Безжични технологии на полево йерархично ниво

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007

Безжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично нивоБезжични технологии на полево йерархично ниво
 

Архитектура на безжични мрежи, дефинирана от стандарта IEEE 802.15.4

Немалко специалисти по КИП и А нареждат безжичните технологии на полево йерархично ниво сред най-големите новости в областта на индустриалната автоматизация, практическото приложение на които ще доведе до сериозна промяна в техническите възможности за управление на процеси. Следвайки съществуващата тенденция, към безжичните мрежи непрекъснато се поставят нови изисквания по отношение обмена на информация. Доскоро основният фокус в развитието на безжичните технологии бе поставен върху осигуряване на все по-висок комуникационен обем на информацията. За съжаление, този едностранен поглед остави встрани от областта на безжичните технологии голям брой приложения, изискващи опростена безжична свързаност с намалена производителност, комбинирана с изисквания за ниска енергийна консумация и батерийно захранване.

Технологиите, стандартизирани с IEEE 802.11, налагат много големи изисквания по отношение едновременно и на висока скорост на обмен, и на ниска енергийна консумация. От друга страна, Bluetooth технологията, която първоначално бе насочена към замяна на опроводената връзка с безжична, също е твърде усложнена за нискоенергийни приложения. Устройствата, свързани в Bluetooth мрежи, ще трябва да се зареждат неколкократно или дори батерията им да се замени в рамките на една година.

В областта на процесната индустрия броят на полевите устройства, работещи на труднодостъпни места, е много голям. Следователно, в подобни приложения основен проблем е осигуряване на енергиен източник с дълъг експлоатационен живот. Именно за автоматизационни приложения, свързани с изграждане на безжични мрежи на полево йерархично ниво, изискващи невисока скорост на обмен на информация и ниска енергийна консумация се отнася

стандартът IEEE 802.15.4

Той е част от работната група стандарти IEEE 802.15, разработени специално за безжични персонални мрежи (Wireless Personal Area Networks или WPAN). WPAN са мрежи, свързващи устройства на относително къси разстояния. От своя страна, стандартите IEEE 802.15 принадлежат към фамилията стандарти IEEE 802 и са ориентирани към изграждане на безжични мрежи с ниски степен на сложност и консумация на енергия. Принципно чрез WPAN се осъществяват мрежови комуникации, най-често между преносими или подвижни устройства като компютри и периферия, мобилни телефони, електронни устройства за масова употреба, промишлени устройства и т.н.

Стандартът IEEE 802.15.4 е разработен специално за унифициране на приложения с ниска скорост на обмен на информация в честотни обхвати, неизискващи лиценз. Отнася се най-вече за устройства с батерийно захранване, към което са поставени изисквания за дълъг живот. Възможни приложения на стандарта са полеви измервателни устройства, интерактивни устройства, интелигентни маркери, сградна автоматизация и др. Стандартът регламентира три скорости на информационен обмен - 250 kbps, 40 kbps и 20 kbps съответно за честотите 2,4 GHz, 915 MHz и 868 MHz. Режимите на адресиране са два - 16-битово късо и 64 битово IEEE адресиране. Предвидена е поддръжката на критични латентни устройства, като джойстици и достъп до CSMA-CA канали.

Съгласно стандарта, мрежата се създава автоматично от координатора й. С цел осигуряване надеждност на трансфера на данни, комуникационният протокол изцяло се договаря от устройствата. Във връзка с изискваната ниска консумация, в стандарта са дефинирани и нормите за управление на захранването им.

Област на приложение

Сред най-важните приложни области на дефинираните със стандарта IEEE 802.15.4 безжични сензорни мрежи (wireless sensor networks - WSN) са индустриалният контрол и управление, проследяването на предмети, мониторингът в строителството и др. Терминът WSN се отнася в общия случай за безжични мрежи, изградени от пространствено разпределени автономни устройства. Тези устройства съдържат сензори, посредством които се извършва мониторинг и контрол на физически или други характеристики, като температура, шум, вибрации, налягане, ниво на замърсеност на околната среда и т.н. в различни местоположения.

