ZigBee standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto?

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1 TECNOLOGIE standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? ELISA ALESSIO MAURA TUROLLA Venerdì, 9 dicembre 2005: sulle principali testate giornalistiche italiane ed internazionali viene annunciata la ZSIM, SIM card grazie alla quale nel prossimo futuro i cellulari potranno parlare con gli elettrodomestici (il Mattino) o comandare decoder e computer (Il Sole 24 Ore). Grazie alla nuova SIM card, ideata e progettata nei laboratori di Telecom Italia in Torino, il terminale potrà in completa sicurezza connettersi, dialogare, monitorare e controllare reti personali di oggetti siano essi apparati, impianti elettrici e di riscaldamento, sensori locali. Questa ZSIM, utilizza il nuovo standard di trasmissione radio (ape che va a zigzag), pensato per fare interagire i dispositivi a basso costo in un raggio che varia dai pochi centimetri alle decine di metri. Ma di che si tratta? seguiteci nella lettura di queste pagine per scoprire le potenzialità di questa tecnologia e i possibili scenari che la soluzione ZSIM consente. 1. La tecnologia è una tecnologia radio di prossimità nata nel 2004, dalla necessità di definire uno standard di comunicazione wireless per la creazione di reti di micro-dispositivi che rispondano ai seguenti paradigmi: bassi costi, consumi limitati, utilizzo di frequenze libere, scalabilità, affidabilità, interoperabilità e sicurezza. opera su frequenze libere della banda UHF (868 e 915 MHz) e ISM (2.4 GHz), con velocità di trasmissione dati che arrivano al massimo a 250 kbit/s. Essendo una tecnologia di prossimità, il raggio di azione non supera le decine di metri su singola tratta (single-hop), ma si estende a chilometri se si sfrutta il multi-hop, cioè la possibilità di far transitare l informazione da un nodo all altro fino al nodo destinazione, che, non trovandosi nel raggio d azione del nodo sorgente, non può essere raggiunto direttamente. è nato per realizzare reti di tipo Wireless Personal Area Network (WPAN), cioè reti personali di dispositivi intelligenti e multifunzione, in grado di integrare sensori ed attuatori per la traduzione in dati di stimoli esterni di varia natura, che si riconfigurano dinamicamente per formare reti ad hoc, adattabili al contesto in cui si inseriscono. Le caratteristiche principali di reti di questo tipo sono l adattabilità e la flessibilità, proprie del termine ad hoc, in cui i nodi si auto-configurano, cioè si uniscono ad una rete e scoprono in maniera automatica il loro ruolo all interno della rete stessa. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno

2 ALESSIO TUROLLA standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? Il protocollo è stato standardizzato dalla Alliance alla fine del 2004 e si basa sullo standard IEEE (approvato nel 2003) per il livello fisico e il livello di accesso al mezzo condiviso (livello MAC Medium Access Control). La Alliance, di cui Telecom Italia fa parte dal luglio 2004, è un associazione non-profit di circa 150 aziende (tra cui Mitsubishi, Motorola, Philips, Siemens, Samsung, Texas Instruments) che operano nel campo di semiconduttori, tecnologia hardware e software, sistemi di comunicazioni, prodotti end-user. Questa alleanza ha elaborato, in collaborazione con IEEE, uno standard aperto finalizzato ad un mercato globale per micro-dispositivi intelligenti in grado di configurarsi in una rete ad hoc e adatti al controllo remoto e all automazione. Lo stack protocollare (figura 1) specifica i livelli di rete, sicurezza e applicazione. La standardizzazione si spinge fino a livello applicativo, definendo profili applicativi specifici che garantiscono l interoperabilità tra produttori diversi che possono coesistere con profili privati proprietari. Specification v1.0 December 2004 IEE Approved May 2004 Application Application Band Coverage Data APPLICATION/PROFILES APPLICATION FRAMEWORK NETWORKS/SECURITY LAYERS MAC LAYER PHY LAYER # of Channels Un requisito fondamentale per reti di dispositivi che devono poter operare anche in ambienti esterni, con costi e tempi di manutenzione molto bassi, o essere integrati in sistemi con risorse di potenza limitate, è la riduzione del consumo Rx Sensitivity energetico. garantisce consumi limitati (dell ordine di qualche decina di ma) quando i nodi sono attivi in trasmissione/ricezione e permette modalità di risparmio energetico (con consumi minori