Bezdrátové systémy pro sběr a přenos dat

measure.feld.cvut.cz
  • No tags were found...

Bezdrátové systémy pro sběr a přenos dat

Systémy pro sběr a přenos dat• bezdrátové SPD systémy• WiFi, WiMax• BlueTooth, ZigBee• RFID


Obecné vlastnosti bezdrátových SPDVyužívají rádiový komunikační kanál– jeho základní vlastnosti jsou uvedeny ve 2. přednášceVýhodou je vysoká flexibilita– žádná nezbytná infrastruktura• kromě napájení– jednoduché změny topologie• přemístění uzlů, rozšiřováníNevýhodou je potřeba frekvenčního pásma– v SPD aplikacích nejčastěji využívána pásma ISM• při dodržení podmínek není třeba povolení• je třeba počítat s případnou koexistencí s dalšími uživatelimožnost dočasné (trvalé) nedostupnosti uzlů– vzhledem k rušení nebo omezenému výkonu vysílání


Obecné vlastnosti bezdrátových SPDPatří sem především bezdrátové sítě podle IEEE802.x aRFID systémyV principu sem patří i radiomodemové sítě– ty ale využívají infrastrukturu vlastníka sítě– ty ale mají obvykle licencované vlastní frekvence• zejména pokud jsou provozovány komerčněa také sítě na báze GSM (GPRS)– specielní případ radiomodemové sítě• z pohledu uživatele s omezenou funkčností vůči klasickýmradiomodemovým sítím– omezená podpora protokolů vyšších vrstev– omezená možnost přímé komunikace


IEEE 802.xTento standard již byl zmíněn v předchozí přednášce– definuje např. varianty EthernetuJeho další části definují technologie pro bezdrátové sítě


Přehled IEEE802.11802.11 – původní specifikace– ISM pásmo 2.4 GHz, 1 (2) Mbit/s– komunikace v rozprostřeném spektru• FHSS – 75 kanálů s šířkou 1 MHz• DSSS – 14 kanálů s šířkou 22 MHz– přístupová metoda CSMA/CA– dosah 30/90 m (uvnitř budov/volné prostranství) 802.11a– pásmo 5 GHz, maximálně 54 Mbit/s• výhodou je nižší využití pásma– OFDM modulace, 52 nosných, BPSK, QPSK, 16(64)QAM• se zhoršujícími se vlastnostmi kanálu se volí robustnější modulace– 12 (někde 24) kanálů po 20 MHz– v Evropě nejsou (nebyly) k dispozici frekvence


Přehled IEEE802.11802.11b – první inovace původního standardu– ISM pásmo 2.4 GHz, maximálně 11 Mbit/s– pouze DSSS (FHSS je kvůli zpětné kompatibilitě)– s anténami s vyšším ziskem se lze dostat až na několik km802.11g – druhá inovace původního standardu– ISM pásmo 2.4 GHz, maximálně 54 Mbit/s– výhradně OFDM, DSSS pouze kvůli zpětné kompatibilitě• opět 16/64QAM, pro nižší rychlosti BPSK a QPSK– zařízení jsou obvykle kompatibilní i s variantou b (značí se b/g)802.11h – varianta 802.11a pro Evropu– pásmo 5GHz– zahrnuje dynamický výběr kanálu a řízení výkonu• odolnější vůči rušení


Přehled IEEE802.11802.11n – poslední varianta– ISM pásma 2.4 GHz nebo 5 GHz– využívá prostorové multiplexování• MIMO (Multiple In/Multiple Out) technologie– více vysílacích (přijímacích) antén– dostupné rychlosti jsou až 100 Mbit/sPásmo 2.4 GHz je dnes využito následovně– 14 částečně se překrývajících kanálů (odstup 5 MHz)• 11 USA, 13 Evropa, 14 Japonsko– povolen EIRP 100 mW (20 dBm)– při použití směrových antén je třeba snížit výkon!!


