ZigBee (IEEE 802.15.4) energooszczędne bezprzewodowe sieci PAN
- Marcin Suszkiewicz,
- 01.07.2004
W naszych domach pojawia się coraz więcej i więcej wszelkiego rodzaju elektroniki, czujników i alarmów. Naturalne wydaje się zastosowanie komputera do centralnego zarządzania i sterowania tymi urządzeniami. Utworzona w ten sposób sieć byłaby zdecydowanie bardziej funkcjonalna. Czy istnieje jednak odpowiednie rozwiązanie i jakie należy spełnić wymagania, aby cieszyć się ''inteligentniejszym'' otoczeniem?
W naszych domach pojawia się coraz więcej i więcej wszelkiego rodzaju elektroniki, czujników i alarmów. Naturalne wydaje się zastosowanie komputera do centralnego zarządzania i sterowania tymi urządzeniami. Utworzona w ten sposób sieć byłaby zdecydowanie bardziej funkcjonalna. Czy istnieje jednak odpowiednie rozwiązanie i jakie należy spełnić wymagania, aby cieszyć się 'inteligentniejszym' otoczeniem?
Ostatnie lata to prawdziwy wybuch rozwiązań pozwalających na tworzenie sieci domowych czy tzw. osobistych - PAN (Personal Area Networks). Różnią się one pod wieloma względami. Najprostszym kryterium podziału może być zastosowane medium transmisyjne. Wówczas otrzymujemy dwie grupy:
- sieci przewodowe, które wykorzystują kable telefoniczne (HomePNA), współosiowe lub skrętkę UTP. Często problemem okazuje się ich pojemność, koszty związane z instalacją i dalszym utrzymaniem. Popularne zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych jest także wykorzystanie istniejącego okablowania energetycznego mieszkań np. przez systemy X.10, LonWorks czy HomePlug.
- sieci bezprzewodowe, których największym atutem jest prostota instalacji i rozbudowy.
Bluetooth i IrDA z ograniczeniami
Uniwersalnym rozwiązaniem miał być Bluetooth, tworzony w połowie lat 90. przez Ericssona. Rozwijany następnie od 1998 r. przez organizację IEEE w ramach standardu 802.15.1 oraz grupę SIG (Special Interest Group), zrzeszającą obecnie ponad 1900 członków (w tym największych producentów sprzętu telekomunikacyjnego). Powstałe rozwiązanie idealnie nadaje się do komunikacji na przykład laptopów, PDA czy telefonów komórkowych z komputerem. Pozwala połączyć bezprzewodowo wiele jednostek i stworzyć złożony układ pikosieci. Zastosowany interfejs radiowy nie pozwala jednak stosować go w sytuacjach, gdy szczególnie ważna jest żywotność baterii.
Inny znany i stosowany od dawna standard wykorzystujący do transmisji podczerwień tzw. IrDA (http://www.irda.org ) ma znaczące wady, ograniczające jego zastosowanie. Pozwala na pracę w zasięgu ok. 1-2 m i wymaga bezpośredniej widoczności urządzeń. Trudno przy użyciu podczerwieni zbudować sieć, gdyż przewidziano ją do transmisji punkt-punkt. Obecnie jednak prowadzone są badania mające na celu wyeliminowanie braków i zwiększenie oferowanej prędkości do 4 Mb/s.
IEEE i ZigBee
Podstawowe parametry standardu 802.15.4
Popularyzowaniem i promocją rozwiązania zajmuje się stowarzyszenie ZigBee Alliance, które zrzesza kilkudziesięciu zainteresowanych producentów oprogramowania i sprzętu. Wśród nich znajdują się tacy giganci, jak Intel, Philips, Motorola czy Samsung. Pracuje ono także nad specyfikacją warstw wyższych, starając się opracować ujednolicony interfejs aplikacji.
Interfejs radiowy
Ulokowanie kanałów standardu 802.15.4
Niższe częstotliwości mają stanowić alternatywę dla zakresu często wykorzystywanego i zakłócanego przez inne bezprzewodowe rozwiązania (np. WLAN 802.11). Jednakże oferują one niższe przepływności (868 MHz: 20 kb/s, 915 MHz: 40 kb/s) w porównaniu z pasmem 2.4 GHz, gdzie dzięki zastosowaniu bardziej złożonych modulacji udaje się uzyskać 250 kb/s.
Struktura jednostki danych warstwy fizycznej
Zaczyna się ona od 32-bitowej preambuły wykorzystywanej do określenia częstotliwości pracy, taktowania sekwencji pseudolosowej oraz przepływności symbolowej. Natomiast maksymalny rozmiar pola danych użytecznych wynosi 127 bajtów i decyduje o nim wartość siedmiu bitów nagłówka oddzielonego od preambuły specjalnym ogranicznikiem ułatwiającym analizę ramki.
Warstwa łącza danych
Zgodnie z zasadami dotyczącymi rozwiązań 802 przyjętymi przez IEEE w warstwie łącza danych wyróżniamy podwarstwę dostępu do medium MAC (Media Access Control), współpracującą z różnymi implementacjami warstwy fizycznej, oraz podwarstwę logicznej kontroli łącza LLC (Logical Link Control), która została zdefiniowana w standardzie 802.2 i jest wspólna dla Ethernetu (IEEE802.3), Wi--Fi (IEEE802.11) oraz Bluetooth (IEEE802.15.1).