По време на инициализацията на мрежата, нейните възли, т.е. устройствата, се класифицират или като “опорни” възли (с известно местоположение, което точно би могло да бъде определено, например чрез GPS) или като “невидими” възли (устройства, от които се получава информация, без да е известно текущото им местоположение). Поне един от първоначално дефинираните възли (без значение опорен или невидим), имащ достатъчно памет и изчислителни възможности, ще действа като централен процесорен елемент (ЦПЕ) или т.нар. портално устройство. ЦПЕ обработва отделните данни на всяко устройство от мрежата, изпълнява локалните изчисления и преобразува тези пресмятания в позиции на мрежовата карта. ЦПЕ и опорните елементи образуват общата карта на мрежата.

За разлика от традиционните мултилатерационни системи, при които едно устройство разбира своята позиция чрез комуникация от типа “всеки с всеки” (peer-to-peer) с набор от опорни устройства в неговия предавателен обхват, то при описваните системи едно устройство открива местоположението на друго чрез многопреходна (multihop) комуникация, тъй като някои от “невидимите” устройства няма да бъдат в комуникационния обхват на “опорното” устроство.

Архитектура на мрежите

Архитектурата на една безжична мрежа, в съответствие с изискванията на стандарта IEEE 802.15.4, е показана на фиг. 1. В основата се намира физическият слой или PHY (physical layer). Над него е слоят за свързване на данни или DLL (Data link layer). Той съдържа два подслоя - Управление на канала за достъп или MAC (medium access control) и Управление на логическата връзка или LLC (logical link control). Последният е стандартизиран от IEEE 802.2 и е общ за Стандарти 802.3, 802.11, 802.15.4 и 802.15.3. В същия подслой се намира и IEEE 802.15.4 SSCS (Service Specific Convergence Sublayer) - подслой за обслужване на специфична конвергенция, отнасящ се за някои специфични приложения.

Подобно на всички стандарти от групата IEEE 802 и стандартът IEEE 802.15.4 съдържа само слоеве, достигащи в йерархията до DLL и съдържа части от него. Според философията на стандарта протоколите за комуникация в по-високите слоеве са въпрос на индивидуална преценка, според конкретните изисквания. В дадения на фиг. 1 модел, следващ в йерархията е Мрежовият слой (network layer). С цел по-ясно възприемане на мрежовата организация някои от особеностите на този слой са описани в статията.

Физическият слой (PHY) на архитектурата

Стандартът IEEE 802.15.4 регламентира две възможности за физическия слой PHY. Едната е 2450MHz PHY и определя работата в 2,4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical - промишлена, научна и медицинска) честотна лента с 16 канала, която е безлицензна в почти целия свят (фиг. 2). Другата възможност е 915/868MHz PHY и определя работата в 915MHz лента (с 10 канала) или в 868MHz лента (с един канал). И двете възможности за физически слой са базирани на методите “пряка последователност на разпространения спектър” или DS/SS (Direct Sequence Spread Spectrum). Също така и двата варианта на физически слой PHY си поделят една и съща базова пакетна структура за малък работен цикъл с цел ниска консумация на енергия. Очевидни са предимствата на 2,4 GHz лента, която е международно лицензирана, което е от определящо значение за потенциално големия пазар и по-ниските производствени цени на устройствата, работещи на нея. Освен това, при лентите 915/868MHz времето за трансфер на информацията е по-дълго.

При 2450MHz PHY се използва шестнадесетична ортогонална техника на модулация с DS/SS характеристики. Двоичните данни са групирани в 4-битови символи, като всеки символ се оформя чрез 32-чипова PN поредица (PN абревиатура от PseudoNoise - псевдошум). Чиповете в случая са синусоидална полувълна с по-малка продължителност от информационния бит, респективно с по-голям брой за единица време. На фиг. 3 е показан пример за OQPSK символна форма на вълната.

Наборът от шестнадесет PN поредици са избрани, за да осигурят баланс между автокорелационните свойства (за символна синхронизация) и кръстосано-корелационните свойства (за ортогоналност). PN поредиците се модулират върху носещия сигнал, използвайки начална квадратурна фаза на променящо се включване или OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying). Това е техника на модулация с константна обвивка, която позволява да се използва ефективен, нелинеен усилвател на мощност в крайното стъпало на предавателя. Символите се предават със скорост 62,5 ksymb/s, което съответства на 250 kbps и на 2 Mchip/s.

