Документ IEEE Std 802.15.4 определяет спецификации физического уровня (PHY) и подуровень доступа к сетевой среде MAC (Medium Access Control) для низкоскоростной беспроводной среды с портативными переносными устройствами и максимальным расстоянием доступности POS (Personal Operating Space) равным 10 метрам. При этом предполагается, что при более низких скоростях передачи возможна работа и на больших расстояниях (< 100 м).

Стандарт определяет следующие скорости передачи данных: 250 кбит/c, 100кбит/c, 40 кбит/c и 20 кбит/c.

Особенностью сетей IEEE 802.15.4-2006 является возможность реализации практически любой топологии, включая сотовую.

Используемые сокращения и акронимы

Развитие технологии Zigbee совпадает по времени с расширением зоны использования IPv6, которое стимулируется внедрением мобильных средств и Интернета вещей. Для решения задач для Zigbee работает 3 группы IETF (см. "The ZigBee IP Protocol Stack, by Douglas Comer, Purdue University, The Internet Protocol Journal, December 2014 Volume 17, Number 2, p19). При этом предполагается, что передача осуществляется через радио канал 802.15.4.

Топологии сетей

В зависимости от требований приложений IEEE 802.15.4 LR-WPAN может работать в рамках одной из двух топологий: звезда или peer-to-peer (P2P). Смотри рис. 2. В случае звездообразной топологии коммуникации устанавливаются между отдельными устройствами и центральным контроллером, называемым координатор PAN (Personal Area Network). Сетевое устройство обычно ассоциируется с одним из приложений и в процессе коммуникаций является либо отправителем, либо получателем данных. Координатор PAN может быть ориентирован также на вполне определенные приложения, но он может использоваться для инициации, завершения или маршрутизации коммуникаций в сети. Координатор PAN выполняет функции первичного контролера PAN. Все устройства, работающие в сети любой топологии, снабжаются уникальными 64-битными адресами. Этот адрес может использоваться для прямых коммуникаций в пределах PAN. Координатор PAN может использовать укороченные адреса для групповой адресации сетевых устройств. Координатор PAN может быть запитан от сети переменного тока, в то время как прочие устройства часто питаются от батарей. Приложения, предпочитающие звездообразную топологию, включают в себя домашние системы автоматизации, периферийные устройства персональных компьютеров, игрушки и игры, а также различные устройства, связанные с заботой о здоровье.

Топология peer-to-peer

Звезда

Комбинированная кластерная топология

Рис. 2. Примеры топологий сети Zigbee

Приведенные выше рисунки показывают, что при необходимости можно реализовать практически любую топологическую схему.

Топология peer-to-peer (P2P) также работает с координатором PAN; однако, она отличается от звезды тем, что любые сетевые устройства могут обмениваться друг с другом, если существуют соответствующие каналы. Топология P2P позволяет формировать более сложные сетевые конфигурации, в том числе, такие как сетки. Приложения, типа промышленного управления и мониторинга, сети беспроводных сенсоров, интеллектуальное сельское хозяйство и безопасность делают данную технологию крайне привлекательной. Сеть P2P может быть в принципе самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Эта топология позволяет организовать и многошаговые маршруты доставки сообщений от одного сетевого устройства другому. Такие функции могут быть добавлены на более высоком уровне и не являются частью данного стандарта.

В каждой независимой PAN выбирается уникальный идентификатор. Этот идентификатор PAN позволяет осуществлять коммуникацию между устройствами сети, используя укороченные адреса. Механизм выбора идентификаторов в данном стандарте не рассматривается.

Звездообразная топология

Структура сети, построенной по схеме звезда, показана в центре рис. 2. После того как активирован FFD (Full Function Device), он может сформировать свою собственную сеть и становиться координатором PAN. Все звездообразные сети функционируют независимо друг от друга. Это достигается путем выбора идентификатора PAN, который не используется в данный момент любыми другими сетями в пределах радио досягаемости. После выбора идентификатора PAN, координатор PAN позволяет другим сетевым устройствам, как FFD, так и RFD (Reduced Function Device) подключиться к сети.

Топология P2P

В топологии P2P может обмениваться данными с любым другим устройством в пределах радио досягаемости. Одно из устройств объявляется координатором PAN, например, первое, подключившееся к каналу. Последующая структура сети строится согласно топологии P2P и имеется возможность введения определенных топологических ограничений.

Примером использования коммуникаций P2P является кластерное дерево. Сеть типа кластерное дерево является частным случаем сети P2P, в которой большинство устройств являются FFD. Устройства RFD подключаются к кластеру в качестве оконечных приборов, так как RFD не позволяют соединяться с другими устройствами. Любой FFD может действовать как координатор и осуществлять синхронизацию других устройств или других координаторов. Только один из этих координаторов может выполнять функцию главного координатора PAN, который может иметь большие вычислительные ресурсы, чем все прочие устройства в сети PAN. Координатор PAN образует первый кластер путем выбора неиспользуемого идентификатора PAN и широковещательной рассылки маркерных кадров (beacon - маяк) соседним устройствам. Необходим механизм соревновательного разрешения конфликтов, если два или более FFD одновременно пытаются стать координаторами PAN; однако, такие механизмы не рассматриваются в данном стандарте. Устройство-кандидат, получив кадр-маяк (beacon frame) может запросить подключение к сети у координатора PAN. Если координатор PAN разрешит такое присоединение, он добавит новое устройство в качестве дочернего в свой список соседей. Затем вновь подключенное устройство добавит координатор PAN в качестве своего прародителя в свой список соседей и начинает периодическую передачу пакетов-маяков; другие устройства-кандидаты могут подключиться к сети позднее. Если исходное устройство-кандидат не может подключиться к сети через координатор PAN, оно будет искать другое устройства-прародитель.

Простейшей формой сети типа кластерное дерево является изолированная кластерная сеть, но возможно объединение нескольких или множественных сетевых кластеров (смотри низ рис. 2). Раз заданные требования сети или приложения удовлетворены, первый координатор PAN может указать другому устройству стать координатором PAN нового кластера, смежного с первым. Прочие устройства постепенно подключаются и образуют мультикластерную сетевую структуру. Преимуществом мультикластерной структуры является возможность расширения области покрытия, недостатком - увеличение задержки доставки сообщения.

Архитектура

Архитектура IEEE 802.15.4 определяет в свою очередь ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги вышерасположенному уровню.

Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном стандарте.

Устройство LR-WPAN представляет уровень PHY, оно включает в себя радиочастотный (RF) трансивер с низкоуровневым механизмом управления, и субуровень MAC, который обеспечивает доступ к физическому каналу для всех типов передачи. На рис. 3 представлен стек субуровней протоколов ZigBee (IEEE 802.15.4; см. [3]).

Рис. 3. Стек сетевых уровней Zigbee (IEEE 802.15.4)

Из рисунка видно, что сети Zigbee работают поверх уровня IEEE 802.15.4.

Физический уровень

Физический уровень PHY предоставляет два вида услуг: информационный сервис PHY и сервис управления, обеспечивающий взаимодействие с сервисом PLME (Physical Layer Management Entity) точки доступа SAP (известный под названием PLME-SAP). Информационный сервис PHY делает возможным передачу и прием через радиоканал протокольных блоков данных PPDU (Protocol Data Unit).

На физическом уровне осуществляется активация и дезактивация радиотрансиверов, ED, LQI, выбор канала, оценка CCA (Сlear Сhannel Assessment), а также прием и передача пакетов через физическую среду. Радиооборудование работает на одном из нелицензируемых частотных диапазонах:

• 868–868.6 МГц (например, для Европы)
• 902–928 МГц (для Северной Америки)
• 2400–2483.5 МГц (для остального мира)

Рис. 3a. Выбор радиоканалов в IEEE 803.15.4 (PHY 2400 МГц)

Субуровень МАС

Субуровень MAC предоставляет два сервиса: информационный MAC-сервис и сервис управления MAC-уровня - обеспечение интерфейса для субуровня управления MLME (MAC Level Management Entity) для точек доступа (известных как MLME-SAP). Информационный сервис MAC обеспечивает прием и передачу протокольных блоков данных MAC-уровня (MPDU) с помощью информационного сервиса физического уровня.

Характерными особенностями субуровня MAC являются использование управления маяками (beacon), реализация доступа, управление GTS (Guaranteed Time Slot), проверка корректности кадров, подтверждение доставки кадров и т.д. Кроме того, субуровень MAC обеспечивает поддержку механизмов безопасности на прикладном уровне.

