Slajd 1

Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI)

Bezprzewodowa transmisja danych

przykłady wybrane

Politechnika Gdańska

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV

Opracowanie:

dr inż. Tomasz Rutkowski

Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Widmo promieniowania

elektro-magnetycznego

źródło: http:\\pl.wikipedia.org

– fale akustyczne

– fale radiowe

– mikrofale

– podczerwień

– światło widzialne

– ultrafiolet

Promieniowanie:
G

– rentgenowskie

– gamma

Podstawowy podział

– uwzględnienie zasięgu

Systemy bezprzewodowej transmisji danych:



o „małym zasięgu”

(do kilkunastu metrów)



o „średnim zasięgu”

(do kilkudziesięciu/kilkuset metrów)



o „dużym zasięgu”

(od kilku do setek/tysięcy kilometrów)

Podstawowy podział

– uwzględnienie zasięgu

Systemy bezprzewodowej transmisji danych:



o „małym zasięgu”

np.: IrDA, Bluetooth, Wibree (Bluetooth ultra low

power)



o „średnim zasięgu”

np.: HomeRF, WiFi (802.11), ZigBee



o „dużym zasięgu”

np.: radiomodemy, sieci telefonii komórkowej GSM

Podstawowy podział

– uwzględnienie „funkcji” systemu

„Funkcje” systemów bezprzewodowej transmisji danych:



transmisja danych cyfrowych

(wydzielone, nietelefoniczne kanały radiowe)



transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

(sieć telefonii komórkowej)



telemetria – „pomiary na odległość”



telemechanika – „sterowanie na odległość”



czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kabli

miedzianych, kabli optycznych:

trudne warunki fizyczne do prowadzenia kabla

brak miejsca itp.

Podstawowy podział

– uwzględnienie „funkcji” systemu

„Funkcje” systemów bezprzewodowej transmisji danych:



transmisja danych cyfrowych

radiomodemy …



transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne

sieci telefonii komórkowej GSM …



czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kabli

miedzianych, kabli optycznych

IrDA, Bluetooth, HomeRF, WiFi (802.11), radiomodemy …

Drop in Networking

dotyczy rozmieszczania sieci bezprzewodowych w środowisku, w którym

niemożliwe jest wdrożenie sieci przewodowych

Podstawowy podział

– uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości

Pasma częstotliwości na których użytkowanie:



trzeba mieć zezwolenie

pasma licencjonowane nad którymi „czuwa” Urząd

Komunikacji Elektronicznej (UKE),

•

np. operatorzy sieci komórkowych otrzymują

zezwolenie w formie koncesji od UKE

za prawo do dysponowania częstotliwością należy

uiszczać roczne opłaty opisane w Dzienniku Ustaw Nr

24, poz. 196 (2005 r.)

Podstawowy podział

– uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości

Pasma częstotliwości na których użytkowanie:



nie trzeba mieć zezwolenia

pasma nielicencjonowane opisane w Dzienniku Ustaw Nr

138, poz. 972 (miedzy innymi pasmo ISM)

•

np. urządzenia pracujące w niektórych przedziałach ISM

muszą posiadać homologację

(800 MHz z mocą nadajnika 20 mW)

Pasmo ISM

ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical):



ISM jest pasmem nielicencjonowanym



ISM to pasmo radiowe przeznaczone dla zastosowań
przemysłowych, naukowych i medycznych



ISM posiada wiele przedziałów, np.:

433,05 MHz – 434,79 MHz (moc nadajnika 10 mW)

2,4 GHz – 2,5 GHz (moc nadajnika 10 mW)

24,00 GHz – 24,25 GHz (moc nadajnika 100 mW)

Popularne zastosowania komunikacji bezprzewodowej

Zastosowania:



Monitorowanie procesów, instalacji, produktów



Sterowanie



Zdalny dostęp do urządzeń, odczyt, serwis



Systemy alarmowe



Systemy bezpieczeństwa

Cechy urządzeń komunikacji bezprzewodowej

istotne dla użytkowników

Na co zwracają uwagę użytkownicy:



ceny urządzeń, w tym koszt zakupu i użytkowania



zasięg



szybkość transmisji



bezpieczeństwo oraz niezawodność przesyłania danych



zastosowanie wewnątrz czy na zewnątrz pomieszczeń,



stopień ochrony obudowy i odporność urządzenia na
trudne warunki środowiskowe



łatwość konfiguracji, łatwość obsługi i integracji modułów
sieciowych

Cechy urządzeń komunikacji bezprzewodowej

istotne dla użytkowników

Na co zwracają uwagę użytkownicy:



marka urządzenia



kwestia wykorzystanej w urządzeniach technologii
komunikacyjnej (pasmo transmisji, kodowanie, protokół, itd.)
nie przesądza o wyborze rozwiązania

Systemy bezprzewodowej transmisji danych:



o „małym zasięgu”

IrDA

Bluetooth

IrDA - bezprzewodowa transmisja danych

z promieniowaniem podczerwonym



W 1993 r. powstała grupa IrDA (ang. Infrared Data Association)



W skład grupy wchodzą między innymi:
Acer, Apple Computer, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard, Intel,
Microsoft, Motorola, Nokia, Philips, Sony, Toshiba



IrDA opracowała firmowy system bezprzewodowej
transmisji danych cyfrowych z wykorzystaniem
promieniowania podczerwonego



IrDA przeznaczona jest przede wszystkim do tworzenia sieci
tymczasowych, w których znajdują się komputery przenośne
(laptopy, palmtopy), drukarki, telefony komórkowe itp.

