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Computer Sciences » Applied Computer Sciences » Technical Information Systems
Dr.-Ing. Joern Ploennigs Dresden University of Technology
Institute for Applied Computer Science
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VERTRETER DER SPEZIES WSN
SLIDE 3
VERGLEICH VON KNOTEN IM GRAPHEN
“Metrics for Sensor Network Platforms”, Jan Beutel, 2007
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VERGLEICH VON KNOTEN IN DATEN
BTnode3 BT BTnode3 LPR Mica2 Mica2Dot Tmote Sky Imote Radio Zeevo ZV4002 CC1000 CC1000 CC1000 CC2420 Zeevo TC2001 Frequency Band 2.4 GHz 315-916 MHz 315-916 MHz 315-916 MHz 2.4 GHz 2.4 GHz Data Rate 723.2 kbps 38.4 kbps 38.4 kbps 38.4 kbps 250 kbps 723.2 kbps Setup Time <500 msec <50 msec <50 msec <50 msec <1 msec <500 msec TX Powerctrl – 30 dB 30 dB 30 dB 24 dB –TX Power +0/+4 dBm –/+10 dBm –/+10 dBm –/+10 dBm -3/+0 dBm +0.5/+4 dBm Sensitivity -86 dBm -110 dBm -101 dBm -101 dBm -94 dBm -80 dBm Modulation FHSS-GFSK FSK FSK FSK DSSS-QPSK FHSS-GFSK Antenna GigaAnt Monopole – Wire embed. PIFA GigaAnt Outdoor Range 30-50 m 30-100 m 150 m 150 m 125 m 30 m Channels 79 4 4 4 16 79Microcontroller ATmega128l ATmega128l ATmega128l ATmega128l MSP430F ARM7 Architecture 8-Bit 8-Bit 8-Bit 8-Bit 16-Bit 32-Bit Speed 7.3728 MHz 7.3728 MHz 7.3728 MHz 4 MHz 8 MHz 12 MHz Program Memory 128 kB 128 kB 128 kB 128 kB 48 kB 512 kB Data Memory 64 kB 64 kB 4 kB 4 kB 10 kB 11 kB Storage Memory 180 kB SRAM 180 kB SRAM 512 kB 512 kB 1024 kB –External IO 40 40 51 18 16 30On-Board Sensors 1 1 2 2 5 –UI Components 4 LEDs 4 LEDs 3 LEDs 1 LED 3 LED, Button 1 LED Size 1890 mm² 1890 mm² 1856 mm² 492 mm² 2621 mm² 900 mm²
“Metrics for Sensor Network Platforms”, Jan Beutel, 2007
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TelosB
COMPARISON OF NODES IN LOOK
Mica2
Mica2dot
BTnode3
Tmote Imote
FireFly Tyndall node
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GRUNDLAGEN
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ZIGBEE? DER NAME
• Benannt nach dem zufälligen, zigzackförmigen Bewegungsmuster von Bienen im Blumenfeld
• Symbolisiert die Kommunikation zwischen Knoten im Netzwerk
• Netzwerkkomponenten können analog zu Drohnen, Arbeitern und Königinnen verstanden werden
• Laut Robert Metcalfe (Miterfinder von Ethernet) war der Name ursprünglich bedeutungslos und wurde zufällig von einer Liste ausgewählt.
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GESCHICHTE VON ZIGBEE
• Ende 1998
• Entwickler verstehen, dass W-LAN und Bluetooth für viele Anwendungen ungeeignet sind
• Oktober 2002
• ZigBee Allianz wird gegründet
• Mai 2003
• IEEE 802.15.4 wird veröffentlicht
• Dezember 2004
• ZigBee 1.0 wird veröffentlicht
• Aktuelle Versionen
• 802.15.4 von 2006
• ZigBee Spezifikation von 2007
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WARUM ZIGBEE?
Es gab 1998 keinen geeigneten Standard für
•übliche drahtlose Monitoring- und Steuerungsanwendungen.
•kleinräumige drahtlose Netzwerke mit geringer Komplexität und Kosten.
•wartungsarmen Betrieb für mehrere Jahre mit preiswerten Batterien.
•erhöhte Flexibilität durch robuste, selbstorganisierende Mesh- Netzwerktechnologien.
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ZIGBEE ANFORDERUNGEN
Es gab 1998 keinen geeigneten Standard für
•übliche drahtlose Monitoring- und Steuerungsanwendungen.
•kleinräumigen drahtlosen Netzwerken mit geringer Komplexität und Kosten.
•wartungsarmer Betrieb für mehrere Jahre mit preiswerten Batterien.
•erhöhte Flexibilität durch robuste, selbstorganisierende Mesh-Netzwerktechnologien.
Die Anforderungen an ZigBee
• Hohe Zuverlässigkeit / Verfügbarkeit
• Flexibler Protokollentwurf für unterschiedliche Anwendungen
• Geringe Datenraten
• Geringe Kosten
• Relativ geringe Übertragungsreichweiten
• Sehr geringer Energieverbrauch
• Gute Skalierbarkeit
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ZIGBEE ALLIANZ
• Konsortium von Endnutzern und Lösungsanbietern, welches die globalen Standards für zuverlässige, kosten-effektive, energieeffiziente drahtlose Anwendungen definiert.
• Das sind hauptsächlich IEEE 802.15.4 und weitere Standards, die Datenübertragung und Anwendungsprofile definieren.
• Die Allianz bietet Interoperabilität, Zertifizierung und Branding.
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ZIGBEE ALLIANZ
• 12 Promotors, ca. 175 Participants, ca. 150 Adopters
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ZIGBEE-PROTOKOLL-STACK
Anwendungsschicht (Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Transportschicht (Transport Layer)
Sitzungsschicht (Session Layer)
Vermittlungsschicht (Network Layer)
Physikalische Schicht (Physical Layer)
Sicherungsschicht (Data Link Layer)
Medium und Signalübertragung
Medienzugriff, Datensicherung
Routing und logische Addressierung
Ende-zu-Ende- Verbindungen und Fehlersicherung
Interhost- kommunikation
Datendarstellung und Verschlüsselung
Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen
FunktionOSI-Modell
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
Zig
Bee
IEEE 8
02.1
5.4
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CONSUMER ELECTRONICS
BUILDING AUTOMATION
ZIGBEE ANWENDUNGSGEBIETE
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TELECOM SERVICES
m-commerceinfo servicesobject interaction (Internet of Things)
ZigBeeWireless Control that
Simply Works
HOME CONTROL
TVVCRDVD/CDremote
securityHVAClighting controlaccess controlirrigation
PC & PERIPHERALS
INDUSTRIALCONTROL
asset mgmtprocess controlenvironmental
energy mgmt
PERSONAL HEALTH CARE
securityHVACAMR
lighting controlaccess control
mousekeyboardjoystick
patient monitoring
fitness monitoring
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ZIGBEE CHICKEN COOPS
• http://www.youtube.com/watch?v=Qe8uNJl2YUc&feature=related
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SmartDust
VERGLEICH DER FUNKSTANDARDS IM GRAPHEN
Ener
gie
verb
rauch
Kost
en/K
om
ple
xitä
t
1 Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s Datenrate
ZigBee802.15.4
802.11b 802.11g
HyperLAN802.11a
WiMax802.16
WiMedia802.15.3
Satellit
3G
2.5G
2G
1G
UWB
W-WAN
W-MAN
W-LAN
W-PANLR-W-PAN
Bluetooth802.15.1
802.11n
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ZIGBEE VS. BLUETOOTH
• Kleinere Pakete über größere Netzwerke
• Primär statische Netzwerke mit vielen, selten aktiven Geräten
• Datenrate 250 Kbps @2.4 GHz
• Lebensdauer in Jahren
• Heimautomation, Spielzeuge, Fernbedienungen, etc.
