pogl 18 bezicne komunikacije bezicni lan 802 11 ekstenzija4

7/28/2019 Pogl 18 Bezicne Komunikacije Bezicni LAN 802 11 Ekstenzija4

1/39

1. Beini LAN-ovi

Danas, poetkom dvadeset i prvog veka, beine komunikacije su bez sumnjetehnologija koja se najbre razvija. Zahtevi za povezivanjem uredjaja bez kablova su sveizraeniji. Beine LAN-ove sreemo danas u hotelima, na univerzitetima, u industriji,

kancelarijama, javnim objektima, i na druga mesta. U materijalu koji sledikoncentrisaemo se na objanjenju osnovnih principa rada beinih LAN tehnologijatipa: IEEE 802.11 beini LAN-ovi (WLAN-ovi), esto nazvani beini Ethernet.

1.1 Beini u odnosu na iane LAN-ove

Pre nego to se upustimo u analizu koja se odnosi na specifinosti protokola kod beinihLAN-ova ukazaemo prvo na njihove arhitekturne specifinosti.

1.1.1 Medijum

Prva razlika koja se uoava izmeu ianih i beinih LAN-ova odnosi se na medijum zaprenos podataka. Kod ianih LAN-ova povezivanje host-ova vri se pomou ica ilikablova, a kod beinih pomou etra. Kod oba tipa mree sledea dva aspektakomuniciranja su vana: tehnikama koje se koriste kod viestrukog pristupa medijumu zaprenos i nainima na kojima se ostvaruje komunikacija tipa taka ka taki. Kod ianihLAN-ova o problemima koji su tipini za viestruki pristup medijumu (multiple access),tj. konceptu CSMA/CD i pristupu tipa taka-ka-taki (point-to-point access) smo vegovorili kod Ethernet-a (odnosi se na nekomutirane veze). Sa druge strane, kodkomutiranih LAN-ova sa ostvarenom komutacijom na nivou veze, komunikacija izmeuhost-ova je tipa taka-ka-taki i potpuni dupleks.Kod beinih LAN-ova medijum za prenos je vazduh tako da se signal emituje svima

(broadcast). Kada host-ovi kod beinih LAN-ova meusobno komuniciraju oni dele istimedijum. U retkim situacijama mogue je kreirati izmeu dva beina host-akomunikaciju tipa taka-ka-taki koristei pri tome ogranieni propusni opseg i dvebidirekcione antene. U tekstu koji sledi diskusija bie orijentisana ka reavanju problemakoji se odnose na viestruki pristup medijumu, tj. korienju MAC protokola.

1.1.2 Host-ovi

Kod beinih LAN-ova host je uvek povezan na svoju mreu u taki koja ima fiksnuadresu na nivou veze pri emu je ta adresa definisana od strane mrene kartice ( networkinterface card - NIC) instalirane u host-u. Pri ovome treba naglasiti da je moguepremetati host sa jedne take u Internetu na drugu taku. U ovom sluaju adresa nanivou veze ostaje ista, ali se njegova mrena adresa menja. No, pre nego to hostmoe dakoristi usluge Interneta on mora fiziki da se povee na Internet.Kod beinih LAN-ova, host nije fiziki povezan na mreu, on se moe slobodnopremetati sa jednog mesta na drugo, a pri tome moe da korisit usluge (servise) kojeprua ta mrea. To znai da mobilnost host-ova predstavlja kljunu razliku izmeuianih i beinih mrea.


2/39

1.1.3 Izolovani LAN-ovi

Koncept iano izolovanih LAN-ova razlikuje se u odnosu na beino izolovane LAN-ove. Kod iano izolovanih LAN-ova skup host-ova povezan je preko komutatora nanivou veze. Kod beinih izolovanih LAN-ova, nazvani ad hoc mree, skup host-ova

meusobno slobodno komunicira. Koncept komutatora na nivou veze ne postoji kodbeinih LAN-ova. Na slici 1 prikazani su izolovani LAN-ovi kod oba tipa mrea.

Slika 1. Izolovani LAN-ovi: iani u odnosu na beine

1.1.4 Izolovani LAN-ovi

iani LAN-ovi se povezuju na druge mree (tipino je to kod Interneta) preko rutera.Beini LAN se takoe moe povezati na iani LAN, ili na drugi beini LAN. Na slici2 prikazani su naini povezivanja ianih i beinih LAN-ova.

Slika 2. Povezivanje ianih i beinih LAN-ova sa drugim mreama

Kao to se vidi sa slike 2, beini LAN se naziva infrastrukturna mrea, a povezivanje naianu infrastrukturu kakav je Internet, ostvaruje se preko ureaja nazvan taka-pristupa(access point - AP). Komunikacija izmeu AP-a i beinih host-ova se ostvaruje u

uslovima koji vae za beino okruenje, dok se komunikacija izmeu AP-a iinfrastrukture deava u ianom okruenju.

1.1.5 Premetanje izmeu okruenja

Oba LAN-a, iani i beini, operativni su na nia dva nivoa TCP/IP skupa protokola. Toznai da ako u nekoj zgradi imamo iani LAN koji je povezan preko rutera ili modemana Internet, tada sve to treba uraditi da bi se prebacili sa ianog okruenja na beino


3/39

okruenje je sledee: Kao prvo, u svoju PC mainu treba promeniti mreni interfejskarticu namenjenu za rad u ianom okruenju sa mrenom interfejs karticomprojektovana za rad u beinom okruenju, a kao drugo, u mrenoj instalaciji zamenitikomutator na nivou veze sa takom pristupa a to je zadatak mrenog operatora. Kodove promene, dolazi do promene adrese na nivou veze (menja se mrena kartica NIC), ali

adresa na nivou mree (IP adresa) ostaje nepromenjena.1.1.6 Karakteristike

Postoji nekoliko karakteristika koje su tipine za beine mree. Ukazaemo na neke odnjih.

Slabljenje

Slabljenje elektromagnetnog signala du prenosnog puta je veliko. Kroz vakuum islobodan prostor srazmerno je sa d2 (d je rastojanje izmeu predajnika i prijemnika), a u

sredinama gde postoje prepreke (industrijski ambijent ili naseljene sredine) srazmerno je,u najgorem sluaju, sa d3.5.

Interferencija

Prijemnik moe da prima signale ne samo sa namenskog predajnika, nego i sa drugihpredajnika koji koriste isti frekventni opseg.

Viestruka propagacija signala

Prijemnik moe da primi vie od jednog signala od istog predajnika jer seelektromagnetni talasi reflektuju od objekata kakvi su zidovi, zemlja, i dr. Kao rezultat,do prijemnika pristiu signali sa razliitim fazama (signali prolaze razliite puteve) to usutini oteava proces dekodiranja.

Greke

U odnosu na iane, kod beinih mrea pojava greaka u prenosu je ea, a takoe isam postupak detekcije je neto sloeniji. Nivo greaka se esto indirektno procenjujemerenjem odnosa signal-um (signal to noise ratio - SNR). Ako je odnos SNR veliki, toznai da je signal jai u odnosu na um (neeljeni signal) pa je lako konvertovati signaleu aktuelne podatke. Sa druge strane, kada je SNR mali, signal je slab a um veliki pa jetada tee izdvojiti podatke.

1.2 Upravljanje pristupom

Jedan od veoma vanih aspekata u toku rada beinih LAN-ova odnosi se na upravljanjepristupom deljivom medijumu za prenos podataka (tj. etru). Kao to je poznato, kodstandardnog Ethernet-a pristup medijumu je definisan CSMA/CD algoritmom. Kod ovog


4/39

metoda svaki hostse takmii da pristupi medijumu, a alje svoj okvir kada ustanovi da jemedijum slobodan. Ako doe do kolizije, ona se moe detektovati, pa se okvir ponovoalje. Detekcija kolizije kod CSMA/CD se korisit za dve namene. Ako se kolizijadetektuje, to znai da okvir nije primljen i da ga treba slati iznova. Ako kolizija nijedetektovana, tada prijemnik alje ACK ili NACK poruku predajniku.

CSMA/CD algoritam kod beinih LAN-ova ne radi korektno iz sledea tri razloga:1. Da bi detektovao koliziju, host treba istovremeno da predaje i prima (predajeokvir, a prima signal kolizije) to znai da host treba da radi u dupleks reimurada. Beini host-ovi nemaju dovoljnu energiju da obavljaju ove aktivnosti jer suobino baterijski napajani ureaji. Drugim reima, istovremeno beini hostmoesamo da preda ili prima, a ne i jedno i drugo. Pored toga vano je istai i sledee:Kako je amplituda prijemnog signala mnogo manja, veoma je teko realizovatiprijemnik koji e izdvojiti prijemni signal od predajnog signala (prijemni signalbie tretiran vie kao um).

2. Zbog postojanja problema skrivene stanice (hidden station) javljaju se ozbiljniproblemi u toku prenosa. Naime, stanica koja predaje je nesvesna da postoji druga

stanica koja istovremeno predaje ako izmeu te dve stanice postoji neka prepreka,to znai da detekcija kolizije nije mogua. Na slici 3 prikazan je problemskrivene stanice. Oblast ujnosti (pokrivenosti) stanice B je leva elipsa (sfera uprostoru), tako da svaka stanica koja se nalazi u ovoj oblasti moe da uje stanicuA. Sa druge strane, oblast ujnosti stanice C je prikazan desnom elipsom na slici3, tako da svaka stanica koja se nalazi u ovoj oblasti moe da uje stanicu C. Onoto treba uoiti je sledee: Stanica C je van ujne oblasti stanice B, i obratno, B jevan ujne oblasti C. Stanica A se nalazi u oblasti ujnosti kako stanice B tako i C.Pretpostavimo sada da stanica B alje podatke stanici A. U toku prenosa i stanicaC poinje sa slanjem podataka stanici A. Poto C ne vidi B, ona zakljuuje da jemedijum za prenos slobodan i zbog toga poinje sa prenosom. Kao rezultat, dolazido kolizije u taki A.

3. Rastojanje izmeu stanica moe biti veliko. Feding signala moe da dovede dotoga da jedna stanica ne moe da oslukuje drugu koja se nalazi na drugom kraju.

Da bi se izbegli ovi problemi kod beinih LAN-ova korisit se tehnika CSMA/CA(Carrier Sence Multiple Access with Collision Avoidance).

Slika 3. Problem skrivenih terminala


5/39

1.3 IEEE 802.11

Organizacija IEEE je definisala specifikacije (u formi standarda) za WLAN-ove, nazvaneIEEE 802.11. Ovim specifikacijama definiu se karakterisitke sistema na fizikom nivou

i na nivou veze. U nekim zemljama kao sinonim za WLAN koristi se termin Wi Fi(Wireless Fidelity).

1.3.1 Arhitektura

Standardom IEEE 802.11 definisana su sledea dva tipa servisa (usluga):a) Skup osnovnog servisa (basic service set - BSS), ib) Proireni skup servisa (extended service set - ESS).1.3.2 Osnovni skup servisa

IEEE 802.11 definie BSS kao gradivni blok WLAN-a. BSS se sastoji od stacionarnih ilimobilnih beinih stanica i opciono centralne bazne stanice, poznata kao taka-pristupa(access point- AP). Na slici 4 prikazana su dva skupa ovog standarda.BSS bez AP-a je samostalna mrea koja ne moe slati podatke drugim BSS-ovima. Zaovaj tip mree kaemo da karakterie ad-hoc arhitektura. Kod ad-hoc arhitekture stanicemogu formirati mreu bez potrebe da postoji AP, pri emu se stanice mogu meusobnolocirati i sloiti (dogovoriti) da budu deo BSS-a.BSS-ovi kod kojih postoji AP nazivaju se infrastrukturne mree.

Slika 4. Skupovi osnovnih servisa

1.3.3 Proireni skup servisa

ESS ine dva ili vei broj BSS-ova koji imaju AP-e. U ovom sluaju BSS-ovi supovezani preko distribucionog sistema, koji je obino izveden kao iani (wiredLAN).Distribucioni sistem povezuje AP-ove od BSS-ova. Standardom IEEE 802.11 neograniava se obim distribucionog sistema; on moe biti bilo koji IEEE LAN kakav jerecimo Ethernet. Treba naglasiti da ESS koristi dva tipa stanica: mobilne i stacionarne.


6/39

Mobilne stanice su standardne stanice u okviru BSS-a. Stacionarne stanice su AP stanicekoje su deo ianog LAN-a. Na slici 5 prikazan je ESS.

Slika 5. Proireni skupovi servisa

Kada su BSS-ovi povezani, stanice koje se nalaze na meusobno vidljivomrastojanju mogu meusobno komunicirati bez posredstva AP-a. Komunikacija izmeudve stanice koje pripadaju razliitim BSS-ovima obino komuniciraju preko AP-ova.

1.3.4 Tipovi stanica

U zavisnosti od stepena mobilnosti kod WLAN-ova, standardom 802.11 se definiusledea tri tipa stanica:i) bez mobilnosti (no-transition),ii) mobilnost u okviru BSS-a (BSS transition), iiii) mobilnost izmeu ESS-a (ESS transition mobility).

Stanica tipa no-transition ne karakterie mobilnost i stacionarnog je tipa. To znaida se ona, u krajnjem sluaju, moe premetati samo u okviru BSS-a. Stanica kojukarakterie BSS mobilnost moe se premetati iz jedne BSS mree u drugu, ali je tamobilnost ograniena u okviru jednog ESS-a. Stanica se moe premetati sa jednog ESS-a na drugi, ali se u toku selibde standardom 802.11 ne garantuje neprekidna (kontinualna)komunikacija.

1.4 MAC podnivo

Kod protokola 802.11 postoje sledea dva razliita MAC podnivoa:1) Distribuirana koordinisana funkcija (distributed coordination function - DCF), i2) Takasto koordinisana funkcija (point coordination function - PCF).

Na slici 6 prikazan je odnos izmeu ova dva MAC podnivoa, LLC podnivo i fiziki nivo.


7/39

Slika 6. MAC nivoi kod standarda 802.11

1.4.1 Distribuirana koordinisana funkcija

Jedan od dva protokola definisan od strane IEEE na MAC podnivou naziva se DCF. Kaometod pristupa mrei DCF koristi CSMA/CA.Kolizije kod beinih mrea, koje svoj princip rada zasnivaju na CSMA/CA metodipristupa, izbegavaju se korienjem sledee tri strategije (vidi sliku 7):

a) razmakom izmeu okvira (interframe space - IFS),b) prozorom za izbegavanje sudara (contention window), ic) pozitivnom potvrdom (acknowledgment).


8/39

Slika 7. Dijagram toka upravljanja kod CSMA/CA pristupa

i) IFS kolizije izbegavaju se na taj nain to se ne dozvoljava poetak prenosa odmahnakon prve detekcije da je kanal slobodan. To znai da kada se detektuje prvi trenutakkada je kanal slobodan eka se (ne vri prenos) odreeni vremenski period nazvan IFS.

Vreme definisano od strane IFS-a omoguava signalu poslatom sa udaljene stanice dapristigne do eljene stanice. Nakon isteka IFS-a stanica moe da alje. Promenljivi IFS semoe koristiti radi odreivanja prioriteta stanica ili tipova okvira koji se predaju. Tako naprimer, stanica kojoj je dodeljen krai IFS ima vii prioritet.ii) Contention window odnosi se na iznos vremena koje se deli na slotove. Stanica kojaje spremna za predaju izabira proizvoljni broj slotova kao svoje odgovarajue vremeekanja pre poetka prenosa. Broj slotova u prozoru menja se po binarnojeksponencijalnoj back-offstrategiji. To znai da se prozor prvo postavlja na jedan slot, a


9/39

zatim se duplira svaki put kada stanica ne moe da detektuje slobodan kanal nakon istekaIFS vremena. Ono to je vano istai je sledee: Stanica treba da oslukuje kanal nakonsvakog vremenskog slota. No, kada stanica ustanovi da je kanal zauzet, ona ne restartujeproces nego samo stopira tajmer, a restartuje ga kada ustanovi da je kanal slobodan. Naovaj nain prioritet u opsluivanju ima ona stanica koja je najdue ekala (vidi sliku 8).

Slika 8. Contention window

iii)Acknowledgment i pored svih preduzetih predostronosti moe da doe do kolizije

kod beinog prenosa podataka. Koristei pozitivnu potvrdu (positive acknowledgment) itajmer koji odbrojava istek vremena (time out) moe se obezbediti garancija da jeprijemnik prihvatio okvir.

Razmena poruka u vremenu

Na slici 9 prikazana je razmena okvira podataka i upravljakih okvira tokom vremena.

Slika 9. CSMA/CA i NAV

Aktivnosti koji se preduzimaju su sledee:1. Pre slanja okvira, izvorina stanica oslukuje medijum proverom energetskog nivoanosee uestanosti

a) kanal koristi perzistentnu strategiju sa back-off (uzdravanjem) sve dok kanal nepostane slobodan


10/39

b) nakon to je stanica ustanovila da je kanal za prenos slobodan, stanica eka(uzdrava se od prenosa) jo za odreeni vremenski period koji se naziva distributedinterframe space (DIFS) pa nakon toga stanica predaje upravljaki okvir (control frame)nazvan request to send, RTS.2. Nakon prijema RTS, prijemnik se uzdrava od prenosa za vremenski period short

interframe space, SIFS. Nakon isteka SIFS-a odredina stanica predaje upravljaki okvirnazvan clear-to-send, CTS. CTS je namenjen izvorinoj stanici, a ukazuje na to da jeodredina stanica spremna za prijem podataka.3. Izvorina stanica poinje sa predajom podataka nakon isteka SIFS-a.4. Nakon prijema okvira odredina stanica saeka vremenski period koji odgovara SIFS-u, i tek nakon toga alje potvrdu (acknowledgment- ACK) kojom se obavetava izvorinastanica da je okvir primljen korektno. Kod ovog protokola je neophodna potvrda prijemajer predajna stanica nema mogunost da proveri da li je okvir korektno pristigao na straniodredita. U sluaju da dodje do kolizije nedostatak prijema ACK-a je znak da prenosnije bio korektan. Nakon odreenog vremenskog perioda poinje se ponovo od koraka 1.