Структурата на пакета е показана на фиг. 4. На нея би могъл да се види т.нар. протокол на физическия слой за единица данни PPDU (PHY Protocol Data Unit). Всеки PHY пакет съдържа първо уводна част от 4 байта за символна синхронизация, следван от 1 байт ограничител за начало на рамка или SOF (Start-Of-Frame). Третият елемент в протокола също е с дължина 1 байт и това е заглавната част или PHY HDR (PHY Header), който специфицира дължината на следващия след него информационен блок или PSDU (PHY Service Data Unit). Именно в PSDU се съдържа полезната информация, изпращана от трансмитера. PSDU би следвало да бъде с дължина не по-голяма от 127 байта.

Както се вижда от фиг. 2 2, 4 GHz физически слой би могъл да има 16 честотни канала за връзка. Механизмите на физическия слой - Детекция на енергията ED (Energy Detection) и Индикация за качеството на връзката или LQI (link Quality Indication) са включени, за да позволят динамичен избор на канала за връзка по време на мрежовата инициализация (първоначалното установяване) или при продължителен престой на канал в неактивно състояние. Алгоритъмът LQI може да бъде конфигуриран, за да осигури индикация за силата на приетия сигнал RSSI (Received Signal Strength Indication) при методите за определяне на обхвата. Нещо повече, получавайки LQI информация от множество канали, се постига смекчаване на ефектите от многопосочното затихване на RSSI-базираните алгоритми за определяне на обхвата.

Чувствителността е определена на 85 dBm, но повечето устройства притежават по-добра. Устройствата с ниска мощност, предаващи на 0 dBm, в този случай ще имат 90 dB усилване на връзката, за да надхвърлят неефективността на антената или загубите по трасето. Това би било достатъчно, за да осигури работен обсег от порядъка на 10-20 метра между устройствата. Допълнително разширяване на обсега е възможно да се постигне чрез увеличаване на излъчваната мощност, което е ограничено единствено от регулаторните органи.

Слой свързване
на данни (DLL)

Както вече бе подчертано, обща практика на фамилията стандарти IEEE 802, отнасящи се за моделите на слоя за свързване на данни DLL, е разделянето му на два подслоя - MAC и LCC. Специално внимание в статията се обръща на характеристиките и особеностите на подслоя MAC.

Подслоят MAC осигурява обслужване на по-горните слоеве. Наред с това, поддържа 17 примитиви, които служат за трансфер на информацията между протоколните слоеве вътре в отделното устройство. В допълнение, MAC поддържа и набор от 9 команди за комуникация между устройствата през канал за връзка.

Една от главните роли на подслоя MAC в едно локално приложение е да препредава измерванията за качество на сигнала от физическия слой към мрежовия слой. Стандартът IEEE 802.15.4 регламентира всеки получен пакет (frame) да има стойност за индикация за качеството на връзката LQI, свързана със самия пакет. Стойността на индикацията за силата на приетия сигнал RSSI за даден пакет може да се използва и като LQI. Стойността на LQI се генерира във физическия слоя PHY и преминава през MAC за използване в по-горните слоеве. От своя страна, MAC примитивите отговарят за иницииране на определени функции във физическия слой, като изследване на ED, чрез която е възможно да се прецени точно качеството за един или множество по-важни канали в мрежовата формация. Друга функция, която би могла да бъде инициирана, е т.нар. активно проучване. Тя се използва за търсене на приоритетни мрежи за свързване (обединяване) на възли (т.е. устройства).

Физически
устройства,
поддържани от MAC

Подслоят MAC поддържа два типа физически устройства - устройства с пълна функционалност FFD (Full Function Device) и устройства с ограничена функционалност RFD (Reduced Function Device). Устройствата с пълна функционалност FFD поддържат пълния набор функции, регламентирани в IEEE 802.15.4, а устройствата с ограничена функционалност RFD - непълен набор. Следователно, RFD изискват по-малко памет (РАМ) и ще консумират по-малко енергия в сравнение с FFD.

Стандартът IEEE 802.15.4 чрез подслоя MAC въвежда множество мрежови топологии, включително звездообразна (фиг. 5), “всеки с всеки” и дървовидна (фиг. 6). На фиг. 7 е показана т.нар. комбинирана топология.

