Vestavné mikropočítačové systémy

12. Týden – bezdrátové komunikace II(Bluetooth, ZigBee)

Sítě WPAN• Wireless Personal Area Networks

• Sítě s velmi malým dosahem, cca 10 m

• Slouží k:– Propojování „drobných“ zařízení mezi sebou (např. PDA-PDA)– Připojování periferií (např. hands-free sada k mobilu)

• Mají typicky ad-hoc charakter a dynamickou topologii

• Standardy ETSI– Hyper PAN – High Performance Radio Personal Area Network

• Standardy IEEE– 802.15.1 – Bluetooth (1.0, 2.0)– 802.15.2 – Kompatibilita Bluetooth s dalšími službami v bezlicenčním pásmu– 802.15.3 – High Data Rate WPAN

• UWB – Ultra Wide Band– 802.15.4 – Low Data Rate WPAN

• ZigBee• Existuje řada proprietálních nadstaveb

Bluetooth• Motivace

– Vytvořit jednotný standard pro bezdrátovou komunikaci na krátkou vzdálenost cca10 m s možností rozšíření až na 100 m

– Praktičtější alternativa k IrDA

• Typické scénáře využití– Připojení periférií např. klávesnic, myší head-setů, joysticků, …– Realizace ad-hoc sítí např. PDA-PDA, PDA-mobil, mobil-mobil, …– Propojení sítí např. mobil je přes GPRS/UMTS připojen k Internetu a počítač/PDA je

připojen přes Bluetooth k mobilu a potažmo tedy i k Internetu

• Vlastnosti– Pracuje v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz– Komplexní pojetí specifikace – jde až na aplikační úroveň– Různé komunikační rychlosti, vysílací výkony a dosah zařízení– Ad-hoc formovaná pikosíť– Existuje podpora routování mezi pikosítěmi – scatternets– Dobře vyřešená bezpečnost

• Před komunikací je třeba provést tzv. párování• Podpora šifrování

– Specifická podpora pro různé druhy přenosů – soubory, audio, video, …

Bluetooth – topologie

Bluetooth – architektura

Voi

ce

Inte

rcom

Hea

dset

Cor

dles

s

Gro

up c

all

vCar

d

vCal

vNot

e

vMes

sage

Dia

l-up

Net

wor

king

Fax

OBEX

RFCOMM(serial port)

Telephony Control Protocol S

ervi

ce D

isco

very

P

roto

col

L2CAP(serial port)

Link Manager

Link Controller

User Interface

Baseband

RF

Bluetooth – protocol stack• RF vrstva

– Bezlicenční pásmo 2,4 GHz– FHSS, 79 kanálů po 1 MHz

• 1600 skoků za sekundu• Sekvenci určuje master pokosítě• GFSK modulace

– Rozdělení do tříd dle vysílacího výkonu• class 1 – do 100 mW, dosah až 100 m• class 2 – do 2,4 mW, dosah do 10 m• class 3 – do 1 mW, dosah do 1 m

– Komunikační rychlosti• 1.0 – až 720 kbit/s (1 Mbit/s)• 2.0 – EDR (Enhanced Data Rate) a6 2,1 Mbit/s (3 Mbit/s)

• Baseband vrstva – Link Control Protocol (LC)– definuje fyzické subkanály mezi masterem pikosítě a jednotlivými účastníky, master-

slave struktura, vysílání řízeno prostřednictvím TDMA– Master může současně komunikovat s až 7 aktivními zařízeními v jedné pikosíti, další

mohou být neaktivní (celkem max. 255)– Master přiděluje zařízením jednotlivé časové sloty, slot má délku 1/1600 s, rámec může

obsadit několik po sobě jdoucích slotů (až 5)

Bluetooth – režimy přenosu• SCO – Synchronous Connection Oriented

– Tzv. „voice link“– 64 kbit/s plně duplexní dvoubodový spoj– Hlavně „hlasové“ periferie např. komunikace handsfree sad s mobilem

• ACL – Asynchronous Connection Less– Tzv. „data link“– až 433,9 kbit/s symetricky, nebo až 723,2 kbit/s asymetricky (reálné rychlosti

s uvážením režie), nominální rychlost (bez režie) 1 Mbit/s– point-to-point nebo point-tomultipoint

Bluetooth – protocol stack• Zajišťují interoperabilitu na nejvyšší úrovni

• GAP (Generic Access Profile)– Povinný, umožňuje vytvořit spojení mezi BT zařízeními

• BPP (Basic Printing Profile) – tisk z/na BT zařízení

• FTP (File Transfer Profile) – přenos souborů mezi BT zařízeními

• GAVDP (General A/V Distribution Profile) – distribuce audia/videa

• GOEP (Generic Object Exchange Profile) – výměna objektů (vizitky, kalendář,…)

• HFP (Hands-Free Profile)

• HSP (Headset Profile) – bezdrátová sluchátka

• HID (Human Interface Device Profile) – klávesnice, myš …

• PAN (Personal Network Profile) – připojení k síti LAN

• SPP (Serial Port Profile) – vytváří virtuální sériové porty

• SDAP (Service Discovery Application Profile)– umožňuje zjistit služby a aplikace podporované jiným BT zařízením

Bluetooth – shrnutí• Komunikace především na krátkou vzdálenost

– bezdrátová náhrada USB nebo sériové linky

• Omezená podpora směrování

• Dobrá úroveň zabezpečení

• Poměrně dlouhá doba na vytvoření pikosítě

• Poměrně vysoký spotřeba– nelze dlouhodobě (měsíce, roky) napájet z baterií

• Protokol definován až na aplikační úroveň (profily)– dobrá interoperabilita

• Dominantní bezdrátová technologie v segmentu „drobné“ spotřební elektroniky

IEEE 802.15.4 a ZigBee

Aplikace

ZigBee

IEEE 802.15.4 MAC

IEEE 802.15.4868/915 MHz

PHY

IEEE 802.15.42400 MHz

PHY

DefinujeIEEE 802.15.4

DefinujeZigBee Aliance

IEEE 802.15.4• Definuje fyzickou a linkovou (MAC) vrstvu

• Komunikace v bezlicenčních pásmech, DSSS– 2,4 GHz, 16 kanálů, QPSK modulace, max. 250 kbit/s– 915 MHz (pouze USA), 10 kanálů, BPSK modulace, max. 40 kbit/s– 868 MHz (pouze Evropa), 1 kanál, BPSK modulace, max. 20 kbit/s

• Hvězdicová nebo peer-to peer struktura

• Nízký vysílací výkon (1 mW), krátký dosah (10 – 30 m uvnitř)

• Velmi nízká spotřeba

• Tři typy zařízení– Koordinátor – udržuje informaci o celé síti

– FDD (Full Function Device) – může komunikovat s jakýmkoliv zařízením v síti a převzít úlohu koordinátora, mohou vytvářet libovolnou topologii

– RFD (Reduced Function Device) – omezená (jednodušší) implementace, může komunikovat pouze s FFD, pouze hvězdicová topologie, nemůže být koordinátorem sítě, typické pro koncová zařízení

IEEE 802.15.4 – MAC• Příklad struktury sítě

Full Fuction Device

Reduced Fuction Device

IEEE 802.15.4• Typy přenosů dat

– Periodický – např. sběr dat ze senzorů– Aperiodický (řízený událostmi) – vyvolaný např. stiskem spínače– Opakovaný s nízkým zpožděním – např. řídící smyčka

• Zabezpečení dat– Kontrola přístupu (Access Control) – seznam zařízení, s nimiž je

povolená komunikace

– Šifrování dat – AES-128, klíč sdílen buď po dvojicích nebo skupinách

ZigBee• Nadstavba nad IEEE 802.15.4

• Umožňuje vytvářet libovolné topologie sítí (star, mesh, …)

• Dosah mezi 10 a 30 metry uvnitř budov – vysílací výkon je 1 mW

• Umožňuje bateriové napájení některých uzlů sítě– vysoký poměr mezi dobou „spánku“ a aktivity– až 2 roky z AA baterií

• Definuje obecný framework a aplikační profily– nízké nároky na zdroje

• 32 kB ROM (4 kB pro jednoduchá zařízení)• 8 kB RAM (1 kB i méně pro jednoduchá zařízení)

Model ZigBee sítě

ZigBee End Device (RFD or FFD)

ZigBee Coordinator (FFD) – one per Network

ZigBee Router (RFD or FFD)

Mesh Link

Star Link

ZigBee síťová vrstva• Směrování využívá algoritmus AODV (Ad-Hoc On Demand Distance

Vector) definovaný v RFC3561

• Cesta se hledá při vzniku požadavku– vysílají se specielní rámce (discovery pakety) pro nalezení cesty k cíli– uzel, který již zná cestu k cíli, posílá odezvu

• Není výpočetně náročný

• Při větším počtu záznamů ve směrovací tabulce paměťově náročný

Porovnání bezdrátových technologií