Introduzione a ZigBee Alliance Tutorial ZigBee e al IEEE...

Wireless Control That Simply WorksWireless Control That Simply Works

Copyright © 2005 ZigBeeTM Alliance. All Rights Reserved.

Wireless Control That Simply Works

ZigBee Alliance TutorialSeptember-November 2005

Bob HeileChairman, ZigBee Alliance

Chair, IEEE 802.15

martedì 16 gennaio 2007

Ing.Ing. Stefano Stefano MaggiMaggiDottore di RicercaDottore di RicercaPolitecnico di MilanoPolitecnico di Milano

Introduzione a Introduzione a Introduzione a

ZigBeeZigBeeZigBee e al IEEE 802.15.4e al IEEE 802.15.4e al IEEE 802.15.4


Specifiche tecniche e potenzialità del nuovo standard di comunicazione wireless: vantaggi e limiti

Principali tematiche wireless di oggi

•• CostanteCostante ed ed affidabileaffidabile disponibilitàdisponibilità delladella comunicazionecomunicazione

•• InteroperabilitàInteroperabilità

•• FunzionalitàFunzionalità plugplug--andand--playplay

•• AutoAuto--organizzazioneorganizzazione delladella reterete

•• Basso Basso consumoconsumo didi energiaenergia

•• SicurezzaSicurezza delladella trasmissionetrasmissione



Principali vantaggi di un sistema wireless

Mezzo trasmissivo che non si guasta: un vantaggio ovvio è legato al fatto che quello che non c’è non si rompe

Riduzione del cablaggio (tradizionale o su Bus): la riduzione del numero di cavi rende l’ambiente più“ordinato”

Assenza di modifiche strutturali: nel caso di una struttura già esistente, non si ha la necessità di modifiche strutturali per facilitare la posa del cablaggio o in genere per raggiungere punti di difficile accesso

Semplicità di installazione: non si devono installare e collegare cavi, un sistema senza fili è immediatamente operativo

Maggiore libertà nel posizionamento dei nodi della rete: nella scelta di dove collocare un nodo non si èpiù vincolati alla presa di rete (per es. del Bus); tutta l’area di copertura della comunicazione è potenzialmente fruibile

Mobilità e scalabilità: è possibile ricevere e trasmettere dati anche quando si è in movimento. E’ inoltre possibile in qualsiasi momento aggiungere un dispositivo di comunicazione (nodo) alla rete, senza aggiunta di prese, connettori o di altre predisposizioni.



Principali svantaggi di un sistema wireless

Possibile indisponibilità del canale radio: il canale (a parità di banda) per sua natura deve essere condiviso da tutti i componenti. Come conseguenza più grave, si avrà un ritardo nella comunicazione

Alimentazione dei nodi di comando: si ha la necessità di un’alimentazione a batteria (pila) nel caso non si voglia utilizzare la classica tensione di rete. Come conseguenza diretta, si deve prevedere la sostituzione delle pile dei nodi a intervalli di tempo

Problemi di Interferenze: essendo per sua natura il canale trasmissivo (l’etere) vasto e non protetto, i segnali che lo attraversano sono soggetti ad interferenze e a disturbi di varia natura

Problemi di Sicurezza: anche la sicurezza (intesa come affidabilità e come non intercettazione dei messaggi) è una conseguenza diretta della natura del canale trasmissivo. Oggi esistono già codici di codifica (a 128bit) considerati sicuri



Gruppi di lavoro dell’IEEE 802.x.x

Number Description Contents802.1 High Level Interface Treats common aspects of all LANs according to IEEE 802, like for

example addressing, management, internet working etc.802.2 Logical Link Control Defines the LLC protocol (TCP/IP layer 2)802.3 CSMA/CD Ethernet protocol standard802.4 Token Passing Bus Token bus protocol802.5 Token Passing Ring Token ring protocol802.6 MAN Treats Metropolitan Area Network standard802.7 Broadband Technical