Mreno alokacioni vektor

Standardno pitanje koje se postavlja itaocu je sledee: Na koji nain druge stanice nedozvoljavaju slanje podataka ako je jedna od stanica dobila pravo pristupa nad medijumuza prenos (etru)? Drugim reima, na koji nain se obezbedjuje aspekt protokola koji seodnosi na izbegavanje kolizije (collision avoidance). Odgovor na ovo pitanje se nalazi uuvoenju NAV.Kada stanica predaje okvir RTS, u tom okviru se sadri i informacija koja ukazuje na tokoliko je vremena potrebno predajnoj stanici da okupira (zauzme ili zadri) kanal.Stanice koje su kandidati za predaju i za koje je ova informacija od vanosti aktivirajusvoj tajmer nazvan network allocation vector, NAV, koji ukazuje na to koliko je vremenapotrebno da proe pre nego to je svim stanicama ponovo dozvoljeno da proverezauzetost kanala. Svaki put kada stanica pristupa sistemu i alje RTS okvir druge staniceaktiviraju svoj NAV. Drugim reima, svaka stanica, pre nego to oslune fiziki medijummora da proveri da li je on pasivan, i to radi tako to prvo proverava da li je isteko njenNAV period. Na slici 9 prikazana je ideja korienja NAV-a.

Kolizija u toku handshaking-a

Pitanje koje se sada postavlja je sledee: ta e se desiti ako u toku predaje upravljakihokvira RTS i CTS doe do kolizije? Ovaj vremenski period se naziva handshake period.Primera radi, analizirajmo sledeu situaciju: Neka dve ili vei broj stanica pokuaistovremenu predaju RTS okvira. U tom sluaju za upravljake okvire kaemo da su ukoliziji. Ipak, poto ne postoji mehanizam za detekciju kolizije, predajnik e usvojitistrategiju da je dolo do kolizije ako za odreeni vremenski period ne primi CTS okvir odstrane prijemnika. U ovom sluaju kaemo da se primenjuje back-offstrategija, pa zbogtoga e predajnik ponovo pokuati sa predajom.

Problem skrivene stanice


11/39

Problem skrivene stanice se reava korienjem handshake okvira RTS i CTS. Kao to sevidi sa slike 3, RTS poruka od stanice B dopire do stanice A, ali ne i do stanice C. No,kako se B i C nalaze u oblasti pokrivanja A, to CTS poruka koja sadri podataka otrajanju prenosa podataka od B ka A, dolazi i do C. Nakon prijema CTS, stanica C zna daneka druga skrivena stanica korisit kanal i odlae predaju sve dok ne istekne specificirani

vremenski period.

1.4.2 Takasto koordinisana funkcija - PCF

Takasto koordinisana funkcija predstavlja opcioni metod pristupa medijumu koji semoe implementirati kod infrastrukturne mree (ne i kod ad hoc). On se implementira navrhu DCF-a i koristi se kod vremensko kritinih ( time sensitive) prenosa (vidi sliku 6).PCF je centralizovani metod krune prozivke kod koga ne dolazi do kolizije (centralizedcontention free polling access method). Kod ovog metoda AT kruno proziva stanice.Prozvana stanica ako ima spremnu poruku predaje je AP-u.

Da bi se ostvario prioritet u opsluivanju PCF-a u odnosu na DCF definisan je jo jedaninterframe prostor (vremenski period) nazvan PIFS. PIFS (PCF IFS) je krai u odnosu naDIFS. To znai da ako istovremeno stanica eli da korisit samo DFC a AT eli da koristiPCF, AT e imati prioritet.Zbog vieg prioriteta PCF-a u odnosu na DCF, stanice koje koriste DCF mogu da nedobiju pravo upravljanja nad medijumom. Da bi se izbegla ova situacija izveden jerepetitivni interval iji je zadatak da zadovolji potrebe PCF saobraaja kod koga ne dolazido sudara (contention free PCF), kao i DCF saobraaja kod koga se javlja sudar(contention based DCF). Repetitivni interval se ponavlja neprekidno, a poinje sespecijalnim upravljakim okvirom nazvan beacon frame. Kada stanice prime beaconokvir, one aktiviraju svoje NAV u trajanju od contention free perioda u toku intervalarepeticije. Na slici 10 prikazan je primer repetitivnog intervala.

Slika 10. Primer repetitivnog intervala


12/39

U toku repetitivnog intervala, PC (point controler) moe poslati okvir prozivke (pollframe) da primi podatke, poalje ACK, primi ACK, ili da obavi bilo koju kombinacijupomenutih aktivnosti. Na kraju contention free perioda PC predaje CF end (contentionfree end) okvir kako bi omoguio contention basedstanicama da koriste medijum.

1.5 Fragmentacija

U principu beini prenos je veoma nepouzdan pa se zbog toga oteeni okviri morajuponovo slati. Na nivou protokola se zbog toga preporuuje fragmentacija, koja se odnosina deobu okvira velokog obima na manje. Naime, efikasnije je ponovo slati manje okvirenego velike.

1.5.1 Format okvira

Okvir na MAC nivou ine devet polja (vidi sliku 11).

Slika 11. Struktura MAC okvira

i) Frame control (FC): ovo polje je obima dva bajta i definie tip okvira i drugeupravljake informacije. U tabeli 1 dato je objanjenje svakog pod-polja u okviru FC-a.

Tabela 1. Pod-polja kod FC-a


13/39

ii) D: kod svih tipova okvira, sa izuzetkom jednog, ovo polje definie trajanje prenosakoje se koristi da postavi vrednost NAV-a. Kod jednog upravljakog (control) okvira ovopolje definie ID okvira.iii) Addresses: postoje etiri adresna polja, svako obima est bajta. Znaenje svakogadresnog polja zavisi od vrednosti ToDSiFromDSpod-polja (bie objanjeno kasnije).

iv) Sequence control: ovo polje esto se naziva SC polje i definie 16-bitnu vrednost.Prva etiri bita odreuju broj fragmenta, a zadnja 12 bita odreuju redosledni broj, koji jeisti u svim fragmentima, tj. redosledni broj okvira koji se koristi kod toka upravljanja(flow control).v) Frame body: kada je vrednost ovog polja u opsegu od 0-2312 bajta, ono sadriinformaciju koja se bazira na tipu i podtipu definisanim od strane FC polja.vi) FCS: polje obima 4 bajta, sadri informaciju o detekciji greke putem CRC-32polinoma.

1.5.2 Tipovi okvira

Kod WLAN-ova definisani standardom IEEE 802.11 postoje sledee tri kategorijeokvira:a) managementokviri: koriste se za inicijalizaciju komunikacije izmeu stanica i AP-ova.b) controlokviri: namenjeni su za pristup kanalu i slanje acknowledgingokvira. Na slici12 prikazani su formati controlokvira.

Slika 12. Controlokviri

Kod upravljakih okvira vrednost typepodpolja (vidi tabelu 1) je 01, a vrednostisubtypepolja kod controlokvira prikazani su u tabeli 2.

Tabela 2. Vrednostisubtype polja kod controlokvira

c) data okviri: ovi okviri se koriste za prenos podataka i upravljake (control)informacije.


14/39

1.5.3 Adresni mehanizmi

Adresni mehanizam kod IEEE 802.11 specificira etiri sluaja, koji su definisanivrednou markera u FC polju, ToDSiFromDS. Svaki marker moe biti postavljen na 0ili 1, to dovodi (rezultira) da postoje etiri razliite situacije. Interpretacija etiri adrese

(adresa 1 do adresa 4) kod MAC okvira zavisi od vrednosti ovih markera (vidi tabelu 3).

Tabela 3. Adrese

Naglasimo da se adresa 1 uvek odnosi na adresu narednog ureaja do kogapristie okvir. Adresa 2 uvek predstavlja adresu prethodnog ureaja sa koga je poslatokvir. Adresa 3 je adresa konane odredine stanice osim ako ona nije definisanaadresom 1 ili ako poetna izvorina adresa nije definisana adresom 2. Adresa 4 je adresapolazne (poetne) izvorne stanice kada je distribuirani sistem izveden kao beini.

Sluaj 1: 00 U ovom sluaju, ToDS = 0 i FromDS = 0. Ovo znai da okvir nijeusmeren ka distribuiranom sistemu (ToDS = 0) i ne dolazi od distribucionog sistema(FromDS = 0). Okvir ide od jedne stanice u BSS-u ka drugoj bez da proe krozdistribucioni sistem. Adrese su prikazane na slici 13.Sluaj 2: 01 U ovom sluaju, ToDS = 0 i FromDS = 1. Ovo znai da okvir dolazi oddistribucionog sistema (FromDS = 1). Okvir dolazi od AP i usmeren je ka stanici. Adresesu prikazane na slici 13. Naglasimo da se adresa 3 odnosi na poetni predajnik okvira kojise nalazi u drugoj BSS.Sluaj 3: 10 U ovom sluaju, ToDS = 1 i FromDS = 0. Ovo znai da je okvir usmerenka distribucionom sistemu (ToDS = 1). Okvir ide od stanice ka AP. Poetnoj stanici sepredaje ACK. Adrese su prikazane na slici 13. Naglasimo da adresa 3 predstavljakonano odredite okvira u disrtibucionom sistemu.Sluaj 4: 11 U ovom sluaju, ToDS = 1 i FromDS = 1. Ovo situacija je tipina kada jedistribucioni sistem beini. Okvir prelazi sa jedne AP na drugu AP. U ovom sluajupotrebne su etiri adrese, a to su: poetni predajnik, konano odredite, i dva AP-a koji suna prenosnom putu susedni. Adrese su prikazane na slici 13.


15/39

Slika 13. Mehanizmi adresiranja

1.6 Problemi koji prate nevidljive i izloene stanice

Ukazaemo sada na probleme koji prate nevidljive i izloene stanice.

1.6.1 Problem nevidljive stanice

Na slici 14 dat je primer nevidljive stanice. Stanica B ima oblast pokrivanjaprikazana levom sferom (ovalom). Pri tome, svaka stanica koja se nalazi u ovoj oblasti

pokrivanja moe da uje stanicu B. Stanica C ima oblast pokrivanja prikazana desnomsferom, tako da svaka stanica koja se nadje u ovoj oblasti pokrivanja moe da uje bilokoji signal koji se emituje od strane stanice C. Stanica C se nalazi van oblasti pokrivanjastanice B, i obratno B se nalazi van oblasti pokrivanja stanice C. Ipak stanica A se nalaziu oblast koju pokrivaju stanice B i C, tako da A moe da uje signal koji se predaje kakood B tako i od C.


16/39

Slika 14. Problem skrivene stanice

Usvojiemo da stanica B predaje podatke stanici A. Na sredini prenosa stanica Ctakodje poinje da alje podatke stanici A. Treba pri ovome naglasiti da je stanica C van

oblasti pokrivanja stanice B, tako da signal koji se predaje od stanice B ne moe da stignedo stanice C. Zbog ovoga stanica C zakljuuje da je medijum slobodan. Zbog toga stanicaC alje podatke ka stanici A to dovodi do kolizije na mesto A, jer u ovom sluajukaemo da su stanice B i C medjusobno skrivene u odnosu na A. Skrivene stanice ( hidenstations) mogu redukovati komunikacioni kapacitet mree zbog toga to mogu uzrokovatikoliziju.

Reenje problema skrivenih terminala sastoji se u korienju handshake okvira(RTS i CTS). Na slici 15 prikazano je kako RTS poruka od B stie do A, ali ne i do C.Ipak, poto su B i C u oblasti pokrivanja stanice A, poruka CTS koja sadri informaciju ovremenu trajanja prenosa podataka od B ka A stie i do stanice C. Na osnovu CTS-astanica C sada zakljuuje da postoji skrivena stanica koja koristi kanal i zbog toga se

suzdrava od predaje sve dok vremenski interval specificiran u CTS ne istekne.Drugim reima, CTS okvir kod CSMA/CA handshake-a titi od kolizije zbogpostojanja nevidljivih stanica.

Slika 15. Korienje handshake-a kako bi se obezbedili da ne dodje do kolizije uslednevidljive stanice

1.6.2 Problem izloene stanice


17/39

Sada emo razmotriti situaciju koja je suprotna u odnosu na prethodnu, a nazivase problem izloene stanice (exposed station). U ovom sluaju kada je kanal dostupanstanica se uzdrava od korienja kanala. Na slici 16 stanica A predaje podatke stanici B,dok stanica C ima da preda podatke stanici D, pri emu prenos moe da se ostvari bezinterferencije sa A, ali se stanica C uzdrava od predaje. Drugim reima, C je suvie

konzervativna i svesno rtvuje kapacitet kanala.

Slika 16. Problem izloene stanice

U ovom sluaju handshaking poruke ne mogu pomoi, a zbog ega je to takoprikazano je na slici 17.

Slika 17. Korienje handshaking-a kod problema izloene stanice

Kao to se vidi sa slike 17 stanica C uje RTS od A, ali ne uje CTS od B. Stanica

C, nakon to je ula RTS od A eka odredjeno vreme u toku koga CTS od B pristigne doA. Obe stanice B i A mogu uti ovaj RTS, ali se stanica A nalazi sada u stanju predaje, ane u stanju prijema. Ipak stanica B se odaziva sa CTS. Upravo je tu problem. Ako jestanica A poela sa predajom svojih podataka, stanica C ne moe da uje CTS od staniceD jer je dolo do kolizije, tj., C ne moe da poalje svoje podatke D-u. Ona ostajeizloena (exposed) sve dok A ne zavri sa slanjem svojih podataka.


18/39

1.7 Fiziki nivo

Sagledaemo 6 specifikacija prikazanih u tabeli 4. Sve implementacije sa izuzetkominfracrveni prenos operativne su u ISM (industrial, scientific, medical) opsegu kojidefinie tri nelicencirana frekventna opsega u tri frekventne oblasti 902-928 MHz, 2.400-

4.835 GHz, i 5.725-5.850 GHz.Tabela 4. Specifikacije

IEEE Tehnika Opseg Modulacija Brzina prenosa(Mbps)

802.11 FHSS 2.400-4.835 GHz FSK 1 i 2DSSS 2.400-4.835 GHz PSK 1 i 2nijedna infracrveni PPM 1 i 2

802.11a OFDM 5.725-5.850 GHz PSK ili QAM 6-54802.11b DSSS 2.400-4.835 GHz PSK 5.5 i 11

802.11g OFDM 2.400-4.835 GHz razliite 22-54802.11n OFDM 5.725-5.850 GHz razliite 600Napomena: PPM Pulse Position Modulation

1.7.1 IEEE 802.11 FHSS

IEEE 802.11 FHSS koristi metod rada u proirenom spektru sa frekventnim skakanjem.FHSS koristi ISM opseg od 2.400 - 4.835 GHz. Opseg je podeljen na 79 podopsega irine1 MHz izmeu kojih postoje guard (zatitni) opsezi. Sekvenca skakanja generie se odstrane generatora pseudosluajnih brojeva. Kod ove specifikacije korisit se modulaciona

tehnika dvo-nivovski FSK ili 4-nivovski FSK sa 1/2 bita po baud-u, to rezultira bitskojbrzini prenosa od 1 ili 2 Mbps, kako je to prikazano na slici 18.

Slika 18. Fiziki nivo kod 802.11 FHSS

1.7.2 IEEE 802.11 DSSS

IEEE 802.11 DSSS korisit metod rada u proirenom spektru zasnovan na konceptudirektne sekvence. DSSS korisit ISM opseg u rasponu 2.400 - 4.835 GHz. Modulacionatehnika kod ove specifikacije je PSK sa 1 Mbaud/s. Sistem obezbeuje prenos od 1 ili 2


19/39

bita po baud-u (BPSK ili QPSK), to rezultuje bitskoj brzini od 1 ili 2 Mbps, kako je toprikazano na slici 19.

Slika 19. Fiziki nivo kod 802.11 DSSS

1.7.3 IEEE 802.11 infracrveni

IEEE 802.11 infracrveni koristi infracrvenu svetlost u opsegu od 800 do 950 nm.Modulaciona tehnika je PPM. Kod brzine prenosa od 1 Mbps, 4-bitna sekvenca se prvopreslikava u 16-bitnu sekvencu kod koje je samo jedan bit postavljen na 1, a ostali na 0.

Kod brzine prenosa od 2 Mbps, 2-bitna sekvenca se prvo preslikava u 4-bitnu sekvencukod koje je samo jedan bit postavljen na 1 a ostali na 0. Preslikane sekvence se zatimkonvertuju u optike signale, tako to se prisustvo svetlosti odnosi na 1, a odsustvo na 0(vidi sliku 20).

Slika 20. Fiziki nivo kod 802.11 infracrveni

1.7.3 IEEE 802.11a OFDM

IEEE 802.11a OFDM metod koristi ISM band u opsegu od 5.725 - 5.850 GHz. OFDM jeslian FDM prenosu sa jednom razlikom: U datom trenutku svi podopsezi se koriste odstrane jednog izvorita podataka. Izvorita informacije takmie se meusobno na nivouveze radi pristupa medijumu. Ceo band je podeljen na 52 podopsega, pri emu po 48podopsega se predaje 48 grupa bitova, a 4 podopsega su rezervisana za prenosupravljake informacije. Deobom ukupnog opsega na podopsege smanjuje se uticaj usledefekta interferencije. Ako se podopsezi koriste sluajno (randomly) poveava se sigurnostu prenosu podataka. OFDM koristi PSK i QAM modulacione tehnike. Standardne brzineprenosa su 18 Mbps (PSK) i 54 Mbps (QAM).

1.7.4 IEEE 802.11b DSSS

IEEE 802.11b DSSS (high rate direct sequence spread spectrum HR-DSSS) metodkoristi ISM band u opsegu od 2.400-4.835 GHz. HR-DSSS je slian DSSS-u saizuzetkom metode kodiranja koja se naziva complementary code keying CCK. CCKkodira 4 ili 8 bita u jedan CCK simbol. Da bi se ostvarila kompatibilnost sa DSSS, HR-


20/39

DSSS definie etiri brzine prenosa podataka, 1, 2, 5.5, i 11 Mbps. Prve dve koristemodulacione tehnike kao i DSSS. Verzija DSSS od 5.5 Mbps korisit BPSK i predaje1.375 Mbaud/s sa 4-bitnim CCK nainom kodiranja. Kod verzije DSS od 11 Mbps korisitse QPSK a predaje se 1.375 Mbps sa 8-bitnim CCK. Na slici 21 prikazana jemodulaciona tehnika za ovaj standard.

Slika 21. Fiziki nivo kod 802.11b1.7.5 IEEE 802.11g

Ovom tehnikom definie se korekcija greaka u prenosu (forward error correction) akorisit OFDM, u raspoloivom ISM bandu, tj. opsegu od 2.400-4.835 GHz.Modulacionim tehnikama ostvaruje se bitska brzina prenosa od 22 ili 54 Mbps. Ovatehnika je kompatibilna sa 802.11b, ali se korisit modulaciona tehnika OFDM.

1.7.6 IEEE 802.11n

Nadograeni 802.11 projekat naziva se 802.11n (next generation of WLAN). Ciljprojekta je da se povea propusnost ( throughput) kod 802.11 WLAN-a. Novi standard nekarakterie samo vea bitska brzina prenosa nego i eliminacija nekih nepotrebnihsuvinosti (overheads). Ovaj standard korisit MIMO (multiple input multiple output)kako bi se premostio problem uma kod WLAN-ova. Ideja se sastoji u sledeem: Ako jemogue poslati vei broj signala i primiti vei broj signala tada smo u boljoj situaciji daeliminiemo um. Neke implementacije ovog projekta ostvaruju bitske brzine prenosa od600 Mbps.

2. ZigBee

ZigBee je standard kojim se definiu komunikacioni protokoli kod beinih mrea, tj.mree koje rade sa malim bitskim brzinama prenosa, a kratkog su dometa ( low data rateshort range wireless networks). ZigBee ureaji mogu da rade u tri frekventna opsega, 866MHz, 915MHz i 2.4GHz. Maksimalna bitska brzina prenosa je 250 kbps. Ovi ureaji seuglavnom napajaju baterijski, pri emu su mala bitska brzina prenosa podataka, niskacena i dugi ivotni vek baterije osnovni projektantski zahtevi koje treba zadovoljiti kodrealizacije. Kod najveeg broja ZigBee aplikacija, zbog ogranienog kapaciteta baterije,ureaji rade u dva reima rada, aktivni reim rada (active mode) i reim rada spavanje(sleep mode). Alternartivno, reim rada spavanje se naziva i reim rada uteda-energije (


21/39

power-saving mode). Kao rezultat ovakvog naina rada, ivotni vek ureaja bez zamenebaterije moe biti i nekoliko godina. Faktor popune (duty cycle) koji predstavlja odnosizmeu vremena provedenog u aktivni i reim rada spavanja, nalazi se u granicama od0.001 do 1%. to je ovaj odnos manji, baterija se manje troi, tj. due traje.

Standardno ZigBee ureaji se koriste za monitorisanje vitalnih zdravstvenih parametarapacijenata, kod beinih senzorskih mrea itd.

2.1 ZigBee u odnosu na Bluetooth i IEEE 802.11

Komparativne karakteristike tri najire prihvaena standarda za beini prenos podatakakratkog dometa prikazane su na slici 2.1.

Slika 2.1. Uporedba ZigBee standarda sa Bluetooth-om i IEEE 802.11b

Male bitske brzine prenosa ine da ZigBee ne predstavlja dobar izbor beinih Internetaplikacija ili beinih CD plejera, tj. reenja kod kojih se zahteva brzina prenosa >1Mbps. Ali ako je cilj da se kod beinih komunikacija vri prenos i predaja relativnojednostavnih komandi i/ili vri prikupljanje podataka od senzora za temperaturu,vlanost, pritisak, i dr. (akvizicija sa senzora promenljivih veliina), tada ZigBeepredstavlja efikasno reenje.

2.2 Klase beinih mrea kratkog dometa

Beine mree kratkog dometa (vidi sliku 2.2) se mogu podeliti na sledee dvekategorije:a) Beine lokalne raunarske mree (WLAN) analizirane u poglavlju IEEE 802.11WLAN;b) Beine personalne mree (Wireless Personal Area Networks) WPAN

Slika 2.2 Klase beinih mrea kratkog dometa


22/39

Kao to se vidi sa slike 2.2, WPAN-ovi se dele na sledee tri klase:

i) High-Rate (HR-WPAN) definisane su standardom IEEE 802.15.3, a koriste se zabitske brzine od 11 do 55Mbps. Ove brzine prenosa tipine su za beini prenos signalasa video kamere u realnom vremenu u kunom okruenju (u okviru jedne sobe).

ii) Bluetooth (Medium Rate WPAN) karakterie se velikom bitskom brzinom od 3Mbps.Bluetooth je pogodan za aplikacije kod beinog povezivanja ureaja (maksimalnorastojanje od 2 do 10m), tipa mobilni mi ili mobilni telefon sa PC mainom, beinitelefon sa lokalnom kunom telefonskom centralom, prenos visoko-kvalitetnog govornogsignala kod beinih slualica, tj. kod onih aplikacija i mrea gde se zahteva srednjabitska brzina prenosa (medium data rate MR WPAN).

iii) LR WPAN ( Low Rate WPAN) karakterie se maksimalnom bitskom brzinom od250 kbps.

2.3 Odnos izmeu ZigBee i IEEE 802.15.4 standarda

Nivoi protokola kod ZigBee beinog umreavanja prikazani su na slici 2.3

Slika 2.3 Nivoi protokola kod ZigBee beinog umreavanja

Kao to se vidi sa slike 2.3 donja dva nivoa definisana su standardom IEEE 802.15.4.

Ovim standardom definiu se specifikacije na fizikom PHY i MAC nivou, to znai daje 802.15.4 razvijenih nezavisno od ZigBee standarda, i da se moe samostalnoimplementirati (vidi sliku 2.4).

Parametri koji se na fizikom nivou protokola IEEE 802.15.4 definiu su: frekvencijarada, bitska brzina prenosa podataka, osetljivost prijemnika, i tip ureaja.


23/39

Slika 2.4 Protokol umreavanja se moe zasnovati na 802.15.4 pri emu on ne mora dabude u saglasnosti sa ZigBee

2.4 Frekventni opsezi i brzine prenosa

Kod zadnje verzije IEEE 802.15.4 od septembra 2006. godine postoje sledea trifrekventna opsega za prenos podataka:1) 868-868.6 MHz ( opseg 868 MHz) koristi se u Evropi2) 902-928 MHz (opseg 915 MHz) koristi se u Severnoj Americi

3) 24002483.5 MHz ( opseg 2.4 GHz) koristi se irom svetaDetalji koji se odnose na sva tri opsega prikazani su u tabeli 2.1. Standardom IEEE802.15.4 zahteva se da svi primopredajnici (transceivers) podravaju rad u oba opsega868 MHz i 915 MHz, pa se zbog toga ova dva opsega esto u katalokim podacimanavode kao 868/915 MHz.

Tabela 1. Brzina prenosa podataka i frekvencija rada kod IEEE 802.15.4

Kod IEEE 802.15.4 postoje sledea tri tipa modulacije:1) Binary Phase Shift Keying (BPSK)2) Amplitude Shift Keying (ASK)


24/39

3) Offset Quadrature Phase Shift Keying (O-QPSK)

Kod BPSK i O-QPSK digitalni podatak odgovara fazi signala, a kod ASK amplitudisignala.

U cilju poboljanja RF propagacione karakteristike prijemnika usled refleksije signaladu razliitih puteva ( multipath propagation) koriste se sledee dve tehnike prenosa:

a) DSSS (direct sequence spread spectrum)b) PSSS (parallel sequence spread spectrum)

2.5 Tipovi ureaja

Standardom IEEE 802.15.4 definisana se sledea dva tipa ureaja:

1) Potpuno funkcionalni ureaji (full-function devices-FFD) u stanju su da obavljaju

sve zadatke definisane standardom IEEE 802.15.4.2) Ureaji sa redukovanom funkcijom (reduced-function devices-RFD) namenjeni su zajednostavne aplikacije kakve su ukljuivanje i iskljuivanje svetla.

2.6 Uloga ureaja

Kod IEEE 802.15.4 mrea, FFD ureaji mogu imati tri razliite uloge:

a) Koordinator u stanju je da prenosi poruke na relejni nain (posrednik u prenosu)b) PAN koordinator glavni kontroler PAN-a3) Ureaj kada se ne ponaa kao koordinator naziva se ureaj (device)

Kod ZigBee standarda (vidi sliku 2.5) koristi se neto drugaija terminologija. ZigBeekoordinator odgovara IEEE 802.15.4 PAN koordinatoru. ZigBee ruter je ureaj koji moedelovati kao IEEE 802.15.4 koordinator. Konano, ZigBee krajnji ureaj (end device) jeureaj koji nije ni koordinator ni ruter.

Slika 2.5 Uloga ureaja kod IEEE 802.15.4 i ZigBee standarda


25/39

2.7 ZigBee mrene topologije

Na nivou toplogije mree upravljanje kod ZigBee se obavlja od strane mrenog nivoa.Standardom IEEE 802.15.4 specificirane su dve topologije: zvezda i peer-to-peer (P2P).

