Suhonen Juho
Nikula Mika 11/2008
Langattomat lähiverkot
Seminaarityö
Zigbee – Lyhyen kantamantietoliikenne
verkko
Sisällysluettelo
Mikä on Zigbee………3
Standardin tietoja……….4
Wpan verkon komponenteista………..6
Zigbeen edut……….7
System-on-chip……….8
MCU ja muistin alijärjestelmä………..……11
Lähteet………13
Mikä on Zigbee?
ZigBee on IEEE 802.15.4 -standardin mukainen lyhyen kantaman tietoliikenneverkko.
Kyseinen standardi määrittelee verkon OSI-mallin fyysisen- sekä
siirtoyhteyskerrokset. ZigBee-standardin tarkoituksena on määritellä OSI- mallin verkkoyhteys- sekä kuljetuskerrokset. OSI-mallin ylemmät
kerrokset jätetään kolmannen osapuolen sovelluksien tehtäväksi.
Zigbeen takaa löytyy Zigbee Alliance, joka vastaan sen kehityksestä ja testaamisesta. Kehitystyötä on tehty IEEE:n kanssa, jota voidaaan taata alempien ja ylempien kerrosten toimivuus.
Allianceen kuuluu isojakin yrityksiä kuten esimerkiksi Intel, HP ja Philips.
Alliance on perustettu 2002 ja se on täysin itsenäinen yhteisö.
Jäseniä tällä hetkellä on yli 250 ja varsinaisesti kyseinen standardi on käytössä vain heille. Kaupalliseen tarkoitukseen standardin saa käyttöön 3500 dollarin jäsenmaksulla. Jäsen tasoja on kolme: Adopter-taso,
Participant- taso ja Promoter-taso. Jälkimmäisin on selvästi kallein ja se on suunniteltu yrityksille, jotka haluat paikan johtoryhmästä. Myös ennen varsinaista Zigbee-merkin saamista, laitemallit testataan Zigbee-
yhteensopiviksi.
IEEE 802:n kerrosten sijoittuminen OSI-mallissa
Standardin tietoja
Zigbee on vähän virtaa kuluttava lyhyenkantaman radioliikenteen standardi, joka kuuluu WPAN-standardeihin (IEEE802.15).
Zigbee toimii eri taajuuksilla eri maanosissa.
Euroopassa Zigbee toimii 868 MHz, 1kanava ja se pystyy siirtämään 20kb/s dataa.
Yhdysvalloissa Zigbee käyttää 915MHz taajuutta, 10kanavaa 2MHz välein ja sen siirtonopeus on 40kb/s.
Maailmanlaajuisesti käytössä on 2,4GHz, 16kanavaa 5MHz välein ja siirtonopeus on 250kb/s.
Zigbee on tarkoitettu pienten, yksinkertaisten laitteiden langattomaan verkottamiseen.
Verkkoihin voi liittää jopa 65 536 laitetta.
IEEE802.15.4 toimintamalli.
Zigbeessä kanavointimenetelmänä käytetään DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).
Standardiin kuuluu energiahavaitsin (ED), linkinlaadun ilmoitin (LQI), ja CCA (Clear channel assessment).
IEEE 802.15.4 MAC alikerros hallinnoi radiokanavan käyttöä, käyttäen CSMA-CA metodia (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance) ja käsittelee verkon yhdistämistä ja MAC-kerroksen suojausta.
CDMA/CA on siis saantimenetelmä eli se kuuntelee siirtotietä ja lähettää vain siirtotien ollessa vapaana.
Suojauksena on AES-128 pohjainen cryptaus.
Zigbeen langaton teknologia määrittelee verkon, suojauksen ja ohjelmakerrokset IEE 802.15.4 PHY- ja MAC-kerroksissa.
Zigbee verkkokerros on vastuussa laitteiden löytämisestä ja verkkoasetuksista.
Se tukee kolmea verkkotopologiaa, mitkä ovat star, mesh (silmukka) ja rypäs (cluster-tree).
Tähti-topologiassa kommunikointi käydään verkon keskellä sijaitsevan koordinaattorin välityksellä.