Advisory GroupAdvises the other IEEE 802 groups in terms of broadband technology

802.8 Fiber Optical Technical Advisory Group

Advises the other IEEE 802 groups in terms of fiber optical technology

802.9 Integrated Voice and Data Networks Treats LAN variants which handle data and voice equally

802.10 Network Security Treats security in LANs802.11 Wireless LAN Treats wireless local networks802.12 100 Base VG AnyLAN Fast LAN standard in competition to Fast Ethernet802.14 Cable Data Modem Treats use of cable networks for data communication802.15 Wirelesss Personal Area

Networks Treats wireless networks over short distances

802.16 Broadband Fixed Wireless Wireless networks without mobility (MAN)



Panoramica wireless dell’IEEE 802.x.x

Velocità di trasmissione (Mbps)

Dis

tanz

a

ZigBee802.15.4 802.15.3

802.15.3a802.15.3c

WiFi802.11

10 100 1000

Bluetooth802.15.1

IEEE 802.22

WiMaxIEEE 802.16

IEEE 802.20

WWAN

WMAN

WLAN

WPAN

0.01 0.1 1



Caratteristiche generali dell’IEEE 802.15.4

• Data rates di 250 kb/s, 40 kb/s e 20 kb/s

• Operabilità in configurazione: stella, peer-to-peer o cluster-tree

• 16 o 64bit di indirizzo allocati (216 = 65.536 nodi)

• Accesso al canale in modalità CSMA-CA

• Indirizzamento dinamico del nodo

• Completa definizione del protocollo per il trasferimento dati

• Basso consumo di energia

• Modulazione O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) nei 2.4 GHz e BPSK (Binary Phase Shift Keying) nei 868/915 MHz

• Opera nelle seguenti bande di frequenza:

– 16 canali nella banda 2.4GHz

– 10 canali nella banda 915MHz

– 1 canale nella banda 868MHz



Bande di frequenza e Data Rates

BANDA COPERTURA DATA RATE # DI CANALI

ISM Worldwide 250 kbps 162.4 GHz

ISM Europe 20 kbps 1868 MHz

ISM Americas 40 kbps 10915 MHz

2 MHzCanale 0 915 MHz 868 MHz

26 MHz di banda

Canali 1-10 928 MHz902 MHz868.3 MHz

5 MHzCanali 11-263 MHz2.4 GHz

2.4 GHz 2.4835 GHz83.5 MHz di banda



Architettura dell’IEEE 802.15.4

L’802.15.4 implementa solo il Physical Layer e il Data Link(Media Access Control e Logical Link Control)

IEEE 802.15.4 MAC

Upper Layer Stack

IEEE 802. LLC Other LLC

IEEE 802.15.42400 MHz PHY

IEEE 802.15.4868/915 MHz PHY

Livelli superiori

Livello 2:

È il livello in cui vengono definiti gli standard dell’architettura di rete.Funzioni classiche svolte:

-Inizializzazione

- Segmentazione/desegmentazione del dato

- verifica degli errori

- controllo e sincronizzazione dei dati, ….

Livello 1:

Livello 2

Livello 1

Trasmette una sequenza arbitraria di bit e si occupa delle specifiche elettriche ed elettroniche dell’interfaccia di rete.



Accesso al canale: modalità “superframe”

Beacon Frame

Contention Access period

Beacon extensionperiod

Segnali di sincronismo, inviati dal coordinatore della rete, che delimitanoopportuni intervalli temporali (slot). Consentono al PAN coordinator di identificare la rete e sincronizzare i nodi connessi.

Spazio riservato a beacon accumulati, causati da precedenti messaggi pendenti.

Periodo nel quale si ha l’accesso al canale da parte dei nodi.Il meccanismo CSMA-CA gestisce questo accesso.

