Szenzorhálózatok IEEE ZigBee Jövő, kitekintés ( )

Átírás

1 Szenzorhálózatok IEEE ZigBee Jövő, kitekintés ( ) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25, vidacs@tmit.bme.hu Vezetéknélküli szabványok Market Name Standard GPRS/GSM 1xRTT/CDMA Wi-Fi b Bluetooth ZigBee Application Focus Wide Area Voice & Data Web, , Video Cable Replacement Monitoring & Control System Resources 1MB+ 16MB+ 250KB+ 4KB - 32KB Battery Life (days) ,000+ Network Size / 65,000 Bandwidth (KB/s) , Transmission Range (meters) 1, Success Metrics Reach, Quality Speed, Flexibility Cost, Convenience Reliability, Power, Cost 1

2 Vezetéknélküli szabványok WWAN IEEE IEEE távolság WMAN WLAN WPAN ZigBee c Bluetooth WiMax IEEE WiFi c adatsebesség (Mbps) IEEE szabványosítás IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE-SA = IEEE Standards Association Information Technology Working Group Area LAN/MAN Standards Committee (802 LMSC) Munkacsoportok (Working Groups, 802.x) 2

3 IEEE 802 WGs IEEE LAN/MAN aktív szabványosítási munkacsoportok Higher Layer LAN Protocols Working Group Ethernet Working Group Wireless LAN Working Group Wireless Personal Area Network (WPAN) WG Broadband Wireless Access Working Group Resilient Packet Ring Working Group Radio Regulatory TAG Coexistence TAG Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) WG Media Independent Handoff Working Group Wireless Regional Area Networks IEEE WG for WPAN Személyi hálózatok (PAN) és rövid távolságú vezetéknélküli hálózatok szabványosítása. Hordozható, mobil eszközök (pl. PDA, mobiltelefon, PC, személyhívó,...) vezetéknélküli hálózata. Együttműködés, egymás mellett élés. 3

4 IEEE WG TGs TG1: Bluetooth WPAN TG2: Coexistence TG WPAN (802.15) és WLAN (802.11) együttélése Modell a kölcsönös interferencia számszerű meghatározására TG3: High Rate TG >20 Mbps WPAN szabvány (MAC, PHY rétegek) TG3a: WPAN High Rate Alternative TG (visszavonva!) TG3b: MAC Amandment TG TG4: Low Rate (LR) TG Alacsony sebeség, nagyon kis komplexitás, hosszú élettartam TG4a: Alternative PHY TG helymeghatározási képesség (~1m!); áteresztőképesség javítás; ultra-alacsony fogyasztás; skálázható adatsebesség és rádiós sugár TG4b: IEEE javítása TG4 IEEE , LR-WPAN szabvány Igények: egyszerű, rugalmas protokoll nagyon olcsó vezetéknélküli kapcsolat kis átviteli igény (throughput) korlátozott energia kis adatközlési távolság hosszú élettartam elemről 4

5 LR-WPAN tulajdonságok Adatsebesség: 250 kbps, 40 kbps és 20 kbps Csillag vagy peer-to-peer topológia Dinamikus címzés 16 bites rövid, vagy 64 bites kiterjesztett címzés Kis késleltetésű alkalmazások támogatása garantált időrések (GTS) allokálása CSMA-CA csatornahozzáférés Teljesen nyugtázott protokoll a megbízhatóságért alacsony energiafelhasználás energia felderítés (ED) linkminőség jelzés (LQI) 16 csatorna a 2.4 GHz-es sávban, 10 csatorna a 915 MHz-es sávban és 1 csatorna a 868 MHz-es sávban réteg-architektúra Upper Layers IEEE LLC Other LLC IEEE MAC IEEE /915 MHz PHY IEEE MHz PHY 5

6 eszközök LR-WPAN eszközök és komponensek teljes funkcionalitású (FFD Full-Function Device) 3 működési mód: PAN koordinátor, koordinátor, eszköz RFD-vel és FFD-vel is képes kommunikálni csökkentett funkcionalitású (RFD Reduced-Function Device) nagyon egyszerű (pl. villanykapcsoló, passzív szenzor) nem küld sok adatot csak FFD-vel tud kommunikálni tipikusan egy FFD-hez rendelt eszköz nem lehet koordinátor Az eszközök közül legalább egy FFD a WPAN koordinátora toplógiák Csillag topológia PAN koordinátor Master/slave Full function device Reduced function device 6

7 topológiák Peer-to-peer topológia pont-pont kapcsolat klaszter fa Full function device topológiák Kombinált topológia Pl: Egy szálloda minden szobájában egy csillag topológia, a szobák között klaszter node-okkal. Full function device Reduced function device 7