di 1 ma), in cui il nodo può essere messo in stato dormiente (sleep mode) e risvegliarsi, per esempio in base ad un timer prestabilito. Questo consente di avere tempi di vita dei dispositivi medio-lunghi, che arrivano anche ad alcuni anni per quelle applicazioni in cui il nodo ha un tempo di attività (duty cycle) basso: un esempio potrebbe essere una rete di sensori distribuiti sul territorio per il monitoraggio di parametri ambientali, in cui i nodi si risvegliano solo per il tempo necessario alla trasmissione dei campioni prelevati. Spesso si sente parlare di Bluetooth (IEEE ) e di come di due tecnologie radio per reti personali wireless che si competono. Le differenze principali rispetto alla tecnologia Bluetooth, si possono riassumere nella realizzazione di dispositivi a minore dissipazione di energia e con più efficienti caratteristiche di connettività di rete, intese come una veloce riconfigurabilità della rete stessa nel caso di caduta o aggiunta di un nodo ed un maggior numero di dispositivi connessi. Un vantaggio fondamentale di, rispetto al Bluetooth, è la sicurezza che viene garantita a tutti i livelli della pila protocollare, abilitando anche servizi nell ambito dei pagamenti e delle transazioni private, in cui la protezione dei dati è cruciale. Inoltre, rispetto a sistemi Bluetooth, in si fa riferimento ad una banda limitata per la Modulation 2.4 GHz ISM Worldwide 250 kit/s dbm O-QPSK 868 MHz Europe 20 kbit/s 1-92 dbm BPSK 915 MHz ISM Americas 40 kbit/s dbm BPSK BPSK ISM MAC QPSK Binary Phase Shift Keying Inustrial Scientific and Medical Medium Access Control Quadrature Phase Shift Keying Platform Stack FIGURA 1 Stack protocollare e frequenze utilizzate. Silicon trasmissione dei dati (250 kbit/s rispetto a 1 Mbit/s), e a tipologie di rete che non si limitano a comunicazioni punto-punto: per questi motivi, Bluetooth e sono da considerarsi come due tecnologie concepite essenzialmente per ambiti applicativi diversi (tabella 1). A differenza di altre tecnologie di prossimità quali RFID (Radio Frequency IDentification), ed in particolare NFC (Near Field Communication), permette la formazione di reti ad hoc autoconfigurabili, capillari e pervasive, con un numero di nodi molto elevato (nominalmente fino a ), che comunicano tra loro con distanze che vanno da metri (single-hop) a chilometri, sfruttando il multi-hop. Un punto chiave di questa tecnologia rispetto a quella RFID è che scompare il binomio di tag e lettore, in quanto qualunque nodo della rete può scambiare dati con gli altri nodi ed essere configurato tramite software per svolgere funzioni diverse. 118 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

3 ALESSIO TUROLLA standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? Standard IEEE Bluetooth WiFi UWB RFID IEEE b/g IEEE Big Rate 2.1 Mbit/s (v.2.0) 11/54 Mbit/s 480 Mbit/s Range (per single hop) La flessibilità e la scalabilità sono garantite anche dal fatto che sono previsti due tipi di nodi: i più evoluti con piene funzionalità denominati FFD (Fully Function Device) e quelli con funzionalità ridotte (foglie) denominati RFD (Reduced Function Device). Gli FFD possono comunicare con qualsiasi altro nodo, mentre gli RFD possono dialogare solo con gli FFD: in questo modo si possono realizzare diverse tipologie di rete, che non si limitano a semplici configurazioni a stella (star), ma supportano anche reti magliate (mesh) e reti a tipologia mista (cluster tree), in cui sottoreti a stella (un FFD che coordina diversi RFD) si interfacciano mediante collegamenti diretti fra FFD. Le configurazioni di rete proprie di (figura 2) prevedono la scelta ISO/EPC Global kbit/s <10m < 100 m < 40 m < ~ 1 80 m m pass. att. IEEE kbit/s < 80 m (Km per m-hop) Cost Medium High Medium Low Low Security Level Low Medium Medium Medium High Network Topology Star only Star typically / Energy Consumption Medium High Medium Low Very low RFID Radio Frequency IDentification UWB Ultra Wide Band WiFi Wireless Fidelity TABELLA 1 Confronto tra tecnologie di prossimità. Star Mesh Diverse soluzioni per diversi ambiti applicativi Star -> Reader Star, Cluster tree, Mesh di un nodo con funzionalità di coordinatore della PAN (Personal Area Network), Coordinator, responsabile principalmente della formazione della rete e della gestione centralizzata della sicurezza. Gli altri nodi possono essere degli instradatori, Routers, nel caso in cui siano connessi con più di una unità, o semplici foglie della rete, End Device, nel