GTS 2 GTS 1

Contention Free period

Periodo formato da slot (finestre temporali, Guaranteed Time Slot) utilizzatein applicazioni che richiedono un basso tempo di latenza (allarmi, …)

Contention Access Period

Contention Free Period

Il superframe è diviso in 16 contigui time-slot

Il PAN coo. può assegnare dedicate porzioni del superframe a nodi specifici che lo richiedono.Questi slot sono i GTS (GTS1,…..GTSn)



Cenni sul protocollo CSMA/CA

CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

Non avendo un accesso al canale controllato, si rende necessario un meccanismo chegestisce gli accessi simultanei al canale condiviso.

Questo meccanismo è basato sulla condivisione del canale radio.

Un metodo per evitare le collisioni di trasmissioni contemporanee nel canale, è quello di “ascoltare” il canale e successivamente trasmettere solo se il canale è libero.

Il “Carrier Sense” controlla questa disponibilità del canale.

Non vengono sottoposti a questo meccanismo i beacons, le trasmissioni in GTS e le ACKs.



Struttura dei pacchetti del livello fisico

• Sequenza di Preambolo (32 bits) – fase di sincronizzazione

• Delimitatore di inizio del frame (8 bits) – inizio frame

• Intestazione del successivo pacchetto (8 bits) – lunghezza in byte del PSDU

• PSDU (0 a 1016 bits) – campo generale dati

PreambleStart ofPacket

Delimiter

PHYHeader

PHY ServiceData Unit (PSDU)

6 Ottetti 0-127 Ottetti



Struttura dei frame del livello Data Link (1)

Beacon frame: utilizzato dal coordinatore per la trasmissione dei beacons(segnali di sincronizzazione). Inviato solo dal PAN coordinator ad intervalli regolari (programmabili).

(MAC Header)

Campo di intestazione:controllo frame, indirizzamento e identificazione del tipo

MAC Service Data Unit: informazioni specifiche per il tipo di frame: struttura dei superframe, n. di GTS previsti, indirizzi pendenti e dati

(MAC Footer)

Campo di terminazione:controllo integrità dei dati (CRC)

Synchronization Header:

consente al ricevitore di ottenere la sincronizzazione ed inizio frame

PHY Header:

n. di byte contenuti nel successivo PSDU




Data frame: utilizzato per il trasferimento dei dati utili

(MAC Header)

Campo di intestazione:controllo frame, indirizzamento e identificazione del tipo

(MAC Footer)


MAC Service Data Unit:

dati utili trasmessi



PHY Header:





Acknoledgment frame: utilizzato per confermare l’avvenuta ricezione dei frame

(MAC Footer)


(MAC Header)

Campo di intestazione:controllo frame e identificazione del frame



PHY Header:





MAC frame: utilizzato per l’invio di comandi specifici per l’entità MAC



I tipi di nodi della rete

• Nodo coordinatore della rete:– Unico nella rete– Inizia, termina e dirotta la comunicazione fra le diverse periferiche– E’ il PAN (Personal Area Network) coordinator (FFD, Full Function Device)

• Nodo coordinatore semplice:– E’ un componente opzionale della rete (del tipo FFD)– Può essere associato a nodi FFD e a RFD– Coordina una sottorete– Partecipa al routing dei messaggi

• Nodo terminale di comunicazione:– E’ un componente del tipo RFD (Reduced Function Device)– Può comunicare direttamente solo con un FFD– Non partecipa al routing dei messaggi



Topologie di rete

PAN coordinator

Full Function Device

Reduced Function Device

Stella:ogni nodo puòcomunicare solocon il coordinatore

Peer-to-Peer:ogni nodo puòcomunicare direttamentecon un altro interno allarete (se si trova dentroalla sua zona di copertura)

Cluster Tree:ogni nodo può operare dacoordinatore semplice (router)fornendo servizi ad altri nodi.Solo uno di questi coordinatorisi può configurare come PAN coordinator



Topologie di rete: Mesh Network

Nodo terminale di comunicazione (RFD or FFD)

Nodo coordinatore semplice (Router) (FFD)

Nodo PAN coordinatore della rete (FFD)

Mesh Link

Star Link



Esempio di funzionamento di una Mesh Network



Tipo di traffico dati

•• DatiDati periodiciperiodici– Acquisizione dati da sensori, dati di tipo analogico, ecc…

•• DatiDati sporadicisporadici– Dati di tipo digitale on-off (acceso-spento)

•• DatiDati ripetitiviripetitivi a a bassabassa latenzalatenza



Trasferimento Dati (1)

Coordinatore(PAN)

Nodo di rete

Beacon frame

Trasmissione Dati

al coordinatore:Data frame

Acknowledgement frame

canale



Trasferimento Dati (2)

Coordinatore(PAN)

Nodo di rete

Beacon frame

Trasmissione Dati

dal coordinatore:Data Request frame


Data frame


canale



Schema di principio Hardware di un nodo

Schematizzazione a blocchi:



Protocollo dei livelli superiori: ZigBee

Hardware

ZigBee Stack

Applicazione Cliente

IEEE802.15.4

AlleanzaZigBee

E’ un protocollo che definisce le specifiche E’ un protocollo che definisce le specifiche dei livelli superiori (applicativo e di sicurezza)dei livelli superiori (applicativo e di sicurezza)

Garantisce la Garantisce la interoperabilitàinteroperabilità fra i prodotti fra i prodotti di diversi costruttoridi diversi costruttori

E’ basato sullo standard IEEE 802.15.4E’ basato sullo standard IEEE 802.15.4



Principali “punti di forza” di ZigBee

•• BasatoBasato sullosullo standard standard didi basso basso livellolivello (IEEE 802.15.4) (IEEE 802.15.4) affidabileaffidabile e e robustorobusto

•• SupportaSupporta un un grandegrande numeronumero didi nodinodi didi reterete ((piùpiù didi 65.000, 65.000, modalitàmodalità didi indirizzamentoindirizzamento brevebreve))

•• LimitataLimitata complessitàcomplessità didi svilupposviluppo e e didi implementazioneimplementazione

•• LungaLunga duratadurata delledelle pile pile didi alimentazionealimentazione deidei nodinodi

•• Alta Alta sicurezzasicurezza didi trasferimentotrasferimento datidati ((basatobasato susu Advanced Encryption Standard a 128 bit)Advanced Encryption Standard a 128 bit)

•• RaggioRaggio didi coperturacopertura frafra 2 2 nodinodi didi 5050--100m100m

•• PossibilitàPossibilità didi crearecreare unauna Mesh Network Mesh Network ((aumentoaumento coperturacopertura))

•• Basso Basso costocosto complessivocomplessivo



Cenni sui sistemi a dispersione di spettro

Lo scopo della dispersione di spettro (spread spectrum) è quello di distribuire la potenza del segnale su un’ampiezza di banda W molto maggiore rispetto alla velocità di trasmissione R (in bit/s).

Questo significa che il fattore di espansione dell’ampiezza di banda W/R è molto maggiore di 1.

Introducendo delle forme d’onda codificate, per sfruttare la ridondanza disponibile in questa ampiezza di banda espansa, i sistemi di comunicazione a dispersione di spettro risolvono gli elevati livelli di interferenza che possono verificarsi nei canali wireless.

L’utilizzo di sequenze pseudocasuali è un altro fattore importante dei sistemi a dispersione di spettro, in quanto si fa in modo che il segnale assuma l’aspetto di rumore casuale.

Questo complica le intercettazioni da parte di ricevitori non autorizzati.



La tecnica di “spread-spectrum”

Le informazioni entrano in un encoder ad una velocità di R bit/s per produrre un segnale analogico con un’ampiezza di banda relativamente stretta, su una determinata frequenza centrale.

Un generatore di sequenze produce una sequenza pseudocasuale di valori binari che viene sovrapposta al segnale trasmesso in un modulatore.

