Introduzione a ZigBee Alliance Tutorial ZigBee e al IEEE

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1 Introduzione a ZigBee Alliance Tutorial ZigBee e al IEEE September-November 2005 Bob Heile Chairman, ZigBee Alliance Chair, IEEE Ing. Stefano Maggi Dottore di Ricerca Politecnico di Milano Copyright 2005 ZigBee TM Alliance. All Rights Reserved. martedì 16 gennaio 2007

2 Principali tematiche wireless di oggi Costante ed affidabile disponibilità della comunicazione Interoperabilità Funzionalità plug-and and-play Auto-organizzazione organizzazione della rete Basso consumo di energia Sicurezza della trasmissione Slide 2

3 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 è più 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. Slide 3

4 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 Slide 4

5 Gruppi di lavoro dell IEEE 802.x.x Number Description Contents High Level Interface Treats common aspects of all LANs according to IEEE 802, like for example addressing, management, internet working etc Logical Link Control Defines the LLC protocol (TCP/IP layer 2) CSMA/CD Ethernet protocol standard Token Passing Bus Token bus protocol Token Passing Ring Token ring protocol MAN Treats Metropolitan Area Network standard Broadband Technical Advisory Group Fiber Optical Technical Advisory Group Integrated Voice and Data Networks Network Security Treats security in LANs Advises the other IEEE 802 groups in terms of broadband technology Advises the other IEEE 802 groups in terms of fiber optical technology Treats LAN variants which handle data and voice equally Wireless LAN Treats wireless local networks Base VG AnyLAN Fast LAN standard in competition to Fast Ethernet Cable Data Modem Treats use of cable networks for data communication Wireless Personal Area Networks Treats wireless networks over short distances Broadband Fixed Wireless Wireless networks without mobility (MAN) Slide 5

6 Panoramica wireless dell IEEE 802.x.x WWAN IEEE Distanza WMAN WLAN WPAN ZigBee Bluetooth IEEE WiMax IEEE WiFi a c Velocità di trasmissione (Mbps) Slide 6

7 Caratteristiche generali dell IEEE 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 (2 16 = 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 Slide 7

8 Bande di frequenza e Data Rates BANDA COPERTURA DATA RATE # DI CANALI 2.4 GHz 868 MHz 915 MHz ISM Worldwide 250 kbps 16 ISM Europe 20 kbps 1 ISM Americas 40 kbps MHz Canale 0 2 MHz 915 MHz 26 MHz di banda MHz 902 MHz Canali MHz 2.4 GHz 3 MHz Canali MHz 2.4 GHz 83.5 MHz di banda GHz Slide 8

9 Architettura dell IEEE L implementa solo il Physical Layer e il Data Link (Media Access Control e Logical Link Control) 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: Trasmette una sequenza arbitraria di bit e si occupa delle specifiche elettriche ed elettroniche dell interfaccia di rete. IEEE 802. LLC IEEE /915 MHz PHY Upper Layer Stack IEEE MAC Other LLC IEEE MHz PHY Livelli superiori Livello 2 Livello 1 Slide 9

10 Accesso Wireless Control That Simply al Works canale: modalità superframe Il PAN coo. può assegnare dedicate porzioni del superframe a nodi specifici che lo richiedono.questi slot sono i GTS (GTS1,..GTSn) Contention Access Period GTS 2 GTS 1 Contention Free Period Il superframe è diviso in 16 contigui time-slot Beacon Frame Beacon extension period Contention Access period Contention Free period Segnali di sincronismo, inviati dal coordinatore della rete, che delimitano opportuni 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. Periodo formato da slot (finestre temporali, Guaranteed Time Slot) utilizzate in applicazioni che richiedono un basso tempo di latenza (allarmi, ) Slide 10

11 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 che gestisce 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. Slide 11

12 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 Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header PHY Service Data Unit (PSDU) 6 Ottetti Ottetti Slide 12

13 Struttura dei frame del livello Data Link (1) (MAC Header) MAC Service Data Unit: informazioni specifiche per il (MAC Footer) Beacon Campo di intestazione: frame: utilizzato dal coordinatore tipo frame: struttura per dei la trasmissione dei beacons controllo frame, (segnali di sincronizzazione). Inviato superframe, solo n. di GTS indirizzamento e dal previsti, PAN coordinator ad intervalli indirizzi pendenti e dati (CRC) identificazione del tipo regolari (programmabili). Campo di terminazione: controllo integrità dei dati Synchronization Header: consente al ricevitore di ottenere la sincronizzazione ed inizio frame PHY Header: n. di byte contenuti nel successivo PSDU Slide 13

14 Struttura dei frame del livello Data Link (2) (MAC Header) Campo di intestazione: Data frame: controllo utilizzato frame, per il trasferimento MAC Service dei Data dati Unit: utili indirizzamento e identificazione del tipo dati utili trasmessi (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 Slide 14

15 Struttura dei frame del livello Data Link (3) (MAC Footer) (MAC Header) Acknoledgment frame: utilizzato per confermare l avvenuta Campo di ricezione terminazione: dei frame Campo di intestazione: controllo frame e identificazione del frame 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 Slide 15

16 Struttura dei frame del livello Data Link (4) MAC frame: utilizzato per l invio di comandi specifici per l entità MAC Slide 16

17 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 Slide 17

18 Topologie di rete Peer-to-Peer: ogni nodo può comunicare direttamente con un altro interno alla rete (se si trova dentro alla sua zona di copertura) Stella: ogni nodo può comunicare solo con il coordinatore Cluster Tree: ogni nodo può operare da coordinatore semplice (router) fornendo servizi ad altri nodi. Solo uno di questi coordinatori si può configurare come PAN coordinator PAN coordinator Full Function Device Reduced Function Device Slide 18

