`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Андрей Зубинский

802.15.4, 6LoWPAN и всякое прочее

+1010
голосов

Я так понимаю, что иногда говорю сам с собой. Потому что использую понятные мне термины и пугаю ими публику, очевидно от них далёкую. Попробую кое-что восстановить, без погружений «в глубины», но и не настолько поверхностно, чтобы это было некрасиво по отношению к читателю. Итак, в этот раз «пробежимся» по двум технологиям, которые уже без всякого сомнения доберутся и до нас. Быть им массовыми по целому ряду причин (да они где-то и так уже массовые).

802.15.4 – один из стандартов IEEE семейства 802.15. В этом семействе стандартов всё направлено на упорядочивание «беспроводных сетей личного пространства» (WPAN – Wireless Personal Area Network).

«Личное пространство» понимается здесь несколько бОльшим, чем в психологии (дальше уточним насколько большим).

Начиналось в семействе 802.15 всё со стандарта 802.15.1, всем хорошо известного по де-факто «стандартным» (в потребительском смысле) овеществлениям «оригинального» Bluetooth. Назначение у которого было по замыслам разработчиков стандарта прозаическим – замена в «личном пространстве» мешающих проводов «виртуальным кабелем», причём «телефоноцентричности» в оригинале не было, речь шла о всяком нетребовательном к объёмам пересылаемых данных «консьюмерском», для больших же данных, которые надо пересылать быстро, формировался стандарт 802.15.3.

Это всё происходило в довольно далёких временах – в 1994 году в Ericsson начали работу над тем, что через четыре года стало основой работы группы, занимающейся стандартом Bluetooth.

То есть, стандартизация началась в 1998, первая редакция стандарта увидела свет в 2002, сейчас уже 2013-й, и есть возможность оценить насколько всё быстро происходит и решилась ли в итоге с помощью Bluetooth исходная задача.

По моим оценкам – и не быстро всё было, и задача не решилась. Да и не только по моим – Bluetooth-контроллеры оказались сложными, дорогими (по сей день дороги), миниатюризация их, похоже, достигла технологического предела (а они не совсем маленькие), сравнительно высокое их энергопотребление вынудило впоследствии создавать совсем не похожие на оригинал модификации вроде Bluetooth LE (Low Energy).

Как бы там ни было, беспроводные гарнитуры для телефонов – здесь Bluetooth обосновался прочно, ниша нашлась. Вне этого класса применений, согласитесь, Bluetooth-устройства встречаются эпизодически.

Но. Уже в 2000 году стало очевидным, что в «персональном пространстве» с заменой постылых (и дорогих, очень дорогих!) проводов всё как-то не так. И сегодня весьма дорогой Bluetooth тогда был одновременно избыточным, совсем уж несуразно дорогим и с кучей врождённых «особенностей», вообще исключающих его повсеместное, всепроникающее (ubiquitous) применение.

Примерно по таким причинам в декабре 2000 года в рамках 802.15 была создана новая рабочая группа, нацеленная на что-то относительное простое в овеществлении, главное же – на дешёвое в тиражировании, доступное и одновременно соответствующее потребностям реальности. 

Вот это «соответствие реальности», оно на уровне исходных требований сохранилось и представляет вполне осязаемую ценность. Новая рабочая группа (третья по счёту, но 802.15.4), сконцентрировала усилия на создании стандарта, удовлетворяющего следующим требованиям типовых приложений:

  • радиус действия ограничен 10-15 метрами, максимальная скорость передачи данных – 0,25Mbps (250 килобит в секунду);
  • для «неумной» или «не шибко умной» бытовой электроники скорость передачи может составлять вообще 3 килобита в секунду, но с максимальной латентностью 16,7 миллисекунд;
  • для компьютерной периферии – 115,2 килобита в сек. С той же максимальной латентностью 16,7 миллисекунд;
  • для домашней автоматизации – 10 Kbps и целых 100 миллисекунд допустимой латентности;
  • для персональной медицины – 10 Kbps и 30 миллисекунд;
  • и, наконец, для игрушек (хороший рынок, «аппетитный», кто ж своему чаду откажет в игрушке) – 115,2 Kbps и латентность в диапазоне 16,7 – 100 миллисекунд.