La sequenza pseudocasuale binaria è costituita da una serie di cifre casuali, che si ripete dopo un determinato periodo.

Questa modulazione del segnale (con una sequenza pseudocasuale), ha lo scopo di aumentare l’ampiezza di banda del segnale trasmesso.

Al ricevitore per demodulare il segnale, viene impiegato un generatore di sequenze pseudocasuali identico.

Infine il decoder di canale ripristina il flusso di dati originario.



Cenni sulla tecnica DSSS

Questa tecnica (Direct Sequence Spread Spectrum) viene utilizzata in ZigBee (e in Wi-Fi).

Ciascun bit del segnale originale viene trasformato in più bit del segnale DSSS, che viene poi trasmesso utilizzando la modulazione di fase PSK (Phase Shift Keying).

Il processo di moltiplicazione trasforma la sequenza di bit del segnale originale, in una sequenza di bit di frequenza più elevata, introducendo quindi un guadagno di elaborazione.

Il guadagno di elaborazione è il rapporto fra la velocità di trasmissione dati del segnale DSSS disperso e la velocità del segnale originale.

Un elevato guadagno di elaborazione aumenta la resistenza di un segnale alle interferenze ed al rumore e offre inoltre, una certa protezione contro la propagazione multipath.



Ottenimento del “low power”

Tutti i nodi della rete utilizzano la modalità “Tutti i nodi della rete utilizzano la modalità “sleepsleep”, anche per lunghi periodi (utilizzo dei ”, anche per lunghi periodi (utilizzo dei beaconsbeacons))

Il dutyIl duty--cycle*, dei nodi alimentati a batteria, è molto basso (meno 1%)cycle*, dei nodi alimentati a batteria, è molto basso (meno 1%)

Bassa potenza trasmessa (qualche Bassa potenza trasmessa (qualche mWmW), viste le ridotte superfici coperte (utilizzo delle ), viste le ridotte superfici coperte (utilizzo delle MeshMesh Network)Network)

Minime risorse Hardware del nodoMinime risorse Hardware del nodo

Modalità “Modalità “BeaconlessBeaconless”, utilizzata per le reti i cui nodi vengono alimentati in modo ”, utilizzata per le reti i cui nodi vengono alimentati in modo diverso (p.e. dalla diverso (p.e. dalla rete fissa per la lampada (questo nodo può lavorare costantementrete fissa per la lampada (questo nodo può lavorare costantemente in ricezione) e a batteria per e in ricezione) e a batteria per l’interruttore che trasmette solo quando viene azionato)l’interruttore che trasmette solo quando viene azionato)

Codifica dell’informazione mediante l’utilizzo delle Codifica dell’informazione mediante l’utilizzo delle chipchip--sequencesequence (riduzione della potenza trasmessa a (riduzione della potenza trasmessa a parità di parità di BER*BER* in ricezione, pur peggiorando l’occupazione di banda)in ricezione, pur peggiorando l’occupazione di banda)

Riduzione della Riduzione della riri--trasmissionetrasmissione dei dei msgmsg, combinando la codifica dell’informazione precedente, con la , combinando la codifica dell’informazione precedente, con la tecnica di anticollisione CSMAtecnica di anticollisione CSMA--CA CA

[duty-cycle*: è la percentuale di tempo nella quale il nodo risulta attivo (Rx o Tx)]

[BER*: Bit Error Rate]



Principali tecnologie wireless a confronto

Proprietà Wi-Fi Bluetooth ZigBee UWB

Frequenza 802.11b a 2.4 GHz802.11 a 5 GHz

2.4 GHz868 MHz (in Europa)

915 MHz (in America)2.4 GHz

3.1-10.6 GHz

Data rate11 Mbits/s54 Mbits/s 1 Mbits/s

20 kbits/s40 kbits/s250 kbits/s

100-500 Mbits/s

Max Range (m)