Mesh (peer-to-peer) topologian verkossa on myös koordinaattori, mutta se etuna on se että mikä tahansa päälaite voi keskutella suoraan minkä tahansa toisen päätelaitteen kanssa.
1 WPAN verkon komponenteista
Periaatteessa todettiin, että olisi hyvää jakaa fyysiset laitteet kahteen eri tyyppiin:
Full Function Device (FFD)
1 • voi toimia kaikissa verkkotopologioissa
2 • kykenee toimimaan verkon (PAN) koordinaattorina 3 • voi keskustella kaikkien muiden laitteiden kanssa Reduced Function Device (RFD)
1 • rajoitettu tähtitopologiaan
2 • ei voi olla verkon koordinaattori
3 • voi keskustella ainoastaan verkon koordinaattorin kanssa
4 •tarkoitettu erittäin yksinkertaisiin sovelluksiin (esim. valokatkaisija), jotka voidaan ottaa käyttöön minimaalisilla resursseilla ja muistikapasiteetilla
Periaatteessa olisi tarkoitus, että FFD, jolla on ominaisuudet hyödyntää kaikkea standardin ominaisuuksia, toimisi verkossa koordinaattorina, toisin sanoen se ohjaisi ja toimisi keskuksena. Verkossa tulee olla ainakin yksi FFD. RFD ominaisuudet ovat rajallisemmat, joten käytännössä muut laitteet olisivat näitä.
Zigbeen edut
Zigbee laitteet
saadaan kytkettyä verkkoon nopeasti.
Liittyminen verkkoon kestää alle 30ms, herääminen sleep-tilasta alle 15ms ja lähetyksen aloittaminen alle 15ms.
Verkkoihin voi liittää jopa 65 536 laitetta.
Erittäin alhainen virrankulutus lisää huomattavasti akkujen kestoa.
Zigbeen verkkotopologiat: star, mesh > 65 000 solmua alhaisella viiveellä.
Kyky säilyä pitkiä aikoja unitilassa ilman kommunikaatiota.
DSSS mahdollistaa laitteille "unitilan" ilman sulkusykronointia.
Zigbeen vertailua
Zigbee:tä on sinäällään hiukan vaikea verrata muihin, koska se jää monessa osaalueessa jälkeen. Tämä tosin johtuu siitä, että sen käyttötarkoitukset ovat aikalailla erilaiset kuin muitten.
Bluetoothiin verrattaessa, Zigbee käyttää poikkeavia ohjelmia, jotka mahdollistavat erittäin hyvän optimoinnin virrankäytössä.
Esimerkiksi Zigbee:tä voisi käyttää automaatioon, kuten valaisimiin, lämmitykseen ja ilmastointiin niin, että kustannuksissa säästettäisiin.
Zigbeen ehkä suurin etu muihin on sen nopeus liittyä verkkoon.
Esimerkiksi Bluetooth:in keskimääräinen kytkemisaika on pitkä ja takaamaton ja viive näin ollen on pidempi.
System-on-chip
Tavoiteltaessa laajempaa kaupallista soveltuvuutta, laajaan koti ja teollisuus sovelluksiin.
Suurinosa Zigbee pohjaisista käyttäjäsovelluksista on optimaalisesti
suunniteltu IEEE802.15.4/Zigbee system-on-chip (SoC). Silikooni laitteet tulevat olemaan tärkeässä osassa tyydyttämään edellämainittuja
ominaisuuksia. SoC on toteutettu niin, että siihen on integroitu seuraavia ominaisuuksia, kuten radio-vastaanotin, prosessori (data prosessing unit), muisti ja käyttäsovellukset.
Tämä mahdollistaa seuraavia etuja:
-Alhaiset tuotantokulut -Saadaan nopeasti markkinoille
-Vähän komponentteja -Helppo kasata ja testata
-Helppokäyttöinen ja luotettava suunnittelu (yksi aktiivinen laite) -Korkea suorituskyky alhaisella virrankulutuksella
Suunniteltaessa Zigbee järjestelmää, jotta Zigbee optimoidut SoC:it
olisivat tehokkaita ja käyttökelpoisia, tulee harkita, mikä tietty piiri ja sen tulkkaaminen toiminta-kerrokselle ja käyttöönottoon olisi kannattavaa.
