'

Стандарты беспроводной связи. Введение в ZigBee/802.15.4

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

Стандарты беспроводной связи. Введение в ZigBee/802.15.4 Беспроводные решения стандарта ZigBee/802.15.4 фирмы Freescale Semiconductor 1 декабря 2004


Слайд 1

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


Слайд 2

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


Слайд 3

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


Слайд 4

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


Слайд 5

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


Слайд 6

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


Слайд 7

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


Слайд 8

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)


Слайд 9

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


Слайд 10

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


Слайд 11

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


Слайд 12

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


Слайд 13

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


Слайд 14

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


Слайд 15

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


Слайд 16

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


Слайд 17

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


Слайд 18

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


Слайд 19

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


Слайд 20

ZigBee … Миф или реальность? Новая технология для новых рынков


Слайд 21

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


Слайд 22

Промоутеры альянса ZigBee


Слайд 23

Участники альянса ZigBee


Слайд 24

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


Слайд 25

Мир интероперабельных устройств – автоматизация здания супермаркета


Слайд 26

Мир интероперабельных устройств – «умный» дом Heat alarms


Слайд 27

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


Слайд 28

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


Слайд 29

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.


Слайд 30

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


Слайд 31

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


Слайд 32

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


Слайд 33

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


Слайд 34

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


Слайд 35

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


Слайд 36

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


Слайд 37

Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11


Слайд 38

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


Слайд 39

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


Слайд 40

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


Слайд 41

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


Слайд 42

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


×

HTML:





Ссылка: