Systemy i Sieci Radiowe

Systemy i Sieci Radiowe Wykład 10 Systemy sieci osobistych i domowych. IrDA Program wykładu Bluetooth HomeRF ZigBee UWB 1

Sieci bezprzewodowe Rodzina standardów IEEE IEEE 802.xx 802.1 (WLAN) 1 802.15 (WPAN) 802.16 (WMAN) 802.20 (MBWA) bezprzewodowe sieci lokalne bezprzewodowe sieci osobiste bezprzewodowe sieci metropolitalne bezprzewodowe sieci ruchome Sieci bezprzewodowe Rodzina standardów IEEE 802.15 IEEE 802.15 (WPAN) 802.15.1 802.15.2 802.15.3 WPAN (w oparciu o Bluetooth ver. 1.1) współistnienie WPAN i WLAN WPAN duże przepływności ( > 20 Mbit/s) 802.15.4 WPAN małe przepływności (do 250kbit/s) 2

Łączność na podczerwień technologia najpopularniejsza i najbardziej rozpowszechniona rodzina trzech standardów: IrDA-D, IrDA-C, AIR w standardzie IEEE 802.11 jeden z typów warstwy fizycznej przewidziany jest do transmisji wykorzystującej łączność na podczerwień Łączność na podczerwień Rodzina standardów IrDA IrDA IrDA-C IrDA-D AIR transmisja komend oraz sygnałów sterowania i kontroli alternatywa dla połączeń kablowych między urządzeniami wejścia wyjścia transmisja danych na bardzo małe odległości (1m) połączenie typu punkt-punkt przepływności bitowe 115kbit/s 4Mbit/s prace nad zwiększeniem przepływności do 16Mbit/s standard transmisji danych umoŝliwia transmisję typu wielopunkt wielopunkt maksymalna przepływność zmienna, zaleŝna od zasięgu (od 250kbit/s przy 8m do 4Mbit/s przy 4m) 3

Zalety standardu IrDA prosta i tania implementacja mały pobór mocy połączenia bezpośrednie typu punkt-punkt wydajny i pewny transfer danych Ograniczenia standardu IrDA komunikacja tylko między dwoma urządzeniami konieczna bezpośrednia widoczność urządzeń (maksymalny kąt 30 ) ograniczony zasięg - do 2m. Brak szyfrowania - niezbyt bezpieczne połączenie 4

Główne wymagania stawiane interfejsowi Bluetooth zasięg ogólnoświatowy obsługa przesyłu dźwięku oraz danych małe rozmiary małe zużycie energii Dokumenty standardu Bluetooth Specyfikacje główne (Core specifications) Szczegółowe zdefiniowanie poszczególnych warstw architektury protokołu Bluetooth Specyfikacje profili zastosowań (Profile specifications) Zdefiniowanie wykorzystania technologii Bluetooth do obsługi różnych zastosowań 5

Bluetooth uniwersalny interfejs radiowy pracujący w pasmie ISM 1994 inicjatywa stworzenia tanich energooszczędnych interfejsów radiowych między telefonami komórkowymi i ich akcesoriami 1998 - zawiązanie Bluetooth SIG (Special Interest Group) maksymalna przepływność 1Mbit/s zasięg 10m, możliwość zwiększenia do 100 m komunikacja poprzez sieci ad hoc, automatyczne połączenie między urządzeniami i ich synchronizacja główne jednostki organizacyjne to piconet oraz scatternet Bluetooth SIG Bluetooth Special Interest Group (BSIG) Uformowana w maju 1998 9 członków założycieli ~100 firm stowarzyszonych (Associate Companies) ~2000 firm dołączonych (Adopter Companies) Na początku twór wirtualny Zmieniony w ciało typu non-profit Główny cel kontrola jakości 6

Przewaga Bluetooth nad IrDA możliwa komunikacja między więcej niż dwoma urządzeniami (pikonet i scatternet) łączność radiowa => brak konieczności bezpośredniej widoczności komunikujących się urządzeń zasięg podstawowy do 10m, możliwe rozszerzenie nawet do 100m przy użyciu wzmacniacza komunikujące się urządzenia mogą być w ruchu Pikonet i scatternet pikonet tworzą wszystkie urządzenia należące do jednego połączenia Pikonet 1 w pikonecie aktywnych może być do 8 urządzeń (1 stacja nadrzędna oraz 7 podrzędnych) Scatternet master Pikonet 2 slave maksymalnie 10 pikonetów o pokrywających się zasięgach tworzą scatternet 7

