CC BY
53
УДК 004.732
Рассмотрены особенности беспроводных сетей передачи данных от датчиков аппаратуры, реализованных на основе элементной базы, поддерживающей стандарт ZigBee. Выполнено сравнение основных беспроводных стандартов, дано краткое описание ключевых параметров трансиверов, проанализированы различные топологии построения сетей
ИНЖЕНЕРНЫЕ АСПЕКТЫ БЕСПРОВОДНЫХ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
А. И . Б ы б к а
Старший преподаватель* Контактный тел. (057) 738-27-57 e-mail: bbk@kture.kharkov.ua
А.Н. Зеленин
Кандидат технических наук, профессор* Кафедра "Сети связи" Контактный тел. (057) 345-00-83 e-mail: tkvt_mz@kture.kharkov.ua *Харьковский национальный университет радиоэлектроники просп. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61166
1. Введение
2. Постановка задачи
Беспроводные технологии стали приметой времени. В последнее время происходит активное внедрение беспроводных технологий в различные сферы деятельности человека. Они находят всё новые применения, непрерывно и динамично развиваются и совершенствуются.
Успех беспроводных технологий стал возможен благодаря развитию различных областей науки и техники, таких как микроэлектроника, цифровая обработка сигналов, технология производства, техника приёма и передачи сигналов, телекоммуникации. Поскольку беспроводные технологии аккумулируют в себе достижения передовых направлений науки, то уровень развития беспроводных технологий можно рассматривать как своего рода индикатор информационного уровня развития общества.
Возможно, бесспорный успех мобильных телефонов послужил стимулом для дальнейшего развития и внедрения новых беспроводных технологий. После того как мобильные телефоны заполнили мировой рынок телефонных услуг, преимущества беспроводных технологий стали очевидны.
За последние несколько лет в технике связи появились новые беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth, WiMax. Эти технологии успешно развиваются и занимают уверенные позиции не рынке телекоммуникаций. В качестве общих характерных особенностей этих технологий можно отметить высокую скорость передачи данных, применение современных методов кодирования информации, использование широкополосных сигналов, работу в высокочастотном диапазоне, ранее не использовавшемся в телекоммуникациях. Основным назначением перечисленных беспроводных технологий является передача больших объёмов данных с высокой скоростью. И эта задача успешно решается с помощью указанных технологий. Однако существуют задачи, для решения которых применение перечисленных технологий оказывается нецелесообразным. К таким задачам можно отнести в первую очередь передачу данных от различного рода датчиков. Очень часто в таких случаях не предъявляется высоких требований к скорости передачи данных, сами данные могут представлять собой несколько байт, передача данных должна осуществляться с интервалами во времени (иногда значительными).
Характеристики беспроводных стандартов.
Таблица 1
Стандарт Wi-Fi BlueTooth ZigBee
Обозначение IEEE 802.11.b IEEE 802.15.1 IEEE 802.15.4
Область применения Web, Video, e-mail Мобильные телефоны Контроль и управление
Особенности Скорость Удобство Экономич-ность
Дальность (м) 70 10 50
Скорость передачи (кб/с) >10000 1000 250 (при 2,4ГГц)
Задержка до 3с до 10c до 30мс
Размер стека (кБ) >1000 >250 <64
Объектов в сети го 7 <65536
Возможность расширения Есть Нет Есть
Безопасность SSID 64 & 128 бит 128 бит AES
Пригодность батареи (дней) 0,5-5 1-7 100-1000
Цена одного узла 15 у.е. 10 у.е. 5у.е.
В таких случаях зачастую на первый план выступает способность датчика к продолжительной работе без замены автономного батарейного питания. По этой причине экономичность устройства становится одним из основных его параметров. И именно с точки зрения экономичности указанные высокоскоростные технологии являются неэффективными и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым в подобных случаях.
Кроме того, при построении разветвлённой сети датчиков использование устройств, например Wi-Fi приведёт к значительному удорожанию сети.
В таблице 1 приведено сравнение характеристик стандартов для беспроводных систем и сетей.
Все эти особенности выяснились по мере внедрения и подробного анализа новых технологий. В результате всё более понятной становилась необходимость поиска другого, более подходящего решения. По этой причине рядом ведущих фирм изготовителей телекоммуникационного оборудования было принято решение о разработке нового беспроводного стандарта. Стандарт получил название ZigBee. Стандарт задумывался и был ориентирован на обеспечение в первую очередь высокой экономичности устройств. Первые образцы устройств нового стандарта появились в 2004 году. В настоящее время выпуском устройств для этого стандарта занимаются многие известные компании, в результате на рынке представлен широкий спектр различных устройств.
3. Аппаратные средства для построения беспроводных
Компания Texas Instruments предлагает несколько вариантов устройств, с помощью которых можно создавать беспроводные системы различной конфигурации. Одним из таких устройств является трансивер СС2500. Данный трансивер предназначен для создания маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне 2400 - 2483,5 ГГц. Максимальная выходная мощность передатчика +1 дБм, чувствительность приёмника -104 дБм,
В данном трансивере реализованы различные типы модуляции. Трансиверы пригодны для использования в многочастотных системах и в системах с частотными скачками. В устройствах реализованы аппаратная поддержка кадровой и битовой синхронизации, проверки адресов, длины пакета, проверки контрольной суммы CRC. Имеется индикатор мощности принятого сигнала и качества приёма пакетов. Предусмотрен режим автоматического прослушивания канала перед включением передатчика.
Отличительной особенностью данного трансивера является низкое энергопотребление.
Данные передаются в виде пакетов. В структуре пакета используются следующие поля: преамбула, синхронизация, длина, адрес, данные и поле CRC-16. Поля преамбулы, синхронизации и CRC-16 автоматически добавляются в структуру пакета. Поля длины и адреса не обязательны к применению. Поле данных заполняется пользователем. Содержимое пакета может быть подвергнуто упреждающему кодированию.
Перечисленные параметры наряду с необходимостью использовать малое количество внешних элементов делают данный трансивер очень привлекательным для построения различного рода беспроводных устройств и систем.
Более сложным вариантом является однокристальный трансивер СС2420. Эта микросхема работает в соответствии с требованиями физического уровня стандарта IEEE 802.15.4. Трансивер обеспечивает аппаратную поддержку МАС уровня. При этом осуществляется аппаратное кодирование данных с использованием алгоритма AES-128. В модеме используется механизм прямого расширения спектра DSSS. Каждый символ данных заменяется тридцати двух битной последовательностью, что позволяет получить эффективную скорость передачи данных до 250 кбит/c при тактовой частоте работы модема 2048 кбит/с. При этом используется модуляция O-QPSK.
Для работы трансивера не нужен внешний антенный переключатель. Микросхема имеет малое потребление: при использовании внешнего стабилизатора напряжение питания должно быть в пределах от 1,6
до 2,0 В, при использовании встроенного стабилизатора напряжение питания должно быть от 2,1 до 3,6 В. Трансивер имеет два буфера данных буфер приёма и буфер передачи объёмом 128 бит каждый. Трансивер позволяет создавать сети стандарта IEEE 802.15.4. Для управления работой трансивера необходим внешний микроконтроллер.
Дальнейшим развитием семейства ZigBee от Texas Instruments являются микросхемы СС2430/31, трансиверы со встроенным микроконтроллером, которые относится к устройствам типа SoC (System on Chip). Эти микросхемы интересны в первую очередь тем, что имеют в своём составе кроме трансивера ещё и встроенный микроконтроллер с ядром 8051, флэш-память программ до 128 кБ, ОЗУ данных объёмом 8 кБ. Кроме того, микросхемы обладают рядом интересных особенностей, позволяющих находить разнообразные применения.
Одной из таких особенностей является наличие у СС2431 встроенного механизма определения координат устройства на заданном пространстве. Наличие встроенного микроконтроллера и достаточного объёма памяти позволяют размещать на кристалле в полном объёме стек протокола ZigBee, что резко увеличивает привлекательность использования этих микросхем при построении беспроводных сетей.
4. Варианты топологий беспроводных сетей
При построении беспроводных сетей датчиков могут использоваться различные типы базовых телекоммуникационных топологий, такие как: звезда, кольцо, дерево, общая шина, полно-связная (или каждый с каждым), смешанная.
Рассмотрим и проанализируем каждый из возможных вариантов. При этом, оценивая эффективность вариантов, будем учитывать наиболее весомые показатели для беспроводных сетей датчиков, а именно: ограниченная мощность передатчика (радиус действия), невысокая скорость передачи данных, малый объём передаваемых данных (единицы байт), небольшая вычислительная мощность встроенного микропроцессора, ограничения на энергопотребление.
Топология звезда
Топология звезда (рис. 1) является наиболее простой топологией с точки
сети ограничивается разрядностью адресов, скоростью опроса датчиков и предельной дальностью радиоканала.
Нагрузка на микропроцессор датчика минимальная. Каждый датчик должен регулярно контролировать эфир для определения времени передачи. Синхронизация может быть основана на использовании встроенных таймеров или контрольного канала, по которому в широковещательном режиме передаётся информация для всех датчиков.
Топология звезда применима на небольших территориях, для централизованного сбора данных от датчиков, находящихся в зоне действия радиоканала. Решение, при всей своей простоте, эффективное и вполне оправданное.
Топология кольцо
В сети, реализующей топологию кольцо (рис. 2), отсутствует контроллер, данные передаются от одного датчика к другому по цепочке и могут быть переданы меду любыми датчиками. Синхронизация в сети по принципу домино. Задержки при передаче данных зависят от местоположения датчика в сети. Несмотря на ограниченный радиус действия каждого из датчиков, возможна передача данных на значительные расстояния.
Рисунок 1. Топология звезда
зрения реализации. Синхронизация работы датчиков (Д) выполняется контроллером (К). Количество датчиков в
Рисунок 2. Топология кольцо
Оправдано применение на протяжённых территориях при расположении датчиков по цепочке. Время работы трансивера каждого датчика увеличивается, поскольку должны передаваться не только свои данные, но и данные от всех остальных датчиков расположенных в сети. Первое к чему приводит такой режим работы трансивера, снижается продолжительность работы батареи. Данная топология очень уязвима, при выходе из строя хотя бы одного из датчиков, разрушается вся сеть.
Топология дерево
В сети, построенной по топологии дерево (рис. 3), кроме датчиков (Д) и основного контроллера (К) должны присутствовать дополнительные устройства, контроллеры (Кд). Основная задача контроллеров заключается в управлении работой закреплённых за ними датчиков и передача данных между этими датчиками и управляющим контроллером.
Дополнительные контроллеры выполняют функции маршрутизаторов и не занимаются измерениями, как это делают датчики. Сегментация сети позволяет упростить алгоритм работы сети в целом, однако, введение дополнительных устройств удорожает построение сети. При выходе из строя одного из маршрутизаторов, от сети отключаются сразу несколько датчиков. Восстановление прежней конфигурации сети возможно только после возобновления работы отказавшего устрой-
) к
|Кд Г \ Кд
Д3 Д4 Дп-1
Рисунок 3. Топология дерево
ства. В каждом из сегментов сети целесообразно использовать частоты отличные от частот соседних сегментов, для того чтобы уменьшить взаимное влияние трансиверов друг на друга. В сегментах удалённых друг от друга на достаточное расстояние, допускается использование одинаковых частотных каналов. Такой принцип лежит в основе работы сотовых сетей связи. Сетевые адреса датчиков в каждом из сегментов могут повторяться. Топология позволяет создавать сети с большим количеством оконечных устройств, и в целом их количество может превышать максимальное число, определяемое разрядностью адреса, однако для этого потребуется дополнительная обработка в маршрутизаторах.
Топология позволяет покрывать значительные расстояния, не требует сложных вычислений от датчиков, позволяет изменять конфигурацию сети и её размеры, позволяет получать хорошие показатели по энергосбережению и не предъявляет каких-либо требований к скорости передачи данных. Наибольшая вычислительная нагрузка в сети возлагается на контроллер, управляющий работой всех остальных устройств, и это может быть наиболее существенным сдерживающим фактором при увеличении размеров сети.
Топология общая шина
В сети с данной топологией (рис.4) в качестве общей шины используется один общий (широковещательный) частотный канал. В сети все датчики равноправны. Данные передаются в эфир поочерёдно каждым из датчиков, а принимаются всеми одно-
Д1
О
Д3
О
временно. Разделение информации осуществляется по адресам. Поскольку вероятность возникновения коллизий велика, данные должны передаваться только в том случае, если канал свободен. Поэтому перед передачей пакета данных канал необходимо прослушивать. В случае возникновения коллизий необходима повторная передача через случайный интервал времени. Такой режим увеличивает время активной работы трансивера и усложняет алгоритм работы микроконтроллера. Выход из строя одного из датчиков не влияет на работоспособность всей сети в целом. Более опасными для данной схемы являются помехи в общем канале, наличие которых может привести к нарушениям в работе всей сети.
В рассмотренной схеме трансивер практически постоянно должен находиться в режиме приёма, что с точки зрения энергосбережения неэффективно. Количество датчиков в сети ограничено разрядностью адресов. Применение данной топологии представляется возможным в тех случаях, когда существуют жёсткие ограничения на используемый частотный диапазон.
