Protocolli di Comunicazione Wireless

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1 Corso di Tecnologie per le Telecomunicazioni Corso di Sistemi di Telecomunicazione Protocolli di Comunicazione Wireless Samuele Gasparrini

2 Outline Introduzione Bluetooth ZigBee ANT

3 Introduzione Le Wireless Sensor Network sono reti di dispositivi che nella maggior parte dei casi sono alimentati a batteria È anche possibile pensare a soluzioni di energy harvesting (sole, acqua) Essi scambiano informazioni tra loro tramite onde radio Questi device hanno a bordo sensori generici come quelli di temperatura, di pressione, ecc.

4 Introduzione Schema generale delle diverse tecnologie wireless:

5 Bluetooth Il nome del protocollo deriva da Harold Bluetooth, Re Aroldo I di Danimarca ( ), noto per le sue abilità diplomatiche Sviluppato inizialmente dalla Ericsson nel 1994 Diffuso dall organizzazione Bluetooth Special Interest Group (SIG: Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba and IBM) Informazioni generali: Informazione tecniche: Sviluppatori:

6 Bluetooth Stack del protocollo Lo schema sotto rappresenta i diversi livelli dello stack protocollare Non sempre è necessario utilizzare tutti i livelli per realizzare un applicazione Bluetooth

7 Bluetooth Caratteristiche a RF Bluetooth Radio: gestisce la parte RF del sistema Il protocollo lavora all interno della banda non licenziata industriale, scientifica e medica (ISM) GHz usando soluzioni di spread spectrum e frequency hopping al rate di 1600 salti/s (FHSS) Country Frequency Range RF Channels Europa & USA Europa & USA MHz f = k MHz Japan MHz f = k MHz Spain MHz f = k MHz France MHz f = k MHz Il Bluetooth standard utilizza le seguenti tecniche di modulazione: GFSK (BR), π/4-dqpsk (EDR 2Mbs) 8DPSK (EDR 3Mbs) Classe Potenza (mw) Potenza (dbm) Distanza (m) Classe ~ 100 Classe 2 2,5 4 ~ 10 Classe ~ 1

8 Bluetooth Definizione di rete Sono necessari almeno due dispositivi per stabilire una comunicazione Bluetooth, di cui uno assume il ruolo di master e l altro di slave Il master gestisce la comunicazione (start, synchronization, stop) Un master, collegandosi con più slave, forma una rete definita piconet Quando una master e uno slave di due reti diverse entrano in comunicazione, allora si forma una scatternet

9 Bluetooth Versioni del protocollo Nel corso del tempo si sono sviluppate diverse versioni del protocollo: Bluetooth 1.0 e 1.0B: Versione base del protocollo caratterizzata da problemi di comunicazione tra produttori di marche diverse Bluetooth 1.1: si appoggia sullo standard IEEE Bluetooth 1.2: si appoggia sullo standard IEEE , introduce: I. Adaptive Frequency Hopping (AFH): gestione delle frequenze congestionate II. extended Synchronous Connections (esco): permette l invio di flussi audio di qualità III. QOS Bluetooth EDR: vengono introdotti le seguenti features: viene aumentata la sicurezza tramite l utilizzo della criptografia Incremento della velocità di trasmissione Trasmissioni multicast/broadcast Bluetooth EDR Bluetooth HS: possibilità di utilizzare il wi-fi per l invio di informazioni di grandi dimensioni Bluetooth 4.0: riduzione dei consumi (a 0.01 mw) + AES-128

10 Bluetooth Profili riconosciuti Un profilo rappresenta un insieme di caratteristiche comuni a diversi device che garantiscono l utilizzo di nuove funzionalità Contemporaneamente però solo dispositivi che hanno lo stesso profilo sono in grado di scambiarsi informazioni Generic Access Profile (GAP) Service Discovery Application Profile (SDAP) Cordless Telephony Profile (CTP) Serial Port Profile (SPP) Headset Profile (HSP) Dial-up Networking Profile (DUNP) LAN Access Profile (LAP) File Transfer Profile (FTP) Synchronisation Profile (SP)