Pikonet i scatternet urządzenie może należeć do różnych pikonetów i stosować podział czasowy urządzenia nie uczestniczące w danym pikonecie znajdują się w trybie standby adresy w pikonecie Active Member Address (AMA, 3-bitowy) Parked Member Address (PMA, 8-bitowy) Urządzenia mogą występować w różnych pikonetach Rola urządzenia typu master domyślnie jako master traktowane jest urządzenie, które założyło daną sieć master przydziela urządzeniom typu slave unikalny numer identyfikacyjny i zegar numer identyfikacyjny (48-bit) wpływa na wzór skakania po częstotliwościach zegar decyduje o fazie przy skakaniu po częstotliwościach decyduje o tym, na który kanał urządzenie może wysyłać dane decyduje o tym, które urządzenie może wysłać dane nawiązuje połączenia z innymi pikonetami jeśli znajduje się w scatternecie 8

Bluetooth - struktura warstw (1/2) Applications TCP/IP HID RFCOMM Data Control Oprogramowanie L2CAP Audio Link Manager LMP Baseband RF Moduły sprzętowe Bluetooth - struktura warstw (2/2) Applications TCP/IP HID RFCOMM Data L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Control LMP Applications zapewnienie niezbędnego oprogramowania protokołów dla systemu (TCP/IP, HID, RFCOMM) Control inicjacja połączenia, umoŝliwienie wymiany danych L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) kontrola połączeń, utrzymanie protokołu wyŝszego poziomu; multipleksowanie, segmentacja i składanie pakietów Link Manager konfiguracja połączeń, potwierdzanie autentyczności Baseband zapewnienie odpowiednich procedur akwizycji danych i dźwięku; przetwarzanie sygnałów i dostosowanie sygnałów sterujących do postaci akceptowanej przez moduł radiowy RF 9

Bezpieczeństwo danych frequency hopping - szybkie skakanie po częstotliwościach (79 kanałów) mała moc transmitowana (zasięg <= 10m) procedura challenge-response używana w celu autentykacji oparta na specjalnym 128-bitowym kluczu może być stosowana w obu kierunkach możliwa zmiana w trakcie transmisji szyfrowanie strumienia danych inicjalizacja połączenia przez użytkownika osobisty numer PIN Bluetooth - bezpieczeństwo Podłączenie do urządzenia Bluetooth wymaga PIN PIN należy do urządzeania, a nie do usługi Dobre rozwiązanie dla osobistych urządzeń jednousługowych (np. zabezpieczenie telefonów komórkowych przed dialerami) Problem dla urządzeń/aplikacji typu adhoc Wymagany PIN dla każdego urządzenia Uzyskiwanie dostępu do wszystkich usług na urządzeniu Niezbędny wyższy poziom bezpieczeństwa i bez kodu PIN Wymagana interwencja użytkownika FTP, więc PIN niepotrzebny W sieci adhoc PAN występowanie kodu PIN ogranicza roaming Obsługa kart kredytowych powinna być przesunięta do obiektu docelowego 10

Klasy nadajników Bluetooth Class 1: moc wyjściowa 100 mw Obowiązkowa kontrola mocy transmitowanej Największe zasięgi Class 2: maksymalna moc wyjściowa 2.4 mw Opcjonalna kontrola mocy transmitowanej Class 3: moc nominalna 1 mw Najmniejsza moc, najmniejsze zasięgi Wykorzystanie pasma Możliwe synchroniczne i asynchroniczne tryby transmisji Kanał do transmisji mowy 64 kbit/s asynchroniczny kanał do transmisji danych symetryczny 2*432,6kbit/s asymetryczny 721 + 56,6 kbit/s pojedynczy kanał wykorzystujący całe pasmo 1Mb/s przygotowywany kanał 16Mb/s 11

