Bezdrátový přenos dat

Obsah

Poˇcítaˇcové systémy Bezdrátový pˇrenos dat

Miroslav Flídr

Poˇcítaˇcové systémy LS 2007

-1/21-

Západoˇceská univerzita v Plzni

Obsah

Obsah pˇrednášky 1

Úvod

2

IrDA

3

Bluetooth

4

ZigBee

5

Datové pˇrenosy v síti GSM SMS HSCSD GPRS

6

WLAN (IEEE 802.11)

Miroslav Flídr


-2/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee

Datové pˇrenosy v síti GSM

WLAN (IEEE 802.11)

Úvod Charakteristika bezdrátového pˇrenosu dat ➢ ➢ ➢ ➢

propojitelnost komponent pˇri zachování mobility není nutná nákladná strukturovaná kabeláž velká flexibilita bezdrátových ˇrešení možnost kombinovat se stávajícími technologiemi

Možnost nasazení v pr˚umyslu ➢ u vˇetšiny technologií kladen d˚uraz na rychlost a ne spolehlivost ➢ v pr˚umyslu potˇreba spolehlivé, pˇrizp˚usobivé a rozšiˇritelné ˇrešení Rozdˇelení bezdrátových technologií dle dosahu ➢ PAN - IrDA, Bluetooth, ZigBee ➢ LAN - WiFi ➢ WAN - datové technologie v sítích GSM Miroslav Flídr


-3/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

IrDA Základní charakteristika IrDA ➢ pˇrenos dat pomocí infraˇcerveného záˇrení ➢ používá se LED diod s vlnovými délkami vyzaˇrovaného svˇetla 875 nm ➢ dosah 1m a vyžaduje pˇrímou viditelnost ➢ pˇrenosové rychlosti ➫ SIR (Serial Infrared) - obdobné rychlosti jako RS-232 ➫ MIR (Medium Infrared)- 0.576 Mbit/s a 1.152 Mbit/s ➫ FIR,VFIR (Fast Infrared) - 4Mb/s a 16Mb/s Komunikace ➢ pˇrenos dat pomocí puls˚u - potˇreba vysílat velkým výkonem, což není možné po dlouhou dobu (pulz délky 3/16 cˇ i 1/4 doby trvání bitu) ➢ poloduplexní pˇrenos (full-duplex simulován rychlým stˇrídáním)

Miroslav Flídr


-4/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

Bluetooth

Charakteristika technologie ➢ topologie ➫ buˇnky piconet ➫ maximálnˇe 8 jednotek v buˇnce ➫ právˇe jedna ˇrídící jednotka (master) ostatní podˇrízené (slave) ➢ frekvenˇcní pásmo ➫ 2400–2483,5 MHz (bezlicenˇcní) ➫ rozdˇelené na 78 kmitoˇct˚u s odstupem 1MHz ➢ komunikace metodou pˇrepínání frekvencí ➫ k zabránˇení interferencí ➫ obsazení kmitoˇctového kanálu na max. 0,625 ms

Miroslav Flídr


-5/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

Bluetooth Výhody ➢ ➢ ➢ ➢

nízká spotˇreba energie malý výkon vysílaˇcu˚ velká odolnost proti poruchám pomˇernˇe levné a miniaturní moduly

Nevýhody ➢ malá šíˇre pásma (tj. malá pˇrenosová rychlost) ➢ omezená vzdálenost a omezený poˇcet jednotek Použití v pr˚umyslu ➢ telemetrie a sbˇer dat ➢ konvertory RS-232 na Bluetooth nebo pˇrímé použití Serial port profilu ➢ pˇrevodníky Bluetooth na jiné standardní sériové pr˚umyslové sbˇernice. Miroslav Flídr


-6/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

ZigBee Základní charakteristika ➢ dosah sítˇe 10-30(75)m ➢ frekvenˇcní pásma používaná ZigBee použití pásmo poˇcet kanál˚u rychlost globální 2,4 GHz 16 250 kb/s 10 40 kb/s Amerika, Australie 915 MHz 868 MHZ 1 20 kb/s Evropa ➢ umožˇnuje zaruˇcit nízkou spotˇrebu zaˇrízení ➢ pˇrístupová metoda CSMA/CA k fyzickému médiu ➢ adresace pomocí dlouhých (64b) nebo krátkých (16b) kód˚u ➢ každá sít’ identifikována 16bitovým PAN ID ➢ použití ➫ domácí automatizace ➫ pr˚umyslové sítˇe ➫ poˇcítaˇcové periférie Miroslav Flídr


-7/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

ZigBee Typy zaˇrízení ➢ dva druhy zaˇrízení ➫ FFD (Full Function Device) - plná podpora standardu ZigBee ➫ RFD (Reduced Function Device) - pouze nejnutnˇejší protokoly ➢ rozdˇelení zaˇrízení dle funkce ➫ koordinátor (FFD) ➫ smˇerovaˇc (FFD) ➫ koncové zaˇrízení (FFD, RFD) Topologie ➢ hvˇezda - koncová zaˇrízení pˇripojená pˇrímo ke koordinátorovi ➢ strom - koncová zaˇrízení mohou být pˇripojena pˇres zˇrízení s funkcí smˇerovaˇce ➢ sít’ (mesh) - kombinuje hvˇezdu a strom a umožˇnuje tvorbu redundantních pˇrenosových sítí Miroslav Flídr


-8/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

Sít’ GSM Charakteristika sítˇe GSM ➢ budována na buˇnkovém principu ➢ frekvenˇcní pásma - 900 MHz, 1800 MHz a 1900 MHz (Amerika) ➫ pásma rozdˇelena na kanály po 200 kHz ➫ každý kanál rozdˇelen na 8 cˇ asových slot˚u metodou TDMA Subsystémy sít’ˇe GSM ➢ Mobilní stanice - transceiver komunikující ze základovou stanicí (BTS) ➢ Subsystém základových stanic (BSS) - základová stanice obsluhuje buˇnku na vyhrazeném kanálu ➢ Sít’ový subsystém (NS) - plní základní funkce sítˇe ➫ spojovací funkce uvnitˇr sítˇe a s externími sítˇemi ➫ autentizace a autorizace úˇcastník˚u ➫ funkce související s mobilitou úˇcastník˚u ➢ Operaˇcní a podp˚urný subsystém (OSS) - správa, sledování, konfigurace Miroslav Flídr


-9/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

SMS

Datové pˇrenosy SMS (Short Message Service) Vlastnosti služby SMS ➢ funguje na principu pˇrepojování paket˚u (ale pˇrenášejí se zprávy ne pakety) ➢ mohou být doˇcasnˇe uloženy na trase pˇrenosu v SMS centru (SMSC) maximálnˇe do doby životnosti zprávy (1-72 hodin) ➢ délka jedné zprávy max. 140 bit˚u (tj. 160 znak˚u pˇri 7-bitovém kódování) ➢ k pˇrenosu jsou urˇceny služební kanály sítˇe GSM Souˇcásti zaˇrízení využitelného pro pˇrenos dat pomocí SMS v automatizaci ➢ terminál GSM s podporou SMS ➢ generátor zpráv reagující na vnˇejší podnˇety ➢ analyzátor pˇríchozích zpráv aktivující vnˇejší procesy Miroslav Flídr


-10/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

SMS

Datové pˇrenosy SMS Využití služby SMS v automatizaci ➢ pˇrenos stavových informací z elektronického zabezpeˇcovacího systému objektu, automobilu apod. ➢ pˇrenos notifikací z informaˇcních a komunikaˇcních systém˚u (servery, aplikace, UPS atd.) ➢ dálkové monitorování dvoustavových hodnot (napˇr. technologická sbˇernice, dvoustavové snímaˇce a spínaˇce) ➢ dálkové monitorování analogových údaj˚u (teplota místnosti, výška hladiny apod.) ➢ dálkové ovládání pomocí logických výstup˚u (topení, osvˇetlení, výkonová zátˇež apod.) ➢ dálkové ovládání analogového výstupu (nastavení teploty, ovládání regulátor˚u apod.).

Miroslav Flídr


-11/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

HSCSD

CSD/HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Základní vlastnosti CSD/HSCSD ➢ pˇrenos dat na principu pˇrepojování okruh˚u ➭ data jako souvislý datový tok ➭ okruh je pro komunikaci vyhrazen po celou dobu spojení ➢ konstantní pˇrenosová kapacita ➢ rychlosti - umožˇnuje využít pouze cˇ ást kapacity z 22.8 kb/s ➭ 9.6 kb/s (zbývajících 13.2 kb/s pro zajištˇení spolehlivosti) ➭ 14.4 kb/s (ukázalo se, že není tˇreba tak robustního zabezpeˇcení) ➢ HSCSD umožˇnuje využít více cˇ asových slot˚u (podle tˇrídy zaˇrízení) Výhody a nevýhody ✔ nevyžaduje zmˇenu sítˇe GSM ✔ stabilnˇejší pˇrenosové parametry spojení než GPRS (CSD má pˇrednost) ✘ problémem mobilita (rozpadu nebo zpomalení spojení) ✘ není možné sdílení cˇ asových slot˚u mezi uživateli Miroslav Flídr


-12/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) Základní vlastnosti GPRS ➢ funguje na principu pˇrepojování paket˚u ⇒ nutné pˇrebudovat GSM sít’, která funguje na principu pˇrepojování okruh˚u ➢ šetrné v˚ucˇ i zdroj˚um sítˇe - spotˇrebovává cˇ asové sloty jen pˇri pˇrenosu dat ➢ umožˇnuje trvalé pˇripojení uživatele ➢ negarantuje propustnost (GPRS dostane zbylé sloty) Nutná rozšíˇrení GSM sítˇe ➢ základnové stanice rozšíˇreny o blok PCU (Packet Control Unit) ➢ páteˇrní cˇ ást sítˇe doplnˇena o další podp˚urné uzly ➫ SGSN (Serving GPRS Support Node) ➫ GGSN (Gateway GPRS Support Node)

Miroslav Flídr


-13/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

GPRS

1/2

GPRS - Technické ˇrešení Funkce podp˚urných uzl˚u ➢ SGSN (Serving GPRS Support Node) ➭ smˇerování datových paket˚u ➭ bezpeˇcnostní funkce (autentizace, šifrování) ➭ mobility management (lokalizace, routing area update) ➭ ˇrízení logických kanál˚u k mobilnímu terminálu ➭ spojení s ústˇrednovou cˇ ástí sítˇe ➢ GGSN (Gateway GPRS Support Node) ➭ rozhraní s vnˇejšími paketovými sítˇemi (IP, X.25) ➭ bezpeˇcnostní funkce (pˇreklad adres, firewall) ➭ komunikace s pˇríslušnými SGSN pro správné smˇerování paket˚u GPRS tˇrídy zaˇrízení ➢ Class A - m˚uže být pˇripojeno souˇcasnˇe k GPRS i GSM službˇe ➢ Class B - m˚uže používat jen jednu službu, automaticky je pˇrepíná ➢ Class C - vždy pouze jedna služba, nutné ruˇcní pˇrepnutí Miroslav Flídr


-14/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

GPRS

2/2

GPRS - Technické ˇrešení Pˇrenosové rychlosti ➢ ➢ ➢ ➢

max. lze pˇrenést 22,8kb/s v jednom slotu (data + zabezpeˇcení) cˇ ím kvalitnˇejší signál tím vˇetší podíl dat mobilní stanice (MS) si sama vybírá kódování rychlost závisí na volných slotech a kolik slot˚u je MS obsloužit; dáno multislot tˇrídou - napˇr. tˇrída 10 (4+2,5) nebo tˇrída 12 (4+4,5)

Datové rychlosti dostupných kódování Kódovací schéma CS-1 CS-2 CS-3 CS-4

Miroslav Flídr

Rychlost na 1 timeslot 9.1 kb/s 13.4 kb/s 16.6 kb/s 21.4 kb/s


Rychlost pˇri max. 8 slotech 72.4 kb/s 107.2 kb/s 124 kb/s 171.2 kb/s

-15/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

GPRS

EGPRS (Enhanced GPRS) Zmˇeny sítˇe pro EGPRS ➢ narozdíl od GPRS je tˇreba zmˇenit rádiovou cˇ ást komunikace ➢ zavádí nový zp˚usob kódování – osmi stavová fázová modulace (možno pˇrenést 3 bity informace pˇri jediné zmˇenˇe signálu) ➢ pˇridává dalších devˇet kódovacích schémat ➭ s p˚uvodní dvou stavovou modulací MCS-1 MCS-2 MCS-3 MCS-4 schéma rychlost [kb/s] 8.8 11.2 14.8 17.6 ➭ s osmi stavovou modulací schéma MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-8 MCS-9 rychlost 22.4 29.6 44.8 54.4 59.2 ➢ nutná zmˇena mobislních stanic a BTS ➢ nemˇení GPRS sít’

Miroslav Flídr


-16/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

GPRS

Zhodnocení (E)GPRS Výhody ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

rychlé navázání spojení (napˇr. ve srovnání s GSM-SMS) nezatˇežuje tolik infrastrukturu sítˇe jako HSCSD možnost propojení více uzl˚u najednou možnost vytvoˇrení sítˇe GPRS-APN (obdoba VPN) tarifikace podle pˇrenesených dat

Nevýhody ➢ vysoká latence (možnost timeout˚u) ➢ nezaruˇcená rychlost (provozovatelé sítí zaruˇcí alespoˇn 9,6 kb/s) Možnosti využití v automatizaci ➢ dálkové dohlížení a ˇrízení proces˚u ➢ dálkový sbˇer dat Miroslav Flídr


-17/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

IEEE 802.11 Základní charakteristika technologií standardu IEEE 802.11 ➢ ve frekvenˇcních pásmech 2,4GHz a 5Ghz ➢ standard popisuje ˇrízení pˇrístupu (MAC) a fyzickou vrstvu (PHY) ➢ dva základní režimy ➭ ad-hoc mode - dva terminály spolu komunikují pˇrímo ➭ infrastructure mode ➠ více terminál˚u komunikuje pˇres pˇrístupový bod (AP) ➠ pˇrenosová kapacita sdílená mezi všemi terminály ➢ ˇrešení fyzické vrstvy ➭ FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - použito s p˚uvodním standartu IEEE 802.11, v novejších již není ➭ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - základem 802.11b,g ➭ DFIr (Diffused Infrared) - neprosadilo se ➭ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - 802.11a,g Miroslav Flídr


-18/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

IEEE 802.11 - PHY podvrstva DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ➢ na signál o vyšší modulaˇcní rychlosti se modulují pˇrenášená data ➢ vysílaˇc místo jednoho bitu vyšle tzv. chip (8,11-bitová pseudonáhodná sekvence) s „XORovanými“ datovými bity ⇒ symbol ➢ v jednom chipu lze pˇrenést 1,2,4,8 bit˚u podle zvolené rychlosti pˇrenosu (použitá napˇr. vícestavová modulace) ➢ pˇríjemce aplikuje chipping kód na symbol operací XOR a vyhodnotí výsledek OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ➢ ➢ ➢ ➢ Miroslav Flídr

frekvenˇcní pásmo rozdˇeleno na nˇekolik menších (mohou se pˇrekrývat) samostatné ortogonální nosné signály v každém pásmu použito více relativnˇe pomalých datových tok˚u mezi symboly vkládán tzv. guard interval Poˇcítaˇcové systémy LS 2007

-19/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

IEEE 802.11 - MAC podvrstva Pˇrístupové medody ➢ DCF (Distributed Coordination Function) ➭ varianta metody CSMA/CA ➭ stanice cˇ eká, dokud nenastane na pˇrenosovém médiu klid ➭ v každém rámci informace o délce obsazení/rezervaci média ➭ možnost použití mechanismu k dodateˇcnému ˇrízení vysílání (použití rámc˚u RTS a CTS) ➢ PCF (Point Coordination Function) ➭ umožˇnuje pˇrenos dat citlivých na cˇ asování ➭ synchronizované vysílání dat s definovanými prodlevami ➭ v síti ustanoven koordinátor - vyzývá jednotlivé stanice k zahájení pˇrenosu dat. ➭ není bˇežnˇe podporována u všech zaˇrízení a není ani jednoznaˇcnˇe specifikována Obˇe metody mohou fungovat v síti souˇcasnˇe (stanice s DCF se pravidelnˇe odmlˇcují) Miroslav Flídr


-20/21-


Úvod

IrDA

Bluetooth

ZigBee


WLAN (IEEE 802.11)

Varianty IEEE 802.11 IEEE 802.11a ➢ používá se technika OFDM a podporuje rychlosti 6-54 Mbit/s ➢ v Evropˇe dva frekvenˇcní rozsahy: 5,15-5,35GHz a 5,47-5,725GHz ➢ v pásmu 5,47-5,725GHz 11 nepˇrekrývajících se kanál˚u po 20MHz IEEE 802.11b ➢ DSSS na bezlicenˇcním pásmu 2,4-2,4835 GHz ➢ rychlosti 1,2,5.5 a 11 Mbit/s ➢ pásmo rozdˇeleno na kanály po 22MHz - pouze tˇri nepˇrekrývající pásma IEEE 802.11g ➢ pracuje v bezlicenˇcním pásmu 2,4GHz ➢ dokáže koexistovat s 802.11b (ale zpomalí se pˇrenosy) ➢ DSSS a OFDM + nová technika PBCC (jedna nosná, 256 stav˚u) Miroslav Flídr


-21/21-


Bezdrátový přenos dat

Recommend Documents