Общ формат на MAC пакети

На фиг. 8 е показан общият формат на MAC пакет (MAC protocol data unit). Той е изграден от три основни елемента - заглавна част (MAC header), информационен блок (MAC payload) и окончание (MAC footer). Първото поле от заглавната част на MAC пакета е поле за контрол. То определя типа на пакета и неговото съдържание. Полето за контрол задава характеристики на пакета като формат на адресните полета, правила за деклариране и дали устройството, източник на информация, е съвместимо с устройството, намиращо се вътре в самата мрежа (PAN), към което е изпратен информационният пакет. В заглавната част на MAC пакета също така се съдържат и адресните полета, и номерата на серии. За да бъде предаването на данни или на MAC команди успешно, би следвало номерът на серията в съответния потвърдителен пакет да съвпада с номера на серията в изпратения пакет.

Полето с информационния блок на MAC пакета е с променлива дължина, като съдържанието му зависи от типа му - сигнален, даннов, потвърдителен или команден пакет. Обаче, завършеният MAC пакет не може да надхвърля 127 байта и по тази причина дължината на информационния блок трябва да е съобразена с това ограничение.

Последното поле в MAC пакета е неговото окончание, което съдържа поредица за проверка FCS (frame check sequence). Това поле служи за проверка изправността на пакета. Целта на тази проверка е откриването на грешки при приемане. Както е известно от теорията на кодирането, вкарването на информационен излишък в едно съобщение дава възможност да бъдат открити грешките в него. FCS използва 16-битовата циклична проверка за излишък според Международния Телекомуникационен Съюз/Телекомуникационен сектор за стандартизация или ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector).

Суперпакетна
структура

Стандартът IEEE 802.15.4 позволява WPAN с ниски скорости на информационния поток да работят и в незадължителния суперпакетен режим. В този режим PAN координаторът предава сигналните пакети на предварително определени интервали. Звездообразните или комбинираните топологии, изградени съгласно стандарта, изискват точно един мрежов (PAN) координатор, който трябва да бъде устройство с пълна функционалност FFD. При звездообразната топология останалите устройства могат да бъдат с пълна FFD или с частична RFD, но те комуникират директно с координатора, т.е. информацията достига до него еднопреходно. При комбинираната топология, която представлява няколко свързани “звезди”, всички устройства трябва да бъдат с пълна функционалност FFD, с изключение на най-отдалечените. В този случай комуникацията с координатора би могла да бъде и многопреходна. В този случай работата на устройствата с пълна функционалност FFD, които не са координатори, много наподобява координаторската дейност. Причината за това е, че те трябва периодично да изпращат сигнални пакети за синхронизация на комуникацията от типа “всеки с всеки” или да разпределят мрежова информация за управление. По-точно казано, интервалите между сигналите на PAN координатора определят един суперпакет (фиг. 9). На фигурата в черно са обозначени сигналните елементи в пакета.

Сигналните интервали са с най-къса дължина от 15,36 ms и най-дълга - 251,4 s. Активният период е разделен на 16 елемента с еднаква продължителност, като елемент 0 е резервиран за предаване на сигнала. Частта от активния период, следваща сигналния елемент, се нарича период за предявяване на достъп или CAP (contention access period), в който устройствата прилагат механизъм, известен като CSMA/CA (Arrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance - възприемане на преноса при множествен достъп за предотвратяване на противоречия) преди предаването на каквито и да е данни. Периодът от време след елемент 15 и преди следващия сигнален елемент се нарича неактивен период. През този период устройствата преминават в режим на ниска консумация и не обменят пакети информация.

С цел оптимизиране периода на ниска консумация не се изисква от устройствата, изпращащи сигнални елементи, да бъдат приемащи през целия период на CAP. Режимът е предназначен за удължаване живота на батерията и позволява на устройствата да преминат в състояние на ниска консумация, ако не съществува активност по комуникационния канал още по време на първата порция от суперпакета. Ако се изисква и допълнително пестене на енергия, устройствата могат да преминат в режим на ниска консумация веднага след предаването (излъчването) на сигналния пакет и съответстващото му установяване продължителността на суперпакета.

Мрежов слой

Най-общо казано, мрежовият слой изгражда и поддържа топологията на WSN. Наред с това, той извършва дейности по наименоване и прикрепяне, които включват важни задачи, свързани с адресирането, маршрутизирането и сигурността. Другата важна особеност е изискването към мрежите WSN за приоритет за пестене на енергията. Тъй като стандартът IEEE 802.15.4 е заложен като енергийно консервативен, то и към мрежовия слой съществуват съответни изисквания.