Данный стандарт опционно разрешает использование структуры суперкадра. Формат суперкадра определяется координатором. Суперкадр ограничен сетевыми маяками (beacon), посланными координатором (смотри рис. 4a) и содержит 16 равных по длительности временных доменов. Опционно суперкадр может содержать активную и пассивную секции (смотри рис. 4b). В неактивный период координатор может перейти в режим экономного расходования питания. Кадр-маяк передается в первом домене каждого суперкадра. Если координатор не хочет использовать структуру суперкадра, он отключит передачу маяков. Маяки нужны для синхронизации подключенных устройств, чтобы идентифицировать PAN, и описать структуру суперкадров. Любое устройство, желающее осуществлять обмен в период CAP (Contention Access Period) между двумя маяками, конкурирует за это право с другими устройствами, использующими доменный механизм CSMA-CA. Все обмены завершаются до момента следующего сетевого маяка.

Рис. 4. Структура кадра без GTS

Для приложений, требующих малых задержек или нуждающихся в определенной полосе пропускания передачи данных, координатор PAN может выделять активные секции суперкадра. Эти секции называются гарантированными временными доменами GTS (Guaranteed Time Slot). Домены GTS образуют CFP (Contention-free period - периоды без конкуренции), которые всегда располагаются в конце активных секций суперкадра и начинаются на границе домена сразу за CAP, как это показано на рис. 5. Координатор PAN может формировать до семи таких GTS, и эти GTS могут занимать более одного временного домена. Однако значительная часть CAP предназначается для соревновательного доступа прочих сетевых устройств, желающих подключиться к сети. Транзакции конкуренции за доступ завершаются до начала CFP. Каждое устройство, передающее GTS, гарантирует, что транзакция завершится до времени следующего GTS или конца CFP.

Рис. 5. Структура кадра c GTS

Модель передачи данных

Существует три вида транзакций передачи данных. Одна из них сопряжена с передачей данных координатору, которому передает информацию сетевое устройство. Вторая транзакция связана с пересылкой данных от координатора к сетевому устройству. К третьему виду транзакций относится обмен данными непосредственно между сетевыми устройствами. В топологии звезда используются только две транзакции, так как возможен информационный обмен только между координатором и сетевым устройством. В топологии P2P возможна реализация всех трех видов транзакций.

Механизм каждого типа обменов зависит от того, поддерживает ли сеть передачу маяков. Сети PAN с поддержкой маяков используются в сетях, которые либо требуют синхронизации, либо поддерживают сетевые устройства, требующие малой задержки отклика, такие как периферия PC. Если сеть не нуждается в синхронизации или малых задержках, она может не использовать кадры-маяки для стандартных обменов. Однако маяки в любом случае нужны для восстановления сети.

Передача данных координатору

Когда сетевое устройство хочет передать данные координатору в сети PAN с поддержкой кадров-маяков, оно сначала пытается детектировать кадр-маяк (beacon). Когда маяк обнаружен, устройство синхронизуется со структурой суперкадра. В соответствующий момент времени, устройство передает свой информационный кадр, используя доменный алгоритм CSMA-CA, координатору. Координатор может опционно подтвердить успешную доставку путем посылки кадра подтверждения. Данная последовательность действий отображена на рис. 6.

Рис. 6. Передача данных координатору в PAN с использованием маяков (beacon)

Когда сетевое устройство хочет передать данные в сети PAN без поддержки маяков, оно просто посылает информационный кадр координатору, используя бездоменную схему CSMA-CA. Координатор опционно подтверждает успешную доставку данных посылкой кадра подтверждения. Данная последовательность операций отображена на рис. 7.

Рис. 7. Коммуникации с координатором в PAN без меток

Передача данных из координатора

Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN с поддержкой маяков, он определяет по сетевому маяку, какие данные ожидают отправки. Устройство периодически прослушивает сетевые маяки (beacon), и если имеется ожидающее отправки сообщение, передается МАС-команда запроса данных, с использованием доменного механизма CSMA-CA. Координатор подтверждает получение запроса данных с помощью соответствующего кадра (ACK). С использованием доменного механизма CSMA-CA ожидающий отправки кадр данных пересылается, если возможно, то сразу после подтверждения. Устройство может подтвердить успешное получение данных путем отправки кадра подтверждения. На этом транзакция завершается. При успешном завершении транзакции сообщение удаляется из списка ожидающих отправки, который был записан в маяке. Последовательность описанных действий представлена на рис. 8.

Рис. 8. Передача данных из коммуникатора сети PAN, использующей маяки

Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN без поддержки маяков, он запоминает данные для соответствующего устройства и выполняет запрос данных. Сетевое устройство может установить контакт с координатором путем отправки MAC-команды запроса данных, используя механизм бездоменного CSMA-CA, со скоростью обмена, заданной приложением. Координатор подтверждает успешное получение информационного запроса с помощью кадра подтверждения. Если информационный кадр ждет отправки, координатор посылает устройству кадр данных, используя бездоменный механизм CSMA-CA. Если кадра данных, ждущего отправки нет, координатор фиксирует этот факт либо в пакете подтверждения, следующем за запросом данных, либо в информационном кадре с нулевой длиной поля данных. Если нужно, устройство подтверждает успешное получение кадра данных. Последовательность действий для данной схемы отображена на рис. 9.

Рис. 9. Телекоммуникации из координатора в сеть PAN без маяков

Передача данных в режиме P2P

В P2P PAN, каждое устройство может обмениваться данными с любым другим устройством в пределах радиодоступности. Для того чтобы делать это эффективно, устройства, желающие обмениваться данными, должны синхронизовать друг друга. Это может реализовываться простой посылкой своих данных с привлечением бездоменного механизма CSMA-CA.

Формат кадра маяка

Структуры кадров спроектированы так, чтобы минимизировать издержки, обеспечивая в то же время надежность передачи через каналы с высоким уровнем шума. Каждый последующий протокольный уровень добавляет в структуру свои специфические заголовки и завершающие блоки. В данном стандарте определены четыре структуры кадров:

• Кадр-маяк, используемый координатором для пересылки маяков
• Кадр данных, используемый для всех видов передачи информации
• Кадр подтверждения, используемый для подтверждения успешной доставки кадра
• Командный кадр MAC, используемый для реализации всех управляющих обменов между партнерами

На рис. 10 показана структура кадра-маяка (beacon), который формируется в рамках субуровня MAC. Координатор может передавать кадры-маяки в пределах сети PAN, ориентированной на работу с маяками. Поле данных MAC содержит спецификацию суперкадра, поля GTS, поля ожидающих адресов и поле данных маяка. Перед полем данных MAC размещается МАС-заголовок (MHR), а за данными следует завершающее поле (MFR). Поле MHR содержит поле управления MAC, порядковый номер маяка (BSN), адресные поля и опционно дополнительный заголовок безопасности. Поле MFR содержит 16-битную контрольную сумму кадра (FCS). Поля MHR, данные MAC и MFR образуют кадр-маяк MAC (т.e., MPDU).

Рис. 10. Формат пакетов-маяков и кадров физического уровня

Кадр-маяк MAC передается на уровень PHY в качестве блока сервисных данных (PSDU), который становится полем данных PHY. Поле данных PHY имеет префиксный заголовок (SHR), который служит для синхронизации и содержит последовательность преамбулы, начальный разграничитель кадра (SFD), а также PHY-заголовок (PHR), содержащий длину поля данных PHY в октетах. Поля SHR, PHR и поле данных PHY образуют пакет PHY (т.e., PPDU).

Кадр данных

На рис. 11 показана структура информационного кадра, формируемого верхними слоями сетевой иерархии.

Рис. 11. Формат пакетов данных и кадров физического уровня

Поле данных передается на субуровень MAC и рассматривается как сервисный блок данных MAC (MSDU). Поле данных MAC имеет префикс MHR, далее следует поле MFR. MHR содержит поле управления кадра, порядковый номер данных DSN (Data Sequence Number), адресные поля и опционно заголовок безопасности. Поле MFR (MAC footer) содержит 16-битную контрольную сумму FCS. MHR, поле данных MAC и MFR образуют поле данных MAC кадра, (т.e., MPDU).

Контрольная сумма вычисляется с использованием образующего полинома
G₁₆(x) = x¹⁶ + x¹² + x⁵ +1.

MPDU передается на физический уровень PHY в виде PSDU, которое становится полем данных PHY. Поле данных PHY имеет префикс SHR, содержащий последовательность преамбулы и поле SFD, а также поле PHR (PHY header), которое содержит значение длины поля данных PHY в октетах. Последовательность преамбулы и поле SFD обеспечивают синхронизацию.

Кадр подтверждения

На рис. 12 показана структура кадра подтверждения, который формируются на субуровне MAC. Кадр подтверждения MAC состоит из MHR и MFR; он не имеет поля данных MAC. MHR содержит поле управления MAC и DSN. MFR содержит 16-битную контрольную сумму FCS. MHR и MFR образуют MAC-кадр подтверждения (т.e., MPDU).