Käytössä voi olla esimerkiksi IEEE 802.15.4/ZigBee-yhteensopiva CC2430 SoC Chipconilta.
The SoC toteutus konsepti kuvattuna.
aina 2,4GHz ISM taajuusalueelle.
Zigbee(IEEE 802.15.4) standardiin kuuluvalla 2.4GHz PHY:llä voi yhdistää maailmanlaajuiselle taajuudelle 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical).
Ominaisuuden tulisi olla ensisijainen valinta Zigbee SoC laitteisiin.
Soc perheen tulisi tarjota useita muisti valintoja, jotta saavutettaisiin optimaalinen tulos monimutkaisuuteen ja hintaan nähden.
Esimerkiksi laite, joka on varustettu 128:n Kilotavun Flash-muistilla ja 8 Kilotavun RAM:lla tulisi olla riittävä lähestulkoon kaikille Zigbee
laitteille.
CC2430-kaavio
MCU ja muistin alijärjestelmä
CC2430:n tärkein alijärjestelmä on MCU( Memory Core Unit) mukaanlukien muisti ja oheispiirit ja radio vastaanottimen osat.
Jäljellejäävät modulit antavat elintärkeät funktiot liittyen virranhallintaan, kellon osuuteen ja testaukseen.
MCU ja muistin alijärjestelmä.
Prosessointikaistan säästämiseksi verkolle ja ohjelmille, SoC tulisi vapauttaa MCU MAC:n aikakriittisille operaatioille, jotka voitaisiin käsitellä tehokkaammin erikoistuneilla piireillä.
CC2430 on esimerkiksi integroitu huomattava määrä IEEE802.15.4 MAC:n vaatimia ominaisuuksi, jotka keventävät mikrokontrollerin taakkaa.
Näitä ominaisuuksia ovat:
-CSMA-CA rinnakkaisprosessori -Automaattinen preamble generaattori
-Synkronointi sanaston asettamis/havaitsemis ominaisuus
-CRC-16 laskenta ja MAC kerroksen kuormituksen tarkistaminen -CCA(Clear Channel Assessment)
-Virran havainto / digitaalinen RSSI -Linkin laadun ilmaisin
Sulautettu rinnakkaisprosessori käsittelee kryptauksen ja dekryptauksen operaatioita AES algoritmilla 128bitin avaimet, jotka IEEE802.15.4 MAC turvallisuus vaatii, kuten myös verkkokerros ja sovelluskerros.
Tämä erikoistunut AES rinnakkaisprosessori sallii kryptauksen ja
dekryptauksen suoriutumisen vähällä MCU:n käytöllä. Tämän takia, DMA (Direct Memory Access) tulisi käyttää,
jota voidaan käyttää vapauttamaan 8051 MCU:n datan siirtely operaatioita täten saavuttaen korkean suoritustason ja tehokkaan virran käytön.
DMA kontrolleri pystyy siirtämään dataa ääriyksiköiltä muistiin
Järjestelmän sisällä muistin "sovittelija" yhdistää mikrokontrolleriin ja DMA kontrolleri muisteineen ja osineen kulkee läpi SFR väylän.
SoC:n tulee sallia helpon ja joustavan käyttöönoton käyttäjäpohjaisille ominaisuuksille.
Keskeytykset ovat käytännöllisiä normaaliohjelmankulkuun puuttumiseen, jos kyseessä on tärkeä ulkoinen tai sisäinen tapahtuma, joka vaatii
välitöntä huomiota.
Keskeytyshallinta ja unitila erittäin käytännöllisiä virransäästöä ajatellen.
Debug käyttöliittymän tulisi mahdollistaa flashmuistin tyhjentämisen, ohjelman pysäytys ja aloitus toiminnot.
CC2430 vastaanotin käyttää suora-konversio modulaattoria. Laite puskuroi syötettyä dataa 128bittisenä.
Lähteet
- Zigbee Alliance websivut : http://www.zigbee.org/en/index.asp - Kurssin sivuilta löytyvä materiaali
- Wikipedia
- http://ae.tut.fi/research/AIN/Publications/ZigBee_BT1.2_Silvola.pdf
