Стек протоколов ZigBee/802.15.4 на платформе Freescale Semiconductor

Реализация беспроводных соединений ZigBee/802.15.4
на базе платформы Freescale Semiconductor
ZigBee
( <60K )
HCS08
GT60
MC13193
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
Сетевой уровень ZigBee
Простое
Беспроводное Соединение
< 2K Flash
HCS08
GT32(16)
MC13192/1
802.15.4 / PHY Layers
SMAC
HCS08
GT60/32
MC13192
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
802.15.4 MAC
( <32K )
(стек конечного устройства <4K)
Подуровень Поддержки Приложений
….
P1
P31
Тип устройства
ZigBee

Конфигурация стека протокола ZigBee
IEEE
802.15.4
IEEE 802.15.4 MAC
Уровень канала передачи данных (DLC)
Сетевой уровень (NWK)
Подуровень поддержки приложений (APS)
Профили устройств ZigBee
Приложение
Заказчик
Стек ZigBee
Добавление/удаление устройств, доставка
пакетов, подтверждение приема (ACK), CRC,
сканирование и доступ к каналам связи (CSMA-CA), временное разделение, и т.д.
Безопасность сети, трансляция сообщений, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и т.д.
Безопасность устройства, трансляция сообщений, организация сервисов устройств, и т.д.
Модуляция, параметры сигнала, прием и передача информации через физический радиоканал и т.д.
Интерфейс связи с приложением
Библиотеки профилей, наборы сервисов устройств, типовые информационные сообщения, совместимость
Формирование и контроль пакетов данных, управление потоком данных, и т.д.

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Стандарт
IEEE 802.15.4
Slide

Частотные диапазоны и скорости передачи
стандарта IEEE 802.15.4
868MHz / 915MHz
PHY
2.4 GHz
868.3 MHz
Канал 0
Каналы 1-10
Каналы 11-26
2.4835 GHz
928 MHz
902 MHz
5 MHz
2 MHz
2.4GHz
PHY
ISM Весь мир 250 kbps 16
2.4 GHz
ISM Европа 20 kbps 1
868 MHz
ISM Америка 40 kbps 10
915 MHz
Диапазон География использования Скорость # Каналов Модуляция
BPSK
BPSK
O-QPSK

Расширение спектра сигнала методом прямой последовательности
2.4 GHz
Channels 11-26
2.4835 GHz
5 MHz
2.4 GHz
PHY
Воздух
После DS корреляции
Помеха
Полезный сигнал

Основы стандарта IEEE 802.15.4
Стандарт 802.15.4 – простой протокол пакетной передачи данных в беспроводных сетях малой емкости
Доступ к каналу – через протокол множественного доступа с контролем несущей и с исключением коллизий (CSMA-CA), и с дополнительным временным разделением
Подтверждения приема/передачи пакета данных и дополнительный режим периодического опроса сети, повторение пересылок в случае отсутствия ACK, буферирование сообщений координатором для устройств в спящем режиме
Многоуровневая система безопасности
Три частотных диапазона, 27 выделенных каналов
2.4 GHz: 16 каналов, 250 kbps, квадратичная фазовая манипуляция QPSK
868.3 MHz: 1 канал, 20 kbps, двоичная фазовая манипуляция BPSK
902-928 MHz: 10 каналов, 40 kbps, двоичная фазовая манипуляция BPSK
Специально ориентирован на:
Обеспечение длительного срока работы батареи, работы устройств на основе МК, датчиков, систем удаленного мониторинга и портативной электроники с настраиваемым периодом переходов в ждущий режим

Некоторые особенности IEEE 802.15.4 MAC
Использование 64-бит IEEE & 16-бит коротких адресов
Максимальный размер сети теоретически может составлять 264 устройств (количество большее, чем, возможно, необходимо)
Используя 16-бит укороченную локальную адресацию, могут быть построены простые сети с боле чем 65,000 (216) устройств
Определены три типа устройств
Сетевой Координатор
Устройство в Полным Набором Функций (FFD)
Устройство с Ограниченным Набором Функций (RFD)
Упрощенная структура пакетов данных
Вхождение в сеть/Выход из сети устройств
AES-128 кодирование
Дополнительная структура синхронизации сети с помощью сигналных посылок от координатора