MPDU передается на физический уровень PHY в виде PSDU, которое становится полем данных PHY. Поле данных PHY имеет префикс SHR, содержащий последовательность преамбулы и поле SFD, а также поле PHR, которое содержит значение длины поля данных PHY в октетах. SHR, PHR и поле данных PHY образуют PHY-пакет, (т.e., PPDU).

Рис. 12. Формат пакетов подтверждения и кадров физического уровня

Формат командного кадра МАС

На рис. 13 показана структура командных MAC-кадров, которые формируются на субуровне МАС. Поле данных MAC содержит поле тип команды и поле данных команды. Поле данных MAC имеет префикс MHR и дополняется MFR. MHR содержит поле управления MAC, DSN, адресные поля и опционно заголовок безопасности. MFR содержит 16-битное поле FCS. MHR, поле данных MAC и MFR образуют командный кадр MAC, (т.e., MPDU).

Рис. 13. Формат командных пакетов МАС-уровня и кадров физического уровня

MPDU передается далее на физический уровень как PSDU, которое становится полем данных PHY. Поле данных PHY имеет префикс SHR, содержащий последовательность преамбулы и поле SFD, а также поле PHR, куда записывается длина поля данных PHY в октетах. Одной из задач преамбулы является синхронизация приемника. Поля SHR, PHR и поле данных PHY образуют пакет PHY, (т.e., PPDU).

IEEE 802.15.4 LR-WPAN использует различные механизмы улучшения вероятности успешной доставки данных.

Механизм CSMA-CA

IEEE 802.15.4 LR-WPAN использует два типа механизмов доступа к каналу, в зависимости от конфигурации сети. Сети PAN без маяков используют бездоменный механизм доступа к каналу CSMA-CA. Каждый раз, когда устройство хочет передать кадр данных и MAC-команду, оно ждет в течение случайного периода времени. Если канал оказывается свободным (пассивным), производится отсрочка передачи со случайной длительностью, после чего производится передача данных. Если канал оказывается занятым после случайной выдержки, устройство ждет в течение еще одного случайного периода времени, прежде чем совершит очередную попытку доступа к каналу. Кадры подтверждения посылаются без использования механизма CSMA-CA.

Сети PAN c маяками используют доменный механизм доступа к каналу CSMA-CA, где домены отсрочки приходятся на начало передачи маяка (beacon). Домены отсрочки всех устройств в пределах PAN выстраиваются координатором PAN. Каждый раз, когда устройство хочет передать кадр данных во время CAP, оно определяет границу следующего домена отсрочки и затем ждет произвольное число доменов отсрочки. Если канал занят, следует очередная отсрочка, устройство ждет очередное случайное число доменов отсрочки, прежде чем снова попытается осуществить попытку доступа к каналу. Если канал пассивен, устройство начинает передачу. Кадры подтверждения или меток посылаются без привлечения механизма CSMA-CA.

Успешный прием и верификация кадров данных или МАС-команд может быть опционно подтвержден отправкой пакетов подтверждения. Если принимающее устройство по какой-либо причине не может обработать входной кадр, получение сообщения не подтверждается.

Если отправитель в течение определенного времени не получает подтверждения, он считает, что передача не удалась и пытается повторить пересылку кадра. Если подтверждение не приходит после нескольких попыток передачи, отправитель может либо завершить сессию, либо попытаться еще раз. Когда подтверждение не нужно, отправитель считает передачу успешной.

Спецификация сервисов субуровня MAC

Субуровень MAC реализует интерфейс между SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) и PHY. Субуровень MAC концептуально включает в себя систему управления, называемую MLME (MAC sublayer management entity). Этот объект обеспечивает сервисный интерфейс, через который можно осуществлять управление сетью. MLME поддерживает базу данных объектов управления субуровня MAC. Эта база данных называется PIB (PAN Information Base).

На рис. 14 представлены компоненты и интерфейсы субуровня MAC.

Рис. 14. Модель реализации субуровня МАС

Субуровень MAC предлагает два вида сервисов, доступных через две SAP:

• Информационный сервис MAC, обеспечивающий доступ через точки доступа MAC (MCPS-SAP), и
• Сервис управления MAC, доступный через MLME-SAP.

Во многих приложениях, которые используют данный стандарт, устройства питаются от батарей, и частая замена батарей или их зарядка неудобна. Следовательно, потребление мощности является важной проблемой. Данный стандарт разрабатывался с учетом этого соображения.

Протокол разрабатывался в расчете устройства с батарейным питанием. Однако для некоторых приложений отдельные устройства могут иметь питание от сети переменного тока. Устройства с батарейным питанием рассчитаны на работу со скважностью, чтобы сократить энергопотребление. Эти устройства большую часть своей жизни будут проводить в режиме сна; однако, каждое устройство периодически слушает радиоканал, для того чтобы определить, нет ли ожидающего сообщения. Этот механизм позволяет разработчику приложения определить баланс между временем жизни батарей и задержкой доставки сообщения. Устройства с мощным источником питания могут прослушивать радиоканал постоянно.

Безопасность

С точки зрения безопасности данный тип сетей не отличается от других беспроводных сетей. Они уязвимы для атак пассивного прослушивания, а также для атак активной фальсификации, так как для участия в информационном обмене здесь не требуется физического подключения к проводам. Характерные особенности этих сетей делают их даже несколько более уязвимыми. Устройства являются дешевыми и имеют ограниченную вычислительную мощность, оперативную память и не могут обеспечить даже высокий уровень работы генератора случайных чисел. Эти ограничения могут серьезно сузить выбор криптографических алгоритмов и протоколов и оказать влияние на структуру безопасности. Кроме того, время жизни батарей и стоимостные ограничения устанавливают жесткие пределы на избыточность, сопряженную с безопасностью. Большинство архитектурных элементов безопасности могут быть реализованы на более высоких сетевых уровнях.

Криптографический механизм данного стандарта базируется на симметричной ключевой схеме и использует ключи, поставляемые вышерасположенным сетевым уровнем. Работа с криптоключами находится за пределами данного стандарта. Криптографический механизм обеспечивает определенные комбинации следующих услуг безопасности:

• Конфиденциальность данных: Уверенность, что переданная информация доступна только партнерам, которым она предназначена.
• Подлинность данных: Гарантия того, что переданная информация не была модифицирована по пути.
• Защита от воспроизведения: Уверенность, что злоумышленник не может воспользоваться записью и последующим воспроизведением переданной информации.

Реализуемая защита кадров может быть выполнена на покадровом принципе, она обеспечивает варьируемый уровень целостности данных, что позволяет минимизировать, где возможно, избыточность при передаче, когда конфиденциальность является опционной.

Криптографическая защита кадра может предполагать совместное использование ключа двумя устройствами или даже группой устройств, что делает систему более гибкой. Если используется групповой криптографический ключ, защита будет обеспечена только от вредоносной активности внешних по отношении данной группы устройств.

Спецификация физического уровня

Физический уровень ответственен за решение следующих задач:

• Активация и дезактивация радиотрансивера
• Детектирование энергии (ED) в текущем канале
• Индикатор качества связи (LQI) для полученных пакетов
• Оценка незанятости канала CCA (Clear Сhannel Assessment) для механизма доступа (CSMA-CA)
• Выбор частоты канала
• Прием и передача данных

Стандарт специфицирует следующие четыре варианта PHY:

• PHY с широкополосной модуляцией и прямым расширением спектра DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - метод формирования широкополосного радиосигнала, при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей) для частотного диапазона 868/915 МГц. Здесь используется двоичная фазовая модуляция BPSK (Binary Phase-Shift Keying).
• DSSS PHY для диапазона 868/915 МГц, использующий модуляцию O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying)
• PHY PSSS (Parallel Sequence Spread Spectrum) для диапазона 868/915 МГц, использующий модуляцию BPSK и ASK (Amplitude Shift Keying).
• Режим 2450 МГц DSSS PHY использует O-QPSK модуляцию.

Кроме 868/915 мегагерцного BPSK PHY, который был специфицирован в редакции данного стандарта 2003 года, специфицированы два опционных PHY, рассчитанных на высокие скорости обмена для диапазонов 868/915 МГц. Оба опционных PHY предлагают скорости передачи более высокие по сравнению с PHY 868/915 МГц BPSK, который обеспечивает 20 кб/с в диапазоне 868 МГц и 40 кб/с для 915 мегагерцного диапазона. ASK PHY предлагает скорости передачи данных 250 кб/с как для 868 МГц, так и для 915 МГц. O-QPSK PHY, который предлагает сигнальную схему идентичную той, которая используется для PHY 2.4 гигагерцного диапазона, и обеспечивает скорость передачи для диапазона 915 МГц, равную той, которая реализуется для 2.4 ГГц и скорость передачи 100 кб/с для диапазона 868 МГц.