11 ZigBee Il nome deriva dalla "Waggle dance", movimenti che l'ape utilizza per informare le compagne sulla posizione dei fiori Un insieme di aziende fondano il gruppo ZigBee Alliance con l obiettivo di creare uno standard per dispositivi wireless a basso rate e consumo energetico Basa i primi due livelli dello stack: fisico (PHY) e Medium Access Control (MAC) sullo standard , mentre implementa il livello network (NWT) e applicazione (APL) Informazione:

12 ZigBee Stack del protocollo

13 ZigBee Livello fisico(phy) Lo standard specifica l utilizzo della tecnica Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) suddivisa nelle seguenti frequenze: ISM 868/915 MHz europea e MHz americana ISM 2450 MHz quasi mondiale I dispositivi verificano l accesso al canale tramite la tecnica Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance (CSMA-CA)

14 ZigBee Livello fisico(phy) Un solo canale nella banda 868 MHz, con data rate 20 kbps 10 canali nella banda a 915 MHz spaziati a 2 MHz con data rate 40 kbps 16 canali nella banda GHz spaziati di 5MHz a 250 kbps

15 ZigBee Elementi della rete Tipi di dispositivi definiti dallo standard : Network Coordinator: si occupa della gestione della rete, richiede un alimentazione adeguate Full Function Device (FFD): possiede tutte le caratteristiche previste dallo standard , svolge anche funzionalità di router Reduced Function Device (RFD): capacità di elaborazione limitate, svolge il compito di nodo sensore

16 ZigBee Livello MAC Definisce il contenuto dei pacchetti inviati attraverso il canale: Beacon frame Data frame Acknowledgement frame MAC control frames Esistono due differenti modalità di funzionamento: Non beacon Beacon

17 ZigBee Livello MAC Soluzione non Beacon (CSMA-CA unslotted): Tecnica di accesso semplice Rete WPAN sempre attiva, il nodo Coordinator è alimentato Accesso al canale gestito tramite soluzione CSMA-CA unslotted Nodo Coordinator sempre acceso Nodi RFD sono per la maggior parte del tempo in sleep

18 ZigBee Livello MAC Soluzione Beacon(CSMA-CA slotted): Il coordinator invia un pacchetto speciale definito Beacon Il contenuto del Beacon contiene informazioni per sincronizzare la rete Il tempo viene diviso in super frame delimitati da due Beacon Contention Access Period Contention Free Period Guarantee Time Slots

19 ZigBee Profili riconosciuti Remote Control Home Automation Smart Energy Light Link Input Device Health Care

20 Il vantaggio di questo sistema è dato dalla semplicità di utilizzo nel creare soluzioni personalizzabili Il transceiver ANT lavora alla frequenza di 2.4 GHz all interno della banda ISM, con la possibilità di diverse modalità di comunicazione Informazione tecniche a questo link: + login

21 Sposta l onere della gestione fisica del transceiver all ANT protocol engine Esistono diverse modalità di comunicazione (Broadcast, Acknowledged e Burst) Market name ANT ZigBee Bluetooth Standard Proprietary IEEE IEEE Application PANs and WSNs PANs and WSNs PANs Host resources (kbyte) Battery life (with coin-cell battery) 3 + years 4 to 6 months 1 to 7 days Max. network size (nodes) 2^32 2^64 7 Over the air transmission rate (kbit/s) Range (metres) 1 to 30 1 to to 10+ Success metrics Ultra-low power, cost Power, cost Cost, convenience Supported networks Peer-to-peer, star, tree, mesh Peer-to-peer, star, tree, mesh Peer-to-peer, star Min. node configuration Transmit only or transceiver Transceiver Transceiver