Kod topologije zvezda (vidi sliku 2.6) svaki ureaj u mrei moe da komunicira sa PANkoordinatama.

Slika 2.6 Mrena topologija tipa zvezda

Kod P2P topologije (vidi sliku 2.7) svaki ureaj moe direktno da komunicira sa drugimureajem ako su ureaji locirani u odgovarajuoj oblasti u kojoj je mogue ostvariti vezu.

Slika 2.7 Mrena topologija tipa reetka (mesh)

FFD ureaj moe biti PAN kontroler, a to je obino onaj ureaj koji prvi na poetku radainicira komunikaciju. Svi ureaji u mrei koji uestvuju u relejnom prenosu su FFD, jerRFD nije u stanju da radi u relejnom reimu rada.

Pored mrene topologije reetka, postoji i topologija stablo ( tree). Kod ove topologijeZigBee koordinator (PAN koordinator) inicira uspostavljanje mree, dok ZigBee ruteriformiraju grane i relejno prenose poruke. Na slici 2.8 prikazan je nain prenosa poruke odureaja A do ureaja B u vei broj preskoka (multihopping).


26/39

Slika 2.8 Mrena topologija tipa stablo kod ZigBee

Nezavisno od topologije, mreu tipa 802.15.4 kreira PAN koordinator. Uloga PANkoordinatora je sledea:

1) Svakom ureaju u mrei dodeljuje jedinstvenu 16-ili 64- bitnu adresu.2) Inicira, zavrava i rutira poruku kroz mreu3) Za potrebe mree selektuje jedinstveni PAN identifikator, koji ureajima u okvirumree omoguava 16-bitni metod adresiranja koristei adrese manjeg obima

Na nivou mree postoji samo jedan PAN koordinator koji je povezan na mrenonapajanje, a ne baterijsko. Svi ostali ureaji napajaju se baterijski.

2.8 Osnovni koncepti komuniciranja kod ZigBee i IEEE 802.15.4

Mehanizmi pristupa kanalu koji se koristi kod IEEE 802.15.4 je CSMA-CA. Kada ureaj

eli da preda signal on prvo oslukuje kanal. Ovaj zadatak se naziva uteda-energije(energy detection- ED) pri emu prijemnik ne dekodira signal nego samo nadgleda da lipostoji emisija. Ako kanal nije slobodan ureaj se iskljuuje za proizvoljni period ipokuava nakon toga ponovo da se ukljui.

2.8.1Beacon-zasnovano u odnosu na non-beacon umreavanje

Postoje sledea dva metoda koji se tiu pristupa kanalu:

1) Pristup kanalu baziran na izbegavanju sudara (contention-based channel access) sviureaji koji ele da emituju na istom frekventnom kanalu koriste CSMA-CA mehanizam,

a prvi koji ustanovi da je kanal slobodan pone sa predajom.2) Pristup kada ne postoji sudar (contention free)- PAN koordinator pojedinom ureajudodeljuje specificirani vremenski slot koji se naziva garantovani vremenski slot (guaranted time slot-GTS). Kod predaje u okviru GTS-a ne dolazi do kolizije.

Da bi se koristio GTS, PAN koordinator mora da sinhronizuje sve ureaje u mrei.Beacon je poruka koja ima specifini format, a koristi se za sinhronizaciju oscilatora


27/39

vorova u mrei. Koordinator koji ima mogunost da emituje beacon signal za potrebesinhronizacije rada mree naziva se beacon-enabled PAN. Nedostatak ovog pristupa je tajto se skrauje ivotni vek ureaja, tj. baterija se bre troi. Mree kod kojih PANkoordinator ne emituje beacon nazivaju se non-beacon mree. U ovom sluaju glavniproblem koji se javlja je izbegavanje sudara u toku slanja.

2.8.2 Metodi prenosa podataka

Kod IEEE 802.15.4 postoje sledea tri tipa prenosa podataka:

1) Prenos podataka od ureaja ka koordinatoru (vidi sliku 2.9)2) Prenos podataka od koorinatora ka ureaju (vidi sliku 2.10)3) Prenos izmeu dva ravnopravna ureaja (Peer Devices)

Sva tri metoda se koriste kod P2P tehnologije, dok se kod topologije stablo koriste samoprve dve.

Slika 2.9 Prenos podataka ka koordinatoru kod IEEE 802.15.4: a)Beacon-enabled

b)Non-beacon enabled

Slika 2.10 Prenos podataka od koordinatora ka ureaju: a)Beacon-enabled, b)Non-beacon enabled


28/39

Verifikacija ispravnosti prenosa podataka kod IEEE 802.15.4 vri se pomou 16-bitneFCS.

2.8.3 Adresiranje kod ZigBee

Svaki ureaj u mrei ima svoju jedinstvenu adresu. Kod IEEE 802.15.4 koriste se sledeadva metoda adresiranja:

a) 16-bitna kratka adresa omoguava komunikaciju u okviru mree. Kombinacijomjedinstvenog PAN identifikatora i kratke adrese mogue je ostvariti komunikaciju izmeunezavisnih mrea.b) 64-bitna adresa mogui broj adresa je 264 ~ 1.8*1019

Mreni nivo (NWK) kod ZigBee protokola dodeljuje 16-bitnu NWK adresu pored IEEEadrese. Na osnovu Look-Up tabele vri se preslikavanje 64-bitne IEEE adrese u NWKadresu.

Svaki radio u mrei moe da ima jedinstvenu IEEE i jedinstvenu NWK adresu, ali se najedan radio mogu maksimalno povezati do 240 ureaja, pri emu je svakom ureajudodeljen broj od 1 do 240 poznat kao krajnja adresa (endpoint address).

2.9 Funkcije mrenog nivoa kod ZigBee i IEEE 802.15.4

Kao to smo ve napomenuli, nivoi protokola kod ZigBee-a prikazani su na slici 2.3.

2.9.1 Fiziki nivo i struktura paketa

Fiziki nivo, PHY, je najblii hardveru i direktno upravlja i komunicira sa radio primo-predajnikom. Ovaj nivo aktivira radio koji prima ili predaje pakete, selektuje frekvencijukanala ili proverava da li se kanal tekue koristi od strane drugih ureaja.

Opta struktura paketa prikazana je na slici 2.11. Paket ine sledee tri komponente:

1) Zaglavlje sinhronizacije (synchronization header SHR)2) PHY zaglavlje (PHR header)3) PHY informacija (PHY payload)


29/39

Slika 2.11 Stuktura paketa kod ZigBee

2.9.2 MAC nivo

MAC nivo-om se ostvaruje interfejs izmeu PHY i NWK nivoa. MAC je odgovoran zagenerisanje beacon-a i sinhronizaciju ureaja na beacon-enabledmreu.

Strukture kod MAC nivoa

a) MAC zaglavlje (MAC header- MHR) sadri informaciju koja se tie adresiranja ibezbednosti (security).

b) MAC informacija (MAC payload) polje promenljive duine i sadri komande ipodatke.

c) MAC rep (MAC footer- MFR) sadri 16-bitnu FCS za proveru greaka u prenosupodataka.

Standardom IEEE 802.15.4 definiu se sledee etiri strukture MAC okvira:

1) Beacon okvir (vidi sliku 2.12)2) Okvir podataka (vidi sliku 2.13)3) Okvir potvrde ( vidi sliku 2.14)4) MAC komandni okvir (vidi sliku 2.15)

Slika 2.12 Struktura MAC beacon okvira


30/39

Slika 2.13 Struktura MAC data okvira

Slika 2.14 Struktura MAC acknowledgment okvira

Slika 2.15 Struktura MAC command okvira

2.9.3 NWK nivo

NWK okvir se sastoji od dva dela (vidi sliku 2.11):

a) NWK zaglavlje (NHR) sadri informaciju koja se odnosi na adresiranje na mrenomnivou kao i upravljaku informacijub) NWK payload dostavlja se od strane APS podnivoa

2.9.4 APL nivo

APL nivo je najvii nivo protokola kod ZigBee. APS okvir (vidi sliku 2.11) se sastoji od:


31/39

b1) APS zaglavlje (APS header) sadri informaciju koja se tie upravljanja i adresiranjana aplikacionom nivoub2) Pomono zaglavlje okvira (auxiliary frame header HDR) sadri informaciju omehanizmu koji se odnosi na bezbednost okvira i bezbednost korienja kljuab3) APS payload sadri komande i podatke

b4) Poruka o integritetu poruke (message integrity code MIC) poruka bezbednostiAPS okvira koja se koristi za neautorizovanu promenu sadraja poruke.

3. Bluetooth

Bluetooth je WLAN tehnologija namenjena za povezivanje ureaja koji obavljajurazliite funkcije, kakvi su na primer telefoni, notebook-ovi, raunari (desktop i laptop),kamere, tampai i drugi ureaji koji su meusobno rasporeeni na kratka rastojanja.Bluetooth LAN je ad-hoc mrea to znai da se mrea formira spontano, a ureajinazvani naprave (gadgets), meusobno sami se pronalaze i formiraju mreu koja senazivapiconet. Bluetooth LAN se moe povezati na Internet ako jedna od naprava ima tu

mogunost. Po svojoj prirodi, Bluetooth LAN ne moe biti mrea velikog obima, jer kadaveliki broj naprava pokua da se meusobno povee nastaje haos.

Bluetooth tehnologija ima nekoliko aplikacija. Beini mi ili tastatura mogukomunicirati sa raunarom koristei ovu tehnologiju. Monitoring ureaji u bolnicamamogu komunicirati sa senzorima lociranih na telu pacijenta, senzori u sistemima zaprotiv-poar i protiv-provalu obino se beino povezuju sa glavnom stanicom, itd.

Danas Bluetooth tehnologija predstavlja implementacija protokola definisan standardomIEEE 802.15. Ovim standardom se definie WPAN koji je operativan u okviru jedne sobeili male hale.

3.1 Arhitektura Bluetooth-a

Kod Bluetooth-a definisana su sledea dva tipa mree:

a) Piconet

Piconetje mala mrea koju ine do 8 stanica, pri emu se jedna od njih naziva primarna,a ostale su sekundarne. Sve sekundarne stanice sinhronizuju svoje taktne oscilatore isekvence skakanja frekvencije u odnosu na primarnu. Piconetima samo jednu primarnustanicu. Komunikacija izmeu primarne i sekundarnih stanica moe biti tipa jedan-

prema-jedan ili jeda-prema-vie. Na slici 3.1 prikazan jepiconet.


32/39

Slika 3.1 Piconet

I pored toga to piconet moe da ini do maksimalno 7 sekundarnih stanica, dodatne(viak) sekundarnih stanica se mogu nalaziti u stanje-parkirano (parked state). Parkiranastanica u sinhronizmu je sa primarnom, ali ne moe uestvovati u komunikaciji sve dokne pree iz stanja parkirano u stanje aktivno. S obzirom da samo 8 stanica moe biti ustanje aktivno, aktiviranje iz stanja parkirano u stanje aktivno podrazumeva da neka od

aktivnih stanica mora da pree u stanje parkirano.

b) Scaternet

Piconet-ovi se mogu kombinovati (grupisati) kreirajui pri tome formu WLAN-a koja senaziva scaternet. Pri tome sekundarna stanica iz jednog piconet-a moe biti primarna udrugompiconet-u. Ova stanica moe da prima poruke od druge primarne stanice u prvompiconet-u (kao sekundarna), a da deluje kao primarna, tj. da isporuuje porukesekundarnim stanicama u drugom piconet-u. Drugim reima, stanica moe da bude landvapiconet-a. Na slici 3.2 prikazan jescaternet.

Slika 3.2 Scaternet

3.1 Bluetooth ureaji

Svaki Bluetooth ureaj ima ugraeno radio-primo-predajnik malog dometa (short-rangeradio transmitter). Tekua brzina prenosa podataka je 1 Mbps, a frekventni opseg rada2.4 GHz. To znai da postoji realna mogunost od interferencije izmeu IEEE 802.11bWLAN-a i Bluetooth WLAN-a.


33/39

3.3 Bluetooth nivoi

Bluetooth koristi nekoliko nivoa koji nisu ba mnogo u skladu sa Internet modelom. Naslici 3.3 prikazani su ovi nivoi.

Slika 3.3 Bluetooth nivoi

3.3.1 L2CAP

Logical Link Control and Adaptation Protocol ili L2CAP (L2 znai LL), u grubim crtamaje ekvivalentan LLC podnivou kod LAN-ova. L2CAP se koristi za razmenu podataka kodACL (asynchronous connectionless link) veza, poto SCO (synchronous connection-oriented) kanali ne koriste L2CAP. Na slici 3.4 prikazan je format paketa podataka naovom nivou.

Slika 3.4 L2CAP-ov format paketa podataka

PoljeLength obima 16 bita definie obim podataka u bajtovima koji dolaze sa viih nivoaprotokola. Podaci mogu biti obima od 0 do 65535 bajta. Polje Channel ID (CID) definiejedinstveni identifikator za potrebe virtuelnog kanala koji se kreira na ovom nivou.Osnovne funkcije koje obavlja L2CAP su sledee:

Multipleksiranje

L2CAP moe da obavi multipleksiranje. Na predajnoj strani L2CAP prihvata podatke odgornjih nivoa protokola i predaje ih basebandnivou. Na prijemnoj strani L2CAP prihvata

okvire od basebandnivoa, izvlai podatke, i predaje ih odgovarajuem protokol nivou. Usutini, L2CAP kreira virtuelni kanal.

Segmentacija i reasembliranje

Maksimalni obim payloadpolja na basebandnivou iznosi 2774 bita ili 343 bajta. Ovopolje sadri etiri bajta kojim se definie paket i obim paketa. Zbog toga, obim paketakoji moe da pristigne od gornjeg nivoa moe biti maksimalnog obima od 339 bajta.


34/39

Ipak, aplikacioni nivoi ponekad imaju potrebe za slanjem paketa podataka koji moe biti ido 65535 bajta (kao na primer, Internet paket). L2CAP deli ovako velike pakete nasegmente i dodaje ekstra informaciju kako bi definisao lokaciju segmenta u okviruizvornog paketa (broj segmenta u okviru paketa). Drugim reima, L2CAP segmentirapaket na strani izvorita, a reasemblira ga na strani odredita.

Kvalitet servisa

Bluetooth omoguava stanicama da definiu odreeni nivo kvaliteta servisa (Quality ofService- QoS). Za sluaj da QoSnije definisan, Bluetooth po definiciji (by default) koristiseris nazvan best-effortservis.

Upravljanje grupom

Dodatna L2CAP mogunost ogleda se u tome to omoguava ureajima meusobno dakreiraju logiki tip adresiranja. Ova varijanta slina je kao i selektivna emisija

(multicasting). Na primer, dva ili tri sekundarna ureaja mogu biti deo multicastgrupekako bi bili u stanju da primaju podatke od primarne stanice.

3.3.2 Baseband nivo

U grubim crtama, baseband nivo ekvivalentan je MAC podnivou kod LAN-ova. Metodpristupa je TDMA. Primarna i sekundarne stanice meusobno komuniciraju koristeivremenske slotove (time slots). Duina vremenskog slota iznosi 625 s. To znai da se utoku tog perioda koristi jedna frekvencija, a to odgovara vremenu kada primarna stanicapredaje okvir sekundarnoj, ili sekundarna predaje okvir primarnoj. Naglasimo da sekomunikacija obavlja samo izmeu primarne i sekundarne stanice, dok sekundarne nemogu meusobno komunicirati.

TDMA

Bluetooth koristi jedan oblik TDMA nazvan TDD-TDMA (time division duplex-TDMA).TDD-TDMA je u sutini polu-dupleks komunikacija kod koje predajnik i prijemnik alju iprimaju podatke ali ne istovremeno, a pri tome komunikacija u svakom pravcu koristirazliite frekventne skokove (koristi se FHSS). Ovakav nain prenosa slian je toki-vokiprenosu, pri emu se koriste razliiti frekventni nosioci. U odnosu na to kako se ostvarujekomunikacija izmeu primarne i sekundarnih stanica, razlikujemo:

a) Komunikacija sa jednom sekundarnom stanicom Ako piconet ima samo jednusekundarnu stanicu, tada je TDMA rad jednostavan. Vreme se deli na slotove trajanja 625s. Primarna stanica koristi parno-numerisane slotove (0, 2, 4, ...), a sekundarna neparnonumerisane slotove (1, 3, 5, ...). TDD-TDMA omoguava primarnoj i sekundarnoj stanicida komuniciraju u polu-dupleks reimu rada. U toku trajanja slota 0, primarna predaje asekundarna prima, dok u slotu 1, sekundarna predaje a primarna prima. Ciklus, prikazanna slici 3.5 ukazuje na nain komuniciranja.


35/39

Slika 3.5 Komunikacija sa jednom sekundarnom stanicom

b) Komunikacija sa veim brojem sekundarnih stanica proces komuniciranja jeneto sloeniji kada u jendompiconet-u postoji vie od jedne stanice. Ponovo, primarnakoristi parno numerisane slotove, dok sekundarna predaje u naredno neparno

numerisanom slotu pod uslovom da je paket iz prethodnog slota bio adresiran (namenjen)za tu sekundarnu stanicu. Sve sekundarne stanice oslukuju parno numerisane slotove, alisamo jedna od sekundarnih stanica predaje podatke u neprano numerisanom slotu. Naslici 3.6 prikazan je ovaj scenario.

Slika 3.6 Komunikacija sa veim brojem sekundarnih stanica

Analizom slike 3.6 uoavaju se sledee aktivnosti:

1) U slotu 0, primarna stanica predaje okvir sekundarnoj stanici 1;2) U slotu 1, samo sekundarna stanica 1 predaje okvir primarnoj, jer je prethodni okvirbio adresiran na sekundarnu stanicu 1, ostale su bile u stanju mirovanja;3) U slotu 2, primarna predaje okvir sekundarnoj 2;


36/39

4) U slotu 3, sekundarna 2 predaje okvir primarnoj, jer je u prethodnom okviru bilaadresirana sekundarna 2. Ostale stanice su u stanju mirovanja;5) Ciklus produava

Moe se slobodno kazati da je ovaj metod pristupa slian operaciji poll/select sa

rezervacijom. Kada primarna izabere sekundarnu, ona je takoe i proziva (polls). Narednivremenski slot je rezervisan (namenjen) da prozvana stanica preda svoj okvir. Akoprozvana stanica nema okvir za predaju, po kanalu se ne prenose podaci.

