Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4

Анализ ведения радиационной и химической разведки, радиационного и химического контроля существующими методами и приборами показал, что использование имеющихся в комплектах войсковых приборов химической разведки индикаторных средств в атмосфере, зараженной парами СДЯВ, имеет ряд существенных недостатков:

- длительное время  от засечки ядерного взрыва (обнаружения применения химического, биологического оружия) до оповещения соответствующих должностных лиц;

- отсутствие удаленного контроля  РХБ-обстановки;

- большие временные затраты;

Для устранения выявленных недостатков, перечислим требования к перспективной системе к системе радиационного контроля:

- низкие затраты временного  ресурса на установку технических  средств РХБ оповещения;

- система контроля  радиационного излучения и раннего  оповещения, требующая минимальных  действий человека по установке, настройке и обслуживанию системы РХБ оповещения;

- длительный период  эксплуатации без проведения обслуживания.

Разрабатываемая сеть связи стандарта ZigBee наиболее полно отвечает требованиям и, главным образом, максимально полно выполняет функцию раннего оповещения о повышении уровня бета- и гамма-излучения в грунте и атмосфере.

Задача автоматизации РХБ разведки успешно решается применением ЭВМ  в качестве приемно-контрольного прибора (ПКП). ЭВМ производит анализ информации, считанной с датчиков, затем принимает решение согласно прописанной инструкции (алгоритму).

Решение задачи экономии временного ресурса производится следующими способами:

- замена человеческого фактора и устаревших приборов беспроводными соединениями и современным оборудованием;

- применением самоконфигурируемой сенсорной сети в качестве основы системы РХБ разведки. (Создание, конфигурирование, и структурирование беспроводной сети радиационного оповещения осуществляется автоматически согласно алгоритмам стандартов IEEE 802.15.4/ZigBee.).

Использование датчиков стека ZigBee возможно также и в зонах, где не допустимо нахождения человека, что в свою очередь позволяет точно владеть обстановкой и следить за распространением опасных для жизни веществ.

Вывод: недостатки радиационной и химической разведки, радиационного и химического контроля существующими методами и приборами успешно решаются с применением разрабатываемой сети связи стандарта ZigBee.

 

1.4. Постановка задачи

Рассмотрев, выше изложенные требования к РХБ разведке(оповещению) и возможности рассматриваемой системы беспроводной передачи данных предоставить проект сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee и сделать обоснованные выводы о целесообразности применения.

 

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ РХБ РАЗВЕДКИ

 

В настоящее время для решения различных прикладных задач широко используются беспроводные технологии. Беспроводные сети включают в себя  беспроводные локальные вычислительные сети и беспроводные персональные вычислительные сети [1]. В свою очередь персональные сети подразделяются на.

- высокоскоростные ( Wi-Fi (IEEE 802.15.3); 11-55 Мбит/с);

- среднескоростные (Bluetooth, 1-3 Мбит/с);

- низкоскоростные (Zigbee (IEEE 802.15.4), 2-250 Кбит/с).

Анализ существующих беспроводных сетей связи показывает, что наиболее приемлемым является стандарт ZigBee. Данный стандарт определяет гибкую конфигурацию сети с возможностью самоконфигурирования. Одна сеть ZigBee может использоваться в нескольких системах управления, причем наращивание сети осуществляется без изменения программного обеспечения и перенастройки координатора и роутеров. Конечные устройства сами объявляют о предоставляемых ими сервисах и возможностях и через координатор находят устройства с которыми они должны взаимодействовать для выполнения целевых задач управления. Живучесть сети повышена с помощью автоматической настройки структуры сети и маршрутизации в случае потери связи с узлами. В целях обеспечения шифрования в сети используется алгоритм AES-128.

 

2.1 Физический и MAC-уровень (стандарт 802.15.4)

Спецификация определяет архитектуру ZigBee стека. Стек - это конструкция из слоев в соответствие с требованиями 7-и уровневой модели Open Systems Interconnection (OSI) [2]. Каждый слой содержит набор специфических для него функций или иначе сервисов вызываемых из верхних слоев. Взаимодействие между слоями осуществляется с помощью сервисных точек доступа (Service Access Point (SAP)).

Стандарт 802.15.4 определяет PHY (Physical Layer) и MAC (Medium Access Control Layer) уровни (рисунок 1).

Рисунок 1. Многоуровневая модель стандарта ZigBee.

Физический уровень (PHY) определяет диапазон частот функционирования  (2400-2483,5 МГц), количество каналов (16) и  ширину канала – 2 МГц. Канальная скорость составляет 250 кбит\с. Частотное расширение достигается использованием 16 ортогональных последовательней (чипов). При передаче используется квадратурная фазовая модуляция со смещением (Offset-QPSK) (Рисунок 3).

Физический уровень взаимодействует  напрямую с приемопередатчиком и  отвечает за отправку сообщения в эфир и прием сообщений (Рисунок 2).

Рисунок 2. Спектр стандарта IEEE 802.15.4 (PHY)

Формула фазовой модуляции  имеет вид.

Рисунок 3. Временная диаграмма при O-QPSK модуляции.

Четные чипы квазиортогональной последовательности (коды Уолша) модулируют синфазный канал, нечетный – квадратурный канал (рис.3). В результате последовательность в квадратурном канале смещена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется Offset-QPSK (QPSK со сдвигом). Данный способ передачи информации исключает появление коллизий при работающих рядом нескольких устройствах и снизить требования к минимальному соотношению сигнал/шум для принимаемого сигнала. Помехоустойчивость метода передачи по стандарту IEEE 802.15.4 заметно превосходит стандарты диапазона 2.4 ГГц - Bluetooth и Wi-Fi.

 Стандарты IEEE 802.15.4/ZigBee регламентируют 2 типа устройств:

- полнофункциональное устройство (full-function device (FFD));

- ограниченное устройство (reduced-function device (RFD)).

Полнофункциональное устройство способно выполнять все сетевые операции согласно стандарта IEEE 802.15.4. В то время  как ограниченное устройство может  образовать соединение только с полнофункциональным  устройством и применяется в  основном как оконечный модуль для выполнения простейших операций.

При построении сети топологии «звезда» (рисунок 4) каждый датчик напрямую устанавливает соединение с координатором, который формирует сеть и присваивает ей идентификационный номер (PAN ID).

Рисунок 4. Структура топологии «Звезда».

В сети с ячеистой топологией (рисунок 5) участники устанавливают между собой прямые соединения при условии взаимной радиовидимости. Каждое полнофункциональное устройство выполняет функцию ретрансляции.

Рисунок 5. Структура топологии «Ячеистая сеть»

Устранение коллизий осуществляется прослушиванием участником канала на выбранной частоте (метод Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA)) перед  передачей пакета следующими способами:

- по уровню энергии  – производится замер уровня  энергии на выбранном диапазоне  частот. При превышении установленного  уровня передача запрещена.

- обнаружение несущей  – производится прием и декодирование  сигнала в канале. Если декодированный  сигнал принадлежит стандарту ZigBee, то передача запрещена.

В случае занятости канала участник ожидает некоторое время (случайная величина) и повторяет  попытку передачи. Количество попыток  передачи может быть ограничено пользователем.

В сетях без синхронизации  доступа (Contention based) передача данных производится при отсутствии сигналов маяков (beacon (маяк) - специфичное сообщение для синхронизации участников сети), и по этой причине они названы сетями без маяков (Not Beacon_enabled PAN). Пусть сетевому устройству в случайный момент требуется передать кадр данных. Тогда попытка передачи данных начинается с «прослушивания» эфира. Если канал свободен (несущая не обнаружена), то через интервал времени, равный некоторому случайному числу из заданного интервала времени T1, устройство передаёт кадр данных. Начало времени передачи выбирается случайным для предотвращения коллизии с кадром данных от другого устройства. Если канал занят (несущая обнаружена), попытка передачи возобновляется через интервал времени, равный некоторому случайному числу из заданного интервала времени T2. Приём кадра данных может подтверждается кадром квитанцией (Acknowledgement Frame). Приём считается правильным в случае отсутствия ошибок в кадре данных. Эта проверка производится кодом CRC. Если кадр квитанция получена с ошибками, попытка передачи кадра данных производится повторно. Передача возможна и без квитирования - это позволяет снизить энергопотребление, связанное как с передачей этого сигнала, так и с его приёмом. Этот режим доступа называют неполным алгоритмом СSMA/CA. Использование алгоритма СSMA/CA крайне неэффективно в случае передачи данных «просыпающимися» в случайные моменты времени передатчиками для трансляции данных «спящим» приемникам. Полностью асинхронный и ничем не координированный режим как доступа, так и «сна», несовместим с алгоритмом СSMA/CA.

В сетях с синхронизацией доступа (Contention free) доступ к радиоканалу  в сетях с синхронизацией доступа  производится под командованием  координатора, который периодически излучает сигналы маяков. Такие сети в стандарте названы сетями c маяками (Beacon_enabled PAN). В таких сетях доступ к радиоканалу и расписание «сна» сетевых устройств синхронизированы с сигналами маяков от координатора. На рисунке 6 приведена временная диаграмма возможного алгоритма предоставления доступа.

Рисунок 6. Временная диаграмма при временном доступе.

Временной интервал между  двумя сигналами маяков (Beacon Interval, BI) от координатора разбит на две части: активную и неактивную (Inactive). Во время неактивной части координатор и все остальные устройства могут «спать». Во время активной части координатор разрешает доступ проснувшимся сетевым устройствам. Активная часть (Active) носит название суперкадра (Superframe). Длительность суперкадра (Superframe Duration, SD) разделена на два интервала. Во время первого интервала (Contention Access Period, CAP) предоставляется доступ на конкурентной основе в соответствии с алгоритмом СSMA/CA. Во время второго интервала (Contention Free Period, CFP) предоставляется доступ с распределением по времени. При этом устройство получает доступ во время закреплённого за ним временного слота (Guaranteed Time Slot, GTS). На рис.6 изображены два таких интервала для разных устройств. Выделение устройству слота предоставляется координатором после предварительного запроса от устройства MAC командой, который делается во время интервала CAP. Использование алгоритма СSMA/CA при наличии синхронизации имеет особенности, связанные с привязкой случайных параметров алгоритма к временным интервалам (слотам) CAP. Если в текущем слоте CAP есть свободный тайм-слот (несущая не обнаружена), то кадр данных передаётся в слоте, отстоящим от текущего по номеру на некоторое случайное целое число С1. Если что канал занят (несущая обнаружена), попытка передачи возобновляется на слоте, отстоящим по номеру от текущего на некоторое случайное целое  число С2. По этой причине алгоритм носит название слотового СSMA/CA (slotted CSMA/CA) в противоположность рассмотренному выше не слотовому алгоритму (unslotted CSMA/CA) в асинхронной сети. Параметры синхронного доступа выбираются в зависимости от требований на энергопотребление координатора, сетевых устройств, времени доставки информационных пакетов и достоверности доставки. Период BI следования сигналов маяков может быть выбран в интервале от 5 мс до 252 с. Он рассчитывается по формуле:

, (2)

 где Bmin минимальный  период, B0 – число в интервале  от 0 до 14. Выбор разумного значения BI позволяет экономить энергопотребление  координатору. Длительность суперкадра SI можно увеличить до значения BI. С увеличением SI растёт и достоверность доставки данных при использовании алгоритма СSMA/CA и заданном времени доставки.

С увеличением SI увеличивается  энергопотребление сетевых устройств. Длительность суперкадра можно перераспределять между CAP и CFP. Для этого суперкадр поделен на 16 тактовых интервалов (рис.6). Для CFP может быть отведено до 7 последних интервалов. Возможность перераспределения длительности между CAP и CFP удобна для построения сетей, в которых устройства могут передавать несколько типов сообщений. В охранных системах к таким сообщениям относятся сигналы мониторинга от охраняемых объектов, сообщения о постановке на охрану, сообщения о взятии на охрану и, наконец, сигналы тревоги. Выбор параметров рассмотренного алгоритма доступа осуществляется в зависимости от числа объектов в сети и требований к вероятностям доставки информационных пакетов. Длительность слота GTS состоит из нескольких тактовых интервалов. При отсутствии необходимости передачи участник сети сообщает об этом координатору и он (координатор) увеличивает CAP, предоставляя больший временный интервал доступа на конкурентной основе с использованием алгоритма СSMA/CA. Эту операцию можно интерпретировать как дефрагментацию суперкадра. На рисунке 7 показан процесс дефрагментации (удалении интервала GTS2 из CFP). Таким образом, стандарт IEEE 802.15.4 является весьма гибким в выборе параметров и позволяет создавать сети, ориентированные как на низкое автономное питание сетевых узлов, так и спонтанно образуемую топологию.

При передаче данных используются следующие направления : координатор  – сенсор, сенсор – координатор, сенсор-сенсор (только ячеистая топология).

Для проверки целостности  полученных пакетов введен механизм Cyclic Redundancy Check (CRC).

При адресации устройств  в сети используется

- 16-битный сетевой  адрес;

- 64 битный уникальный  адрес устройства ( устройств).

 

Рисунок 7. Дефрагментация суперкадра при синхронном доступе.

 

Ассоциированием называется процесс присоединения участника  к сети. Устройство, желающее присоединиться к сети, отправляет координатору запрос, координатор принимает решение  и дает ответ. В случае положительного ответа производиться обмен служебной информацией и окончательное вхождение участника в сеть. При покидании участником сети координатору отправляется оповещение, а данный процесс называется – дисассоциация.

 Сетеобразование начинается  как только активизируются участники  сети. Первое включенное полнофункциональное устройство выполняет функции координатора. В сформированной сети, с числом участников более 2 и при условии взаимной радиовидимости существует более 1 маршрута для прохождения данных от точки к точке. Так вводиться избыточность в сеть для реализации функции самовосстановления – в случае выхода роутера из строя (например, разрядился элемент питания) автоматически прокладывается новый маршрут для передачи данных (рисунок 8).