• Größere Pakete über kleinere Netzwerke
• Primär Ad‐hoc-Netzwerke mit bis zu 7 Geräten
• Datenrate 1Mbps @2.4 GHz
• Lebensdauer in Tagen
• Dateien, Bilder, Handys, Headsets, PDA, etc.
ZIGBEE BLUETOOTH
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NACHTEILE VON ZIGBEE
• ZigBee / IEEE 802.15.4 unterstützt viele unterschiedliche Protokolle und dadurch können gleiche ZigBee-Knoten bei unterschiedlicher Parametrierung inkompatibel sein, wodurch das Interoperabilitätsproblem wächst.
• Immer noch zu komplex für viele Anwendungen, die nicht mobil / flexibel sind.
• Es ist einiges an Wissen zum Einsatz und zur Konfiguration notwendig.
• Protokolle sind dennoch meist Kompromisslösungen und in spezifischen Szenarien gibt es effizientere Routing / MAC-Protokolle.
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IEEE 802.15.4 PHYSIKALISCHE SCHICHT
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
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AUFGABEN DER PHYSIKALISCHEN SCHICHT
• Aktivierung/Deaktivierung des Transceivers
• Messung der Empfangsleistung auf dem aktuellen Kanal (zur Kanalauswahl)
• Messung der Verbindungsqualität bei empfangenen Paketen
• Erkennung eines freien/besetzten Kanals für CSMA (CCA - Clear Channel Assessment)
• Änderung des Frequenzbandes zur Wahl unterschiedlicher Kanäle
• Datenübertragung mit bis 100 mW Sendeleistung
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BEISPIELENERGIEVERBRAUCH DES TELOS REV B
Device Current Time Power State
CPU Active 1.92mA NA NA
CPU LPM1 182μA NA NA
CPU LPM3 9μA NA NA
CPU Vref 536μA NA NA Receive (LPL Check)
18.86mA 5ms LPM3
Send (1 msg, 0dB)
18.92mA 12ms-1s (LPL)
LPM3
Flash Read 1.75mA 5ms LPM1 Flash Write 2.69mA 5ms LPM1
Analog Sensors 1.46mA 2ms LPM1
Humidity Sensor 458μA 75ms LPM3
Temperatu re Sensor
458μA 220ms LPM3
Source: “Integrating Concurrency Control and Energy Management in Device Drivers”, Kevin Klues et. al., 2007
Energy Consumption of a Telos rev B
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868MHz / 915MHz PHY
2.4 GHz
868.3 MHz
Channel 0 Channels 1-10
Channels 11-26
2.4835 GHz
928 MHz902 MHz
5 MHz
2 MHz
2.4 GHz PHY
IEEE 802.15.4 PHY FREQUENZBÄNDER
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WEITERENTWICKLUNGEN IM 802.15.4 STANDARD ARBEITSGRUPPEN
• 802.15.4 definiert 1 MAC + 3 PHYs
• 2.4 GHz, Europe, Australien
• 802.15.4a definiert 2 PHYs
• 2.4 GHz band Chirp Spread Spectrum (CSS) und UWB
• 802.15.4c definiert 1 neuen PHY
• 2.4 GHz, 868 MHz, 915 MHz, UWB, und China 779-787 MHz band
• 802.15.4d definiert 1 neuen PHY
• 2.4 GHz, 868 MHz, 915 MHz, und Japan 950-956 MHz band
• 802.15.4e wird MAC-Verbesserung mit Unterstützung von ISA SP100.11a definieren
• 802.15.4f wird neue PHY(s?) definieren
• UWB, 2.4 GHz, 433 MHz bands?
• 802.15.4g wird neue PHY(s?) für Smart Neighborhood Networks definieren
• Energy Industry Smart Grid Application
• 902-928 MHz band?
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VERGLEICH ZU ANDEREN IEEE 802.11/15 STANDARDS
802.11b/g
802.15.1
802.15.3
802.15.4
2.40 GHz 2.41 GHz 2.42 GHz 2.43 GHz 2.44 GHz 2.45 GHz 2.46 GHz 2.47 GHz 2.48 GHz
IEEE Standard 802.11b/g 802.15.1 802.15.3 802.15.4
Frequenzband 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz
Bandbreite 22 MHz 1 MHz 15 MHz 2 MHz
Kanäle 11 79 5 16
Max Datenrate 11/54 Mbps 0.72 Mbps 55 Mbps 0.25 Mbps
Reichweite 100m 10m 10m 20m
Anwendung WLAN WPAN HR-WPAN LR-WPAN
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FDMA MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN
Was war FDMA?
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WELCHES MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN?
• FDMA - Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz
• Vergleichbar mit Datenübertragung für zwei verschiedene Systeme auf einem Kabel (DSL)
DSLModem
WAN
Telefon
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ZIGBEE KANALZUGRIFF
• BPSK
• 868 MHz European ISM band
• Ein 2 MHz Kanal
• 20 kbps
• 915 MHz North American ISM band
• Zehn 2 MHz Kanäle
• 40 kbps
• 16-ary O-QPSK
• Sechzehn 5 MHz Kanäle
• Datenrate bis zu 250 Kbps
868/915 MHZ BAND 2.4 GHZ BAND
• Jeweils Spreizung durch DSSS - Direct-Sequence Spread Spectrum
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BPSK, QPSK, CSS
Was war BPSK, QPSK, CSS?
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BPSK - BINARY PHASE-SHIFT KEYING?