Топология полно-связная
Данная топология (рис. 5) предполагает использование большого количества частотных каналов. Велика вычислительная нагрузка, связанная с решением задач маршрутизации, которая требует сложных алгоритмов обработки, и с увеличением размеров сети быстро становится
О дп-1 О
Дп+1
Д2
О
Д4
Одп о
Дп+2
Рисунок 4. Топология общая шина
Рисунок 5. Топология полно-связная
труднореализуемой. Необходимо постоянно прослушивать большое число каналов на разных частотах. Небольшая дальность действия, которая ограничивается мощностью передатчика и чувствительностью приёмника.
Невысока я энергети ческая эффект ивность, связанная с необходимостью работать с каждым датчиком по отдельности. Размер сети ограничивается, в первую очередь, количеством доступных частотных каналов, количество которых, как правило, невелико. Возможно применение для построения сетей малого размера при небольших объёмах передаваемых данных и со значительными интервалами между сеансами связи. Отпадает необходимость в использовании адресов.
Смешанная топология
В сети, построенной по смешанной топологии (рис. 6), каждый датчик связывается со своим ближайшим соседом. В этом смысле работа схожа на работу в сети точка-точка. Позволяет покрывать большие территории. Некоторые из датчиков должны выполнять функции координаторов сети, при этом все датчики могут быть идентичными. При выходе координатора из строя
Д1
Д2
Д3
ООО1
(>Ч><3
Дп
Дп+1
Рисунок 6. Смешанная топология.
его функции может выполнять другой датчик. Такая взаимозаменяемость обеспечивает высокую надёжность работы сети и способность к самовосстановлению. Выход из строя любого из датчиков или каналов связи не разрушает работу сети, поскольку повреждённый участок может быть легко обойдён. Данные могут быть переданы между любыми точками в сети. При этом они передаются по цепочке от узла к узлу и пути прохождения данных могут иметь различную конфигурацию, в зависимости от состояния и загруженности отдельных участков сети. Данная топология представляет наибольший интерес
при построении беспроводных сетей датчиков. Возможна работа всей сети как на одной частоте, так и с использованием нескольких частотных каналов. В последнем случае может быть достигнуто увеличение помехоустойчивости в работе каналов связи, но при этом потребуется более сложный алгоритм работы для микропроцессорного управления.
5. Области применения беспроводных сетей
На сегодняшний день наиболее популярными областями применения беспроводных сетей являются промышленность и домашняя автоматика. В промышленности создаются сети для сбора и передачи данных от разного рода датчиков. В домашней автоматике используются системы «умный дом», позволяющие управлять различными бытовыми приборами, используя беспроводные технологии. На стадии обсуждение или выдвижения идей находится множество самых разных вариантов и приложений, что свидетельствует о большом потенциальном интересе, который вызывают беспроводные технологии. Среди таких приложений можно отметить системы мониторинга состояния больных, системы учёта грузооборота на территории складов, системы управления движением транспорта, системы проведения тестирования в учебных заведениях, системы дистанционного распознавания, сельское хозяйство, охранные системы, сигнализации и многое другое.
6. Заключение
С каждым днём появляются всё новые возможности для применения беспроводных технологий. Востребованность беспроводных решений будет неуклонно увеличиваться. Всесторонний анализ существующих вариантов построения беспроводных сетей и поиск новых приобретают в таких условиях дополнительную значимость. Среди вопросов, представляющих интерес, находятся такие как: совместимость сетей, экономичность оборудования, синхронизация работы устройств в сети, достоверность передачи данных, безопасность передачи информации, скорость передачи информации, маршрутизация в сети, надёжность работы сети, объединение сетей различного типа, создание транзитных шлюзов, разработка алгоритмов работы и мониторинга сетей.
Литература
1. F. L. LEWIS Wireless Sensor Networks / Smart Environme-
nts: Technologies, Protocols, and Applications ed. D.J. Cook and S.K. Das, John Wiley, New York, 2004.
2. CC2420 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee-ready RF Transcei-
ver Chipcon AS SmartRF® CC2420 Preliminary Datasheet (rev 1.2), 2004-06-09
3. CC2500 Single Chip Low Cost Low Power RF Transceiver
PRELIMINARY Data Sheet (Rev.1.2) SWRS040A
4. A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4
/ ZigBee™ Chipcon AS SmartRF® CC2430 PRELIMINARY (rev. 1.02) 2005-10-03
