A ZigBee ötlete 1998-ban született, azóta egyre jobban elterjedt és ismertté vált. Ez egy vezeték nélküli hálózati modell, az IEEE 802.15.4 szabványon alapul. A hálózat lefedettsége 10-100 méter, alkalmas WLAN (Wireless Local Area Network)
és WPAN (Wireless Personal Area Network) hálózatok megvalósítására is. Erős antennák esetén a lefedettség elérheti a 300 métert is. Az első olyan szenzoros hálózati szabvány,
amely ipari alkalmazásokra irányul.
Vezeténélküli hálózatokat alkotó topológiák
A ZigBee az összes meglévő topológiát felhasználja a hálózat kialakítására és még egy "mesh" (szövevényes) hálózati topológiát is alkalmaz a megbízhatóság érdekében. Egy hálózat topológiája azt határozza meg, hogy a hálózati csomópontok hogyan, milyen logika szerint kapcsolódnak egymáshoz, valamint azt, hogy hogyan kommunikálnak egymással. A PAN hálózat a csillag topológiát (egy vezérlőpont, több klienspont) és a peer-to-peer topológiát (mindenik csomópont lehet vezérlő- és klienspont is) tartalmazza, melyek fa és szövevényes topológiaként kapcsolódnak egymáshoz. A csillag topológa meghatározza, hogy a klienspontok mely vezérlőponttal (PAN vezérlőpont) kommunikálhatnak. Ez a PAN hálózat legfőbb eleme, amely nemcsak egy bizonyos hálózati feladatot lát el (pl. útválasztást), hanem lehet a hálózat kommunikációnak a kezdeményezője vagy befejezője. Legtöbb esetben a vezérlőpont (Coordinator) a tápfeszültséget a hálózati konnektorból kapja, míg a többi eszköz (klienspont) gyakran akkumulátorról üzemel. A legszélesebb körben a csillag-topológiát a számítógép perifériái közt, automatizált lakásoknál, hálózati játékoknál, egészségügyi hálózatokban használják. Csillag topológiára épül a GSM, Bluetooth és a Wi-Fi hálózat is.
A peer-to-peer, fa és szövevényes topológia nagyban különbözik a csillag topológiától, ugyanis a hálózatban minden eszköz kommunikálhat egymással, mely ugyanabban a tartományban van. A fa hálózat a csillag- és a szövevényes hálózat kombinációja.
A szövevényes hálózatok egy decentralizált, többugrásos architektúrát használnak, ahol mindenik csomópont a legközelebbi szomszédokkal közvetlen kommunikál, ezért hatalmas lefedettséget képesek nyújtani. Ha egy csomópont kiesik a hálózatból, az adatok egy másik utat választanak. Az optimális út a csomópontokon mért jelerősség alapján, valamint az ugrások számából választódik ki. Ezen kívül az útválasztó algoritmusok (protokollok) lehetnek proaktívak (kezdeményezők) vagy reaktívak (válaszolók), az alkalmazástól függően. A proaktív működéshez, a csomópontok közti útvonalak előre meghatározottak és folyamatosan felügyelet alatt állnak, növelvén az átviteli sebességet (nagyobb hálózatok esetén a felügyelet bonyolulttá válhat - ezért ott ritkábban használják). A reaktív működésnél az útvonalak menet közben választódnak ki, a hálózat jelenlegi állapotától és az adatokat szolgáltató csomópontoktól függően. A reaktív útválasztás leegyszerűsíti a hálózat telepítését azonban fennáll az adatkésés lehetősége, ami a valós idejű alkalmazásoknál hátrányt jelent (a szövevényes hálózatban egy ugrás kb 50ms-ig tart).
Bár a ZigBee technológia PAN hálózatoknak volt szánva, a szövevényes (mesh) topológiának köszönhetően könnyedén növelhető a lefedettségi tartomány, így a ZigBee a LAN hálózatokra is alkalmazható. Egy ilyen hálózat akár teljes mértékben szövevényes lehet (mindenik csomópont közvetlenül kapcsolódik a többi csomóponthoz) vagy lehet csak részben szövevényes (csak egy bizonyos számú csomópont kapcsolódik közvetlenül másokhoz, a többiek csak azokhoz kapcsolódnak, amelyekkel folytonosan adatcserét folytatnak). A szövevényes struktúra több utat lehetővé tesz a csomópontok között, a többugrásos elvre alapozva. A hibrid többszörös-fa struktúra is a csillag és szövevényes hálózatokat kombinálja és gyakran a legjobb megoldás a kis sebességű alkalmazásoknál, melyeknél fontos a csomópontok akkumulátorainak élettartama és a magas megbízhatóság. Az akkumulátorról üzemelő érzékelők (szenzorokat - házban, üzletben) külön csillag topológiával kapcsolódhatnak egymáshoz,majd végül szövevényes topológiában kapcsolódhatnak a többi csillag hálózathoz.
A vezeték nélküli hálózatok kialakítása és megvalósítása (szenzoros alkalmazás)
Két féle készülék vehet részt egy vezeték nélküli hálózatban: egy teljes funkciójú készülék (FFD - Full function Device) mint például a router vagy a repeater és egy csökkentett funkciójú készülék (RFD - Reduced function Device) mint a végpontok (pl. szenzorok). Az FFD három módban használható: PAN vezérlő, sima vezérlő és általános pont (klienspont). Az FFD kokmunikálhat más FFD-vel vagy RFD-vel, az RFD viszont csakis egy FFD-vel kommunikálhat. Az RFD-k a csökkentett funkciójuk, a minimális erőforrásigényük és a csökkentett memóriaegységük miatt csak egyszerű alkalmazásokban használhatóak, mint villanykapcsolók vgay passzív szenzorok, ugyanis ezekhez kevés információ szükséges és az is csak egyetlen FFD-hez juthat el egyszerre. Ez a két típusú készülék formálhat egy vezetéknélküli PAN hálózatot (WPAN, W-wireless). Fontos, hogy legyen legalább egy FFD, amely PAN vezérlőként szolgál. A WPAN hálózatok nem alkalmasak nagyobb lefedettség megvalósítására, ugyanis a hálózati készülékek nem terjedhetnek túl a hálózat lefedettségi területén (POS - Personal Operating Space). Ez a vezeték nélküli környezet hullámterjedési jellemzőinek tulajdonítható, melyek változóak. Egy kis környezeti változás a hálózati készülékek között, vagy azok pozíciójának megváltoztatása is drasztikus hatásokkal járhat ami a jelerősséget és a kapcsolati minőséget illeti.
A fa és szövevényes topológiában a ZigBee három készüléket különböztet meg: ZigBee vezérlő, ZigBee útválasztó (router) és ZigBee végpont (klienspont). Minden hálózatban kell legyen egy ZigBee vezérlő, amely meghatározza és beállítja a hálózat paramétereit. A ZigBee routerek a vezérlőn vagy más routereken keresztül csatlakozhatnak a hálózathoz. Segítségükkel kibővíthető a lefedettség, úgy működnek mint a relék melyek az igen távol eső csomópontokat összekötik, hogy kommunikálhassanak. A ZigBeee router a fa típusú útválasztást használja, azaz az útválasztó döntésekhez a fa címzési struktúrát alkalmazza. A ZigBee végpontok nem vesznek részt az útválasztásban, ők csupán csatlakoznak a routerekhez. Az ilyen topológiájú hálózatok is decentralizáltak, minden csomópontnál automatikus útválasztás történik, hiba esetén az adatok más utakon is haladhatnak. A topológia jellemzői közé sorolható a szövevényesség és az ad-hoc típusú útválasztás, mely javítja a stabilitást, ami az egyedüli csimópontok változó feltételeit illeti.
Ad-hoc vezeték nélküli hálózat a szenzoros adatbegyűjtésre
A fenti ábra egy szövevényes karakterisztikájú ad-hoc hálózat, ahol a végpontok mint szenzorok küldik a begyűjtött adatokat a routereknek vagy vezérlőknek. Ezek a szövevényes regeneratív hálózatok, melyek lehetővé teszik a végpontok mobilitását és többugrásos képességgel is rendelkeznek (a lefedettség növelése érdekében), széles az alkalmazási területük, ideértve az ipari felügyeletet és ellenőrzést (amely az automatizálás és a biztonság alapeleme), a szenzoros vezeték nélküli hálózatokat, az intelligens mezőgazdaságot, a lakások automatizálását valamint az interaktív játékokat is.
A ZigBee 65.500 csomópontot tud támogatni egyszerre, több 100 méteres nagyságban nagyon sok szenzor felügyelete lehetséges. Az eddig leírt topológiákra épülő hálózatokban a készülékek címzése 64 biten történik, ami használható a PAN hálózaton belüli közvetlen kommunikálásra, de használható egy rövid 16 bites cím is amit a PAN vezérlő foglal le mikor egy készülék hozzácsatlakozik és használatba kerül.
A Szövevényes hálózat esetén említésre szorul az a megbízhatósági probléma, mely akkor lép fel, ha több útvonal egyetlen csomóponttól függ (akár ha kevés időre is). A probléma enyhíthető, ha az ilyen csomópontokat megduplázzuk. Ezen kívül, ha ez a csomópont akkumulátorról üzemel, gyorsabban le fog merülni. A hálózati protokollok korlátozhatják ezt, ha szem előtt tartják az akkumulátorok töltöttségi szintjét és a kevésbé kihasznált csomópontokon keresztül küldik az adatokat.
Az IEEE 802.15.4 szabvány a kis terjedelmű WPAN hálózatoknak van szánva (Low Range WPAN - LR-WPAN). Az LR-WPAN egy olcsó és egyszerű kommunikációs hálózat, mely korlátozott teljesítményű vezeték nélküli kapcsolatokat tesz lehetővé. A fontnosabb célkitűzései ezeknek a hálózatoknak a telepítés egyszerűsége, az átvitel biztossága, kis távú működés olcsón és akkumulátorról, melyet egy egyszerű és rugalmas protokoll irányít. Hogy jobban elképzelhető legyen, íme néhány tulajdonsága az LR-WPAN hálózatnak:
- 250kb/s, 100kb/s, 40kb/s, 20kb/s adatátviteli sebesség
- Csillag és peer-to-peer topológia
- 64 bites és 16 bites címzés
- Nincsenek GTS-ek (Guaranteed Time Slots - fix időintervallumok), ezek opcionálisan hozzárendelhetőek
- CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) hozzáférési csatornák
- Az adatok vételét visszaigazoló protokoll
- Alacsony energiafogyasztás
- ED (Energy Detection - energiaszint érzékelés)
- LQI (Link Quality Indication - kapcsolatminőség jelző)
- 16 csatorna a 2450MHz-es sávban, 30 csatorna a 915MHz-es sávban és 3 csatorna a 868MHz-es sávban.
Az LR-WPAN architektúrát szokták gyakran ZigBee architektúrának mondani, amely hasonlóan az OSI modellhez rétegekre épül, az OSI hét rétegéből kettőt magába is foglal: a fizikai szint (PHY - PHYsic) és a csatorna-hozzáférési szintet (MAC - Media Access Control), ami az adatkapcsolat és a fizikai szint között van. A többi magasabb szintet, melyek a hálózat beállításáért, karbantartásáért, adatok irányításáért, magasabb szintű alkalmazásokért felelősek, nem ez a szabvány határozza meg (az IEEE szabványok csak erre a két rétegre vonatkoznak, a többi a gyártótól függ), de ez nem zárja ki a lehetőségét annak, hogy a számításokat végző tag nem férhet hozzá közvetlenül a MAC szinthez. Mégis, hogy kompatibilis legyen az IEEE 802.2 szabvánnyal, szükség van egy közvetítő szintre (SSCS - Service Specific Convegence Sublayer) a MAC és az LLC (Logical Link Control) között. Az LLC is az OSI második és első szintje között van, rögtön a MAC felett.
E két alszint megvalósítása minden gyártónál más. Példának okáért vegyünk egy Jennic típusú modellt, melynek négy működő blokkjából az első kettő a rádió és a modem modul, melyek a fizikai 802.15.14 szintet valósítják meg, a másik kettő pedig az alapsávvezérlő és a protokollverem, melyek a MAC szintet alkotják. A négy beépített blokk mellé vegyünk egy mikrokontrollert, amely futtatja az alkalmazást, rendelkezik egy bizonyos számú I/O csatornával, van elegendő memóriája és így együttesen egy olcsó, könnyen hozzáférhető "one-chip" megoldást nyújt az IEEE 802.15.4 szabványú vezeték nélküli hálózat (ZigBee) megvalósítására.
Az IEE 802.15.4 fizikai szintje (PHY)
Ez az alapszint két fontos szolgáltatást biztosít: fizikai szintű adatküldést és kezelést a PLME (Physical Layer Management Entity) kezelői egység segítségével. Az adatküldő szolgáltatás a PDU-k (Protocol Data Unit - Protokoll adategység) vezeték nélküli küldéséért és fogadásáért felel. A fizikai szintet kezelő szolgáltatás magába foglalja a rádiós adóvevők be- és kikapcsolását, a vett jelek erősségének mérését, a kapcsolat minőségének meghatározását, a csatornaválasztást, valamint az üres csatornák felderítését.
Összesítve, a PHY réteg a következő feladatokért felelős:
- A rádiós adóvevők ki- bekapcsolgatása
- ED (Energy Detection - energiaszint érzékelés)
- LQI (Link Quality Indication - kapcsolatminőség jelző)
- CCA (Clear Channel Assessment - konkurencia a szabad csatornákért) a CSMA-CA-nak
- A csatorna frekvenciájának kiválasztása
- Adatküldés és fogadás
A szabvány két opcionális PHY-t kínál a frekvenciasáv függvényében. Mindkettő a DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - szórt spektrumú direkt szekvenciák) kommunikációra alapszik. Tudjuk, hogy a sávok 868-870MHz, 902-928MHz és 2.4GHz lehetnek, viszont a legnagyobb elérhető átviteli sebesség 20kb/s, 40kb/s és 250kb/s, tehát a ZigBee nem aklalmas például a videó/audió adatok valós idejű közvetítésére. Az alacsonyabb frekvenciák nagyobb lefedettséget biztosítanak, mert kevesebb a jelterjedési veszteség. A kis sebesség jellemzően jó érzékenységre és nagy lefedettségre vall. A nagy sebességre viszont a jobb hozam és kisebb várakozási idő vagy rövidebb munkaperiódus jellemző. A 868-868.6MHz között egyetlen csatorna, a 902-928MHz között 10 csatorna, a 2.4-2.4835GHz között viszont 16 csatorna fér el. A szabvány lehetővé teszi a csatorna dinamikus kiválasztását (keresési funkció, mely átfésüli a támogatott csatornák listáját), a kapcsolatok minőségének meghatározását és a csatornaválasztást. Az adatkeretek minőségét vagy erősségét az LQI állapítja meg, mely 0 és 255 közötti számot térít vissza.
A PPDU (PHY Protocol Data Unit) formátum
Mindenik PPDU adatkeret a következő alapelemből áll:
- Egy szinkronizáló fejléc (SHR), mely segítségével egy vevő rászinkronizálódhat és beállíthatja a bitek adatfolyamát.
- Egy PHY fejléc (PHR), amely az adatkeret hosszáról nyújt információt
- Hasznos információ (payload), mely hossza változó, a keret pedig a MAC alrétegbe tart.
A bevezető (preamble) mezőt az adóvevő használja, hogy chip szinten szinkronizálhassa a szimbólumokat is (chip - a DSSS kommunikációban használt az információénál nagyobb frekvenciájú kódoló jel egy bitjének időtartama). Az SFD (Start of Frame Delimiter) mező jelzi az SHR végét és a PHR elejét. Az adatkeret konkrét hosszáról a Frame length mező tartalmaz információt, 7 biten jelzi, hogy hány byte-ból áll a PSDU (PHY Service Data Unit - például a PHY payload). A PSDU mező változó hosszú és a PHY keret adatait szállítja.
Az IEEE 802.15.4 MAC szintje
A MAC réteg (szint) két fontos szolgáltatással rendelkezik: adatküldés csatornakommunikációs szinten és a kommunikációs csatornák kezelése, a MAC kezelői egység segítségével (MLME - MAC Layer Management Entity). Más szóval a MAC tartalmazza a szinkronizálási és csatorna hozzáférési folyamatokat, a GTS-ek kezelését, a fogadott adatkeretek érvényesítését és visszaigazolását, a kapcsolatok létrehozását és lezárását (kapcsolódás, leválasztás).
A szuperkeret struktúrája
A MAC alrétegnek tulajdonítható a hálózatban lévő készülékek kommunikálási módjának és sorrendjének meghatározása. Az IEEE 802.15.4 szabvány előírása szerint, a ZigBee rendszer használhat egy szuperkeret struktúrát, amely 15 egyforma szeletre (időintervallumra) olszlik, ami egy szinkronizáló és jelző keretet alkot (beacon). Az első szeletet (időrést) a rádió modul küldi. A hálózatvezérlő szerepét játssza és a szuperkeret struktúrájáról hordoz információt, valamint tartalmazza a PAN azonosítóját. Ezt a szeletet az újonnan hozzácsatolt eszközök szinkronizálására használják. Mikor egy készülék küldeni szeretne valamit a szuperkeret segítségével, először versengenie kell konkurens társaival, hogy megkaphasson egy szeletet a 15-ből (CAP - Contention Access Period). A verseny folyamata a CSMA-CA jóvoltából valósulhat meg, mivel ez egy igen egyszerű és elterjedt hozzáférési protokoll a rádiós hálózatok terén. A szuperkeretnek aktív és inaktív részei vannak. Az aktív részeken történik az adatküldés, az inaktív részeknek viszont nem kell feltétlen részt venniük a PAN működésében ami a rendszer energiafogyasztását nagyban csökkenti.
Olyan alkalmazások esetén, ahol egyes készülékek külön csatornát igényelnek egy meghatározott frekvenciasávban, lehetséges a szuperkeret átrendezése úgy, hogy legyen neki egy olyan időrése amely használata versengés nélkül is garantált. Ezt nevezzük GTS-nek (Guaranted Time Slots) és azt az időintervallumot képviseli mely során nem történik semmiféle versengés (CFP - Contention Free Period). Ennek lefoglalása egy lista alapján történik, amely a szolgáltatást igénylő készülékeket tartalmazza. Az ilyen beacon intervallumok jelenléte kötelező a készülékek hálózatra való csatlakozásakor.
Adatküldés
A ZigBee rendszer számos típusú adatküldést határoz meg, attól függően, hogy hová kell küldjön és milyen kapcsolatokon keresztül. Az első módszer a PAN-nak szánt adatküldésre vonatkozik, a második ennek fordítottja, a harmadik pedig két pont-pont kapcsolatban lévő csomópont közti adatátvitelre értődik. A csillag topológia esetén csak az első két módszer létezik.
A csatlakozott csomópont kezdeményezte adatküldés
Két átviteli módot különböztetünk meg a jelző időrés jelenlététől vagy hiányától függően. Az első esetben, mikor van jelző időrés, az adatküldés kezdeményezése előtt ezt meg kell várni. Ha megérkezett, akkor a hozzácsatolt csomópont szinkronizálódik a szuperkeret struktúrájához és a CSMA-CA segítségével elfoglal egy időrést magának, amin elküldheti a keretjét a PAN vezérlőnek. A vezérlő az információ fogadását egy rövid ACK (ACKnowledge) üzenettel igazolja vissza. A második esetben, mikor hiányzik a jelző időrés, a csatolt csomópont egyszerűen elküldi a keretjét a CSMA-CA-val, hogy lefoglalhasson egy időrést. Az előző esethez hasonlóan, a vezérlő visszaigazolja az információ fogadását az ACK üzenettel.
A vezérlőpont kezdeményezte adatküldés
Itt is ugyanúgy kétféle adatküldés van, a jelző időrés függvényében. Ha jelen van a jelző időrés, a kiküldött keret tartalmazni fog némi információt a várakozó adatokról, melyek a csatlakozott csomópontoknak vannak szánva. A csomópontok mindig figyelik ezt az információt és ha valamelyik úgy látja, hogy az neki szól, akkor egy MAC szintű üzenettel jelzi, hogy jöhetnek az adatok. A vezérlő visszaigazolja egy ACK üzenettel, majd a CSMA-CA-val lefoglal egy szabad időrést az adatok átküldésére. Végül, az adatok sikeres átvételével a csomópont is visszajelez egy ACK-al, lezárván a tranzakciót. A második esetben, mikor nincs jelző időrés, a vezérlőpont előkészíti az adatkeretet a küldésre és egy kérő üzenetre vár. Ez azt jelenti, hogy minden csatlakozott csomópont periodikusan kérési üzenetet küld (MAC szinten) a vezérlőpontnak, a CSMA-CA-t használva (a szabad időrés lefoglalása miatt). A vezérlőpont ACK-val válaszol, majd vagy az előkészített adatkeretet, vagy egy üres keretet elküld a kérő csomópontnak, ami a vételt szintén ACK-val jelzi vissza, lezárván a tranzakciót.
Összecsatolt csomópontok közti adatküldés
Az összecsatolt csomópontokból álló PAN hálózatban minden készülék FFD-ként működik. Tehát minden készülék kommunikálhat a lefedettségi tartományában lévő többi készülékkel. A kommunikáció az összecsatolt készülékek jelének folytonos vételével, vagy ezek periodikus szinkronizálásával valósul meg. A legegyszerűbb esetben, az adatkeretek a CSMA-CA mechanizmussal foglalják le az időrésüket a kommunikáláshoz. A fa típusú hálózat esetén, helyi csomópontokkal (Cluster Tree Network), több minihálózattal, komplexebb, osztottabb szinkronizálást használnak, mely nem szerepel a szabványban.
A ZigBee rendszer keretstruktúrája
Két elvre épül: minimális bonyolultság és robusztusság (stabilitás). Mindkét elv elkerülhetetlen, ha egy nagyon olcsó rádiókommunikációs készüléket szeretnénk megvalósítani. Először is az adatkeretek szerkezetének bonyolultsága határozza meg feldolgozás gyorsaságát. Ha sok adatmezőt, jelzést használ, a feldolgozási folyamat is bonyolódik. A robusztusság pedig fő tényezője a zajos, többszörösen visszaverődő környezetben való adatátvitelnek.
A ZigBee négy típusú keretstruktúrát különböztet meg:
- jelzőkeret, mit a PAN vezérlő használ
- adatkeret, az adatok küldéséhez
- visszaigazoló keret, a sikeres vétel igazolásához
- MAC parancskeret, a csatlakozott csomópontok ellenőrzésére
A különböző struktúrák grafikus ábrázolásához egy egyszerűsítő egyezményt használunk, a PPDU-t, mely különböző keretekből (részekből) áll, a MAC és PHY réteg szerint.
A Jelzőkeret
Fontos szerepe van a hálózat kialakításában és a hálózatban résztvevő készülékek közti szinkronizálás fenntartásában. Csak az FFD-ként működő készülék küldhet ilyen keretet és csak akkor, ha PAN vezérlő, vagy ha pont-pont kapcsolatot kezdeményez. A MAC réteg szemszögéből, az MSDU (MAC Service Data Unit) keretet egy fejléc vezeti be (MHR - MAC Header) és egy ellenőrző szekvencia zárja le (MRF - MAC Footer). A fejléc tartalmaz egy vezérlő mezőt, egy szekvenciamezőt (BSN - Broadcast Sequence Number) és a címmezőt. Az ellenőrző szekvencia pedig a 16 bites keret ellenőrző kódjából áll. Az MSDU a szuperkeret paramétereiről tárol információt, a GTS időrések számáról és tartalmazza azon készülékek listáját, melyek számára már elő vannak készítve az adatkeretek, valamint jelzőkeret paramétereinek (biztonsági kódok, stb) átküldésére is helyet foglal. A PHY szint úgy veszi át ezt a MAC keretet, mint a jelzőkeret hasznos mezejét (PSDU - PHY Serevice Data Unit), hozzácsatolván egy szinkronizáló fejlécet, mely egy kiegyenlítő szekvenciából (preamble), egy időrés elválasztóból (SFD - Start of Frame Delimiter) és egy hosszúságjelzőből (mely a PSDU/MPDU hosszát jelzi byte-ban) áll.
Az adatkeret
A sikeres csatlakozás után sor kerül a hasznos információ átküldésére is. A standard struktúrát követve, a MAC szint adatkeretét is egy fejléc vezeti be (MHR) és egy ellenőrző szekvencia zárja le (MRF). A fejléc az vezérlő mezőt (BSN) és a címmezőt tartalmazza. Az ellenőrző szekvencia itt is a 16 bites keret ellenőrző kódjából áll. A két mező közé beépül a hasznos információt hordozó mező is (data payload). A PHY szinten az adatkeretet egy szinkronizáló fejléc vezeti be melynek szerkezete megegyezik a jelzőkeretet bevezető fejlécével.
A visszaigazoló keret
Fontos szerepe van a biztos és biztonságos adatküldésben. A keret vétele optimális körülmények között sikeresen lezártnak tekinthető, ha ezt visszaigazolja egy ACK üzenet (keret). Ez a legrövidebb keret mind közül, a MAC szinten csupán két mezője van: fejléc és ellenőrző szekvencia. A fejléc tartalmaz egy vezérlő mezőt, egy szekvenciamezőt (BSN - Broadcast Sequence Number) és a címmezőt. Az ellenőrző szekvencia itt is a 16 bites keret ellenőrző kódjából áll. A PHY szint hozzáteszi a megszokott mezőit, a visszaigazoló keretet egy szinkronizáló fejléc vezeti be, melynek szerkezete hasonló a jelzőkeretet bevezető fejlécével, ám a PSDU/MPDU hosszának jelzése 5 biten történik.
A MAC parancskeret
Egy FFD készülék képes mindenféle parancs küldésére és vételére. Az RFD készülékek azonban csak azokat a parancsokat küldik és fogadják, melyek szükségesek a hálózathoz való csatlakozáshoz. Ezért a parancsok lehetnek kapcsolatot létrehozó, vezérlő és bezáró parancsok. A MAC réteg szemszögéből, az MSDU (MAC Service Data Unit) keretet egy fejléc vezeti be (MHR - MAC Header) és egy ellenőrző szekvencia zárja le (MRF - MAC Footer). A fejléc az előzőkkel megegyezik. Az MSDU mező a parancsok típusáról tárol információt és fenntart egy mezőt a parancsok esetleges paramétereinek is. A PHY szint megegyezik az ACK keretnél leírtakkal. A jelző időrésekkel rendelkező hálózatban a MAC parancsok kizárólag szabad csatornák versengése alatt küldhetők, viszont ha nincsenek jelző időrések, akkor minden alkalommal küldhetők, az adatküldés kezdeményezése előtt.
A csomópontok közti kapcsolat létrehozása
A csatornákért való versengés folyamata a kommunikációs környezet lehallgatásával-keresésével kezdődik. A lehallgatási módszerek különbözhetnek a készülékek bonyolultságának függvényében (FFD vagy RFD), azzal a feltétellel, hogy mindkét típus képes a passzív keresésre (passive scan) és az újraszinkronizálásra (orphan scan). A bonyolultabb készülékek az aktív keresésre (active scan) képesek, valamint a jelerősségre alapozó keresésre (ED - Energy Detection scan).
- Passzív keresés: a készülék a lefedettségi tartományában megpróbál betájolni magának egy vezérlőt a jelzőüzenetek alapján, feltételek nélkül. Ez a folyamat a készülék hálózathoz való hozzácsatlakozását megelőzően zajlik. A keresés ideje alatt a MAC alréteg nem fogad a szinkronizáló kereteken kívül el semmit.
- Újraszinkronizálás: egy esetleges jelvesztés után a készülék újra szinkronizálni próbál a vezérlővel. A folyamat ideje alatt a MAC alréteg csak az újraszinkronizáló parancskereteket fogadja.
- Aktív keresés: az FFD végzi, hogy betájolja a lefedettségi tartományában található többi vezérlőt (POS - Personal Operating Space) még mielőtt létrehozná a saját PAN-ját. A keresést követően a készülék érzékelni fogja a környező hálózatok azonosítóját és kiválaszt saját hálózatának egy még nem használt azonosítót. A keresés alatt a MAC alréteg csak szinkronizáló kereteket fogad.
- ED keresés (felmérés): ezt is csak FFD végezheti, megmérvén minden csatorna kimenő teljesítményét a saját PAN hálózat kialakítása előtt. Ez alatt a MAC alréteg minden keretet elutasít. Ha kész a felmérés a készülék a talált csatornák azonosítóinak és állapotainak alapján kiválaszt egy csatornát és egy PAN-t, melyhez csatlakozni kíván.
Ezek után következik a hálózathoz való csatlakozás. Egy PAN-hoz való csatlakozás előírja a készülék szinkronban létét a hálózat paramétereivel, azaz annak ismeretét, hogy milyen időközönként kezdődnek az adatküldések, valamint hogy tudja felvenni az aktív csomópont címet mely során azonosíthatja magát és visszaigazolhatja a fogadott kereteket.
A csatlakozott csomópont elhagyhatja hálózatát az leválasztó folyamat lefuttatásával. Az leválasztó folyamat a vezérlő kérésére, vagy a csomópont saját kezdeményezésére is végrehajtódhat. Az első esetben a vezérlő indirekt módon egy parancskeretet küld a leválasztandó csomópontnak, azaz betesz egy leválasztó parancsot a várakozó üzenetek listájába. A csomópont időközönként kéri a neki szánt üzenetek kiküldését. Miután megkapta ezt az üzenetet visszaigazolja a vezérlőnek miután az leválasztottnak fogja tekinteni a csomópontot (még akkor is, ha a vezérlő nem kap visszaigazolást, az üzenetért érkező kérést követően, az üzenet kiküldése a csomópont leválasztását is jelenti egyben). A második esetben a csomópont kéri meg a vezérlőt, hogy csatlakoztassa őt le. Miután a vezérlő visszaigazolja a kérést, a csomópont leválasztottnak lesz bélyegezve (még akkor is, ha a vezérlő nem igazolja vissza, a csomópont az üzenet kiküldése után leválasztottnak fogja tekinteni magát).
Csatlakozás után a csatorna hozzáférési folyamat következik, a CSMA-CA módszerrel, vagy GTS időrés kérésével. Az MLME szint üzenetet küld egy GTS kérésére (pozíció- és hossz paraméterekkel együtt) a vezérlőnek, ami ezt visszaigazolja és átalakítja a szuperkeret felépítését a paraméterek szerint.
A pont-pont hálózat kialakítása
Ebben az esetben a hálózati vezérlőnek abszolút elsőbbsége van, hogy elsőként kommunikálhasson a csatornán. Emellett minden alkalmas FFD modul adatküldést kezdeményezhet bármely más modullal a lefedettség hatókörén belül. Mivel ugyanott és ugyanakkor több ZigBee modul is létezhet, léteznie kell szinkronban lévő kommunikációs struktúrának is, egy speciális alapmodullal, mely számítási teljesítménye felülmúlja az összes többit, mely a hálózat fő vezérlője - a PAN vezérlő.
A fenti ábra a pont-pont kommunikációs rendszer egy speciális esete. A fa gyökerét a fővezérlő alkotja, mely körül az első minihálózat található, egymással szinkronban lévő készülékekkel. Az FFD készülékek pont-pont kapcsolatban vannak a hálózati vezérlővel, az RFD-k pedig végpontként kapcsolódnak az egyes FFD készülékekhez. Minden FFD saját minihálózatot alkot (egyéni szinkronizáló jellel, mely különbözik a PAN vezérlő jelétől), ahol a csomópontvezérlő szerepét tölti be (CLH - CLuster Head).
A CSMA mechanizmus (Carrier Sense Multiple Access)
A kommunikációs hálózatokhoz való hozzáférési protokoll a CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). A CSMA protokoll a kommunikációs környezet lehallgatásán (letapogatásán) alapszik, üzenetküldés előtt (lásd a wikipédián). Ha a küldeni akaró készülék a lehallgatás során egy folyamatban lévő küldést érzékel, véletlen időtartamú szünetet tart. Ezután újra hallgatózik és addig ismétli mindezt míg a csatorna szabad nem lesz az átvitelre. Előfordulhat, hogy két készülék egy időben kezd küldeni ami ütközéshez vezet. Ilyen esetben mindkét készülék visszavonja az adatok küldését és elindít egy algoritmust a jövőbeni ütközések elkerülése érdekében. A módszer a vezetékes hálózatokra nem annyira alkalmas mint a vezeték nélküliekre. Míg a vezetékes hálózatokban garantálni lehet az összekapcsolt készülékek bármely tevékenységének érzékelését, a vezeték nélküli hálózatokban ez nem ennyire nyilvánvaló, hisz egy készülék lefedettsége kívül eshet egy másik lefedettségének hatókörétől.
A hiányosságokat a 802.11 szabványban a CSMA-CA protokollal korrigálták. Ezt a kiegészítést, egy pozitív visszaigazoló (Positive Acknowledge) rendszerrel együtt a ZigBee hálózatokban is megvalósították.
A fenti ábra a bevezetett rendszer működését mutatja. Ez alapján, a küldeni akaró készülék előzőleg lehallgatja a kommunikációs környezetet és ha szabadnak találja elküld egy rövid kapcsolatkezdeményező csomagot egy másik készüléknek. Ebben pontosítja a célkészülék címét és a küldendő csomag hosszát. A címzett készülék ellenőrzi az üzenet teljességét (CRC check) és ezt CTS (Clear To Send) üzenettel nyugtázza. Ha a kezdeményező sikeresen viszi a pozitív visszajelző üzenetet, akkor lefoglalja egy bizonyos időre a kommunikációs csatornát. Ha viszont nem kap rögtön választ a kezdeményezésre, visszavonja küldési szándékát elindítván a CSMA várakozási algoritmust. A CTS üzenet vétele garantálja, hogy a lefedettség minden készüléke tiszteletben tartja a csatornafoglalást és ezalatt nem fog kezdeményezni egyéb tranzakciót. Gyakorlatilag a zavarásmentességet garantálja. Azon készülékek, melyek nem vesznek részt a tranzakcióban, beállítanak maguknak egy belső NAV (Network Allocation Vector) jelzőt a megfelelő időintervallumra.
Az adatküldés elkezdődhet, amit végül pedig a célkészülék ACK üzenete zár le. Természetesen az RTS, CTS és ACK üzenetek méretei jóval kisebbek mint az adaté, ezáltal is elősegítvén az ütközések elkerülését. Ha megfigyeljük az ábra időstruktúráját, láthatjuk azokat a rövid intervallumokat, melyek a SIFS (Short InterFrame Spacing) keretek adása és vétele közé épülnek be. Ezek az üzenetek feldolgozási ideje miatt jelennek meg.
A szabad csatornákért való versengés (CCA - Clear Channel Assessment)
Az IEEE 802.15.4 szabvány rendelkezései között van a csomópontok versengése is a szabad csatornákért. A PHY réteg (mint alapsáv) képes kell legyen értelmezni legalább egyet a következő három szabad-csatorna-érzékelő módszerból:
- a vett jel energiaszintjének összehasonlítása egy előremeghatározott értékkel (ED)
- a vivőfrekvencia érzékelése, energiaszinttől függetlenül
- az első kettő kombinációja, azaz a meghatározott értéknél erősebb jelű vivő érzékelése.
Például, ha a PHY szint kezelési szolgáltatása elfog egy PLME-CCA.request üzenetet a felsőbb szintű PLME (MAC) protokolltól, akkor a szabad-csatorna érzékelés módszerétől függetlenül elkezdődik a versengés. Ha közben a PHY szint vesz egy PPDU-t is, akkor a CCA mechanizmus foglalt (BUSY) csatornát fog jelenteni, viszont ha a csatorna szabad és elfoglalható, akkor ez a PLME-CCA.confirm (IDLE) üzenettel lesz jelentve.
Más példák
A szenzoros vezeték nélküli hálózatok követelményei különböznek a számítógépes hálózatok követelményeitől, tehát ezek más topológiákon és protokollokon alakultak ki.
A legegyszerűbb topológia a pont-pont topológia, ahol két csomópont direkt kommunikál egymással. A pont-többpontos vagy csillag topológia a pont-pont kiterjesztése, ahol több pont kommunikál egymással egy központi ismétlő (repeater) vagy egy átjáró (gateway) segítségével. A csillag és pont-pont hálózatban a szenzoroknak csak adójuk leget, melyek egyetlen irányba küldenek, de vannak egyeseken adó-vevő is van így a kétirányú kommunikáción visszaigazolhatja a vevő az üzenet vételét. A bemenő kapuk (gateway) lehetővé teszik a kapuk az adatok átalakítását és átvitelét különböző protokollokon (például egy szenzoros vezeték nélküli hálózat protokollból egy Ethernet vezetékes hálózat protokolljába). A pont-pont és a csillag topológiák kommunikációs távolsága korlátozva van a szenzorok maximum kommunikációs távolságával a szenzor és az átjáró között. Ezt a tartományt bővíteni lehet ismétlőkkel, melyek veszik a szenzorok jeleit és újraküldik, általában a vételnél nagyobb teljesítménnyel. Az ismétlők bevitelével tehát néhány "csillag" kommunikálhat a központi átjáróval kibővítvén a csillaghálózat lefedettségét.
A szövevényes hálózatban minden szenzornak van adó-vevője, mellyel közvetlenül kommunikálhat a szomszédjával, behálózván (beszővén) a rendszert, így jelek egyik pontról a másikra ugrálva, többugrásos módszerrel közlekednek. Ezzel a módszerrel csökken a csomópontok közti távolság és ezzel együtt az elhasznált energia mennyisége is lehetővé téve az akkumulátorok használatát (on-board).
Ezen alapvető topológiák kiegészítéséül kialakíthatók hibrid struktúrájú hálózatok is. Az alapvető topológiák kombinációi, például használható egy szövevényes hálózat egy csillaghálózatban, vagy egy csillaghálózat egy szövevényesben.