22 Elementi hardware Scheda prodotta dalla TI dotata di diverse periferiche utili nello sviluppo di applicazioni a basso consumo energetico: Schermo LCD 138x110 di tipo dot-matrix Alimentazione da: USB - FET, 2 batterie AA Digital I/O pin: 34 2 led Porta seriale USB (utilizzata anche per funzionalità di alimentazione) Connettore per l utilizzo di moduli a RF Scheda di valutazione msp-exp430f5438: ACLK MCLK usato dalla CPU SMCLK usato dai moduli delle periferiche SMCLK usato dalla CPU e dai moduli delle periferiche Al suo interno il modulo UCS include: oscillatore da 32 KHz VLO REFO DCO Oscillatore ad alta frequenza

23 Elementi hardware Il modulo permette di ottenere un data rate a RF di 1 Mbps. Per verificare questa caratteristica è stato impostato un set-up di misura composta da: Analizzatore di spettro [9 KHz 3.5 GHz] Probe di tipo omnidirezionale(cyb PROETER 10dBm) Transceiver PAN1323ETU Il modulo ANT C7 78 canali RF selezionabili ( MHz) Ultra low power operation Interfaccia seriale di tipo Simple sync/async Potenza trasmessa programmabile fino ad un valore massimo di 4 dbm Sensibilità in ricezione di -86 dbm Data rate a RF di 1 Mbps, modulazione GFSK Fino a 8 canali ANT Modalità di trasmissione: Broadcast, Acknowledged e Burst Message rate a RF fino a 200 Hz ( 8 byte data payload) Message rate a RF minimo 0.5 Hz Rate in modalità Burst pari a 20 Kbps (vero data throughput)

24 Ambienti di sviluppo IAR Permette di generare un firmware da caricare tramite JTAG all interno del micro alloggiato nel socket della scheda di valutazione Visual Studio C++ Usato per la programmazione della chiave ANT

25 Descrizione degli elementi fondamentali Un nodo è caratterizzato da due elementi fondamentali: Host MCU (host controller) Modulo ANT (ANT protocol engine) Host MCU Modulo ANT

26 Descrizione degli elementi fondamentali Un nodo è caratterizzato da due elementi fondamentali: Host MCU (host controller) Modulo ANT (ANT protocol engine) Il dispositivo host (MCU) e il modulo di trasmissione(ant engine) comunicano tramite una simple serial interface, caratterizzata dal seguente flusso: Protocollo binario Pacchetti di lunghezza variabile Ogni pacchetto contiene 8-bit di Checksum Trasmissioni di tipo asincrone vengono realizzate con 1 start, 8 data, 1 stop bit(s) Nessuna parità Porta seriale di tipo full duplex modulo ANT Host MCU simple serial interface

27 Parametri di configurazione del canale Le informazioni seguenti sono necessarie per una corretta configurazione del canale di comunicazione: Channel Type RF Frequency Channel Extended Assignment Channel Period Network Channel ID Transmission Type Device Type Device Number

28 Parametri di configurazione del canale Channel Type Modalità di comunicazione sul canale Channel Extended Assignment Informazioni aggiuntive Device Number, Transmission Type e device Type RF Frequency Frequenza di lavoro RSSI in ricezione Time-stamp 78 canali RF selezionabili ( MHz) a 1MHz ciascuno

29 Parametri di configurazione del canale Channel Period Caratteristica del canale radio con accesso TDMA: S imposta un channel period (es.: 250 ms), all interno del quale usando una tecnica definita adaptive isochronous scheme viene assegnato un time-slot ad ogni trasmettitore All interno di un channel period possono essere presenti 100 o più time-slot, così da dare la possibilità ad un canale di essere condiviso da più trasmettitori Nel caso d interferenza con altri dispositivi è sempre possibile fare uno shift del time-slot assegnato all interno del channel period Network Le tipologie di rete sono:

30 Parametri di configurazione del canale Channel ID Transmission Type Device Type Descrivere le caratteristiche trasmissive del dispositivo che il costruttore dello stesso oppure il gestore della rete gli assegnano Rappresenta la classe o il tipo di ogni dispositivo che partecipa alla rete Device Number Numero univoco per identificare un nodo master all interno di una rete

31 Data type Ci sono tre tipi di data type supportati da ANT: Broadcast, Acknowledged e Burst data. Ognuno dei quali è spedito in 8 byte di pacchetto dati attraverso il canale RF Broadcast (basso duty-cycle)

32 Acknowledged (basso duty-cycle) Protocollo ANT Data type Ci sono tre tipi di data type supportati da ANT: Broadcast, Acknowledged e Burst data. Ognuno dei quali è spedito in 8 byte di pacchetto dati attraverso il canale RF

33 Data type Ci sono tre tipi di data type supportati da ANT: Broadcast, Acknowledged e Burst data. Ognuno dei quali è spedito in 8 byte di pacchetto dati attraverso il canale RF Burst data (alto duty-cycle)

34 Risultati sperimentali Trasmissione di tracciato ECG in modalità broadcasting Trasmesso Ricevuto Byte trasmessi Byte persi Percentuale persi % % % % % %

35 Risultati sperimentali Soluzione Acknowledged applicata al frequency agility inssider La banda viene monitorata alla ricerca di una porzione di spettro libera All interno della stessa la percentuale di pacchetti persi scende drasticamente Byte trasmessi Byte persi % % % Percentuale persi Tramite la soluzione frequency agility questa ricerca viene effettuata in automatico

36 Risultati sperimentali Soluzione Acknowledged applicata al frequency agility Il trasmettitore conta il numero di ack successivi non ricevuti in una comunicazione di tipo Acknowledged Quando viene superata una soglia fissata, il trasmettitore salta alla successiva frequenza Il ricevitore monitora i pacchetti persi saltando alla frequenza successiva nel momento in cui viene oltrepassata anche qui una soglia

37 Risultati sperimentali Entrambi i dispositivi sono sintonizzati alla frequenza GHz Trasmettitore Ricevitore Bande del canale wi-fi occupate

38 Risultati sperimentali Entrambi i dispositivi sono risintonizzati alla frequenza GHz Trasmettitore Ricevitore Bande del canale wi-fi occupate

39 Profili ANT+ ANT+ è una sigla che indica le linee guida da seguire per: permettere a dispositivi realizzati da diverse case produttrici una partecipazione compatibile allo scambio d informazioni

40 Profili ANT+ Heart rate Weight Scale

41 Applicazioni commerciali

42 Applicazioni commerciali Dispositivi commerciali che supportano il profilo Heart Rate WRISTABLEGPS SS-700 Parametro Channel Network Key ANT+ RF Channel 57 Transmissio n Type Device Type Device Number Message Period Search Timeout Valore Slave(0x00) Managed Network Key 0 per attivare il pairing 120 (0x78) (Default =30 secondi) Parametro Channel Network Key ANT+ RF Channel 57 Transmission Device Type Device Number Message Period Valore Master(0x10) Managed Network Key 1(0x01) 120 (0x78)

43 Applicazioni commerciali Dispositivi commerciali che supportano il profilo Heart Rate WRISTABLEGPS SS-700

44 Dispositivi di bridge: Selfloops ANT+ Accessorio per abilitare la connessione di dispositivi Android con sensori ANT+:

45 Soluzione di health monitoring Sistema di segnalazione wireless dei livelli di pressione nel piede in pazienti affetti da neuropatia diabetica La neuropatia diabetica porta la perdita di sensibilità nel piede a causa del danneggiamento delle terminazioni nervose SurroGait Rx System

46 Future applicazioni Connected computing solution, and made it wearable: dual-core processor, android high resolution display Bluetooth 4.0 WiFi ANT+ GPS

47 Future applicazioni