Топология
на мрежовия слой

Стандартът поддържа множество мрежови топологии, между които звездообразни и дървовидни конфигурации. Тъй като всяко приложение разчита на един или повече централни процесорни елементи, където най-общо комуникацията е от много устройства към едно, изборът на йерархична мрежова топология се определя от осигуряване на необходимото местоположение на сензорите в WSN. В една базова комбинирана топология на свързване между сензорните устройства WSN изгражда логически йерархичен гръбнак на маршрутизиране, наречен “разгърнато дърво”. По-специално, радиочестотните връзки са замислени да съществуват между двойки сензорни устройства вътре във взаимния им приемо-предавателен обсег. Всяко устройство избира подмножество от тези връзки, за да формира разклонение на разгърнатото дърво. От гледна точка на Теория на графите, физическата топология може да бъде представена като един непряк граф GP = (V(t), E(t)) , където V(t) е вертикалният набор, т.е. възлите, съдържащи всички сензорни устройства на мрежата, а E(t) е наборът от ръбове, съдържащ всички “безжични връзки”, съществуващи между всяка двойка устройства и които са вътре в приемо-предавателния им обсег. Разгърнатото дърво се описва с един граф GS(V(t), ES(t)), който е подмножество на GP (т.е. той е негов подграф). Всички устройства от физическата мрежа са представени в GS, но броят на ръбовете в GS обикновено е по-малък от колкото в GP. На фиг. 10 а и б е показана физическа и логическа разгъната топология на примерна мрежа с 64 възела (устройства). В частност, наборът от ръбове ES(t) представя връзките родител/дете в разгърнатото дърво.

Изграждането на разгънатото дърво започва от корена му. Той избира всички или няколко от неговите съседи от списъка на устройства, имащи радиочестотни връзки с него, и ги определя като свои “деца” в логическия гръбнак. Тази селекция се реализира по време на договорната размяна на съобщения (hand-shaking). За отбелязване е, че устройство “родител” може да има няколко “деца”, но устройство “дете” може да има само един “родител”.

Всички устройства в мрежата имат способността да разпространяват периодично MAC сигнали. Тези периодични сигнали са необходими на мрежовия слой за синхронизиране на комуникацията “всеки с всеки” и за препредаване на контролни съобщени за поддръжка и възстановяване на топологията.

Адресиране на мрежовия слой

С една разпределена схема на адресиране, устройствата “родител” изчисляват и разпределят адресите за всяко от свързаните с тях “деца”, които те са присъединили към маршрутния гръбнак. Схемата не изисква координиране или договаряне с корена на мрежата или друг адресно разпределящ агент. Всъщност на всяко ниво от дървото едно устройство препраща само няколко стойности като част от пълния номер на възможните адреси в блока от адреси, резервирани единствено за него. Стандартът IEEE 802.15.4 поддържа както разширени 64-битови адреси, така и къси 16-битови мрежово назначени адреси. Но мрежовият слой, съобразено с принципа за ниска енергийна консумация, намалява своите логически мрежови адреси в късия, 16-битов формат.

Маршрутизиране

Използваната схема за адресиране силно опростява процеса на маршрутизация. Устройствата определят пътя на пакетите в мрежовия слой, следвайки логическия гръбнак и използвайки йерархично базираните адреси за маршрутизиране. Когато едно устройство препраща пакети, то проверява адреса на направлението от заглавната част на пакета. Устройството приема пакета, ако е предназначен за него. В противен случай го препраща към своя “родител”, ако адресът е над или под него в дървото, или към един от съседите си, ако адресът е за близкостоящо устройство (намиращо се еднопреходно от него). Адресната информация предоставя информация за маршрута по подразбиране.

Следователно, йерархично маршрутизираният гръбнак е добър избор за архитектура на локално приложение. Централният процесорен елемент и опорните устройства могат да бъдат поставени на ключови местоположения, например в ролята на корен. При изграждането на разгънатото дърво, устройствата използват съседите си основно за провеждане на RSSI измервания при комуникация от типа “всеки с всеки”. Заедно с това, устройствата имат възможност да събират RSSI измерванията, провеждани с периодичните сигнали. Чрез йерархичното маршрутизиране устройствата могат да препращат своите локални данни към централния процесор, през корена на дървото, пряко следвайки назначението на адреса им. А масивите от данни и техниките на сливане могат да бъдат приложени към устройствата от типа “родител”, за да обработват, комбинират или филтрират локалната информация, преди тя да бъде препредадена.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top