Szenzorhálózatok Szabványok (2007.04.16) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25, vidacs@tmit.bme.hu Tartalom Vezetéknélküli szabványok, lehetőségek IEEE 802.15.4 + ZigBee IEEE 1451 (IETF) 1
Vezetéknélküli szabványok Market Name Standard GPRS/GSM 1xRTT/CDMA Wi-Fi 802.11b Bluetooth 802.15.1 ZigBee 802.15.4 Application Focus Wide Area Voice & Data Web, Email, Video Cable Replacement Monitoring & Control System Resources 1MB+ 16MB+ 250KB+ 4KB - 32KB Battery Life (days) 1-7.5-5 1-7 100-1,000+ Network Size 1 32 7 255 / 65,000 Bandwidth (KB/s) 64-128+ 11,000+ 720 20-250 Transmission Range (meters) 1,000+ 1-100 1-10+ 1-100+ Success Metrics Reach, Quality Speed, Flexibility Cost, Convenience Reliability, Power, Cost Vezetéknélküli szabványok WWAN IEEE 802.22 IEEE 802.20 távolság WMAN WLAN WPAN ZigBee 802.15.4 15.4c Bluetooth 802.15.1 WiMax IEEE 802.16 WiFi 802.11 802.15.3 802.15.3c 0.01 0.1 1 10 100 1000 adatsebesség (Mbps) 2
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) IEEE 802 WGs IEEE LAN/MAN aktív szabványosítási munkacsoportok 802.1 Higher Layer LAN Protocols Working Group 802.3 Ethernet Working Group 802.11 Wireless LAN Working Group 802.15 Wireless Personal Area Network (WPAN) WG 802.16 Broadband Wireless Access Working Group 802.17 Resilient Packet Ring Working Group 802.18 Radio Regulatory TAG 802.19 Coexistence TAG 802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) WG 802.21 Media Independent Handoff Working Group 802.22 Wireless Regional Area Networks 3
IEEE 802.15 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. IEEE 802.15 WG TGs 802.15.TG1: Bluetooth WPAN 802.15.TG2: Coexistence TG WPAN (802.15) és WLAN (802.11) együttélése Modell a kölcsönös interferencia számszerű meghatározására 802.15.TG3: High Rate TG >20 Mbps WPAN szabvány (MAC, PHY rétegek) TG3a: WPAN High Rate Alternative TG (visszavonva!) TG3b: MAC Amandment TG 802.15.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-802.15.4-2003 javítása 4
802.15.TG4 IEEE 802.15.4-2006, LR-WPAN szabvány Igények: egyszerű, rugalmas protokoll nagyon olcsó vezetéknélküli kapcsolat kis átviteli igény (throughput) korlátozott energia kis adatközlési távolság hosszú élettartam elemről 802.15.4 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 5
802.15.4 réteg-architektúra Upper Layers IEEE 802.2 LLC Other LLC IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY IEEE 802.15.4 2400 MHz PHY 802.15.4 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. 6
802.15.4 - toplógiák Csillag topológia PAN koordinátor Master/slave Full function device Reduced function device 802.15.4 - topológiák Peer-to-peer topológia pont-pont kapcsolat klaszter fa Full function device 7
802.15.4 - topológiák Kombinált topológia Pl: Egy szálloda minden szobájában egy csillag topológia, a szobák között klaszter node-okkal. Full function device Reduced function device 802.15.4 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. 8
802.15.4 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. 802.15.4 klaszter fa példa 9