50-100 10 50-100 10

Rete Punto-Multipunto Piconet ad hocStella, peer-to-peer,

Cluster-tree Punto-a-Punto

Complessità Alta Alta Media/Bassa Media

Consumo Alto Medio Molto Basso Basso

ApplicazioniWLAN,trasferimento di

file, collegamento ad Internet senza fili

Auricolari per connessioni a PC

portatili, cellulari,…

Controllo di ambientidomestici e industriali, monitoraggio di rete di

sensori, giochi ed apparecchiature

medicali,…

Applicazionimultimediali

(immagini e filmati)



ZigBee e Bluetooth a confronto (1)

Principali aspetti critici del Bluetooth:

L’interferenza e l’interoperabilità: sono stati affrontati nella versione 1.2 delle specifiche, cheprevede l’algoritmo di “Frequency Hopping” (salto di frequenza, cioè il cambiamento dinamico della frequenza di trasmissione).

Il consumo di energia e la latenza: l’elemento chiave per limitare il consumo di energia ed aumentare la vita utile della batteria (di alimentazione del nodo), è la riduzione della durata e della frequenza delle trasmissioni. Il protocollo invece, presenta un notevole volume di dati di controllo da inviare, di conseguenza aumenta la latenza e la durata della trasmissione.

Complessità del protocollo: circa 250 kB di memoria per implementarlo! (contro i circa 28 kB in ZigBee).

Limitata dimensione della rete: max 8 nodi di rete.

Elevato costo!



ZigBee e Bluetooth a confronto (2)

Principali aspetti critici di ZigBee:

Velocità di trasmissione dati: infatti questo protocollo può raggiungere una velocità teorica di trasmissione di solo 250 kbit/s (contro 1 Mbit/s del Bluetooth). Quindi ZigBee non risulta la scelta migliore quando la quantità di dati da trasmettere diventa eccessiva.

Trasferimento di dati multimediali: questo protocollo non è adatto al trasferimento di dati del tipo “voce e immagini”, principalmente a causa della ridotta velocità di trasmissione.



Brevi considerazioni sul timing (ZigBee)

Valori tipici per un nodo configurato di rete:Valori tipici per un nodo configurato di rete:

tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete < 30 < 30 msms

tempo di attivazione di un nodo dalla modalità “tempo di attivazione di un nodo dalla modalità “sleepsleep” < 15 ” < 15 msms

tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) < 15 < 15 msms



Brevi considerazioni sul timing (Bluetooth)

Valori tipici per un nodo configurato di rete:Valori tipici per un nodo configurato di rete:

tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete > 3 s> 3 s

tempo di attivazione di un nodo dalla modalità “tempo di attivazione di un nodo dalla modalità “sleepsleep” ” typtyp. 3 s. 3 s

tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) typ. 2 typ. 2 msms



Semplicità di ampliamento della rete

Nodi terminali(RFD)

Coordinatore direte esistente

(PAN coordinator)




Nuovo link stabilito

Nodi terminali(RFD)


(PAN coordinator)

Nuovo coordinatore semplice (router)




Nuovo link stabilito


(PAN coordinator)

Nodi terminali(RFD)

Nodi terminali(RFD)

Nuovo coordinatore semplice (router)



Principali settori di applicazione

Sensore / AttuatoreHome Automation

Building Automation

Industrial Automation

Automotive Networks

Medico

Modellismo e giocattoli



Principali aree di applicazione in Domotica

•• RiscaldamentoRiscaldamento

•• IlluminazioneIlluminazione

•• IdraulicaIdraulica

•• SistemiSistemi didi allarmeallarme

•• ClimatizzazioneClimatizzazione

•• AzionamentiAzionamenti

•• ControlloControllo accessiaccessi

•• ElettrodomesticiElettrodomestici

Introduzione a ZigBee Alliance Tutorial ZigBee e al IEEE...

Documents

Transcript of Introduzione a ZigBee Alliance Tutorial ZigBee e al IEEE...