Пакетный обмен или потоковая передача
Пакетный режим
Используются внутренние буферы микросхемы МС1319х
Два Tx буфера (128 байт)
Один Rx буфер (128 байт)
Не требуется взаимодействия с МК во время Rx/Tx
Потоковый режим
Используется только 2-байтный буфер
Необходимо прерывание МК каждые 64us во время Rx/Tx для определения пакета подтверждения передачи и приема/пересылки слова данных
Программная обработка последовательности данных (контрольной суммы)
Скорость обмена по SPI синхронизирована со скоростью передачи пакета данных

Типы устройств стандарта IEEE 802.15.4
Три типа устройств
Сетевой координатор (FFD - Full Function Device)
Осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети, выбор RF канала и уникального сетевого ID
наиболее сложный из трех типов устройств; наибольший объем памяти и потребление энергии
Устройство с полным набором функция (FFD - Full Function Device)
Поддерживает все функции и параметры стандарта 802.15.4
Дополнительная память и возросшее энергопотребление позволяют выполнять функции маршрутизатора
Поддержка любой топология
Способно выполнять роль координатора сети
Способен обращаться к любым другим устройствам в сети
Устройство с ограниченным набором функций (RFD - Reduced Function Device)
Поддерживает ограниченный согласно стандарту набор функциq для обеспечения наилучшего баланса цены, сложности и функциональности
В основном используется в сетевых конечных устройствах
Только топологии типа «Точка-точка» и «Звезда»
Не способен выполнять функции координатора
Обращается только к координатору сети или к своему маршрутизатору

Множественный доступ или
синхронизированный доступ
Стандартный доступ
Стандартный множественный доступ используется в сетях со связями точка-точка и точка-много точек
Работает по принципу двухстороннего радиообмена, где каждое устройство автономно и может инициировать передачу в любой момент, однако вероятны непреднамеренные коллизии с другими устройствами сети
Стандартный протокол связи CSMA-CA, устройства активны только в моменты передачи информации, передача подтверждения в случае успешного приема пакета данных
Однако, адресат может не «услышать» устройство, или канал будет уже занят другими устройствами
Синхронизированный доступ
Достаточно мощный механизм для оптимизации и контроля энергопотребления в расширенных сетях, таких как кластерное дерево или многоячейковая сеть
Позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, когда, в какой момент времени осуществлять обмен данными
Здесь, двухсторонний радиообмен управляется диспетчером, который выделяет каналы и осуществляет «звонки»

Передача данных к координатору
Синхронизированный доступ
Устройство ожидает сигнальный пакет
Устройство синхронизируется с сетью
Устройство передает пакет данных в определенный временной интервал согласно протоколу CSMA-CA
Координатор передает подтверждение приема данных
Стандартный доступ
Устройство передает пакет по мере появления данных согласно протоколу CSMA CA
Координатор передает подтверждение приема данных

Передача данных от координатора
Синхронизированный доступ
Во время сигнального пакета Координатор сообщает о новых данных
Устрйство ждет сигнальный пакет. Если есть новые данные, устройство запрашивает данные в определенный временной интервал согласно протоколу CSMA-CA
Координатор передает подтверждение получения запроса от устройства
Координатор пересылает данные в определенный момент времени согласно протоколу CSMA-CA
Стандартный доступ
Координатор хранит данные пока не поступит на них запрос от устройства
Устройство посылает запрос координатору согласно протоколу CSMA-CA
Координатор передает подтверждение получения запроса от устройства
Координатор пересылает данные согласно протоколу CSMA CA

Сигнальные пакеты
Система синхронизации
Для задания пропускной способности и малого времени ожидания
Координатор осуществляет синхронизацию путем передачи сигнальных пакетов через определенные интервалы
Каждый доступ в канал осуществляется во время определенных интервалов, что исключает возможные коллизии ы сети.
15ms to 245sec
16 равных временных интервалов одинаковой длительности между сигнальными пакетами
Во время каждого временного интервала используется принцип ассоциативного доступа. Однако координатор может сам выделять временные интервалы
До 7 гарантированных временных интервалов на интервале синхронизации для улучшения качества связи
На периоде синхронизации возможны интервалы времени покоя для обеспечения режимов энергосбережения координатора

Режим синхронизированного доступа в сеть
15ms * 2n
where 0 ≥ n ≥ 14
Сетевой сигнальный пакет
Свободный доступ
Резерв сигнального пакета
Передача от сетевого координатора. Содержит инфорацию по параметрам сети, структуру сетевого пакета и уведомление о наличии новых данных для сетевых устройств
Резерв под возможный увеличенный объем уведомления о наличии данных
Доступ к каналу для любого сетового устройства согласно механизму CSMA-CA
GTS 3
GTS 2
Выделенные временные интервалы
Резерв для гарантированного доступа определенных устройств сети
GTS 1
Период состязательного доступа к каналу
Период выделенного доступа к каналу

