🗊Презентация Инт10_Беспроводн_11

Стандарты беспроводной связи. Беспроводные решения стандарта

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

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

Стоимость беспроводных решений

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

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 802.15.3/ 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

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

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

Использование 802.15.4 в стандарте ZigBee

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

Рыночный потенциал и области применения ZigBee

Промоутеры альянса ZigBee

Частотные диапазоны и скорости передачи стандарта IEEE 802.15.4

Структура стека протокола ZigBee

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

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

Время работы от батарей: ZigBee™ и Bluetooth

Время работы от батарей: ZigBee™ и Bluetooth

Air interface ZigBee DSSS- 11 chips/ symbol 62.5 K symbols/s 4 Bits/ symbol Peak Information Rate ~128 Kbit/second

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

Ultra-Wideband

UWB

UWB

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

UWB

Ultra-Wideband

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

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

Data Frame format One of two most basic and important structures in 15.4 Provides up to 104 byte data payload capacity Data sequence numbering to ensure that packets are tracked Robust structure improves reception in difficult conditions Frame Check Sequence (FCS) validates error-free data

Acknowledgement Frame Format The other most important structure for 15.4 Provides active feedback from receiver to sender that packet was received without error Short packet that takes advantage of standards-specified “quiet time” immediately after data packet transmission

MAC Command Frame format Mechanism for remote control/configuration of client nodes Allows a centralized network manager to configure individual clients no matter how large the network

Beacon Frame format Beacons add a new level of functionality to a network Client devices can wake up only when a beacon is to be broadcast, listen for their address, and if not heard, return to sleep Beacons are important for mesh and cluster tree networks to keep all of the nodes synchronized without requiring nodes to consume precious battery energy listening for long periods of time

Peel-n’-Stick Security Sensors Battery Operation 2 AA Alkaline or 1 Li-AA cell 802.15.4/ZigBee Mode Non-beacon network environment Sensor process RC Oscillator waking up MCU and doing network check-in at some interval Many security systems have between ~10 second and ~15 minute requirement On a sensor event, device immediately awakens and reports in to network

Body-Worn Medical Sensors Heartbeat Sensor Battery-operated using CR2032 Li-Coin cell 802.15.4/ZigBee Mode Network environment using Guaranteed Time Slot (GTS) Network beacons occurring either every 960ms or 61.44s (closest values to 1 and 60 s) Sensor has two ongoing processes Heartbeat time logging Transmit heartrate and other information (8 bytes total) Instantaneous and average heart rate Body temperature and battery voltage

System Simplicity and Flexibility