Я не случайно привёл эти цифры. Давайте задумаемся над их реалистичностью. Все они взяты из «стыка» между человеком и принадлежащими ему артефактами, причём речь идёт о бытовых применениях. В этой области что-то может измениться «взрывным» образом?

Детки могут внезапно начать крутить рули радиоуправляемых машинок в 10 раз быстрее, чем предшествующее поколение? Или геймеры-подростки внезапно снижают латентность своей биологической машины (организма) в 10 раз? Или, наконец, уставший после работы гражданин заметит запаздывание включения света в комнате на 0,1 секунды и страшно этим возмутится? Очень сомневаюсь, что такое возможно даже при применении всяких веществ. Потому что здесь срабатывают физиологические ограничения.

Стало быть, мы говорим об очень стабильной на уровне требований прикладной области.

И давайте задумаемся над ещё одним. Всё, что требует энергии питания, требует или проводов, по которым эта энергия подводится, или батарей, или преобразователей возобновляемой энергии (например, солнечных батарей).

И раз уж «городится» стандарт беспроводной связи для замены проводов, то первый вариант отпадает по определению – он лишает смысла всё остальное.

Третий вариант – у него куча нюансов. Которые в итоге существенно ограничивают применимость. И повышают стоимость.

Остаётся батарейное питание. А что с ним самое неприятное в нашем личном пространстве связано? Конечно, раздражающая потребность замены элементов питания. Она и раздражает, и требует затрат (причём часто сама замена в труднодоступном месте оказывается много дороже самой вычурной батарейки).

Соответственно, авторы стандарта изначально понимали – 802.15.4 устройства должны будут работать от батарейки годами. И это было также основным требованием.

Все предыдущие абзацы – вовсе не бла-бла-бла. В них всё крайне важно. И оно, наверное, куда более важно, чем всё остальное, кроме, конечно, способов решения поставленных задач. Которые, забегая вперед, оказались настолько удачными, что овеществления стандарта 802.15.4 «прижились» в совсем уж не из «персонального пространства» областях, например, в датчиках давления в шинах автомобиля (а как же ж иначе, кроме как по радиоканалу, «вытаскивать» из вращающегося колеса эти данные?).

Важно это потому, что мы восстанавливаем ход рассуждений очень умных людей, сделавших нечто, оказавшееся «долгоиграющим» даже на уровне исходных требований. Такому поучиться не грех.

Теперь, собственно, о том, как все эти задачи были стандартом решены.

Всё начиналось с выбора диапазона рабочих частот. Разработчиками стандарта были задействованы почти все не требующие лицензирования диапазоны.

Дико строгий европейский диапазон, допускающий в узенькой полосе 868-868,6 Mhz  всего один частотный канал (это, конечно, только «рекомендация» ETSI, Европейского института стандартов телекоммуникаций, но в области международного регулирования такие «рекомендации» имеют статус «шаг вправо – шаг влево – попытка побега» с логично вытекающими последствиями).

Североамериканский диапазон, который существенно шире – требования Федеральной комиссии связи (FCC) определяют его в полосе 902-928 MHz.

И, наконец, международный самый «лёгкий и удобный», но потому и самый «замусоренный» чем попало диапазон ISM (что значит – для промышленных, научных и медицинских систем, Industrial Scientific Medical) с полосой 2400-2483,5 MHz. Потому и все современные овеществления 802.15.4 позволяют одной микросхемой работать или в любом из этих диапазонов, или только в 2,4GHz.