Пример сети со стандартным доступом
Беспроводные системы охраны домов и офисных зданий
Конечные устройства (датчики проникновения, датчики движения, датчики разбития стекол, звуковые датчики и т.д.)
В состоянии покоя – 99.999% времени
Переход в активное состояние – в псевдослучайные моменты времени для сообщения координатору о своем присутствии в сети
В случае срабатывания, датчик сразу переходит в активное состояние и передает сигнал тервоги
Приемопередатчик Координатора сети ZigBee Coordinator, работающего от сети, постоянно находится в активном состоянии, и принимает сигналы от всех конечных устройств сети.
В следствие того, что Координатор имеет «бесконечный» источник электроэнергии, он позволяет конечным устройствам находится в состоянии покоя неограниченный период времени для сбережения электроэнергии их источников питания

Пример сети с синхронизацией доступа
Координатор также может работать от автономного источника иптания
Все устройства в сети – с автономными источниками питания
Регистрация конечного устройства в сети
Конечное устройство сразу после подачи питания ждет сигнала синхронизации от Координатора существующей сети ZigBee (временной интервал сигнала от 0.015 до 252 сек)
Обмен первичной информацией с Координатором и ожидание ответа от него к данному конечному устройству
Переход в состояние покоя, «просыпаясь» в моменты, определяемые Координатором сети ZigBee
По окончании сеанса связи с конечным устройством, Координатор также переходит в состояние покоя
Приведенные временные параметры предполагают незначительное увеличение стоимости времязадающих цепей в каждом конечном утсройстве
Более длительные интервалы в состоянии покоя предполагают наличие более точных времязадающих цепей или
Более ранний переход в активное состояние для уверенного приема сигнального пакета увеличивает потребление электроэнергии приемником или
Улучшение качества времязадающих цепей (увеличение стоимости) или
Задание максимального периода сигнала синхронизации, не превышающего 252 секунды, не удорожая времязадающие цепи

Каждое сетевое устройство обладает уникальным 64-битным IEEE МАС адресом
Во время присоединения к сети каждое устройство получает уникальный 16-битный сетевой адрес
Во время доставки пакетов данных внутри PAN сети используется только 16-битная сетевая адресация
При обрыве связи с сетью устройство сохраняет свой сетевой 16-битный адрес, при отключении устройства от сети его сетевой адрес перераспределяется и может быть присвоен другому устройству, входящему в сеть
Над МАС уровнем предусмотрен режим широковещательной передачи
Для широковещательного режима используется сетевой адрес 0хFFFF
Используется специальный алгоритм для трансляции и распространения широковещательного сообщения
Функция ограничения распространения широковещательного сообщения
Адресация стандарта 802.15.4

Способы адресации
Топология «Звезда»
Сетевой ID (16) + короткий местный адрес устройства (8)
Сетевой ID (16) + уникальный IEEE адрес устройства (64)
Cluster tree адрес (24) + короткий местный адрес устройства (8)
Cluster tree address (24) + уникальный IEEE адрес устройства (64)
Топология «Точка-точка»
2x уникальный IEEE адрес устройства (64)
2x (Cluster tree адрес (24) + короткий местный адрес устройства (8))
2x (Cluster tree адрес (24) + уникальный IEEE адрес устройства (64))

Функции безопасности стандарта 802.15.4
Каждая из приведенных функций требует дополнительных аппаратных затрат: FLASH памяти, RAM, загрузка CPU
Различные уровни безопасности сетей ZigBee/802.15.4
Базовый уровень – таблица контроля доступа (устройство хранит таблицу других устройств, с которыми разрешен обмен информацией)
AES128 стандарта IEEE 802.15.4 – шифрование сетевого пакета данных (исключает перехват информации)
Собственные функции безопасности, реализованные на уровне приложений – непосредственное шифрование данных (приложение может использовать либо AES, либо другой тип шифрования
Шифрование AES-128
128-битное, поблочное шифрование передаваемой информации
Применяется для шифрования непосредственно данных от уровня приложения и/или байты контроля целостности данныпакета
Основано на использовании единого ключа между приемником и передатчиком совместно с информацией об уникальном IEEE адресе
Применяется на определенном уровне стека
Пакеты, формируемые на MAC уровне должны шифроваться на МАС уровне
Пакеты, формируемые на NWK уровне должны шифроваться на NWK уровне
Пакеты, формируемые на уровне Приложения должны шифроваться на уровне Приложения