Устройство будет работать в одном или нескольких частотных диапазонов (смотри таблицу 1). Устройства начнут работу в запрограммированном режиме (PHY). Если устройство может работать в диапазоне 868/915 МГц, используя один из опционных типов PHY, оно будет способно переключаться динамически между опционным диапазоном 868/915 МГц PHY и обязательным 868/915 МГц BPSK PHY, при получении соответствующих команд.

Таблица 1. Частотные диапазоны и скорости передачи данных

Нумерация каналов

Всего имеется 27 каналов, пронумерованных от 0 до 26, в трех частотных диапазонах (канальная страница 0). Шестнадцать каналов имеется в диапазоне 2450 МГц, 10 - в диапазоне 915 МГц, и 1 в диапазоне 868 МГц. Эта канальная страница поддерживает каналы, определенные в издании стандарта 2003 года. Центральными частотами этих каналов являются:

F_C=868.3 МГц для k=0

F_C = 906 + 2 (k – 1) МГц для k = 1, 2, …, 10

и F_C = 2405 + 5 (k – 11) МГц для k = 11, 12, …, 26

где k -номер канала

Для канальных страниц 1 и 2, доступны 11 каналов, пронумерованных с 0 по 10, в двух частотных диапазонах чтобы реализовать физические протоколы 868/915 МГц ASK и O-QPSK PHY, соответственно. В диапазоне 915 МГц доступно десять каналов и 1 в диапазоне 868 МГц. Частотный центр этих каналов соответствует:

F_C=868.3 МГц для k=0

F_C = 906 + 2 (k – 1) МГц для k = 1, 2, …, 10

Для каждого поддерживаемого физического канала, устройство должно поддерживать все каналы, разрешенные для региона, где работает данный прибор.

Спецификации PHY-сервисов

PHY предлагает интерфейс между субуровнем MAC и физическим радиоканалом. PHY концептуально включает в себя объект управления, называемый PLME (Physical Layer Management Entity). Этот объект предоставляет интерфейс управления, через который могут выполняться контрольные функции. PLME ответственен за поддержку базы данных управляемых объектов, сопряженных с данным физическим уровнем. Эта база данных называется PIB (PAN information base).

На рис. 15 показаны компоненты и интерфейсы PHY. Уровень PHY предоставляет два вида сервисов, доступных через две точки доступа (SAP): информационный сервис PHY, осуществляется через физические точки доступа (PD-SAP), и физический сервис управления, который осуществляется через PLME-SAP.

Рис. 15. Эталонная модель PHY

Формат PPDU

Для удобства, структура пакета PPDU представлена так, что самое левое поле будет всегда получено и передано первым. У всех мультиоктетных полей первым будет передаваться и приниматься младший бит (LSB). Тот же порядок передачи должен использоваться для транспортировки данных между уровнями PHY и MAC.

Каждый пакет PPDU состоит из следующих компонентов:

• Заголовок синхронизации (SHR), который позволяет принимающему устройству синхронизоваться с потоком бит.
• Заголовок PHY (PHR), который содержит данные о длине кадра
• Поле данных переменной длины, которое несет в себе кадр субуровня MAC.

Пакетная структура пакета PPDU показана на рис. 16. Поле PSDU имеет переменную длину.

Рис. 16. Формат PPDU

Таблица 2. Длины полей преамбулы

SFD является полем, отмечающим конец SHR и начало данных пакета. Длина поля SFD для различных PHY показана в таблице 3.

Таблица 3. Длины поля SFD

Для всех PHY, за исключение ASK PHY, SFD имеет 8-бит. Для ASK PHY, SFD использует специальный символ. Длины SFD для ASK PHY задаются в длительностях октетов. SFD для всех PHY, за исключением ASK PHY несет в себе код 11100101.

Общий формат кадра МАС

Формат кадра MAC формируется полями MHR, полем данных MAC и MFR. Поля MHR следуют в фиксированном порядке; однако, адресные поля могут отсутствовать в некоторых кадрах. Общий вид формата MAC кадра показан на рис. 17.

Рис. 17. Общий формат кадра МАС

Поле управления кадра

Поле Управление кадра имеет 2 октета и содержит информацию, определяющую тип кадра, адресные поля и другие флаги управления. Поле управления кадра имеет формат, показанный на рис. 18.

Рис. 18. Формат поля управления кадра

Субполе Безопасность активирована имеет длину 1 бит, и устанавливается равным единице, если кадр защищен на МАС-субуровне, в противном случае субполе содержит нуль. Поле дополнительного заголовка безопасности будет присутствовать в MHR, только если субполе Security Enabled =1.

Субполе тип кадра имеет 3 бита и принимает значения, перечисленные ниже в таблице 4.

Таблица 4. Значения субполя тип кадра

Субполе отсрочки кадра имеет длину в 1 бит и принимает значение 1, если устройство, посылающее кадр, имеет дополнительные данные для получателя. В противном случае это субполе устанавливается равным нулю. Субполе отсрочки используется только в кадрах маяках или кадрах, передаваемых в период CAP устройствами, работающими в сети PAN с маяками, или в любое время устройствами, работающими без маяков. Во всех прочих случаях субполе должно содержать нуль при передаче и игнорироваться при получении.

Субполе запроса подтверждения имеет длину 1 бит и определяет, нужно или нет подтверждение от получателя в случае прихода кадра данных или МАС-команды. Если это субполе содержит единицу, получатель пошлет подтверждение, если кадр пройдет третий уровень фильтрации. Если поле содержит нуль, получатель не должен посылать подтверждение.

Субполе компрессии PAN ID имеет 1 бит и специфицирует, должен ли посылаться MAC-кадр, содержащий только одно из полей идентификаторов PAN, при условии, что присутствуют адреса отправителя и получателя. Если в субполе записана единица, а присутствуют адреса отправителя и получателя, кадр будет содержать только поле идентификатора PAN места назначения, и поле идентификатора PAN отправителя предполагается равным содержимому поля идентификатора места назначения. Если это субполе содержит нуль и присутствуют адреса отправителя и получателя, кадр будет содержать поля идентификаторов PAN как отправителя, так и получателя. Если присутствует только один из упомянутых адресов, это субполе будет содержать нуль, а кадр будет содержать поле идентификатора PAN, соответствующего этому адресу. Если оба адреса отсутствуют, то субполе будет равно нулю, а кадр посылается без полей идентификаторов PAN.

Субполе режим адресации места назначения имеет длину 2 бита и может содержать значения представленные в таблице 5.

Если это субполе равно нулю, а субполе тип кадра не указывает, что кадр является маяком или подтверждением, субполе режима адресации отправителя не будет равно нулю, указывая на то, что кадр адресован координатору PAN с идентификатором, указанным в поле идентификатор PAN отправителя.

Таблица 5. Возможные значения поля режим адреса назначения и режим адреса отправителя

Субполе версия кадра имеет ширину 2 бита и определяет код версии, соответствующей данному кадру.

Это субполе будет равно 0x00, если нужно указать, что кадр соответствует стандарту IEEE Std 802.15.4-2003 и 0x01, если кадр соответствует 802.15.4. Все остальные возможные значения кода субполя зарезервированы на будущее.

Субполе режим адресации отправителя имеет ширину 2 бита и может принимать значения, представленные в таблице 5.

Если это субполе содержит нуль, а субполе тип кадра указывает, что это не кадр подтверждения, субполе режим адресации меcта назначения будет не равно нулю, указывая, что кадр исходит от координатора PAN с идентификатором, специфицированным в поле идентификатор места назначения.

Поле порядковый номер имеет размер 1 октет и специфицирует порядковый номер кадра. Для кадра-маяка поле порядковый номер специфицирует BSN. Для кадров данных, подтверждения, или MAC-команды поле порядковый номер специфицирует DSN, который используется для установления соответствия подтверждения кадру данных или команды.

Поле PAN-идентификатора места назначения, если присутствует, имеет 2 октета и специфицирует уникальный PAN-идентификатор получателя кадра. Значение 0xffff в данном поле означает широковещательный PAN-идентификатор, который будет воспринят как корректный идентификатор всеми устройствами, прослушивающими канал.

Это поле будет включено в MAC-кадр, если субполе режима адресации места назначения поля управления не равно нулю.

Поле адрес места назначения, если присутствует, имеет 2 или 8 октетов, в соответствии со значением, специфицированным в субполе режим адресации места назначения поля управления кадра. Оно специфицирует адрес получателя кадра. 16-битное значение 0xffff этого поля представляет широковещательный короткий адрес, который будет воспринят любым устройством, слушающим канал. Это поле будет включено в MAC-кадр, если только субполе режима адресации места назначения в поле управления кадра не равно нулю.

Поле идентификатора отправителя, если присутствует, имеет 2 октета и специфицирует уникальный идентификатор PAN устройства, пославшего кадр. Это поле будет включено в кадр, если только субполя режима адресации отправителя и сжатия идентификатора PAN в поле управления кадра не равно нулю и =0, соответственно. Идентификатор PAN устройства присваивается устройству при ассоциации с PAN, но может быть изменен в случае разрешения конфликта при совпадении идентификаторов.

Поле адрес отправителя, если присутствует, имеет 2 или 8 октетов, в соответствии со значением, специфицированным субполем режима адресации отправителя в поле управления кадра, и определяет адрес источника кадра. Это поле будет включено в МАС-кадр, только если субполе режима адресации отправителя не равно нулю.

Поле вспомогательного заголовка безопасности имеет переменную длину и специфицирует информацию, которая необходима для обеспечения безопасности. Сюда входит то, как реально защищается кадр (уровень защиты), и какой ключевой материал из PIB используется. Это поле присутствует лишь при единичном значении субполя активации безопасности.

Поле данных кадра имеет переменную длину и содержит информацию, специфическую для определенных типов кадра. Если субполе активации безопасности равно 1, поле данных защищено.

Формат кадра-маяка (beacon)

Формат кадра-маяка показан на рис. 19.

Поля GTS имеют формат, представленный на рис. 20, а формат полей ожидающих адресов показан на рис. 21.

Рис. 19. Формат кадра-маяка

Рис. 20. Формат полей GTS

Рис. 21. Формат полей ожидающих адресов

MHR для кадра-маяка будет содержать поле управления кадра, поле порядковый номер, поле PAN-идентификатор отправителя и поле адреса отправителя.

В поле управления кадра субполе типа кадра будет содержать одно из значений, которое представлены в таблице 4, а субполе режим адресации отправителя будет соответствовать адресу координатора, передающего кадр-маяк. Если для маяка используется защита, субполе активация защиты должно содержать 1. Если выдержке подвергается широковещательный или командный кадр, субполе выдержка кадра делается равным 1. Все прочие субполя делаются равными нулю и игнорируются при приеме.

Поле порядковый номер содержит значение macBSN.

Адресные поля будут содержать только адресные поля отправителя. PAN-идентификатор отправителя и адресные поля отправителя будут содержать PAN-идентификатор и адрес устройства, сформировавшего кадр-маяк.

Поле вспомогательного заголовка безопасности, если присутствует, будет содержать информацию, которая необходима для безопасной обработки кадра-маяка.

Поле спецификации суперкадра имеет 16 бит и форматируется согласно схеме, представленной на рис. 22.

Рис. 22. Формат поля спецификации суперкадра

Субполе Порядок маяка имеет 4 бита и специфицирует временной домен, когда передается маяк.

Субполе порядок суперкадра содержит 4 бита и специфицирует временной интервал, когда суперкадр активен (т.е. приемник открыт для приема), включая временной домен, когда кадр-маяк может быть передан.

Субполе Оконечный домен CAP имеет ширину 4 бита и специфицирует последний временной домен суперкадра, используемый при CAP. Длительность CAP, задаваемое этим субполем, будет больше или равно значению aMinCAPLength. Однако, допускается исключение, когда для выполнение операций с GTS нужно временное увеличение длины кадра-маяка.

Субполе продления времени жизни батареи (BLE) имеет ширину в 1 бит и устанавливается равным единице, если кадры переданные устройству, посылающему маяк, во время его CAP, требуют старта во время или до macBattLifeExtPeriods полных периодов выдержки после периода IFS, который следует за маяком. В противном случае, субполе BLE будет установлено равным нулю.

Субполе координатора PAN имеет 1 бит и устанавливается равным 1, если кадр-маяк послан координатором PAN. В противном случае субполе координатора PAN устанавливается равным нулю.

Субполе разрешение ассоциации имеет 1 бит и устанавливается равным 1, если macAssociationPermit равно TRUE (т.e., координатор принимает ассоциацию с PAN). Бит разрешения ассоциации устанавливается равным нулю, если координатор в данный момент не принимает запросов подключения к сети.

Поле спецификации GTS содержит 8 бит и имеет формат, показанный на рис. 23.

Рис. 23. Формат поля спецификации GTS

Субполе числа GTS-дескрипторов имеет 3 бита и определяет число 3-октетных GTS-дескрипторов, содержащихся в поле списка GTS кадра-маяка. Если значение этого субполя больше нуля, может быть разрешен размер CAP ниже aMinCAPLengthM, чтобы соответствовать временному увеличению длины кадра-маяка, связанным с включение этого субполя. Если значение этого субполя равно нулю, то поля направлений GTS и списка GTS кадра-маяка отсутствуют.

Субполе разрешения GTS содержит 1 бит и устанавливается равным 1, если переменная macGTSPermit равна TRUE (т.e., координатор PAN воспринимает запросы GTS). В противном случае поле разрешения GTS будет равно нулю.

Поле направлений GTS имеет 8 бит, его формат представлен на рис. 24.

Рис. 24. Формат поля направления GTS

Субполе маски направлений GTS имеет 7 бит и содержит маску, идентифицирующую направления GTS в суперкадре. Младший бит в маске соответствует направлению первого GTS, содержащего в поле список GTS кадра-маяка, и последующими битами в порядке, в котором они представлены в списке. Каждый бит будет установлен равным 1, если GTS рассчитан только на прием или нулю, если GTS рассчитан только на передачу. Направление GTS определяется по отношению направления передачи данных устройством.

Размер поля список GTS определяется величинами, заданными в поле спецификация GTS кадра-маяка и содержит список дескрипторов GTS. Максимальное число дескрипторов GTS ограничено семью.

Каждый дескриптор GTS имеет 24 бита и формат, представленный на рис. 25.

Рис. 25. Формат поля дескриптора GTS

Субполе короткий адрес устройства имеет длину 16 бит и содержит в себе короткий адрес устройства, для которого предназначен дескриптор GTS. Субполе начальный временной домен GTS имеет ширину 4 бита и содержит в себе временной домен суперкадра, с которого начинается GTS.

Таблица 6. Использование коротких 16-битных адресов

Субполе длины GTS имеет 4 бита и содержит число смежных временных доменов суперкадра, на протяжении которых GTS остается активным.

Поле спецификация адреса выдержки имеет формат, описанный на рис. 26. Субполе число коротких адресов выдержки имеет протяженность 3 бита, оно несет в себе число 16-битных коротких адресов, содержащихся в поле список адресов кадра-маяка.

Субполе число расширенных адресов выдержки имеет протяженность 3 бита и содержит число 64-битных адресов, занесенных в поле список адресов кадра-маяка.

Рис. 26. Формат поля спецификации адреса выдержки

Поле размер адресного списка определяется величинами, записанными в поле спецификации адреса выдержки кадра-маяка, и содержит список адресов устройств, которые имеют сообщения, ожидаемые координатором. Адресный список не должен содержать коротких широковещательных адресов 0xffff.

Максимальное число адресов выдержки ограничено семью. Адреса же могут быть как короткими, так и расширенными. Все короткие адреса выдержки в списке помещаются первыми.

Поле данные маяка является опционной последовательностью с числом октетов, подлежащих передаче в кадре-маяке, заданным aMaxBeaconPayloadLength. В данное поле копируется набор октетов, содержащихся в macBeaconPayload.

Формат кадра данных отображен на рис. 27.

Рис. 27. Формат кадра данных

Порядок полей в кадре данных соответствует порядку в МАС-кадре, показанному на рис. 17.

MHR для кадра данных будет содержать поля управления кадром, порядковый номер, PAN-идентификатор/адресные поля места назначения, и/или PAN-идентификатор/адресные поля отправителя.

В поле управления кадра субполе типа кадра содержит код, который указывает на информационный кадр, как это показано в таблице 4. Если используется защита информации, субполе защита активизирована должно равняться 1. Субполе версия кадра будет равна 1, если либо субполе защита активизирована =1, либо MAC-поле данных больше чем aMaxMACSafePayloadSize.

Поле порядковый номер содержит текущее значение macDSN.

Адресные поля будут содержать адрес места назначения и/или отправителя в зависимости от содержимого поля управления кадра.

Поле вспомогательного заголовка безопасности, если он присутствует, будет содержать информацию, необходимую для безопасной обработки кадра данных.

Поле данных информационного кадра содержит последовательность октетов, которые запросил более высокий сетевой уровень.

Кадр подтверждения имеет формат, представленный на рис. 28.