Struktura sítě IEEE802.11Ad-hoc sítě– přímá komunikace mezi uzly bez síťové infrastruktury– dočasná peer-to peer komunikaceStacionární sítě– infrastruktura (DS, Distribution System) využívající (obvykle)stacionární přístupové body (AP, Access Point)• součástí AP je i most do pevné sítě (typicky Ethernet)– každý AP obsluhuje oblast označovanou jako BSA (Basic ServiceArea)• skupina uzlů řízených jedním AP se označuje BSS (Basic ServiceSet)– oblast pokrytá více AP propojených DS se nazývá ESA (ExtendedService Area)• kompletní bezdrátová síť pak ESS (Extended Service Set)– síť je identifikována prostřednictvím SSID (v Beacon rámci)


Struktura sítě IEEE802.11Stacionární síť


Příklad stacionární sítě IEEE802.11


Přístupová metoda CSMA/CACSMA/CA (…/CollisionAvoidance)– ne všechny uzly sdílejícífyzický kanál se slyšínavzájem• nejsou schopny detekovatkolize– před vysláním rámce uzelčeká po dobu mezirámcovémezery a teprve pokud jekanál stále volný, vysílá• v případě obsazenéhokanálu se doba čekáníprodlužuječekánína rámecvolnémédium?Anočekání IFSstálevolnémédium?Anovyslání rámceNeexponenciální prodlužováníčekání při volnémmédiuvyslání rámceAnočekání na ukončenívysíláníčekání IFSstálevolnémédium?Ne


Rezervace pásmaRealizována virtuálním odposlechem kanálu– předpoklad: všechny uzly slyší AP• uzel nejprve vyšle žádost o přidělení kanálu (RTS –Request To Send) !! neplést se signálem EIA/TIA 232 !!– s využitím CSMA/CA• AP odpoví přidělením vysílacího času (CTS – Clear ToSend)– ostatní slyší a pokládají kanál za obsazený, i kdyžnedetekují obsazený kanál– výrazně se snižuje pravděpodobnost vzniku kolize• teoreticky by neměla vzniknout vůbec– pokud uzly slyší rámec CTS


Formát MAC rámce


Formát MAC rámceD/I – Duration/Connection ID– doba přidělení kanálu/identifikace spojeníAddress– adresy• podle typu rámce (i v DS)SC – Sequence Control– číslování rámcůFrame Body– data nebo fragment datCRC– 32 bitová kontrolní informace


Rámce správyAssociation requestAssociation responseRe-association requestRe-association responseProbe requestProbe responseBeaconAnnouncement traffic indication messageDissociationAuthenticationDe-authentication


ZabezpečeníWEP (Wired Equivalent Privacy)– součást původního standardu 802.11– proudová šifra RC4 se 40 bitovým klíčem• spolu s 24 bitovým inicializačním vektorem 64 bitů– inicializační vektor se mění pro každý rámec• po odstranění vládních (USA) restrikcí 104 bitů (celkem 128)– cílem bylo zajistit stejnou úroveň bezpečnosti jako po metalickémvedení• lze prolomit v řádu minut (i delší klíče)WPA (WiFi Protected Access)– podle pracovní verze (draft 3) IEEE802.11i– stejná šifra (RC4), ale delší inicializační vektor (48 b) a klíč (128 b)– dynamická změna klíče– autentikace rámců• detekce podvržených rámců


ZabezpečeníIEEE802.11i (WPA2)– využívá blokovou šifru AES (Advanced Encryption Standard)– umožňuje zajistit integritu, utajení a autentikaciZákladní zabezpečení– vypnout vysílání Beacon rámců (síť se sama aktivně „nepropaguje“)• a změnit standardní SSID • lze odposlechnout– omezit přístup podle MAC• lze odposlechnout– využívat WEP, WPA– pro WiFi vyhradit zvláštní VLAN• omezení škod při průniku– použít šifrování (autentikaci …) ve vyšších vrstvách• VPN (Virtual Private Network)


Přehled IEEE802.16 (WiMAX)Určen jako bezdrátová alternativa přístupových sítí (např. ADSL,kabelových apod.) nebo pro připojení lokálních WiFi sítíNa rozdíl od WiFi má zabudované mechanismy QoS– TDMA s proměnnou délkou časového slotu– nově i proměnná šířka kanálu, prostorový multiplexIEEE 802.16 – původní standard– určen pro provoz mezi 10 – 66 GHz (ne v celém pásmu najednou !!)– využívá OFDM modulaci (256 nosných)IEEE 802.16a – update i pro 2 – 11 GHz– nevyžaduje přímou viditelnost IEEE 802.16d (správně 802.16-2004)– také nazýván „fixed“ WiMAX– podle této verze pracuje velká většina současných implementací


Přehled IEEE802.16 (WiMAX)


Přehled IEEE802.16 (WiMAX)Základnová stanice a koncové zařízení– architektura point - multipoint– dosah až 50 km (8000 km 2 )– přenosová rychlost až 100 Mbit/s


Porovnání WiFi - WiMAXToleruje vícecestné šíření srozdílem do 0.8 sPodpora pro inteligentníantény až v připravovaném802.11nZpočátku problémy sezabezpečenímOsvědčená technologie,dlouholeté provozní zkušenostiVelmi levné řešeníPouze bezlicenční pásma– mohou být problémy srušenímToleruje vícecestné šíření srozdílem do 10 sPodporuje i „mesh“ struktury amoderní „inteligentní“ antényOd počátku kvalitnízabezpečení komunikaceNová technologie– mnoho implementacínedosahuje maxima možností– nyní dostupná jen 802.16dZatím dražšíLicencovaná i bezlicenčnípásma


Přehled IEEE802.15WPAN (Wireless Personal Networks)802.15.1 – Bluetooth802.15.2 – koexistence s dalšími službami vbezlicenčních pásmech802.15.3 – vysokorychlostní WPAN (UWB, mm vlny)– několik různých standardů fyzické vrstvy– u UWB (Ultra Wide Band) stále není rozhodnuto mezidvěma soupeřícími technologiemi802.15.4 – nízkorychlostní WPAN– na něm postaven např. protokol ZigBee– existuje i řada proprietárních nadstaveb


IEEE802.15.1 - BluetoothPracuje v ISM pásmu 2.4 GHzJedná se o komplexní protokolový zásobník až na úroveň aplikačnívrstvyRůzné komunikační rychlosti, vysílací výkony a dosah zařízeníTypická aplikace je ad-hoc formovaná pikosíť zařízení s dočasnoufunkcí– existuje i podpora routování mezi pikosítěmi – scatternetsDobře vyřešena bezpečnost– před započetím komunikace je nutné párování– podpora šifrování komunikaceSpecifická podpora pro různé typy přenosů– soubory, video, audio …


Bluetooth – pikonet a scatternetPiconetScatternet


IEEE802.15.1 - BluetoothArchitekturaUser InterfaceVoiceIntercomHeadsetCordlessGroup CallTelephonyControlProtocolvCardvCalvNoteOBEXvMessageDial-upNetworkingRFCOMM(Serial Port)FaxServiceDiscoveryProtocolHOSTL2CAPHost Control InterfaceLink ManagerLink ControllerBasebandRFMODULESiliconBluetoothStackApplications


IEEE802.15.1 - BluetoothRF vrstva– ISM pásmo 2.4 GHz– FHSS, 79 kanálů po 1 MHz• 1600 skoků za sekundu• nově adaptivní FHSS – vynechává rušené kanály• sekvenci určuje master pikosítě• GFSK modulace– vysílací výkon rádiové části definuje třídu zařízení• 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 rychlost až 720 kbit/s (1 Mbit/s)• verze 2.0 nabízí EDR (Enhanced Data Rate) až 2.1 Mbit/s(3 Mbit/s)


IEEE802.15.1 - Bluetooth„Baseband“ vrstva– Link Control Protocol (LC)– definuje fyzické subkanály mezi masterem pikosítě a jednotlivýmiúčastníky• Master – Slave struktura• vysílání řízeno prostřednictvím TDMA– Master může současně komunikovat s až 7 aktivními zařízeními vjedné 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)– volitelný ARQ mechanismus


IEEE802.15.1 - Bluetooth„Link Manager“ vrstva– správa logických spojení• Link Manager Protocol (LMP)• standardní vyhrazené ACL spojení pro management– multiplexování jednotlivých spojení do fyzického subkanálu– synchronní přenos (Synchronous Connection Oriented – SCO)• synchronní přenosy nebo isochronní přenosy s konstantní bitovourychlostí– asynchronní (Asynchronous Connection Oriented - ACL)• nepravidelný přenos nebo isochronní přenos s proměnnýmbitovým tokem– poskytuje rozhraní pro data obsahující interně rozdělení dorámců nebo pro čisté datové streamy


IEEE802.15.1 - Bluetooth„L2CAP“ vrstva– Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)– vytváří logické kanály pro jednotlivé aplikace a služby– zajišťuje segmentaci a zpětné spojování dat• doplňuje členění dat na pakety– zajišťuje multiplexování více kanálů do logického spojení– jednotlivé kanály mohou zajišťovat lepší zabezpečeníobsahu• potřebné především pro přenosy delších rámcůa potvrzování více rámců (okno jako u TCP) apod.– obvykle už implementována v SW