Шифрование данных на уровне приложений
Уровень приложений
Сетевой уровень
MAC уровень
PHY уровень
APP
HDR (4)
Application
Payload (1-16)
NWK
HDR (6)
Application
Data (10-25)
(Bytes)
Security
Cnt (5)
Integrity
(4)
MAC
HDR (7 )
Data
Payload (16-31)
FCS
(2)
Integrity
(4)
Шифрование
MPDU (27-42)
FCS
(2)
Frame length (1)
SFD
(1)
Preamble (4)
Контроль целостности данных
Зашифрованные данные
APP
HDR (4)
Application
Payload (1-16)
(Bytes)
Integrity
(4)
Security
Cnt (5)

Форматы пересылаемых пакетов сетей ZigBee/802.15.4
Пакет данных: используется для передачи данных
Пакет подтверждения: используется для подтверждения успешной передачи данных
Пакет МАС команды: используется для организации пересылок управляющих МАС команд
Сигнальный пакет: используется координатором для передачи сигнальных пакетов

Формат MAC пакета
Блок пакета MAC уровня
MAC Header
MAC service
data unit
MAC footer
Frame
control
Sequence
number
Address
info
Payload
Frame check
sequence
PHY service data unit
PHY protocol data unit
PHY
header
Synchronization
header
Байты:
2
1
0-20
переменная длина
2
MAC
подуровень
PHY
уровень
MAC Кадр
4 типа пакетов:
Сигнальный,
Данные
Подтверждение
МАС команда
Max 127 Байт
Байты:
5
1
Max 127 Байт

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Сеть ZigBee
Slide

Основные принципы беспроводной сети ZigBee
Поддержка различных сетевых топологий
Возможность объединения устройств в сеть по следующим топологиям: точка-точка, звезда, кластерное дерево, многоячейковая сеть.
Каждая обладает уникальным 16-битным идентификатором и одним координатором сети ZigBee
Каждая PAN сеть занимает только один RF канал (согласно спецификации стека ZigBee V1.0)
Сканирование сети
Способность к детектированию активных каналов внутри локального персональноного рабочего пространства (ПРП)
Обнаружение устройств
Способность к идентификации устройств на активных каналах внутри ПРП
Создание/Объединение PAN
Способность к созданию сети на незадействованном канале или к объедиению с существующей сетью внутри ПРП
По окончании формирования сети могут быть объединены только во время одновременного перезапуска каждой из объединяемых сетей (согласно спецификации стека ZigBee V1.0)
Функциональное разделение всех сетевых устройств: Координатор, маршрутизатор, конечное устройство
Распознавание сервисов
Способность к распознаванию поддерживаемых/доступных сервисов для заданных устройств внутри PAN
Запрос на предоставление сервисов может может исходить от любого устройства в сети

Топология «Звезда» включает в себя один координатор сети ZigBee и одно или несколько конечных устройств сети ZigBee (теоретически до 65,536)
Топология «Кластерное дерево» позволяет использовать маршрутизацию по принципу сетевой маски ( N-битовый шаблон, определяющий разделение адреса на части, относящиеся к сети, подсети и конечному узлу)
Обращение к устройства вверх или вниз по иерархической сетевой ветви определяет разрядность адреса
Топология «многоячейковая сеть» позволяет создавать таблицы маршрутизации между всеми устройствами в сети ZigBee
Лавинная маршрутизация используется для определения путей от отправителя к получателю
Отклики устройств при маршрутизации позволяют определять наиболее оптимальные маршруты в сети
Таблицы маршрутизации создаются из оптимальных путей
Варианты топологий сетей ZigBee/802.15.4 на базе платформы компании Freescale Semiconductor

Координатор:
Определяет незадействованные каналы из перечня каналов, доступных для организации сети и определяемых разработчиком и организует сеть
Передает сетевые сигнальные пакеты с информацией о существующей сети
Управляет сетевыми подчиненными устройствами, устанавливает параметры сети
Определяет максимальную глубину вложенных подсетей, число сетевых маршрутизаторов и число подчиненных устройств
Обеспечивает маршрутизацию между подчиненными устройствами
Большую часть времени находится в режиме приема
Обеспечивает орнизацию таблиц маршрутизации
Позволяет маршрутизаторам и конечным устройствам входить в сеть
Характеристики координатора сетей ZigBee