IrDA – parametry łącza

Parametr

Wartość typowa

Zasięg

Kąt odbioru

±15˚

Długość fali IR

850-900 nm

Czas trwania impulsu

3/16 bitu UART

Szybkość transmisji

2,4-4000 kb/s

Typ połączenia

punkt - punkt

Liczba kanałów

jeden do transmisji danych

Emulacja portów

szeregowy, równoległy

IrDA – parametry łącza

źródło: http://www.irda.org

RZI:

Return-to-Zero-Inverted

4 PPM: Four Pulse Position Modulation
HHH:

poprawiony 4 PPM

IrDA – warstwy/protokoły



Cztery warstwy „obowiązkowe” (protokoły
implementowane obowiązkowo):

IrPLS (ang. Infrared Physical Layer Specification)

IrLAP (ang. Infrared Link Access Protocol)

IrLMP (ang. Infrared Link Management Protocol)



Cztery warstwy opcjonalne (protokoły implementowane
opcjonalnie), które mogą być użyte dowolnie w zależności od
wymagań szczególnych danej aplikacji:

TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol)

IrOBEX (ang. Infrared Object Exchange Protocol)

IrCOMM (ang. Infrared Communications Protocol)

IrLAN (ang. Infrared Local Area Network Access

IrDA – warstwy protokołu

Warstwa IrPLS (ang. Physical Layer Specification):



specyfikuje optyczny nadajnik-odbiornik,



kształtuje sygnały w podczerwieni włączając do tego kodowanie danych



opisuje specyfikację optyczną oraz zakres prędkości

Warstwa IrLAP (ang. Link Access Protocol):



odpowiada warstwie łącza danych modelu ISO/OSI



dostarcza godnego zaufania mechanizmu przesyłu danych (retransmisja, kontrola
potoku na niskim poziomie, detekcja błędów)

Warstwa IrLMP (ang. Link Management Protocol):



posiada cechy takie jak multiplexing, co pozwala różnym klientom IrLMP korzystać
z pojedynczego łącza IrLAP

Warstwa IAS (ang. Information Access Service):



zbiór obiektów, komponentów dostępnych dla danego połączenia – informacje o
udostępnianych usługach

IrDA – warstwy protokołu

TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol):



dostarcza usług kontroli przepływu danych przez połączenie, kanał (warstwa LMP)



dostarcza usług segmentacji

IrOBEX (ang. Object Exchange Protocol):



umożliwia systemom dowolnych rozmiarów wymieniać szeroki zakres różnych
danych oraz rozkazów za pomocą sprecyzowanych i standardowych modeli

IrCOMM (ang. Communications Protocol):



emuluje porty szeregowy lub równoległy

IrLAN (ang. Local Area Network Access):



służy do wygodnego połączenia między przenośnymi PC a siecią lokalną

Bluetooth - historia



W 1994 Ericsson zainteresował się możliwością łączenia
telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla
i z IBM, Intel, Nokia i Toshiba utworzył grupę SIG (ang. Special
Interest Group), której głównymi celami było:



standaryzacja bezprzewodowej technologii o niewielkim zasięgu,



małym poborem prądu,



niskim poziomem mocy promieniowanej



niską ceną



W 1999 roku Bluetooth SIG opublikowało specyfikację pierwszej
wersji technologii Bluetooth (Bluetooth V1.0)



W 2002 roku, IEEE zatwierdziło Bluetooth (IEE 802.15.1)

Bluetooth - bezprzewodowa transmisja danych

w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz



Wykorzystuje pasmo ISM, wynika z tego problem ochrony
transmisji przed zakłóceniami ze strony innych urządzeń
pracujących w tym samym paśmie (np. mikrofalówka, piloty) –
wykorzystuje się modulację w widmie rozproszonym



Integruje w ramach sieci PAN (ang. Personal Area Network) takie
urządzenia jak: klawiatura, komputer, laptop, palmtop, telefon
komórkowy, słuchawki …



Każde urządzenie ma swój indywidualny numer (adres) w postaci
32-bitowego słowa binarnego BDA (ang. Bluetooth Device Address)



Kodowanie binarnego sygnału odbywa się metodą kluczowania
częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying)

Bluetooth - bezprzewodowa transmisja danych

w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz



W tworzoną doraźnie sieć ad hoc systemu Bluetooth można
włączyć do 8 urządzeń, z których każde może pełnić rolę
nadajnika i odbiornika (tworzy się tzw. pikosieć)



W pikosieci tylko jedno urządzenie pełni funkcje nadrzędne
(master), pozostałe są pełnią funkcje podrzędne (slave)



Urządzenie inicjujące taką pikosieć jest urządzeniem nadrzędnym
(master)



Każde z urządzeń może być częścią kilku pikosieci jednocześnie



Komunikacja odbywa się w trybie półdupleks



W określonej szczelinie czasowej (przedziale czasu) nadajnik
przesyła informację tylko do jednego odbiornika, a odbiornik
przyjmuje informacje od jednego nadajnika

Bluetooth – tworzenie kanałów transmisyjnych



Wykorzystuje się modulację rozpraszania widma ze skokami
częstotliwości FH (ang. Frequency Hopping) i dzieleniem czasu
TDD (ang. Time Division Duplex)



Przedział częstotliwości 2402-2480 MHz dzieli się na 79 kanałów
o odstępie 1 MHz



System dzieli pasmo na kanały o zmieniającej się częstotliwości



Zmiany częstotliwości nośnej odbywają się pseudolosowo
(skokowo), według określonej sekwencji (powtarzanej co 23 h)



Oprócz częstotliwości kanał jest zdefiniowany przez przydział
szczeliny czasowej 625 s

Bluetooth – tworzenie kanałów transmisyjnych



W ramach jednej szczeliny czasowej transmitowany jest jeden
pakiet danych



Skokowa zmiany częstotliwości odbywa się z okresem 625 s co
oznacza, że odbywa się 1600 razy na sekundę



