Zigbee (IEEE 802.15.4)

Co je vlastně Zigbee

Toto alternativní označení bylo odvozeno od techniky komunikace včel (bee). Standard ZigBee, jak jeho oficiální označení napovídá, byl vyvinut a sestaven institucí IEEE a dále je rozvíjen a podporován igBee Aliance (ZBA). ZBA byla založena v září roku 2002 a jde o asociaci společností pracujících společně na vytvoření standardu pro levný obousměrný bezdrátový přenos vyžadující minimum spotřeby elektrické energie. V současnosti má již přes 100 členů (Philips, Motorola, Cisco atd.). Na seznamu celkem logicky chybí společnosti Nokia a Ericsson, které stály u zrodu technologie BlueTooth a zřejmě se nechtějí podílet na vývoji technologie, jež by mohla pro BlueTooth znamenat jistou konkurenci.
ZigBee se často bere jako konkurent Bluetooth, ale je to nesmysl. ZigBee je nízkorychlostní radiová technologie určená pro dálkové ovládání spotřebičů v reálném čase, její hlavní výhodou je vysoká odolnost proti rušení a bezpečnost. Očekává se od ní totiž také propojení a signalizace mezi zabezpečovacími prvky v domě, například bezdrátová komunikace mezi senzorem požáru a domácí ústřednou vyhodnocující poplach. Další typické určení je v dálkových ovladačích k domácí elektronice.
ZigBee také předpokládá velmi nízkou cenu za implementaci (první čipy by měly navíšit cenu výrobku o 150 Kč, později tak o 60 Kč a měla by kralovat i díky velmi nízkému odběru. Udává se, že dálkové ovládání se ZigBee vydrží šest měsíců až dva roky, zcela srovnatelně s infraovladačem. V principu je tedy zigbee náhradou/doplněním HomeRF nebo ještě spíše bezdrátové verze protokolu výrobků X-10, který je jedním z nejstarších pro ovládání domácích spotřebičů (vznik 1978). Ostatně kvůli X-10 také ZigBee vlastně vzniklo, firma X-10 začínala mít nebezpečný úspěch na trhu, proto s tím museli ostatní něco dělat a vyvinuli bezdrátový protokol, který jim umožní držet krok a konkurovat bezpečnostní a řídící technologii X-10.
ZigBee je určena pro tři frekvenční pásma - 2,4 GHz (celosvětově) na rychlosti 250 Kbps, v USA pak ještě pro 915 MHz a v Evropě pro 868 MHz. Pro přenos informací v kmitočtovém pásmu 2,4 až 2,4835 GHz je pro zařízení pracující podle standardu ZigBee k dispozici 16 přenosových subkanálů s odstupem 5 MHz o celkové přenosové kapacitě 250 kbit/s. V pásmu 868.3 MHz je k dispozici jeden přenosový subkanál s celkovou přenosovou kapacitou 20 kbit/s a v pásmu 902 až 928 MHz je k dispozici přenosových subkanálů deset s odstupem 2 MHz a celkovou přenosovou kapacitou 40 kbit/s. Přenosová vzdálenost je 10-75 metrů dle výkonu zařízení, což je několikanásobně více než Bluetooth (max. 10m).

Technologie ve detailu

Referenční model standardu ZigBee vychází ze standardního referenčního modelu OSI s tím rozdílem, že spojová vrstva je rozdělena na dvě podvrstvy MAC a LLC. Tyto dvě vrstvy jsou definovány standardem IEEE 802.15.4 a ostatní vrstvy nad nimy jsou definovány přímo aliancí Zigbee. Spodní spojová vrstva MAC (Medium Access Control) řídí metodu přístupu ke společné cestě a odděluje fyzickou vrstvu PHY od horní spojové podvrstvy LLC (Logical Link Control). Podvrstva LLC obhospodařuje řízení logického okruhu a díky podvrstvě MAC je nezávislá na použitém přenosovém prostředku. Využití přenosové cesty závisí na topologii sítě a metodě přístupu ke společné přenosové cestě. Standard ZigBee používá metodu přístupu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), tedy mnohonásobný přístup s nasloucháním nosné a s vyloučením kolizí.

Sruktura rámce

Na obrázku jsou vidět čtyři základní rámce definované standardem Zigbee :
Data, ACK, MAC command, beacon
Datový rámec (data frame) umožňuje přenos až 104 bytů užitečné informace. Rámce jsou číslovány, aby se dosáhlo správného doručení všecho odeslaných paketů a jejich kontrola zajišťuje, aby přenos proběhl bez chyb. Tato rámcová struktura udržuje spolehlivost přenosu i v náročných podmínkách.
Potvrzovací rámec (ACK) vytváří zpětnou vazbu od příjemce k odesilateli, potvrzující správné přijetí paketu. Zařízení využívá výhody tzv. "tichého času" mezi rámci posláním krátkého paketu ihned po přenesení datového paketu.
Příkazový rámec (MAC) poskytuje mechanizmus pro dálkové řízení a konfiguraci klientských uzlů. Centralizovaný správce sítě využívá MAC ke konfiguraci jednotlivých příkazových rámců klientů, přičemž nezáleží na rozlehlosti sítě.
Signální ráemec (beacon frame) se používá k probuzení klientů kteří naslouchají na které jsou směrována data a k jejich opětovnému uspání. Signály jsou důležité pro sítě typu hvězda, kde udržují klienty synchronizované bez nutnosti zbytečného nasluchání a tím spotřebovávání energie.

Typy zařízení

Sítě Zigbee využívají tři typy zařízení :

Síťový koordinátor - uchovává celkové znalosti sítě a je nejnáročnější ze všech typů zařízení. Pro svou práci vyžaduje dostatek paměti a výpočetní síly

Zařízení se všemi funkcemi FFD (Full-Functional Device) - podporují všechny funkce a specifikace standadu 802.15.4 a mohou sloužit jako síťové koordinátory. Při dostatku výkonu může být FFD také ideální jako síťový router

Zařízení s redukovanými funkcemi RFD (Reduced-Functionality Device) - mají základní nebo omezenou funkcionalitu, aby byla zachována nízká cena a malá velikost zařízení

Každá síť pracující se standardem ZigBee musí obsahovat alespoň jedno zařízení RFD nebo FFD a řídící jednotku (síťový koordinátor). Řídící jednotka řídí a koordinuje celou nebo určitou část sítě. Používané topologie sítí pracující se standardem ZigBee mohou být typu hvězda, strom nebo kombinace obou předchozích. V síti může být zapojeno najednou až 254 zařízení k jedné řídící jednotce.

Proč si Bluetooth a Zigbee nekonkurují

Hlavní rozdíly mezi ZigBee a Bluetooth: zatímco zigbee nabízí podporu až 255 zařízení v jedné síti, bluetooth jen osm. Bluetooth je ale rychlejší, zigbee zase významně úspornější a pohotovější na přechod ze sleep módu do provozního režimu (15ms oproti 3s u Bluetooth). Zatímco zigbee zařízení potřebuje jen cca 30 KB paměti, bluetooth raději 250 KB paměti...

Porovnání Zigbee s ostatními bezdrátovými technologiemi :