INTERFEJSY RADIOWE W BEZPRZEWODOWYCH SIECIACH SENSOROWYCH

Transkrypt

1 Marcin Waraksa Jerzy Żurek Akademia Morska w Gdyni Rafał Niski Instytut Łączności w Warszawie INTERFEJSY RADIOWE W BEZPRZEWODOWYCH SIECIACH SENSOROWYCH W związku z rosnącą popularnością ch sieci sensorowych oraz rosnącą liczbą ich aplikacji i rozwiązań technicznych autorzy przedstawiają w niniejszej pracy najczęściej stosowane w ch sieciach sensorowych interfejsy radiowe (wraz z ich modyfikacjami dostosowanymi do konkretnych aplikacji). 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA BEZPRZEWODOWYCH SIECI SENSOROWYCH Bezprzewodowe sieci sensorowe (WSN Wireless Network) zbudowane są ze znacznej liczby węzłów. Jako węzeł należy rozumieć zarówno sam sensor wraz z interfejsem komunikacyjnym, jak i urządzenia agregujące informacje przesyłane z poszczególnych czujników/sensorów oraz urządzenia będące na styku pomiędzy WSN a (siecią komputerową) sieciami transmisji danych czy też w szerszym aspekcie Internetem. Przykład takiej sieci przedstawiono na rysunku 1. W tak skonfigurowanej sieci sensory najczęściej komunikują się w trybie ad hoc, bądź to między sobą przesyłając informację o pomiarach przez węzły pośrednie do wyższych warstw systemu, bądź bezpośrednio z punktami dostępowymi, tworząc w ten sposób bezprzewodową samoorganizującą się sieć sensorową. W celu zmniejszenia obciążenia interfejsów komunikacyjnych, ilości przesyłanych danych, a co za tym idzie zredukowania energochłonności całego procesu i wydłużenia przez to ich żywotności dane pomiarowe są wstępnie przetwarzane w węzłach pomiarowych i dopiero wysyłane do wyższych warstw systemu (poprzez węzły dostępowe sink node). Tam następuje ich agregacja i obróbka w celu wizualizacji danych pomiarowych w aplikacjach wyższego poziomu oraz w zależności od wymagań składowanie informacji z węzłów pomiarowych w dedykowanych bazach danych [4]. Ponadto wyżej wspomniane punkty dostępowe pełnią również rolę bram do innych sieci i systemów. Infrastruktura szkieletowa takiego systemu powinna zawierać, oprócz urządzeń/aplikacji wizualizacji danych pomiarowych oraz systemów bazodanowych, również systemy monitorujące działanie poszczególnych komponentów w niższych warstwach omawianego systemu.

2 80 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 70, wrzesień 2011 Powyższy opis mimo wysokiego poziomu ogólności ma za zadanie przedstawić podstawowe różnice pomiędzy mi sieciami sensorowymi a klasycznymi sieciami teleinformatycznymi. Opis ten nie jest jednakże prawdziwy dla wszystkich aplikacji systemów WSN i może znacznie różnić się w zależności od wymagań ich użytkowników, jak również przeznaczenia danego sieci sensorowej. Agregacja danych Rys. 1. Przykład bezprzewodowej sieci sensorowej z dynamicznym trasowaniem pakietów danych 2. INTERFEJSY RADIOWE W związku z koniecznością zapewnienia łączności pomiędzy poszczególnymi komponentami WSN, jak również z punktami dostępowymi oraz wyższymi warstwami systemu niezbędne jest wyposażenie poszczególnych węzłów w interfejsy (najczęściej radiowe) umożliwiające wzajemną komunikację poszczególnych węzłów. Zarówno w poziomie (w obrębie jednej warstwy systemu), jak i w pionie pomiędzy warstwami. Poniżej omówiono poszczególne standardy bezprzewodowej transmisji danych. Ze względu na bardzo szerokie spektrum ich występowania oraz bogatą literaturę przedmiotu najpopularniejsze systemy i standardy łączności bezprzewodo-

