Беспроводные персональные сети

Персональные сети (Personal Area Networks – PAN) предназначены для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу и расположенных территориально на небольшом расстоянии (около 10 м).

Особенности PAN:

· простота, малые размеры и низкая стоимость объединяемых устройств и, как следствие этого, низкая стоимость реализации сети;

· небольшой диаметр сети;

· высокие требования к безопасности;

· беспроводная реализация;

· небольшая мощность излучаемых сигналов (не более 100 мВт).

Технология Bluetooth

Технология Bluetooth, описанная в стандарте IEEE 802.15.1 обеспечивает взаимодействие различных устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи до 1 Мбит/с.

В основе Bluetooth лежит концепция пикосети, которая характеризуется следующими особенностями:

· небольшая область покрытия от 10 м до 100 м;

· количество устройств в сети – до 255;

· количество активных (одновременно взаимодействующих) устройств – до 8;

· одно устройство главное (Г), в качестве которого обычно используется персональный компьютер), остальные подчиненные (П);

· несколько пикосетей могут образовывать рассредоточенную сеть, в которой одно устройство, называемое мостом, одновременно принадлежит нескольким сетям и может быть главным устройством одной пикосети и подчинённым устройством другой пикосети;

· метод доступа – CDMA с использованием техники FHSS;

· надёжность передачи данных реализуется с помощью механизма квитирования;

· кадры имеют длину до 343 байт;

· для передачи голоса используются кадры длиной 30 байт.

Технология ZigBee

ZigBee – технология, описанная в стандарте IEEE 802.15.4 и предназначенная для построения беспроводных персональных сетей (WPAN) с использованием небольших маломощных радиопередатчиков.

Спецификация ZigBee нацелена на приложения, которым требуется б о льшее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при небольших скоростях передачи данных.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с многосвязной (ячеистой) топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения технологии ZigBee – это построение беспроводных сенсорных сетей, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также применение в бытовой электронике и персональных компьютерах.

Технология ZigBee разработана с целью быть проще и дешевле, чем другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth.

Устройство ZigBee может активироваться (переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, что существенно меньше по сравнению с Bluetooth, для которого задержка при переходе от спящего режима к активному достигает 3-х секунд. Так как устройства ZigBee большую часть времени находятся в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается продолжительная работа батарей.

Типовые области применения технологии ZigBee:

· домашняя автоматизация – температурный контроль, охрана и безопасность, датчики воды и мониторинг энергии, датчики задымления и пожара и т.д.;

· мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа в помещения, охрана здоровья, телепомощь;

· промышленное и коммерческое применение — контроль производственных процессов и промышленного оборудования, управление энергией, контроль доступа.

Существуют три типа устройств ZigBee.

· Координатор ZigBee (ZC) – наиболее ответственное устройство, формирующее пути дерева сети и связывающееся с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee, который запускает сеть и может хранить информацию о сети.

· Маршрутизатор ZigBee (ZR) – может выступать в качестве промежуточного устройства, передавая данные между остальными устройствами.

· Конечное устройство ZigBee (ZED) – может обмениваться информацией с материнским узлом (координатором или маршрутизатором), но не может передавать данные от других устройств.

Такое поведение позволяет узлу большую часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей.

Конечное устройство имеет небольшую память, что делает его дешёвым в производстве.

Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4 беспроводных персональных сетей, который описывает нижние слои протокола (физический слой PHY и управление доступом MAC).

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает использование метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра и работу в трех диапазонах:

· 1 канал в диапазоне 868,0-868,6 МГц;

· 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц);

· 16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц).

Соответственно скорость передачи данных составляет 20 кбит/с, 40 кбит/с и 250 кбит/с для каждого канала, расстояние передачи – от 10 до 75 метров.

Базовый режим доступа к каналу в сетях ZigBee – CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Однако возможны ситуации, исключающие применение CSMA.

Например, при передаче пакетов подтверждения приема данных (если потеря пакета критична) Стандарт ZigBee призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку делает возможным построение сетей с низким потреблением энергии и гибкими функциями поддержки беспроводного взаимодействия.

Беспроводные сенсорные сети

Беспроводная сенсорная сеть (WSN – Wireless Sensor Network) представляет собой распределённую самоорганизующуюся устойчивую к отказу отдельных элементов сеть, состоящую из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных посредством радиоканала. Область покрытия сенсорной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

Беспроводные сенсорные сети находят всё более широкое применение в производстве, на транспорте, в системах обеспечения жизнедеятельности, в охранных системах и т.п. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров делает возможным применение сенсорных сетей для контроля:

· различных параметров (температура, давление, влажность и т. п.);

· доступа в режиме реального времени к удаленным объектам мониторинга;

· отказов исполнительных механизмов;

· экологических параметров окружающей среды.

Беспроводные сенсорные сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств – мотов, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств.

Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.

«Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который может быть представлен тремя устройствами.

1. Сетевой координатор (FFD — Fully Function Device):

· осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;

· наиболее сложное устройство, требующее память большой ёмкости и источник питания.

2. Устройство с полным набором функций (FFD — Fully Function Device):

· поддерживает стандарт 802.15.4 (ZigBee);

· дополнительная память и энергопотребление позволяют выполнять роль координатора сети;

· поддерживает все топологии («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);

· общается с другими устройствами сети.

3. Устройство с ограниченным набором функций (RFD — Reduced Function Device);

· поддерживает ограниченный набор функций стандарта 802.15.4;

· поддерживает топологии «точка-точка», «звезда»;

· не выполняет функции координатора;

· обращается к координатору сети и маршрутизатору.