BREZŽIČNO SENZORSKO OMREŽJE MiWi - core.ac.uk · work illustrates how to set up simple “peer-to-peer” wireless sensor link in a wireless sensor network using MiWi protocol

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Smetanova ulica 17 2000 Maribor, Slovenija

Sebastjan Kolenc

BREZŽIČNO SENZORSKO OMREŽJE MiWi

Diplomsko delo

Maribor, marec 2014


Diplomsko delo

Študent: Sebastjan Kolenc

Študijski program: VS Elektrotehnika

Smer: Telekomunikacije

Mentor: Izr. prof. dr. Dušan Gleich

iii

Brezžično senzorsko omrežje MiWi

iv

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Dušanu Gleichu za pomoč in potrpežljivo vodenje pri pisanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem vsem domačim, ki so me dolga leta spodbujali h končnemu cilju.


v


Ključne besede: Brezžično senzorsko omrežje, WPAN, ZigBee, MiWi, standard IEEE 802.15.4, ZigBee Alliance, industrijsko okolje.

Povzetek

V diplomskem delu smo na kratko opisali brezžični protokol MiWi, kateri izhaja iz

protokola ZigBee (IEEE 802.15.4). ZigBee je bil v osnovi zamišljen kot WPAN odprt

standard za radijsko omrežje, ki bi bil alternativa za ostala brezžična omrežja Bluetooth in

Wireless. Protokol je primeren za uporabo v brezžičnih senzorskih omrežjih, primernih za

industrijsko okolje. Gre preprosto zato, da imamo neko množico elementov (gradniki

ZigBee omrežja oz. senzorska vozlišča) omrežja, povezanih med seboj tako, da tvorijo

omrežje za prenos podatkov na kratkih razdaljah 10-100m. Vendar so ti podatki količinsko

zelo majhni. Prednost takega omrežja je v tem, da se podatki pošiljajo v majhnih paketih

(količinsko omejeni), hkrati pa so gradniki omrežja aktivni samo takrat, ko pride do

prenosa podatkov (paketov). Takrat kadar ni prenosa podatkov se gradnik (njegov radijski

del) izklopi in s tem privarčuje pri energiji. To pomeni, da so takšni gradniki omrežja

primerni za aplikacije v težko dostopnih območjih (industrijska okolja), ker ne potrebujejo

vzdrževanja in bi bila zamenjava vira energije (baterija) za njihovo delovanje možna z

velikimi napori in stroški.

Ker je po določenem obdobju uporabe ZigBee protokola, združenje ZigBee Aliance ta

protokol postopoma nadgrajevalo, je postal zelo kompleksen. Zato se je porodila ideja,

kako napraviti omrežje, ki temelji na ZigBee protokolu in je bolj prijazno do uporabnika.

Tako je nastal protokol MiWi, ki je opisan v diplomski nalogi. V diplomski nalogi, je v

praktičnem delu predstavljeno, kako postaviti enostavno “peer-to-peer“ brezžično

senzorsko povezavo v brezžičnem senzorskem omrežju z uporabo protokola MiWi ter

praktični primer pošiljanja podatkovnega paketa določene dolžine in vsebine preko

omrežja.


vi

MiWi WIRELESS SENSOR NETWORK

Key words: Wireless sensor network, WPAN, ZigBee, MiWi, standard IEEE 802.15.4, ZigBee Aliance, industrial environment.

Abstract

In these thesis we briefly described the MiWi wireless protocol which derives from the

protocol ZigBee (IEEE 802.15.4). ZigBee was basically conceived as a WPAN (wireless

personal area network) is an open standard for radio network that would be an alternative

to other wireless networks Bluetooth and Wireless. The protocol is suitable for use in

wireless sensor networks suitable for industrial environments. It is simply that we have a

set of elements (building blocks of ZigBee network or Sensor node) networks connected

to each other to form a network to transmit data over short distances 10-100m. However

these data are quantitatively very small. The advantage of this system is that the data is

sent in small packages (limited quantity) as well as network components active only when

there is a transfer of data (packets). At that time when there is no data transfer the widget

(its radio module) switched off and thereby saving energy. This means that such network

components are suitable for applications in hard to reach areas (industrial environment)

because it does not require maintenance and the replacement of the energy source

(battery) for their operation possible with considerable effort and cost.

Because after a certain period of ZigBee protocol Association Aliance ZigBee protocol that

progressively build on it has become very complex. Therefore the idea of how to make

network based on the ZigBee protocol more user-friendly. This has resulted in MiWi

protocol which is described in my graduate thesis. In this graduate thesis, the practical

work illustrates how to set up simple “peer-to-peer” wireless sensor link in a wireless

sensor network using MiWi protocol and a practical example of sending a data packet

certain length and content over the network.


vii

KAZALO VSEBINE

1 UVOD .............................................................................................................. 1

1.1 Namen in cilj diplomskega dela ............................................................................. 1

1.2 Omejitev raziskave .................................................................................................. 2

2 PREDSTAVITEV DELOVNE SKUPINE IEEE 802.15 ..................................... 3

3 WPAN STANDARD IEEE 802.15.4 ................................................................. 5

4 IEEE 802.15.4 ZIGBEE ................................................................................... 7

4.1 Zgodovina razvoja ZigBee ..................................................................................... 7

4.2 Opis ZigBee protokola ............................................................................................ 8

4.3 Tipi naprav, definirani v ZigBee protokolu ......................................................... 10

4.4 Arhitektura protokola ZigBee .............................................................................. 11

4.5 Omrežna plast (NWK) ........................................................................................... 12

4.6 Aplikacijsko podporna plast (APS) ..................................................................... 14

4.7 Aplikacijsko ogrodje (AF) ..................................................................................... 15

4.8 Objekt ZigBee naprave (ZDO) .............................................................................. 16

4.9 Profil ZigBee naprave ........................................................................................... 18

4.10 Topologija omrežja ZigBee .................................................................................. 19

5 IEEE 802.15.4 MIWI ...................................................................................... 23

5.1 Uvod v nastanek MiWi protokola ......................................................................... 23

5.2 Razvoj MiWi protokola .......................................................................................... 23


viii

5.3 Razlaga MiWi protokola ....................................................................................... 24

5.4 Pregled MiWi protokola ........................................................................................ 24

5.5 Tipi naprav v MiWi omrežju ................................................................................. 25

5.6 Topologija naprav v MiWi protokolu ................................................................... 26

5.6.1 Zvezdna omrežna topologija (ang. star network configuration) ........................... 26

5.6.2 Grozdna omrežna topologija (ang. cluster tree configuration) ............................. 27

5.6.3 Mešana omrežna topologija (ang. mesh network configuration) ......................... 28

5.7 Večdostopovno omrežje (ang. multi-acess network) ........................................ 29

5.8 Naloge naslavljanja v MiWi protokolu ................................................................ 29

5.9 Pošiljanje sporočil v MiWi protokolu .................................................................. 31

5.10 Usmerjanje prometa ............................................................................................. 32

5.10.1 Učenje o sosednjih koordinatorjih ....................................................................... 33

5.10.2 Broadcast sporočila (ang. broadcast messages) ................................................ 34

5.10.3 Poročila v MiWi protokolu .................................................................................... 35

5.11 Sporočila in servisi v skladu ............................................................................... 39

5.11.1 Iskanje vozlišč v omrežju s pomočjo EUI ............................................................ 40

5.11.2 Odpiranje vtičnice k napravi (ang. opening socket to a device) .......................... 42

5.11.3 Vtičnik skupine grozda (ang. cluster socket) ....................................................... 42

5.12 Upoštevanje uporabnika ...................................................................................... 44

5.12.1 Kateremu omrežju se pridružiti? .......................................................................... 44

5.12.2 Okrevanje iz napak .............................................................................................. 44

5.12.3 Zamenjava EUI, ki ščiti pred selitvijo vozlišč ....................................................... 45

5.12.4 Sprejem odgovora na odprt vtičnik ...................................................................... 46

5.12.5 Omrežni otoki ...................................................................................................... 46

5.12.6 Varnost ................................................................................................................ 48

6 IMPLEMENTACIJA MIWI PROTOKOLA S POMOČJO PROGRAMSKEGA

RAZVOJNEGA OKOLJA KEIL UVISION4 .......................................................... 49

6.1 Strojne komponente ............................................................................................. 49


ix

6.2 SPaRC Mosquito v.2 osnovni modul .................................................................. 49

6.3 Radijski modul Microchip MRF24J40MA ............................................................ 51

6.4 ZENATM brezžični omrežni analizator .................................................................. 52

6.5 Pregled oken z osnovnimi nastavitvami ZENA brezžičnega analizatorja

omrežja ............................................................................................................................. 54

7 SKLEP ........................................................................................................... 61

8 LITERATURA ................................................................................................ 63

9 PRILOGE ....................................................................................................... 65


x

KAZALO SLIK

SLIKA 1: SEDEM PLASTNA OSI ARHITEKTURA OMREŽJA ................................................ 5

SLIKA 2: PLASTI, KI JIH POKRIVA STANDARD IEEE 802.15.4 ......................................... 6

SLIKA 3: RAZDELITEV ZIGBEE KANALOV PO FREKVENČNIH PODROČJIH ......................... 12

SLIKA 4: POLOŽAJ NWK, MAC IN PHY PLASTI V OSI STRUKTURI ............................... 13

SLIKA 5: POLOŽAJ APLIKACIJSKO PODPORNE PODPLASTI (APS) V OSI STRUKTURI ........ 14

SLIKA 6: POLOŽAJ APLIKACIJSKEGA OGRODJA V OSI STRUKTURI ................................. 16

SLIKA 7: POLOŽAJ OBJEKTA ZIGBEE NAPRAVE (ZDO) V OSI STRUKTURI ...................... 17

SLIKA 8: PROFIL ZIGBEE NAPRAVE ........................................................................... 18

SLIKA 9: ZVEZDNA TOPOLOGIJA ................................................................................ 20

SLIKA 10: DREVESNA TOPOLOGIJA ........................................................................... 20

SLIKA 11: MEŠANA TOPOLOGIJA ............................................................................... 21

SLIKA 12: MODEL ZIGBEE OMREŽJA ......................................................................... 21

SLIKA 13: ZVEZDNA OMREŽNA TOPOLOGIJA ............................................................... 27

SLIKA 14: GROZDNA OMREŽNA TOPOLOGIJA .............................................................. 27

SLIKA 15: MEŠANA OMREŽNA TOPOLOGIJA ................................................................ 28

SLIKA 16: STRUKTURA KRATKEGA NASLOVA V MIWI PROTOKOLU ................................ 30

SLIKA 17: DODELJEVANJE KRATKIH NASLOVOV V MIWI OMREŽJU ................................ 30

SLIKA 18: STRUKTURA GLAVE PAKETA V MIWI PROTOKOLU......................................... 31

SLIKA 19: ODLOČITVENI ALGORITEM ZA PAKETNO USMERJANJE V MIWI PROTOKOLU ..... 34

SLIKA 20: VRSTNI RED ISKANJA EUI NASLOVOV ......................................................... 41

SLIKA 21: ZAPOREDJE ZA VTIČNIK PRI ODPRTI ZAHTEVI IN ODZIVU ................................ 43

SLIKA 22: NASTANEK OMREŽNIH OTOKOV V MIWI PROTOKOLU .................................... 47

SLIKA 23: OSNOVNI MODUL SPARCMOSQUITO V.2 ................................................... 50


xi

SLIKA 24: ARHITEKTURA OSNOVNEGA MODULA SPARCMOSQUITO V.2 ........................ 50

SLIKA 25: RADIJSKI MODUL MICROCHIP MRF24J40MA ............................................. 51

SLIKA 26: ARHITEKTURA MODULA MICROCHIP MRF24J40MA .................................... 51

SLIKA 27: KOMUNIKACIJSKI SIGNALI MED PIC MIKROKRMILNIKOM NA MODULU

SPARCMOSQUITO V.2 IN MODULOM MICROCHIP MRF24J40MA ......................... 52

SLIKA 28: MICROCHIP ZENATM

BREZŽIČNI OMREŽNI ANALIZATOR ................................. 52

SLIKA 29: GLAVNO OKNO OB ZAGONU ZENA BREZŽIČNEGA ANALIZATORJA OMREŽJA .... 53

SLIKA 30: KONFIGURACIJSKO OKNO V PLASTI ZA MIWI NAPRAVO ................................. 54

SLIKA 31: KONFIGURACIJSKO OKNO V PLASTI ZA ODDAJNIK ......................................... 56

SLIKA 32: KONFIGURACIJSKO OKNO V PLASTI ZA NASTAVITVE VARNOSTI ...................... 57

SLIKA 33: KONFIGURACIJSKO OKNO V PLASTI ZA NASTAVITVE NWK/MAC PLASTI ......... 58

SLIKA 34: KONFIGURACIJSKO OKNO V PLASTI ZA NASTAVITVE PIC ............................... 60


xii

KAZALO TABEL

TABELA 1: FREKVENČNI PASOVI IN PODATKOVNE HITROSTI .......................................... 10

TABELA 2: NAPRAVE, DEFINIRANE V IEEE 802.15.4 PROTOKOLU ................................ 25

TABELA 3: NAPRAVE, DEFINIRANE V MIWI PROTOKOLU ............................................... 26

TABELA 4: SPECIFIKACIJA POLJA ZA NADZOR OKVIRJEV (ANG. FRAME CONTROL) ........... 32

TABELA 5: POROČILA V MIWI PROTOKOLU ................................................................. 35

TABELA 6: POROČILO OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST ............................. 36

TABELA 7: POROČILO OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE .......................... 36

TABELA 8: POROČILO OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST ....................................... 36

TABELA 9: POROČILO OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE .................................... 37

TABELA 10: POROČILO EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST .............................. 37

TABELA 11: POROČILO EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE ........................... 38

TABELA 12: POROČILO ACK_REPORT_TYPE ........................................................ 38

TABELA 13: POROČILO CHANNEL_HOPPING_REQUEST ..................................... 38

TABELA 14: POROČILO RESYNCHRONIZATION_REQUEST ................................. 39

TABELA 15: POROČILO RESYNCHRONIZATION_RESPONSE .............................. 39


xiii

UPORABLJENE KRATICE

6LoWPAN (IPv6 Low power Wireless Personal Area Networks) – brezžično osebno

omrežje z majhno oddajno močjo, ki uporablja IPv6 protokol

ACK (Acknowledge) – potrditev

AF (Application Framework) – aplikacijsko ogrodje

AIB (APS Information Base) – APS informacijska baza

AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) – vektor dolžine na zahtevo

APS (Application Support sub-layer) – podplast za podporo aplikaciji

APSDE (Application Support Data Entity) – aplikacijsko podprt podatkovni dostop

APSME (APS Management Entity) – APS upravljanje dostopa

BAN (Body Area Network) – delovna skupina telo omrežja

BI (Beacon Interval) – interval beacon okvirja

BSO (Body Sensor Network) – telesno senzorsko omrežje

CRC (Cyclic Redundancy Check) – ciklično preverjanje pravilnosti (prenosa podatkov)

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) – dostop do kanala z

izogibanjem trkov

DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) – direktna sekvenca razpršenega spektra