Рис. 28. Формат кадра подтверждения

Порядок полей кадра подтверждения соответствует общему формату МАС-кадра (см. рис. 17).

MHR для кадра подтверждения будет содержать только поля управления кадра и порядкого номера.

В поле управления кадра субполе типа кадра будет содержать код, который индицирует кадр подтверждения, как это показано в таблице 4. Если кадр подтверждения послан в ответ на полученный запрос данных, посылающее устройство должно определить, являются ли эта информация ожидаемой для получателя. Если устройство может определить это до посылки подтверждения, оно установит содержимое субполя ожидание кадра в соответствии с фактом выдержки кадра данных. В противном случае субполе ожидание кадра будет сделано равным 1. Если кадр подтверждения послан в ответ получение кадра данных или команды, устройство устанавливает субполе ожидание кадра равным нулю. Все остальные субполя устанавливаются равными нулю и игнорируются при получении.

Поле порядковый номер будет содержать номер кадра, на получение которого высылается подтверждение.

Формат командного кадра описан на рис. 29.

Рис. 29. Формат командного МАС-кадра

MHR для командного MAC-кадра содержит поля управления кадра, порядкового номера, идентификатор/адрес PAN места назначения и поля идентификатор/адрес PAN отправителя.

В поле управление кадра субполе тип кадра будет содержать код, индицирующий МАС-командный кадр. Если требуется безопасность, субполе безопасность активирована поля управления кадра будет равно 1. В противном случае субполе безопасность активизирована поля управления кадра будет равно нулю.

Поле порядковый номер будет содержать значение macDSN. Адресные поля будут включать в себя поля адреса места назначения и/или поля адреса отправителя, в зависимости от содержимого поля управления кадра.

Поле вспомогательный заголовок безопасности, если присутствует, будет содержать информацию, необходимую для безопасной обработки командного кадра МАС.

Поле идентификатор командного кадра идентифицирует используемую MAC-команду. Это поле будет принимать одно из значений, приведенных в таблице 7.

Таблица 7. Кадры МАС-команд

Поле данных команды содержит код MAC-команды.

Команда запроса ассоциации

Команда запроса ассоциации позволяет устройству запросить ассоциацию с PAN через координатор. Эта команда может быть послана только не ассоциированным устройством, которое желает подключиться к PAN. Устройство может подключиться к PAN через координатор с привлечением процедуры сканирования. Все устройства могут формировать такую команду, хотя RFD не нужно уметь обрабатывать такие запросы. На рис. 30 представлен формат команды запроса ассоциации.

Рис. 30. Формат команды запроса ассоциации

Субполе режим адресации отправителя поля управления кадра будет установлено равным трем (64-битный расширенный адрес). Субполе режима адресации места назначения будет установлено в тот же режим, который указан в кадре-маяке, к которому относится запрос ассоциации.

В субполе выдержка кадра поля управления кадра будет записан нуль, а при приеме это поле будет игнорироваться, а в субполе запроса подтверждения будет занесена единица.

Поле идентификатора места назначения будет содержать идентификатор сети PAN, к которой осуществляется подключение. Поле адреса места назначения будет содержать адрес из кадра-маяка, который был послан координатором, ответственным за подключение. Поле PAN-идентификатора отправителя будет содержать широковещательный идентификатор PAN (т.e., 0xffff). В поле адреса отправителя будет записано значение aExtendedAddress.

На рис. 31 показан формат поля информационных возможностей.

Рис. 31. Формат поля данных об информационных возможностях

Субполе альтернативного PAN-координатора имеет ширину 1 бит и содержит 1, если устройство способно выполнять функцию координатора. В противном случае субполе альтернативного PAN-координатора будет установлено равным нулю.

Субполе типа устройства является однобитовым и будет установлено равным единице, если устройство является FFD. В противном случае субполе типа устройства будет равно нулю, указывая, что это RFD. Субполе источник питания содержит 1 бит и устанавливается равным единице, если устройство питается от альтернативного источника. В противном случае в субполе источник питания будет занесен нуль. Субполе приемник включен в режиме сна имеет 1 бит и устанавливается равным единице, если устройство не отключает свои приемники в пассивном режиме с целью экономии энергии. В противном случае субполе приемник включен в режиме сна будет содержать нуль.

Субполе возможность безопасности имеет ширину 1 бит и устанавливается равным единице, если устройство способно посылать и принимать криптографически защищенные МАС-кадры; в противном случае в субполе заносится нуль. Субполе выделение адреса имеет 1 бит и устанавливается равным единице, если устройство хочет, чтобы координатор в процессе ассоциации выделил ему 16-битовый короткий адрес. В противном случае субполе будет содержать нуль.

Команда отклика ассоциации

Команда отклика ассоциации позволяет координатору переслать результат попытки ассоциации устройству, запросившему ассоциацию.

Все устройства должны уметь воспринимать эту команду, хотя RFD не нужно уметь ее посылать. Команда отклика на запрос ассоциации имеет формат, представленный на рис. 32.

Рис. 32. Формат команды отклика ассоциации

Субполя режима адресации места назначения и отправителя поля управления кадра будут содержать код 3 (т.e., 64-битовый расширенный адрес). Субполе выдержки кадра поля управления кадра устанавливается равным нулю и игнорируется при получении, а субполе запрос подтверждения устанавливается равным единице.

Субполе сжатия PAN ID поля управления кадра содержит единицу. В соответствии с этим значением поле идентификатора PAN поля идентификатора места назначения будет содержать macPANId, в то время как поле идентификатора отправителя PAN присутствовать не будет. Поле адреса места назначения будет содержать расширенный адрес устройства, запросившего подключения (ассоциации). Поле адреса отправителя будет содержать значение aExtendedAddress.

Если координатор не способен подключить данное устройство к его PAN, поле короткого адреса будет установлено равным 0xffff, а поле состояние ассоциации будет содержать причину неудачи. Еcли координатор смог подключить устройство к своей PAN, это поле будет содержать короткий адрес, который устройство может использовать при своих обменах в рамках данной сети. Поле короткий адрес, равный 0xfffe, означает, что устройство было успешно подключено к PAN, но ему пока не выделен короткий адрес. В этом случае, устройство будет обмениваться данными, используя 64-битовый расширенный адрес.

Поле состояния ассоциации будет содержать одно из возможных значений, содержащихся в таблице 7.

Таблица 7. Возможные значения поля статуса ассоциации

Команда запроса данных

Команда запроса данных посылается устройством, чтобы запросить информацию от координатора. Существуют три случая, при которых посылается эта команда. В случае PAN, ориентированной на маяки, данная команда посылается устройством, когда macAutoRequest имеет значение TRUE, а кадр-маяк указывает, что данные для этого устройства получены координатором. Координатор указывает на ожидающие данные в своем кадре-маяке путем добавления адреса получателя данных в поле список адресов. Эта команда посылается также, когда поступает запрос от вышерасположенного сетевого уровня (реализация примитива MLME-POLL.request). Кроме того, устройство может послать эту команду спустя macResponseWaitTime символов после подтверждения на команду запроса ассоциации. Все устройства должны быть способны посылать эту команду.

Команда запроса данных имеет формат, показанный на рис. 33.

Рис. 33. Формат команды запроса данных

Команда запроса маяка

Команда запроса маяка используется устройством, чтобы найти все координаторы в пределах его POS во время активного сканирования.

Эта команда для RFD является опционной.

Команда запроса маяка формируется согласно формата, показанного на рис. 34.

Рис. 34. Формат команды запроса маяка

Субполе режима адресации места назначения в поле управления кадра устанавливается равным двум (т.e., 16-битный короткий адрес), а субполе режима адресации отправителя устанавливается равным нулю (т.e., адресная информация отправителя отсутствует).

Субполе выдержки кадра поля управления кадра устанавливается равным нулю и игнорируется при приеме. Субполя запроса подтверждения и безопасность активизирована будут также сделаны равными нулю.

Поле PAN-идентификатора места назначения будет содержать широковещательный PAN-идентификатор (т.e., 0xffff). Поле адреса места назначения будет содержать короткий широковещательный адрес (т.e., 0xffff).

Устройству будет разрешено передавать кадры-маяки, только если macShortAddress не равен 0xffff.

Команда ресинхронизации координатора

Команда ресинхронизации координатора посылается координатором либо после получения команды уведомления об изоляции (отсутствие синхронизации с координатором) от устройства, которое принадлежит PAN, или когда изменяются атрибуты его PAN-конфигурации в связи с получением примитива MLME-START.request.

Если эта команда послана после получения команды уведомления об изоляции, она посылается непосредственно изолированному устройству. Если эта команда послана, когда изменен любой из атрибутов конфигурации (т.e., PAN-идентификатор, короткий адрес, логический канал или канальная страница), она посылается широковещательно в пределах PAN.