19 Topologie di rete: Mesh Network Nodo PAN coordinatore della rete (FFD) Nodo coordinatore semplice (Router) (FFD) Nodo terminale di comunicazione (RFD or FFD) Mesh Link Star Link Slide 19

20 Esempio di funzionamento di una Mesh Network Slide 20

21 Esempio di funzionamento di una Mesh Network Slide 21

22 Esempio di funzionamento di una Mesh Network Slide 22

23 Esempio di funzionamento di una Mesh Network Slide 23

24 Esempio di funzionamento di una Mesh Network Slide 24

25 Tipo di traffico dati Dati periodici Acquisizione dati da sensori, dati di tipo analogico, ecc Dati sporadici Dati di tipo digitale on-off (acceso-spento) Dati ripetitivi a bassa latenza Slide 25

26 Trasferimento Dati (1) Coordinatore (PAN) Nodo di rete Beacon frame Trasmissione Dati al coordinatore: Data frame Acknowledgement frame canale Slide 26

27 Trasferimento Dati (2) Coordinatore (PAN) Nodo di rete Beacon frame Trasmissione Dati dal coordinatore: Data Request frame Acknowledgement frame Data frame Acknowledgement frame canale Slide 27

28 Schema di principio Hardware di un nodo Schematizzazione a blocchi: Slide 28

29 Protocollo dei livelli superiori: ZigBee Applicazione Cliente E un protocollo che definisce le specifiche dei livelli superiori (applicativo e di sicurezza) ZigBee Stack Hardware IEEE Alleanza ZigBee Garantisce la interoperabilità fra i prodotti di diversi costruttori E basato sullo standard IEEE Slide 29

30 Principali punti di forza di ZigBee Basato sullo standard di basso livello (IEEE ) affidabile e robusto Supporta un grande numero di nodi di rete (più di , modalità di indirizzamento breve) Limitata complessità di sviluppo e di implementazione Lunga durata delle pile di alimentazione dei nodi Alta sicurezza di trasferimento dati (basato su Advanced Encryption Standard a 128 bit) Raggio di copertura fra 2 nodi di m Possibilità di creare una Mesh Network (aumento copertura) Basso costo complessivo Slide 30

31 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. Slide 31

32 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. Slide 32

33 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. Slide 33

34 Ottenimento del low power Tutti i nodi della rete utilizzano la modalità sleep sleep, anche per lunghi periodi (utilizzo dei beacons) Il duty-cycle*, dei nodi alimentati a batteria, è molto basso (meno 1%) Bassa potenza trasmessa (qualche mw), viste le ridotte superfici coperte (utilizzo delle Mesh Network) Minime risorse Hardware del nodo Modalità Beaconless Beaconless, utilizzata per le reti i cui nodi vengono alimentati in modo diverso (p.e. dalla rete fissa per la lampada (questo nodo può lavorare costantemente e in ricezione) e a batteria per l interruttore che trasmette solo quando viene azionato) Codifica dell informazione mediante l utilizzo delle chip-sequence (riduzione della potenza trasmessa a parità di BER* in ricezione, pur peggiorando l occupazione di banda) Riduzione della ri-trasmissione dei msg,, combinando la codifica dell informazione precedente, con la tecnica 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] Slide 34

35 Principali tecnologie wireless a confronto Proprietà Wi-Fi Bluetooth ZigBee UWB Frequenza b a 2.4 GHz a 5 GHz 2.4 GHz 868 MHz (in Europa) 915 MHz (in America) 2.4 GHz GHz Data rate Max Range (m) 11 Mbits/s 54 Mbits/s 1 Mbits/s 20 kbits/s 40 kbits/s 250 kbits/s Mbits/s Rete Punto-Multipunto Piconet ad hoc Stella, peer-to-peer, Cluster-tree Punto-a-Punto Complessità Alta Alta Media/Bassa Media Consumo Alto Medio Molto Basso Basso Applicazioni WLAN,trasferimento di file, collegamento ad Internet senza fili Auricolari per connessioni a PC portatili, cellulari, Controllo di ambienti domestici e industriali, monitoraggio di rete di sensori, giochi ed apparecchiature medicali, Applicazioni multimediali (immagini e filmati) Slide 35

36 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, che prevede 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! Slide 36

37 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. Slide 37

38 Brevi considerazioni sul timing (ZigBee) Valori tipici per un nodo configurato di rete: tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete < 30 ms tempo di attivazione di un nodo dalla modalità sleep sleep < 15 ms tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) < 15 ms Slide 38

39 Brevi considerazioni sul timing (Bluetooth) Valori tipici per un nodo configurato di rete: tempo di riconoscimento di un nuovo nodo della rete > 3 s tempo di attivazione di un nodo dalla modalità sleep sleep typ.. 3 s tempo di accesso al canale di un nodo attivo (trasmissione) typ. 2 ms Slide 39

40 Semplicità di ampliamento della rete Nodi terminali (RFD) Coordinatore di rete esistente (PAN coordinator) Slide 40

41 Semplicità di ampliamento della rete Nodi terminali (RFD) Coordinatore di rete esistente (PAN coordinator) Nuovo link stabilito Nuovo coordinatore semplice (router) Slide 41

42 Semplicità di ampliamento della rete Nodi terminali (RFD) Nodi terminali (RFD) Coordinatore di rete esistente (PAN coordinator) Nuovo link stabilito Nuovo coordinatore semplice (router) Slide 42

43 Principali settori di applicazione Sensore / Attuatore Home Automation Building Automation Industrial Automation Automotive Networks Medico Modellismo e giocattoli Slide 43

44 Principali aree di applicazione in Domotica Riscaldamento Illuminazione Idraulica Sistemi di allarme Climatizzazione Azionamenti Controllo accessi Elettrodomestici Slide 44