• Zur Kodierung wird zwischen zwei phasenverschobenen Träger- frequenzen hin und her geschaltet, z.B. sin und cos mit 180° Phasenverschiebung
• Es kann pro Modulation ein Bit kodiert werden
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O-QPSK – OFFSET QUADRATURE PHASE-SHIFT
KEYING?
• Zur Kodierung wird zwischen vier phasenverschobenen Träger- frequenzen hin und her geschaltet wobei Phasensprünge von 180° verhindert werden sollen
• Es wird Imaginär- und Realteil benutzt, wobei der Realteil jeweils um eine halbe Periode verschoben wird. Resultat sind Phasensprünge von max 90°.
• Es können pro Modulation zwei Bit kodiert werden
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IEEE 802.15.4A CSS - CHIRP SPREAD SPECTRUM
• Jedes Symbol wird mit einem Chirp-Impuls übertragen, dessen Frequenz steigt
• Die ganze Frequenzbreite der Bandbreite wird ausgenutzt, dadurch ist es resistent gegen Rauschen und den Dopplereffekt
• Kombiniert mit einem Differential Phase Shift Keying (DPSK)
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IEEE 802.15.4A – CHIRP SPREAD SPECTRUM
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DSSS - DIRECT-SEQUENCE SPREAD SPECTRUM
• XOR-Verknüpfung eines Orginalsignal mit geringer Frequenz mit einem festen Trägercode mit hoher Frequenz
• Vorteil: Schützt vor hochfrequenten Störungen, z.B. andere drahtlose Übertragungen
• Nachteil: Verbraucht recht viel Bandbreite, da weniger Bits codiert werden können
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MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN
Welchem Mehrfachzugriffsverfahren entspricht dies?
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WELCHES MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN IST DADURCH MÖGLICH?
• CDMA - Den Teilnehmern werden verschiedene Codes zugewiesen
• Vergleichbar mit verschiedenen gesprochenen Sprachen innerhalb eines Raumes
Zugriff für Nutzer 1 mit Code 1 gestattet
010001101011
Zugriff für Nutzer 2 mit Code 2 gestattet
111101010000
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IEEE 802.15.4 PHY RAHMENFORMAT
• Preamble (32 bits) – Synchronisation des Empfängers• Start of packet delimiter (8 bits, 11100101) – Zur Erkennung des
Paketstarts• PHY header (8 bits) – PSDU length – Länge des Datenfeldes• PSDU (0 to 127 bytes) – Datenfeld der höheren Schichten
4 Byte 0-127 Bytes1 Byte 1 Byte
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IEEE 802.15.4 MEDIENZUGRIFFSKONTROLLE
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
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AUFGABEN DER MEDIENZUGRIFFSKONTROLLE
• Medienzugriff im laufenden Betrieb
• Prinzipielle Funktionen zum Aufbau eines PAN, wie das Hinzufügen / Abmelden von Geräten vom PAN
• Synchronisierung im PAN
• Organisation der Übertragungswünsche
• Bestätigung und Wiederholung
• Garantierte Zugriffe
• Sicherheit
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IEEE 802.15.4 GERÄTETYPEN
können arbeiten als
• Device
• Können Nachrichten nur mit Koordinatoren austauschen
• Koordinator
• Können Nachrichten mit RFD und FFD austauschen
• Können Nachrichten zu anderen RFD und FFD routen
• PAN Koordinator
• Kann Netzwerke formen
• Wird pro Netzwerk von den anderen FFD gewählt
können nur eingesetzt werden als
• Device
• Können Nachrichten nur mit Koordinatoren austauschen
• Netzwerke erfordern also mindestens ein FFD
• Einfache Implementation
FULL FUNCTION DEVICES (FFD)
REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)
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TOPOLOGIEN?
Welche Topologien gibt es?
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STERNTOPOLOGIE
• Einfache Synchronisation• Geringe Verzögerungen, da
kein Multi-Hop
• Kleine Reichweite / Größe
Communications Flow
FFD PAN Koordinator
FFD Koordinator
RDF/FFD Device
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MESH-TOPOLOGIE
• Robuste (redundante) multi-hop Kommunikation
• Netzwerk ist sehr flexibel
• Mittlere Latenz durch Mehrfachwege
• Zusätzlicher Overhead durch Routenfindungsalgorithmen
• Benötigt zusätzlichen Speicher für Routingtabellen
Communications Flow
FFD PAN Koordinator
FFD Koordinator
RDF/FFD Device
SLIDE 43
CLUSTER-TREE-TOPOLOGIE
• Geringe Routingkosten da nur einzelne Wege über FFD
• Ermöglicht multi-hop Kommunikation
• Routenfindung kostet Overhead (bei Änderungen)
• Verzögerungen können recht groß sein, da nur Wege über Koordinatoren möglich sind
Communications Flow
FFD PAN Koordinator
FFD Koordinator
RDF/FFD Device
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SINGLE-HOP VS. MULTI-HOP
• Der Energieverbrauch für die Sendeleistung steigt exponentiell mit der Entfernung. Dadurch kann Multi-Hop bei großen Entfernungen energieeffizienter sein.
Entfernung
Ener
gie
verb
rauch
Single-Hop Multi-Hop
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ADRESSIERUNG
• Alle Geräte besitzen ein eindeutige 64-bit Adresse, die zur direkten Kommunikation verwendet werden kann.
• Innerhalb des Netzwerkes können kürzere 16-bit Adressen verwendet werden, die vom PAN Koordinator vergeben werden. Folglich kann es dann max. 64k Geräte in einem Netzwerk geben.
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MAC-ARBEITSMODI
• CSMA/CA Ansatz (carrier sense multiple access / collision avoidance)
• Vor der Übertragung wird auf einen freien Kanal geprüft (CCA - Clear Channel Assessment).
• Wenn der Kanal nicht frei ist wird eine zufällige Zeit vor der neuen Prüfung gewartet.
• Der Koordinator muss hierfür immer aktiv sein.
• Der Beacon-Modus synchronisiert die Aufwachzyklen aller Geräte eines Koordinators
• Zusätzlich wird die Zeit in bestimmte Phasen eingeteilt (Beacon, CAP, GTS, inactiv)
NON-BEACON (UNSLOTTED) MODUS
BEACON (SLOTTED) MODUS
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UNSLOTTED CSMA/CA
NB=0,BE = maxMinBE
Delay for random(2BE-1) Backoff periods
Perform CCA
Channel idle?
NB = NB + 1, BE=min(BE+1,maxBE)
NB>maxBackoffs?
CSMA-CA Slotted?