Все устройства должны быть способны воспринимать эту команду, хотя RFD не нужно уметь ее передавать. Команда ресинхронизации координатора имеет формат, показанный на рис. 35.

Рис. 35. Формат команды ресинхронизации координатора

В субполе режима адресации места назначения поля управления кадра будет занесен код три (напр., 64-битная расширенная адресация), если команда направлена изолированному устройству, или код два (напр., 16-битовая короткая адресация), если она должна быть передана PAN широковещательно. В субполе режима адресации отправителя поля управления кадра будет занесен код три (напр., 64-битовая расширенная адресация).

В субполе выдержка кадра поля управления кадра заносится код нуль и это субполе игнорируется при приеме. Субполе запроса подтверждения поля управления кадра устанавливается равным единице, если команда обращена к изолированному устройству (Orphan) или туда заносится нуль, если команда должна быть передана в PAN широковещательно. Если присутствует поле канальной страницы, в субполе версии кадра записывается код 0x01.

Поле PAN-идентификатора места назначения будет содержать широковещательный идентификатор PAN (напр., 0xffff). Поле адреса места назначения будет содержать расширенный адрес изолированного устройства, если команда обращена к этому устройству. В противном случае поле адреса места назначения будет содержать короткий широковещательный адрес (напр., 0xffff). Поле PAN-идентификатора отправителя будет содержать значение macPANId, а в поле адрес отправителя будет занесено значение aExtendedAddress.

Поле идентификатора PAN будет содержать идентификатор, который координатор намерен использовать для всех последующих обменов.

Поле короткого адреса координатора будет содержать значение macShortAddress.

Поле логического канала будет содержать код логического канала, который координатор намерен использовать для всех последующих обменов.

Если команда ресинхронизации координатора является широковещательной для PAN, поле короткого адреса будет содержать 0xffff и игнорироваться при приеме.

Если команда ресинхронизации координатора послана непосредственно изолированному устройству, это поле будет содержать короткий адрес, который изолированное устройство будет использовать для взаимодействия с PAN. Если изолированное устройство не имеет короткого адреса, из-за того, что оно всегда применяет 64-битный расширенный адрес, это поле будет содержать код 0xfffe.

Поле канальная страница, если присутствует, будет содержать страницу канала, которую координатор намерен использовать для всех будущих коммуникаций. Это поле может быть опущено, если новая канальная страница совпадает с предыдущей.

Команда запроса GTS

Команда запроса GTS (Guaranteed Time Slot) используется подключенным устройством, которое запрашивает подключения к новому GTS или отключения существующего GTS от координатора PAN. Эту команду могут посылать только устройства, которые имеют 16-битный короткий адрес меньше 0xfffe. Эта команда является опционной.

Команда запроса GTS имеет формат, показанный на рис. 36.

Рис. 36. Формат команды запроса GTS

Субполе режим адресации места назначения поля управления кадра устанавливается равным нулю (напр., адресная информация отсутствует), а субполе режима адресации отправителя будет содержать код 2 (напр., 16-битовая адресация).

В субполе выдержки кадра поля управления кадра заносится код нуль и поле игнорируется при получении, а субполе запроса подтверждения будет содержать единицу. Поле PAN-идентификатора отправителя будет содержать значение macPANId, а в поле адреса отправителя заносится значение macShortAddress.

Поле характеристики GTS имеет формат, отображенный на рис. 37.

Рис. 37. Формат поля характеристики GTS

Субполе длины GTS будет содержать число доменов суперкадра, которое было запрошено для GTS. Субполе направления GTS устанавливается равным единице, если GTS рассчитано только на прием. Напротив, это субполе будет содержать нуль, если GTS ориентировано только на передачу. Направление GTS определяется устройством относительно направления передачи информационных кадров.

Субполе тип параметров устанавливается равным единице, если параметры относятся к аллокации GTS или нулю, если параметры связаны с реаллокацией GTS.

Функциональное описание MAC

Ассоциативный доступ позволяет устройству получить доступ к каналу, используя отсроченный алгоритм CSMA-CA. Безконкурсный доступ полностью контролируется PAN-координатором через использование GTS.

Сканирование каналов используется устройством для получения оценки текущего состояния канала (или каналов), для локализации всех маяков (beacon) в пределах своей POS (Personal Operating Space), или для локации конкретного маяка, с которым потеряна синхронизация. Прежде чем формировать новую PAN, можно использовать результаты сканирования каналов, чтобы выбрать подходящий логический канал или канальную страницу, а также идентификатор PAN, который не использовался другими сетями в данной зоне. Так как возможно, что POS двух PAN с идентичными идентификаторами перекрываются, существует процедура для детектирования и разрешения подобных ситуаций. После сканирования канала и выбора подходящего PAN-идентификатора FFD (Full-Function Device) может начать работать в качестве PAN-координатора.

Процедура ассоциации описывает условия, при которых устройство может подключиться к PAN, а также условия, необходимые для того, чтобы координатор разрешил эту ассоциацию. Процедура диссоциации может быть инициирована подключенным устройством или его координатором.

Структура суперкадра

Координатор PAN может опционно ограничить свое время в канале, используя структуру суперкадров. Суперкадр ограничивается путем посылки кадра-маяка и может иметь активную и пассивную части. Во время неактивной части координатор может включить экономный режим (сна).

Структура суперкадра описывается значениями macBeaconOrder и macSuperframeOrder. Атрибут MAC PIB macBeaconOrder описывает интервал, когда координатор будет передавать свои кадры-маяки. Значение macBeaconOrder, BO, и интервал между маяками, BI, связаны следующим образом:
для 0 ≤ BO ≤ 14, BI = aBaseSuperframeDuration * 2^BO символов. Если BO = 15, координатор не будет передавать кадры-маяки, за исключением случаев явных запросов, таких как, например, получение команды запроса маяка. Значение macSuperframeOrder будет игнорироваться, если BO = 15.

Атрибут MAC PIB macSuperframeOrder описывает длину активной части суперкадра, которая включает в себя маяк. Значение macSuperframeOrder, SO, и длительности суперкадра, SD, соотносятся между собой следующим образом:
для 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14, SD = aBaseSuperframeDuration * 2^SO символов. Если SO = 15, суперкадр не будет активным после завершения маяка. Если BO = 15, суперкадр перестанет существовать (значение macSuperframeOrder будет игнорироваться), а macRxOnWhenIdle будет определять, остается ли приемник активным в период пассивности трансивера.

Активная часть каждого суперкадра делится на домены aNumSuperframeSlots с равными протяженностями 2^SO * aBaseSlotDuration. Там будут содержаться три части: маяк, CAP и CFP (Contention-Free Period). Маяк будет передан без привлечения CSMA, начиная с временного домена 0, а CAP начнется сразу после маяка. Начало временного домена 0 определяется как точка передачи первого символа PPDU маяка. CFP, если присутствует, следует сразу после CAP и продолжается вплоть до конца активной части суперкадра. Любые выделенные GTS размещаются в пределах CFP.

Подуровень MAC будет гарантировать целостность и синхронизацию суперкадра, например, компенсируя ошибки дрейфа тактовых импульсов. Сети PAN, которые хотят использовать структуру суперкадров, должны присвоить macBeaconOrder значение между 0 и 14, включительно.

Сети PAN, которые не хотят использовать структуру суперкадров, (соответствует сетям PAN без поддержки маяков) установят macBeaconOrder и macSuperframeOrder равными 15. В этом случае координатор не будет передавать кадров-маяков, за исключением случаев получения команды запроса маяка; все транзакции, за исключением кадров подтверждения и любых информационных кадров, которые следуют за командами запроса данных будут использовать для доступа к каналу бездоменный механизм CSMA-CA. GTS будут запрещены.

Пример структуры суперкадра представлен на рис. 38. В этом случае интервал маяка, BI, в два раза больше длительности активной части суперкадра, SD, а CFP содержит два GTS.

Рис. 38. Пример структуры суперкадра

Период доступа с конкуренцией (CAP)

CAP начинается сразу после маяка и завершается перед началом CFP на границе домена суперкадра. Если CFP имеет нулевую длину, CAP завершится в конце активной части суперкадра. CAP будет иметь протяженность по крайней мере aMinCAPLength символов, если не требуется дополнительное место, чтобы адаптироваться к увеличению длины кадра-маяка, необходимого для реализации GTS, и будет динамически уменьшаться или увеличиваться в соответствии с размером CFP.

Все кадры, за исключением подтверждений и любых информационных кадров, которые следуют сразу за командами запроса данных, переданных в CAP, будут использовать доменный механизм CSMA-CA для получения доступа к каналу. Устройство, передающее в пределах CAP гарантирует, что его транзакция завершена (т.e., включает получение любых подтверждений) за один IFS-период (InterFrame Space) до конца CAP. Если это невозможно, устройство откладывает передачу до CAP следующего суперкадра.

MAC-команды передаются всегда в период САР.

CFP (Contention-free period) начинается на доменной границе сразу после CAP и завершается раньше конца активной части суперкадра. Если какие-либо GTS были выделены координатором, они будут размещаться в пределах CFP и займут смежные домены. CFP будет, следовательно, увеличиваться или уменьшаться в зависимости от общей длины всех объединенных GTS.

Механизм CSMA-CA доступа к каналу не осуществляет передачу во время CFP. Устройство, выполняющее передачу во время CFP должно гарантировать, что его передача завершится за один IFS-период до конца его GTS.

Алгоритм CSMA-CA

Алгоритм CSMA-CA используется до передачи информационных или командных МАС-кадров, пересылаемых в пределах CAP, за исключение случая передачи, осуществляемой сразу после подтверждения получения команды запроса данных. Алгоритм CSMA-CA не используется для передачи кадров-маяков, кадров подтверждения, или информационных кадров, переданных в CFP.

Если в PAN периодически используются кадры-маяки, субуровень MAC будет использовать доменную версию алгоритма CSMA-CA для передачи в CAP суперкадров. Напротив, если кадры-маяки периодически не посылаются или если маяк не может быть обнаружен, передача будет осуществлена субуровнем МАС с привлечением бездоменной версии алгоритма CSMA-CA. В обоих случаях, алгоритм реализуется с использованием периодов времени, называемых периодами отсрочки передачи, которые равны aUnitBackoffPeriod символов.

В доменном CSMA-CA, границы периодов отсрочки (backoff) каждого устройства в PAN будет синхронизовано с границами доменов суперкадра координатора PAN, т.e., начало первого периода отсрочки каждого устройства синхронизовано с началом передачи кадра-маяка. В доменном CSMA-CA, субуровень MAC гарантирует, что PHY начинает все свои передачи на границе периода отсрочки. В бездоменном CSMA-CA, периоды отсрочки одного устройства не связаны по времени с периодами отсрочки любого другого устройства в PAN.

Каждое устройство должно поддерживать три переменных для каждой попытки передачи: NB, CW и BE. NB равно числу раз, когда алгоритм CSMA-CA был вынужден осуществить отсрочку, пытаясь реализовать текущую передачу; перед началом каждой новой попытки передачи начальное значение этой переменной равно нулю.

CW равно ширине окна конкуренции и определяет число периодов отсрочки, которые необходимы для выяснения доступности канала, прежде чем передача сможет быть начата. Это значение в исходный момент равно двум в начале каждой попытки передачи. Если канал занят, эта переменная делается снова равной двум.

Переменная CW используется только для доменного CSMA-CA. BE является показателем степени для числа периодов отсрочки. Эта величина определяет, сколько периодов отсрочки устройство должно ждать, прежде чем оно предпримет очередную попытку доступа к каналу. В бездоменных системах, или в доменных системах при наличии субполя BLE (см. рис. 22), она устанавливается равной нулю. В исходный момент BE делается равной значению macMinBE. В доменных системах в случае получения субполя BLE =1, эта величина делается равной минимуму (2; macMinBE). Заметим, что, если macMinBE сделано равным нулю, исключение столкновений оказывается блокированным на время первой итерации этого алгоритма.

Хотя при ССА анализе приемник устройства активирован, устройство может отбросить любые кадры, полученные в это время.

На рис. 39 представлена диаграмма реализации алгоритма CSMA-CA. При использовании доменного алгоритма CSMA-CA, субуровень MAC сначала инициирует NB, CW и BE, затем определяет границы следующего периода отсрочки [шаг (1)]. Для бедоменного алгоритма CSMA-CA, субуровень MAC инициализирует NB и BE, затем переходит непосредственно к шагу (2).

Субуровень MAC делает выдержку, кратную псевдослучайному числу полных периодов отсрочки в диапазоне от 0 до 2^BE – 1 [шаг (2)] и затем делает запрос, чтобы PHY выполнил CCA [шаг (3)]. В доменной системе CSMA-CA CCA начинается на границе периода отсрочки. В бездоменных системах CSMA-CA, CCA начинается немедленно.

В доменной системе CSMA-CA с субполем BLE =0, субуровень MAC гарантирует, что после случайной отсрочки, могут быть выполнены остальные операции CSMA-CA и транзакция может быть полностью осуществлена до завершения CAP. Если число периодов выдержки больше чем оставшееся число периодов в CAP, субуровень MAC прервет обратный отсчет выдержек в конце CAP и возобновит его в начале CAP следующего суперкадра. Если число периодов выдержки меньше или равно оставшемуся числу периодов в CAP, субуровень MAC применит свою выдержку, а далее определит, может ли он продолжать. Субуровень MAC продолжит работу, если оставшиеся шаги алгоритма CSMA-CA (т.e., два анализа CCA), передача кадров, и любые подтверждения могут быть завершены до конца CAP. Если субуровень MAC может продолжать работу, он запросит, чтобы PHY выполнил CCA в рамках текущего суперкадра.

Если субуровень MAC может продолжать работу, он подождет до начала CAP в следующем суперкадре и реализует следующую задержку выдержки [шаг (2)], прежде чем решать, может ли он продолжать далее.

В доменной системе CSMA-CA с субполем BLE =1, субуровень MAC гарантирует, что после случайной выдержки могут быть выполнены остальные операции CSMA-CA и оставшийся обмен может быть завершен до конца CAP. Обратный отсчет периодов выдержки будет производиться только во время первых macBattLifeExtPeriods периодов после конца периода IFS, следующего за маяком. Субуровень MAC продолжит работу, если оставшиеся шаги алгоритма CSMA-CA (два CCA-анализа), передача кадров, и любых подтверждений могут быть завершены до конца CAP, а передача кадров начнется в один из первых macBattLifeExtPeriods полных периодов выдержки после периода IFS, следующего за маяком.

Если субуровень MAC может продолжать работу, он запросит чтобы PHY выполнил CCA в рамках текущего суперкадра. Если субуровень MAC не может продолжать работу, он подождет начала CAP в следующем суперкадре и осуществит еще одну выдержку случайной длительности [шаг (2)], прежде чем установит, может ли он продолжать работу снова.

Если канал определен, как занятый [шаг (4)], субуровень MAC инкрементирует NB и BE на единицу, гарантируя, что BE не станет больше macMaxBE. Субуровень MAC в доменных системах CSMA-CA установит переменную CW равной 2. Если значение NB меньше или равно macMaxCSMABackoffs, алгоритм CSMA-CA вернется к шагу (2). Если значение NB больше macMaxCSMABackoffs, алгоритм CSMA-CA завершит доступ к каналу и выдаст сигнал ошибки.

Если канал определен, как пассивный [шаг (5)], субуровень MAC в доменных системах CSMA-CA гарантирует, что окно конкуренции завершилось до начала передачи. Чтобы сделать это, субуровень MAC сначала декрементирует на единицу CW, а затем определяет, равно ли значение нулю. Если значение не нуль, алгоритм CSMA-CA возвращается к шагу (3). Если значение равно нулю, субуровень MAC начнет передачу кадра, начиная с границы следующего периода выдержки. Если канал признан пассивным, в бездоменной системе CSMA-CA субуровень MAC начнет передачу кадров немедленно.

Рис. 39. Алгоритм CSMA-CA

NB - Number of backoff (число отсрочек); BE - показатель степени отсрочек; CW - окно конкуренции (за сетевую среду).

Координатор ZigBee (ZC): Координатор является основой корневой базой дерева сети и может выполнять функцию моста при соединении с другими сетями. В каждой сети PAN может быть только один ZigBee-координатор, так как это устройство является основой сети. Он может запоминать данные о сети, выполнять функции центра верификации и хранилища криптографических ключей.

Маршрутизатор ZigBee (ZR): Наряду с выполнением прикладных функций ZR может выполнять функцию промежуточного маршрутизатора, переадресуя данные от других сетевых устройств.

Оконечное устройство ZigBee (ZED): Несет в себе достаточно функций, чтобы взаимодействовать с вышестоящим узлом (координатором или маршрутизатором); он не может передавать данные от других сетевых устройств. Такое взаимодействие позволяет узлу находиться в "спящем" состоянии заметную часть времени, продлевая жизнь батареи. ZED требует минимального объема памяти и, следовательно, является менее дорогим по сравнению с ZR или ZC.

Рис. 40. Встраивание Zigbee в Интернет

Протокол Zigbee находит применение в устройствах Интернета вещей.

Ссылки