caso di connessione ad un singolo elemento. Il coordinatore ed i nodi instradatori devono quindi essere dispositivi FFD, mentre i nodi foglia possono essere di tipo RFD. Le caratteristiche di auto-configurabilità e autoadattività permettono alla rete di modificarsi al variare delle condizioni operative e di autoconfigurarsi, scegliendo dinamicamente i nodi e gestendone la connettività, a seconda dell ambiente applicativo. L utilizzo di tipologie magliate permette di massimizzare l affidabilità complessiva della rete, garantendo la possibilità di distribuire l informazione su percorsi diversi. Inoltre, attraverso il processo di trasferimento dell informazione hop-by-hop tra i nodi, è possibile arrivare ad una copertura estesa del territorio anche avendo a disposizione singoli collegamenti a portata limitata. Uno dei principali vantaggi di rispetto ad altre tecnologie wireless di prossimità, come il Bluetooth, è l elevato livello di sicurezza, che viene supportata a livello di collegamento tra due nodi, ma anche a livello rete e applicativo. I servizi di sicurezza forniti da includono meccanismi e protocolli per la generazione e il trasporto sicuro delle chiavi, la protezione delle trame e la gestione dei dispositivi. La protezione dei dati è garantita da algoritmi di crittografia avanzati (AES a 128 bit) e da meccanismi di integrità e autenticazione per proteggere il tutto da eventuali attacchi provenienti da dispositivi non autorizzati che tentano di accedere alla rete o al contenuto informativo trasmesso. E definito anche un concetto di Trust Center, per la gestione centralizzata della sicurezza, a livello di politiche e aggiornamento delle chiavi. Cluster Tree FIGURA 2 Topologie di rete. coordinator Routers End Devices 2. Gli ambiti applicativi Il campo di applicazione è vastissimo sia in ambito indoor che outdoor e va dalla domotica all automazione industriale, dall'elettronica di consumo al Machine to Machine (M2M), fino alle reti di sensori per il monitoraggio dell ambiente. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno

4 ALESSIO TUROLLA standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? Nella figura 3 sono indicate le principali aree applicative, tra cui particolarmente interessanti sono anche gli utilizzi nel settore dell health-care per la teleassistenza ed il monitoraggio dei pazienti in ambito bio-medicale, ma in generale per applicazioni in cui i sensori sono pensati per migliorare la qualità della vita di ciascun individuo. Nella figura 4 si può osservare una previsione della crescita di mercato di, suddivisa per settori applicativi. Per garantire l interoperabilità tra prodotti di fornitori diversi, la Alliance prevede la creazione di profili applicativi standard: il primo profilo che verrà standardizzato (entro la prima metà del 2006) sarà quello di automazione domestica per il controllo di impianti di illuminazione, di riscaldamento e condizionamento e di altri sensori ed attuatori utilizzabili in ambito residenziale. Tramite la tecnologia sarà possibile quindi accendere e spegnere le luci di casa, controllare da remoto elettrodomestici e altri apparati quali il televisore o il digitale terrestre, per esempio per la programmazione, l acquisto e la visualizzazione di contenuti multimediali. In ambito outdoor ci si sposta dalla casa ad ambienti esterni quali la città, per arrivare ad un paradigma di città digitale intelligente, in cui la tecnologia può essere utilizzata per: monitoraggio dei parametri ambientali, quali la temperatura, l inquinamento, ; servizi di infomobilità, come le informazioni di viabilità, di turismo, ; pagamenti e gestione dei parcheggi; controllo accessi; servizi di mobile-commerce e ticketing, quali il pagamento dei mezzi di trasporto (bus, treni), l accesso al cinema, teatro, museo,. Security Access Control HEALTHCARE BUILDING AUTOMATION FIGURA 3 Applicazioni. Shipments (millions) 1,200 1, INDUSTRIAL CONTROL AUTOMOTIVE HOME AUTOMATION 3. dentro il telefonino APPLIANCE CONTROL ENVIRONMENTAL MONITORING Remote Control: TV VCR DVD/CD - Security - Air Conditioning Control - Lightining - Access Control - Appliance Control L integrazione della tecnologia Zigbee sui terminali consente all utente di interagire direttamente con le reti ad hoc e di sensori presenti nell ambiente, aprendo importanti scenari applicativi e di utilizzo. Therabyte di dati, veicolati attraverso le reti dell operatore verso i centri servizi, vengono raccolti, correlati ed elaborati, trasformandosi in informazioni utili per il nostro vivere quotidiano. Si creano così sistemi di reti eterogenee nei quali le Wireless Personal Area Networks e le reti Home Automation, 57% Home Networking, 14% Industrial Automation, 15% Utilities, 5% Building Automation, 4% CE/Gaming, 3% Likely Optimistic FIGURA 4 Crescita di mercato per ambiti applicativi. Pessimistic 120 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