8 hálózatépítés A hálózatépítés a hálózati réteg feladata, a szabvány nem tárgyalja részletesen. Csillag topológia kialakítása: Egy FDD bekapcsolás után felállíthatja a saját hálózatát (PAN), és a PAN koordinátorává válhat. Az új hálózat a többi már létező hálózattól függetlenül működhet. Minden hálózatnak saját ID-je van. Az ID alapján csatlakozhatnak FFD és RFD eszközök. Peer-to-peer topológia kialakítása: p2p esetben minden eszköz képes kommunikálni a rádiósugarában lévő node-okkal. Valahogyan egy PAN koordinátort kell választani hálózatépítés (folyt) Klaszter fa Az FFD eszközök a fa csomópontjai. A fához csatlakoztathatunk RFD eszközöket is, de ezek csak FFD-hez kötődhetnek, és hozzájuk nem kötődik senki. (levelek a fában) Bármelyik FFD elláthat koordinációs feladatokat (pl. szinkronizálás az eszközei között), de ezek közül csak egy lehet PAN koordinátor. Klaszter fa kiépítése Az első klasztert a PAN koordinátor alakítja ki. Magát klasztervezérlőnek (CLH) hírdeti egy klaszter azonosító (CID=0) értékklel. Beacon kereteket küld a szomszédainak. A beacon-t vevő eszközök kérhetik felvételüket a klaszterbe. Ha egy eszközt felvesznek a fába, ő maga is elkezd beacon kereteket küldeni. A PAN koordinátor utasíthat egy eszközt, hogy legyen CLH. 8

9 klaszter fa példa MAC alréteg MAC alréteg szolgáltatásai: MAC adat szolgáltatás MAC protokol adategységek (PDU) fogadása és vétele a PHY adat szolgáltatás használatával. MAC menedzsment szolgáltatás beacon menedzsment csatornahozzáférés GTS menedzsment nyugtázás keret hitelesítés (ellenőrzés) 9

10 MAC primitívek MAC adat szogáltatás MCPS-DATA adatcsomagok cseréje PHY és MAC között MAC menedzsment szolgáltatás MLME-ASSOCIATE/DISASSOCIATE hálózat hozzárendelés MLME-SYNC / SYNC-LOSS eszköz szinkronizáció MLME-SCAN rádiócsatornák szkennelése MLME-GET / -SET MAC PIB paraméterek lekérése, állítása MLME-START / BEACON-NOTIFY beacon menedzsment MLME-POLL beacon nélküli szinkronizálás MLME-GTS - GTS menedzsment MLME-ORPHAN - árva eszköz menedzsmentje MLME-RX-ENABLE rádió engedélyezése/tiltása MAC superframe A szabvány lehetővé teszi opcionális szuperkeretek (SF -superframe) alkalmazását. Az SF formátumát a koordinátor határozza meg. Az SF 16 időrésből áll, minden keret első időrése a beacon. A beacon szerepe: szinkronizáció, PAN azonosító, SF típusának leírása. Ha a koordinátor nem akar SF-et használni, nem küld beacon-t. Az SF időréseiért az állomások versengenek. (CSMA-CA) 10

11 MAC superframe Kis késleltetésigényű alkalmazások számára garantálható fix időrés az SF-en belül. GTS garantált időrés (Guaranteed Time Slot) A GTS mindig az aktív SF végén helyezkedik el adatátvitel 3 féle adatátviteli tranzakció: eszköz -> koordinátor koordinátor -> eszköz eszköz -> eszköz (peer-to-peer) Az adatküldési mechanizmus függ attól, hogy használe a hálózat szuperkereteket. 11

12 adatátvitel Adatküldés koordinátornak, ha van beacon: Az eszköz figyeli a beacon-t Ha megvan, szinkronizálódik az SF-hez A megfelelő időben CSMA-CA algoritmussal elküldi azadatot A koordinátor opcionálisan nyugtázhatja a vételt adatátvitel Adatküldés koordinátornak, ha nincs beacon Az eszköz réseletlen CSMA-CA algoritmussal elküldi a csomagot a koordinátornak. Opcionálisan a koordinátor nyugtázza azt. 12

13 adatátvitel Adatküldés a koordinátortól, ha van beacon A koordinátor jelzi a beacon-ben, ha egy eszköz számára szeretne adatot küldeni. Ha az eszköz veszi a beacon-t, egy lekérés üzenetet küld. (réselt CSMA-CA) A koordinátor nyugtázhatja az adatkérés sikeres vételét. A koordinátor réselt CSMA-CA módon elküldi az adatot. Az eszköz nyugtázza a vett adatot adatátvitel Adatküldés koordinátortól, ha nincs beacon. A koordinátor vár, amíg az eszköz magától nem jelentkezik. Az eszköz egy adatkérés csomagot küld. A koordinátor nyugtázza a kérést. Ha van adat, elküldi azt. Ha nincs, nulla hosszú adatcsomaggal közli, hogy nincs adat. Az eszköz a sikeres adatvételt nyugtázza. 13

14 adatátvitel Peer-to-peer adatküldés p2p esetben mindenki mindenkivel beszélhet. A szinkronitáshoz vagy állandóan figyelniük kell, vagy valamilyen módon szinkronizációra van szükség. Réseletlen CSMA-CA módon kommunikálhatnak. A szinkronizációt a szabvány nem tárgyalja MAC keretképzés MAC kerettípusok: adat beacon nyugta (ACK) MAC parancs (command) 14

15 és ZigBee Application API Security 32- / 64- / 128-bit encryption Network Star / Mesh / Cluster-Tree MAC PHY 868MHz / 915MHz / 2.4GHz Customer ZigBee Alliance IEEE szoftver Hálózati, alkalmázi rétegek, biztonsági kérdések Márka (brand) menedzsment IEEE hardver Fizikai réteg, MAC alréteg Silicon Stack App ZigBee A specifikációk menedzselése Globális konzorcium: OEMs, IC szállítók, tech vállalatok Eszköz specifikáció, hálózat és szolgáltatás összerendelés Csillag, szövevényes és klaszter-fa hálózatok specifikálása A felhasználó választhat optimális megoldást (ár, megbízhatóság, energiaszükséglet) Biztonsági kérdések menedzsmentje 32-, 64- & 128-bites AES kódolás ( ) Alkalmazás profilok és márka Termékek és alkalmazások kompatibilitásának biztosítása (pl., AMR & DSM) 15

16 Kitekintés Technológiai újdonságok MEMS Mikro elektro-mechanikus rendszerek Pl. gyorsulásmérők (giroszkóp), nyomásmérők Beavatkozók (aktuátorok), motorok 16

17 Technológiai újdonságok NEMS Nanotechnológiai elektro-mechanikus rendszerek Mint a MEMS, csak kisebb Top-down: Készítsünk kicsi eszközöket, amelyek képesek még kisebb eszközöket készíteni Bottom-up: Molekuláris szintről kezdjünk építkezni a kívánt bonyolultság eléréséig. Technológiai újdonságok Nanorádió Rádió adó-vevő a nanométeres nagyságrendben. Egyelőre csak vevő (2007. október, Alex Zettl, Berkeley), szén nanocső 17

18 Technológiai újdonságok Mikrogépek Technológiai újdonságok Nanobioszenzorok A nanotechnológia egy ága, biológiai vagy biokémiai rendszereket követve Pl. mint az érzékszervi receptorok Pl. illatok érzékelése, mesterséges orr 18

19 Technológiai újdonságok Mikoelemek Az elektródák felülete megnövelhető 400µm magas tüskék, 20µm rácstávolsággal Nukleáris mikroelemek Ni-63 radioaktív izotóp ~100 év felezési idő, több évtizedes élettartam Egy kis konzolt mozgat, piezoelektromos átalakítás Technológiai újdonságok Nukleáris mikroelemek Ni-63 radioaktív izotóp ~100 év felezési idő, több évtizedes élettartam Egy kis konzolt mozgat, piezoelektromos átalakítás 19

20 Smart Dust Projekt a Berkeley-n A cél egy milliméter nagyságrendű, érzékelésre és kommunikációra képes szenzor mót megtervezése. A kommunikáció optikai (lézer diódák) Állítható tükök segítségével bármilyen irányban képes kommunikálni (pásztázva az irányokat) Smart Dust mote 20

21 (Bio)orvosi alkalmazhatóság Implantált gyógyszer adagolók Szenzorok a véráramban Mikro-sebészet Pl. mesterséges retina Felvetések Valósidejű szenzoradatok + VR (virtuális valóság) Pl. látható hőmérséklet Mögöttes technológia az ambiens intelligenciához (AmI) Google a fizikai világban Játékok 21

22 Nagyfeladatok Feladat: Feladatonként perces bemutató Demo + fóliák Írásbeli beszámoló (akár a fóliák kibővítése kommentekkel) esetleges forráskódok Bemutatók időpontjai: május 8., május 15. Sikeres feladatbeadás az aláírás megszerzésének követelménye ((Pótbeadás a viszgaidőszak első hetében, előre egyeztetett időpontban)) 22