Failure Success
NB: Anzahl der Backoff-Versuche
BE: Der Backoff-Exponent der bestimmt wie viele Backoff- Perioden ein Gerät vor Kanalprüfung wartet; wird erhöht, wenn Zugriff fehlschlägt
y
n
n
y
n
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CSMA?
Welches Problem gibt es bei dem Einsatz von CSMA in drahtlosen Netzwerken?
SLIDE 49
CSMA HIDDEN-TERMINAL-PROBLEM
• A und C sind so weit auseinander, dass sie nicht merken, dass ihre Nachrichten für B kollidieren
A CB
SLIDE 50
MAC-ARBEITSMODI
• CSMA/CA Ansatz (carrier sense multiple access / collision avoidance)
• Vor der Übertragung wird auf einen freien Kanal geprüft (CCA - Clear Channel Assessment).
• Wenn der Kanal nicht frei ist wird eine zufällige Zeit vor der neuen Prüfung gewartet.
• Der Beacon-Modus synchronisiert die Aufwachzyklen aller Geräte eines Koordinators
• Zusätzlich wird die Zeit in bestimmte Phasen eingeteilt (Beacon, CAP, CFP, inactiv)
NON-BEACON (UNSLOTTED) MODUS
BEACON (SLOTTED) MODUS
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BEACON MODUS
Welcher Synchronisationsansatz der Aufwachzyklen ist das?
SLIDE 52
MAC-PROTOKOLLE: ANSÄTZE
ON-DEMAND ASYNCHRONOUS RENDEZVOUS-BASED
• Sender startet mit langer Präambel, Empfänger sucht danach
• Weniger Idle-listening• Viel Overemitting für die
Präambel• Provoziert Overhearing
wenn die Präamble keine Adresse beinhaltet
• Geräte synchronisieren ihre Aufwachzeiten
• Kein Overemitting• Provoziert Idle-listening /
Overhearing während der Aufwachphase
• Kann zu erhöhter Kollisionswahrschein- lichkeit füren
• Sender versendet Aufwachimpuls
• Kein overemitting, idle- listening, overhearing
• Erfordert spezielles Aufwachradio
Wake-up channel
Data channel
Sender
Receiver
Sender
Receiver
Preamble
Check
SynchronizedWake-UpWake-Up Message
Data Message Check
SLIDE 53
MEDIUM ACCESS CONTROL SUPERFRAME STRUKTUR
• Koordinator sendet periodisch Beacon
• Signalisiert damit Beginn der aktiven Phase
• Teilt Länge der aktiven Phase und Zeit bis zum nächsten Beacon mit
• Anschließend aktive/passive Phase
Aktive Phase Passive Phase
Beacon
SLIDE 54
• Beacon Intervall (BI in s) und Superframe Duration (SD in s) durch Parameter bestimmt
• macBeaconOrder (BO) und macSuperframeOrder (SO)
• 0 <= SO <= BO <= 14
• aBaseSlotDuration = 60 Symbole
• aBaseSuperframeDuration = 16 * aBaseSlotDuration
• In Beacon enthalten, um allen Geräten mitzuteilen
MEDIUM ACCESS CONTROL SUPERFRAME STRUKTUR
54
BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO
SD = aBaseSuperframeDuration * 2SO
SLIDE 55
MEDIUM ACCESS CONTROL BEISPIEL FÜR 2,4 GHZ
BO=0SO=0
BO=14SO=0
BI = 15 ms * 214 = 252 s
aktiv
passiv=
1
16384
BI = 15 ms * 20 = 15 ms
aktiv
passiv=
1
0
SLIDE 56
ENTWURFSPROBLEM
• Was ist die ideale Beacon-Order?
• Es gibt einen Trade-off zwischen Energieverbrauch und Übertragungs- verzögerung?
Beacon Order
Übertragungsverzögerung
Energieverbrauch
?
SLIDE 57
TUD BEACON-ORDER ANPASSUNG
• Automatische Anpassung der Beacon-Order an den Verkehr durch den PAN Koordinator durch– Überwachung des Verkehrs und Zählen der
Pakete, die von untergeordneten Knoten im letzten Zeitraum angekommen sind
• Berechnung der optimalen Beacon-Order– Bestimme die Anzahl der Nachrichten der
aktivsten Knoten– Erhöhen der BO bei geringer Aktivität von
Knoten (seltene Nachrichten) und Absenken der BO bei häufiger Aktivität der Knoten (Zweipunktregler)
• Broadcast der Änderung im nächsten Beacon- Intervall
BO
BO+1
bl bu n
MM
MM
TT
SLIDE 58
BEISPIEL FÜR UNTERSCHIEDLICHE ANKUNFTSRATEN
• Auswertung der letzten 10 Beacon-Intervalle• bl = 1; bu = 5;• l1 = 0.01 messages/s• l2 = 0.1 messages/s• l3 = 1 message/s
0 50 100 1500
2
4
6
8
10
time/s
BO
l1
l2
l3
0 50 100 15010
-3
10-2
10-1
100
time/s
p avg/
p rx
l1
l2
l3
bl bu
1buffer
increase BO
decrease BO
105
SLIDE 59
• Aktive Phase besteht aus Bereich mit CSMA/CA basiertem Zugriff (CAP) und garantierten Zeitslots (CFP, GTS)
• mit CSMA kann Zugriff nicht zugesichert erfolgen
• mit festen Zeitslots kann eine Bandbreite zugesichert werden
MEDIUM ACCESS CONTROL ZUGRIFF IN AKTIVER PHASE
CAP CFP
CAP … Contention Access PeriodCFP … Contention Free PeriodGTS … Guaranteed Time Slots
GTSSlot
SLIDE 60
SLOTTED CSMA/CA
NB=0, CW=2BE = maxMinBE
Delay for random(2BE-1) Backoff periods
Perform CCA
Channel idle?
NB = NB + 1, CW=2 BE=min(BE+1,maxBE)
NB>maxBackoffs?
CSMA-CA Slotted?
CW=CW-1
Failure Success
NB: Anzahl der Backoff-Versuche
CW: Contention Window: Anzahl der Backoff-Slots die vor Übertragung frei sein müssen
BE: Der Backoff-Exponent der bestimmt wie viele Slots ein Gerät vor Kanalprüfung wartet
y
y
n
y
nCW=0?
y
n
SLIDE 61
MAC-ARBEITSMODI
• CSMA/CA Ansatz (carrier sense multiple access / collision avoidance)
• Vor der Übertragung wird auf einen freien Kanal geprüft (CCA - Clear Channel Assessment).
• Wenn der Kanal nicht frei ist wird eine zufällige Zeit vor der neuen Prüfung gewartet.
• Der Beacon-Modus synchronisiert die Aufwachzyklen aller Geräte eines Koordinators
• Zusätzlich wird die Zeit in bestimmte Phasen eingeteilt (Beacon, CAP, CFP, inactiv)
NON-BEACON (UNSLOTTED) MODUS
BEACON (SLOTTED) MODUS
SLIDE 62
PROBLEM?
Wenn im Non-Beacon Modus ein Gerät eine Nachricht direkt mittels CSMA versendet, wie kann es dann einen
Empfänger erreichen, der gerade schläft?
SLIDE 63
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
1) Alle Geräte wachen auf
SLIDE 64
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
SLIDE 65
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Aktive Phase
Zeit
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot (CFP; GTS)
SLIDE 66
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Aktive Phase
Zeit
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 67
MASTER/SLAVE VERFAHREN
2) PAN sendet Beacon
Aktive Phase
Zeit
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
Passive Phase
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 68
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
Aktive Phase Passive Phase
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
6) Alle Geräte wachen auf
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 69
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
7) PAN sendet Beacon mit Adresse der wartenden Nachricht
6) Alle Geräte wachen auf
Aktive Phase Passive Phase
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 70
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
6) Alle Geräte wachen auf
Aktive Phase Passive Phase Aktive Phase
7) PAN sendet Beacon mit Adresse der wartenden Nachricht
8) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, das adressierte Geräte sendet Request
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 71
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
6) Alle Geräte wachen auf
Aktive Phase Passive Phase Aktive Phase
7) PAN sendet Beacon mit Adresse der wartenden Nachricht
8) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, das adressierte Geräte sendet Request (PAN bestätigt)
9) PAN sendet Response mit der Nachricht (Gerät bestätigt)
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 72
MASTER/SLAVE VERFAHREN
Zeit
6) Alle Geräte wachen auf
Aktive Phase Passive Phase Aktive Phase
7) PAN sendet Beacon mit Adresse der wartenden Nachricht
8) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, das adressierte Geräte sendet Request (PAN bestätigt)
10) Alle gehen schlafen
9) PAN sendet Response mit der Nachricht (Gerät bestätigt)
2) PAN sendet Beacon
1) Alle Geräte wachen auf
3) Geräte ohne Nachrichten gehen schlafen, die mit Nachrichten senden diese im passenden Slot
5) PAN speichert Nachrichten zwischen und alle gehen schlafen
4) PAN sendet Bestätigungen im gleichen Slot
SLIDE 73
DER ABLAUF IM DETAIL
KOORDINATOR -> GERÄT
NO
N-B
EA
CO
N
MO
DU
SB
EA
CO
N
MO
DU
S
GERÄT -> KOORDINATOR
SLIDE 74
Hinzufügen / Abmelden vom Geräten im PAN
• Geräte prüfen den Kanal um PAN in seiner Nähe zu finden
• Eine Liste der aktiven PAN wird erzeugt
• Die Auswahl eines geeigneten PAN obliegt den oberen Schichten
• Das Gerät meldet sich beim gewählten PAN Koordinator an und beide registrieren einander
• Koordinator / Gerät entscheiden sich abzumelden
• Koordinator / Gerät sendet ein disassociation notification command zum Gerät / Koordinator
• Gerät / Koordinator bestätigt die Abmeldung
• Beide tragen sich aus den Listen aus
GERÄTE HINZUFÜGEN GERÄTE ABMELDEN
SLIDE 75
GUARANTEED TIME SLOT KONZEPT
• Ein Guaranteed Time Slot (GTS) ermöglicht einem Gerät eine feste Bandbreite im Superframe zu reservieren.
• Die GTS werden vom PAN Koordinator vergeben und im Beacon angekündigt
• Der PAN Koordinator weist GTS zu entsprechend• den Anforderungen (Priorität, Anzahl, Übertragungsrichtung) der GTS-
Anfrage der Geräte• der aktuellen Verfügbarkeit von GTS im Superframe (bis zu 7 GTS)
• Die Abmeldung von GTS kann jederzeit durch den PAN erfolgen oder durch das Gerät, das sie reserviert hat zurück gezogen werden
• Geräte mit zugewiesenen GTS können auch im CAP arbeiten
• In GTS sollten nur kurze Adressen verwendet werden
SLIDE 76
MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN
Welchem Mehrfachzugriffsverfahren entspricht dies?
SLIDE 77
WELCHES MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN?
• TDMA - Zeit wird in verschiedene Abschnitte unterteilt , die anforderungsgesteuert oder fest vergeben werden
• Vergleichbar mit serieller Übertragung von Datenpaketen über ein Kabel
Zeit
1 2
Zeit
Zugriff für Nutzer 1 in Zeitschlitz 1 gestattet
Zugriff für Nutzer 2 in Zeitschlitz 2 gestattet
Zeit
SLIDE 78
IEEE 802.15.4 ACKNOWLEDGEMENT RAHMENFORMAT
• Zur Bestätigung einer Datenübertragung
Bytes2 1 2
MAC ... Medium Access ControlMHR ... MAC headerMFR ... MAC footerFCS ... Frame Check SequenceGTS … Guaranteed Time Slots
SLIDE 79
IEEE 802.15.4 MAC ALLGEMEINE RAHMENFORMAT
Bytes2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 variabel 2
Frame Type000 ... Beacon Frame001 ... Data011 ... MAC Command100-111 reserviert
MAC ... Medium Access ControlMHR ... MAC headerMFR ... MAC footerFCS ... Frame Check SequenceGTS … Guaranteed Time Slots
• MAC packet fields• Frame Type – Information über den Payload Inhalt• Sequence Number – Paketnummer• Addressing Fields – Absender und Empfänger Addresse• Frame Payload – Konkreter Inhalt• FCS – CRC des Frames
SLIDE 80
• Dient der Vorgabe des Zugriffszyklus
BEACON RAHMENFORMAT
Bytes2 1 4/10 2 variabel 0/2/8 variabel 2
Zusätzliche Infos für höhere Layer
MAC ... Medium Access ControlMHR ... MAC headerMFR ... MAC footerFCS ... Frame Check SequenceGTS … Guaranteed Time Slots
SLIDE 81
DATEN RAHMENFORMAT
• Wird für die Übertragung von Nutzdaten verwendet
Bytes2 1 4/10 variabel 2
Informationen für höhere Layer
MAC ... Medium Access ControlMHR ... MAC headerMFR ... MAC footerFCS ... Frame Check SequenceGTS … Guaranteed Time Slots
SLIDE 82
COMMAND RAHMENFORMAT
• Wird für die Übertragung von speziellen Management Kommandos genutzt
Bytes2 1 4/10 1 variabel 2
Zusätzliche Infos,z. B. für Management des PAN
MAC ... Medium Access ControlMHR ... MAC headerMFR ... MAC footerFCS ... Frame Check SequenceGTS … Guaranteed Time Slots
SLIDE 83
ZIGBEE NETZWERKSCHICHT
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
SLIDE 84
AUFGABEN DER NETZWERKSCHICHT
• Aufbau eines ad-hoc PAN Netzwerks
• Topologie-Management
• Routing von Nachrichten zu entfernten Knoten
• Algorithmen zur Routenfindung
SLIDE 85
ROUTINGVERFAHREN
• Unterstützt alle Topologien vorwiegend für Mesh geeignet
• Nicht benutzte Routen werden nach einiger Zeit entfernt
• Neue Routen werden ad-hoc gesucht
• Netzwerk organsiert (repariert) sich automatisch zu einer Stern- o. Cluster-Tree-Topologie
• Jeder Cluster (PAN) hat seinen eigenen PAN Koordinator
• Mesh-Topologie wird nicht unterstützt
• Routing erfolgt dann gezielt nur durch die Koordinatoren, die die Routen zu andern PAN kennen
AD HOC ON DEMAND DISTANCE VECTOR (AODV)
CLUSTER-TREE ROUTING
SLIDE 86
ZIGBEE ROUTING – EINTEILUNG?
Routingtabellen werden vorsorglich mit einer bestimmten Häufigkeit aktualisiert
Routingtabellen werden aufgebaut, wenn sie tatsächlich benötigt werden
Routingtabellen werden für bestimmte Bereich proaktiv erstellt; darüber hinausgehende Bereiche werden reaktiv erschlossen
Gruppe von Knoten kennt alle anderen Clusterheads; einfache Knoten kennen nur andere einfache Knoten und Clusterhead
Ad-hoc-RoutingProtokolle
Table-driven/Proaktiv
Hybrid On-Demand-Driven/Reaktiv
Clusterbasiert/Hierarchisch
Geographisch
Knoten nutzen Information über ihre Position um in die Richtung des Empfängerszu routen
Flooding/ Gossiping
Das Netzwerk wird z.T. zufällig oder regelbasiert geflutet
Cluster-Tree Routing
AODV - Ad-hoc On-demand
Distance Vector Routing
SLIDE 87
ROUTING
Wie funktioniert das Ad-hoc, On-demand Distance Vector Routing?
SLIDE 88
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
88
SendewunschRREQ
D
E
C
F
B
G
I
A
SLIDE 89
G
I
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
89
1. G sendet RREQ an E, F, I2. Aufbau der Reverse Paths
von E,F,I
D
E
C
F
B
A
SLIDE 90
D
E
C
F
B
G
I
A
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
90
1. G sendet RREQ an E, F, I2. Aufbau der Reverse Paths
von E,F,I3. E sendet an D,C
F sendet an E4. Aufbau der Reverse Paths
von D,C
Pfad zu G bereits bekannt
SLIDE 91
D
E
C
F
B
G
I
A
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
91
1. G sendet RREQ an E, F, I2. Aufbau der Reverse Paths
von E,F,I3. E sendet an D,C
F sendet an E4. Aufbau der Reverse Paths
von D,C5. D sendet an B
C sendet an B,A6. Aufbau der Reverse Paths
von B,A
Pfad zu G bereits bekannt
Pfad zu G bereits bekannt
SLIDE 92
D
E
C
F
B
G
I
A
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
92
1. G sendet RREQ an E, F, I2. Aufbau der Reverse Paths
von E,F,I3. E sendet an D,C
F sendet an E4. Aufbau der Reverse Paths
von D,C5. D sendet an B
C sendet an B,A6. Aufbau der Reverse Paths
von B,A7. A sendet RREP über
Reverse Path
Pfad zu G bereits bekannt
SLIDE 93
D
E
C
F
B
G
I
A
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
93
1. G sendet RREQ an E, F, I2. Aufbau der Reverse Paths
von E,F,I3. E sendet an D,C
F sendet an E4. Aufbau der Reverse Paths
von D,C5. D sendet an B
C sendet an B,A6. Aufbau der Reverse Paths
von B,A7. A sendet RREP über
Reverse Path
Pfad zu G bereits bekannt
Aha! Um an A zu senden muss ich an zuerst an
E senden
SLIDE 94
D
E
C
F
B
G
I
A
AD-HOC, ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING
• Bei Sendewunsch wird versucht die vorhandene Route zu nutzen• Gibt es keine wird aktiv eine Route gesucht und ein RREQ gesendet, um den
Reverse Path zu Sender aufzubauen (speichert Verbindung zu vorherigem Teilnehmer)
• Senden eines RREP wenn Route zu Ziel bekannt (auch von Zwischenstationen)• Bekannte Routen werden im allen Stationen temporär gespeichert
94
8. G sendet Nachricht an E9. E sendet an C…
Pfad zu G bereits bekannt
SLIDE 95
ZIGBEE ROUTING – EINTEILUNG?
Routingtabellen werden vorsorglich mit einer bestimmten Häufigkeit aktualisiert
Routingtabellen werden aufgebaut, wenn sie tatsächlich benötigt werden
Routingtabellen werden für bestimmte Bereich proaktiv erstellt; darüber hinausgehende Bereiche werden reaktiv erschlossen
Gruppe von Knoten kennt alle anderen Clusterheads; einfache Knoten kennen nur andere einfache Knoten und Clusterhead
Ad-hoc-RoutingProtokolle
Table-driven/Proaktiv
Hybrid On-Demand-Driven/Reaktiv
Clusterbasiert/Hierarchisch
Geographisch
Knoten nutzen Information über ihre Position um in die Richtung des Empfängerszu routen
Flooding/ Gossiping
Das Netzwerk wird z.T. zufällig oder regelbasiert geflutet
Cluster-Tree Routing
AODV - Ad-hoc On-demand
Distance Vector Routing
SLIDE 96
ROUTING
Wie funktioniert Cluster Tree Routing?
SLIDE 97
CLUSTER-TREE-ROUTING
• Geringe Routingkosten da nur einzelne Wege über FFD
• Ermöglicht multi-hop Kommunikation
• Routenfindung kostet Overhead (bei Änderungen)
• Verzögerungen können recht groß sein, da nur Wege über Koordinatoren möglich sind
Communications Flow
FFD PAN Koordinator
FFD Koordinator
RDF/FFD Device
Ch 2
Ch3
Ch 1
SLIDE 98
WIE FORMT SICH DAS NETZWERK?
• Koordinatoren suchen nach aktiven Kanälen den sie als Koordinator / Gerät beitreten können
• Kann ein Koordinator keinem Kanal beitreten formt er ein neues Netzwerk
• Mehrere Koordinatoren wählen automatisch einen PAN Koordinator
• RDF Geräte können nur einem existierenden Netzwerk beitreten und suchen nach einem FFD bei dem sie sich anmelden wodurch dieser zum Koordinator wird
• Mesh-Topologie: Koordinatoren verbinden sich mit einer bestimmten Anzahl an Nachbarkoordinatoren
• Cluster-Tree-Topologie: Wird ein Netzwerk zu groß (ein Koordinator hat zu viele Nachbarkoordinatoren) splitten sich die Netzwerke in Cluster mit eigenen PAN Koordinatoren
SLIDE 99
ZIGBEE NETZWERKSCHICHT RAHMENFORMAT
Bytes2 2 2 1 0/8 0/8 variabel
NWK ... Network Layer
• Frame Control – Information über den Frameaufbau• Sequence Number – Paketnummer• Radius – Die maximale Hop-Anzahl• Addressing Fields – Absender und Empfänger ZigBee Adresse• Frame Payload – Konkreter Inhalt
1 0/1 variabel
SLIDE 100
ZIGBEE SICHERHEITSSCHICHT
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
SLIDE 101
AUFGABEN DER SICHERHEITSSCHICHT
• Erlaubt Geräten
• Zugriffsrechte zu verwalten
• Nachrichten symmetrisch (AES) und asymetrisch (ECC) zu verschlüsseln
• die Nachrichtenintegrität zu testen (frame integrity)
• die Reihenfolge von Nachrichten zu prüfen (sequential freshness)
• Sicherheitslevel
• Unsicher
• Zugriffsbeschränkter Modus (Authentifiziert)
• Sicherer Modus (Authentifiziert & Verschlüsselt)
SLIDE 102
ZIGBEE SICHERHEITSARCHITEKTUR
• Basiert auf einer zentralistischen Sicherheitsarchitektur in der FFDs als Trust Centers arbeiten
• Schlüsseltypen
• Master-Schlüssel
• Wird extern vorinstalliert
• Network-Schlüssel
• Wird von allen Geräten geteilt
• Schützt nur vor externen Attacken
• Link-Schlüssel
• Wird vom Master-Schlüssel abgeleitet
102
SLIDE 103
TRUST CENTER
• Kann der Koordinator oder ein anderes FFD sein
• Trust wird beim Gerätezutritt zum Netzwerk aufgebaut indem sich das neue Gerät authentifizieren muss
• Danach wird der Netzwerkschlüssel verteilt
• Bei Ende-zu-Ende-Verbindungen können Link-Schlüssel verwendet werden, deren Einrichtung über das Trust Center läuft
103
SLIDE 104
END-TO-END KEY ESTABLISHMENT
104
SLIDE 105
ZIGBEE SICHERHEITSSCHICHT RAHMENFORMAT
Bytesvariable 1 4 0/8 0/1 0/2/8 variabel 2
• ZigBee Header – ZigBee Network Layer Header• Security Control – Informationen zum Sicherheitslevel• Frame Counter – Zähler zur Frame freshness• Source Adress – 64bit Addresse wenn zur Verschlüsselung benutzt• Key Sequence Number – Nummer des Netzwerk Schlüssels
SLIDE 106
ZIGBEE ANWENDUNGSSCHICHT
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
SLIDE 107
AUFGABEN DER ANWENDUNGSSCHICHT
• Unterstützt die Programmierung von Anwendungen als Anwendungsobjekten mit Datenpunkten (Endpoints)
• Erlaubt das Binding von Datenpunkten
• Unterstützt die Verwaltung von Anwendungsobjekten
• Unterstützt die Suche nach passenden Anwendungsservices
SLIDE 108
ZIGBEE ARCHITEKTUR IM DETAIL
SLIDE 109
ZIGBEE NETZWERKSCHICHT RAHMENFORMAT
Bytes1 0/1 0/2 0/2 0/1 1 variabel
• Frame Control – Information über den Frameaufbau• Source/Destination Endpoint – Einzelne Datenpunkte• Group Address – Gruppe von Datenpunkten• Cluster Identifier – Der adressierte Datenpunktprofil• Profile Identifier – Das adressierte Anwendungsobjektprofil• APS Counter – Sequenznummer auf Anwendungsschicht
0/2 variable
SLIDE 110
INTEROPERABILITÄT
Wie baut sich die Interoperabilitätspyramide (bei LON) auf?
Gleiches Netwerkprotokoll und gleiche Anwendungsschicht, die z.B. Datenpunkte und Funktionsblöcke unterstütz
Standartisierte semantische Datentypen, welche auch die übertragenen Daten beschreiben
Generische Profile, welche grundlegende Funktionstypen beschreiben
Domänenspezifische Profile, welche die Funktion näher beschreiben
Inte
rope
rabi
lität
s un
d St
anda
rdis
ieru
ngsl
evel
Domänen
FB-Profile
Generische Funktionsblock-
profile
(Sensor Profile)
Standardisierte Datenpunkt Typen (z.B. Temperatur DP Typ)
Netzwerkprotokoll
SLIDE 111
ZIGBEE STANDARD DEVICE OBJECTS
• Zigbee Device Object (ZDO) verwalten die Gerätefunktionen und behandeln Binding-Anfragen
• Node, Network Management – Geräte und Netzwerkverwaltung
• Discovery Management – Fähigkeit die Geräte und Funktionen zu finden
• Attribut Management – Verwaltung der Gerätekonfiguration
• Binding Management – Fähigkeit Endpunkte (Datenpunkte) zu binden
• Group Management – Fähigkeit Gruppen von Geräten zu definieren
• Security Management – Konfiguration von Sicherheitsmechanismen für Bindings
T
temperaturesensor
single room control
heating valve
SLIDE 112
BEISPIEL OBJEKTE
Optional Attributes
OptionalNodeManagerObject
Mgmt_NWK_Disc_req
Mgmt_NWK_Disc_rspMgmt_Lqi_req
Mgmt_Lqi_rspMgmt_Rtg_req
Mgmt_Rtg_rspMgmt_Bind_req
Mgmt_Bind_rspMgmt_Leave_req
Mgmt_Leave_rspMgmt_Direct_Join_reqMgmt_Direct_Join_rsp
Mandatory Attributes
Mgmt_Cache_reqMgmt_Cache_rsp
Optional Attributes
Optional
Security ManagerObject
APSME-REMOVE-DEVICE.requestAPSME-REMOVE-DEVICE.indication
APSME-REQUEST-KEY.indication
APSME-UPDATE-DEVICE.requestAPSME-UPDATE-DEVICE.indication
APSME-TRANSPORT-KEY.requestAPSME-TRANSPORT-KEY.indication
APSME-ESTABLISH-KEY.requestAPSME-ESTABLISH-KEY.indicationAPSME-ESTABLISH-KEY.responseAPSME-ESTABLISH-KEY.confirm
APSME-REQUEST-KEY.request
APSME-SWITCH-KEY.indication
APSME-SWITCH-KEY.request
Mandatory Attributes
Mgmt_NWK_Update_req
APSME-AUTHENTICATE.confirm
APSME-AUTHENTICATE.request
APSME-AUTHENTICATE.indication
Mgmt_Permit_Joining_rsp
Mgmt_Permit_Joining_req
Mgmt_NWK_Update_notify
Mandatory Attributes
Mandatory
Device and ServiceDiscovery Object
NWK_addr_reqIEEE_addr_req
Node_Desc_reqPower_Desc_reqSimple_Desc_req
Active_EP_reqMatch_Desc_req
Optional Attributes
NWK_addr_rspIEEE_addr_rspNode_Desc_rspActive_EP_rspMatch_Desc_rspPower_Desc_rsp
Complex_Desc_rspComplex_Desc_req
User_Desc_rspUser_Desc_req
Simple_Desc_rsp
User_Desc_conf
Device_annceUser_Desc_set
Mandatory
Device and ServiceDiscovery Object
Optional Attributes(continued)
Discovery_cache_rspDiscovery_cache_req
Discovery_store_rspDiscovery_store_req
Node_Desc_store_rspNode_Desc_store_req
Power_Desc_store_rspPower_Desc_store_req
Active_EP_store_rspActive_EP_store_req
Simple_Desc_store_rspSimple_Desc_store_req
Remove_node_cache_rspRemove_node_cache_req
Find_node_cache_rspFind_node_cache_req
System_Server_Discovery_rsp
System_Server_Discovery req
Extended_Simple_Desc_rsp
Extended_Simple_Desc req
Extended_Active_EP_rsp
Extended_Active_EP req
SLIDE 113
PLUG-AND-PLAY COMMISSIONING?
2
1
3
Ein Gerät veröffentlicht die Anwendungsprofile (Endpunkt / Cluster), die es anbietet oder benötigt, der Koordinator speichert sie.
Der Koordinator antwortet mit passenden Geräten mit ihren Profilen/Endpunkten.
Das Gerät wählt geeignete Geräte aus und vereinbart Bindings für die Endpunkte mit den Geräten.
Heizungs Regler o. Ventil
Temperatur Sensor
T
- Discovery
SLIDE 114
ZIGBEE PROFILE
• Profile schaffen Grundlagen für die Implementation von Geräten
• Öffentliche Profile definiert durch ZigBee Allianz
• Interoperabel
• Herstellerspezifische Profile definiert durch Herstelle
• Zertifiziert durch die ZigBee Allianz
• Sollten keine anderen ZigBee-Netzwerke stören
114
SLIDE 115
ZIGBEE PROFILE
• Beschreibung der realisierten Funktion und der angebotenen Cluster von Anwendungsobjekten
• International eindeutige r16-bit Identifier vergeben durch die ZigBee-Allianz
• Beinhalten mandatory und optionale Elemente
• Sammlung an Befehlen und Attributen um eine Schnittstelle zu beschreiben
• Basiert auf einem Server/Client- Modell
• International eindeutiger 16-bit Identifier vergeben durch die ZigBee-Allianz
DEVICE DESCRIPTIONS (PROFILES)
CLUSTER LIBRARY
SLIDE 116
ZIGBEE ANWENDUNGSGEBIETE
SLIDE 117
ZIGBEE ANWENDUNGSGEBIETE
SLIDE 118
ANWENDUNGSPROFILE IN DER GEBÄUDEAUTOMATION
Device Device ID Generic On/Off Switch 0x0000
Level Control Switch 0x0001 On/Off Output 0x0002 Level Controllable Output 0x0003 Scene Selector 0x0004 Configuration Tool 0x0005 Remote Control 0x0006 Combined Interface 0x0007 Range Extender 0x0008 Mains Power Outlet 0x0009 Reserved 0x000A-0x00FF
Lighting On/Off Light 0x0100 Dimmable Light 0x0101 Color Dimmable Light 0x0102 On/Off Light Switch 0x0103 Dimmer Switch 0x0104 Color Dimmer Switch 0x0105 Light Sensor 0x0106 Occupancy Sensor 0x0107 Reserved 0x0108-0x1FF
Device Device ID Closures Shade 0x0200
Shade Controller 0x0201 Reserved 0x0202-0x2FF
HVAC Heating/Cooling Unit 0x0300 Thermostat 0x0301 Temperature Sensor 0x0302 Pump 0x0303 Pump Controller 0x0304 Pressure Sensor 0x0305 Flow Sensor 0x0306 Reserved 0x0307-0x3FF
Intruder AlarmSystems
IAS Control and Indicating Equipment 0x0400 IAS Ancillary Control Equipment 0x0401 IAS Zone 0x0402 IAS Warning Device 0x0403 Reserved 0x0404-0xFFFF
SLIDE 119
ZIGBEE INTEROPERABILITÄT
• Beschreibung der realisierten Funktion und der angebotenen Cluster von Anwendungsobjekten
• International eindeutiger 16-bit Identifier vergeben durch die ZigBee-Allianz
• Beinhalten mandatory und optionale Elemente
• Sammlung an Befehlen und Attributen um eine Schnittstelle zu beschreiben
• Basiert auf einem Server/Client- Modell
• International eindeutiger 16-bit Identifier vergeben durch die ZigBee-Allianz
DEVICE DESCRIPTIONS (PROFILES)
CLUSTER LIBRARY
SLIDE 120
CLUSTER PROFILE IN DER GEBÄUDEAUTOMATION
Functional Domain Cluster Name General Basic General Power Configuration
General Device Temperature Configuration
General Identify General Groups General Scenes General On/Off
General On/Off Switch Configuration
General Level control General Alarms
Measurement & Sensing I luminance Measurement
Measurement & Sensing I luminance Level Sensing
Measurement & Sensing Temperature Measurement
Measurement & Sensing Pressure Measurement Measurement & Sensing Flow Measurement
Measurement & Sensing Relative Humidity Measurement
Measurement & Sensing Occupancy sensing
Lighting Color Control
HVAC Pump Configuration and Control
HVAC Thermostat HVAC Fan Control
HVAC Thermostat User Interface Configuration
Closures Shade Configuration Security and Safety IAS ACE Security and Safety IAS Zone Security and Safety IAS WD
SLIDE 121
FRAGEN