DTACK (Data Transfer Acknowledge) – prenos podatkov s potrditvijo

EUI (Extended Organizationally Unique Identifier) – organiziran razširjeni edinstveni

identifikator

FFD (Full Function Device) – vrsta naprave, ki deluje z vsemi podprtimi funkcijami

HART – tehnologija za robustno brezžično omrežje za namen meritev in nadzora

IEC (International Electrotechnical Commission) – mednarodna elektrotehniška zveza

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – Inštitut inženirjev elektrotehnike

in elektronike

IETF (Internet Engineering Task Force) – Združenje internetnih inženirjev

ISA (International Society of Automation-wireless systems for industrial automation) –

Mednarodno združenje za brezžične sisteme v industrijski avtomatizaciji

ISM (Industrial, Scientific and Medical radio bands) – industrijski, znanstveni in medicinski

radijski pasovi

ISO (International Organization for Standardization) – Mednarodna organizacija za

standardizacijo

LED (Light-Emitting Diode) – svetleča dioda


xiv

LR-WPAN (Low Rate-Personal Area Network) – nizko hitrostno brezžično zasebno

omrežje

LSB (Least Significant Bit) – najmanj pomemben bit

MAC (Media Access Control) – krmiljenje dostopa do prenosnega medija

MSB (Most Significant Bit) – najbolj pomemben bit

NVM (Non Volatile Memory) – spominski element, ki izgubi podatke, ko mu vzamemo

napajanje

NWK (Network Layer) – omrežna plast

OEM (Original Equipment Manufacturer) – originalna oprema proizvajalca

OSI (Open Systems Interconnection) – povezani odprti sistem

P2P (Peer-to-Peer) – omrežje vozlišč, kjer se vozlišča imenujejo peer in so vsa med seboj

enakovredna

PAN (Personal Area Network) – računalniško omrežno organizirano osebno omrežje

PANID (Personal Area Network Identifire) – identifikator računalniško omrežno

organiziranega osebnega omrežja

PCB (Printed Circuit Board) – tiskano vezje

PHY (Physical Layer) – fizična plast

PIC (Peripheral Interface Controller) – nadzorni vmesnik periferije

PSK (Phase-Shift Keying) – modulacija s fazim pomikom

QoS (Quality of Service) – kvaliteta storitev

QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) – kvadro modulacija s fazim pomikom

RAM (Random-Access Memory) – bralno-pisalni pomnilnik

RFD (Reduce Function Device) – naprava, ki deluje z omejenim številom funkcij

RSSI (Received Signal Strength Indicator) – indikator moči sprejetega signala

SAP (Service Access Point) – servisna dostopovna točka

SPI (Serial Peripheral Interface) – serijski periferni vmesnik

SSID (Service Set Identifire) – ime brezžičnega lokalnega omrežja

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) – protokol za nadzor

prenosa/internetni sklad protokolov

TG (Task Group) – opravilna skupina

TIM (Traffic Indication Map) – zemljevid prometa

USB (Universal Serial Bus) – univerzalno serijsko vodilo

VLC (Visible Light Communication) – komunikacija s pomočjo vidne svetlobe

W3C (World Wide Web Consortium) – svetovno Web združenje


xv

WirelessHART – brezžična tehnologija za robustno brezžično omrežje za namen meritev

in nadzora

WLAN (Wireless Local Area Network) – brezžično lokalno omrežje

WPAN (Wireless Personal Area Network) – brezžično osebno omrežje

ZC (ZigBee Coordinator) – ZigBee koordinator

ZDO (ZigBee Device Object) – ZigBee naprava

ZED (ZigBee End Device) – ZigBee končna naprava

ZR (ZigBee Router) – ZigBee usmerjevalnik


1

1 UVOD

V preteklosti smo opažali hitri razvoj žičnih omrežij. To pomeni povezavo posameznih

enot na neko centralno enoto preko ožičenja. Slaba stran takih omrežij je dolžina med

centralno enoto in enotami, ki komunicirajo z njo ter strošek polaganja kablov in vse večja

ožičenost objektov. Problem se je pojavil predvsem pri nekaterih tehnologijah (standardih

za prenos podatkov RS 232, RS485), kjer smo omejeni s številom enot, ki komunicirajo

med seboj v omrežju ter njihovo razdaljo glede na uporabljeno tehnologijo.

Zato so arhitekti omrežij prišli na idejo o brezžičnih omrežjih, kjer se izognemo zgoraj

omenjenemu problemu ožičenja. Hkrati pa je v zadnjih letih opaziti hiter razvoj naprav, ki

imajo vgrajeno množico senzorjev za opazovanje njihovega delovanja v nekem

industrijskem procesu. Ti senzorji so med seboj povezani na neko centralno enoto, ki na

podlagi pridobljenih parametrov iz senzorjev ustrezno ukrepa v industrijskem procesu, v

katerem so vgrajeni. Z brezžičnimi omrežji se izognemo nepotrebnim stroškom ožičevanja

senzorjev, ki so velikokrat zelo zahteven in drag proces. Zato bo v prihodnosti vse več

brezžičnih povezav, ki bodo izpodrinile obstoječe žične povezave.

Pri nadzoru industrijskih procesov je obdelava podatkov v realnem času ključnega

pomena. Pri teh prenosih ne potrebujemo neke velike hitrosti prenosa, ampak je bolj

pomembno, da nimamo velikih zakasnitev med prenosom. Hkrati je poudarek tudi na

prenosu podatkov preko brezžičnega omrežja za veliko število senzorjev. Seveda pa je

odločilnega pomena tudi to, da imamo zelo majhno porabo energije med samim

prenosom in v določenem časovnem obdobju obratovanja končne naprave.

V preteklosti so bile brezžične komunikacije uporabljene tudi v komercialne namene, za

povezovanje PC-jev, dlančnikov, mobilnih naprav Bluetooth in so dosegle velik uspeh,

vendar se niso uveljavile v industrijskih aplikacijah, ker imajo določene omejitve in

slabosti, ki so opisane v naslednjih poglavjih.

1.1 Namen in cilj diplomskega dela

Namen in cilj diplomskega dela je pregled in razdelitev standardov za brezžična osebna

omrežja WPAN [1], predstavitev delovne skupine IEEE 802.15 [1] in njene štiri standarde

(IEEE 802.15.1 do IEEE 802.15.7) ter novo nastalo skupino 6LoWPAN [2], ki je nastala

zaradi potreb po internetnem protokolu v napravah z nizko porabo energije. Te naprave


2

imajo omejeno procesno moč in so še vedno sposobne sodelovati v internetni strukturi.

Podrobneje smo opisali protokol ZigBee [3], iz katerega je bil izpeljan protokol MiWi [4]. V

bistvu je protokol MiWi okrnjena verzija protokola ZigBee. Hkrati pa smo s tem želeli

prikazati, v katero skupino spada že prej omenjeni brezžični protokol MiWi. Tu je potrebno

poudariti, da so vsi štirje standardi v osnovi namenjeni za brezžična osebna omrežja

WPAN. Raziskovalne aktivnosti na področju brezžičnih senzorskih omrežij so danes zelo

aktualna tema. O tem je bilo že veliko napisanega tako v tujih kot tudi v domačih

strokovnih in znanstvenih prispevkih ter literaturi. Smernicam in trendom s tega področja,

ki so predstavljeni v različnih razpravah, pa danes sledi tudi industrijski razvoj. Osnovni cilj

diplomskega dela je predstaviti arhitekturo in delovanje brezžičnega protokola MiWi za

komunikacijske potrebe v industrijskih aplikacijah.

Cilj diplomskega dela je prikazati uporabo MiWi protokola na preprostem primeru

brezžičnega senzorskega omrežja tipa P2P, s praktičnim primerom pošiljanja

podatkovnega paketa določene dolžine in vsebine preko omrežja.

1.2 Omejitev raziskave

Zaradi kompleksnosti in razsežnosti raziskav na tem področju smo se v diplomskem delu

omejili na preprost primer brezžičnega senzorskega omrežja tipa P2P, katerega

komunikacija temelji na osnovi enostavnega MiWi protokola. Gre za preprosto

problematiko, da s številom povezav v brezžičnem senzorskem omrežju bliskovito

narašča tudi zahtevnost reševanja teh povezav v omrežju. Osredotočili smo se na samo

eno povezavo in to podrobno analizirali ter predstavili mehanizme vzpostavljanja

komunikacije, povezovanja in prenosa podatkov. Zagotovili smo tudi, da je brezžično

senzorsko omrežje imelo zelo majhno porabo električne energije, dovolj visoko varnost pri

prenosu podatkov in zelo majhne zakasnitve pri prenosu podatkov.


3

2 PREDSTAVITEV DELOVNE SKUPINE IEEE 802.15

IEEE 802.15 [1] je mednarodno združenje v okviru združenja IEEE strokovnjakov, ki je

definiralo WPAN standarde. To mednarodno združenje vsebuje več skupin (sedem

skupin), ki raziskujejo vsaka svoje področje. Te skupine, ki vse spadajo pod okrilje IEEE

802.15, so razdeljene takole:

IEEE 802.15.1: Delovna skupina 1 (ang. WPAN/Bluetooth)

Ta skupina temelji na Bluetooth tehnologiji. Njena naloga je definirati (PHY) fizično plast in

(MAC) plast za brezžično povezovanje nepremičnih, premičnih in prenosnih naprav ter

dostop do osebnega omrežja.

IEEE 802.15.2: Delovna skupina 2 (ang. Coexistence)

Njena naloga je definirati obstoj WPAN v primerjavi z drugimi brezžičnimi napravami, ki

delujejo v nelicenciranem frekvenčnem pasu, kot je WLAN. Ta skupina sedaj miruje.

IEEE 802.15.3: Delovna skupina 3 (ang. High rate WPAN)

Njena naloga je definirati PHY in MAC standard za hitre prenose podatkov v WPAN

(11 do 55 Mbit/s).

IEEE 802.15.4: Delovna skupina 4 (ang. Low rate WPAN)

Njena naloga je definirati standarde za zagotavljanje prenosa za nižje podatkovne hitrosti

in sestaviti nezahtevna omrežja. Velik poudarek ima na tem, da naprave v omrežju

porabijo zelo malo energije tako v stanju prenosa kot v stanju mirovanja. Ta skupina je

definirala fizično plast (PHY) in plast podatkovne povezave (MAC). Hkrati pa ta

tehnologija temelji na OSI modelu. Sem spada tudi protokol ZigBee (IEEE 802.15.4) ter

protokol MiWi, ki smo ga natančno opisali v diplomskem delu.

IEEE 802.15.5: Delovna skupina 5 (ang. Mesh networking)

Tu je definirana arhitektura ogrodja WPAN naprav, ki spodbujajo stabilno in razširjeno

brezžično mešano omrežje. Ta standard je sestavljen iz dveh delov. To sta nizkohitrostno

WPAN mešano omrežje in visokohitrostno WPAN mešano omrežje. Nizkohitrostno WPAN

mešano omrežje temelji na IEEE 802.15.4, medtem ko visokohitrostno WPAN mešano

omrežje temelji na IEEE 802.15.3. Skupni imenovalec obeh mešanih omrežij je

inicializacija omrežja, naslavljanje in večpodročno skakanje. Prav tako nizkohitrostno


4

WPAN mešano omrežje podpira pošiljanje podatkov v vse smeri (ang. multicasting),

zanesljiv prenos podatkov do skupine (ang. broadcasting) ter sledenje podatkom. Podpira

tudi funkcijo varčevanja z energijo. Visoko hitrostno WPAN mešano omrežje podpira

večpodročno, časovno usklajeno storitev skakanja.

IEEE 802.15.6: Delovna skupina 6 (BAN)

Ta skupina je osredotočena na tehnologijo BAN. Zahteve za to tehnologijo so zelo majhne

moči, nizke frekvence ter kratek domet omrežja.

IEEE 802.15.7: Delovna skupina 7 (VLC)

Ta skupina temelji na VLC. To so standardi za prostorsko komunikacijo s pomočjo vidne

svetlobe.

Delovna skupina IEEE 802.15 pripravlja standard in razvoj naprav glede na spodnje

zahteve:

nizka cena razvoja posamezne naprave,

majhna poraba energije na posamezni napravi,

čim manjša velikost naprav,

zagotavljanje dovolj visoke varnosti pri komunikaciji v omrežju,

souporaba z drugimi brezžičnimi omrežji.

Znotraj delovne skupine IEEE 802.15 so najpomembnejše štiri skupine. Te skupine

drugače imenujemo tudi TG. Te štiri skupine so IEEE 802.15.1 do IEEE 802.15.4 in se

med seboj razlikujejo predvsem po hitrosti prenašanja podatkov, porabi energije ter

kvaliteti storitev QoS.

QoS pomeni zagotavljanje boljše kvalitete storitev delujočega omrežja. To pomeni

pravilno razporejanje različnih prioritet glede na stopnjo zahtevnosti aplikacij, ki jih

omrežje izvaja.

6LoWPAN je mednarodna delovna skupina združenja IETF [5], ki razvija in promovira

internetne standarde in tesno sodeluje z W3C [6] in ISO [7] / IEC [8], organi za

standardizacijo, ki se ukvarjajo predvsem s standardi za Internet Protocol (TCP/IP). To je

odprta organizacija za standardizacijo, brez formalnega članstva ali članskih zahtev.


5

3 WPAN STANDARD IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 je standard, ki opisuje PHY plast in MAC plast za nizkohitrostno WPAN

omrežje (LR-WPAN). Vzdržuje ga skupina IEEE 802.15. To je osnova za brezžične

protokole ZigBee, MiWi, ISA100.11a [9] in WirelessHART [10]. Naprave po tem standardu

temeljijo na OSI modelu plasti, ki je prikazan na Slika 1. V tem standardu sta definirani

samo spodnji dve plasti, to sta PHY in podplast MAC.

Slika 1: Sedem plastna OSI arhitektura omrežja

Standard IEEE 802.15.4 je bil razvit v delovni skupini TG4, ki je bila odgovorna za rešitve

za naprave z nizkimi hitrostmi, nizko porabo, dolgo življenjsko dobo, z uporabo

nelicenčnega radijskega pasu, za nezapletenost naprave in nizko ceno. Glavne

značilnosti, ki so izšle iz te študije in so zapisane v standardu IEEE 802.15.4, so:

hitrosti prenosa podatkov 250 kbps, 40 kbps in 20 kbps,

dva načina naslavljanja: 16-bitno kratko in 64-bitno IEEE naslavljanje,

kanalni dostop z izogibanjem trkom CSMA-CA,

samodejna vzpostavitev omrežja s strani koordinatorja,

sinhronizacija z rokovanjem (ang. handshake),


6

upravljanje s porabo energije za zagotovitev nizke porabe energije,

16 kanalov v pasu 2,4 GHz ISM, 10 kanalov v 915 MHz in 1 kanal v pasu 868

MHz.

Aplikacije, ki temeljijo na standardu IEEE 802.15.4, se uporabljajo tako v industriji kot v

domači uporabi. Uporabljajo se na različnih področjih. Ta področja so: industrija (nadzor in

krmiljenje zahtevnih industrijskih procesov), avtomatizacija in varnost tako doma kot v

industriji (tu gre za nadzor nad krmiljenjem ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije,

nadzor razsvetljave, protivlomni sistemi, protipožarni sistemi), medicina (postavitev

senzorjev za nadzor telesnih funkcij v rehabilitaciji in telesni vadbi), kmetijstvo (tu gre za

nadzor nad zemljiščem, temperaturo, vlažnostjo, vetrom). Vendar standard IEEE 802.15.4

prikazan na Slika 2, definira in podaja le specifikacijo PHY plasti in MAC plasti.

Slika 2: Plasti, ki jih pokriva standard IEEE 802.15.4

Standard IEEE 802.15.4 je tako podlaga za specifikacijo že prej omenjenih tehnologij

(ZigBee, MiWi, ISA100.11a, WirelessHART), ki se odvijajo na višjih plasteh.


7

4 IEEE 802.15.4 ZIGBEE

Standard IEEE 802.15.4 podaja zahteve oziroma specifikacije za PHY plast in MAC plast.

Vse preostale višje plasti v modelu OSI so definirane s strani ZigBee Alliance [11]

(združenje, ki je definiralo brezžični protokol ZigBee).

4.1 Zgodovina razvoja ZigBee

Brezžično omrežje tipa ZigBee je bilo prvič predstavljeno leta 1998, ko je večina

razvijalcev in postavljalcev ugotovila, da vsa ostala omrežja, ki so se trenutno uporabljala

(IR, RF, WiFi, Bluetooth), postajajo neprimerna za določene aplikacije. Zato so nekateri

inženirji videli potrebo po digitalnih radijskih omrežjih, ki bi bila sposobna

samoorganizacije in nadzora. Standard IEEE 802.15.4 je bil določen maja 2003. V poletju

leta 2003 je podjetje Philips Semiconductors, ki je bilo največje v omrežni podpori z

udeležbo, postalo član ZigBee Alliance in napredovalo v glavno članico tega združenja.

ZigBee Alliance je združenje, ki združuje člane (podjetja in posameznike), ki se ukvarjajo

z razvojem in nadzorom nad ZigBee tehnologijo. ZigBee Alliance je oktobra 2004

naznanila, da se je v začetku tega leta njeno članstvo več kot podvojilo in povečalo

združenje za več kot 100 podjetij v 22 državah. V aprilu 2005 se je povečalo na več kot

150 podjetij, decembra 2005 pa je zrastlo na preko 200 podjetij. 14. decembra so bile

potrjene specifikacije za protokol ZigBee. 13. junija 2005 je ZigBee Alliance v javnost

izdalo ZigBee specifikacijo IEEE 802.15.4, ki je bila definirana oz. potrjena kot ZigBee

specifikacija iz leta 2004. Septembra 2004 je ZigBee Alliance izdala v javnost kompletno

specifikacijo in standard IEEE 802.15.4. Nato je bila izdana leta 2007 dopolnitev IEEE

802.15.4, danes poznan kot ZigBee Specification [12], ki je tudi danes zadnja verzija

protokola ZigBee. Leta 2009 je ZigBee Alliance izdala ZigBee RF4CE specifikacijo, ki

vsebuje daljinski nadzor omrežja in definira preprosto, robustno in poceni komunikacijsko

omrežje. To omrežje omogoča brezžično povezavo v aplikacijah za potrošniško

elektroniko.


8

4.2 Opis ZigBee protokola

ZigBee lahko predstavimo kot neko rešitev (standard) brezžičnih omrežij v stavbah z zelo

nizkimi stroški in zelo majhno porabo električne energije. To je dvostranska komunikacija.

Protokol je bil vzdrževan pri ZigBee Alliance (združenje proizvajalcev in razvijalcev ZigBee

protokola), ki razvija specifikacije in certificira pravilno implementacijo. Zadnja verzija

specifikacije je bila izdana leta 2007. Uporablja se v uporabniški elektroniki, doma za

avtomatizacijo stavb, v industriji za nadzor kor PC periferija, v medicini kot medicinski

senzorji, otroške igrače in igre.

V njem je uporabljen nedavno raziskan algoritemski protokol Ad-hoc On-demand

Distance Vector (AODV) [13], katerega osnovni princip temelji na varčevanju in

samodejni izgradnji malohitrostnega ad-hoc omrežja vozlišč. To pomeni, da se

komunikacija v omrežju uporablja samo takrat, kadar je povezava potrebna. Omrežno

vozlišče, ki potrebuje povezavo, pošlje broadcast zahtevo (v obliki sporočila) za povezavo.

Ostala AODV vozlišča pošljejo to sporočilo naprej in si zapomnijo, od katerega vozlišča so

dobili sporočilo, hkrati pa kreirajo začasne poti, če bodo kdaj rabila to potrebno vozlišče.

Ko vozlišče sprejme takšno sporočilo in že ima pot do željenega vozlišča, pošlje sporočilo

nazaj preko začasne poti proti zahtevanemu vozlišču. Potrebno vozlišče potem začne

uporabljati pot, ki ima najmanjše število skokov (preskokov) skozi ostala vozlišča.

Neuporabljene poti v tabeli poti se po določenem času reciklirajo (pobrišejo).

Če povezava ne uspe, se pošlje nazaj v vozlišče, ki oddaja napako povezave in postopek

se ponovi.

V omrežjih, kjer nimamo omogočen prenos signalizacije (ang. non-beacon enabled

networks), je uporabljen CSMA-CA [14] mehanizem dostopa do kanala. V takšnem

omrežju ima ZigBee usmerjevalnik svoje sprejemnike neprestano vključene, zato to

zahteva malo bolj zmogljivejše napajanje. Tipičen primer osnovnega gradnika takšnega

omrežja je brezžično stikalo za luč. ZigBee vozlišče v luči konstantno sprejema od

trenutka, ko je spojeno na vir energije, medtem ko je baterijsko napajano stikalo v stanju

mirovanja, dokler stikalo ni sproženo. Stikalo se takrat zbudi in pošlje ukaz na luč. Nato

čaka na potrditev in gre nazaj v stanje mirovanja. V takšnih omrežjih je luč kot ZigBee

usmerjevalnik ali ZigBee koordinator, medtem ko je stikalo tipična ZigBee končna

naprava.

V omrežjih, kjer imamo omogočen prenos signalizacije (ang. beacon enabled networks),

omrežna vozlišča, imenovana ZigBee usmerjevalniki, periodično oddajajo signalizacijo, da

potrdijo svojo prisotnost drugim omrežnim vozliščem. Vozlišča lahko mirujejo med


9

periodičnimi prenosi signalizacije, ker s tem zmanjšajo cikel delovanja (ang. duty cycle) in

podaljšajo čas delovanja baterije. Dolžina intervalov med prenosom signalizacije je

odvisna od frekvenčnega pasu, uporabljenega za ZigBee (868/915 MHz ali 2,4 GHz).

Višja, kot je frekvenca, krajši so intervali in večja je zahteva po časovni točnosti. To pa ni

več v kontekstu (ang. low-cost) cenene naprave. Beacon je nek okvir podatkov (paket), ki

se pošilja v nekem časovnem intervalu (ang. beacon interval). Ta okvir (paket) je v bistvu

sinhronizacija omrežja. Pošilja jih ZC, da pripravi ostale naprave na prenos podatka, hkrati

pa ta paket ostale naprave v omrežju »prebudi«. Spravi jih iz stanja mirovanja v stanje

pripravljenosti. S tem se poraba energije na napravah zmanjša.

Beacon predstavlja paket specifične bitne dolžine, od katerega je približno polovica bitov

glava in CRC polje. Tako kot pri ostalih paketih (okvirjih) glava vsebuje izvorni in ciljni

MAC naslov ter vse ostale informacije v zvezi s komunikacijskim procesom. Ciljni naslov

je vedno nastavljen tako, da se pošlje k vsem napravam v omrežju, zato se imenuje MAC

naslov (ang. broadcast medium access control). To prisili vse naprave na določenem

kanalu, da sprejmejo in obdelajo vsak beacon okvir. CRC polje služi za detekcijo napak

pri pošiljanju. Ostala koristna vsebina beacon okvirja vsebuje podatke:

beacon interval (BI): to je čas, ki poteče med dvema poslanima beacon okvirjema,

časovni zapis (ang. time stamp): ko naprava sprejme beacon okvir, uporabi

vrednost za nastavitev časa lokalne ure,

podatkovne hitrosti, ki so podprte v omrežju (ang. supported rates),

ime omrežja (SSID),

nastavitev parametrov (ang. parameter sets): informacija o metodi signalizacije v

omrežju,

tabela indikacije prometa (TIM): omrežje pošlje povratno informacijo o tem, katera

naprava je v stanju mirovanja, in v svojem notranjem pomnilniku še vedno

zadržuje podatkovne okvirje.

S povečevanjem beacon intervala zmanjšamo število beacon okvirjev in možnost

zasičenja, vendar to povzroči zamudo pri procesu gostovanja (ang. roaming) zato, ker

naprave v omrežju pri skeniranju lahko izpustijo beacon okvir in morajo zato počakati na

novega.

Z zmanjševanjem beacon intervala povečamo število beacon okvirjev, in s tem povečamo

odzivnost naprav v omrežju, toda s tem vodimo omrežje v zasičenje oziroma v prekinitev

delovanja. S tem silimo naprave v omrežju, da so dalj časa v stanju pripravljenosti in


10

povečujemo porabo energije naprav v omrežju. V idealnem omrežju beacon okvirji

dominirajo nad ostalim prometom v omrežju.

V splošnem ZigBee protokoli zmanjšajo čas oddajanja oziroma zasedenosti medija (ang.

radio), s tem pa zmanjšajo porabo energije (baterija).

Dolžine intervalov, uporabljanih frekvenčnih pasov med prenosom signalizacije, so

prikazane v Tabela 1:

pas 2,4 GHz: dolžina intervala je 15,36 ms do 15,36 ms 214 = 251.65824 s pri

250 kbit/s,

pas 915 MHz: dolžina intervala je 24 ms do 24 ms 214 = 393,216 s pri 40 kbit/s,

pas 868 MHz: dolžina intervala je 48 ms do 48 ms 214 = 786,432 s pri 20 kbit/s.

Frekvenčni

pas (MHz) Parametri razširjanja Podatkovni parametri

Simbolna

hitrost

(kchip/s)

Modulacija Bitna hitrost

(kbps)

Simbolna

hitrost

(ksymbol/s)

Simbol

868 300 BPSK 20 20 Dvojiško

915 600 BPSK 40 40 Dvojiško

2400 2000 O-QPSK 250 250 Šestnajstiško

Tabela 1: Frekvenčni pasovi in podatkovne hitrosti

4.3 Tipi naprav, definirani v ZigBee protokolu

ZigBee protokol definira tri različne tipe naprav v omrežju. Te naprave so poimenovane:

ZigBee koordinator (ZC): To je najbolj sposobna naprava v omrežju. Koordinator

določi pot po omrežju in se lahko poveže v sosednje omrežje (ustvari bridge

povezavo). V vsakem omrežju imamo samo eno napravo tega tipa (ZC).

Sposobna je shranjevati informacije o omrežju in hkrati skrbeti za varnost v

omrežju, določevati varnostne ključe (ang. security keys),

ZigBee usmerjevalnik (ZR): Na njem potekajo, tečejo funkcije aplikacij. ZR lahko

deluje kot nek vmesni usmerjevalnik, preko katerega se pretakajo podatki iz

drugih tipov naprav,


11

ZigBee končna naprava (ZED): To je končna naprava v omrežju, ki vsebuje ravno

prav funkcionalnosti, da lahko nemoteno komunicira s sosednjimi napravami

(sosednje vozlišče, koordinator, usmerjevalnik). Nima pa sposobnosti, da bi

preusmerjal podatke iz sosednjih naprav. Ta odnos med napravami omogoča, da

je naprava večino časa v stanju spanja (ang. sleep mode) ter na ta način

privarčuje veliko energije. ZED ne potrebuje veliko notranjega pomnilnika, ker ni

naprava, ki bi se s pomočjo zahtevnih algoritmov o nečem odločala.

4.4 Arhitektura protokola ZigBee

ZigBee arhitektura je sestavljena iz skupine blokov, ki jih poimenujemo plasti (ang.

layers). Vsaka plast opravi specifičen nabor storitev (storitev servisov) za plast nad seboj.

Podatkovni nosilec (ang. data entity) priskrbi servis za prenos podatkov (ang. data

transmission service) in upravljanje (ang. management entity) z vsemi ostalimi servisi.

Vsak servis vzpostavi nek vmesnik za plast nad njim skozi SAP (ang. service access

point). Vsak SAP podpira mnogo preprostih servisnih gradnikov (ang. service primitives),

s pomočjo katerih preprosto oziroma enostavno dosežemo uspešno izvrševanje

zahtevane funkcionalnosti.

ZigBee arhitektura, ki je prikazana na Slika 1, temelji na poznanem modelu OSI [15]. Ta je

po definiciji sedemplastni model, toda definira samo tiste plasti, ki so pomembne za

doseganje funkcionalnosti na nameravanem tržišču. Standard IEEE 802.15.4 definira dve

najnižji plasti, to sta:

fizična plast (ang. PHY-physical layer),

plast podatkovne povezave (ang. MAC-medium access control).

ZigBee združenje gradi na temelju zagotavljanja omrežne plasti (NWK) in ogrodja (ang.

framework) za aplikacijsko plast, ki je vsebovan v aplikacijsko podporni podplasti (APS), v

aplikacijskem objektu (ZDO), definiranem s strani izdelovalca.

IEEE 802.15.4, definiran leta 2003, prikazan na Slika 3, ima dve fizični plasti, ki delujeta

na dveh ločenih frekvenčnih področjih: 868/915 MHz in 2,4 GHz. Nižje frekvenčno

področje fizične plasti pokriva oba frekvenčna pasa, tako evropskega 868 MHz, kot 915

MHz frekvenčni pas, ki se uporablja v državah, kot so USA in Avstralija. Višji frekvenčni

pas fizične plasti 2,4 GHz je uporabljen navidezno po celem svetu. V 2,4 GHz

frekvenčnem pasu imamo 16 ZigBee kanalov, kjer vsak kanal zahteva 5 MHz pasovno


12

širino. V 868 MHz frekvenčnem pasu imamo 1 kanal, v 915 MHz frekvenčnem pasu pa 10

kanalov s pasovno širino 2 MHz.

Slika 3: Razdelitev ZigBee kanalov po frekvenčnih področjih

Nosilna frekvenca za vsak kanal se izračuna po formuli )11(52405( kFc MHz; kjer

je k = 11,12,…26. Oddajniki uporabljajo (DSSS) kodiranje, ki je nadzorovano z digitalnim

pretokom v modulator. V pasu 868/915 MHZ uporabljamo (PSK) digitalno modulacijo, v

pasu 2,4 GHz pa (QPSK) digitalno modulacijo. Maksimalna oddajna moč oddajnikov je

1mW (0 dBm).

IEEE 802.15.4, definiran leta 2003, ima plast podatkovne povezave s podplastnim (ang.

sub-layer) nadzornim dostopom do radijskega kanala z uporabo (CSMA-CA) mehanizma.

Njegova odgovornost je, da skrbi za sinhronizacijo. Vsebuje oddane signalne okvirje in

priskrbi zanesljiv mehanizem za oddajo. Pristopna metoda CSMA-CA je manj popularna

pristopna metoda, četudi bi pričakovali, da bo izogibanje trkom bolje kot njihovo

odpravljanje. V CSMA-CA da vsak udeleženec znak za svojo zahtevo po prenosu, preden

se oddajanje sploh prične. V tem načinu udeleženci začutijo, kdaj se lahko pojavi trk in ne

pričnejo prenosa podatkov. Na žalost pa oddajanje signalov, ki naznanjajo pričetek

prenosa podatkov, povečuje promet v mediju in zmanjša zmogljivosti omrežja. Metoda, ki

odpravlja trke CSMA-CA, se je v praksi izkazala kot manj učinkovita.

4.5 Omrežna plast (NWK)

Glavne naloge plasti omrežne povezave so omogočiti pravilno rabo MAC podplasti in

zagotavljanje primernega vmesnika za uporabo naslednje višje plasti, imenovane

aplikacijska plast. Naloga te plasti je tudi usmerjanje. Lokacija omrežne plasti v OSI


13

modelu je prikazana na Slika 4. Postavljena je zato, da pravilno formira mrežno topologijo,

konfigurira naprave, vključuje in izključuje vozlišča iz omrežja, dostavlja sporočila na pravi

naslov, odkriva sosednja vozlišča in išče prave poti med dvema vozliščema. Hkrati je

postavljena zaradi posredovanja podatkov iz smeri aplikacijske in MAC plasti. Omrežna

plast skrbi za usmerjanje sporočil (ang. routing). To pomeni, da postavlja optimalno

mrežno topologijo. Na tej plasti je definirana funkcija same naprave. Omrežna plast, tako

kot MAC plast, vzdržuje neke varnostne mehanizme pri prenosu.

Slika 4: Položaj NWK, MAC in PHY plasti v OSI strukturi

Protokol, ki se uporablja pri usmerjanju v omrežni plasti, se imenuje AODV. To je protokol

Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV). Gre za aktivni usmerjevalni protokol, ki

vzpostavi pot do zahtevanega cilja le na podlagi zahteve.

Osnovni princip temelji na varčevanju in avtomatično zgradi malohitrostno ad-hoc omrežje

vozlišč. To pomeni, da se omrežje uporablja samo takrat, kadar je povezava potrebna.

Omrežno vozlišče, ki potrebuje povezavo, pošlje broadcast zahtevo (v obliki sporočila) za

povezavo. Ostala AODV vozlišča pošljejo to sporočilo naprej in si zapomnijo, od katerega

vozlišča so dobili sporočilo, hkrati pa ustvarijo začasne poti, če bodo kdaj rabila to

potrebno vozlišče. Ko vozlišče sprejme takšno sporočilo in že ima pot do željenega

vozlišča, pošlje sporočilo nazaj preko začasne poti proti zahtevanemu vozlišču. Potrebno


14

vozlišče potem začne uporabljati pot, ki ima najmanjše število skokov (preskokov) skozi

ostala vozlišča. Neuporabljene poti v tabeli poti se po določenem času reciklirajo

(izbrišejo).

Če povezava ne uspe, se pošlje nazaj v vozlišče, ki oddaja sporočilo »napaka povezave«

in postopek se ponovi.

4.6 Aplikacijsko podporna plast (APS)

Aplikacijsko podporna plast (APS), prikazana na Slika 5, je najvišje definirana plast v

ZigBee specifikaciji in hkrati najbolj učinkovit vmesnik med ZigBee napravami in končnimi

uporabniki tega omrežja. Obsega večino komponent, dodanih po ZigBee specifikaciji.

Pomembna dela te plasti sta tudi ZDO in aplikacijski objekti, definirani s strani

proizvajalca, ter procesi upravljanja med njimi.

Slika 5: Položaj aplikacijsko podporne podplasti (APS) v OSI strukturi

APS priskrbi vmesnik med omrežno plastjo in aplikacijskimi plastmi skozi glavni nabor

servisov, ki jih uporabljata oba, tako ZDO kot aplikacijski objekt, definiran s strani

izdelovalca. Ta servisa sta:


15

podatkovni servis,

upravljalni servis.

APSDE priskrbi podatkovni oddajni servis preko nase povezanega SAP, APSDE-SAP-u.

APSME priskrbi upravljalni servis preko nase povezanega SAP, APSME-SAP-u in

vzdržuje podatkovno bazo z upravljanimi objekti, poznanimi pod imenom AIB.

ZigBee arhitektura vsebuje mnogo plasti in njihovih komponent, vključno z IEEE 802.14.5-

2003 MAC plastjo, PHY plastjo in ZigBee NWK plastjo. Vsaka komponenta nudi aplikacijo

s svojim naborom servisov in s svojimi zmožnostmi. ZigBee aplikacijsko plast sestavljajo:

APS, ZDO in aplikacijski objekt, definiran s strani izdelovalca.

Odgovornost APS vsebuje:

vzdrževanje tabele za povezave, definirane kot sposobnost prilagajanja dveh

naprav skupaj, ki temelji na njihovih servisih in potrebah,

odpošiljanje sporočil med povezanimi napravami,

definicija naslova skupine, odstranjevanje in filtracija sporočil naslovljenih skupin,

preslikava naslovov iz 64 bit IEEE naslovov v 16 bit NWK naslove,

fregmentacija in ponovna sestava ter zanesljiv prenos podatkov.

Odgovornost ZDO vsebuje:

definiranje vloge naprave znotraj omrežja,

raziskovanje naprav v omrežju in določitev katero servisno aplikacijo priskrbeti,

začetek in/ali odgovor ob zahtevi za povezavo,

vzpostavljanje varne povezave med omrežnimi napravami.

4.7 Aplikacijsko ogrodje (AF)

Aplikacijsko ogrodje, prikazano na Slika 6, je okolje, v katerem aplikacijski objekti

gostujejo na ZigBee napravah. Znotraj aplikacijskega ogrodja aplikacijski objekt pošilja in

sprejema podatke skozi APSDE-SAP. Aplikacijski objekt opravi funkcije skozi naslednje

ZDO javne vmesnike:

nadzor in upravljanje protokolnih plasti v ZigBee napravah,

posvetitev standardnim omrežnim funkcijam.


16

Podatkovni servis, priskrbljen s strani APSDE-SAP, vključuje zahtevo, potrditev, odgovor

in naznanitveni gradnik (ang. indication primitive) za prenos podatkov. Gradnik o zahtevi

(ang. request primitive) podpira prenos podatkov med peer aplikacijskimi objekti. Potrditev

(ang. confirm primitive) nam posreduje rezultate o zahtevanem preprostem klicu.

Naznanitveni gradnik je uporabljen za indikacijo (naznanitev) prenosa podatkov iz APS na

ciljni aplikacijski objekt.

Slika 6: Položaj aplikacijskega ogrodja v OSI strukturi

Definiranih je lahko do 240 različnih aplikacijskih objektov. Vsak vpliva na končno točko,

označeno od 1 do 240. Dve dodatni končni točki sta definirani za uporabo APSDE-SAP:

končna točka 0: rezervirana je za podatkovni vmesnik ZDO,

končna točka 255: rezervirana je za funkcijo podatkovnega vmesnika, da oddaja

podatke vsem aplikacijskim objektom.

4.8 Objekt ZigBee naprave (ZDO)

ZDO predstavlja osnovni razred funkcionalnosti, ki priskrbi vmesnik med aplikacijskim

objektom, profilom naprave in APS. Lociran je med aplikacijskim ogrodjem in aplikacijsko


17

podpornimi podplastmi, kot je vidno na Slika 7. Zadosti skupnim zahtevam vseh

aplikacijskih operacij v ZigBee protokolnem skladu. ZDO je odgovoren za:

inicializacijo APS, NWK plasti in ponudnika varnostnega servisa,

zbiranje informacij o konfiguraciji končnih aplikacij za določitev in izvršitev

raziskovanja, varnostnega upravljanja, upravljanja z omrežjem in upravljanja

povezovanja.

Slika 7: Položaj objekta ZigBee naprave (ZDO) v OSI strukturi

ZDO predstavlja javni vmesnik k aplikacijskim objektom v plasti aplikacijskega ogrodja, ki

skrbi za nadzor nad napravami in funkcijami omrežja s pomočjo aplikacijskih objektov.

ZDO vpliva na nižje dele ZigBee protokolnega sklada, to je na končno točko 0, skozi

APSDE-SAP za podatke in skozi APSDE-SAP za kontrolna sporočila. Javni vmesnik skrbi

za upravljanje z naslovi naprav, odkrivanje, povezovanje in varnostne funkcije v okviru

aplikacijsko ogrodne plasti ZigBee protokolnega sklada.


18

4.9 Profil ZigBee naprave

ZigBee naprave morajo biti zgrajene na ZigBee zasnovi in so vse zaključene končne

naprave, certificirane na svojih aplikacijskih profilih, ki definirajo aplikacijske objekte,

locirane na Slika 8. Aplikacijski profili definirajo, katero sporočilo je poslano preko omrežja

za neko dano aplikacijo. ZigBee profili zagotavljajo skupno uporabnost med produkti, na

katerih tečejo isti javni aplikacijski profili.

Slika 8: Profil ZigBee naprave

Specifikacija profila ZigBee naprave je sestavljena iz:

garniture naprav, zahtevanih v območju aplikacije,

garniture gruč za implementacijo funkcionalnosti,

garniture atributov, ki predstavljajo stanje naprave,

garniture ukazov, ki omogočajo komunikacijo,

specifikacije gruč, ki so zahtevane od posamezne naprave,

specifičnega funkcionalnega opisa za vsako napravo.

Profile rabimo, ker:

potrebujemo skupni jezik za izmenjavo podatkov,


19

potrebujemo dobro definiran nabor akcij med procesiranjem,

potrebujemo skupno uporabnost med različnimi proizvajalci,

potrebujemo enostavnost in zanesljivost za končne uporabnike,

potrebujemo potrošniško prilagodljivost za produkte,

dovolijo kreiranje trdnih oblik testnih programov,

potrebujemo realistične specifikacije aplikacij, razvite skozi OEM izkušnje.

Profile delimo v dve skupini:

javni profili,

profili, določeni s strani proizvajalca.

Javni profili so:

nadzor v industriji,

hišna avtomatizacija,

avtomatizacija večjih objektov,

aplikacije v telekomunikacijah,

osebna nega in bolnišnična nega,

napredno merjenje različnih veličin.

4.10 Topologija omrežja ZigBee

Topologija je standardni izraz, ki ga največ omrežnih strokovnjakov uporablja, ko

govorijo o načrtovanju omrežja. Izraz topologija, bolj natančno omrežna topologija, se

nanaša na ureditev ali fizično postavitev naprav, kablov in drugih omrežnih

komponent ter njihovih povezav v omrežju. Namesto izraza topologija se uporabljajo

tudi fizična ureditev, razporeditev, oblika omrežja. Razlikovati pa je potrebno med

izrazoma logična in fizična topologija. Fizična topologija se nanaša na fizično

postavitev postaj in medija, logična topologija pa na pot paketov (informacij) po

omrežju. Omrežna topologija vpliva na lastnosti omrežja.


20

ZigBee omrežna plast (NWK) podpira naslednje topologije omrežja:

Zvezdna topologija (ang. star):

Slika 9: Zvezdna topologija

Drevesna topologija (ang. tree):

Slika 10: Drevesna topologija


21

Mešana topologija (ang. mesh):

Slika 11: Mešana topologija

V zvezdni topologiji na Slika 9 je omrežje nadzorovano z eno samo napravo, ki jo

imenujemo ZigBee koordinator (ZC). Odgovoren je za začetek in vzdrževanje povezave

naprave v omrežju in za vse ostale naprave, poznane kot naprave, ki direktno

komunicirajo z ZigBee koordinatorjem. V mešani in drevesni topologiji je ZigBee

koordinator odgovoren za začetek vzpostavitve omrežja in za zanesljiv ključ omrežnih

parametrov, toda omrežje je lahko raztegnjeno preko ZigBee usmerjevalnikov (ZR).

Slika 12: Model ZigBee omrežja


22

V drevesni topologiji, prikazani na Slika 10, usmerjevalniki prenašajo podatke in kontrolna

sporočila preko omrežja z uporabo hierarhične usmerjevalne strategije. Drevesna

topologija uporablja signalno orientirano komunikacijo, kot je opisana v IEEE 802.14.5-

2003 specifikaciji. Mešana omrežja, kot je na Slika 11, lahko dovolijo samo polno P2P

komunikacijo. ZigBee usmerjevalniki v mešani topologiji ne oddajajo stalne enakomerne

signale, opisane v IEEE 802.14.5-2003 specifikaciji. Ta specifikacija opisuje samo intra-

PAN omrežja, to so omrežja, katerih komunikacije se pričnejo in zaključijo znotraj istega

omrežja.


23

5 IEEE 802.15.4 MIWI

5.1 Uvod v nastanek MiWi protokola

Ker je celoten protokol ZigBee postal za številne aplikacije preobsežen in preveč

kompleksen, uporablja velik delež alternativnih brezžičnih omrežij lastniške protokole,

skladne z IEEE 802.15.4. MiWi je preprost protokol za stroškovno ugodnejša omrežja z

nizko količino prenosa podatkov in s kratkimi razdaljami v pasu 2,4 GHz, ki velja po vsem

svetu. MiWi in MiWi P2P sta nova brezžična protokola, ki ju je definiralo podjetje

Microchip Technology [16]. Uporabljata majhen digitalen nizkomočnostni oddajnik, ki

temelji na standardu IEEE 802.15.4 (standard za WPAN).

5.2 Razvoj MiWi protokola

Razvoj v regionalno veljavnih pasovih 868 MHz (Evropa in Azija) ter 915 MHz (ZDA) z

MiWi ni mogoč, ker Microchip zavestno stavi na svetovne standarde.

MiWi temelji tako kot ZigBee na standardu IEEE 802.15.4 za brezžična osebna omrežja

(WPAN) in je alternativa za brezžično komunikacijo, ki jo lahko preprosto uporabimo.

Protokol MiWi je občutno manj obsežen kot ZigBee in je primeren predvsem za

uporabnike, ki ne potrebujejo polne zmogljivosti protokola ZigBee, ampak želijo uporabiti

standardni sprejemnik/oddajnik v stroškovno ugodnih zvezdastih omrežjih (ang. star) in

mešanih omrežjih (ang. mash) in P2P, ki so skladna z IEEE 802.15.4. Za sisteme, ki

uporabljajo protokole MiWi, ni potrebno certificiranje. Sklad protokolov je na voljo s prosto

licenco, če se uporablja v kombinaciji z mikrokrmilnikom in sprejemnikom/oddajnikom

MRF24J40 podjetja Microchip. Ta ponudba Microchipa velja tudi za sisteme, ki

uporabljajo protokol ZigBee.

MiWi temelji na plasteh MAC in PHY in se konča že nad omrežno plastjo. Zato omogoča

občutno več svobodnega prostora za lastni razvoj, to pa vsekakor na račun združljivosti in

območja zmogljivosti z uporabo ugodnejšega mikrokrmilnika. Maksimalna velikost

omrežja je zato prav tako nekoliko manjša. Sočasno pa zahteva manjšo velikost spomina.