Skakanie po częstotliwościach W paśmie ISM znajduje się wiele zakłóceń od różnych urządzeń ochrona przed tymi zakłóceniami - frequency hopping system FH dzieli pasmo kanały, każdy dzielony jest na 625µs sloty 2483.5 MHz 2480.5 MHz Częstotliwość Częstotliwość skoków 1600 razy na sekundę duża szybkość skoków Połączenie bardzo odporne na zakłócenia 2401.5 MHz 2400.0 MHz 625µ s Czas Skakanie po częstotliwościach Całe pasmo dzielone na kanały 1 MHz Skakanie odbywa się z wykorzystaniem sekwencji pseudolosowej Sekwencja skoków wspólna dla wszystkich urządzeń w pikonecie Dostęp do pikonetu: Urządzenia Bluetooth stosują podział czasowy (TDD) Technika wielodostępu - TDMA FH-TDD-TDMA 12

Pola pakietu Bluetooth Kod dostępu wykorzystywany do synchronizacji czasowej, kompensacji przesunięcia, procedur page i inquiry Nagłówek wykorzystywany do identyfikacji typu pakietu i przesyłania informacji kontrolnych Zawartość zawiera (ewentualny) nagłówek oraz dane lub pakiety głosowe Kody dostępu Typy kodów Channel access code (CAC) identyfikuje pikonet Device access code (DAC) wykorzystywany do procedury page Inquiry access code (IAC) wykorzystywany do procedury inquiry Struktura kodu Preambuła wykorzystywana do kompensacji DC 0101 jeśli LSB słowa synchronizacji wynosi 0 1010 jeśli LSB słowa synchronizacji wynosi 1 Słowo synchronizacji 64 bity: 7-bitowa sekwencja kodów Barkera Dolna część adresu LAP Sekwencja pseudolosowa PN Element końcowy 0101 jeśli MSB słowa synchronizacji wynosi 1 1010 jeśli MSB słowa synchronizacji wynosi 0 13

Schematy korekcji błędów 1/3 rate FEC Używany z 18-bitowym nagłówkiem, pole pakietu głosowego w pakiecie HV1 Proste powtórzenie pakietu (pakiety SCO) 2/3 rate FEC Używany w pakietach DM, polach danych pakietów DV, pakiecie sekwencji FHS i pakietach HV2 skrócony kod Hamminga ARQ Używany w pakietach DM i DH 16-bitowy CRC i 1-bitowy ACK/NACK 1-bitowy numer sekwencji Elementy schematu ARQ Detekcja błędów urządzenie docelowe detekuje błędy i pomija pakiety Potwierdzenie urządzenie docelowe zwraca potwierdzenie odebrania pakietu Retransmisja urządzenie źródłowe dokonuje retransmisji jeśli pakiet nie jest potwierdzony Potwierdzenie negatywne i retransmisja urządzenie docelowe zwraca negatywne potwierdzenie odbioru pakietów z błędami, urządzenie docelowe retransmituje pakiet 14

Kontrola kanału Stany urządzeń w pikonecie podczas tworzenia i utrzymywania połączeń Główne stany Standby stan domyślny Connection urządzenie połączone Stany przejściowe przy dodawaniu urządzeń Page wysyła urządzenie (stosowane przez mastera) Page scan urządzenie nasłuchuje page Master response master odbiera odpowiedź na procedurę page ze slave a Slave response slave odpowiada na procedurę page z mastera Inquiry urządzenie wysyła inquiry dla identyfikacji urządzeń w zasięgu Inquiry scan urządzenie nasłuchuje na inquiry Inquiry response urządzenie odbiera odpowiedź na procedurę inquiry Funkcjonalny schemat połączenia Standby urządzenie czeka na podłączenie się do pikonetu Inquiry pytanie o urządzenia, z którymi można się połączyć Page połączenie z danym urządzeniem Connected Urządzenie aktywne w pikonecie Park/Hold/Sniff urządzenie połączone, niski pobór mocy (tryby oszczędzania energii) Unconnected Standby Connecting States Active States Low Power States Disconnect Transmit data Inquiry PARK Standby T typical=2s Connected Page T typical=0.6s T typical=2 ms T typical=2 ms T typical=2 ms SNIFF HOLD 15