3 M. Waraksa, J. Żurek, R. Niski, Interfajsy radiowe w ch sieciach sensorowych 81 wej jedynie wstępnie zaprezentowano, skupiając się głównie na ch interfejsach dedykowanych do zapewnienia łączności między poszczególnymi węzłami pomiarowymi sensu stricto. Poszczególne standardy przedstawiono w sposób top-down od najwyższych warstw sytemu do poziomu zapewniającego realizację łączności pomiędzy poszczególnymi sensorami mierzącymi określone wielkości fizyczne. Główny nacisk położono jednak na rozwiązania służące do zapewnienia łączności na najniższym poziomie pomiędzy poszczególnymi węzłami pomiarowymi Bluetooth Standard Bluetooth (BT), powstały 26 czerwca 1999 roku (data opublikowania przez Bluetooth Special Interest Group specyfikacji Bluetooth 1.0), a rozwijany do dziś, przeznaczony jest to zapewniania łączności na krótkich dystansach (teoretycznie do 100 m). Do chwili obecnej opracowano kilka wersji standardu: Bluetooth 1.0, Bluetooth 1.1, Bluetooth 1.2, Bluetooth 2.0, Bluetooth 2.1+EDR, Bluetooth 3.0 HS, Bluetooth 4.0 prace w toku. Głównym przeznaczeniem Bluetooth jest zapewnienie łączności w sieciach PAN (Personal Area Network), w celu np. synchronizacji danych w telefonie komórkowym, korzystania ze słuchawek ch, zastąpienia istniejących połączeń kablowych (jak w przypadku klawiatur i myszek komputerowych). W 2002 roku IEEE zaadaptowało prace Bluetooth SIG nad specyfikacją Bluetooth 1.1 oraz opublikowało standard , będący de facto pierwszym standardem sieci personalnych. Z racji swojej specyfiki i pierwotnego przeznaczenia standard Bluetooth obecnie nie znajduje zastosowania w ch sieciach sensorowych z powodu stosunkowo dużego zapotrzebowania energetycznego. Jednakże warto zwrócić uwagę w niektórych aplikacjach WSN na standard Bluetooth jako interfejs wymiany danych, ze względu chociażby na jego potencjał rozwojowy oraz wysoką popularność. Interfejs radiowy Bluetooth pracuje w paśmie 2,4 GHz (ISM Industrial, Scientific and Medical), przez co nie są wymagane licencje na użytkowanie tego pasma. Standard Bluetooth został zaprojektowany z myślą o realizacji głównie połączeń punkt-punkt oraz tworzenia sieci typu pikonet oraz scatternet. Sieci pikonet mogą składać się z maksymalnie siedmiu aktywnych węzłów pracujących w trybie podrzędnym (slave) oraz jednego węzła pracującego w trybie nadrzędnym (master) zapewniając synchronizację urządzeń pracujących w trybie podrzędnym. Ponadto standard Bluetooth umożliwia stworzenie sieci pikonet zawierającej do 254 modu-

4 82 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 70, wrzesień 2011 łów BT, jednak tylko 7 z nich znajduje się w trybie aktywnym, a pozostałe w trybie oczekiwania nie uczestniczą tym samym w wymianie danych wewnątrz danego pikonetu. W momencie, gdy zajdą odpowiednie warunki, moduł aktywny może przejść do trybu oczekiwania a moduł oczekujący może w tym czasie przystąpić do wymiany danych. Warto pamiętać, że moduł nadrzędny jest odpowiedzialny za nadzór nad dostępem do kanałów fizycznych zarówno dla aktywnych, jak i dla oczekujących (idle) modułów podrzędnych. Standard Bluetooth dopuszcza także pracę kilku pikonetów na jednym, wspólnym obszarze. Wówczas praca poszczególnych pikonetów odbywa się w różnych kanałach fizycznych i z wykorzystaniem odrębnych sekwencji hoppingu częstotliwościowego (Slow Frequency Hopping) dla każdego pikonetu. W celu zapewnienia właściwego odbioru pakietów danych każdy pakiet wysyłany w obrębie jednego pikonetu wyposażony jest w unikatowy kod dostępu do kanału (CAC Chanel Access Code) utworzonego na podstawie unikatowego adresu stacji nadrzędnej master w danym pikonecie. Niewątpliwą wadą takiego zagęszczenia pikonetów na stosunkowo niewielkiej przestrzeni jest wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia kolizji pakietów. Do zjawiska kolizji dojdzie w chwili, gdy w dwóch odrębnych pikonetach w jednej szczelinie czasowej i na tej samej częstotliwości nastąpi transmisja danych. Zjawisko to ma destrukcyjny wpływ na przepustowość sieci. Kolejnym trybem pracy modułu Bluetooth jest tryb, w którym jeden moduł BT pracuje w dwóch sieciach pikonet znajdujących się w tym samym obszarze działania. W sieci pikonet A pracuje jako master, a w sieci pikonet B jako slave wówczas taką sieć określa się mianem scatternet. Taki tryb pracy możliwy jest na przykład w przypadku, gdy master w sieci pikonet A zostanie przywołany przez nadrzędny moduł BT w sieci pikonet B w takim trybie nadrzędny moduł BT pikosieci A jest modułem podrzędnym w pikosieci B [3] Wibree Pewną modyfikacją standardu Bluetooth, opracowaną przez koncern Nokia pod koniec 2006 roku, jest interfejs Wibree. Podobnie jak Bluetooth, Wibree pracuje w paśmie ISM (2,4 GHz) i zapewnia wsparcie dla topologii sieci stworzonej z 7 aktywnych węzłów podrzędnych i jednego węzła nadrzędnego. Główną różnicą w stosunku do Bluetooth jest redukcja konsumpcji mocy oraz ceny jednostkowej transceivera. Osiągnie się to poprzez zmniejszenie maksymalnej mocy nadawczej modułów transmisyjnych oraz przez zmniejszenie szybkości transmisji danych. Według przedstawiciela koncernu w testach laboratoryjnych osiągnięto redukcję poziomu transmitowanej mocy do poziomu 10% mocy urządzeń Bluetooth. W tabeli 1 zestawiono najważniejsze parametry pracy interfejsów Bluetooth i Wibree.

