволяє реалізувати мережу поруч з потужними джерелами випромінювання. Співвідношення сигнал/шум дозволяє сигналам стандарта IEEE 802.15.4 також співіснувати з джерелами випромінювання на одній частоті. Стандарт забезпечує двобічне напівдуплексне передавання даних з шифруванням АЕЗ 128. Адресація 64-розрядна для стандарту IEEE 802.15.4 і 16-розрядна для ZigBee. Архітектура мережі складається з трьох видів пристроїв: концентратора, який керує архітектурою мережі, ретранслятора, який забезпечує прийом/передавання даних, та кінцевого пристрою, який обмінюється даними з концентратором та маршрутизатором. Кінцеві пристрої, моти, [5] забезпечують мінімальний набір функцій і споживають мінімум електроенергії. Ретранслятор, повнофункціональний пристрій, підтримує функції мосту, маршрутизатора або шлюзу для зв’язку з іншими мережами. Коли пристрій планує почати передавання, він прослуховує ефір. Якщо виявляється “чужий” сигнал, передавач “засинає” на випадковий термін, а потім знову намагається почати передавання. Одночасне передавання стає малоймовірним і цей алгоритм дозволяє запобігти колізіям і підвищити продуктивність мережі. З іншого боку необхідність чекання вільного каналу знижує швидкість обміну. Таким чином, стандарт IEEE 802.15.4 не є швидкісною технологією, але він має свою широку сферу використання – сенсорні мережі, у тому числі у медицині для моніторингу і лікування. Дані за цим стандартом передаються невеликими пакетами з підтвердженням доставлення повідомлень. Передавач “засинає” при відсутності даних для передавання, що забезпечує низьке енергоспоживання пристроїв; через це час автономної роботи кінцевих пристроїв може розтягуватись на роки. “Засинання” передавача не знищують підключення. Конфігурування та переконфігурування мережі відбувається за 30 мс, а додавання пристрою 10-15 мс. Найбільш перспективним впровадженням стандарту IEEE 802.15.4 є бездротові сенсорні мережі, які передають інформацію з сенсорних датчиків на сервер, а також можуть обмінюватись даними поміж собою. Мережа ZigBee підтримує спілкування датчиків різного профілю, з яких вона складається, це дуже важливо для медичних сенсорних мереж. В ZigBee профілі пристроїв сумісні на рівні стека протоколів, тобто пристрої різних профілів можуть об’єднуватись у мережу, передавати, приймати, ретранслювати повідомлення, але реагувати на повідомлення буде тільки той пристрій, для якого він призначений. Стандарт IEEE 802.15.4 для бездротових низькошвидкісних персональних мереж визначає фізичний рівень PHУ і рівень доступу до середовища MAC. Специфікація стандарта IEEE 802.15.4 наведена у таблиці 1.1 [5]. Специфікація ZigBee-стека визначає мережний рівень, рівні безпеки і доступу до додатку, і для забезпечення сумісності пристроїв може використовуватись разом з протоколами стандарта 802.15.4. Одною з основних переваг стандарта 802.15.4 ZigBee є простота установки і обслуговування сенсорних мереж. Особливості специфікації ZigBee дозволяють швидко розвертати сенсорні мережі, основані на пристроях різних виробників. Таблиця 1.1 – Специфікація стандарта IEEE 802.15.4
Таким чином, прийом та передача даних радіоканалом здійснюється на фізичному рівні PHY, який визначає частотний діапазон, тип модуляції, максимальну швидкість, кількість каналів. Рівень PHY визначає також включення/виключення приймача-передавача, декодування прийнятого сигналу у робочому каналі, вибір фізичного частотного каналу, індикацію якості зв’язку при отриманні пакету даних і оцінювання наявності вільного каналу. Стандарт IEEE 802.15.4 – це фізичне радіо, тобто мікросхема приймача/передавача. Стандарт ZigBee – це логічна мережа і програмний стек, який забезпечує функції безпеки і маршрутизації. Структура стека забезпечує контроль доступу до середовища IEEE 802.15.4 MAC, який здійснює підключення та вилучення з мережі пристроїв, формування пакетів даних, реалізацію режимів безпеки 16- і 64-бітне адресування та 128-бітне шифрування AES. Рівень MAC забезпечує підтримку мережних технологій – від точка-точка до більш складних: зірка, кластерне дерево тощо, пакетне передавання даних. Часове мультиплексування ZigBee використовує режими синхронізації від мережного координатора. Підлеглі мережні пристрої більшу частину часу “сплять” і періодично прокидаються для прийому сигналу синхронізації, що дозволяє пристроям в середині локальної мережі здійснити передавання даних у потрібний момент. Цей механізм засновано на визначенні стану каналу зв’язку перед началом передачі і дозволяє скоротити, але не повністю запобігти колізіям. Стандарт 802.15.4 засновується на напівдуплексному передаванні даних, що не дозволяє використовувати метод CSMA-СA для виявлення колізій, а тільки для їх запобігання. У рамках Альянсу ZigBee планується створення бібліотек профілів пристроїв, які працюють у мережі ZigBee, для сумісності обладнання від різних виробників. Профілі користувачів, тобто набір сервісів, необхідних для пристроїв, наприклад, медичного застосування, які знаходяться на вершині стека ZigBee, надають типові програмні модулі для використання у конкретних додатках. Мережні функції стека забезпечують сканування мережі з метою пошуку активних каналів і об’єднання з існуючою мережею, розпізнавання