802.15.4 fizikai réteg Frekvenciasávok, csatornakiosztás: 868MHz / 915MHz PHY Channel 0 Channels 1-10 2 MHz 2.4 GHz PHY 868.3 MHz 902 MHz 928 MHz (csak Európa) (csak Észak-Amerika) Channels 11-26 5 MHz 2.4 GHz 2.4835 GHz Dinamikus csatornaválasztás célszerű 802.15.4 fizikai réteg - moduláció 2.4 GHz 250 kbps (4 bit/szimbólum, 62.5 kbaud) 16-os ortogonális adat moduláció 16 szimbólum a 32-chip-es PN kódok ortogonális halmaza Chip moduláció: MSK, 2.0 Mchip/szek 868MHz/915MHz Szimbólumsebesség 868 MHz sáv: 20 kb/s (1 bit/szimbólum, 20 kbaud) 915 MHz sáv: 40 kb/s (1 bit/szimbólum, 40 kbaud) Adat moduláció: BPSK 5 különböző kódolással Szétterjesztés: 15-chip m-es Chip moduláció: BPSK 868 MHz sáv: 300 kchips/szek 915 MHz sáv: 600 kchips/szek 10
802.15.4 fizikai réteg - csomagformátum Csomagformátum preamble (32 bit) szinkronizálás csomaghatár kezdete (8bit) fejrész (8 bit) adatmező hossza adatmező (0-1016 bit) Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header PHY Service Data Unit (PSDU) 6 Octets 0-127 Octets 802.15.4 fizikai réteg - primitívek Fizikai réteg primitívek: Adat szolgáltatás (Data Service) PD-DATA adatcsomagok cseréje a MAC és PHY között Menedzsment szolgáltatás (Management Service) PLME-CCA (Clear Channel Assessment) PLME-ED energiaszint felderítése PLME-GET/-SET infokérés/állítás a PHY PIB-ben PLME-TRX-ENABLE rádióadó ki-/bekapcsolása 11
802.15.4 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) 802.15.4 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 12
802.15.4 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) 802.15.4 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. 13
802.15.4 adatátvitel 3 féle adatátviteli tranzakció: eszköz -> koordinátor koordinátor -> eszköz eszköz -> eszköz (peer-to-peer) Az adatküldési mechanizmus függ attól, hogy használe a hálózat szuperkereteket. 802.15.4 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. 14
802.15.4 adatátvitel Adatküldés koordinátornak, ha nincs beacon Az eszköz réseletlen CSMA-CA algoritmussal elküldi a csomagot a koordinátornak. Opcionálisan a koordinátor nyugtázza azt. 802.15.4 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. 15
802.15.4 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. 802.15.4 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. 16
802.15.4 MAC keretképzés MAC kerettípusok: adat beacon nyugta (ACK) MAC parancs (command) 802.15.4 MAC adat keret 17
802.15.4 MAC beacon keret 802.15.4 MAC ACK keret 18
802.15.4 MAC parancs keret 802.15.4 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 802.15.4 szoftver Hálózati, alkalmázi rétegek, biztonsági kérdések Márka (brand) menedzsment IEEE 802.15.4 hardver Fizikai réteg, MAC alréteg Silicon Stack App 19
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 (802.15.4) Alkalmazás profilok és márka Termékek és alkalmazások kompatibilitásának biztosítása (pl., AMR & DSM) IEEE 1451 IEEE p1451.0 - Common Functions and Protocols, and TEDS Formats WG Draft szabvány szenzorok és beavatkozók intelligens jelátalakító interfészére. Cél: Okos jelátalakító interfész megalkotása intelligens eszközök tervezésére és illesztésére hálózatokhoz, rendszerekhez, berendezésekhez, felhasználva a fejlődő szenzor- és hálózati technológiákat. 1451.5 WG for Wireless Sensor Standards 20
IETF: Internet Engineering Task Force Working Groups Mobile Ad-hoc Networks (manet) IPv6 over Low power WPAN (6lowpan) Nagyfeladatokhoz... Mitmótok átvehetők: Tóth Csabánál (IE424) Következő előadás: április 27. (csütörtök), Simon Gyula Nagyfeladat infó és segítség: https://wiki.sch.bme.hu/bin/view/valaszthato/szenzorhalozatok Siroki Laci (slacee@sch.bme.hu) 21