Маршрутизатор:
Определяет активные каналы, подключается к сети и позволяет другим устройствам входить в сеть
Использует дополнительные, определнные приложением, списки активных каналов
Ретранслирует сигнальные сетевые пакеты с параметрами сети от координатора
Администрирует сетевые адреса подключенных к маршрутизатору подчиненных устройств
Поддерживает классы устройств маршрутизации:
Устройство с таблицей маршрутизации и с функцией древовидной маршрутизации
Устройство только с функцией древовидной маршрутизации
Поддержка функции аварийной древовидной маршрутизации
Поддерживает два режима работы устройств:
Работа без перехода в «спящий режим»
Работа с переходом в «спящий» режим в периоды, определяемые координатором сети и параметрами сетевой синхронизации
Поддерживает функции маршрутизации многоячейковых сетей:
Создает таблицы соседних сетевых узлов с параметром качества связи с каждым из них
Создает таблицы сетевой маршрутизации
Ретранслирует пакеты запроса и подтверждения определения маршрутов между ZigBee устройствами
Поддерживает функции маршрутизации по древовидному принципу:
Транслирует сообщения вверх и вниз по иерархической древовидной структуре ветви в зависимости от адреса получателя сообщения
Характеристики маршрутизатора сетей ZigBee

Конечное устройство:
Всегда ищет и пытается войти в существующую сеть
Использует дополнительные, определнные приложением, списки активных каналов
Использует синальные пакеты синхронизации существующей сети для определения параметров сети и маршрутизатора для входа в сеть
Питается от автономного источника (батареи)
Определяет из пакетов синхронизации о наличии данных от координатора
Запрашивает данные от координатора
Способен находиться в «спящем» режиме длительное время (до 99.99% от всего времени работы)
Характеристики конечного устройства сетей ZigBee

Расширение сети
Маршрутизатор (FFD) сканирует сеть, находит активные каналы и пытается войти в состав существующей сети либо создает собственную персональную сеть на правах координатора, если нет активных каналов или не произошло объединение с активной сетью.
Если произошло объединение, согласно правилам уже существующей сети координатор примыкающей локальной сети переводится в ранг маршрутизатора и передает всю информацию о локальной сети координатору существующей сети.
Из сигнального пакета синхронизации от координатора новообразованный маршрутизатор получает необходимую информацию о временных параметрах перехода из состояния покоя в активный режим сети для обнаружения последующих сигнальных пакетов
Переведен в ранг маршрутизатора
Установлена
новая связь
Координатор существующей сети
Примыкающая сеть

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Пример маршрутизации
Slide

Объединение на уровне Master/Slave
Slave устройства не сохраняют сетевую информацию (таблицы маршрутизации и т.д.)
Список абонентов, таблица маршрутизации и другая сетевая информация требует дополнительного места в памяти
Информация о конфигурации сети должна постоянно обновляться
Slaveустройства способны выдавать запрос на соединение
Master устройства обеспечивают и администрирует каналы связи
Маршрутизация обеспечивается master устройством
Алгоритм маршрутизации сетей ZigBee:
Создан для обеспечения высоконадежной связи между ZigBee устройствами используя минимум вычислительных, энергетических и информационных ресурсов
Использует иерархические процедуры маршрутизации с возможностью создания таблиц маршрутизации
Связи могут быть разорваны по такому же принципу

Маршрутизация (1)
Работа ZigBee утсройства в случае необходимости транслировать пакет данных:
Устройство без таблиц маршрутизации
Устройство транслирует пакет старшему по рангу устройству
Устройство с таблицами маршрутизации
При наличии пути к получателю сообщения в таблице маршрутизации устройсет согласно данному маршруту
При отсутствии обозримого пути к получателю устройство пытается определить путь прохождения пакета. В случае определения маршрута устройство транслирует пакет, если маршрут не найден, устройство передает отправителю пакета сообщение об ошибке.
Условием инициирования процесса определения маршрута является:
Если NWK уровень получил пакет данных с более высокого уровня стека с командой «определение маршрута» или с информацией об отсутствии обозримого маршрута к получателю сообщения
Если NWK уровень получил пакет данных с MAC уровня с запросом об определении маршрута к получателю вместе с отсутствием обозримого маршрута к получателю сообщения

При получении пакета с запросом об определении маршрута к получателю, устройство:
Отбрасывает пакет, если он не исходит от источника сообщения или от подчиненного устройства
Обновляет адрес отправителя пакета, обновляет поле счетчика пересылок пакета, статус запроса на определение маршрута и передает пакет по древовидному принципу более старшему по рангу устройству, если пакет поступил от источника сообщение или от подчиненного устройства, и отправитель запроса находится в той же ветви сети вместе с получателем данного запроса
Отправляет подтверждение определения маршрута, если устройство, получившее данный запрос, является конечным получателем пакета
Маршрутизация (2)