сервісів, які підтримуються цією мережею згідно з профілями пристроїв, маршрутизацію. Розробником стандарту IEEE 802.15.4 є Альянс ZigBee, до якого входять компанії Invensys, HoneyWell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips та інші. Стандарт IEEE 802.15.4 передбачає роботу у трьох діапазонах: один канал 868,0…868,6 МГц (Європа); 10 каналів в діапазоні 902…928 МГц з кроком несійної 2 МГц, нижня з них – 906 МГц; 16 каналів у діапазоні 2450 МГц з кроком несійної 5МГц, сама нижня 2405 МГц. Відповідно швидкість у каналах 20 кбіт/с у діапазоні 868 МГц, 40 кбіт/с у діапазоні 915 Мгц і 250 кбіт/с у діапазоні 2450 МГц. У радіоканалі використано метод широкосмугової передачі з розширенням спектра прямою послідовністю. У діапазоні 2450 МГц потік немодульованих даних розбивається на групи з чотирьох бітів. Кожна група замінюється однією з 16 квазіортогональних послідовностей довжиною 32 біта(чіпа). Використовувана модуляція – квадратурна фазова (QPSK). Парні чіпи квазіортогональної послідовності модулюють синфазний (I) канал, непарні – квадратурний(Q). Послідовності у квадратурному каналі зміщені відносно синфазного на період одного чіпа, тому назва модуляції – QPSK зі зсувом. Тривалість імпульсу після квадратурного модулятора вдвічі більша, ніж тривалість одного чіпа. У діапазоні 868/915 МГц потік даних передається з диференціальним кодуванням за схемою Ei = Ei-1, E, Ri, E0=0. Далі кожний біт замінюється послідовністю 315 бітів, яка його розширює: “1” замінюється на 053716, а “0” – на інверсну послідовність 7АС816. Перетворений потік даних передається у радіоканал за допомогою двопозиційної фазової модуляції (PBSK). Стандарт ZigBee передбачає взаємодію пристроїв не тільки у рамках одної мережі, але між сусідніми різними мережами, що забезпечується розвинутою системою адресування. Інформаційний обмін у мережі відбувається у вигляді послідовності пакетів – суперфреймів. Суперфрейм вміщує керуючий інтервал (beacon), інтервал конкурентного доступу (CAP) відповідно до механізму CSMA/CA і період призначеного доступу. Період призначеного доступу складається з набору часових інтервалів, які призначаються конкретним пристроям, які є чутливі до затримок для передавання даних (гарантовані тайм-слоти (GTS)). Керувальні інтервали задіяні тільки пристроями – координаторами. Слід відмітити, що останні версії стандарту ZigBee гарантують побудову сенсорної мережі радіусом до 75 м. У 2007 році Альянс ZigBee остаточно затвердив специфікації стандарту ZigBee PRO. У цій специфікації стандарту враховані недоліки, які заважали широкому впровадженню його у великих мережах і спрощеному налаштуванню мереж. Стек протоколів MIWI™ [8] для бездротових мереж – простий, оснований на специфікації IEEE 802.15.4, і є альтернативою для існуючих стеків протоколів для бездротових мереж. Він орієнтований на мережі невеликого розміру з обмеженою кількістю маршрутизаторів на трансиверах фірми Microchip. Мережа на основі протоколу MiWi розрахована на 1024 вузли. У мережі можуть працювати до 8 координаторів, кожний з яких підтримує до 127 вузлів. Довжина маршруту переданого пакета складає не більше чотирьох хопів (проходів через координатор) для кінцевих вузлів і максимум 2 хопа для PAN-координатора. Протокол MiWi базується на специфікації IEEE 802.15.4 для рівнів MAC і PHY і призначений для рівнів MAC і PHY простих бездротових мереж діапазону 2,4 ГГц. У межах специфікації визначено три частотних діапазони з фіксованою кількістю каналів для кожного: - 868 МГц, 1 канал, 20 Кбіт/с; - 215 МГц, 10 каналів, 40 Кбіт/с; - 2400 МГц, 16 каналів, 250 Кбіт/с. Дані надаються без урахування обміну службовою інформацією і затримок на обробку пакетів. Мінімальна довжина пакета з контрольною сумою становить 127 байтів. На канальному рівні працює механізм підтверджень. Коди протоколу є відкриті і доступні [9]. Протокол підтримує мережі з множинним доступом, у яких будь-який вузол має однаковий спосіб доступу до несійної мережі. Для підключення до мережі вузол надсилає спеціальний запит, у відповідь з інформацією про своє оточення. Самі мережі протоколу MiWi використовують два механізми: маркерний, аналог синхронного, і немаркерний, коли будь-який вузол може почати передачу у момент, коли несійна є вільна, це найбільш поширений метод. Локальні координатори мають перелік восьми інших координаторів, з якими він має зв’язок, це дозволяє здійснити маршрутизацію у мережі. Крім сервісів адресування і маршрутизації у протоколі MiWi передбачені додаткові сервіси, у тому числі, встановлення віртуального прямого з’єднання поміж двома вузлами за допомогою сокетів і пошук пристроїв з потрібним ідентифікатором EUI. Протокол MiWi підтримує механізми безпеки даних рівня MAC стандарту IEEE 802.15.4 – шифрування даних, цілісність пакетів і їх сукупність. Мінімальні вимоги до продуктивності ядра, можливість переходу у режим чекання забезпечують умови для створення дешевих батарейних вузлів для роботи у бездротових мережах MiWi. Для роботи у середині приміщень, потужність, яка випромінюється обмежена 100 мВт, для зовнішніх застосувань – 10 мВт. Для застосувань у телемедицині протокол MiWi є перспективним через можливість відносно дешевої реалізації мереж.
|
