Стандарты беспроводной связи.Введение в ZigBee/802.15.4

Стандарты беспроводной связи. Введение в ZigBee
Обзор стандартов беспроводной связи
Общая характеристика и использование стандартов беспроводной локальной связи
WLAN
Bluetooth
UWB
ZigBee/IEEE 802.15.4
Введение в стандарт ZigBee/IEEE 802.15.4
Новая технология для новых рынков
Обзор стандарта IEEE 802.15.4
Обзор стандарта ZigBee
Сравнительный анализ и совместная работа беспроводных сетей разных стандартов

Обзор стандартов беспроводной связи
Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004

Что такое “Стандарт”?
Откуда берутся стандарты?
Технология или решение + широкое внедрение на рынке = «стандарт»
Для принятия стандарта необходима некоторая критическая масса
Кто разрабатывает стандарты?
Любой, кто обладает достаточными ресурсами (время, финансы, власть, авторитет), например:
ГОСТ-Р
International of Electronic and Electrical Engineers (IEEE)
Society of Automotive Engineers (SAE)
Qualcomm (CDMA), Motorola (iDEN, TETRA, FLEX), Intel (PC architecture), Microsoft (OS), etc.
Чем хороши стандарты?
С рыночной точки зрения:
Обеспечение интероперабельности как отдельных продуктов, так и систем
За счет конкурентной борьбы снижаются цены
Стандартное решение редко бывает самым оптимальным

Обзор стандартов беспроводной связи
Дальность передачи
Voice
Video
Скорость передачи
Ближе
Дальше
Медленнее
Быстрее
UWB
Передача данных
Sources: WRH + Co
Передача видео
IrDA
802.11g
802.11b
802.11a
2.5G/3G
Мониторинг
и управление
Bluetooth™
ZigBee™
Беспроводная телеметрия
Беспроводные сети передачи данных
Wi-Fi®
Data
ISMLink
Игры/Аудио

Скорость передачи (бит/сек)
200K 1M 100M
Home
Control
security
Stereo
Headsets
Inventory
ISMLINK
Speakers
Цена решения
Gaming
Controller
Industrial
PC
Cellular
headset
Auto
Bluetooth
Gaming
WiFi
VoIP
phone
PDA
PC NIC
STB/DBS
Video
cable
replace
Video cam
Displays
RF Toy
remotes
ZigBee
UWB
Cellular
Стоимость беспроводных решений
Низкая
стоимость
Высокая
стоимость

Стандарты серии 802.11 (WLAN, Wi-Fi)
Общая характеристика
IEEE 802.11 – серия стандартов (IEEE 802.11a/b/g…)
«Ethernet» (WLAN, Wi-Fi) без проводов
Ориентирован на передачу данных в беспроводной сети
Большая масса уже установленных устройств и поддержка крупных производителей (Intel, Cisco, etc)
Стоимость 100 – 400 $ USD
Требования приложений
Низкая стоимость развертывания сети и простое подключение
Широкополосный доступ для мобильных пользователей
Совместимость с существующими сетями
Обеспечение QoS
Основные приложения
Точки доступа к сетям общего пользования
Передача голоса (VoIP)
Передача данных и доступ в Интернет

Стандарты серии 802.11 (WLAN, Wi-Fi)
Технические детали
Используемый частотный диапазон: 2,4 ГГц, 4.9 – 5.8 ГГц
Типы модуляции: DSSS, FHSS. OFDM
Скорость передачи данных: 1, 2, 4, 5.5, 11, 54 Мбит/с
Дальность передачи: <100 м
Энергопотребление: > 400 мА / 20 мА
Большой размер стека протоколов (> 100 кБ)
Направления развития
Разработка технологий широкополосного доступа для мобильных пользователей с поддержкой мультимедиа
Совместимость с существующими сетями
Поддержка протокола VoIP в беспроводных сетях
Обеспечение QoS
Основные приложения
Точки доступа к сетям общего пользования
Передача голоса (VoIP)
Передача данных и доступ в Интернет

WLAN Summary
Рынок для технологий WLAN уже сложился
Основной спрос на рынке формируют ПК и точки доступа
Острая конкуренция на рынке ведет к снижению цен
Растущее число установленных точек доступа ведет к увеличению спроса на мобильные устройства с поддержкой технологий WLAN
Новые стандарты (IEEE 802.11.n) поддерживают внедрение мультимедиа и увеличение пропускной способности сети
Рыночный успех технологий WLAN способствует развитию других беспроводных решений (WPAN, WMAN)

Стандарт 802.15.1/802.15.1а (Bluetooth)
Общая характеристика
Обеспечение беспроводной связи в персональной сети
Передача речи (беспроводные гаритуры)
Передача данных (периферийные устройства, синхронизация с ПК)
Использование в портативных устройствах
Значительное присутствие на рынке
Наибольшее распространение
в приложениях, для которых
изначально разрабатывался
Требования приложений
Обеспечение надежного соединения
для передачи аудио/данных
Замена проводов в периферийных
устройствах
Низкое энергопотребление
Малые размеры
Handhelds

Стандарт 802.15.1/802.15.1а (Bluetooth)
Технические детали
Используемый частотный диапазон: 2,4 ГГц
Типы модуляции: FHSS, ECC
Скорость передачи данных: < 1 Мбит/с (~700 kБит/с в лучшем случае)
Дальность передачи: <10 м
Энергопотребление: > 40 мА / 200 мкА
Большой размер стека протоколов (> 100 кБ)
Направления развития
Спецификация 802.15.1а в разработке
На данный момент нет четкой формулировки дальнейшего развития стандарта

Стандарт 802.15.3/ 802.15.3а
802.15.3
Высокоскоростное беспроводное соединение в рамках персональной сети
Ориентирован на поддержку мультимедиа-приложений в мобильных устройствах
Скорость передачи: 11, 22, 33, 44 и 55 Mбит/с.
Частотный диапазон 2.4 ГГц
Поддержка Quality of Service
Низкое энергопотребление
Низкая стоимость
802.15.3a
Отличия в физическом уровне от for 802.15.3
Увеличенная скорость передачи: 114 and 220 Mбит/с
Используется технология UWB
Стандарт на стадии разработки

Технология Ultra Wide Band (UWB)
US Federal Communications Commission’s (FCC) разрешила использование диапазона 3.1 – 10.6 ГГц

Технология Ultra Wide Band (UWB)
Общая характеристика
Обмен потоками мультимедиа в реальном режиме времени
Ориентирован на персональные сети (PAN), скорость заметно падает с увеличением дальности передачи
Два альянса разработчиков устройств на базе технологии UWB: MBOA и DS-UWB (Интел и Freescale) – разные технические решения
Уже анонсированы передатчики UWB
Технические детали
Частотный диапазон: 3.1 – 10.6 ГГц
Скорость передачи: 110, 480 Мбит/с (MBOA), 1 Гбит/с (DS-UWB)
Дальность передачи: < 10 м (3 м)
Тип модуляции: OFDM. QPSK
Алгоритмы FFT - высокие требования к производительности МК (DSP)
Энергопотребление на уровне Bluetooth

Введение в стандарт ZigBee™/ IEEE 802.15.4
Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004

Классификация основных беспроводных стандартов
Текст
Цифр.
видео
Мульти-канал.
видео
Графика
Интернет
Hi-Fi
аудио
Потоковое
видео
WLAN 802.11
Голос
Информационная емкость
Bluetooth
Класс 3
Скорость
Bluetooth
Класс 1
Дальность передачи
Низкая скорость передачи данных
Высокая скорость передачи данных

Зачем нужен стандарт ZigBee?
ТОЛЬКО стандартное решение:
Удовлетворяет специфическим требованиям приложений для дистанционного мониторинга и управляния в сетях автоматики
Делает возможным широкое внедрение дешевых беспроводных решений с низким энергопотреблением
Обеспечивает функционирование устройств в типичных системах мониторинга на протяжении нескольких лет от обычной батарейки
Гарантирует интероперабельность устройств разных производителей

Требования рынка недорогих
беспроводных приложений (1)
Глобальные частотные нелицензируемые диапазоны: 2.4 GHz, 915 MHz, 868 MHz
Неограниченное географическое использование
Проникновение RF сигнала через стены и потолки
Быстрое развертывание сети и простая процедура добавления / удаления устройств
Привлекательная цена

Требования рынка недорогих
беспроводных приложений (2)
Скорость передачи – 10к - 250 кбит/сек
Радиус покрытия - 10-75м
До 255 подчиненных устройств в сети
До 100 параллельно работающих сетей
До 2-х лет работы от стандартной алкалиновой батареи

Частотные диапазоны и скорости передачи стандарта IEEE 802.15.4
868MHz / 915MHz
PHY
2.4 GHz
868.3 MHz
Канал 0
Каналы 1-10
Каналы 11-26
2.4835 GHz
928 MHz
902 MHz
5 MHz
2 MHz
2.4GHz
PHY
ISM Весь мир 250 kbps 16
2.4 GHz
ISM Европа 20 kbps 1
868 MHz
ISM Америка 40 kbps 10
915 MHz
Диапазон География использования Скорость # Каналов Модуляция
BPSK
BPSK
O-QPSK

ZigBee …
Миф или реальность?
Новая технология для новых рынков

Рыночный потенциал и
области применения ZigBee
ZigBee
Беспроводное решение, которое просто работает. . .
Управление доступом и освещением
Потребительская Электроника
ТВ & VCR
DVD/CD
Дистанционное управление
Интерактивные игры
Безопасность
ОВК
Управление освещением
Контроль доступа
Освещение и полив
теплиц, газонов, садов
ПК & Периферия
Промышленные
управление и
мониторинг
Управление активами
Контроль процессов
Оптимизация энергопотребления
Индивидуальное медицинское диагностическое оборудование
Автоматизация
Зданий
Безопасность
ОВК
Считывание счетчиков
Управление освещением
Контроль доступа
Мышь
Клавиатура
Джойстик
Диагностика пациента
Оборудование для фитнеса

Промоутеры альянса ZigBee

Участники альянса ZigBee

Оценка рыночного потенциала ZigBee
“The market for ZigBee chips is expected to reach half a billion units by 2008”
Kirsten West, West Technology Research Solutions
“… the ZigBee component market will reach $1.7 billion by 2007”
West Technology Research Solutions LLC
2008 market forecast:
1649 М USD
In-Stat MDR Nov 2003

Мир интероперабельных устройств – автоматизация здания супермаркета

Мир интероперабельных устройств –
«умный» дом
Heat alarms

Обзор стандартов ZigBee/ IEEE 802.15.4
Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004

Использование 802.15.4 в стандарте ZigBee
IEEE 802.15.4
Релизует функции физического
и канального уровня
Zigbee
ZigBee использует PHY и MAC-уровни, определенные в стандарте IEEE 802.15.4
ZigBee реализует функции канального, сетевого уровня и уровня поддержки приложений
Реализация разных типов устройств в зависимости от требуемой функциональности (RFD и FFD)
Продолжается работа с институтом IEEE для дальнейшего развития стандарта

Структура стека протокола ZigBee
IEEE
802.15.4
IEEE 802.15.4 MAC
Уровень канала передачи данных (DLC)
Сетевой уровень (NWK)
Подуровень поддержки приложений (APS)
Профили устройств ZigBee
Приложение
Заказчик
Стек ZigBee
Добавление/удаление устройств, доставка пакетов, подтверждение приема (ACK), CRC, сканирование и доступ к каналам связи (CSMA-CA), временное разделение, и т.д.
Безопасность сети, трансляция сообщений, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и т.д.
Безопасность устройства, трансляция сообщений, организация сервисов устройств, и т.д.
Модуляция, параметры сигнала, прием и передача информации через физический радиоканал и т.д.
Интерфейс связи с приложением
API
Библиотеки профилей, наборы сервисов устройств, типовые информационные сообщения, совместимость
Формирование и контроль пакетов данных, управление потоком данных, и т.д.

Общая характеристика IEEE 802.15.4
802.15.4 – простой протокол передачи данных в беспроводных соединениях с небольшими объемами передаваемой информации
Доступ к среде:
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with collision avoidance)
Три частотных диапазона, 27 каналов
2.4 ГГц: 16 каналов, скорость передачи 250 kБит/с
868.3 МГц : 1 канал, скорость передачи 20 kБит/с
902-928 МГц: 10 каналов, скорость передачи 40 kБит/с
Подтверждение принятия сообщения, возможна работа по временным слотам
Обеспечение безопеасности соединения на нескольких уровнях
Хорошо работает в приложениях с нефиксированной задержкой
Дистанционное управление и мониторинг
Разработан с учетом требований к пониженному энергопотреблению
Время функционирования может превышать срок службы батареи
Устройства могут прослушивать эфир в спящем режиме

До 65,536 оконечных точек (клиентов)
1 сетевой координатор (мастер)
Optimized for timing-critical applications
Добавление устройства в сеть: ~30 мс
Переход в активное состояние: ~15 мс
Доступ к каналу передачи:
~15 мс
Basic Network Characteristics
Сетевой координатор
Устройство с полной функциональностью
Устройство с малой функциональностью
Сетевые особенности

Типы устройств в стандарте IEEE 802.15.4
Три типа устройств
Сетевой координатор
Содержит полную таблицу устройств и соединений в сети
Наиболее сложный тип устройств
Большой объем памяти и высокая производительность
Устройство с полной функциональностью
Поддерживает все функции, определенные стандартом 802.15.4
Идеально подходит для выполнения функций маршрутизации – необходимо иметь достаточный объем памяти и высокую производительность
Может выполнять функции шлюза или моста для связи с другими сетями
Устройство с малой функциональностью
Поддерживает минимальный набор функций (согласно стандарту), что позволяет использовать дешевые МК и снизить цену
Выполняют роль оконечных узлов в сети

Topology Models
Сетевой координатор
Устройство с полной функциональностью
Устройство с малой функциональностью
Звезда
Иерархическое дерево
Поддерживаемые сетевые топологии
Многоячейковая сеть

Основные функции MAC IEEE 802.15.4
Реализация адресации (64-bit IEEE и 16-bit короткий адрес)
64-bit for associations, 16-bit for signaling
Using local addressing, simple networks of more than 65,000 (216) nodes can be configured, with reduced address overhead
Определяет набор функций для устройств разных типов
Сетевой коммуникатор
Устройство с полной функциональностью (FFD)
Устройство с малой функциональностью (RFD)
Определяет структуру кадра
Обеспечение надежной доставки данных
Поддержка сервисов по подключению / отключению к сети
Поддержка функций шифрования AES-128
Определяет метод доступа к каналу CSMA-CA
Поддерживает дополнительные структуры кадров для организации временных слотов

Основные функции MAC IEEE 802.15.4
Два способа доступа к каналу передачи
Передача в произвольные моменты времени
Стандартный механизм ALOHA CSMA-CA
Передача подтверждения при успешной доставке пакета данных
Передача по временным слотам
Использование специальной структуры кадра
Сетевой координатор передает сигналы синхронизации через определенные промежутки времени
15 мс to 252 с (15.38 мс * 2n where 0 ≤ n ≤ 14)
16 равных временных слотов между сигналами синхронизации
Доступ к временному слоту в каждый момент времени свободен от коллизий
Позволяет выделить гарантированные временные слоты для передачи
Три уровня безопасности сети
Без контроля
Доступ к сети разрешается только прописанным устройствам
Использование шифрования с симметричным ключом AES-128

Сравнительный анализ и совместная работа беспроводных сетей разных стандартов
Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004

Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11

ZigBee™ / Bluetooth / WLAN
ZigBee (WPAN)
802.15.4 Standard
250 kbps
TX: 30-35 mA
Standby: <3 µA
32-60 kb Memory
Remote Control & Monitoring
Permanent Mesh networking
Bluetooth (WPAN)
802.15.1 Standard
1 Mbps
TX: 40 mA
Standby: 200 µA
100+ kb Memory
Telecom Audio, Small file Xfer
Ad Hoc Point to multi-point
Wi-Fi (WLAN)
802.11b/g Standard
Up to 54 Mbps
TX: 400+ mA
Standby: 20 mA
100+kb Memory
Access Points, LAN Extension
Permanent Point to multi-point

ZigBee™ и Bluetooth
Bluetooth:
Постоянное соединение со средней скоростью передачи
1 Mbps, ~700 kbps в лучшем случае (ассиметричный режим)
Передача файлов, голосовая связь
Точка-точка, звезда (пикосеть), до 7 устройств
ZigBee:
Низкая скорость передачи, низкая скважность
250 kbps, 60-115 kbps (обычно)
Большой срок работы от батарей (до нескольких лет)
Более сложные сетевые структуры, до 65536 устройств
Целесообразность использования (в зависимости от времени активного состояния) при работе от батареи
> 1 с BT ≅ ZigBee
< 1 с лучше ZigBee
Основная разница между стандартами в реализации протокола

Время работы от батарей: ZigBee™ и Bluetooth
Анализ на основе опубликованных данных по Bluetooth и ZigBee (RFIC и МК HCS08)
Пример 1 High-Duty Cycle
Передача 5 байтов через 1.28 с при емкости батареи 200 mAh
При использовании Bluetooth: 15 дней
При использовании Freescale ZigBee: 33 дня
Пример 2 ‘Event Driven’ Applications (security system scenario)
Сетевой координатор питается от обычной сети
Датчик передает сигнал каждые 60 с + происходит 10 событий в день
2 батареи типа AA
При использовании Bluetooth: 100 дней
Battery lifetime based on Freescale ZigBee: 3559 дней или 9.8 лет

Совместная работа беспроводных сетей
Возможна интерференция между сетями в любом нелицензированном частотном диапазоне
Комитеты IEEE 802.11 и 802.15.2 прорабатывают вопросы взаимного влияния сетей различных стандартов
Устойчивость протоколоа ZigBee™/802.15.4
Прослушивание канала перед посылкой
Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
Если подтверждение не получено, устройство ожидает и снова делает попытку передачи
Низкая скважность сигнала ZigBee (1% до 0.1% Duty Cycles)
Самые вероятные источники помех (802.11b/g, BT, СВЧ-печи) имеют максимальную скважность 50%
При скважности 1% очень высокая вероятность успешной передачи