Szenzorhálózatok Szabványok ( )

Szenzorhálózatok Szabványok (2007.04.16) Vidács Attila

Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25, [email protected]

Tartalom † † † †

Vezetéknélküli szabványok, lehetőségek IEEE 802.15.4 + ZigBee IEEE 1451 (IETF)

1

Vezetéknélküli szabványok Market Name Standard

GPRS/GSM 1xRTT/CDMA

Application Focus

System Resources

Battery Life (days)

Network Size

Wide Area Voice & Data

Wi-Fi™ 802.11b

Web, Email, Video

1MB+

Transmission Range (meters)

Success Metrics

Cable Replacement

16MB+

1-7

1-7

32

64 - 128+

Reach, Quality

4KB - 32KB

100 - 1,000+

255 / 65,000

720

1 - 100

Speed, Flexibility

Monitoring & Control

7

11,000+

1,000+

ZigBee™ 802.15.4

250KB+

.5 - 5

1

Bandwidth (KB/s)

Bluetooth™ 802.15.1

20 - 250

1 - 10+

Cost, Convenience

1 - 100+

Reliability, Power, Cost

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)

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

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

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

868.3 MHz

(csak Európa)

2.4 GHz PHY

Channels 1-10

2 MHz

902 MHz

928 MHz

(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 kerettí 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

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

MAC

„ “hardver”

IEEE 802.15.4

PHY

„ Fizikai réteg, MAC alréteg

868MHz / 915MHz / 2.4GHz 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 ([email protected])

21