Procedura Inquiry Master identyfikuje urządzenia w zasięgu, które chcą uczestniczyć w pikonecie Transmisja pakietu ID z kodem IAC Występuje w stanie inquiry Urządzenia odbierają inquiry Wchodzą w stan Inquiry Response Zwracają pakiet FHS z adresem i informacją czasową Przechodzą do stanu page scan Procedura Page Master wykorzystuje adresy urządzeń do obliczenia sekwencji FH Master wykonuje procedurę page z pakietem ID i kodem urządzenia DAC konkretnego slave a Slave odpowiada pakietem ID DAC Master odpowiada pakietem ze swoją FHS Slave potwierdza odbiór z DAC ID Slave przechodzą to stanu Connection 16

Tryby w stanie Connection Active uczestniczy w pikonecie Nasłuchuje, nadaje i odbiera pakiety Sniff tylko nasłuchiwanie w konkretnych szczelinach czasowych Hold nie ma możliwości transmisji pakietów ACL Stan obniżonego poboru mocy Może uczestniczyć w transmisji w trybie SCO Park nie uczestniczy w pikonecie Ciągle jest traktowane jako część pikonetu Typy transmisji Synchronous connection oriented (SCO) Deklarowane stałe pasmo dla połączenia typu punkt punkt pomiędzy urządzeniami master i slave Utrzymanie łącza należy do urządzenia typu master z wykorzystaniem zarezerwowanych szczelin Master może obsłużyć trzy równoległe łącza Symetryczne 64 Kbps łącze typu full-duplex Asynchronous connection less (ACL) Połączenie typu punkt wielopunkt pomiędzy urządzeniem master a urządzeniami slave Może występować tylko jedno łącze ACL Komutacja pakietów Pasmo asymetryczne, zmienny rozmiar pakietu (1,3, lub 5 szczelin) max. 721 kbps (57.6 kbps w kanale zwrotnym) 108.8-432.6 kbps (symetryczne) 17

Zasilanie Niski pobór mocy Prąd w stanie Standby < 0.3 ma Þ 3 miesiące Prąd w trybie Voice 8-30 ma Þ 75 godzin Prąd w trybie Data średnio 5 ma (0.3-30mA, 20 kbit/s, 25%) Þ 120 godzin Architektura Programowalna długość danych Hold i Park - 60 µa Urządzenia połączone ale nie uczestniczące Hold utrzymuje adres AMA, Park zwalnia AMA i uzyskuje adres PMA Architektura protokołów Bluetooth (1/2) Bluetooth architektura warstwowa Protokoły główne Protokoły zastępowania połączeń kablowych i obsługi telefonii Protokoły stowarzyszone Protokoły główne Radio Baseband Link manager protocol (LMP) Logical link control and adaptation protocol (L2CAP) Service discovery protocol (SDP) 18

Architektura protokołów Bluetooth (2/2) Protokół zastępowania połączeń kablowych RFCOMM Protokół obsługi połączeń telefonicznych Telephony control specification binary (TCS BIN) Protokoły stowarzyszone PPP TCP/UDP/IP OBEX WAE/WAP Protokoły Bluetooth WAE WAP vcard/vcal OBEX Audio HID TCP/UDP RFCOMM Service Discovery IP TCS L2CAP Host Controller Interface - Bluetooth Specific - Reused Spec - Modified 19

Integracja ze środowiskami programistycznymi współpraca z pakietem Jini Javy pozwala komunikować się urządzeniom podłączonym Jini do sieci, niezależnie od sprzętu i oprogramowania wykorzystywany mechanizm zdalnego wywołania procedur (RMI) na bazie sieci radiowej Bluetooth Jini jest przystosowany do pracy na urządzeniach podręcznych i domowego użytku urządzenie reprezentowane jest przez obiekt z odpowiednim zestawem właściwości i metod Bluetooth i Jini warunki współpracy konieczne utworzenie sieci w celu nawiązania komunikacji konieczne nawiązanie odpowiedniego protokołu konieczne uruchomienie JVM na danym urządzeniu konieczne posiadanie pamięci do przechowywania klas JDK konieczne sprzętowe zaimplementowanie serwisu Jini 20

Zakresy stosowania Bluetooth Landline Punkty dostępowe dane/głos Zastępowanie połączeń kablowych Osobiste sieci Ad-hoc Bluetooth - główne zastosowania bezprzewodowy dostęp do internetu z przenośnych komputerów za pośrednictwem telefonu komórkowego bezprzewodowe wprowadzanie danych odebranych przy pomocy telefonu do komputerów przenośnych bezprzewodowa transmisja danych między komputerami bezprzewodowe połączenia z urządzeniami peryferyjnymi przenośne bezprzewodowe dyski twarde bezprzewodowe zestawy słuchawkowe do telefonów komórkowych zintegrowane sterowanie sprzętem powszechnego użytku 21

Kierunki rozwoju profili Bluetooth Interfejsy radiowe drugiej genaracji Sieci PAN Wewnątrz i dookoła samochodu Ponawianie połączeń Human Interface Devices (HID) Audio/wideo Interferencje i współoperowanie w pasmie ISM Drukowanie Obrazy nieruchome Rozszerzony protokół SDP Usługi lokalizacyjne UDI HomeRF Kombinacja standardu bezprzewodowej sieci lokalnej oraz telefonii bezsznurowej z możliwościami strumieniowania mediów Alternatywa dla standardu 802.11 przy potencjalnych problemach z interferencjami Maksymalna przepływność danych 10Mbit/s Możliwość jednoczesnej realizacji do 6 połączeń rozmównych Standard zaprojektowany specjalnie dla domu przyszłości z szerokopasmowym dostępem do Internetu 22

Przykładowy podział zastosowań technologii bezprzewodowych ZigBee ZigBee Alliance stowarzyszenie dedykowane do współpracy w tworzeniu specyfikacji IEEE 802.15.4 802.15.4 prosty protokół transmisji danych dla sieci o małej przepustowości, dedykowany dla transmisji danych telemetrycznych i kontrolnych Zoptymalizowany pod względem mocy i żywotności baterii Wspiera konfigurację sieci rozproszonej DSSS Trzy pasma, 27 kanałów 868.3 MHz 1 kanał 20 Kb/sec 902-28 MHz 10 kanałów 40 Kb/sec 2.4 GHz 16 kanałów 250 Kb/sec 23

Zigbee - zastosowania Model warstwowy Zigbee APPLICATION PROFILE & Potential Applications Security APPLICATION FRAMEWORK Zigbee Alliance NETWORK LAYER IEEE 802.15.4 MAC LAYER PHY LAYER 24

Model sieci ZigBee ZigBee Coordinator (FFD) ZigBee Router (FFD) ZigBee End Device (RFD or FFD) Mesh Link Star Link Cechy protokołu ZigBee Topologia Master/slave Automatyczna konfiguracja sieci Dynamiczny przydział adresów slave Wirtualne sieci P2P Pełny handshaking dla transferu pakietów Zarządzanie mocą Do 254 (+ master) węzłów sieci 25

Cechy protokołu ZigBee cd. CSMA-CA Ramka 15ms Alokacja szczelin TDMA Przepływności 28kbps & 250kbps SDP ZigBee - zasięgi 250kbps 28kbps 0dBm 10dBm 20dBm 13 29 66 23 54 134 26

ZigBee Alliance Założyciele Uczestnicy Sieci bezprzewodowe Systemy ultraszerokopasmowe UWB Systemy pracujące w oparciu o specyfikację IEEE 802.15.3a Zalety UWB Duże szybkości transmisji Mały pobór mocy Transfer danych do 1 Gbps, zasięg 10-20 metrów Transmisja impulsowych sygnałów małej mocy o bardzo szerokim pasmie OFDM lub DSSS Zastosowania - technologia WPAN dla różnych zastosowań Środowisko domowe: PC - TV, DVD - TV, PC - HiFi Środowisko uliczne: transfer danych w samochodach, informacja drogowa, systemy przywoławcze W biznesie: systemy przemysłowe, systemy nadzoru i kontroli Spodziewany wzrost do 6 milionów węzłów UWB do roku 2007 27