Sekwencję zmiany częstotliwości nośnej muszą znać nadajnik jak
i odbiornik



Sekwencja zmiany częstotliwości jest ustalana w wyniku danych
zawartych w transmitowanym pakiecie

Bluetooth – format pakietu danych



Pakiet Bluetooth składa się z trzech części:

Kod dostępu AC

Nagłówek

Bluetooth – format pakietu danych

Kod dostępu AC



Start AC – preambuła



Koniec AC – koniec pierwszej części ramki



Słowo synchronizacji – zawiera informacje o pseudolosowej
sekwencji zmian częstotliwości kanału

pierwsza część „Słowa synchronizacji” tworzona jest przez przypisanie
40 starszych bitów poprzedniego słowa

druga część „Słowa synchronizacji” jest wynikiem operacji modulo 2
(XOR) młodszych 24 bitów poprzedniego słowa i 24 bitów adresu
BDA urządzenia nadającego

Bluetooth – format pakietu danych

Nagłówek



AMA (ang. Active Member Address) – 3 bitowy adres aktywnego
urządzenia



Typ – 4 bity określające typ pakietu



Płynność – 1 bit kontroli płynności transmisji



ARQ – 1 bit automatycznej retransmisji pakietu



Kontrola błędów – 1 bit kontroli błędów

Bluetooth – połaczenia



Transmisja pakietu danych większych niż 2745 bitów odbywa się
w przeciągu 3-5 szczelin czasowych



Komunikacja odbywa się między urządzeniami master a slave



Master zaczyna od „zapytania” a slave „odpowiada”



Dwa urządzenia slave nie mogą komunikować się ze sobą
bezpośrednio



Urządzenie master ma prawo nadawać w parzystych szczelinach
czasowych



Pozostałe urządzenia nadają w szczelinach nieparzystych

Bluetooth – model warstwowy

Fizyczna warstwa radiowa



odpowiada warstwie fizycznej łącza danych



określa transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie

Warstwa baseband layer



jest zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI, ale zawiera także elementy warstwy
fizycznej



określa w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są
grupowane w ramki

Link manager



zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem
energią oraz jakością usługi(QoS)

Link control adaptation protocol



zajmuje się szczegółowymi parametrami transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe
warstwy od tego obowiązku

Bluetooth – model warstwowy

Podwarstwa LLC standardu 802



została "wstawiona" przez IEEE, w celu zapewnienia kompatybilności z sieciami 802

RFcomm (ang. Radio Frequency communication)



to protokół, który emuluje standardowy port szeregowy do podłączenia klawiatury,
myszy, modemu oraz innych urządzeń

Protokół telephony



to protokółm czasu rzeczywistego, używanym w profilach zorientowanych na
rozmowy

Protokół discovery service



jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci

Profile



opisują ogólne wymagania stawiane oprogramowaniu, umożliwiającemu realizację
różnego typu usług telekomunikacyjnych



służą zapewnieniu kompatybilności między aplikacjami oraz urządzeniami Bluetooth
pochodzącymi od różnych producentów

Bluetooth – zasięg

Zasięg urządzeń Blutooth związany jest z klasą mocy

nadajników:



klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, do 100 m



klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m



klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z zasięgiem do 1 m

Bluetooth – szybkość transmisji

Szybkość transmisji standardów Bluetooth:



v 1.0 – 21 kb/s



v 1.1 – 124 kb/s



v 1.2 – 328 kb/s



v 2.0 – 3,1 Mb/s



v 3.0 + HS (High Speed) – 3 MB/s



v 3.1 + HS (High Speed) - 5 MB/s

Systemy bezprzewodowej transmisji danych:



o „średnim zasięgu”

WiFi (802.11)

ZigBee

Wybrane standardy transmisji bezprzewodowej WiFi

Porównanie wybranych standardów:

IEEE
802.11

IEEE
802.11b

IEEE
802.11a

IEEE
802.11g

IEEE
802.11n

Zasięg

60 m

100 m

75 m

100 m

> 100 m

Max. Szybkość
transmisji

2 Mb/s

11 Mb/s

54 Mb/s

540 Mb/s

Medium

fale
radiowe

Dł. fali /
Częstotliwość

2,4 GHz

5 GHz

2,4 GHz

2,4 GHz
lub 5 GHz

Wrażliwość na
zakłócenia

średnia

mała

średnia

duża

średnia

Data
zatwierdzenia

1997

1999

2003

2009

Kanały w standardach: 802.11b i 802.11g



Dostępne pasmo dzieli się na 14
nakładających się na siebie
kanałów



Częstotliwości „środkowe”
kanałów oddalone są od siebie
o 5 MHz



Kanały 1, 6 i 11 „nie pokrywają
się”



Gdy w danej przestrzeni będą działały 3 sieci
WLAN to aby wyeliminować możliwość
wzajemnych zakłóceń, należy przydzielić im co
piąty kanał

Nr kanału Częstotliwość [MHz]

2412

2417

2422

2427

2432

2437

2442

2447

2452

2457

2462

2467

2472

2484

Modulacja

Standard 802.11b:



Modulacja DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) -
bezpośrednie modulowanie nośnej sekwencją kodową (technika
rozpraszania widma)



Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary
Phase Shift Keying)

Standardy 802.11a, 802.11g i 802.11n :



Modulacja OFDM (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)
wykorzystująca wiele ortogonalnych względem siebie podnośnych
(52 podnośne)



Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary
Phase Shift Keying)

Mechanizm ACT

ACT (ang. Air Trafic Control):



Umożliwia komunikację pomiędzy różnymi urządzeniami
standardu 802.11



Inna modulacja urządzeń 802.11a i 802.11g (OFDM) oraz
urządzeń 802.11b (DSSS) – nie wykrywają się nawzajem



Urządzenia 802.11a i 802.11g przed nadawaniem wysyłają
krótką informację w modulacji DSSS, informując
urządzenia 802.11b o transmisji i rezerwując medium na
jej czas

Standaryzacja



Organizacja IEEE nie sprawdza jak producenci wywiązują
się z zaleceń jej standardów



W 1999 powstaje organizacja WECA (ang. Wireless
Ethernet Compatibility Alliance) wydająca certyfikaty
zgodności z normą



Po przejściu testów zgodności z normą urządzenie
otrzymuje certyfikat Wi-Fi (ang. Wireless Fidelity)



W 2002 organizacja WECA zmieniła nazwę na
Wi-Fi Alliance

Struktury sieci WLAN



Sieć Ad Hoc



Sieć BSS (ang. Basic Service Set)



Sieć ESS (ang. Extended Service Set)



Sieć z mostem



Sieć WLAN z roamingiem

Struktury sieci WLAN



Sieć ESS (ang. Extended Service Set)

BSS1

BSS2

Internet

ESS

Struktury sieci WLAN



Sieć WLAN z roamingiem

BSS1

BSS2

Internet

ESS

BSS3

Kontrola dostępu do medium

Metoda CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Acess with

Colision Avoidance):

•

Jeżeli stacja przez określony czas nie wykryje transmisji to przełącza się w
tryb gotowości do nadawania i czeka jeszcze trochę

•

Jeżeli nadal nikt nie prowadzi nadawania to stacja rozpoczyna transmisję

•

Dla każdej przesłanej ramki, do nadawcy musi dotrzeć potwierdzenie
poprawności odbioru ACK (ang. Acknowledge), wysłane przez odbiorcę

Mechanizm ten nazywa się skrótem CCA (ang. Clear Chanel Assessment)

Przypadek dwie stacje, brak pośrednictwa punktu dostępowego,

np.: sieć Ad Hoc

Kontrola dostępu do medium

Mechanizm DCF (ang. Distributed Coordination Function):



W tym przypadku nadawca wysyła ramkę RTS (ang. Request to send) będącą
informacją dla stacji w jego zasięgu o zamiarze nadawania



Pośredni odbiorca danych (punkt dostępowy) wysyła ramkę CTS (ang. Clear to
send) informującą o gotowości odbioru, w tym momencie odbiorca docelowy
otrzyma informacje o rozpoczynającej się transmisji



Rozpoczyna się właściwa wymiana ramki danych, której otrzymanie odbiorca
potwierdza ramką ACK



Jeżeli nadawca nie otrzyma ramki ACK musi ponowić transmisję

Przypadek dwie stacje komunikują się za pośrednictwem punktu dostępowego,

np. sieć BSS

Mechanizm transmisji

Każda stacja prowadzi nasłuch pasma (stacja nasłuchuje wtedy
gdy nie nadaje !!!)

W polu ramki protokołu 802.11 stacja umieszcza informację o
planowanym czasie nadawania aktualnej ramki. Czas rezerwacji
łącza nazywany jest wektorem alokacji sieci (wirtualna funkcja
wykrywania zajętości kanału transmisyjnego)

Po tym czasie następuje okno czasowe rywalizacji i stacje
rywalizują o dostęp i rezerwację pasma dla siebie

Działanie protokołu 802.11

Stacja bezprzewodowa może się znajdować w

trzech stanach:

1)Stan początkowy – nieuwierzytelniony i nie

skojarzony z żadnym punktem dostępowym

2)Uwierzytelniony
3)Połączony i skojarzony z danym punktem

dostępowym

Działanie protokołu 802.11

Skanowanie:



W wyniku skanowania użytkownik otrzymuje raport,
zawierający listę wykrytych sieci BSS oraz ich parametr, np.:



BSSID – identyfikator BSS



SSID – nazwa sieci ESS



BSS Type – typ sieci: Ad-Hoc lub BSS

Działanie protokołu 802.11

Przyłączenie:



Proces w całości wykonywany przez stację



Wybierany jest BSS do którego się „podłącza” stacja



Następnie dostosowywane są parametry połączenia

Działanie protokołu 802.11

Uwierzytelnianie:



W standardzie 802.11 zakłada się że punkty dostępowe są
„wiarygodne”



Obowiązek uwierzytelniania spada na poszczególne stacje



Uwierzytelnianie typu open-system



Uwierzytelnianie typu shared-key – wykorzystuje klucz
współdzielony przez oba urządzenia (WEP)

Działanie protokołu 802.11

Kojarzenie:



Jest to powiązanie stacji z punktem dostępowym



Polega na przydzieleniu stacji numeru AID (ang. Association ID) ,
który identyfikuje stację w procesie buforowania ramek przez
punkt dostępowy

Bezpieczeństwo



WEP (ang. Wired Equivalency Privacy)



Klucze szyfrujące muszą być skonfigurowane na każdym z urządzeń



Autoryzacja stacji odbywa się na podstawie adresu MAC (który
można zmienić !)



Od 2001 pojawiają się opracowania naukowe z serii „Jak złamać
WEP”, a zaraz po nich odpowiednie programy

(Obecnie 95% szansa złamania klucza 128 bitowego zajmuje:

- niecałe 2 minuty na przechwycenie 95 tysięcy pakietów
- niecałe 3 sekundy na uzyskanie klucza na komputerze

Pentium 1,7 GHz)

Bezpieczeństwo



WPA (ang. WiFi Protected Access)



Standard WPA został opracowany w 2003 przez Wi-Fi Alliance



WPA oparty jest na drafcie standardu 802.11i



Standard WPA zarządza dynamicznie kluczami szyfrowania i
zapewnia potwierdzenia tożsamości stacji mobilnych



Dla każdego klienta w określonych odstępach czasu generowane są
niepowtarzalne klucze szyfrowania

Bezpieczeństwo



WPA2 (ang. WiFi Protected Access 2)



Standard WPA2 został opracowany w 2004 roku przez Wi-Fi
Alliance



Jest uzupełniony o szyfrowanie protokołem AES



WPA3 (ang. WiFi Protected Access 3)



Kolejny udoskonalony standard WPA

ZigBee

- charakterystyka



ZigBee zaprojektowano specjalnie z myślą o wykorzystaniu w
produkcji różnego rodzaju czujników, urządzeń sterujących i
urządzeń monitorujących



ZigBee korzysta ze standardu łącza radiowego, zdefiniowanego
przez IEEE 802.15.4 (silny protokół pakietowy, zapewniający
dużą niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru,
sprawdzanie błędów, priorytyzowaną łączność, transmisję z
widmem rozproszonym, zdolność zmieniania częstotliwości dla
uniknięcia interferencji i możliwości wyboru przez
użytkownika poziomu bezpieczeństwa



ZigBee uzupełnia IEEE 802.15.4 o sieć logiczną oraz
oprogramowanie związane z bezpieczeństwem i aplikacjami
użytkownika

ZigBee

- charakterystyka



ZigBee aspiruje do pozycji globalnego standardu obsługującego
sieci typu czujnik-system sterowania



ZigBee jest nastawiony na częste przesyłanie drobnych, zwykle
tekstowych komunikatów



ZigBee jest rozwijane przez ZigBee Alliance (organizacja
zrzeszająca ponad 150 firm z całego świata)

ZigBee

- cechy



Transmisja w paśmie: 2,4GHz lub 868/915MHz



Standardowa odległość transmisji 100m (5-500m zależnie od
środowiska)



Szybkość transmisji danych: 250 kb/s (2.4 GHz), 40 kb/s
(915 MHz), 20 kb/s (868 MHz)



Dostęp do kanału z użyciem CSMA/CA



Modulacja BPSK (868/915 MHz) oraz O-QPSK (2,4 GHz)



W paśmie 2,4 GHz przewidziano 16 kanałów o szerokości
5MHz



Niski pobór mocy (czas zużywania baterii zasilających od wielu
miesięcy do kilku lat)

ZigBee

- cechy



64-bitowy adres IEEE (do 18,450,000,000,000,000,000
urządzeń)



Możliwość wykorzystania do 65535 sieci



Wykorzystanie protokołu handshake w celu zapewnienia
niezawodności transferu

ZigBee

- podział I – podział funkcjonalny



ZigBee opisuje trzy typy urządzeń :

koordynator (ang. ZigBee Coordinator - ZC): dla każdej sieci
może występować tylko jedno takie urządzenie, służy jako
węzeł początkowy do którego mogą się przyłączać
pozostałe urządzenia (zazwyczaj pełni rolę urządzenia
zbierającego dane)

II.

router (ang. ZigBee Router - ZR): przekazuje pakiety dalej

III.

urządzenie końcowe (ang. ZigBee End Device - ZED): przesyła
dane do routera do którego jest przyłączone, może być
czasowo usypiane w celu zmniejszenia zużycia energii

ZigBee

- podział II - typy urządzeń



Standard IEEE definiuje dwa typy urządzeń ZigBee:

1. Full Function Device (FFD):

•

Może funkcjonować w dowolnej topologii sieci

•

Może być koordynatorem sieci

•

Może "rozmawiać" z każdym innym urządzeniem w sieci

2. Reduced Function Device (RFD):

•

Może funkcjonować tylko w topologii gwiaździstej

•

Nie może stać się koordynatorem sieci

•

"Rozmawia" tylko z koordynatorem sieci

•

Bardzo prosta implementacja

•

ZigBee

- topologie sieci



Typowe topologie sieci ZigBee:



gwiaździsta



peer-to-peer



kratowa (ang. mesh) - gdy wybrana droga przesyłu informacji staje
się niedrożna (zakłócenia lub awaria), sieć ma zdolność do
automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby
mimo problemów przekazać informację

ZigBee

- model warstwowy



Standard IEEE 802.15.4 definiuje dwie najniższe warstwy:



fizyczną (ang. PHYsical)



oraz podwarstwę MAC (ang. Media Access Control)



Zigbee Aliance wprowadziło warstwy:



sieciową NWK (ang. Networking App Layer)



aplikacji APL (ang. Application Layer) która zawiera:



wsparcie podwarstwy aplikacji APS (ang. APlication Support),



i zdefiniowanych przez producenta obiektów aplikacji ZDO (ang. Zigbee
Device Objects)



Każda warstwa zapewnia określony komplet usług



Każda usługa wystawia własny interfejs dla wyższych warstw
poprzez SAP (ang. Service Access Point)

ZigBee

- model warstwowy



Warstwa PHY:



definiuje standard łącza radiowego (m.in. modulacja, szybkość
transmisji, wybór kanałów)



Warstwa MAC:



kontroluje dostęp kanałów radiowych używając mechanizmu CSMA-
CA



odpowiada za transmisję ramek sygnalizacyjnych beacon,



odpowiada za synchronizację i dostarczenie mechanizmu transmisji

ZigBee

- model warstwowy



Warstwa NWK zawiera mechanizmy związane z:



przyłączaniem i odłączania się do sieci



zabezpieczenie ramek, odnalezienie i utrzymanie drogi ramek do
zamierzonego celu



odnalezienie sąsiadów i gromadzenie informacji o nich



wykorzystano reaktywny (na żądanie) algorytm routingu AODV (ang.
Hoc On-Demand Distance Victor)

ZigBee

- model warstwowy



Warstwa APS:



przekazuje wiadomości pomiędzy połączonymi urządzeniami



odpowiada za odnajdywanie urządzeń w sieci oraz określanie, która
usługa aplikacji powinna je prowadzić



Warstwa ZDO:



definiuje rolę urządzenia w sieci (np. koordynator Zigbee )



ustanawia bezpieczne połączenia pomiędzy urządzeniami sieci

Sieci telefonii komórkowej



Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G)



Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G)



Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G)



Telefonia komórkowa czwartej generacji (4G)

Sieci telefonii komórkowej 1G



Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G)

System telefonii z analogową transmisją głosu

Pasmo częstotliwości 450 MHz i 900 MHz

NMT (ang. Nordic Mobile Telephone): Skandynawia, Polska

AMPS (ang. Advanced Mobile Phone System): USA

TACS (ang. Total Access Communication System), wersja AMPS
zaimplementowana w Wielkiej Brytanii i Irlandii

Sieci telefonii komórkowej 2G



Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G)

System ruchomej telefonii cyfrowej, transmisja głosu oraz danych
cyfrowych

Pasmo częstotliwości 900 MHz i 1800 MHz

GSM (ang. Global System of Mobile Communications): Europa

Digital AMPS: USA (1900 MHz)

JDC (ang. Japanese Digital Cellular System): Japonia

Sieci telefonii komórkowej 2G

- struktura systemu telefonii komórkowej GSM



BTS (ang. Base Transceiver Station) - stacja bazowa pełniąca funkcje stacji przekaźnikowej



BSC (ang. Base Station Controler) - kontroler stacji bazowych jest odpowiedzialnym za zarządzanie
stacjami bazowymi, oraz transmisję danych pomiędzy stacjami bazowymi a resztą sieci



MSC (ang. Mobile Switching Centre) - cyfrowa centrala telefoniczna przystosowaną do pracy w sieci GSM



GMSC (ang. Gateway Mobile Switching Centre) - cyfrowa MSC z dodatkową funkcjonalnością związaną z
kontaktowaniem się z rejestrem stacji własnych (ang. Home Location Register, HLR) , bazą danych, która
przechowuje informacje o abonentach, którzy należą do danej sieci



VLR (ang. Visitor Location Register) - rejestr abonentów przyjezdnych, baza danych abonentów
znajdujących się w obszarze obsługiwanym przez dany MSC



FNR (ang. Flexible Number Register) - opcjonalny element sieci wykorzystywany w mechanizmie
przenoszenia numeru pomiędzy operatorami



SMSC (ang. SMS Center) - centrala SMS, bierze udział w przesyłaniu SMS-ów pomiędzy abonentami i
przechowujący te wiadomości, które nie mogą być w danej chwili dostarczone



AuC (ang. Authentication Centre) - centrala autoryzacji odpowiedzialna za autoryzację abonentów,
zezwala danemu abonentowi logującemu się do sieci na korzystanie z zasobów radiowych



SCP (ang. Service Control Point) - element sieci, na którym oparte są sieci inteligentne (usługi dodatkowe,
które mogą być wykupione przez abonenta, np. Virtual Private Network lub Prepaid)



SDP (ang. Service Data Point) - to baza danych, która zawiera informacje o abonentach wykorzystywane
przez programy działające na platformie sieci inteligentnych

Sieci telefonii komórkowej 2G

- transmisja w systemie GSM



Transmisja odbywa się w trybie dupleksowym (podwójny
kanał transmisji)



Wydziela się oddzielne pasma częstotliwości do tworzenia
kanałów transmisji



od stacji ruchomej do stacji bazowej – kanał w „górę”



od stacji bazowej do stacji ruchomej – kanał w „dół”

GSM 900

GSM 1800

Kanały w „górę” MHz

890 - 915

1710-1785

Kanały w „dół” MHz

935 - 960

1805-1880

Liczba podwójnych
kanałów (częstotliwości)

124

374

Sieci telefonii komórkowej 2G

- transmisja w systemie GSM



Szerokość pasma każdego kanału wynosi 200 kHz



Pomiędzy kanałami w „górę” i w „dół” ustalono niezajęte
przedziały częstotliwości o szerokości 100 kHz



Oprócz częstotliwości kanał transmisji jest definiowany przez
przydział szczelin czasowych



Stosowana jest technika wielodostępu w dziedzinie czasu
TDMA (ang. Time Division Multiple Access)



ramka TDMA o okresie 4,615 ms podzielona jest na 8 szczelin
czasowych po 577 µs



kanał fizyczny podzielony jest w czasie na szczeliny czasowe



użytkownikowi na potrzeby transmisji przydzielana jest pewna
liczba szczelin czasowych



transmisja danych nie jest ciągła !!!

Sieci telefonii komórkowej 2G

- transmisja w systemie GSM



Dla GSM 900



liczba kanałów 124



liczba szczelin 8



zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x124 = 992 może
być utworzona przez jedną stację bazową



Dla GSM 1800



liczba kanałów 374



liczba szczelin 8



zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x374 = 2992 może
być utworzona przez jedną stację bazową

źródło: http:\\pl.wikipedia.org

Sieci telefonii komórkowej 2G

- transmisja w systemie GSM



W sieciach GSM stosowana jest modulacja sygnału GMSK
(ang. Gaussian Minimum Shift Keying) – modulacja z
minimalnym przeskokiem częstotliwości i gaussowską
filtracją impulsu prostokątnego



Modulacja GMSK jest szczególnym przypadkiem modulacji
FSK

źródło: http:\\pl.wikipedia.org

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych



Usługi transmisji danych w systemie GSM



SMS (ang. Short Message Service)



CSD (ang. Circuit Switched Data)



HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data)



GPRS (ang. General Packed Radio Service)



EDGE (ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution)

GPRS, EDGE -> 2,5G

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych - SMS



SMS (ang. Short Message Service)



Umożliwia przesyłanie krótkich komunikatów
alfanumerycznych do 160 znaków



„Najtańsza” forma przesyłania danych



Komunikat dociera do odbiorcy po pewnym czasie T



W przypadku braku łączności z odbiorcą komunikat zostaje
zapamiętany i przesłany po uzyskani z nim połączenia



SMS-y są przesyłane przez centralę SMS – SMSC



Ramki PDU (ang. Protocol Data Unit) transmisji SMS:



SMS-SUBMIT – SMS od np. telefonu do SMSC



SMS-DELIVER – SMS od SMSC do np. telefonu

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych - SMS



SMS-SUBMIT



Rys 4.14 str 143



SMS-DELIVER



Rys 4.14 str 143

PDU Type – określa czy ramka SUBMIT czy DELIVER;
MR – numer identyfikacyjny komunikatu (0-255);    DA – numer telefonu nadawcy;
OA – numer telefonu odbiorcy;   PID – typ danych (tekst, telefax);   DCS – oznaczenie metody kodowania;
VP – ile czasu przechowywać SMS w SMSC gdy go nie dostarczono;
UDL – długość przesyłanego komunikatu;     STCS – informacja kiedy komunikat dotarł do SMSC;

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych - CSD



Komutowana transmisja danych CSD



transmisja zajmuje cały kanał



prędkość 9,6 kb/s



technika komutacji kanałów



opłaty proporcjonalne do „czasu połączenia”



Rys 4.4 str 130

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych - HSCSD



Szybka transmisja danych HSCSD



transmisja zajmuje kilka kanałów (do czterech) w jednym kanale
fizycznym (realizowane przez przydział większej liczby szczelin czasowych
– do czterech)



prędkość 14,4 kb/s (w jednym kanale transmisyjnym)



wykorzystuje się kompresję danych



transmisja z jedną z prędkości: 14,4 kb/s, 19,2 kb/s, 28,8 kb/s, 38,4 kb/s,
43,2 kb/s, 56,0 kb/s



technika komutacji kanałów



opłaty proporcjonalne do „czasu połączenia”



wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych – GPRS (2,5G)



Pakietowa transmisja danych GPRS



użytkownik nie zajmuje tylko dla siebie całego kanału (każda ze szczelin
czasowych może zawierać dane z wielu niezależnych transmisji należących do
wielu użytkowników – maksymalnie do 32 identyfikowanych po pięciobitowym
parametrze TFI, Temporary Flow Identity)



transmisja zajmuje osiem szczelin czasowych, zatem maksymalna prędkość
transmisji w GPRS równa się 8x14,4 kb/s = 115,2 kb/s



wykorzystuje się kompresję danych (wykorzystując niestandardowe metody
kodowania transmisję można zwiększyć teoretycznie do 170 kb/s)



opłaty są proporcjonalne do ilości wysłanych/odebranych danych



technika komutacji pakietów danych



tryb transmisji GPRS do Internetu, w wyniku stosowania protokołu IP , zmniejsza
maksymalną transmisję w pojedynczym kanale do 13,4 kb/s



wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM (większych niż przy HSCSD)



modulacja GMSK

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych – GPRS (2,5G) - sieć



SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) - to element sieci GPRS
który odpowiada za zarządzanie terminalami abonenckimi będącymi
na kontrolowanym przez siebie terenie, a podczas transmisji
uczestniczy w przesyłaniu pakietów (w obie strony) pomiędzy
terminalem a siecią GPRS



GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node) – to element sieci
działający jak router łączący sieć GPRS i zewnętrzną sieć (np. Internet
lub sieć LAN użytkownika)



PCU (ang. Packet Control Unit) - jest odpowiedzialny za prawidłową
obsługę ruchu pakietowego w radiowej części sieci (przydziela
terminalom GPRS kanały radiowe, buforuje dane przesłane przez
SGSN, forwarduje je do odpowiedniej stacji bazowej dodając
informację, która umożliwi terminalowi zidentyfikowanie „swoich”
danych)

Sieci telefonii komórkowej 2G

- usługi transmisji danych – EDGE (2,5G)



Pakietowa transmisja danych EDGE



główne zastosowanie do strumieniowych transmisji danych (np. film, muzyka)



polepszona technologia GPRS (modernizacja interfejsu radiowego)



porównując do GPRS znaczny przyrost prędkości maksymalnej



Maksymalna transmisja z wykorzystaniem pojedynczej szczeliny czasowej 59,2
kb/s



transmisja zajmuje osiem szczelin czasowych, zatem maksymalna prędkość
transmisji w EDGE równa się 8x59,2 kb/s = 473,6 kb/s



opłaty są proporcjonalne do ilości wysłanych/odebranych danych



technika komutacji pakietów danych



wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM



modulacja GMSK oraz modulacja 8-PSK

Sieci telefonii komórkowej 3G



Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G)

Uniwersalny system komunikacji ruchomej, transmisja głosu,
videorozmowy, danych cyfrowych oraz bezpośrednia współpraca
z sieciami pakietowymi

Pasmo częstotliwości 1950 MHz i 2150 MHz

UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System): globalny

wykorzystuje mechanizmy dostępu do sieci radiowej opisany w
ramach technologii WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple
Access)

wykorzystuje technologie HSDPA (ang. High Speed Downlink
Packet Access) i HSUPA (ang. High Speed Uplink Packet Access)
użytkownicy mogą uzyskać transfer 14,6 Mbit/s podczas wysyłania
informacji i 7,2 Mbit/s podczas odbierania danych

HSPA+ = HSDPA + HSUPA 56/22 Mbit/s

Sieci telefonii komórkowej 3G



WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access)

jednoczesny dostęp do medium transmisyjnego dzięki rozproszeniu
wszystkich transmisji na wspólne pasmo częstotliwości (o szerokości
5MHz)

poszczególne transmisje są przetwarzane za pomocą przyznanych im
kodów ortogonalnych

kody transmisji umożliwiają odbiornikom nasłuchujący na wspólnym
kanale radiowym wyodrębnienie danych pochodzących od konkretnego
terminala

Sieci telefonii komórkowej 4G



Telefonia komórkowa czwartej generacji (4G)

określenie stosowane do systemów, których specyfikacje opisują
przesyłanie danych z większą szybkością niż ta oferowana przez
obecne systemy 3G

kandydatem, który jednak nie spełnia w pełni wymogów 4G jest
sieć LTE (ang. Long Term Evolution) – 3,9G:

•

modulacja: QPSK, 16QAM, 64QAM

•

szerokość kanału 20 MHz

•

maksymalna szybkość łącza w dół w warstwie radiowej 326,4 Mb/s

•

maksymalna szybkość w górę 86,4 Mb/s

•

opóźnienie małych pakietów <5 ms

•

optymalny promień komórki do 5 km

•

co najmniej 200 użytkowników w każdej komórce

Sieci telefonii komórkowej 4G

LTE – Advanced 4G:

•

Przepustowość: 1Gbps do abonenta i 500Mbps od abonenta

•

Maksymalna szerokość pasma: powyżej 70 MHz - około 100MHz (do
abonenta) i 40MHz (od abonenta)

•

Praca w różnych pasmach, np.: 450-470MHz / 698-862MHz / 790-
862MHz / 2.3-2.4GHz / 3.4-3.6GHz

•

Opóźnienia: w płaszczyźnie sterowania <50ms, w płaszczyźnie
użytkownika 5-10ms

•

Zasięg: do około 1km

•

Mobilność: taka sama jak w LTE

•

Pojemność: 3 raz większa niż w LTE

Radiomodemy



Radiomodem to urządzenie złożone z;



nadajnika



odbiornika



anteny



układów przetwarzania sygnałów cyfrowych na sygnały
emitowane w eter



układów przetwarzania sygnałów dobranych z eteru na sygnały
cyfrowego wymaganego standardu

Radiomodemy vs GPS



W odróżnieniu od transmisji w sieciach GPS, transmisja w
systemach z radiomodemami:



nie ujawnia postronnemu odbiorcy

•

częstotliwości nośnej kanału

•

rodzaju modulacji

•

rodzaju transmisji

•

protokołu transmisji

•

kodów szyfrujących



przebiega bez zwłoki (nie ma zwłoki wynikającej z
wykorzystywanych łączy komutowanych)

Kierunki rozwoju urządzeń komunikacji bezprzewodowej

Kierunki rozwoju:



powszechność komunikacji GSM, w tym popularyzacja
technologii UMTS, HSPA, HSDPA, HSUPA oraz WCDMA



szybko rosnąca popularność ZigBee, utwierdzanie się
popularności Wi-Fi



wprowadzanie do oferty urządzeń w standardzie
IEEE802.11n, w tym mogących pracować w strefie
zagrożonej wybuchem



rozwój standardu WiMAX



rozwój urządzeń wykorzystujących nową wersję standardu
Bluetooth (2.1+EDR)

Kierunki rozwoju urządzeń komunikacji bezprzewodowej

Kierunki rozwoju:



oferowanie przez kolejnych producentów
bezprzewodowych modułów I/O



rozwój oferty dostawców o sterowniki z modułami do
transmisji bezprzewodowej, w szczególności GSM/GPRS



zmniejszanie poboru energii przez urządzenia, zwiększanie
zasięgu transmisji, zwiększanie przepustowości transmisji



oferowanie przez producentów modułów komunikacyjnych
integrujących kilka różnych interfejsów bezprzewodowych



upraszczanie konfiguracji i obsługi urządzeń

Inne dedykowane technologie bezprzewodowej

SmartWireless



Rozwiązanie firmy Emerson Process Management, które
pozwala na komunikację w pasmach 900MHz oraz 2,4GHz



Jest to sieć samoorganizująca się o dużej skalowalności (do
100 tys. urządzeń) i długim czasie pracy z wykorzystaniem
jednej baterii (liczonym w latach)

Inne dedykowane technologie bezprzewodowej

WirelessHART



Rozwiązanie opracowane przez HART Communication
Foundation jako siódma wersja protokołu HART



Bazuje on na IEEE 802.15.4, wykorzystując do komunikacji
pasmo częstotliwości 2,4GHz



Stosowanie ciągłej zmiany kanałów (channel hopping) oraz
stałych przedziałów czasowych do komunikacji ma zapewnić
bezpieczną i niezawodną wymianę danych

Inne dedykowane technologie bezprzewodowej

OneWireless



Rozwiązanie firmy Honeywell



Jest to wielofunkcyjna, wielozadaniowa sieć bezprzewodowa
typu kratowego umożliwiająca stosowanie urządzeń
bezprzewodowych w warunkach przemysłowych



Obsługuje kilka rodzin przetworników bezprzewodowych
firmy i może być bazą do stosowania urządzeń pracujących
w standardzie 802.11

BIBLIOGRAFIA

129

Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE)

http://www.uke.gov.pl

UKE -

opłaty za wykorzystywanie częstotliwości:

http://www.uke.gov.pl/_gAllery/74/24/7424/rozporzadzenie_MT_200

7_Nr138_poz972.pdf

UKE

– częstotliwości nie wymagające pozwalania

radiowego:

http://www.uke.gov.pl/_gAllery/27/56/27560/Rozporzadzenie_DzU_

10022005_oplaty_za_dyspon_czest_ujednolicony.pdf

BIBLIOGRAFIA

130

IrDA

http://www.irda.org

Bluetooth

http://www.bluetooth.com

Wi-Fi Alliance

http://www.wi-fi.org

ZigBee Alliance

http://www.zigbee.org

W. Nawrocki. Komputerowe Systemy Pomiarowe. Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności. Warszawa, 2002.