Маршрутизация (3)
При получении пакета с подтверждением определения маршрута к получателю, устройство с таблицами маршрутизации:
Создает новую запись в таблице маршрутизации о пути к отправителю пакета, если устройство является конечным получателем данного пакета и в таблице нет записи о данном маршруте
Обновляет данные о маршруте к отправителю в случае, если устройство является конечным получателем данного пакета и в таблице уже есть запись о данном маршруте, и если значение счетчика пересылок пакета меньше существующего значения в таблице маршрутизации
Создает новую запись в таблице маршрутизации, если устройство не является конечным получателем пакета с запросом и в таблице нет записи о данном маршруте
Обновляет данные о маршруте, если устройство не является конечным получателем пакета с запросом и в таблице уже есть запись о данном маршруте, и если значение счетчика пересылок пакета меньше существующего значения в таблице маршрутизации

Маршрутизация (4)
При получении пакета с подтверждением определения маршрута к получателю, устройство без таблиц маршрутизации:
Отбрасывает пакет, если устройство не является конечным получателем пакета
Транслирует пакет более старшему по рангу устройству в данной ветви, используя древовидный иерархический принцип, если устройство не является конечным получателем пакета, предварительно обновив поле счетчика пересылок пакета с подтверждением

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Zigbee Координатор
Источник
Получатель
Древовидная связь в ветви
Связь по многоячейковому принципу построения сети
Маршрутизация (5)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (6)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (7)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (8)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (9)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (10)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (11)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Данный маршрут обеспечивает меньше пересылок. Поэтому «D» ретранслирует первым.
Маршрутизация (12)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Переходит в обычное состояние и отбрасывает пакет после получения ретранслируемого пакета от устройства, которое является старшим по рангу к конечному получателю
Маршрутизация (13)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Данный маршрут обеспечивает меньше пересылок. Поэтому «Е» ретранслирует первым.
Маршрутизация (14)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Данный маршрут обеспечивает меньше пересылок. Поэтому «Е» ретранслирует первым.
Переходит в обычное состояние после повторного получения ретранслируемого пакета, однако…
Маршрутизация (15)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Что произойдет, если получатель находится в той же ветви сети?
Проверяет, дошел ли запрос до одного из своих подчиненных устройств, не переходит в обычное состояние, ретранслируя пакет с увеличенной задержкой
Маршрутизация (16)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Данный маршрут обеспечивает меньше пересылок. Поэтому «J» ретранслирует первым.
Переходит в обычное состояние и отбрасывает пакет после получения ретранслируемого пакета от подчиненного устройства, которое является старшим по рангу к конечному получателю
Маршрутизация (17)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Получив пакет и определив, что получатель является соседним устройством, «G» напрямую обращяется к получателю
Маршрутизация (18)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Отбрасывает пакет, определив что «E» уже ретранслировало пакет
Маршрутизация (19)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Ретранслирует первым к получателю, определив наиболее короткий маршрут
Появление первого запроса на определение маршрута
Маршрутизация (20)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Получатель является подчиненным устройством. «К» не переходит в обычное состояние
Маршрутизация (21)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Появление второго запроса на определение маршрута
Данный маршрут обеспечивает меньше пересылок. Поэтому «К» ретранслирует первым.
Маршрутизация (22)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Появление третьего запроса на определение маршрута
Маршрутизация (23)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (24)

A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрут 1
6 пересылок
Маршрутизация (25)

Маршрут 2
7 пересылок
A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (26)

Маршрут 3
7 пересылок
A
B
F
G
C
D
H
I
K
L
M
N
E
J
O
B
Маршрутизация (27)

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Программная реализация стека протоколов
ZigBee / 802.15.4
Slide

Реализация беспроводных соединений ZigBee/802.15.4
на базе платформы Freescale Semiconductor
ZigBee
( <60K )
HCS08
GT60
MC13193
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
Сетевой уровень ZigBee
Простое
Беспроводное Соединение
< 2K Flash
HCS08
GT32(16)
MC13192/1
802.15.4 / PHY Layers
SMAC
HCS08
GT60/32
MC13192
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
802.15.4 MAC
( <32K )
(стек конечного устройства <4K)
Подуровень Поддержки Приложений
….
P1
P31
Тип устройства
ZigBee

Реализация топологий сетей ZigBee/802.15.4
Топология «точка - точка»
Реализация: SMAC, 802.15.4 MAC
Топология «звезда»
Реализация: SMAC, 802.15.4 MAC
Топология «кластерное дерево»
Реализация: 802.15.4 MAC, ZigBee
Конечные устройства ZigBee
(RFD или FFD)
Маршрутизатор ZigBee (FFD)
PAN Координатор ZigBee (FFD)
Связи в многоячейковой сети
Радиальные связи типа точка-точка
Топология «многоячейковая сеть»
Реализация: ZigBee

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Freescale
S-MAC / 802.15.4 D18 MAC
Slide

Что такое S-MAC?
Упрощенный MAC (Simple MAC)
Позволяет организовывать беспроводные крайне низко энергопотребляющие двусторонние информационные каналы
Минимальные требования к аппаратным ресурсам МК (2k driver/phy/mac)
Отсутствие жестких временных ограничений по работе МК
Адаптируется к любому МК
Открытый исходный код на языке Си для семейства HCS08
Готовые функции по работе с микросхемой приемопередатчика МС13191/2

Особенности реализации S-MAC
Только пакетная передача
Тактирование МК от внешнего кварца либо от RF МС
Задействован только 1 таймер в составе МС13192 для обеспечения тайм-аута по приему (Rx Timeout)
Поддержка режимов пониженного энергосбережения (Off/hibernate/doze)
Отсутствие сетевых процедур и функций в исходном коде (реализуется на стороне приложения)
Реализация функции подтверждения успешного приема сообщения (ACK) на стороне приложения

Аппаратные требования
Совместим с MC13192/1 (отладочные платы ARD/SARD/RF Daughter card)
Микроконтроллер:
Память: 2.5К Flash, 10 байт RAM + RAM буфер, равный длине пакета
Интерфейс:
SPI или 3 порта ввода/вывода
CE – 1 порт ввода/вывода
RXTXEN – 1 порт ввода/вывода
ATTN – 1 порт ввода/вывода (для перевода RF МС из режима пониженного энергопотребления в состояние IDLE)
RESET – 1 порт ввода/вывода (для сброса RF МС)
IRQ (возможно использование KBI)

Чем не является S-MAC?
Невозможно использовать в качестве исходного кода для ZigBee приложений
Не совместим со стандартом 802.15.4
Не является официальным сертифицированным продуктом компании Freescale Semiconductor (начальный уровень при построении беспроводных соединений на базе МС13191/2)
Не обеспечен обширной документацией и всесторонней технической поддержкой со стороны Freescale Semiconductor

Почему S-MAC?
Начальный этап при освоении RF МС13191/2 и определении параметров схемы
Беспроводные решения типа «точка-точка» или «точка-много точек»
Простые приложения (удаленное управление замыканием / размыканием или включением / выключением, автомобильные и гаражные системы, недорогие малопотребляющие приложения)
Бесплатный исходный код для уровней PHY и SMAC
Набор разработчика SMAC приложений включает:
Metrowerks CodeWarrior
Общее число файлов (S-MAC Cи код) для SMAC уровня – 6
Общее число файлов (Си код приложения) ~ 10
BDM – адаптер (предпочтительно USB)
Обширный набор примеров реализации

Freescale IEEE 802.15.4 D18 PHY уровень
Полностью соответствует стандарту IEEE 802.15.4
Создан специально для работы с D18 MAC, однако может использоваться отдельно совместно с собственными уровнями МАС и выше
Включает аппаратно реализованные интерфейсы (SPI, GPIO, и т.д.)
На стороне МК подпрограммы предоставляются в исходном коде для возможности использования произвольных портов ввода/вывода
Потоковый режим передачи
Предъявляет повышенные требования к точности времен работы МК в режимах Rx/Tx
Программная поддержка внешнего Rx/Tx переключателя

Полностью соответствует стандарту IEEE 802.15.4
Доступен в виде библиотек, поддерживающих различные классы устройств:
FFD (координатор, роутер с/без таблицами маршрутизации)
RFD
Библиотеки созданы для МК семейства HCS08
Программная реализация ACK
Программная реализация AES-128 шифрования
Бесплатный набор программных средств 802.15.4 D18 MAC/PHY от компании Freescale Semiconductor
Набор разработчика D18 MAC/PHY приложений включает:
Metrowerks CodeWarrior
Проект МСР для создания собственных проектов
Примера проектов
Библиотеки LIB с МАС функциями
Перечень используемых платформ в проекте + исходный код интерфейса с МС1319х уровня PHY
BDM – адаптер (предпочтительно USB)
Программное обеспечение Test Tool для просмотра и установки параметров системы и загрузки собственного ПО (S19) через RS232 интерфейс (функция Bootloader )
Freescale IEEE 802.15.4 D18 MAC уровень