5 M. Waraksa, J. Żurek, R. Niski, Interfajsy radiowe w ch sieciach sensorowych 83 Porówanie praramtrów Bluetooth oraz Wibree Tabela 1 Parametr Bluetooth Wibree Pasmo 2,4 GHz 2,4 GHz Antena/Hardware Współdzielona Moc Tx 100 mw ~10 mw Żywotność baterii dni miesiące 1 2 lat Zasięg m 10 m Szybkość transmisji 1 3 Mbps 1 Mbps Koszt $3 Bluetooth + 20 cent Topologia sieci ad hoc, P2P, gwiazda ad hoc, P2P, gwiazda Bezpieczeństwo AES-128 AES-128 Wibree może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wykorzystanie technologii Bluetooth jest nieuzasadnione ekonomicznie, lub tam, gdzie istnieje potrzeba rozwiązań o znikomym poborze energii elektrycznej. Ostatecznie standard Wibree został ostatnio włączony do grupy standardów Bluetooth ZigBee Standard ZigBee został opracowany jako alternatywa dla powyższych rozwiązań, w celu zapewnienia łączności radiowej w systemach WSN niewymagających dużych przepustowości interfejsu radiowego, lecz dużej liczby poszczególnych węzłów pracujących w sieci WSN (do węzłów). Ponadto implementacja ZigBee jest stosunkowo tania przez co znajduje szerokie zastosowanie m.in. w systemach zdalnego monitoringu, automatyki budynków itp. Początek systemu ZigBee datuje się na rok 1998 wówczas dostrzeżono potrzebę opracowania interfejsu radiowego dla systemów niewymagających przesyłania dużych ilości danych istniejące rozwiązania, takie jak Bluetooth lub WiFi, okazały się zbyt kosztowne i zbyt skomplikowane w implementacji. W maju 2003 roku IEEE ukończyło prace nad standardem którego pewną implementacją jest ZigBee. Standard [1] opisuje warstwy: fizyczną (PHY Physical) oraz łącza danych (MAC Media Access Control). Wyższe warstwy definiowane są przez stowarzyszenie ZigBee Aliance (2004 rok pierwsza specyfikacja ZigBee), które przez następne lata kontynuowało prace, aby w 2007 roku stworzyć rozszerzoną specyfikację ZigBee ZigBee PRO. Kolejna duża modyfikacja standardu miała miejsce w roku 2009 wówczas rozszerzono dotychczasowy standard na wiele różnych obszarów.

6 84 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 70, wrzesień 2011 Aplikacje Profile aplikacji ZigBee lub producent Struktura aplikacji Warstwa sieciowa Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna 2,4 GHz 868/915 MHz IEEE Alians ZigBee Rys. 2. Model referencyjny ZigBee i IEEE Warstwa fizyczna definiuje interfejsy sieciowe IEEE , ich parametry i funkcje. W warstwie tej zdefiniowano 27 kanałów fizycznych (tab. 2): 16 w paśmie 2,450 GHz, 10 w paśmie 915 MHz oraz 1 w paśmie 868 MHz. Alokacja kanałów fizycznych ZigBee w poszczególnych obszarach geograficznych Tabela 2 Częstotliwość Pasmo Obszar geograficzny Prędkość transmisji Liczba kanałów 2,4 GHz ISM świat 250 kbps MHz ISM USA 40 kbps MHz Europa 20 kbps 1 W paśmie 2,450 GHz zastosowano modulację O-QPSK (Offset-Quadrature Phase-Shift Keying). W pasmach 915 MHz i 868 MHz prędkość transmisji wynosi 40 kbps oraz 20 kbps, modulacje BPSK (Binary Phase-Shift Keying) oraz DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) odpowiednio. Warstwa łącza danych definiuje metodę dostępu do sieci oraz sposób transmisji ramek. Dostęp do sieci realizowany jest w dwojaki sposób: rozgłoszeniowy (beaconing) transmisja danych odbywa się przez urządzenia pracujące w trybie ciągłym, nierozgłoszeniowy (non-beaconing) używany w środowisku z urządzeniami transmitującymi dane w sposób okresowy/losowy. W tym trybie urządzenia korzystają z protokołu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) dostępu do medium fizycznego.