Programska oprema je manj kompleksna in zmanjšuje potrebne vire strojne opreme. Zato

povsem zadostuje manjši mikrokrmilnik. MiWi tako omogoča preproste, ne preveč

zahtevne aplikacije, ki se mrežijo. Poleg stroškovne prednosti ima MiWi protokol tudi


24

prednosti glede miniaturizacije in energijske učinkovitosti aplikacije. Protokol omogoča

uporabo funkcije za odkrivanje in nameščanje omrežja, za povezovanje z enim omrežjem

in za odkrivanje vozlišč v omrežju in preusmerjanje le-teh. Ne rešuje problemov, ki so

specifični za aplikacije. Na primer kako izbirate, s katerim omrežjem se želite povezovati,

odločitev, kdaj naj bo povezava prekinjena in kako pogosto komunicirate medsebojno.

Zato je primeren predvsem za osamljene brezžične aplikacije, na primer le vrednotenje

senzorja, krmiljenja gretja v stanovanju ali preprosto krmiljenje luči. Takoj, ko se zahteva

obsežna združljivost in dolgoletna investicijska varnost z zahtevo modularne nadgradnje,

zadane MiWi ob svoje meje.

5.3 Razlaga MiWi protokola

Omrežje, ki uporablja MiWi protokol, je sposobno imeti največ 1024 vozlišč. Vsak

koordinator je sposoben imeti 128 otrok z največ 8 koordinatorjev v omrežju. Paketi lahko

potujejo do največ štiri skoke v omrežju in največ dva skoka stran od PAN koordinatorja.

Pri razlagi MiWi protokola bosta uporabljena dva specifična izraza. Prvi izraz je skupina ali

grozd (ang. cluster). Ta izraz se nanaša na skupino vozlišč, ki tvorijo omrežje. Grozd MiWi

protokola je lahko globok do 3 vozlišča in je nadzorovan z glavo skupine ali grozda (ang.

cluster head). V tej razlagi MiWi protokola bo glava skupine ali grozda kar sam PAN

koordinator.

Naslednji izraz je vtičnica (ang. socket). Vtičnica se nanaša na tako imenovano indirektno

sporočilo v MiWi aplikacijskem vmesniku. Nanaša se na virtualno povezavo med dvema

napravama. Bolje kot to, da imamo izključno žično povezavo med napravami, naprave z

več tipov vtičnic delijo skupni komunikacijski medij in uporabljajo skupne metode

sodelovanja z aplikacijami in napravami. Ko je nova naprava ali aplikacija dodana v

omrežje, zahteva konfiguracijo za komuniciranje z drugimi napravami ali aplikacijami. Z

uporabo vtičnic, vozlišča v omrežju lahko najdejo partnerja za komunikacijo dinamično,

brez da imajo kakršnokoli informacijo o njem.

5.4 Pregled MiWi protokola

MiWi protokol temelji na MAC in PHY plasteh ter njihovih specifikacijah IEEE 802.11.4 in

je ustvarjen za enostaven razvoj omrežij na frekvenčnih področjih 2,4 GHz in nižje.

Protokol zagotavlja funkcije za iskanje, oblikovanje in pridruževanje omrežju, hkrati pa


25

dobro zagotavlja odkrivanje vozlišč in poti do njih v omrežju. Protokol ne zagotavlja

nobene selektivnosti glede tega, kateremu omrežju se pridružiti, kako ugotoviti, katera pot

je pokvarjena in kako pogosto naprave lahko komunicirajo med seboj.

MiWi protokol uporablja IEEE 802.15.4 standard kot osnovo za razvoj svoje MAC plasti.

Podobno kot v IEEE 802.15.4 MiWi protokol uporablja potrditveni mehanizem prenosa

podatkov DTACK v MAC plasti. Ta metoda uporablja posebno ACK zastavico (ang. flag) v

glavi paketa. Ko je ta ACK zastavica aktivna, pomeni, da se je pojavila zahteva o prejeti

potrditvi s strani oddajnika, ki jo pošlje sprejemnik. Ta potrditev od sprejemnika k

oddajniku pove, da je sprejemnik prejel okvir. Če je okvir poslan z aktivno ACK zastavico

in potrditev s strani prejemnika ni bila poslana v nekem časovno omejenem obdobju, bo

oddajnik ponovno nekajkrat poizkusil oddati okvir, preden bo javil napako v prenosu. Na

tem mestu je pomembno opomniti, da sprejem potrditve pomeni, da je MAC plast pravilno

sprejela okvir. Vendar to ne pomeni, da je bil okvir tudi pravilno obdelan (procesiran).

Mogoče je, da je MAC plast v vozlišču, ki sprejema, sprejel potrditev okvirja pravilno,

vendar je bil zaradi pomanjkanja procesne moči okvir zavržen v višjih plasteh. Kot rezultat

prejšnje ugotovitve višje plasti aplikacije lahko zahtevajo dodaten odgovor na potrditev.

5.5 Tipi naprav v MiWi omrežju

Protokol IEEE 802.15.4 definira naprave, ki temeljijo na funkcionalnosti. V osnovi imamo

dve vrsti naprav, prikazani v Tabela 2.

Tip naprave Ponujani servisi Napajanje Konfiguracija

sprejemnika v mirovanju

FFD Vsi ali večina Glavno napajanje Vključen

RFD Omejen nabor Baterijsko napajanje Izključen

Tabela 2: Naprave, definirane v IEEE 802.15.4 protokolu

MiWi protokol definira tri tipe naprav, prikazane v Tabela 3, ki temeljijo na njihovih

funkcijah v omrežju. Te naprave so:

PAN koordinator (ang. PAN coordinator),

koordinator (ang. Coordinator),

končna naprava (ang. End device).


26

Tip naprave Tip naprave po IEEE Funkcija naprave

PAN koordinator FFD

Eden v omrežju. Oblikuje omrežje, dodeljuje

omrežne naslove, shranjuje tabele

povezovanja.

Koordinator FFD

V omrežju. Po potrebi. Povečuje fizično velikost

omrežja. Lahko celo opravlja nadzorno ali

kontrolno funkcijo.

Končna naprava FFD ali RFD Opravlja nadzorno ali kontrolno funkcijo.

Tabela 3: Naprave, definirane v MiWi protokolu

V zgornji Tabela 3 so prikazani tipi MiWi naprav in njihov odnos do IEEE naprav.

Funkcionalnost MiWi brezžične omrežne protokolne plasti nam pomaga določiti tip IEEE

funkcionalnosti, ki jo naprava zahteva.

5.6 Topologija naprav v MiWi protokolu

Glede na definirane naprave v poglavju Pregled MiWi protokola je najbolj pogosto

uporabljena naprava tipa PAN koordinator. To je naprava, ki začne graditi omrežje, določi

kanal za komunikacijo in določi PAN ID omrežja. Vse ostale naprave, ki se hočejo

pridružiti PAN-u, se morajo ravnati po navodilih PAN koordinatorja, če se hočejo povezati

v omrežje. Poznamo tri tipe topologij v omrežnem protokolu MiWi:

zvezdna omrežna topologija,

grozdna omrežna topologija,

mešana omrežna topologija.

5.6.1 Zvezdna omrežna topologija (ang. star network configuration)

Zvezda omrežna topologija na Slika 13 vsebuje eno PAN koordinator vozlišče in eno ali

več končnih naprav.


27

Slika 13: Zvezdna omrežna topologija

V tej omrežni topologiji vse končne naprave komunicirajo le s PAN koordinatorjem. Če

hoče neka končna naprava poslati podatek drugi končni napravi, ga lahko pošlje samo

preko PAN koordinatorja, ki ta podatek usmeri od končne naprave, ki je poslala podatek, h

končni napravi, ki bo sprejela ta podatek.

5.6.2 Grozdna omrežna topologija (ang. cluster tree configuration)

V grozdni omrežni topologiji na Slika 14 imamo še vedno samo en PAN koordinator, toda

dovoljen je pristop ostalih koordinatorjev v omrežje.

Slika 14: Grozdna omrežna topologija


28

Ta oblika definira strukturo v obliki drevesa, kjer je PAN koordinator koren drevesa, ostali

koordinatorji so veje drevesa, končne naprave pa so listi drevesa. V tej konfiguraciji

morajo vsa sporočila biti poslana skozi omrežje glede na pot, ki jo določa drevesna

struktura. Grozdno omrežno topologijo imenujemo tudi multihop omrežje (to je omrežje z

večjim številom skokov), ker so sporočila usmerjena preko več kot enega vozlišča, da

dosežejo cilj.

5.6.3 Mešana omrežna topologija (ang. mesh network configuration)

Mešana omrežna topologija na Slika 15 je podobna kot grozdna drevesna topologija,

razen da FFD lahko usmerja sporočila direktno do drugih FFD naprav in ni treba slediti

omrežni topologiji.

Slika 15: Mešana omrežna topologija

Sporočila, ki gredo do RFD, morajo še vedno iti preko starševskega RFD vozlišča.

Prednost te topologije je v tem, da je zakasnitev sporočil lahko zmanjšana, zanesljivost pa

se poveča. Tudi ta topologija je multihop omrežje.


29

5.7 Večdostopovno omrežje (ang. multi-acess network)

V IEEE 802.15.4 omrežju pomeni večdostopovno omrežje to, da imajo vsa vozlišča v

omrežju enak dostop do medija, preko katerega komunicirajo. Poznamo dva tipa

mehanizma za dostop do medija v večdostopovnem omrežju. To sta:

beacon mehanizem dostopa do medija,

non-beacon mehanizem dostopa do medija.

V »ang. beacon« mehanizmu za dostop do omrežja je vozliščem dovoljeno oddajati samo

v vnaprej definiranih časovnih režah. PAN koordinator periodično pošlje super okvir (ang.

superframe), ki je prepoznan kot beacon okvir, in vsa vozlišča v omrežju se sinhronizirajo

na ta okvir. Vsakemu vozlišču je dodeljena specifična časovna reža v superokvirju, v

kateri lahko sprejema in oddaja podatke. Superokvir lahko vsebuje tudi skupno časovno

režo, v kateri vsa vozlišča med seboj tekmujejo za dostop do kanala (komunikacijskega

medija).

V »ang. non-beacon« mehanizmu za dostop do omrežja je vsem vozliščem v omrežju

dovoljeno oddajati kadarkoli, ko je kanal aktiven. Microchipova verzija MiWi protokola

podpira samo non-beacon mehanizem za dostop do omrežja.

5.8 Naloge naslavljanja v MiWi protokolu

MiWi protokol uporablja naslavljanje iz protokola IEEE 802.15.4. V specifikaciji so podani

trije tipi naslavljanja.

Razširjen organiziran unikaten identifikator (EUI). To je 8-bitno število, ki je globalno

gledano unikatno. Vsaka naprava, ki uporablja specifikacijo IEEE 802.15.4, vsebuje

unikaten EUI naslov. Zgornji trije biti naslova EUI so zakupljeni od IEEE. Spodnjih pet

bitov naslova EUI pa je na razpolago uporabniku, dokler so globalno gledano unikatni.

PAN identifikator (PANID). To je 16-bitni naslov, ki definira skupino vozlišč. Vsa vozlišča

v PAN-u si delijo skupen PANID. Naprava prevzame PANID omrežja takrat, ko je izbrana,

da se pridruži PAN-u.

Kratki naslov (ang. short address). Drugače ga imenujemo tudi naslov naprave. To je

16-bitni (2-zložni) naslov, ki je dodeljen napravi od njenega starša. Ta kratki naslov je


30

unikaten v PAN-u in se uporablja za naslavljanje ter pošiljanje sporočil po omrežju. IEEE

standard določa, da ima PAN koordinator vedno naslov 0000h. Dodelitev naslova je sedaj

v domeni PAN koordinatorja.

Slika 16: Struktura kratkega naslova v MiWi protokolu

MiWi protokol uporablja 16 bitov v kratkem naslovu, da pomaga usmerjati in izmenjevati

informacije o vozliščih. Polje bitov in naslov so vidni na Slika 16. Starševsko polje številk

(ang. parents bit number, biti 10−8) je unikatno za vsak koordinator v omrežju, vključno s

PAN koordinatorjem. Ker je starševsko polje velikosti 3 bitov, je to omejitev za število

koordinatorjev v omrežju. Lahko imamo največ 8 koordinatorjev. Otroško polje številk

(ang. childrens number, biti 6−0) od kateregakoli koordinatorja v omrežju je enako 00h. To

kaže na dejstvo, da delujejo kot koordinator. Ostale vrednosti za to polje so določene

glede na tip naprave (FFD ali RFD naprava) kakor tudi njegova funkcija v PAN-u.

Naslednja Slika 17 nam kaže, kakšna je ideja in kako je določen kratek naslov v MiWi

omrežju.

Slika 17: Dodeljevanje kratkih naslovov v MiWi omrežju


31

Bit 7, na Slika 16, je polje RxOffWhenIdle, ki je nasprotno definirano kot RxOnWhenIdle

v IEEE 802.15.4. Ko je ta bit nastavljen, pomeni, da bo naprava izklopila radijski del, ko je

v stanju Idle in je nesposobna sprejemati pakete. Vsaka druga naprava, različna od starša

te naprave, lahko usmerja vsak paket, ki ima ta bit nastavljen na starša naprave. Cilj

starša naprave je shraniti paket za otroka, dokler se le-ta ne zbudi in zahteva ta paket. Če

ta bit ni nastavljen v naslovu naprave, je ta naprava vedno sposobna sprejemati pakete.

Biti 15 do 11 so v tej implementaciji vedno na vrednosti 0.

5.9 Pošiljanje sporočil v MiWi protokolu

Ko je omrežje vzpostavljeno, je naslednja pomembna stvar, kako poslati sporočilo po

omrežju. Vsaka naprava, ki je član MiWi omrežja, bo uporabila svoj kratek naslov za

komunikacijo preko omrežja. Ta kratek naslov pomaga drugim napravam v omrežju

določiti lokacijo vozlišča in kako priti do te naprave.

Format paketa. Po specifikaciji protokola IEEE 802.15.4 MiWi protokol uporablja 16-bitne

kratke naslove za pošiljanje in sprejemanje sporočil po omrežju. Paketi morajo biti

zgrajeni tako, kot določa specifikacija IEEE 802.15.4 v delu 7.2. Bolj podrobno je to

opisano v dokumentu [4]. Glava v MiWi protokolu mora vsebovati informacijo, ki je

potrebna za usmerjanje in procesiranje paketa. Ta glava paketa je prikazana na Slika 18.

Slika 18: Struktura glave paketa v MiWi protokolu

Vsebovati mora naslednje komponente:

skoke (ang. hops): število skokov, ki jih je dovoljeno paketu pri prepošiljanju (00h

pomeni ne prepošiljaj tega paketa),

nadzor okvirjev (ang. frame control): to je polje bitov, ki definirajo obnašanje

paketa, prikazano v Tabela 4,


32

ciljni PANID (ang. destination PANID): to je PANID ciljnega vozlišča, definiran z 2

bitoma v MiWi protokolu,

ciljni kratki naslov (ang. destination short address): to je kratki naslov ciljnega

vozlišča, definiran z 2 bitoma,

izvorni PANID (ang. source PANID): to je PANID vozlišča, ki je izvor poslanega

paketa, definiran z 2 bitoma,

izvorni kratki naslov (ang. source short address): to je kratek naslov vozlišča, ki je

izvor poslanega paketa, definiran z 2 bitoma,

zaporedno številko (ang. sequence number): to je zaporedna številka paketa, ki se

uporabi za sledenje statusu paketa v omrežju, skozi katerega potuje, definiran z 1

bitom.

0 0 0 0 0 x 1 0

r r r r r ACKREQ INTRCLST ENCRYPT

bit 7 bit 0

bit 7−3 Rezervirani: prikazani kot 0 v tej implementaciji

bit 2 ACKREQ: bit za potrditveno zahtevo

bit 1 INTRCLST: bit, ki pomeni komunikacijo znotraj grozda. Rezerviran v tej

implementaciji in prikazan kot 0

bit 0 ENCRYPT: bit, ki pomeni, da imamo šifriran podatkovni paket v aplikacijski plasti

Tabela 4: Specifikacija polja za nadzor okvirjev (ang. frame control)

5.10 Usmerjanje prometa

Usmerjanje prometa v brezžičnih omrežjih je zelo kompleksno opravilo. MiWi protokol je

rešil to z uporabo dodelitve naslovov (ang. address allocation), ki kažejo na starša

naprave, kateri hočemo poslati paket. Tu si pomagamo z definiranim IEEE servisom, ki

pomaga razširjati informacije o usmerjanju in poti po omrežju.


33

5.10.1 Učenje o sosednjih koordinatorjih

Ena od nalog usmerjevalnega algoritma je tudi določevanje naslednjega skoka za vse

odhajajoče pakete. MiWi protokol za redni omrežni promet in raziskovanje teh poti

uporablja IEEE mehanizem spajanja omrežja. Ko se katerakoli naprava hoče povezati v

omrežje, najprej pošlje beacon paket o zahtevi. Vsi koordinatorji, ki so slišali ta beacon

paket o zahtevi, pošljejo v omrežje informacijski beacon paket, ki vsebuje informacije o

sosednjih napravah v njihovem omrežju. V MiWi protokolu so 3 zlogi (ang. byte) dodatne

informacije pripeti k podatkovni vsebini (ang. payload) beacon okvirja in pomagajo pri

usmerjanju prometa. Ti trije dodatni zlogi so:

ID protokola (Protocol ID): ta zlog (ang. byte) pomaga pri razlikovanju MiWi

protokola od ostalih protokolov v IEEE 802.15.4, ki lahko delujejo na istem

radijskem področju. Vrednost ID protokola mora biti vedno 4Dh,

številka verzije (ang. version number): to je verzija specifikacije protokola,

lokalni koordinatorji (ang. local coordinators): To polje je bitna mapa (ang. bitmap),

ki kaže kateri koordinatorji so trenutno vidni s strani koordinatorja, ki pošilja

beacon okvir. Vsak bit v zlogu predstavlja enega od 8 možnih koordinatorjev. Bit 0

pomeni 0000h (to je vrednost PAN koordinatorja), bit 1 pomeni, da ta koordinator

lahko direktno komunicira z 0100h koordinatorjem. V polju lokalnih koordinatorjev,

v beacon podatkovnem polju (ang. payload) se vsi koordinatorji v omrežju učijo o

vseh možnih poteh po omrežju, brez da pošljejo enkratno unikatno zahtevo po

povezavi,

usmerjanje do drugih naprav (ang. routing to other devices): usmerjanje v omrežju

MiWi protokola postane enostavno takrat, ko imamo znanje o sosednjih

koordinatorjih in kaj ti sosednji koordinatorji lahko vidijo. Pošiljanje paketa do

naslednjega vozlišča sledi logiki (algoritmu), ki je prikazana na Slika 19.


34

Slika 19: Odločitveni algoritem za paketno usmerjanje v MiWi protokolu

5.10.2 Broadcast sporočila (ang. broadcast messages)

Ko omrežni koordinator v MiWi protokolu prejme broadcast sporočilo, pošilja naprej po

omrežju paket toliko časa, dokler števec skokov (ang. hop counter), ki je prvi bit v glavi, ni

enak nič.

Broadcast paketi imajo vedno svoj ACK bit po zahtevi v glavi MiWi protokola in v glavi

MAC plasti postavljen na vrednost 0. Koordinatorji, ki sprejmejo broadcast paket, le-tega

obdelajo, šele potem ga pošljejo naprej po omrežju.


35

5.10.3 Poročila v MiWi protokolu

MiWi protokol pošilja pakete med napravami z uporabo posebnih paketov, ki se imenujejo

poročila (ang. report). Protokol dovoljuje uporabo 256 različnih tipov poročil (ang. report

type) in 256 ločenih različnih tipov ID poročil (ang. ID reports) za vsak tip poročila. ID

poročilo je v bistvu specifikacija funkcije paketa. V Tabela 5 so prikazana vsa možna

poročila, ki se izvajajo v MiWi protokolu.

Tip poročila ID poročila Ime

00h

10h OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST

11h OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE

12h OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST

13h OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE

20h EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST

21h EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE

30h ACK_REPORT_TYPE

40h CHANNEL_HOPPING_REQUEST

41h RESYNCHRONIZATION_REQUEST

42h RESYNCHRONIZATION_RESPONSE

01h-FFh 00h-FFh Razpoložljivo za uporabo

Tabela 5: Poročila v MiWi protokolu

Poročilo tipa 00h je v MiWi protokolu rezervirano za MiWi protokolne pakete sklada (ang.

stack), ki nosijo vsebino direktno v sklad. Sklad je implementacija skupine protokolov, ki

delujejo kot neka celota.

Tip poročila (ang. report type) in ID poročila (ang. report ID) sta definirana v glavi paketa,

tako kot je bilo opisano v delu Format paketa (ang. packed format).

Velikost in vsebina polja tovora podatkov (ang. payload) posameznega poročila je odvisna

od ID poročila. V tej obliki MiWi protokola je vsebina polja tovora podatkov (ang. payload)

velikosti od 0 bytov za pošiljanje paketa s specifičnim tipom poročila ID v bistvu kar

celotno sporočilo. Njegova velikost do 10 oktetov (ang. byt) je tam, kjer je poročilo bilo

dostavljeno z večimi okteti vsebine, najprej z LSB bitom z najmanšo utežjo (ang. least

significant bit).

Sedaj bomo na kratko opisali poročila, ki so navedena v Tabela 5.


36

OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST

Tip poročila (1 beseda) ID poročila (1 beseda) Zahtevan EUI naslov (8 besed)

00h 10h EUI prve naprave v omrežju

Tabela 6: Poročilo OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST

Ciljni naslov glave v MiWi protokolu mora biti PAN koordinator (0000h). Izvorni naslov

glave v MiWi protokolu mora biti naprava, ki je pričela z zahtevo. Zahtevan EUI naslov

polja določa EUI napravo, ki je pričela z zahtevo.

OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE

Tip poročila

(1 beseda) ID poročila (1 beseda)

Vrnjen EUI naslov

(8 besed) Vrnjen kratki naslov (2 besedi)

00h 11h EUI zahtevane

naprave Kratki naslov zahtevane naprave

Tabela 7: Poročilo OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE

Ciljni naslov glave v MiWi protokolu mora biti izvorna naprava, ki je izdala zahtevo. Izvorni

naslov mora biti PAN koordinator. Izhajajoč EUI naslov (ang. resulting EUI adress) polja

določa EUI naprave, ki se je odzvala na zahtevo. To je drug naslov, kot ciljni naslov MiWi

protokola. Posledični kratek naslov (ang. resulting short address) je kratek naslov

naprave, ki se je odzvala na zahtevo. V kombinaciji z EUI in kratkim naslovom, ki sta bila

poslana do obeh zahtevanih vozlišč, oba vozlišča lahko komunicirata v omrežju in najdeta

drug drugega, tudi če se premakneta po omrežju. Ko je

OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE odposlan po omrežju, PAN koordinator nič več

ne hrani informacije vtičnice (ang. socked information).

OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST

Tip poročila (1 beseda) ID poročila (1 beseda)

00h 12h

Tabela 8: Poročilo OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST


37

Obe, izvorni in ciljni, informaciji v glavi MiWi protokola morata imeti vrednost FFFFh. Polje,

ki vsebuje informacijo o skokih, mora imeti vrednost 00h, da preprečimo ponovno

prepošiljanje paketov. Na nivoju MAC plasti morata imeti izvorni in ciljni PANID vrednost

FFFFh. MAC ciljni kratek naslov mora biti FFFFh. Izvorni naslov v MAC plasti mora biti v

načinu dolgi naslov (ang. long address mode).

OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE


00h 13h

Tabela 9: Poročilo OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE

Obe, izvorni in ciljni, informaciji v glavi MiWi protokola morata imeti vrednost FFFFh. Polje,

ki vsebuje informacijo o skokih, mora imeti vrednost 00h. Na nivoju MAC plasti morata

imeti izvorni in ciljni PANID vrednost FFFFh. Izvorni naslov in ciljni naslov v MAC plasti

morata biti dolgi naslov (ang. long address EUI).

EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST

Tip poročila (1 beseda) ID poročila (1 beseda) Iskan naslov EUI (8 besed)

00h 20h EUI naprava, katero se išče

Tabela 10: Poročilo EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST

Oba, ciljni kratek naslov in PANID v glavi MiWi protokola, morata biti v obliki oddajanega

naslova FFFFh. Oba, izvorni naslov in PANID v glavi MiWi protokola, morata biti v obliki

naslova informacije, ki zahteva iskanje po omrežju. Ob sprejemu tega paketa koordinator

v omrežju prepošlje ta paket, če je število skokov večje od 00h. Koordinator nato zmanjša

v polju število skokov (ang. hops counter), predno prepošlje paket naprej. Koordinator

tako ne spreminja vrednosti MiWi protokolnega zaporedja, ko pošilja paket.


38

EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE

Tip poročila

(1 beseda)

ID poročila

(1 beseda)

Iskan naslov EUI

(8 besed) Iskan PANID (2 besedi)

Iskan kratek naslov

(2 bita)

00h 21h EUI naprava,

katero se išče

PANID naprava, katero

se išče

Kratki naslov

zahtevane naprave

Tabela 11: Poročilo EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE

EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE mora biti poslana enkratno, unikatno nazaj na

naslov naprave, ki je poslala zahtevo (to je naprava, ki je omenjena v MiWi protokolu v

izvornem polju zahtevanega paketa).

ACK_REPORT_TYPE


00h 30h

Tabela 12: Poročilo ACK_REPORT_TYPE

Izvorni naslov MiWi protokola v MiWi protokolnem ACK paketu mora biti enak ciljnemu

naslovu MiWi protokola paketa, ki je zahteval potrditev. Ciljni naslov MiWi protokola v

MiWi protokolnem ACK paketu bi moral biti enak izvornemu naslovu paketa, ki je zahteval

potrditev.

CHANNEL_HOPPING_REQUEST

Tip poročila

(1 beseda)

ID poročila

(1 beseda) Trenutni kanal (1 beseda) Kanal po preskoku (1 beseda)

00h 40h Trenutno uporabljani

komunikacijski kanal

Komunikacijski kanal, na

katerega je potrebno preskočiti

Tabela 13: Poročilo CHANNEL_HOPPING_REQUEST


39

CHANNEL_HOPPING_REQUEST je ukaz, da PAN koordinator pošlje vsakemu vozlišču v

omrežju zahtevo, da preklopi na drug kanal. To je pričetek procesa spreminjanja

frekvence.

RESYNCHRONIZATION_REQUEST

Tip poročila (1 beseda) ID poročila (1 beseda) Trenutni kanal (1 beseda)

00h 41h Trenutno uporabljani

komunikacijski kanal

Tabela 14: Poročilo RESYNCHRONIZATION_REQUEST

Ko se naprava, ki spi, prebudi, vendar ne komunicira redno s svojimi starši, lahko to

pomeni, da so se njeni starši zaradi spremembe frekvence prestavili (preskočili) na drug

kanal. RESYNCHRONIZATION_REQUEST je zahteva, ki je poslana od speče naprave in

zahteva ponovno komunikacijo s svojimi starši na omogočenih kanalih.

RESYNCHRONIZATION_RESPONSE


00h 42h

Tabela 15: Poročilo RESYNCHRONIZATION_RESPONSE

Ko se naprava, ki spi, prebudi, vendar ne komunicira redno s svojimi starši, lahko to

pomeni, da so se njeni starši zaradi spremembe frekvence prestavili (preskočili) na drug

kanal. RESYNCHRONIZATION_RESPONSE predstavlja odziv na

RESYNCHRONIZATION_REQUEST, ki prihaja od starša do svojega otroka.

5.11 Sporočila in servisi v skladu

Dodeljevanje naslovov in usmerjanje servisov je samo začetek rešitve za brezžična

omrežja. MiWi protokol nudi druge servisne storitve, ki pomagajo razvijalcem hitreje

doseči rešitev. Ti servisi vsebujejo dinamično kreiranje povezav med dvema napravama,


40

brez da poznamo kakršnokoli informacijo o napravah. Hkrati pa ponuja tudi možnost

iskanja omrežja za naprave z dolgim naslovom.

5.11.1 Iskanje vozlišč v omrežju s pomočjo EUI

Ko dve napravi komunicirata v MiWi omrežju, uporabljata svoje kratke naslove. Če se

omrežna topologija kdaj spremeni, je uporabno, če se ti dve napravi lahko ponovno

najdeta tudi po spremenjeni topologiji omrežja. Kratki naslov naprave v omrežju je vezan

na starša. Vendar pa se kratki naslov ciljne naprave lahko spremeni. Če se to zgodi, mora

nov kratki naslov ciljne naprave biti raziskan, predno se vzpostavi nova povezava. Za

razliko od kratkega naslova se EUI naprave nikoli ne spremeni in je globalno gledano

unikaten. Če ena naprava pozna EUI od druge naprave, se lahko ta naprava loči od

ostalih naprav. Iskanje točno določene EUI v omrežju tako postane zelo pomembno

zaradi ponovne vzpostavitve komunikacije z vozlišči, ki so se premaknila. Pomembna

značilnost MiWi protokola je iskanje po omrežju za specifično EUI napravo.

V protokolu MiWi imamo dva paketa sklada, ki definirata in pomagata pri iskanju

specifične EUI naprave v omrežju. Ta dva paketa sta:

EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST (zahteva po iskanju)

Zahteva po iskanju je v smeri od pošiljatelja k točno določenemu prejemniku (ang.

unicast). Tu gre v smeri k prvemu koordinatorju (Slika 20, sekvenca 1). Nato gre v smeri

od prvega koordinatorja k vsem koordinatorjem v omrežju (ang. broadcast), ki vsebuje

EUI naprave, in mora biti locirana (Slika 20, sekvenca 2). To se ponavlja, dokler števec

skokov ne prekine dejanje (Slika 20, sekvenca 3).

EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE (odgovor na zahtevo po iskanju)

Če ima eden od koordinatorjev to napravo z iskano EUI za otroka, vrne paket z

odgovorom na zahtevo po iskanju (EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE). To pomeni,

da vrne EUI iskane naprave in njen kratek naslov.


41

Slika 20: Vrstni red iskanja EUI naslovov


42

EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE se pošlje v smeri od pošiljatelja k točno

določenemu prejemniku (ang. unicast), vozlišče za vozliščem nazaj proti MiWi izvornemu

naslovu paketa, od koder je bil ta paket poslan (Slika 20, sekvenca 4).

5.11.2 Odpiranje vtičnice k napravi (ang. opening socket to a device)

Še ena značilnost, ki bi lahko bila zelo pomembna v nekaterih omrežjih, je sposobnost

dinamičnega oblikovanja komunikacijskih povezav v omrežju. To je zelo uporabno v

omrežjih, kjer je predhodna konfiguracija vozlišč minimalna. Kot primer navedimo

uporabnika, ki bi rad dodal novo stikalo za luč v sistem za nadzor luči. Vprašanje se glasi:

Kako novo stikalo za luč ve, kateri luči mora poslati paket? Ena možnost je, da bi imeli

neke vrste vmesnik, kjer bi upravljalec naprav sam programiral nadzorne in ciljne naslove

v napravah.

5.11.3 Vtičnik skupine grozda (ang. cluster socket)

Bolj uporabna metoda bi bila, če bi uporabnik pritisnil gumb na stikalu in na luči. Če

najprej pritisnemo stikalo na luči in potem v nekem časovnem intervalu še stikalo na

stikalu za luč, potem imata napravi v tem vmesnem času čas, da se spoznata (ugotovita,

katera mora komunicirati s katero). To omogoči, da se dinamično časovno odvisna

sprememba v vedenju omrežja pretvori v enostavno, uporabniku prijazno metodo. MiWi

protokol to dinamično vzpostavljeno komunikacijsko povezavo definira kot vtičnik skupine.

Ta dinamična vzpostavljena komunikacijska povezava je prisotna med dvema vozliščema,

ki sta člana omrežja, in je nastala na podlagi kratkega naslova. Vtičnik skupine (ang.

cluster socket) pogosto imenujemo tudi indirektna povezava (ang. indirect connection) v

MiApp vmesniku.

Bolj podrobno je to opisano v dokumentu [17]. V prejšnjem primeru pritisk gumba na

stikalu luči pošlje paket OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST k PAN koordinatorju

hkrati z informacijami o napravi (Slika 21, sekvenca 1). To PAN koordinatorja opozori, da

naprava išče nekoga za komuniciranje. PAN koordinator to zahtevo drži odprto nekaj

časa, v odvisnosti od aplikacije. Če podobna zahteva pride tudi iz luči (Slika 21, sekvenca

2), PAN koordinator združi obe zahtevi iz kratkega naslova v en paket


43

OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE in ga pošlje nazaj k stikalu in luči (Slika 21,

sekvenca 3).

Na koncu PAN koordinator odstrani zahtevo po odprtem vtičniku. Če PAN koordinator ne

dobi (ne sliši) druge zahteve po odprtju vtičnice v nekem časovnem obdobju, potem

zahtevo po odprtju vtičnice prekine in ne pošlje odziva k zahtevanemu vozlišču. Ko pa

napravi v točki F in G prejmeta paket OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE,

pregledata vsebino podatkovnega paketa (ang. payload) in se odločita, ali je to naprava, s

katero hočeta komunicirati.

Slika 21: Zaporedje za vtičnik pri odprti zahtevi in odzivu


44

To je odločitev, ki je sprejeta v aplikacijski plasti (ang. application layer decision) in ni

ponujena s strani plasti (ang. stack).

5.12 Upoštevanje uporabnika

Imamo lahko mnogo različnih situacij, ki se lahko zgodijo v omrežju, in niso same po sebi

obdelane v plasti (ang. stack). Vsaka od teh situacij mora biti pretehtana. Nekatere od teh

situacij morajo biti implementirane. Ostale so lahko implementirane, če sistem to zahteva.

5.12.1 Kateremu omrežju se pridružiti?

Značilnost omrežnega iskanja, vgrajenega v MiWi protokol, je, da protokol sam poišče

razpoložljive kanale v omrežju. Če jih ne najde, se sam odloči, kateremu omrežju se

pridruži. Ta odločitev je prepuščena aplikaciji. Nekatere aplikacije hočejo delati z enim

omrežjem preko drugega omrežja oziroma nekateri koordinatorji hočejo komunicirati

preko drugega koordinatorja v istem omrežju. Ko je preiskovanje omrežja zaključeno,

vsaka naprava šele tedaj dobi potrebo po iskanju glede na nek seznam in se odloči,

kateremu koordinatorju se bo pridružila.

5.12.2 Okrevanje iz napak

Okrevanje iz napak je zanimivo vprašanje v brezžičnih omrežjih. Nekateri razvijalci

zahtevajo od omrežij, da se dinamično ozdravijo, ko se pojavi napaka v delu omrežja.

Nekateri pa zahtevajo, da omrežje ostane nespremenjeno, tudi če se napaka v delu

omrežja ponavlja. Zaradi teh različnih variacij ob napakah v omrežju, MiWi protokolna

plast nima privzetih načinov za okrevanje iz napak.

MiWi protokol nudi ACK na obeh plasteh, tako na MAC plasti kot na plasteh MiWi

protokola. To omogoča uporabnikom, da je njihov paket dosegel ciljni naslov pravilno ali

pa ugotovi, da paket ni dosegel cilja. ACK se lahko uporablja za ugotavljanje, kje v

omrežju se pojavljajo napake.

Odločitev o tem, kdaj komunicirati z vozliščem in zakaj ni več na razpolago (napaka

paketa, majhen RSSI, majhen podatkovni prenos), ni značilnost te implementacije.

Trenutna plast ne podpira teh zahtev. Če se pojavi aplikacija s takšnimi zahtevami, se jo


45

doda v aplikacijsko plast, ali pa se spremeni funkcionalnost trenutne plasti, če pride do

take zahteve s strani uporabnika.

Ena izmed možnih napak se pojavi, kadar starš naprave odpove. V nekaterih omrežjih je

to rešeno tako, da naprava, ki je vezana na to starševsko napravo, ki je odpovedala,

najde novega starša, medtem ko je v drugih omrežjih ta naprava zapuščena, dokler se ne

vrne njen starš nazaj. Nekatere implemantacije imajo rajši, da se ta del okvarjene

povezave seli na drug del omrežja in tam zopet zaživi, medtem ko imajo druge

implementacije to urejeno tako, da se ob napaki (odpovedi) komunikacija seli v drugo

omrežje.

Še en izziv, ki ni rešen v plasti, je, kako razlikovati vozlišče od koordinatorja (ali končne

naprave) in PAN koordinatorja, če PAN koordinator odpove. Ker MiWi plast ne ugotovi,

kdaj je naprava v stanju brez povezave (ang. offline), tudi ne more pričeti s tem procesom.

Sprememba koordinatorja v PAN koordinatorja lahko povzroči spor, ki ima za posledico,

da se koordinatorjevi starejši otroci izklopijo iz omrežja. V mislih moramo imeti, da je

naslov PAN koordinatorja vedno 0000h. To pomeni, da mora sedaj koordinator spremeniti

svoj naslov (če hoče zamenjati PAN koordinatorja) in hkrati s tem morajo tudi vsi prejšnji

naslovi njegovih otrok biti spremenjeni. Kateri koordinator bo prevzel vlogo PAN

koordinatorja, je zopet bolje, da je v domeni aplikacije. Veliko omrežij lahko deluje v redu,

tudi če nimajo PAN koordinatorja. Tudi usmerjanje in vklapljanje naprav v omrežju deluje

brez prisotnosti PAN koordinatorja. Vendar pa ni dovoljeno vključevanje novih

koordinatorjev, dokler PAN koordinator ni povezan v omrežje.

5.12.3 Zamenjava EUI, ki ščiti pred selitvijo vozlišč

Vozlišča v brezžičnem omrežju lahko spremenijo svoje starše zaradi različnih vzrokov, ki

vključujejo tudi napake in mobilnost oziroma krajevne premike v omrežju. V taki situaciji

se kratki naslov naprave spremeni. Vozlišča, ki so komunicirala z vozliščem, ki se je

premaknilo drugam, ne bodo več dolgo zmožna komunicirati z njim. To je zaradi razloga,

ker naprave, ki skrbijo za vzdrževanje povezave, kljub mobilnosti vozlišč lahko najdejo

zahtevo po EUI naslovu vozlišča po vzpostavljeni komunikaciji s to napravo.


46

5.12.4 Sprejem odgovora na odprt vtičnik

Plast zagotavlja sredstva za vzpostavitev dinamičnih poti med dvema napravama z

zahtevo po vzpostavitvi indirektne komunikacije (tako imenovan vtičnik v MiWi protokolu).

Ko zahteva vrne nek rezultat, to zgolj kaže na to, da je druga naprava iskala

komunikacijskega partnerja v isti časovni reži. To ne pomeni, da naprava hoče

komunicirati z drugo napravo. Odločitev o tem, ali je vrnjeno vozlišče sprejemljivo ali ne, je

v domeni aplikacijske plasti.

5.12.5 Omrežni otoki

Koordinator in PAN koordinator v MiWi protokolu se ne razlikujeta veliko glede na

funkcionalnost. Zaradi tega je mogoče ustvariti koordinatorja, ki lahko zamenja PAN

koordinatorja (prevzame njegovo vlogo), če ne najde primernega omrežja. To predstavlja

zanimiv izziv, če je celotno omrežje odvisno od energijskega cikla.

Na primer omrežje s PAN koordinatorjem, ki ima dva koordinatorja, ki sta locirana izven

svojih dosegov in z različnimi končnimi napravami. Če je celotno omrežje odvisno od

energijskega cikla in dva koordinatorja prideta v komunikacijo, bosta oba najprej iskala

PAN koordinatorja. Ker ne bosta videla PAN koordinatorja, bosta hotela vsak zase graditi

svoje omrežje, po možnosti še na drugem kanalu. Čez nekaj časa se bo izvorni PAN

koordinator vključil in hotel poiskati svoje omrežje. Našel bo dve različni omrežji, ki

spadata k vsakemu PAN koordinatorju posebej, in se hotel k enemu priključiti. To bo

povzročilo oblikovanje dveh različnih omrežij, ki ne moreta komunicirati med seboj,

namesto da bi to bilo eno samo večje omrežje.


47

Slika 22: Nastanek omrežnih otokov v MiWi protokolu

Kot primer si oglejmo omrežje na Slika 22, sekvenca 1, ki nam kaže, kako omrežje deluje,

če deluje pravilno. Po izpadu električne energije koordinatorja B in C prideta v omrežje

prva (Slika 22, sekvenca 2). Nista zmožna videti eden drugega in tudi ne poiskati vozlišče

A, zato oba pričneta graditi svoje omrežje. Postaneta PAN koordinatorja. Čez nekaj časa

se še ostala vozlišča pridružijo v omrežje.

Ko pride vozlišče A nazaj v omrežje, vidi dve omrežji in se lahko pridruži kateremukoli

hoče. Oba različna omrežja ostaneta nepovezana, razen če je to preprečeno ali

popravljeno. Da se ta problem reši, je najboljša rešitev omogočiti funkcijo zamrznitev

omrežja (ang. network freeze), ki je definirana v MiApp vmesniku. Funkcija zamrznitev

omrežja shranjuje kritične informacije o omrežju v NVM (ang. non volatile memory −

delovni spomin, primer RAM, FLASH). Ko se v omrežju pojavi energijski cikel, MiApp


48

prebere podatke o omrežju iz NVM in povrne omrežje v stanje, ki je bilo pred energetskim

ciklom.

5.12.6 Varnost

V brezžičnih sistemih je varnost eden izmed pomembnih dejavnikov pri vzpostavitvi

komunikacije. Eno izmed orodij za zagotavljanje varnosti so tako imenovani ključi, ki so v

bistvu varnostne kode pri prepoznavanju objektov pred vzpostavitvijo komunikacije.

Obstajajo primeri, ko je potrebno prenesti ključ. V nekaterih aplikacijah se naprave lahko

pridružijo omrežju, ne da imajo vnaprej določen ključ, ampak dobijo dodeljen ključ šele

enkrat, ko so že v omrežju. Nekatera omrežja svoje ključe osvežujejo periodično.

Uporabniki spodbujajo implementacijo tako imenovanega procesa izmenjave ključa (ang.

key handling procedure) v aplikacijski plasti z ločenim poročilom o tipu (ang. report type)

in poročilom o ID (ang. report ID). Ena metoda za doseganje tega je prenos varnostnega

ključa in zaporedja števila ključev (ang. key sequence number) vsakokrat, ko se vozlišče

poveže v omrežje, hkrati pa se shranita oba podatka v RAM.

Ta pristop zadovolji samo minimalne zahteve o varnosti v omrežju, kajti varnostni ključ se

prenese vsakokrat, ko se vozlišče pridruži omrežju. Alternativa temu pristopu je postopek,

da se vsaki napravi dodeli nek privzeti ključ, s katerim se zaščiti poslan ključ. Ta pristop

nudi minimalno zaščito za ključe.

Tretji, bolj varen pristop, temelji na dodani novi funkciji, ki shrani podatke v NVM med

delovanjem. Tukaj se morata varnostni ključ in zaporedje števila ključev samo enkrat

prenesti, to je takrat, ko se naprava prvič poveže v omrežje. Tako pridobljena varnostna

informacija je zadržana v programskem spominu in je ni treba ponovno poslati po

omrežju, če naprava zapusti ali se ponovno pridruži omrežju. Te metode prenašanja

ključa so samo predlogi. Če je ta funkcionalnost zahtevana s strani aplikacije, je

prepuščena uporabniku, da on sam implementira zanj primerno metodo.


49

6 IMPLEMENTACIJA MIWI PROTOKOLA S POMOČJO PROGRAMSKEGA RAZVOJNEGA OKOLJA KEIL UVISION4

V zadnjih letih je na svet mikrokrmilnikov in vgrajenih sistemov močno vplivala

popularnost ARM arhitekture ter zadnje čase zlasti Cortex arhitektura, ki temelji na ARM

arhitekturi. Razvit je bil modul brezžičnih senzorskih omrežij (BSO) na osnovi

mikrokrmilnika s Cortex M3 arhitekturo, ki je poimenovan SPaRC Mosquito v.2 [18]. Modul

je sestavljen iz več komunikacijskih vmesnikov za povezavo z različnimi vrstami omrežij.

Ima že nekaj uspešno realiziranih aplikacij ter uporabo v pedagoškem in raziskovalnem

delu. Modul ima naslednje lastnosti:

možnost raznolike nadgradnje,

majhna poraba energije,

na osnovni plošči integriran radijski modul,

majhne dimenzije.