Естественно, наличная в каждом диапазоне полоса пропускания предопределила технические ограничения.  В европейский частотный диапазон получилось «утрамбовать» всего один частотный канал, в североамериканский – 10, в международный ISM – 16 каналов. При этом в терминах 802.15.4 принята сквозная нумерация всех доступных 27 каналов, в которой 0 соответствует единственному европейскому, 1-10 – американским и 11-26 – общемировым. Кроме ограничений на число каналов проявились и ограничения в максимальной полосе пропускания – для европейцев она ограничена 20 Kbps, североамериканцев – 40 Kbps, ну и для «промышленности, науки, медицины» а также китайских игрушек и прочей чепухи всего мира – 250 Kbps.

Кажется, настала пора показать какое-нибудь овеществление, соответствующее стандарту 802.15.4. Этого «добра» у производителей в достатке, вот, например, продукты «двух противоположностей» - очень милой голландско-бельгийской fabless компании GreenPeak и мирового масштаба монстра полупроводникового производства Freescale:

802.15.4, 6LoWPAN и всякое прочее

   
Совсем маленькие микросхемы (помещающиеся в клеточку обычной ученической тетради, где-то 5×5 мм). С минимумом дешёвых дополнительных пассивных компонентов (буквально три-четыре детальки) они реализуют за пару долларов… Наконец-то мы добрались до сути, пора.

Реализация 802.15.4 – это в первую очередь весьма совершенный приёмопередатчик, ориентированный на обмен цифровой информацией. Аналоговые сигналы через 802.15.4 «не ходят» (но многое можно оцифровать и передать-принять уже в цифре). Этот приёмопередатчик способен работать в полудуплексном режиме, то есть, одна микросхема в зависимости от заданного извне режима работы может переключаться с передачи на приём и обратно (приведенная в качестве примера микросхема MC1323 производства Freescale содержит в себе кроме приёмопередатчика 802.15.4 ещё и микроконтроллер, то есть, представляет собой уже готовый компьютер с радиоканалом).

Если говорить в более привычных терминах компьютерных сетей, 802.15.4 приёмопередатчики (более распространённое название – трансиверы) формируют два нижних уровня сетевой модели OSI – физический и канальный (physical и data link layers).

На физическом уровне в 802.15.4 используются довольно развитые принципы модуляции радиосигнала и «взрослые» цифровые методы «распыления» его спектра. Причём принцип модуляции зависит от рабочего диапазона частот трансивера. Так, для европейского и североамериканского диапазонов используется самый простой принцип модуляции – фазовая манипуляция (BPSK), а вот в ISM-диапазоне уже всё намного сложнее – тут работает куда более сложная квадратурная модуляция со сдвигом (если совсем точно, то 16-уровневая OQPSK), которая используется в спутниковых каналах связи, например.

Ну и наконец, «распыление» спектра сигнала, DSSS, по-умному – расширение спектра методом прямой последовательности. Если упрощённо – к передаваемому сигналу «подмешивается» специально созданный шум с известными передатчику и приёмнику параметрами (шум формируется псевдослучайной цифровой последовательностью). Сигнал этого «шума» изменяется чаще, чем содержащий информацию сигнал (например, в 15 раз чаще для 802.15.4 трансивера, работающего в европейском частотном диапазоне, что означает – вместо одного импульса для представления одного бита передаётся фрагмент псевдослучайной последовательности из 15 более коротких импульсов, которые принято называть «chips»). В итоге получается нечто псевдослучайное, с «раскатанным» в тонкий блин спектром (для рабочего диапазона 2,4GHz спектр «раскатывается» в полосу почти 3 MHz шириной, а полосы каналов разнесены на 5 MHz, эти цифры здесь только для того, чтобы показать, что никаких вычурных, сложных и прецизионных аналоговых высокочастотных схем вне 802.15.4 трансивера не требуется), но его довольно удобно методами обработки сигналов «вытаскивать» из эфира, если известна псевдослучайная последовательность «шума».

В общем, из-за «распыления» спектра и разные излучающие устройства меньше мешают друг другу, и получается косвенная защита информации (потому что для вылавливания сигнала надо знать псевдослучайную последовательность), и ещё много всякого полезного получается, что на нас работает каждый день, потому что DSSS принцип применяется и в Wi-Fi, и в CDMA, и где угодно ещё, где звучат слова "современная связь".

Глубже этих «на пальцах» иллюстраций не будем опускаться, желающие могут забраться в «дебри» самостоятельно, «в куда копать» уже известно. Я же просто пытаюсь очертить границы и подсказать, что в микросхемке 802.15.4 трансивера упаковано весьма совершенное и далеко не простое устройство связи. По сравнению с которым, например, очень скромно выглядят «военные» радиостанции, с которыми таскаются наши несчастные солдатики на учениях.

Требуемая стандартом выходная мощность 802.15.4 трансиверов составляет всего 0,5 милливатта, большинство производителей позволяют в своих микросхемах программно ее регулировать, но традиционно речь идёт о диапазоне от 0,5 до пары милливатт. Всего. При этом 802.15.4 обеспечивают устойчивый обмен данными на расстоянии в десятки метров. В реальных, а не лабораторных условиях, при, как вы понимаете, «зачумлённости» частотного диапазона 2,4Ghz (сугубо для любителей странных сравнений, цифр и сферических коней в вакууме – теоретическое максимальное расстояние устойчивой передачи данных в вакууме для идеально соответствующего букве стандарта трансивера 802.15.4 составляет примерно километр).

Но это всё только фрагмент физического уровня. Преобразовать полезный сигнал в модулированный широкополосный радиочастотный, излучить его в пространство, принять радиочастотное месиво, обработать его и восстановить что было на входе передатчика – это только маленький фрагмент 802.15.4. И не весь физический уровень. Он ведь должен управляться как минимум. Выходная мощность передатчика, например, может изменяться программно. Как и чувствительность приемника. Частоты каналов могут выбираться. И вообще, физический уровень существует не сам по себе, он нужен всему, что выше него, поэтому по стандарту он должен предоставлять целый ряд сервисов, причём асинхронных. И под этими сервисами должно быть упрятано как можно больше низкоуровневой функциональности, потому что 802.15.4 трансиверы в основном соединяются с крохотными вычислителями, для которых каждое лишнее действие – лишнее.

И, наконец, на физическом уровне существует стандартный пакет данных, в который инкапсулируется всё, что надстраивается выше, PPDU (PHY Protocol Data Unit). И формирование этого пакета – тоже задача трансивера, а не присоединённого вычислителя.

В общем, уже должно быть понятно, что эпитеты «простой» и «дешевый», которые принято применять к 802.15.4 каналам, означают не совсем то, что можно понять без всего этого экскурса. «Простой» больше означает и простоту использования трансивера присоединённым вычислителем, и простоту реализации законченных устройств, использующих 802.15.4 (буквально несколько недорогих компонентов). А «дешевый» больше означает, что за всю эту простоту не придётся дополнительно платить. На деле же хороший трансивер 802.15.4 – устройство очень непростое и уж никак не дешёвое в проектировании. Но очень грамотно и красиво продуманное ещё на допроектном этапе, на уровне стандарта.

Будем продираться дальше.

Стандарт 802.15.4 описывает два уровня модели OSI – физический и канальный. О физическом мы немного поговорили, что там есть как бы уже понятно хотя бы на уровне идей и названий.

Канальный уровень в 802.15.4 разбит на два подуровня – традиционные управления доступом (MAC, Media Access Control) и логической передачи данных (LLC, Logical Link Control). Задачи MAC – поддержка доступа к разделяемому между множеством 802.15.4 устройств каналу и обеспечение надёжной доставки данных.

Каналом, что очевидно, является фрагмент диапазона рабочих частот, например ISM, и так как это не требующий лицензирования диапазон, в нём может быть всё, что угодно – от брелков автомобильных сигнализаций до всевозможных беспроводных сетей. Соответственно, без механизма спасения от коллизий в таком канале делать нечего. Стандарт 802.15.4 требует реализации в трансиверах механизма CSMA-CA, в пристойном переводе – «многостанционного доступа с контролем несущей частоты и предотвращением конфликтов». На уровне принципиального понимания об этом механизме можно сказать кратко – это принцип вежливости, перенесенный на технические системы: «прежде чем что-то сказать – послушай, не говорит ли сейчас кто-то, и не перебивай говорящего». То есть, пожеланием что-то передать программа 802.15.4 устройства инициирует цепочку действий трансивера – он переходит в режим приёма, прослушивает какое-то время канал, и если в нём не обнаружены сигналы – автоматически начинает передачу. Причём за всеми этими пространными объяснениями стоят весьма конкретные механизмы, например, только «прослушивание» канала может выполняться тремя определёнными стандартом методами (два из которых подразумевают распознавание по характеру «распылённости» спектра сигналов их соответствие стандарту 802.15.4), и, естественно, задействует физический уровень трансивера. Кроме этого, в MAC-уровне упрятана куча прочих аппаратно реализованных механизмов – от очевидно необходимого синтезатора несущих частот (им же надо откуда-то браться) до служебных вроде автоматической генерации фреймов подтверждения успешности приёма пакета данных и фундаментальных, необходимых для формирования беспроводных сетей определённых топологий, а также ключевые механизмы управления временем (о них будет немного дальше). В общем, MAC-уровень 802.15.4 реализует очень многое, что на практике означает освобождение и вычислителя, использующего 802.15.4 трансивер, и программиста, разрабатывающего что-то прикладное, от множества задач.

Вторая фундаментальная задача всего, что обеспечивает работу MAC-уровня 802.15.4 – поддержание возможности построения беспроводных сетей двух основных топологий – звезды и точка-точка. Сразу следует сказать, что «поддержание возможности» - это не управление и формирование, это именно набор служебных механизмов, без которых создание высокоуровневых протоколов превратилось бы в страшный ужас.

Топология «звезда» предусматривает некоторое неравенство узлов сети, для неё достаточно одного «полноценного» узла и кучи узлов «с ограниченными возможностями». Полноценный узел играет роль координатора сети, состоящей из способных с ним обмениваться данными более простых узлов. Что сразу означает – его программное обеспечение должно быть достаточно сложным. Звездообразная топология непосредственно вводит одно жесткое ограничение – все упрощенные узлы должны иметь возможность устойчивой связи с координатором. Стало быть, физический размер такой сети большим быть не может, и всякие мешающие распространению радиоволн препятствия могут вообще не позволить реализовать такую сеть. Но, при всём этом, применения и для звездообразной топологии 802.15.4 сетей находятся.

Топология «точка-точка» предусматривает полное равноправие в возможностях всех узлов. И снимает ограничение на физический размер сети. Единственный координатор сети остаётся актуальным и в такой топологии. Но, само собой, за всё приходится расплачиваться, и в этом случае расплата наступает на уровнях, которые выше 802.15.4. То есть, там, где уже надо много разрабатывать, тратя время и деньги. А область таких «многохоповых» сетей (mesh-сетей) – она не то, чтобы в зачаточном состоянии, но в ней ещё тьма всякого недопонятого и недоизученного (для иллюстрации – лучшей студенческой научной работой мира прошлого года признана разработка из этой области, алгоритм маршрутизации в многохоповых сетях на основе модели распространения слухов, гарантирующий фиксированное и известное время доставки пакета). Естественно, практически все усилия разработчиков сейчас сконцентрированы именно в этой области. Здесь нужны новые механизмы маршрутизации, каких ещё не было, потому что никто в индустрии особо не готовился к скорому факту появления возможности построения громадных сетей из десятков тысяч копеечных узлов, в которые и не «утрамбовать» огромные таблицы маршрутизации из-за технологических ограничений, и в общем случае эти таблицы и не построить, потому что сеть может изменять конфигурацию во времени. А факт существования и необходимости в существовании таких сетей уже имеет место быть.

Есть ещё третий вариант возможных топологий 802.15.4 сетей, который как бы не совсем поддерживается возможностями стандарта – кластерно-древесная топология. Но это уже совсем высший пилотаж.

Пожалуй, самое главное, о чём стоит упомянуть после этого топологического экскурса – специфический для 802.15.4 сетей термин «бакен» (beacon). Это специального назначения передаваемый по радиоканалу пакет, которым, по большому счёту, осуществляется то самое «управление временем», о чём было упомянуто ранее. Это очень простое понятие, но не очень простое в логике надобности в нём. И здесь придётся сделать отступление к самому началу, к упомянутой уже проблеме энергоэффективности.

Приподнимем завесу – средний рыночно доступный трансивер 802.15.4 требует для питания в режиме что передачи, что приёма, тока порядка 20 миллиампер. Для батарейного питания – это очень большая цифра, при ёмкости типовой маленькой батареи порядка 750 мА/ч всего лишь каких-то 38 часов непрерывной работы устройства (если в нём все остальные узлы потребляют ничтожно мало) – и пора менять батарейку. Никому такое счастье не нужно. Откуда же тогда «годы» работы?

Чудес не бывает, конечно. И если надо снизить энергопотребление какого-то узла, который меньше чем ему нужно, потреблять не может, есть только один выход – сделать работу этого узла прерывистой. То есть, на непродолжительный период включать сильно потребляющее, а на продолжительный – выключать. Отношение этих периодов принято называть duty cycle (принятый в русскоязычной литературе термин «скважность» обозначает обратное duty cycle значение, поэтому я его не буду использовать для уменьшения энтропии). И пакеты-«бакены» как раз предназначены для обозначения начала временных интервалов всплесков активности устройств в сети. Среднее потребление энергии в таком случае можно «прикинуть на пальцах» - например, устройство потребляет 10 милливатт, оно активно в течении одной миллисекунды, а одну секунду «выключено» и в этом режиме оно потребляет 10 микроватт. Duty cycle получается 10-3 или 0,1%. Среднее энергопотребление работающего в таком режиме устройства получится 19,98 микроватт, эта цифра рассчитывается по диаграмме энергопотребления простой арифметикой, но с помощью тех самых интегралов, которые нужны только для вытягивания упавшей в бочку фуражки (© бородатый анекдот):

 

802.15.4, 6LoWPAN и всякое прочее

 
Красный участок активной работы устройства длится 1 ms, в это время потребление энергии – 10 mW, бирюзовый – 1000 mS сниженного до 10 µW энергопотребления, следовательно, площадь красного прямоугольника (потребление энергии за миллисекунду) – 10×10-3*10-3=10×10-6 джоулей, площадь бирюзового прямоугольника – 1*10×10-6=10×10-6 джоулей. Получается, всего за 1,001 секунды устройство потребило 20×10-6 джоулей, стало быть, среднее энергопотребление за этот промежуток времени получается порядка (20×10-6/1,001) 19,98×10-6 ватт. Предположим, что всё это удовольствие требует напряжения питания 1,8 вольта (не взято «с потолка», это уже очень распространённое реальное напряжение питания), тогда уже упомянутая усреднённая батарейка с ёмкостью 750 mA/ч может обеспечить работу нашего виртуального устройства в течение примерно 37 тысяч часов ( (0,75*1,8)/(19,98×10-6*1,8) ) или четырёх лет.

Пакет-сигнал «бакен» предназначен и для обозначения интервала активности, и для синхронизации «часов» всех устройств 802.15.4 сети. Естественно, все включившиеся в определённый момент времени устройства в сети включатся в каких-то временных интервалах около этого момента, потому что идеального ничего не бывает, в том числе и способов формирования временных интервалов. И эти ошибки не должны быть такими, чтобы устройства не смогли обнаружить сигнал-«бакен». Поэтому неидеальность «часов» предопределяет реальные возможности снижения энергопотребления 802.15.4 устройств за счёт прерывистого режима работы. Теоретический предел очень велик – стандарт устанавливает длительность пребывания в неактивном состоянии 802.15.4 устройств в сети в диапазоне от 15 с лишним миллисекунд до четырёх минут. Но для достижения последнего значения требуется точность «часов» узлов на уровне 0,0002%. Это достижимая, конечно, цифра, но за счёт очень больших затрат что денег, что энергии, посему на практике её можно считать недостижимой, тем более, в такой чувствительной к цене,  габаритам и энергопотреблению области, как Internet Of Things. Поэтому соответствующее реальным возможностям требование стандарта к точности и стабильности «часов» 802.15.4 устройств примерно в 25 раз ниже теоретически возможного предела.
Сеть 802.15.4 может работать и в режиме без сигналов-«бакенов» (и так и работает в европейском частотном диапазоне), в нюансы мы вдаваться здесь вообще не будем, достаточно упомянуть о такой возможности.

Итак, соберём всё в одно целое – стандарт 802.15.4 определяет весьма совершенный канал радиопередачи данных, предназначенный для передачи исключительно цифровой информации и способный очень быстро включаться, выключаться и переключаться из режима передачи в режим приёма. Овеществления этого стандарта что в виде отдельных микросхем трансиверов, что в виде интегрированных на одном кристалле с микроконтроллером устройств, с точки зрения программиста представляют собой довольно большое количество регистров, на которые отображены функции радиоканала (порядка полутора сотен, так что там далеко не всё "совсем уж просто", конечно, но и страшного ничего нет, если знать принципы работы 802.15.4, без их знаний управлять этим удовольствием очень трудно) и областей памяти для формирования пакетов данных, которые будут переданы и для накопления принятых пакетов.

Без всякого пафоса это шедевр инженерного творчества. И потому неудивительно, что 802.15.4 выбрали для овеществления очень многие производители. И, тоже неудивительно, что над 802.15.4 были надстроены такие популярные абстракции и их овеществления, как ZigBee.

И, наконец, полным признанием 802.15.4 стало выделение этого стандарта Инженерным Советом Интернет IETF в де-факто списке «признанных». Признание пока ещё в стадии RFC (но Интернет-стандарт уже на подходе), желающие могут ознакомиться с RFC 4919 и 6282. А суть признания – стандартизация механизма приведения IPv6 сетей к возможностям уровней (физического и канального) 802.15.4. Этот механизм получил название 6LoWPAN (IPv6 в беспроводных сетях личного пространства). И для него уже есть многочисленные реализации.

Так что когда мы говорим или слышим это самое Internet Of Things (IOT), мы и говорим и слышим именно то, что обозначает аббревиатура (редчайший случай в истории индустрии, хихи) – множество крохотных простых дешёвых встроенных в разные устройства вычислителей с радиоканалами 802.15.4, способных обмениваться информацией с помощью общепринятого в Интернет интернет-протокола шестой версии (IPv6).

Собственно, это всё, что можно было «утрамбовать» в небольшую заметку. Это только фрагмент IOT, конечно, не 6LoWPAN единым жив мир IOT, есть множество нестандартных решений, допускающих использование "из интернет" сетей малых устройств.

Надеюсь, и не очень глубоко загнал читателя, и не лишил возможности разглядеть ту непростую красоту, которая кроется в доступных микросхемах и устройствах.

Откланиваюсь.

PS

Кажется, у некоторых сложилось впечатление, что речь идёт о чём-то ужасно экспериментальном и существующем "на бумаге" :)

Очень непросто добираться до реальных цифр (они стоят немалых денег), характеризующих рынок. Но всё же, сугубо для справки. В 2010 году только промышленность для своих специфических применений "съела" 802.15.4 микросхем примерно на $2 миллиона, и в скором будущем ожидается принятие общенационального китайского стандарта WIA-PA, который базируется на 802.15.4. Это взорвёт рынок, как и переход 6LoWPAN из состояния RFC в стандарт.

По-моему, сравнительно несвежий прогноз ABI Research ёмкости рынка 802.15.4 трансиверов и гибридных микросхем на уровне $155 миллионов в 2014 году не учитывает появление WIA-PA и скорого перевода 6LoWPAN в статус стандарта.