7 M. Waraksa, J. Żurek, R. Niski, Interfajsy radiowe w ch sieciach sensorowych 85 Dodatkowo warstwa łącza danych wykonuje zadania związane z trasowaniem (routingiem) pakietów, zarządzaniem topologią sieci oraz wykrywaniem nowych węzłów i zapewnieniem bezpieczeństwa łączności (wykorzystując do tego algorytm AES-128) MiWi Technologia MiWi jest prostszą wersją standardu ZigBee opartą na transceiverze zgodnym ze standardem IEEE Technologia MiWi dedykowana jest do rozwiązań ch sieci sensorowych niewymagających dużych przepustowości interfejsu radiowego oraz stosunkowo małych pod względem liczebności węzłów. Liczba węzłów w takiej sieci sensorowej nie może być większa niż Podobnie jak w ZigBee MiWi zapewnia wsparcie sieciom o topologii kratowej (mesh) lub o topologii gwiazdy. Ponadto MiWi wspiera jedynie nierozgłoszeniowy tryb pracy. Kolejną różnicą w stosunku do ZigBee jest zredukowany stos protokołów obsługiwany przez kontroler redukuje to jednostkową cenę kontrolera o ok % w stosunku do kontrolera ZigBee [2] Z-Wave Standard Z-Wave traktowany jest jako modyfikacja standardu ZigBee. Z-Wave nie modyfikuje warstw fizycznej oraz łącza danych są one zgodne ze standardem IEEE Ponadto, w odróżnienia od ZigBee, to mniejsza moc wyjściowa nadajnika oraz inne pasmo częstotliwości ISM 900MHz (dokładnie: 868,42 MHz oraz 915 MHz). Modyfikację Z-Wave opracowano z myślą zastosowania głównie w aplikacjach sterowania domową automatyką. Pojedyncza sieć Z-Wave może składać się z nie więcej niż 232 węzłów pracujących w sieciach o topologii kratowej (mesh) lub o topologii gwiazdy [2] Dash7 Dash7 jest stosunkowo nowym interfejsem radiowym, w porównaniu do wcześniej omawianych. Podstawą do stworzenia tego interfejsu jest standard ISO , poświęcony urządzeniom radiowym pracującym z bardzo niską mocą (low power RF). Dash7 pracuje w paśmie 433 MHz to skutkuje dobrą penetracją w zamkniętych obiektach, takich jak dom, lub w środowiskach o dużym poziomie wilgotności (np. monitoring pola uprawnego). Inną zaletą tego interfejsu radiowego jest jego stosunkowo duży zasięg w przypadku Dash7 zasięg jest skalowalny i można go zmieniać w zakresie od 10 m do 2000 m. Należy pamiętać, że nadajnik Dash7 pracuje z mocą wyjściową ok. 10 razy mniejszą niż chociażby dedykowany do zastosowań w ch sieciach sensorowych standard ZigBee. Tak znacząca redukcja mocy wyj-

8 86 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 70, wrzesień 2011 ściowej nadajnika w znacznym stopniu pozwala wydłużyć czas pracy pojedynczego węzła na jednej baterii. Ponadto stosunkowo duży zasięg upraszcza topologię sieci sensorowej, przez co można zrezygnować z węzłów pośredniczących między sensorem mierzącym określoną wartość fizyczną a punktem agregacji danych. Oczywiście, zgodnie z ISO , Dash7 dysponuje funkcjonalnością retransmisji danych z węzłów będących poza zasięgiem punktu zbiorczego (sink node). Dodatkowo standard ten dopuszcza możliwości transmisji danych na podstawie protokołu IPv6, co mimo pewnej obecnie trudności w implementacji IPv6 nie będzie bez znaczenia w najbliższej przyszłości. Szczególnie gdy weźmie się pod rozwagę przydzielenie przez IANA (Internet Assigned Numbers Authority) w lutym 2011 roku ostatnich grup adresów IPv4 poszczególnym RIR (Regional Internet Registry) oraz malejącą nieprzerwanie dostępną w RIR pulę adresów IPv4. Interfejs radiowy Dash7 wykorzystuje od 1 do 5 kanałów dyskretnych w paśmie częstotliwości 433,04 434,79 MHz (z modulacją FSK lub GFSK). Teoretyczna przepustowość interfejsu szacowana jest na poziomie 100 kbps, jednakże nominalna wartość jest kilkukrotnie mniejsza i wynosi 27,8 kbps zdaniem autorów jest to wartość wystarczająca w większości zastosowań WSN oraz RFID CyFi Interfejs CyFi jest szerokopasmowym m interfejsem radiowym pracującym w paśmie 2,4 GHz ISM, z wykorzystaniem technologii rozpraszania widma (DSSS). Przepustowość interfejsu wynosi od 125 kbps, 250 kbps lub 1 Mbps. Ważną cechą charakterystyczną tego interfejsu jest dynamiczne sterowanie mocą nadajnika, co w połączeniu z aktywnym zarządzaniem połączeniem pozwala na znaczące wydłużenie czasu pracy węzłów WSN wyposażonych w CyFi. Omawiany interfejs realizuje łączność w sieciach ch w topologii gwiazdy, składającej się z jednej stacji bazowej (huba) oraz do 250 węzłów. Według zapewnień producenta [5] CyFi umożliwia zestawienie połączeń LoS (Line of Sight) pomiędzy węzłami na odcinku do 1000 metrów (w zależności od warunków zewnętrznych) WiBro WiBro (Wireless Broadband) jest południowokoreańską modyfikacją standardu IEEE e (Mobile WiMax) umożliwiającą przezwyciężenie ograniczenia szybkości przemieszczania się węzłów ruchomych do 120 km/h, przy zapewnieniu relatywnie dużej szybkości transmisji danych sięgających Mbps w odległości do 5 km od stacji bazowej [6]. Interfejs ten, pomimo znacznej konsumpcji energii elektrycznej, może świadczyć usługi na potrzeby WSN jako punkt styku bezprzewodowej sieci sensorowej z centrami agregacji i przetwarzania danych pochodzących z WSN.

9 M. Waraksa, J. Żurek, R. Niski, Interfajsy radiowe w ch sieciach sensorowych 87 PODSUMOWANIE Bezprzewodowe sieci sensorowe znajdują zastosowanie w wielu nowych segmentach gospodarki, począwszy od aplikacji militarnych, poprzez wszelkiego rodzaju systemy monitoringu infrastruktury krytycznej, a skończywszy na zastosowaniach medycznych czy ochronie środowiska i innych. W związku z tym ważnym aspektem staje się dobranie odpowiednich interfejsów radiowych w taki sposób, aby z jednej strony zapewnić bezpieczną i sprawną łączność pomiędzy wszystkimi węzłami znajdującymi się w danej sieci sensorowej, a z drugiej strony trzeba pamiętać o ograniczonych zasobach energetycznych węzła co przekłada się m.in. również na dokładny dobór zastosowanych interfejsów radiowych. Autorzy zdają sobie sprawę, że nie zawarli informacji o wszystkich możliwych rozwiązaniach interfejsów radiowych, znajdujących zastosowanie w ch sieciach sensorowych część z nich jest dobrze znana Czytelnikowi (jak chociażby standardy WiFi, WiMax czy komórkowe technologie mobilne GSM/UMTS/HSPA/LTE, wykorzystywane czasami systemy łączności satelitarnej i inne), a część interfejsów i technologii ch jest rzadko bądź w ogóle niespotykana w WSN (np. łączność w paśmie IR). LITERATURA 1. Farahani S., ZigBee Wireless Networks and Transceivers, Elsevier Ltd Kourilchto M., Kohvakka M., Suhonen J., Hamalainen P. i inni, Ultra-Low Energy Wireless Networks in Practice: Theory, Realization and Deployment, John Wiley & Sons Ltd., Ludwin W., Bluetooth nowoczesny system łączności bezprzewodowej, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków Networked Embedded Systems, ed. R. Zureawski, CRC Press, Boca Raton, Florida RADIO INTERFACES IN WIRELESS SENSOR NETWORKS Summary In connection with constantly growing popularity of the Wireless Networks (WSN, growing number of their applications and technical solutions designed for WSN, in this paper the authors are presenting radio interfaces commonly used in the WSN. Some of their modification and adaptations are also described, to show wide verity of the radio technologies used on daily basis in different WSN implementations designed for different purposes.