Szenzorhálózatok IEEE 802.15.4 + ZigBee Jövő, kitekintés (2008.05.05) Vidács Attila
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25,
[email protected]
Vezetéknélküli szabványok Market Name Standard
Application Focus
System Resources
Battery Life (days)
Network Size
Bandwidth (KB/s)
Transmission Range (meters)
Success Metrics
GPRS/GSM 1xRTT/CDMA
Wide Area Voice & Data
1MB+
1-7
Wi-Fi™ 802.11b
Web, Email, Video
16MB+
.5 - 5
1
64 - 128+
1,000+
Reach, Quality
32
11,000+
1 - 100
Speed, Flexibility
Bluetooth™ 802.15.1
Cable Replacement
250KB+
1-7
7
720
1 - 10+
Cost, Convenience
ZigBee™ 802.15.4
Monitoring & Control
4KB - 32KB
100 - 1,000+
255 / 65,000
20 - 250
1 - 100+
Reliability, Power, Cost
1
Vezetéknélküli szabványok
WWAN
IEEE 802.22
távolság
IEEE 802.20 WMAN
WiMax IEEE 802.16
WLAN
WPAN
0.01
WiFi 802.11
ZigBee 802.15.4 Bluetooth 15.4c 802.15.1
0.1
802.15.3 802.15.3c 1
10
100
1000
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
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
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.
3
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
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
4
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
802.15.4 réteg-architektúra Upper Layers
Other LLC
IEEE 802.2 LLC
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY
IEEE 802.15.4 2400 MHz PHY
5
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.
802.15.4 - toplógiák Csillag topológia PAN koordinátor
Master/slave
Full function device Reduced function device
6
802.15.4 - topológiák Peer-to-peer topológia
pont-pont kapcsolat
klaszter fa
Full function device
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
7
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.
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.
8
802.15.4 – klaszter fa példa
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)
9
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
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)
10
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.
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.
11
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.
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.
12
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.
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.
13
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.
802.15.4 MAC keretképzés •MAC kerettípusok: •adat •beacon •nyugta (ACK) •MAC parancs (command)
14
802.15.4 és ZigBee Application
Customer “szoftver”
API Security 32- / 64- / 128-bit encryption
Network
ZigBee Alliance
Star / Mesh / Cluster-Tree
Hálózati, alkalmázi rétegek, biztonsági kérdések Márka (brand) menedzsment
IEEE 802.15.4 “hardver”
MAC
IEEE 802.15.4
PHY
Fizikai réteg, MAC alréteg
868MHz / 915MHz / 2.4GHz 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 (802.15.4)
Alkalmazás profilok és márka Termékek és alkalmazások kompatibilitásának biztosítása (pl., AMR & DSM)
15
Kitekintés…
Technológiai újdonságok MEMS – Mikro elektro-mechanikus rendszerek
Pl. gyorsulásmérők (giroszkóp), nyomásmérők Beavatkozók (aktuátorok), motorok
16
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
http://www.physics.berkeley.edu/research/zettl/projects/nanoradio/radio.html
17
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
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
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
(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
Nagyfeladatok Feladat:
Feladatonként 15-20 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