IEEE802.15.1 - BluetoothNejdůležitější protokoly vyšších vrstev– zajišťují interoperabilitu na nejvyšší úrovni– RFCOMM• emulace sériové linky• využit např. profilem SPP– OBEX (Object Exchange)• výměna objektů mezi zařízeními• využit např. profilem GOEP (a tedy i FTP)– AVCTP (Audio/Video Control Transport Protocol)• ovládání funkcí A/V zařízení• využit např. profilem AVRCP– AVDTP (Audio/Video Distribution Transport Protocol)• distribuce A/V– BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol)• využívá např. PAN profil


IEEE802.15.1 - BluetoothNejdůležitější profily aplikací a služeb– zajišťují interoperabilitu na nejvyšší úrovni– GAP (Generic Access Profile)• povinně ve všech zařízeních• 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 (např. souborů, vizitek …)


IEEE802.15.1 - BluetoothNejdůležitější profily aplikací a služeb– 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


IEEE802.15.1 - BluetoothShrnutí– 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– pro průmyslové aplikace jsou vhodnější buď WiFi (802.11) nebo sítěpodle 802.15.4 (např. ZigBee). Bt je parametry někde „mezi“• především kvůli dostupnosti zařízení


IEEE802.15.4 a ZigBeeAplikaceZigBeedefinuje systémovýintegrátordefinuje ZigBeeAlianceIEEE 802.15.4868/915 MHzPHYIEEE 802.15.4 MACIEEE 802.15.42400 MHzPHYdefinujeIEEE802.15.4


IEEE802.15.4Definuje fyzickou a linkovou (MAC) vrstvuKomunikace v bezlicenčních pásmech, DSSS– ISM 2.4 GHz• 16 kanálů, QPSK modulace• max. 250 kbit/s– ISM 915 MHz, pouze USA• 10 kanálů, BPSK• max. 40 kbit/s– 868 MHz, pouze Evropa• 1 kanál, BPSK• max. 20 kbit/sHvězdicová nebo peer-to peer strukturaNízký vysílací výkon (1 mW), krátký dosah (10 – 30 m uvnitř)Velmi nízká spotřeba


IEEE802.15.4Rámec fyzické vrstvy– Preamble – 32 bitů, slouží k synchronizaci přijímačů– Start of Packet Delimiter – 8 bitů, začátek rámce– PHY hlavička – 8 bitů, délka rámce– PSDU – data rámcePreambleStart ofPacketDelimiterPHYHeaderPHY ServiceData Unit (PSDU)6 Octets 0-127 Octets


IEEE802.15.4MAC vrstva– 3 typy zařízení– Koordinátor• udržuje informace o celé síti– FFD (Full Function Device)• může komunikovat s jakýmkoliv zařízením v síti a převzít úlohukoordinátora• 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


IEEE802.15.4MAC vrstva – příklad struktury sítěFull Function DeviceReduced Function Device


IEEE802.15.4MAC vrstva – struktura MAC rámcePayloadMACLayerMAC Header(MHR)MAC Service Data Unit(MSDU)MAC Footer(MFR)PHY LayerSynch. Header(SHR)PHY Header(PHR)MAC Protocol Data Unit (MPDU)PHY Service Data Unit (PSDU)4 typy rámců– datový (DATA)– synchronizační (BEACON)– potvrzovací (Acknowledge)– příkazový (MAC Command)


IEEE802.15.4MAC vrstva – přístupová metoda2 varianty – s BEACON rámcem a bez něj– bez BEACON rámce – klasická CSMA/CA– s BEACON rámcem• CSMA/CA s časovými sloty (slotted CSMA/CA)• implementována struktura superrámce (super-frame)– BEACON je vysílán koordinátorem sítě v pravidelnýchintervalech (15 ms – 252 s)» zařízení mohou být mezitím v režimu spánku– mezi BEACON rámci je definováno 16 časových slotů– umožňuje časovou synchronizaci a rezervaci kanálů projednotlivá zařízení• CSMA metoda využita jen pro žádosti o rezervaci pásma


IEEE802.15.4MAC vrstva – typy přenosů dat– periodický• sběr dat ze senzorů– aperiodický (řízený událostmi)• vyvolaný např. stiskem spínače– opakovaný s nízkým zpožděním• např. řídicí smyčkaMAC vrstva – zabezpečení dat– kontrola přístupu (Access Control)• seznam zařízení, s nimiž je povolená komunikace– šifrování dat• AES-128 standard• klíč sdílen buď po dvojicích nebo skupinách


ZigBee Nadstavba nad IEEE 802.15.4 Umožňuje vytvářet libovolné topologie sítí– star, mesh, cluster treeDosah mezi 10 a 30 metry uvnitř budov– vysílací výkon je 1 mWUmožňuje bateriové napájení některých uzlů sítě– vysoký poměr mezi dobou „spánku“ a aktivity– až 2 roky z AA bateriíDefinuje 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)


ZigBeeModel ZigBee sítě


ZigBeeArchitektura


ZigBeeSíťová vrstva– směrování využívá algoritmus AODV (Ad Hoc On DemandDistance Vector)– definován v RFC3561– cesta se hledá při vzniku požadavku• vysílají se specielní rámce (discovery pakety) pro nalezenícesty k cíli• uzel, který již zná cestu k cíli, posílá odezvu– není výpočetně náročný– při větším počtu záznamů ve směrovací tabulce paměťověnáročný


ZigBeeAplikační vrstva– podvrstva APS– ZigBee device objekt• obsahuje informace popisující zařízení a jeho roli v síti– aplikační objekty– adresace jednotlivých objektů prostřednictvím koncovýchbodů (endpoint)• Endpoint 0 – ZigBee Device Object– komunikace je postavena na profilech• standardně se využívá sériový profil


Porovnání bezdrátových technologií proprůmyslové aplikaceSHORT < RANGE > LONGTEXT GRAPHICS INTERNET HI-FIAUDIOZigBeeBluetooth 2Bluetooth1STREAMINGVIDEO802.11bDIGITALVIDEOMULTI-CHANNELVIDEO802.11a/HL2 & 802.11gLANPANLOW < DATA RATE > HIGH


Radio Frequency Identification (RFID)Bezdrátová náhrada čárových kódů, magnetických pásků,kontaktních identifikátorů apod.RFID systém = RFID prvek (Tag) + čtečkaVelikost RFID prvků– podle provedení a aplikace od < 1 mm do rozměrů stránky knihyTypy funkcí RFID prvků– pouze ID – typicky 8 - 16 bajtů jedinečné identifikace– vybavené pamětí (ROM, RW)– obsahující senzory (tlak, teplota)Nejen pouhá identifikace– lékařské záznamy– bankovní záznamy


Aplikace RFIDPrvní aplikace už ve 2. světové válce– Britové využívali k identifikaci letadel (friend or foe)Značení nebezpečných materiálůPřístupové systémy – pasy Dopravní systémy – identifikace zásilek– sklady, kontejnery – i lokalizace !!!– výběr mýtnéhoProdejny– ochrana vůči odcizení– automatické pokladnyVýrobní technologie– identifikace komponent a výrobkůIdentifikace zvířat– velkochovy, domácí zvířata


Radio Frequency Identification (RFID)Zabezpečení komunikace– žádné – nejčastější případ– autentikace heslem– šifrovaná komunikaceUkončení činnosti senzoru (Kill feature)– např. u pokladny supermarketuNapájení RFID prvků– aktivní• vlastní baterie, vyšší dosah a spolehlivost, omezená životnost– pasivní• energie získána absorbcí VF pole čtečky• nízký dosah, nižší spolehlivost– semi-aktivní – baterie jen pro napájení „paměti“• nízký dosah, spolehlivost jako u aktivního napájení


Radio Frequency Identification (RFID)V případě více RFID v jednom místě dochází k interferenci vevysílání– řešením je protokol pro selektivní výběr jednoho prvkuLze realizovat duplexní přenos– příjem (a napájení) na jedné a vysílání na jiné frekvenciNejvětším problémem je anténa a její rozměry– u LF se využívá induktivní vazby (až několik set závitů)– u HF stačí několik závitů planární technologií– u UHF se využívají modifikované antényNejčastěji jsou využívána bezlicenční pásma– u nízkých frekvencí (LF, 125 kHz, 134 kHz) komunikace v blízkém poli– u vyšších frekvencí (HF, 13.56 MHz) ve vzdáleném– v Evropě i 868 MHz, v USA 915 MHz (UHF)


Radio Frequency Identification (RFID)


Radio Frequency Identification (RFID)– Pro aplikaci je třeba zvolit vhodný frekvenční rozsah a typ RFID

More magazines by this user
Similar magazines