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Figure8 Wireless
ZigBee стек
Slide

Конфигурация стека протокола ZigBee
IEEE
802.15.4
IEEE 802.15.4 MAC
Уровень канала передачи данных (DLC)
Сетевой уровень (NWK)
Подуровень поддержки приложений (APS)
Профили устройств ZigBee
Приложение
Заказчик
Стек ZigBee
Добавление/удаление устройств, доставка
пакетов, подтверждение приема (ACK), CRC,
сканирование и доступ к каналам связи (CSMA-CA), временное разделение, и т.д.
Безопасность сети, трансляция сообщений, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и т.д.
Безопасность устройства, трансляция сообщений, организация сервисов устройств, и т.д.
Модуляция, параметры сигнала, прием и передача информации через физический радиоканал и т.д.
Интерфейс связи с приложением
Библиотеки профилей, наборы сервисов устройств, типовые информационные сообщения, совместимость
Формирование и контроль пакетов данных, управление потоком данных, и т.д.

Компания Figure8 Wireless
F8W занимает лидирующие позиции на рынке программного обеспечения для беспроводных сетевых приложений 802.15.4/ZigBee
Одной из первых предлагает полностью законченное решения для построения полнофункциональных сетей ZigBee спецификации V1.0
Построение сетей с топологиями «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть»
Предлагает встроенные решения практически для всех устройств повседневной жизни
Решения для подключаемых ZigBee модулей в составе существующих систем (сокрашение сроков и стоимости разработки беспроводных устройств)
Предлагает исходный код на языке Си, необходимый для сопряжения ПО ZigBee с требуемым МК
Гарантирует совместимость с другими сертифицированными ZigBee устройствами
Обеспечивает поддержку и обновления для приобретенного ПО
Поставляет полный набор документации (руководства пользователя, инструкция по разработке и т.д.)
Набор программных инструментариев для настройки и отладки ПО сетей ZigBee
Председатель технического комитета альянса ZigBee

Figure-8 Wireless Z-Stack
Z-Stack – Полная реализация спецификации альянса ZigBee V1.0
Реализация полноценного стека протоколов ZigBee версии 1.0
Документация
Исходный код для создания собственных профилей устройств и пример профиля устройств системы освещения
Программа Z-Profile Builder для создания профилей ZigBee совместимых устройств
Шаблоны профилей различного функционального назначения для создания профилей ZigBee совместимых устройств
Задание идентификаторов, параметров работы системы и устройств, параметры взаимодействия устройств разработчика и т.д.
Определение устройств на основе определенных разработчиком профилей
Программа Z-Configurator для автоматической настройки ZigBee совместимых устройств
Объединяет приложения пользователей и готовые профили из программы Z-Profile Builder
Создает проект CodeWarrior для последующей его загрузки в МК HCS08
Определение типа устройства (RFD, FFD)
Программа Z-Trace для проверки и отладки работы системы и ZigBee совместимых устройств
Создана по древовидному принципу для выполнения введенных вручную команд
Выводит информацио об отладке и трассировке программ отладочных комплектов Freescale Semiconductor (поддерживает отладочные наборы EVB и SARD)

Программа Z-Trace

Примерные цены на программное обеспечение F8W
Z-Stack
90 дневная оценочная версия в составе комплекта EVK ($1499)
90 дневная оценочная версия доступна по запросу для пользователей отладочных комплектов DSK (SARD), RFC
Однократный платеж за ПО
$1000 за одно рабочее место
$12000 за компанию
Ежегодный платеж для обеспечения поддержкой и получения обновлений
$200 за одно рабочее место
$2400 за компанию
Лицензионный исходный код
Примерная стоимость $75k

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
BACKUP
SLIDES
Slide

Формат пакета данных
Позволяет передавать до 104 байт данных
Для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Data sequence number)
Устойчивая структура обеспечивает высокое качество приема в условиях помех
Контрольная последовательность кадра гарантирует безошибочную передачу(Frame Check Sequence - FCS)

Формат пакета подтверждения
Обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной пеедаче пакета данных
Малая величина пакета обеспечивает увеличение времен нахождения в состоянии покоя сетевых устройств.
Передача пакета подтверждения осуществляется сразу после получения пакета данных

Формат пакета МАС команды
Используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств
Плзволяет устройству централизованного администрирования сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети