Standard nízkorychlostní bezdrátové komunikace ZigBee

V tomto článku je popsán standard určený pro nízkorychlostní bezdrátovou komunikaci v sítích LR-WPAN. Vzájemnou spoluprácí nadnárodních firem (ZigBee Alliance) vzniká možnost realizovat nízkonákladové a nízkopříkonové sítě.

---

Standard dedicated for low transmission rate wireless communication ZigBee

Abstract

This article describes standard dedicated for low transmission rate wireless communication in LR-WPAN networks. Thanks to mutual cooperation of international companies (ZigBee Alliance) possibility to realize low-cost and low-input networks appears.

---

Bezdrátové komunikační technologie představují jednu z rychle se rozvíjejících oblastí telekomunikační technologie. Vznik bezdrátové komunikace se datuje do období přelomu 19. a 20. století, kdy italský vědec Guglielmo Marconi prováděl své pokusy s bezdrátovým telegrafem. Dále pak se bezdrátová komunikace využívá hlavně k přenosu hlasu a obrazu, ať už v analogové nebo digitalizované podobě. Aplikací technologie, která dovoluje využít UHF a mikrovlnná pásma, dochází k rozvoji nízkorychlostních a vysokorychlostních bezdrátových komunikací a bezdrátových sítí.

Vznik ZigBee

ZigBee je schválen jako mezinárodní standard standardizační organizací IEEE označovaný též jako IEEE 802.15.4. V roce 2002 založená ZigBee Alliance sdružuje přes 150 nadnárodních firem a korporací (Texas Instruments, Analog Devices, Cisco Systems, Freescale Semiconductors, Motorola,...) a vzájemnou spoluprací realizují spolehlivé, nízkonákladové a nízkopříkonové bezdrátově propojené kontrolní a řídicí produkty.

ZigBee je jednoduchý bezdrátový komunikační standard, který umožňuje vzájemnou komunikaci mnoha zařízení na vzdálenost desítek metrů. Díky nízkým nárokům na hardware a nízké spotřebě najde uplatnění v oblasti řízení budov, spotřební elektroniky a průmyslu, například v podobě bateriově napájených bezdrátových senzorů. V současnosti se již pracuje na verzi 1.1.

Referenční model ZigBee

Referenční model standardu ZigBee (obr. 1) [11] vychází ze sedmivrstvého modelu ISO/OSI. Používá však jen ty vrstvy, které jsou významné k dosažení funkčnosti v uvažované oblasti použití. Standard IEEE 802.15.4 definuje dvě nejnižší vrstvy - fyzickou (PHY) a podvrstvu MAC spojové vrstvy. Nad těmito vrstvami definuje ZigBee Alliance síťovou (NWK) a aplikační (APL) vrstvu.

Obr.1 Referenční model ZigBee 1.0

Pro definici fyzické vrstvy je použit právě standard IEEE 802.15.4 neboť má nejnižší bitovou chybovost u zařízení s velkým šumem [3].

Aplikační vrstva je složena z pomocné aplikační podvrstvy (APS - application support sub-layer), z objektů ZigBee (ZDO - ZigBee device object) a z aplikačních objektů definovaných výrobci. Úkolem pomocné aplikační podvrstvy je udržovat vazební (binding) tabulky, které umožňují propojit dvě zařízení na základě jejich služeb a potřeb. Dále přeposílá zprávy mezi vzájemně vázanými zařízeními. Objekt ZigBee (ZDO) definuje roli zařízení v síti (např. ZigBee koordinátor nebo koncové zařízení), zavádí a nebo odpovídá na žádosti spojení a zřizuje zabezpečené spojení mezi zařízeními sítě. ZDO také zajišťuje hledání zařízení v síti a zjišťuje jimi poskytované služby.

Mezi úkoly síťové vrstvy (NWK) patří zabezpečení rámců a jejich směrování k cílovým uzlům. Hledá přímé (one-hop) sousední uzly a ukládá si informace o nich. Sítová vrstva ZigBee koordinátoru zajišťuje komunikaci a přiděluje adresy novým zařízením. Vyskytuje se jen u plně funkčních zařízení (viz. topologie sítě).

Vrstva MAC provádí synchronizaci, zabezpečuje přístup na radiový kanál, ověřuje platnost rámce, potvrzuje příjem rámce, řídí spojení, generaci a rozpoznání adres.

Standart IEEE 802.14.5 dává možnost použít superrámec, jehož struktura je definována koordinátorem sítě. Superrámec vysílaný koordinátorem je ohraničený beacon rámci a je rozdělen na 16 stejných slotů. V prvním je vysílán beacon rámec. Je určen pro synchronizaci, identifikaci sítě PAN a k popisu struktury superrámce. Ve zbývajícím čase může kterékoli zařízení na základě přístupové metody CSMA-CA komunikovat. Každý superrámec může mít aktivní a neaktivní část. Během aktivní části koordinátor komunikuje s příslušnou PAN a v neaktivní části může přejít do režimu spánku (low-power mode). Aktivní část lze dále rozdělit na oblast CAP (Contention Access Period) a CFP (Contention Free Period). V době trvání CAP probíhá komunikace na základě CSMA-CA. Část CFP je složena z několika GTS (Guaranteed Time Slot), které jsou vyhrazeny pro pomalá (low-latency) a prioritní zařízení. Příklad superrámce je uveden na obr. 2.

Obr.2 Příklad struktury superrámce

Vysílání superrámce se může opakovat v intervalech 15 ms až 252 s.

Pro vlastní komunikaci jsou definovány čtyři typy rámců, které jsou buď řídící nebo datové:

• Beacon Frame - slouží pro synchronizaci a v beacon-enabled sítích k probuzení uživatelských zařízení
• Data Frame - slouží pro všechny datové přenosy, je možné jej použít pro přenos až 104 byte užitečných dat
• Acknowledgment Frame - slouží pro potvrzení úspěšně přijatého rámce. Jsou vysílány okamžitě po příjmu datového rámce v čase mezi rámci (IFS - Interframe Space)
• MAC Command Frame - slouží k nastavení a řízení klientských zařízení v síti.

Na obr. 3 jsou uvedeny struktury jednotlivých typů rámců používaných ve vrstvě MAC. Maximální délka těchto rámců je 127 byte.

Obr.3 Struktury rámců

Úkolem fyzické vrstvy je vysílání a příjem datových jednotek. Komunikace probíhá na jednom ze tří bezlicenčních radiových pásem ISM (Industrial, Scientific, Medical):

• 868 až 868,6 MHz (Evropa)
• 902 až 928 MHz (Severní Amerika, Austrálie)
• 2400 až 2483,5 MHz (celosvětově)

Celkový počet využitelných kanálů v těchto pásmech je 27. V pásmu 868 MHz je možné využít jeden kanál s přenosovou rychlostí 20 kb/s, v pásmu 915 MHz 10 kanálů s přenosovou rychlostí 40 kb/s a zbývajících 16 v pásmu 2,4 GHz s přenosovou rychlostí 250 kb/s. V tab.I jsou uvedeny vztahy pro výpočet středního kmitočtu kanálů pro jednotlivá pásma.

Tab.I: Výpočet středních kmitočtů

Maximální doba trvání jednoho rámce je 4,25 ms pro 2,4 GHz, 26,6 ms pro 915 MHz a 53,2 ms pro 868 MHz.

Topologie sítě

Pro adresaci jednotlivých zařízení v síti lze použít dlouhé (64 bit) nebo zkrácené (16 bit) binární adresovací kódy (obr. 4). Každou síť lze jednoznačně určit pomocí 16bitového identifikátoru PAN ID, který se používá v případě, kdy v jednom prostoru je provozováno více sítí podle standardu IEEE 802.15.4. Každá sít s jedinečným PAN ID je řízena koordinátorem (centrální stanicí).

Obr.4 Adresové pole MAC rámce

Síťová vrstva standardu ZigBee podporuje síťové topologie typu hvězda (star), strom (tree) a síť (mesh) (obr. 5).

Uzly sítě jsou buď plně funkční zařízení (FFD), která mohou vykonávat funkce koordinátora, směšovače nebo koncového zařízení, a nebo redukovaná zařízení (RFD), která mohou pracovat pouze jako koncová zařízení. Síť je řízena ZigBee koordinátorem. V topologii typu hvězda komunikují ostatní zařízení, označovaná jako koncová, přímo s koordinátorem. V topologii typu síť a strom koordinátor spouští komunikaci a stanovuje parametry sítě. Síť lze rozšířit použitím ZigBee směrovačů. V síti typu strom se pro přenos dat a řidících zpráv používá hierarchické směrování. Topologie typu síť umožňuje samostatnou komunikaci mezi rovnocennými uzly (peer-to-peer).

Obr.5 Topologie sítě ZigBee typu a) hvězda, b) strom, c) síť (mesh)

Dále lze rozlišit další dva typy sítí a to "beacon-enabled" a "non-beacon" síť. V síti "beacon-enabled" koordinátor pravidelně vysílá signál, který koncová zařízení využívají k připojení se k síti a vlastní synchronizaci pro následný přenos dat. Pro navázaní spojení se tedy používají superrámce popsané výše. V "non-beacon" síti koordinátor také periodicky vysílá signál, který však slouží pouze k jeho vlastní identifikaci a koncovým zařízením k detekci. Koncová zařízení komunikují s koordinátorem pomocí požadavků na vysílání dat a potvrzovacích rámců. Musí být neustále připraveny podporovat komunikaci mezi rovnocennými uzly.

Zabezpečení komunikace

Během přenosu přes fyzické médium může dojít k chybám. Pro odhalení takto vzniklých chyb se používá cyklického kódu (CRC nebo FCS), kdy každý rámec je doplněn o zbytek po dělení polynomem. Ve standartu ZigBee je použit polynom ve tvaru:

(1)

Zabezpečován je celý rámec včetně jeho záhlaví.

Pro zvýšení spolehlivosti přenášených dat je vysílání provedeno technologií DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Jednotlivé bity jsou nahrazeny početnější sekvencí bitů (chipů), které se pak vysílají. Signál je tak rozprostřen do větší části spektra a je více odolný vůči rušení. Uživatelům, kteří neznají mechanismus vytváření pseudonáhodné sekvence se přenášená data jeví jako šum.

Přenášená data mezi jednotlivými účastníky lze dále zabezpečit proti zcizení. Standard definuje tři režimy a to nezabezpečený přístup, přístup na základě práv a zabezpečený přístup. Je-li použit přístup na základě práv, pak síť odmítá rámce od neznámých zařízení. V zabezpečeném režimu mohou zařízení sítě využít další služby mezi které patří:

• přístup na základě práv
• šifrování dat pomocí AES 128 bit
• použití MIC (Message Integrity Code)
• odmítnutí opakujících se rámců (Sequential freshness).

Šifrovací standard AES (Advanced Encryption Standard) nahrazuje standard DES. Výhodou tohoto nového způsobu šifrování je, že nehrozí útok hrubou silou (tj. vyzkoušení všech možných klíčů).

MIC je kryptografický kontrolní součet, který je zahrnut do vysílaného rámce. Na přijímací straně se provádí stejná operace a hodnotu součtu porovnává s přijatou. Pokud se zpráva během přenosu změnila, budou se hodnoty lišit a rámec je odmítnut.

Hardware

V současnosti je možné nalézt velké množství obvodů určených pro provoz v síti ZigBee. V tab.II. jsou uvedeny společnosti a jimi nabízené produkty [4-8].

Tab. II: Transceivery nabízené společnostmi ZigBee Alliance a jejich parametry

Na trhu je však možné se setkat s hotovými moduly, jako je např. RM2420 od americké společnosti RAE Systems (obr. 6) [9].

Obr.6 Modul RM2420

Další produkty je možné najít na stránkách společnosti Cirronet [10] nebo Eaton [12].

ZigBee a Bluetooth

V nelicenčním kmitočtovém pásmu ISM 2,4 GHz je již delší dobu provozována technologie Bluetooth. Mohlo by se tedy zdát, že provoz ZigBee v této oblasti je zbytečný.

Technologie Bluetooth pracuje se sítěmi typu piconet, která umožňuje propojení řídicí stanice se sedmi aktivními podřízenými stanicemi. Síť může obsahovat i více podřízených stanic, které jsou však neaktivní, nebo tzv. "parked". Další možná struktura je scatternet, která sdružuje několik sítí piconet pomocí sdílených zařízení. Přenosová rychlost pro verzi 1.2 je 1 Mb/s, verze 2.0 by měla podporovat rychlost až 3 Mb/s [1]. Pro přenos je použita GFSK modulace s technologií FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

Standard ZigBee definuje i síť typu strom, pomocí které lze zvětšit funkční dosah jedné sítě. Řídící stanice je propojena až s 255 zařízeními. Dále v síti mohou komunikovat zařízení bez účasti koordinátora. Použitá technologie přenosu je DSSS.

Porovnání technologie Bluetooth a ZigBee je uvedena v tab.III.

Tab.III Srovnání technologií Bluetooth a ZigBee

Bluetooth se hlavně využívá při komunikaci mezi dvěma rovnocennými uzly (peer-to-peer) podle potřeby (ad-hoc). S Bluetooth se tedy setkáme hlavně při přenosu hlasu a dat, kdy mobilní telefon komunikuje se zařízením, jako je headset, PC, PDA, notebook, digitální kamera, tiskárna. S využitím standardu ZigBee se počítá hlavně v oblasti automatizace a řízení budov. Předpokládá se však i pro kancelářské použití, kdy v současnosti se touto možností zabývá např. Institut pro informační průmysl [2].

Závěr

V tomto článku byl představen bezdrátový komunikační standard ZigBee. Díky způsobu komunikace, kdy většina zařízení je ve stavu hlubokého spánku, je tato síť velmi nízkopříkonová. Použitá zařízení jsou tak napájená z baterií. Protože snahou tvůrců jsou i nízké náklady na vlastní realizaci, předpokládá se široké využití pro automatizaci a regulaci v budovách a průmyslových provozech. Americká společnost Eaton již nabízí produkty Home Heartbeat^TM, které jsou určeny pro snímání provozu v domácnosti.

Tento článek vznikl za podpory výzkumného projektu MSM0021630513 "Elektronické komunikační systémy a technologie nových generací".

Literatura

[1]  Oficiální informační stránka Bluetooth www.bluetooth.com
[2]  Institute for Information Industry zigbee.iii.org.tw
[3]  Oechen P.: ZigBee: An Overview of the Upcoming Standard, Seminar in Distributed Computing 2005/2006, Zürich.
[4]  Katalogové listy Freescale Semiconductor www.freescale.com
[5]  Katalogové listy Chipcon www.chipcon.com
[6]  Katalogové listy Ember www.ember.com
[7]  Katalogové listy Uniband Electronic Corp. www.ubec.com.tw
[8]  Katalogové listy Atmel Corporation www.atmel.com
[9]  Firemní stránky RAE Systems www.raesystems.com
[10]  Firemní stránky Cirronet www.cirronet.com/zigbee.htm
[11]  Oficiální stránky ZigBee Alliance www.zigbee.org
[12]  Produkty firmy EATON www.homeheartbeat.com