VEZE

Izmeu primarne i sekundarne stanice mogu se kreirati sledea dva tipa veza:

a) SCO (synchronous connection oriented) veza se koristi kada je izbegavanje latencije(kanjenje u isporuci podataka) mnogo vanije u odnosu na integritet (isporuka podatakabez greaka). Kod SCO veze izmeu predajne i prijemne stanice kreira se fizika veza

putem rezervisanja specifinih slotova u regularnim vremenskim intervalima. Osnovnavremenska jedinica konektiranja je duine dva slota, po jedan za svaki smer prenosa.Kada se paket oteti, on se nikad ne reemituje. SCO se koristi za prenos govornog signalau realnom vremenu, tj. u situacijama kada je izbegavanje kanjenja najvanije.Sekundarna stanica moe da kreira do tri SCO veze sa primarnom, predajuidigitalizovani audio signal (PCM) brzinom od 64 kbps po svakoj vezi (link-u).

b)ACL (asynchronous connectionless link) koristi se kada je integritet podataka mnogovaniji od latencije (kanjenja). Kod ovog tipa veze, ako su korisni podaci (payload data),enkapsulirani u okviru, oteeni tada se zahteva retransmisija. Sekundarna stanica vraaACL okvir u dostupno neparno numerisanom slotu, ako je prethodni slot bio adresiran(odnosio se) na tu stanicu. ACL moe da koristi jedan, tri ili vei broj slotova kako biostvario maksimalnu bitsku brzinu prenosa od 721 kbps.

Format okvira kod baseband-a

Postoje tri tipa okvira kod baseband nivoa: jedan-slot, tri-slota i pet-slota. Slot je trajanja625 s. Kod okvira tipa jedan-slot, 259 s je potrebno vremena za realizaciju frekventnogskakanja i upravljakih mehanizama. To znai da okvir tipa jedan-slot traje 625 259=366 s. Sa 1 MHz propusnim opsegom i 1 bit/Hz, veliina (obim) okvira tipa jedan-slotodgovara prenosu od 366 bita.

Okvir tipa tri-slota zauzima tri slota. S obzirom da se 259 s vremena troi za potrebefreknventnog skakanja, to ostaje 3*625 259 = 1616 s, ili 1616 bita. Ureaj koji koristiokvir tipa tri-slota ostaje na istom frekventnom skoku (isti je frekventni nosioc) za vremetrajanja sva tri slota. I pored toga to se koristi samo jedinini preskok, potroe se tripreskok broja. To znai da broj preskoka za svaki okvir jednak je broju koji odgovaraprvom slotu okvira.


37/39

Okvir tipa pet-slota takoe koristi 259 s za potrebe frekventnog skakanja, to znai da jeduina okvira 5*625 259 = 2866 bita.

Vaei format za sva tri tipa okvira prikazan je na slici 3.7.

Slika 3.7 Tipovi formata okvira

3.3.3 Radio nivo

Radio nivo, grubo posmatrano, ekvivalentan je PHY nivou kod Internet modela.Bluetooth ureaji troe malo energije, a domet predajnika je obino ogranien na 10 m.

Frekventni opseg Bluetooth koristi 2.4 GHz ISM frekventni opseg podeljen na 79kanala, svaki irine 1 MHz.

FHSS Bluetooth u cilju izbegavanja interferencije sa drugim ureajima i mreama nafizikom nivou koristi FHSS(frequency hopping spread spectrum) metod. U sekundi seostvaruje do 1600 preskoka, to znai da svaki ureaj menja svoju modulacionufrekvenciju 1600 puta u sekundi. Ureaj koristi jednu frekvenciju samo u toku 625 s

(1/1600 s) pre nego to se obavi skok na drugu frekvenciju, tj. vreme rada na jednojfrekvenciji je 625 s.

Modulacija Da bi se bitovi transformisali u signale, Bluetooth koristi sofisticiranuverziju FSK, koja se naziva GFSK (FSK sa Gausovim filtriranjem propusnog opsega).Kod GFSK postoji nosea frekvencija. Bit 1 se predstavlja frekventnom devijacijomiznad nosioca, a 0 frekventnom devijacijom ispod nosioca. Frekvencije, u MHz, za svakikanal se definiu na sledei nain:

fc = 2402 + nMHz, n= 0, 1, 2, ..., 78

Primera radi, prvi kanal koristi noseu frekvenciju 2402 MHz (2.402 GHz), a noseafrekvencija drugog kanala je 2403 MHz (2.403 GHz).


38/39

4. WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) je IEEE standard 802.16(za fiksne beine mree) i 802.16e (za mobilne veze) kojim se obezbeuje iroko-pojasni beini pristup na nivou zadnje milje, koji predstavlja alternativno reenje za

kablovski modem i telefonski DSL servis. WiMAX nudi optimalan opseg i propusnost zapretplatnike koji se nalaze na direktno-vidljivom-putu (line-of-sight(LOS) subscribers)tj. du puta na kome ne postoje prepreke, kao i prihvatljivi opseg i propusnostpretplatnicima koji nisu-na-direkto-vidljivom putu (non-line-of-sight, NLOS), u odnosuna baznu stanucu.Mnogi korisnici uporeuju WiMAX sa WiFi-om. Kod WiMAX-a kao i kod WiFi-akoristi se infrastruktura bazirana na baznoj stanici, ali WiMAX nudi mnogo vie uodnosu na WiFi. Dok se WiFi-om pokriva oblast od oko 60-ak metara, kod WiMAX-aoblast pokrivanja iznosi oko 10 km. Takoe WiMAX nudi znatno veu sigurnost,pouzdanost, QoS, i propusnost u odnosu na WiFi.

4.1 Arhitektura

Analiziraemo u kratkim crtama arhitekturu WiMAX-a.

4.1.1 Bazna stanica

Osnovni gradivni blokovi WiMAX bazne stanice su radio podsistem i antena. SvakiWiMAX radio podsistem poseduje predajnik i prijemnik, i predaje/prima signale ija jefrekvencija izmeu 2 i 11 GHz. WiMAX koristi softverski definisani radio (SDR) sistem.Sa ciljem da se optimiziraju performanse za datu aplikaciju kod WiMAX-a se koriste tritipa antena, omni-direkciona, sektorska, i panelna. WiMAX koristi beamstearing

adaptivni antenski sistem (addaptive antenna system AAS, sistem koji koristi vei brojantena kako na strani terminala tako i bazne stanice sve sa ciljem da poboljaperformanse). Kada predaje, AAS antena moe da fokusira svoju predajnu energiju usmeru prijemnika, a dok prima, da se fokusira u smeru predajnog ureaja.Dodatne mere koje se kod WiMAX-a koriste za izbegavanje interferencije se odnose naprimenu OFDMA i MIMO antenskog sistema. OFDMA predstavlja metod viestrukogpristupa koji omoguava simultani prenos ka i od nekoliko korisnika, radi u skladu saAAS i MIMO u cilju znaajnog poboljanja propusnosti, poveanja opsega pokrivanjaveze, i smanjenje interferencije.

4.1.2 Pretplatnike stanice

Pretplatnika stanica (subscriber unitili customer premises equipment- CPE) dostupna jeu dve varijante, za unutranju (indoor) i spoljanju (outdoor) ugradnju. Unutranjajedinica veliine je i forme kablovskog ili DSL modema i samostalno je instalirankorisnik, ali zbog radio gubitaka, poeljno je da pretplatnik bude blii baznoj stanici.Verzija za spoljanju ugradnju obima je rezidentne satelitske antene (tanjir) i mora da seinstalira od strane strunih lica.


39/39

4.1.3 Prenosiva jedinica

Korienjem potencijala mobilnog WiMAX-a, javlja se poveani interes za korienjemprenosivih jedinica, koji ukljuuju handset-ove, razne PC periferije, embeddedureaje ulaptopovima, komercijalne ureaje kakvi su MP3 plejeri, terminali za video igre i td.

4.2 Nivo veze

MAC kod WiFi-a korisit metod pristupa medijumu za prenos koji se bazira na sudaru(contention access). Ovakav pristup dovodi do toga da pretplatnike stanice koje suudaljene od AP-a mogu repetitivno da prekidaju rad bliih stanica. MAC kod WiMAX-akoristi scheduling algoritam. Pretplatnika stanica treba prvo da se takmii kako biinicijalno ula u mreu. Slot pristupa se zatim dodeljuje tom pretplatniku uvek kad sepoziva.

4.3 Fiziki nivo

Standardom 802.16e-2005 specificiraju se opseg od 2 do 11 GHz, skalabilni OFDMA(scalable OFDMA - SOFDMA), MIMO antena, i mogunost za potpunu podrkumobilnosti.

4.4 Aplikacije

Cilj WiMAX-a je da obezbedi jeftina alternativna reenja za postojee telekomunikacionestrukture, ukljuujui telefonske kompanije koje koriste iani (kablovski) razvod,celularne mree, i kablovsku TV koaksijalno kablovsku infrastrukturu.

pogl 18 bezicne komunikacije bezicni lan 802 11 ekstenzija4

Documents