5 ZSIM OK :37 Pagina 121 ALESSIO TUROLLA standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? tradizionali dell operatore cooperano per monitorare e controllare ambienti Service quali la casa, l auto, la città. Center NETWORK Il nodo gateway, elemento chiave deloperator l interazione con la rete di distribuzione, INFRASTRUCTURE integrato nell ecosistema dell operatore può configurarsi come un terminale Network mobile (Smartphone, PDA - Personal Digital Assistant) o fisso (per esempio, Access Gateway) in cui viene integrato un nodo (figura 5). I nodi sensori delle reti ad hoc, come si è visto in precedenza in questo articolo, sono tipicamente caratterizzati da FIGURA 5 Gateway integrato su terminale. scarse risorse computazionali, di memoria ed energetiche: l integrazione del nodo gateway su terminale consente ed interferenze grazie ai meccanismi di sicurezza invece di superare tali limitazioni, utilizzando le nativi nello standard abbinati alle tecniche risorse del terminale stesso. di autenticazione ed identificazione proprie delle In questo contesto eterogeneo l architettura di SIM card, quali il codice identificativo conosciuto rete include stazioni base per l accesso alla rete solo dall utilizzatore, il PIN (Personal Identification fissa, terminali fissi e mobili per il trasferimento Number). dell informazione, nodi di sensori distribuiti; si consostituendo la SIM tradizionale con una ZSIM il figura perciò come un architettura ibrida che telefonino si trasforma quindi in un telecomando coniuga l accesso wireless a reti tradizionali con lo intelligente che interagisce con le reti di utilità che scambio di informazioni tipico delle reti ad hoc, ognuno di noi potrà creare in un prossimo futuro in sfruttando nuovi paradigmi di instradamento basati casa propria formate da elettrodomestici, compusu architetture gerarchiche. Questi paradigmi fanno ter, stereo, tv, decoder impianti di luci e riscaldaleva su sinergie tra le capacità di trasmissione, e mento. quindi di trasferimento dati, proprie dei nodi sensori e di terminali 2.5/3 G. L operatore, in questo scenario di rete pervasiva fisso/mobile estesa ad un ambiente sempre più intelligente, può giocare così un ruolo strategico importante, creando un ecosistema unico di cui assumere il controllo, non solo come trasportatore di dati, ma identificandosi come garante di sicurezza e affidabilità (fidelizzazione del cliente) e gestore della personalizzazione ed integrazione con i bisogni e le esigenze dell utente. 4. Telecom Italia e : la nostra storia Abbiamo già accennato al fatto che Telecom Italia è entrata nel luglio 2004 nella Zigbee Alliance, avviando sin da subito attività di ricerca nei propri laboratori di Torino per studiare e comprendere le potenzialità di questa nuova tecnologia e valorizzarne lo sfruttamento da parte dell operatore. Nei laboratori torinesi nel corso del 2005 si sono realizzati i primi prototipi di periferiche con nodi Zigbee integrabili su terminali commerciali. In particolare è stato sviluppato il primo prototipo di ZSIM, nodo integrato su SIM card (figura 6), il microchip presente sui terminali mobili che contiene i dati del cliente e i protocolli di connessione alla rete del gestore telefonico. L integrazione in una carta SIM offre molteplici vantaggi: la soluzione è portabile, in quanto indipendente dal terminale utilizzato, sicura e fortemente correlata all utente ed al suo profilo di servizio. La ZSIM garantisce la sicurezza delle transazioni, perché può tutelare l utilizzatore da intrusioni FIGURA 6 Prototipo di ZSIM, SIM con nodo integrato. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno

6 ZSIM OK :37 Pagina 122 ALESSIO TUROLLA standard di trasmissione emergente: una rivoluzione in atto? Il telefonino potrà interagire con il decoder tv ed acquistare la partita della squadra del cuore, il film preferito oppure consentire la ricarica della smart card prepagata senza più recarsi ad un punto autorizzato. Con la ZSIM Telecom Italia darà il via ad una nuova generazione di servizi che faciliteranno la vita quotidiana: acquisteremo biglietti al cinema senza più dover fare lunghe code, accederemo a servizi di e-government, interagiremo con l ambiente per monitorare l inquinamento e il traffico. Home Automation & Control Lights, HVAC, Domestic appliances Entertainment (e.g. DTT) Healthcare, Tele-assistance Distribution Monitoring & Security Network (e.g. temperature, gas) Smart Home Mobile Terminal Z-SIM Service Center M-Commerce m-payments (bar, shops, supermarket) m-ticketing (cinema, train, bus) Digital Smart City Access Control Parking payment system Informobility services (e.g. traffic control) Environmental Monitoring Localization FIGURA 7 ZSIM abilitatore di servizi ICT innovativi. 5. Conclusioni è una tecnologia radio emergente che permette la creazione di reti ad hoc di oggetti intelligenti, abilitando una moltitudine di servizi innovativi che spaziano dall automazione domestica al monitoraggio dell ambiente. Grazie all integrazione di questa tecnologia in terminali fissi e mobili che si configurano come gateway, connettendo il mondo delle reti di sensori alle reti di distribuzione tradizionali dell operatore, l informazione si arricchisce e diventa pervasiva ed accessibile ovunque. Nei laboratori di Torino di Telecom Italia è stato ideato e realizzato un prototipo di nodo integrato in una SIM card. I limiti di spazio, le problematiche di irradiazione e le risorse limitate che caratterizzano una SIM rappresentano una grande sfida tecnologica. Puntando su una crescente diffusione della tecnologia sia in ambienti esterni che interni, le potenzialità dei servizi abilitati dalla ZSIM sono limitate solo dalla fantasia. La ZSIM permetterà ad ogni cellulare di trasformarsi in un telecomando in grado di controllare apparati domestici e di interagire con il decoder e la TV per acquistare contenuti multimediali, e di utilizzare i terminali mobili come borsellini elettronici abilitando servizi di m-commerce e ticketing, per esempio, per accedere a cinema e teatri, evitando lunghe file di attesa (figura 7). La ZSIM consentirà all utente di interagire direttamente con l ambiente che lo circonda, abilitando servizi plug&play, affidabili, sicuri e personalizzati. Maura Turolla si è laureata in ingegneria elettronica presso il Politecnico di Torino. Dal 1985 in CSELT ha progettato circuiti integrati digitali VLSI complessi per applicazioni ICT, in particolare componenti e sottosistemi industriali per applicazioni ATM, Asynchronous Transfer Mode. In Telecom Italia è responsabile di Hw e Sw Innovation in Technology/Innovation and Engineering, gestisce attività e progetti su tecnologie emergenti per terminali mobili, piattaforme HW e SW per terminali, sistemi operativi embedded, ICCARD, RFID e smartdevices. Maura Turolla è autrice di numerosi brevetti, ha pubblicato diverse memorie e articoli a congressi internazionali su progettazione VLSI, prototipazione, sviluppi CAD, tecnologie emergenti per terminali ed applicazioni ICT. 122 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 1 - Giugno 2006 ABBREVIAZIONI BPSK FFD ICT ISM M2M MAC NFC PAN PDA PIN QPSK RFD RFID SIM UHF UWB WPAN Binary Phase Shift Keying Full Function Device Information and Communications Technology Industrial, Scientific and Medical Machine to Machine Medium Access Control Near Field Communication Personal Area Network Personal Digital Assistant Personal Identification Number Quadrature Phase Shift Keying Reduced Function Device Radio Frequency Identification Subscriber Identity Module Ultra High Frequency Ultra Wide Band Wireless Personal Area Network Elisa Alessio si è laureata con lode in Ingegneria delle Telecomunicazioni presso il Politecnico di Torino nel Nello stesso anno è entrata in TILAB nel gruppo di Networking dell area System on Chip, occupandosi di Optical Transport Network e di architetture e sviluppo SW per sistemi embedded e soluzioni avanzate di Network Processor. Si è occupata di sicurezza dei dati e delle comunicazioni per una soluzione HW/SW di cui è stato realizzato un circuito integrato, adatto per essere integrato in sistemi embedded, quali terminali mobili e fissi. Nel 2003 ha iniziato ad occuparsi delle tecnologie radio RFID e. Attualmente fa parte dell area HW and SW Innovation in Telecom Italia Innovation and Engineering Services dove si occupa delle attività relative alla tecnologia e alla sua integrazione nell ecosistema dell operatore, tramite l utilizzo di periferiche evolute, quali la ZSIM.