6.1 Strojne komponente

Za predstavitev brezžične senzorske komunikacije z uporabo MiWi protokola smo

uporabili senzorsko vozlišče, ki ga sestavljajo tri glavne komponente: mikrokrmilnik,

radijski modul in brezžični omrežni analizator ZENA [19]. Senzorsko vozlišče smo

zasnovali na osnovnem modulu SPaRC Mosquito 2 [18], ki temelji na mikrokrmilniku NXP

LPC1758 [20]. Za samo programiranje smo uporabili programator KEIL ULINK2 [21] z

razvojnim okoljem KEIL UVISION4 [22]. Za nadzor in pregled samega protokola smo

izbrali orodje, brezžični omrežni analizator ZENA, proizvajalca Microchip. Za brezžično

komunikacijo pa smo uporabili radijski modul proizvajalca Microchip MRF24J40MA [23]. V

nadaljevanju bomo na kratko opisali uporabljene komponente.

6.2 SPaRC Mosquito v.2 osnovni modul

Baterijsko napajan osnovni modul se ponaša z zmogljivim mikrokrmilnikom Cortex M3.

Poznamo osnovni in razširjeni modul, vendar bomo na tem mestu opisali samo osnovni

modul, ki smo ga tudi uporabili. Mikrokrmilniki ARM Cortex M3 so zelo razširjeni v


50

mobilnih napravah zaradi procesne zmogljivosti (LPC1768 v SPaRCMosquito zmore 125

MIPS) in zaradi nizke porabe energije. Tu sta uporabljeni dve AA-akumulatorski bateriji s

kapaciteto 2,3 Ah, ki zadostujeta za celodnevno neprekinjeno obratovanje s polno

zmogljivostjo. Vgrajen DC/DC pretvornik omogoča indikacijo izpraznjenosti akumulatorjev

ter skrbi za konstantno 3,3 V napajanje modula. Blokovno shemo osnovnega modula

prikazuje Slika 24.

Slika 23: Osnovni modul SPaRCMosquito v.2

Slika 24: Arhitektura osnovnega modula SPaRCMosquito v.2

Na osnovnem modulu je integriran radijski modul MRF24J40, ki podpira standard IEEE

802.15.4 ZigBee. Podpira prosto razpoložljiv ISM-pas 2,4 GHz in ima na tiskanem vezju


51

izdelano microstrip anteno. Zunanji videz osnovnega modula prikazuje Slika 23. Poleg

naštetega je na modulu še nekaj kontrolnih tipk in led indikatorjev ter tri razširitvene reže.

6.3 Radijski modul Microchip MRF24J40MA

Slika 25: Radijski modul Microchip MRF24J40MA

MRF24J40MA je 2,4 GHz RF modul za površinsko montažo, ki uporablja IEEE 802.15.4

protokol. Integriran ima kristal, interni napetostni regulator, vezja za ujemanje in PCB

anteno. MRF24J40MA modul je kompatibilen z Microchipovim ZigBee, MiWi in MiWi P2P

protokolom. Na Slika 26 je prikazana poenostavljena arhitektura tega modula.

Slika 26: Arhitektura modula Microchip MRF24J40MA

Modul MRF24J40MA komunicira z Microchipovim PIC mikrokontrolerjem preko

štirižičnega serijskega SPI vmesnika.


52

Slika 27: Komunikacijski signali med PIC mikrokrmilnikom na modulu SPaRCMosquito v.2

in modulom Microchip MRF24J40MA

Več podatkov o MRF24J40MA RF modulu najdemo v Microchipovi produktni specifikaciji

MRF24J40MA Data Sheet 2.4 GHz IEEE Std. 802.15.4™ RF Transceiver Module [23].

6.4 ZENATM brezžični omrežni analizator

Slika 28: Microchip ZenaTM brezžični omrežni analizator

ZENA brezžični analizator omrežja zagotavlja tri glavna orodja za hiter in učinkovit razvoj

IEEE 802.15.4 rešitev, za potrebe ZigBeeTM in MiWiTM protokola. ZENA analizator je hkrati

tudi paketni analizator v IEEE 802.15.4, ki podpira 2,4 GHz spekter ter dekoder za pakete

ZigBee in MiWi protokola. Uporablja se tudi kot podpora za analizo brezžičnega omrežja.

ZENA brezžični analizator omrežja nam izriše topologijo omrežja, ki je zgrajena, ter hkrati


53

uporabniku omogoča spremljanje paketov v omrežju, shranjevanje poti, ki jih paketi

uporabljajo v omrežju, ter ponovni pregled in spremljanje paketa v različnih uporabniško

določenih hitrostih. ZENA brezžični analizator omrežja ima vgrajen mini-B USB port, za

povezavo na PC. Napajanje dobi preko USB vodila. Vgrajeno ima tudi PCB anteno, preko

katere se poveže in sprejema podatke iz brezžičnega omrežja ter jih preko USB vodila

pošlje v PC, kjer se s pomočjo uporabniškega vmesnika lahko pregledajo.

Več podatkov o ZENA brezžičnem analizatorju omrežja najdemo v Microchipovih

uporabniških navodilih ZENA™ Wireless Network Analyzer [19].

Izbrati je potrebno zavihek MiWi v glavnem oknu prikazan na Slika 29, da pridemo v

naslednje uporabniško okno, v katerem so nastavitve za MiWi protokol.

Slika 29: Glavno okno ob zagonu ZENA brezžičnega analizatorja omrežja


54

6.5 Pregled oken z osnovnimi nastavitvami ZENA brezžičnega

analizatorja omrežja

Nastavitve za MiWi Device okno

Slika 30: Konfiguracijsko okno v plasti za MiWi napravo

Z uporabo tega okna lahko konfiguriramo naslednje možnosti:

nastavitev MAC naslova,

sprejemanje omrežnega naslova od koordinatorja,

nastavitev možnosti, da naprava FFD postane koordinator,

nastavitev za vtičnik skupine (ang. cluster), če aplikacija to podpira,

iskanje naslova za EUI,

nastavitev tipa IEEE naprave,

nastavitev izhodne moči oddajnika,


55

izbor osnovnega napajanja aplikacije,

izbor osnovnega napajanja, ki je na razpolago aplikaciji,

možnost nastavitve P2P komunikacije,

možnost nastavitve P2P vtičnikov, če jih aplikacija podpira.


56

Nastavitve za Transceiver okno

Slika 31: Konfiguracijsko okno v plasti za oddajnik

Z uporabo tega okna lahko konfiguriramo naslednje možnosti:

izbor vrste oddajnika,

frekvenčni pas,

izhodno moč signala,

postavitev aktivnih I/O pinov v odvisnosti od zahteve plasti,

nastavitev I/O pinov v demo konfiguraciji,

dovoljeni posamezni kanali v frekvenčnem pasu.


57

Nastavitve za Security okno

Slika 32: Konfiguracijsko okno v plasti za nastavitve varnosti

To okno se uporablja za nastavitve varnosti v MiWi protokolni komunikaciji oziroma ali

bomo uporabljali varnost ali ne. To okno vsebuje tudi:

določitev uporabe varnosti in ali bodo naprave sprejemale zakodirana sporočila,

vpis vrednosti omrežnega ključa,

nastavitev nivoja varnosti.


58

Nastavitve za NWK/MAC okno

Slika 33: Konfiguracijsko okno v plasti za nastavitve NWK/MAC plasti

To okno se uporablja za nastavitve NWK in MAC plasti. Večina možnosti na tem oknu je

vključenih ali izključenih v odvisnosti od tipa MiWi naprave, ki je izbrana v oknu MiWi

Device:

nastavitev velikosti oddanega sporočila,

nastavitev velikosti sprejetega sporočila,

nastavitev časa, ki ga aplikacija potrebuje za pregled omrežja,

nastavitev časa, ki ga aplikacija potrebuje, medtem ko čaka na potrditev vtičnika

od PAN koordinatorja,

nastavitev velikosti sporočila, ki je namenjeno k otroku,

nastavitev časa, ki je potreben za dostavo sporočila, ki je namenjeno otroku,

nastavitev frekvence, v kateri naprava zahteva podatke od starša,


59

nastavitev velikosti omrežne tabele, kjer se shranjujejo naslovi in poti posameznih

naprav v MiWi omrežju,

nastavitev največjega števila skokov za posamezno sporočilo, ki je še dovoljeno.


60

Nastavitve za PIC okno

Slika 34: Konfiguracijsko okno v plasti za nastavitve PIC

To okno se uporablja za osnovne nastavitve PIC mikrokrmilnika:

izbor družine ciljnih naprav v odvisnosti od izbranega mikrokrmilnika,

nastavitev frekvence delovanja PIC mikrokrmilnika, ki je pomembna zaradi interne

nastavitve časa v MiWi protokolu,

nastavitev izhodnih sporočil plasti, ki se prenesejo na PIC mikrokrmilnik.


61

7 SKLEP

Za razvijalce je MiWi protokol vstopna točka v brezžična omrežja, ker zagotavlja nizko

cenovno platformo za lahek in hiter razvoj brezžičnega omrežja kratkega dosega. Hkrati

MiWi protokol zagotavlja funkcije, ki lažje pomagajo pri implementaciji preprostih

brezžičnih omrežij. Namen tega protokola pa ni, da bi definiral vse možne scenarije in

zahtevane odločitve pri ustvarjanju brezžičnih rešitev.

MiWi protokol je vstopna točka za Microchipove brezžične rešitve, ki temeljijo na

standardu IEEE 802.15.4. Vsi uporabniki, ki rabijo bolj kompleksne rešitve v brezžičnih

omrežjih, bodo morali poseči po ZigBee oziroma bodo morali razširiti protokol MiWi glede

na svoje potrebe.

V diplomskem delu smo analizirali in preučili komunikacijski protokol MiWi za potrebe

komunikacij v industrijskih aplikacijah.

MiWi protokol smo za potrebe testiranja implementirali na enostavnem primeru

brezžičnega senzorskega omrežja P2P. Glavne komponente, ki smo jih pri tem uporabili,

so:

KEIL ULINK 2 razvojno okolje za procesorje iz družin Cortex-Mx, ARM7, ARM9,

C166, XE166, XC2000 in 8051, katerega naloga je bila povezati vrata USB

računalnika na naš ciljni sistem (preko JTAG, SWD ali OCDS). Omogočilo nam je

programiranje in razhroščevanje vgrajenih programov na ciljni strojni opremi

SPaRC Mosquito v.2

UVISION 4 programsko opremo smo uporabljali za urejanje izvorne kode

programa, odpravljanje napak in simulacijo v zmogljivem okolju

baterijsko napajan osnovni modul SPaRC Mosquito v.2 z mikrokrmilnikom NXP

LPC 1758 iz družine Cortex M3 smo uporabili za izvajanje aplikacij na modulu

SPaRC Mosquito v.2

radijski modul Microchip MRF24J40MA, ki je integriran in povezan s pomočjo SPI

vodila na modul SPaRC Mosquito v.2, smo uporabili za izvedbo in testiranje MiWi

protokola

s pomočjo Microchipovega ZenaTM brezžičnega omrežnega analizatorja in z

uporabo enostavnega grafičnega vmesnika smo spremljali, kako pride do

vzpostavitve komunikacijske povezave in kako se prenese podatek preko MiWi


62

omrežja med modulom SPaRC Mosquito v.2, ki deluje kot PAN koordinator, in

med ZenaTM brezžičnim analizatorjem.

Ugotovili smo, da je v primeru uporabe topologije zvezda in samo MiWi PAN koordinatorja

sistem relativno enostavno obvladljiv. Če dodamo več RFD ali FFD končnih naprav in

uporabimo P2P topologijo ter več povezav med njimi, se bistveno oteži delo z vzpostavitjo

komunikacije med njimi. Potrebno je veliko programerskega znanja za realizacijo

implementacije protokola za omrežja z več vozlišči.

Bistvena razlika med protokoloma ZigBee in MiWi P2P je:

podatkovni nizi so v MiWi protokolu zelo majhni, od 3 KB do17 KB, medtem ko so

pri ZigBee v velikosti od 40 KB do100 KB, zato je MiWi protokol bolj primeren za

cenejše aplikacije z omejenim pomnilnikom,

protokolni sklad MiWi P2P podpira topologijo zvezda in topologijo P2P (ang. peer-

to-peer). V tem protokolu nimamo možnosti usmerjanja, ampak samo dostavo

sporočil v radijskem spektru izvorne naprave,

ZigBee je primeren za uporabo v industriji z velikim omrežjem, medtem ko je MiWi

primeren za majhna zasebna omrežja,

MiWi omogoča največ štiri skoke v omrežju, medtem ko ZigBee nima omejitev v

skokih,

MiWi omrežje ima lahko največ 1024 vozlišč za razliko od ZigBee, kjer jih je lahko

do 65536,

MiWi protokol se lahko brezplačno prenese s spleta, vendar se ga lahko

brezplačno uporablja samo z Microchip mikrokontrolerji.


63

8 LITERATURA

[1] “WPAN,” 2013. [Online]. Available: http://www.ieee802.org/15/. [Accessed: 16-Dec-2013].

[2] IETF, “6LoWPAN,” 2013. [Online]. Available: https://ietf.org/wg/6lowpan/. [Accessed: 16-Dec-2013].

[3] ZigBee Alliance, “ZigBee,” 2013. [Online]. Available: http://www.mendeley.com/download-mendeley-desktop/welcome/?_registered&funnelType=client-desktop&skipDownload=true.

[4] Microchip, “Microchip MiWi Wireless Networking Protocol Stack,” 2010.

[5] “IETF,” 2013. [Online]. Available: http://www.ietf.org.

[6] “W3C,” 2013. [Online]. Available: http://www.w3.org.

[7] “ISO,” 2013. [Online]. Available: http://www.iso.org/iso/home.html.

[8] “IEC,” 2013. [Online]. Available: http://www.iec.ch.

[9] “ISA,” 2013. [Online]. Available: http://www.isa.org.

[10] “WirelessHART,” 2013. [Online]. Available: http://www.hartcomm.org.

[11] “ZigBee Alliance.” .

[12] ZigBee Alliance, “ZigBee Specification.” 2007.

[13] S. Das C. Perkins, E. Belding-Royer, “AODV,” 2003. [Online]. Available: http://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt.

[14] D. C. G. Montenegro, N. Kushalnagar, J. Hui, “Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks,” 2007. [Online]. Available: http://www.ietf.org/rfc/rfc4944.txt.

[15] K. D. C. Shue, W. Haggerty, “OSI Connectionless Transport Services on top of UDP,” 1991. [Online]. Available: http://tools.ietf.org/html/rfc1240.

[16] “MICROCHIP TECHNOLOGY,” 2013. [Online]. Available: http://www.microchip.com.

[17] “MiWi ( TM ) P2P Stack Application Programming Interfaces,” no. c. 2008.

[18] “SPaRCMosquito v.2,” pp. 4–6, 2010.

[19] “ZENA TM Wireless Network Analyzer User ’ s Guide,” 2008.


64

[20] N. X. P. Semiconductors, “UM10360 LPC17xx User manual,” no. August, 2010.

[21] “KEIL ULINK2.” [Online]. Available: http://www.keil.com/ulink2/.

[22] P. Addison, “KEIL UVISION4,” Jul. 2002.

[23] M. Technology, “MRF24J40MA,” 2008.


65

9 PRILOGE

Documents

BREZŽIČNO SENZORSKO OMREŽJE MiWi - core.ac.uk · work illustrates how to set up simple “peer-to-peer” wireless sensor link in a wireless sensor network using MiWi protocol