1

МАИ каф. 609, Терентьев М.Н., m-te@yandex.ru

Беспроводные сенсорные сети

Тема 8: Стандарты Bluetooth, 802.11x, 802.15.4

2

На этой лекции…BluetoothIEEE 802.11IEEE 802.15.4

3

Bluetooth

4

Основы BluetoothНебольшая дальность – до 10 м, расширение – до 100 мРадио – 2.4 ГГц, FHSSСкорость передачи – до 720 КБ/сМощность:Класс 1 – 100 мВт (при 100 м)Класс 2 – 2.4 мВтКласс 3 – 1 мВт

5

Применение BluetoothБеспроводная передача звукаТелефонные гарнитуры и т.п.Не требует повторной передачи потерянных (искаженных) данных

Отказ от соединительных кабелейЗамена кабелей на соединения Bluetooth

Доступ к сетиПодключение устройств к локальной сети

Пересылка файловМежду ПК и КПК и т.п.

6

Piconet

7

Архитектура PiconetК главному устройству подключается до 7 подчиненныхСхема TDMA управляет расписанием доступа подчиненных устройств к эфируДля избежания коллизий с другими сетями Piconet используется FHSS

8

Scatternet

9

Архитектура ScatternetКомбинирует несколько PiconetУстройство, являющееся главным в одной Piconet, в другой может быть подчиненнымРазные Piconet используют разные последовательности частотных скачков FHSS

10

Спецификация диапазона79 каналов 1 МГц в диапазоне 2.4 ГГцМодуляция – G-FSK, девиация 115 кГцFHSS: 1600 Гц, 0.625 мсTDD: главное и подчиненное устройства передают по очередиTDMA: главное устройство составляет «расписание» работы подчиненных

11

Комбинация TDD и FHSS

Главноеустройство

Подчиненноеустройство

f1 f2 f3 f4 f4 f6Частота

12

Комбинация TDD и FHSS(комментарии)В каждом временном интервале передача ведется на частоте согласно последовательности FHSSПакеты могут занимать несколько смежных интервалов без смены частотыПакеты могут содержать признак подтверждения правильного приема предыдущих пакетов, если это предусмотрено протоколом

13

IEEE 802.11(WiFi)

14

IEEE 802.11 WiFi

Распределение информации

Точка доступа

15

Независимый режим или инфраструктура?

Независимый режим (ad hoc) Инфраструктура (BSS)

«каждый с каждым» через точку доступа

16

Расширеннаяинфраструктура (ESS)

Установка соединения

Распространениеинформации о соединении

17

Расширеннаяинфраструктура (ESS)

Передачаинформации

18

Расширеннаяинфраструктура (ESS)Вся расширенная инфраструктура работает как единая виртуальная локальная сеть

19

Распределенноекоординирование

Distributed Coordination Function (DCF)Вариант CSMAТочки доступа управляют временем передачи узлов

20

Распределенноекоординирование

Отправитель

Получатель

Канал занят Ожидание Передача

ACK

21

РаспределенноекоординированиеПолучатель отправляет ACK после успешного приемаНе получив ACK, отправитель повторяет сообщение, выждав случайный интервал времениПервый интервал ожидания [0...31] квантСледующий – [0...63]Последующие – до [0...1023]

22

Стандартные и сокращенные межкадровые промежутки

Отправитель

Получатель

Канал занят DIFS Передача

SIFSDIFS – Distributed InterFrame SpaceSIFS – Short InterFrame Space

23

ФрагментацияДлинные сообщения пересылаются частями (пакетами)Между пакетами делаются паузыОтправитель резервирует канал на нужное время отправкой RTSПолучатель сообщает о готовности принять пакет отправкой CTS

24

Спецификации стандарта 802.11

25 м6-24 (54)5, O-FDM802.11a

< 802.11b542.4, O-FDM802.11g

100 м112.4, DSSS802.11b

ДальностьСкоростьМбит/сек

Частота, ГГцСпецифи-кация

Также существуют спецификации d, e, f, h, i, j, n.

25

WiFiWireless FidelityIEEE 802.11b

26

Физический уровень 802.11Изначально в 802.11 использовался метод частотных скачков с G-FSKДиапазон 2.4 ГГц делится на 78 каналов, по 1 МГц каждыйЗадержка на канале составляет 390 мс26 различных общеизвестных последовательностей переходов

27

Физический уровень 802.11bИспользуется DSSS с модуляциейQ-PSK

DSSS использует 8-разрядные последовательности УолшаДиапазон делится на 14 каналов по 5 МГц каждыйНо DSSS расширяет диапазон до 22 МГцНе все каналы могут использоваться одновременно

28

Безопасностьбеспроводных сетейБезопасность – одна из важнейших проблем беспроводных сетейСообщения могут быть легко перехвачены, в отличие от проводных сетейВ сеть могут быть внедрены «чужие» сообщенияПредставьте ситуацию: хакер с ноутбуком на стоянке около здания компании…

29

Wired Equivalent Privacy(WEP)Технология WEP основана на секретном ключе, известном узлам и точкам доступаТрафик шифруется при помощи этого ключаОчень трудно впоследствии сменить секретный ключ

30

IEEE 802.15.4(ZigBee)

31

IEEE 802.15.4 и ZigBeeСтандарт для БСС

Большое количество устройствДлительный период работы (по сравнению с Bluetooth)Расстояние 10-75 мАвтономность устройствВысокая скорость передачи маленькими пакетами (~200 Kб/с для пакетов длиной 75 байт)

IEEE 802.15.4Физический (PHY) и канальный (MAC) уровниКомбинация схем CSMA и TDM

Альянс ZigBeeСетевой (NWK) и прикладной (APL) уровни поверх 802.15.4Спецификация доступна на сайте www.zigbee.org

32

Физический уровень 802.15.4Стандарт 802.15.4 предусматривает:

1 канал в диапазоне 868 МГц – 010 каналов в диапазоне 915 МГц (2 МГц на канал) – 1-1016 каналов в диапазоне 2.4 ГГц (5 МГц на канал) – 11-26

DSSS в диапазоне 2.4 ГГцКаждому 4-битному символу соответствует 32-битный кодМодуляция – O-QPSK

Передача данных со скоростью 2 миллиона чипов в секунду

32-битный чип соответствует 4-битному символуЭффективная скорость: 2,000,000 / 32 * 4 = 250,000 бит/сек

33

Физический уровень 802.15.4Физический уровень 802.15.4 в диапазоне 2.4 ГГц обеспечивается приемником/передатчиком CC2420 компании Chipcon

34

Краткая характеристика Chipcon CC2420

Приемник/передатчик диапазона 2400 – 2483.5 МГцDSSSПередача данных со скоростью 250 Кб/сМодуляция – O-QPSKНизкое энергопотребление (RX: 19.7 мА, TX: 17.4 мА)Управление выходной мощностью

Аппаратная поддержка стандарта IEEE 802.15.4Автоматическая генерация преамбулыВставка/удаление слов синхронизацииВычисление и проверка контрольной суммы сообщенияПроверка занятости каналаШифрование данных

Небольшие размеры (7 х 7 мм)

35

Два вида устройств (узлов)Полнофункциональные устройства

Full-Function Device (FFD)

Устройства ограниченной функциональности

Reduced Function Device (RFD)Могут использоваться только как конечные устройства, общаясь только со своим владельцем

36

Топология сетиКаждая сеть имеет свой уникальный PAN-координатор, отвечающий за управление сетью:Подключение новых узловОтключение узловПередача маячковых сигналов (beacon)

ЗвездаКаждый с каждым

37

Топология «звезда»

Все узлы общаются с PAN-координатором

38

Сетевая топология

Отдельные узлы общаются друг с другом

39

Структура суперфрейма

Суперфрейм состоит из 16 интервалов между маячкамиИнтервалы в начале предназначены для конкурентного доступа к эфиру (Contention Access Period, CAP) с помощью CSMA/CAИнтервалы в конце предназначены для гарантированного доступа к эфиру (Contention Free Period, CFP)CFP – не более 7 интервалов суперфрейма

40

Основы MACМаячковые сигналы не подвергаются процедуре CSMA/CA, коллизий быть не должноCSMA/CA аналогична 802.11Передатчик может запрашивать ACK

ACK запрашивается битом в заголовкеACK передается сразу по получении сообщения без CSMA/CAНеполучение ACK приводит к повторной передаче сообщения

41

Снижение потребления энергииДля снижения потребления энергии узлы могут «засыпать», в режиме сна ни прием, ни передача не возможныКоординатор может определить в суперфрейме период сна, когда все узлы (и координатор тоже) будут спатьНо отдельные узлы могут «заснуть» в произвольное время

42

Доставка сообщений «спящим» узлам (1/6)Узел, отправляющий сообщение спящему узлу, не получит подтверждения о доставкеКоличество повторов сообщения ограниченоСообщение должно быть запомнено координатором и передано адресуемому узлу, когда он проснетсяИнформация о запомненных сообщениях передается в маячковых сообщениях

43

Доставка сообщений «спящим» узлам (2/6)

А

В (спит)

Данные для узла В

44

Доставка сообщений «спящим» узлам (3/6)

А

В (спит)

АСК

Сообщение запомнено

45

Доставка сообщений «спящим» узлам (4/6)

А

В (проснулся)

Маячковое сообщение – «есть данные для В»

46

Доставка сообщений «спящим» узлам (5/6)

А

В

Запрос данных

47

Доставка сообщений «спящим» узлам (6/6)

А

В

Данные

48

ПроблемыДанные могут устареть к моменту пробуждения узлаPAN-координатору может не хватить ресурсов для хранения всех сообщенийЭтот подход ограничен топологией «звезда»

49

Возможные улучшенияУзлы могут оповещать PAN-координатор о намерении заснутьЭто оповещение может включать в себя длительность снаPAN-координатор может забывать «старые» сообщения при недостатке памяти