Одна Freescale "отрузила" в 2008 (!) году более семи миллионов 802.15.4 трансиверов (здесь всё вместе - и автомобильная промышленность, и домашняя автоматизация, и управление освещением). В альянс ZigBee, в основе спецификаций которого лежит 802.15.4 физический уровень, входят более 400 компаний, количество конечных (потребительских) продуктов, достпуных на рынке, приближается к тысяче (и, кажется, эта цифра очень занижена). При этом доля ZigBee в общем разнообразии бытовых беспроводных систем - менее 40%, к 2015 году ожидается ее увеличение до 50%, и это во многом из-за использования в новых спецификациях ZigBee 6LoWPAN стека, все хотят стандартности. Промышленные стандарты WirelessHART и ISA100.11a - это здоровенный кусок 90-миллиардного пирога систем промышленной автоматики, и это тоже в своей основе 802.15.4. ABI Research оценивает ёмкость рынка микросхем 802.15.4 на уровне 1,1 миллиарда в 2016 году, это при том, что беспроводные IOT сети звездообразной топологии ожидает бум Bluetooth LE с прогнозируемыми 10 миллиардами инсталляций. 

Ну и, наконец, такие красивые продукты, как термостат Nest, как бы просто показывают современный и грамотный подход к использованию "всего на своих местах" - 802.15.4 в сочетании с Wi-Fi роутером.

+1010
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Андрей, вся описанная вами "шедевральность" (DSSS, CSMA/CA, beacon'ы, mesh) были реализованы в "первом" стандарте 802.11, принятом 14 лет назад (в 1999г). :)

Очень рад, что современные технологии позволяют использовать столь сложные механизмы столь энергоэффективно, пусть и ценой меньшей скорости (802.11-1999 разгонялся до умопомрачительных 2Mbps). Уверен, что по соотношению Mbps/mW 802.15.4 уделает и старый 802.11-1999 и новый 802.11ac/ad (но тут надо бы проверить через годик после ратификации, все-таки речь идет о гигабитах) и найдет свою нишу.

Правда, я бы не был столь оптимистичен: в 2.4 уже не протолкнуться, и как они гарантируют макс задержки при использовании CSMA/CA (и вообще, радиосвязи) у ума не приложу.

Кстати, DSSS уже давно не используется в Wi-Fi - заменили на более эффективный (и, наверняка, более энергоемкий) OFDM.

Ничего не понял, что не так.
Понял, что удалось вас обрадовать.
Тоже хлеб, ОК.

Ну, вы так восторженно расписываете технологии ~15-летней давности, реализованные в "новом" стандарте, что, прямо, презентации Apple вспоминаются :)
Я так понимаю, основная инновация в том, что "техника дошла" до состояния, когда всё это (хоть и с некоторыми потерями) можно запихнуть в маленькую энергоэффективную микросхемку, и от него при этом всё еще будет польза. Примерно как от десктопов до планшетов, так?

Вас это задевает, как я восторженно что-то описываю?

Да, мне очень нравится, что технологии дошли до доступности овеществлений 15-летней давности всяких абстракций.
Ещё больше мне нравится, что эта доступность означает возможность малым компаниям зарабатывать деньги, создавая что-то новое.

А быстрее у индустрии не получается, для чего и был пример с Bluetooth. Больше того, от того изначального Bluetooth почти ничего и не осталось в BLE, который уже почти Wi-Fi на самом деле.

Не "будет польза". Она есть. Давно уже. В изобилии. И будет больше.

Почему "абстракций"? 15 лет назад можно было купить прекрасный образец инженерии - точку доступа Wi-Fi с поддержкой всего, описанного в моем комментарии выше.
Но я рад, что вы рады :-)

Больше того скажу. Откровенно. Я испытываю щенячий восторг от доступности всего, что красиво и очень грамотно сделано людьми для людей. От MEMS микросхем, например. От однокристальных радиолокаторов. От хороших микроконтроллеров. От современных аналоговых микросхем - о, там можно до оргазма дойти, ггг.
Это всё прекрасные образцы инженерии.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT