NOWE KIERUNKI ROZWOJU SIECI BEZPRZEWODOWYCH. Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 NOWE KIERUNKI ROZWOJU SIECI BEZPRZEWODOWYCH Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 Urządzenia radiowe Zestaw przełączników radiowych 433 MHz Nadajnik Odbiornik 2

3 Urządzenia radiowe Nadajnik ścienny - pojedynczy Rozszerzenie zestawu radiowego. Nadajnik ścienny z możliwością dowolnego zakodowania. Do zamontowania przy drzwiach wejściowych. Nie trzeba szukać pilota po wejściu do domu. 3

4 Urządzenia radiowe Ściemniacz radiowy Ściemniacz ten współpracuje z żarówkami (obciążenie ohm) oraz z konwencjonalnymi transformatorami halogenowymi (obciążenie indukcyjne) 230 V/25 A, 200 W. Wbudowany timer umożliwia włączenie na krótki okres czasu od 1 s do 4,5 h lub łagodne ściemnianie, rozjaśnianie przy włączonym programatorze. 4

5 Urządzenia radiowe Ściemniacz radiowy Montaż bezpośrednio do sufitu, sterowanie oświetleniem ściennym. 5

6 Urządzenia radiowe 6

7 Urządzenia radiowe Radiowy czujnik dymu Czujnik zawiera zintegrowany nadajnik sygnału. Uruchomienie alarmu również przy nie włączonym systemie alarmowym. 7

8 Urządzenia radiowe Radiowy czujnik wody Czujnik zawiera zintegrowany nadajnik sygnału. Uruchomienie alarmu również przy nie włączonym systemie alarmowym. 8

9 Urządzenia radiowe Słuchawki radiowe 9

10 Urządzenia radiowe Kolumny radiowe 10

11 Urządzenia radiowe Modele sterowane radiem 11

12 Urządzenia radiowe 8-kanałowy zdalny system przełączania Pilot Odbiornik 8-kanałowy (30m lub 300m) System przeznaczony do sterowania bramą wjazdową, bramą do garażu i wszystkimi funkcjami przełączania oświetlenia w obrębie wejścia. 12

13 Urządzenia radiowe Radiowa stacja meteorologiczna 13

14 Urządzenia radiowe Bezprzewodowy system nadzorujący - audio/video Monitor Kamera 14

15 Urządzenia radiowe Klucz elektroniczny To urządzenie bezprzewodowo obsługuje elektroniczny zamek do drzwi wejściowych. Wystarczy w niewielkiej odległości (5-15 cm) przesunąć brelok (w zakresie dostawy) przy czujniku. 15

16 ZigBee zig-zag taniec pszczół Obszary zastosowań 16

17 Obszary zastosowań Hipoteza o "języku tańca" pszczół została wysunięta przez Karla Rittera von Frischa 1947 roku. Pszczeli tancerz przekazuje "mową ciała" innym pszczołom z ula konkretną, zakodowaną wiadomość, opisującą kierunek i odległość od ula do nowego źródła pożywienia. Von Frisch twierdził, że pszczoły wykorzystują ten komunikat, aby dotrzeć do opisanych zasobów żywności. Odkrycie to przyniosło naukowcowi Nagrodę Nobla (1973 rok razem z Nikolaas Tinbergen i Konrad Lorenz). 17

18 Obszary zastosowań 18

19 Obszary zastosowań Obszary zastosowań rozwiazań IEEE /ZigBee; oznaczenia: AMR (ang. Automatic Meter Reading) automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating, Ventilation and Air Conditioning) - klimatyzacja 19

20 Obszary zastosowań To co wyróżnia rozwiązania ZigBee wśród innych sieci bezprzewodowych to następujące parametry: bardzo niski pobór mocy (baterie starczają od 6 miesięcy do kilku lat); urządzenie ZigBee ma tylko dwa tryby pracy: albo jest active (nadawanie/odbieranie) albo sleep; w przypadku Bluetooth występuje wiele różnych trybów co zdecydowanie utrudnia optymalizację poboru mocy; niski koszt urządzeń, instalacji i eksploatacji; możliwa duża gęstość węzłów sieci; prosty protokół i łatwa implementacja; stos kodu protokołu jest szacowany na około ¼ w stosunku np. do Bluetooth; niezawodny transfer danych; wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji. 20

21 IEEE Bluetooth UWB UWB Zigbee ZigBee 21

22 Historia Proposals Proposal ZigBee Alliance formed Initial MRD RSI/TRD v0.2 to IEEE ZigBee IEEE PAR Proposals Reviews Stand. Complete

23 Dokumenty 23

24 Stos protokołów ZigBee Alliance APLIKACJA Użytkownik STOS ZIGBEE ZigBee Alliance KRZEM IEEE IEEE Ponad 150 firm Definiuje górne warstwy stosu protokołów: styk warstwy sieciowej z aplikacją, zadania warstwy sieciowej, bezpieczeństwo transmisji Definiuje dolne warstwy stosu protokołów: warstwa MAC (Medium Access Control Layer) oraz warstwa fizyczna PHY (Physical Layer) 24

25 ZigBee Alliance ZigBee Alliance jest stowarzyszeniem skupiajacym aktualnie ponad 150 uczestników Promotorzy ZigBee: Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips i Samsung 25

26 Model warstwowy Użytkownik ZA1 ZA2 Interfejs aplikacji Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie i sprawdzanie ramki Transmisja radiowa ciągu bitów, modulacja ZAn API ZigBee NWK IAn IA1 UDP IP LLC MAC (SSCS) IEEE MAC (CPS) IEEE PHY 26

27 Model warstwowy ZA1 ZAn API IA1 IAn UDP IP ZigBee NWK LLC MAC (SSCS) IEEE MAC (CPS) IEEE PHY Użytkownik Interfejs aplikacji Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie itransmisja sprawdzanie radiowa ramki ciągu bitów, modulacja 27

28 Topologia gwiazdy Koordynator sieci Master/slave Węzeł o pełnych możliwościach FFD (Full Function Device) Węzeł o zredukowanych funkcjach RFD (Reduced Function Device) Komunikacyjny przepływ 28

29 Topologia Peer-Peer Punkt- punkt Drzewo FFD Węzły są równorzędne 29

30 Topologia kombinowana Drzewo klastrów (Cluster-tree) Połączenie struktur gwiazd FFD RFD Połączenia komunikacyjne 30

31 Topologie ZigBee Siatka (Mesh) Gwiazda (Star) Koordynator ZigBee Rutery ZigBee Węzły końcowe ZigBee Drzewo klastrów (Cluster Tree) 31

32 Dostępne pasma częstotliwości 868MHz/ 915MHz PHY 2.4 GHz PHY Kanał 0 Kanały MHz 902 MHz Kanały GHz 2 MHz 928 MHz 5 MHz GHz Pasma ISM Industrial Scientifig Medic Europa 868 MHz, 2,4 GHz 32

33 Pasma częstotliwości Pasmo ISM - 2,4GHz US A E urope S pain* France* Japan* 915MHz pasmo ISM tylko w USA 868MHz Europa * Uzg odnienia z FC C 33

34 Modulacja i proces rozpraszania widma Dane Binarne 250 kb/s Bity na symbol b3 b2 b1 b kbd Symbol na chip sy Modulacja Offset QPSK 2 Mchip/s dziesiętnie Symbol( binarnie (b0 b1 b2 b3) Wartości chip sów (c0 c1... c30 c31) Symbol Faza I Faza Q 1 Mchip/s Filtr Fazy Q 1 Mchip/s Filtr Fazy I.. 34

35 Modulacja i proces rozpraszania Dane do wysłania Bity na symbol Symbol na chip sy b Symbol 0 Reprezentacja symbolu Modulator O-QPSK 35

36 Struktura ramki warstwy fizycznej (PHY) Pola ramki warstwy fizycznej Preambuła (32 bity) synchronizacja Startowy ogranicznik ramki (8 bitów) musi mieć wartość Nagłówek warstwy PHY (8 bitów) długość PSDU PSDU (0 to 127 bajtów) pole danych Nagłówek Sync Preambuła 4 bajty Start ramki 1 bajt Nagłówek PHY Długość Rezerwa ramki (1 bit) (7 bitów) 1 bajt Ładunek PHY PHY Service Data Unit (PSDU) bajtów 36

37 ZigBee Ramka ZigBee na poziomie warstwy sieciowej NWK (ang. Network Layer) ZigBee umożliwia tworzenie złożonych sieci logicznych z komunikacją wielokrotnych przeskoków (ang. multi-hop), co oznacza, że nie wszystkie stacje muszą znajdować się we wzajemnym zasięgu. Jednym z rozwiązań jest algorytm trasowania (rutowania) obsługa drzewa klasterów; drugi to wersja algorytmu AODV (ang. Ad hoc On Demand Distance Vector). 37

38 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Ramka warstwy sieciowej NWK stanowi ładunek ramki warstwy MAC. Zawiera niezbędne pola dla realizacji operacji trasowania. Pola adresowe w tej ramce zostały ograniczone do zakresu 16bitowego. Zabezpieczenie ramki ZigBee może być realizowane na różnych poziomach modelu warstwowego na poziomie warstwy MAC, na poziomie NWK (rys.), na poziomie podwarstwy wsparcia aplikacji APS (ang. Application Support sublayer). 38

39 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Na rysunku przedstawiono ramkę ZigBee zabezpieczoną na poziomie NWK. Ładunek ramki MAC stanowią nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy, zaszyfrowany ładunek NWK oraz pole MIC (ang. Message Integrity Code). Dane szyfrowane są przy pomocy algorytmu AES-128, uważanego za skuteczną technikę zapewniającą poufność informacji. Pole MIC jest zaszyfrowanym polem kontroli integralności danych, obejmującym nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy oraz zaszyfrowany ładunek ramki NWK. Ta metoda zabezpiecza przed podrabianiem i odtwarzaniem ramki. 39

40 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot W trybie super-ramki koordynator sieci transmituje sygnalizatory superramki w z góry określonych przedziałach czasowych. Przedziały te mogą być zmieniane w szerokich granicach od 15ms do 252s. 40

41 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot Miedzy dwoma sygnalizatorami wyodrębniony zostaje obszar aktywny, podzielony jest na 16 równych czasowo szczelin, niezależnie od czasu trwania całej ramki. Dostęp do medium w szczelinach czasowych jest oparty na rywalizacji mechanizm CSMA-CA (obszar CAP) 41

42 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot Koordynator PAN może wyznaczyć szczeliny czasowe konkretnemu urządzeniu, które wymaga dedykowanej szerokości pasma lub transmisji o małych opóźnieniach. Tak przygotowane szczeliny czasowe nazywane są GTS przedział czasu dostępu dla danego urządzenia, bez rywalizacji. 42

43 Wsparcie sprzętowe Układ CC2420 firmy Chipcon 43

44 Wsparcie sprzętowe Schemat blokowy CC

45 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 Moduł CC2420DB firmy Chipcon 45

46 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 Moduł CC2420EB + CC2420EM firmy Chipcon 46

47 Wsparcie sprzętowe Moduł MPR2400 / MICAz firmy Crossbow Technology 47

48 Wsparcie sprzętowe Moduł M2020 firmy Dust Networks Moduł jest zgodny z IEEE Jest optymalizowany do uruchomienia oprogramowania SmartMesh 48

49 Wsparcie sprzętowe Motorola/FreeScale 13192DSK MC GHz RF MC9S08GT60 µc 49

50 Wsparcie sprzętowe MicroChip PICDEM Z CC GHz RF PIC18LF4620 µc 50

51 Wsparcie sprzętowe Atmel AT86RF210 Z-Link jest radiowym układem nadawczo odbiorczym na pasmo 868/915 MHz zgodnym z IEEE /ZigBee; wspiera prędkości od 20 kb/s do 40 kb/s. AT86ZL3201 Z-Link jest 8-bitowym kontrolerem AVR optymalizowanym dla IEEE /ZigBee. 51

52 Wsparcie sprzętowe Najnowszy produkt firmy Chipcon CC2430 (wrzesień 2005) układ nadawczo-odbiorczy ZigBee + mikrokontroler 51 52

53 Wsparcie sprzętowe CC2430DB CC

54 Podsumowanie Sieci oparte na standardzie ZigBee/IEEE zaliczone zostały przez autorów normy [1] do klasy tzw. niskiej prędkości, osobistych sieci bezprzewodowych LR-WPANs (ang. Low-Rate Wireless Personal Area Networks) co znalazło odzwierciedlenie w jej tytule. Przedstawiony opis standardu został ograniczony tylko do wybranych zagadnień bardzo obszernego opisu standardu. Porównanie ZigBee z innymi standardami sieci bezprzewodowych przedstawiono w tabeli. 54

55 Podsumowanie 55

56 Podsumowanie Bluetooth UWB UWB ZigBee Zigbee 56

57 Podsumowanie Rosnące w szybkim tempie zainteresowanie tą klasą sieci wkrótce znajdzie odzwierciedlenie w aplikacjach między innymi dla przemysłu i ochrony środowiska. Zadecydują o tym takie zalety węzłów sieci pracujących w standardzie ZigBee jak możliwość pracy przy niskiej mocy nadawania w warunkach dużych zakłóceń radiowych (dzięki modulacji O-QPSK), niewielkie zapotrzebowanie na energię, co oznacza możliwość działania przy zasilaniu bateryjnym nawet kilka lat, wysoki poziom bezpieczeństwa dzięki zastosowaniu rozwiązań zapewniających integralność (CRC, MIC) oraz poufność (AES128) przesyłanych danych, niski koszt instalacji, eksploatacji i serwisowania węzłów. 57

58 DZIĘKUJĘ 58

59 Dziękuję