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Tecnología de Comunicaciones Inalámbrica ((TCI
TCI))
2012--2013
2012
TEMA 11. Narrow Band Wireless Wide Band
Juan Carlos Crespo
[email protected]
1
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. INTRODUCCIÓN
Estándares
E
tá d
d
de comunicación
i ió iinalámbrica
lá b i de
d
banda estrecha
En este capítulo
í l expondremos
d
los
l conceptos básicos
bá
de
d las
l tecnologías
l í empleadas
l d y
prometedoras para la transmisión wireless de banda estrecha entre dispositivos
•
•
•
BlueTooth
Bl
T th
ZigBee
NFC
LTE
UMTS
ZigBee
2
INDICE
11.1.
11
1 BlueTooth
11.2. ZigBee
11 3 NFC
11.3.
3
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Se diseña para la conexión de dispositivos
“cercanos” de bajo consumo y bajo precio
- Por diseño se busca un BER < 10-3 para:
¾–70dBm potencia en el receptor
¾11 dB carrier
i to
t co-channel
h
l interference
i t f
ratio.
Harald Blatand (Rey Danés)
- Emplea espectro ensanchado por FrequencyHopping
> 400 empresas
p
adheridas ((1998))
4
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Connection Type
Spread Spectrum (Frequency Hopping)
MAC Scheme / Duplex
FH-TDMA / TDD
Spectrum
2.4 GHz ISM : 79 hop frequencies: f = 2402 K+h
MHz, h= 0,..78 K (1.600 hops/sec)
Modulation
Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK),
(GFSK) BT =
0.5
Transmission Power
1 mw – 100 mw
Aggregate Data Rate
~ 1 Mbps ( canales de voz sínconos de 64 kbps en
cada dirección)
Canales asíncronos de 721 kbps (asimétrico) o
432 6 kb/s
432.6
kb/ (simétrico)
( i ét i )
Range
100 m
Supported Stations
8 devices
Voice Channels
3
Data Security
Security- Authentication Key
128 bit key
Data Security-Encryption Key
8-128 bits (configurable)
5
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h Interfaz
BlueTooth:
I
f fí
físico
i Radio
R di
•
Durante la operación, cada canal físico radio se comparte por un grupo de dispositivos que deben
estar sincronizados por un mismo reloj y patrón de salto en frecuencia.
•
Un dispositivo debe actuar como master: referencia de sincronización, el resto actuan como esclavos .
A este conjunto
j
se denomina
d
i PICONET.
PICONET
•
El patrón de salto en frecuencia es pseudoaleatorio, entre las 79 disponibles.
•
El canal físico se divide en slots de tiempo, y dentro de estos paquetes. Se emplea TDD para
conseguir el full duplex.
6
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h Interfaz
BlueTooth:
I
f fí
físico
i Radio
R di
•
Esquema de salto en frecuencia: Frquency-Hop Time Division Duplex
•
Comparación de FHSS y DSSS:
7
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h Interfaz
BlueTooth:
I
f fí
físico
i Radio
R di – Modulación
M d l ió GFSK
•
Esquema Gaussian Frequency Shift Keying, con BT = 0.5, siempre tiene el cambio en el paso por
cero
•
Se producen los cambios a un 1 MHz
Eye Pattern
8
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h Interfaz
BlueTooth:
I
f fí
físico
i Radio
R di – controll de
d potencia
i
•
Se calcula un indicador de la potencia de la señal recibida por cada dispositivo: RECEIVER SIGNAL
STRENGH INDICATOR (RSSI)
• RSSI compara la potencia recibida respecto a un nivel de referencia (Golden Receive Power Range).:
- El nivel inferior se ha establecido en – 56 dBm y 6 dB por encima de la sensibilidad del
receptor.
- El nivel superior se ha establecido a 20 dB por encima del nivel inferior (+/- 6 dB)
Si el nivel de la señal recibida está fuera de este intervalo se ajusta la potencia del trasmismor (los saltos
son entre 8 y 2 dB)
9
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h Interfaz
BlueTooth:
I
f fí
físico
i Radio
R di – síncrono
í
/ asíncrono
í
•
•
•
Existen dos tipos de enlaces entre el master y los esclavos:
Sincrónos (SCO)
Asíncronos (ACL)
SCO es un enlace punto a punto con latencias, jitter, y data rate, garantizados
ACL es un enlace de commutación de paquetes, sólo válido para intercambio de datos no
“multimedia”
•
Access code: Indentifica la PICONET ( deriva de la dirección del master)
10
1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
Bl T h redes
BlueTooth:
d Piconet
Pi
/ Scatternets
S
•
•
-
PICONET
La red fundamental y básica en una red BlueTooth
Un master y hasta 7 esclavos
El master determina sincronismo y secuencia pseudo-aleatoria de salto
SCATTERNET
Un dispositivo en una piconet puede actuar como master o esclavo en otro piconet
Permite que varios dispositivos compartan un mismo espacio físico
Eficiencia el uso del ancho de banda
Piconet
Scatternet
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1. REDES WIRELESS
WIRELESS.. BLUETOOTH
BlueTooth: Capas del Protocolo
Applications
TCP/IP HID RFCOMM
Application Framework and
Support
Data
Host Controller
Interface
L2CAP
Audio
Link Manager and L2CAP
Link Manager
Logical
g
Link Control & Adaptation
p
Protocol
Baseband
Radio & Baseband
RF
12
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
Se diseña la interconexión de
di
dispositivos
ii
(sensores)
(
) de
d muy
bajo consumo. Dos estándares:
APPLICATION
Customer
APPLICATION INTERFACE
- IEEE 802.15.4 Define el nivel
físico y MAC
- ZigBee define los niveles
i t
intermedios
di hasta
h t aplicación
li ió
(desde el nivel de red)
NETWORK LAYER
DATA LINK LAYER
MAC LAYER
MAC
C LAYER
ZigBee
Alliance
IEEE
PHY LAYER
Sili
Silicon
ZigBee Stack
Application
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Posicionamiento
LAN
802.11b
Rannge
802.11a/HL2 & 802.11g
ZigBee
LOW < DATA RATE
ZigBee: Requisitos
Req isitos del mercado
•
•
•
•
•
PAN
Bluetooth1
>
HIGH
10k-115.2kbps data throughput
10 75 rango
10-75m
Hasta to 65 nodos en una pico-red
Hasta 100 redes en coexistentes
Dos años de batería (alcalinas)
14
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee y BlueTooth – mercado / aplicaciones
monitors
sensors
automation
control
monitors
diagnostics
sensors
INDUSTRIAL &
COMMERCIAL
CONSUMER
ELECTRONICS
PC &
PERIPHERALS
PERSONAL
HEALTH CARE
consoles
portables
educational
TV
VCR
DVD/CD
remote
TOYS &
GAMES
HOME
AUTOMATION
mouse
keyboard
joystick
security
HVAC
lighting
closures
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Por qué otro estándar
Reducción de:
• Potencia Consumida
<==>
> BT: 100mA
– ZigBee: 10mA <
• Costes de producción
– In the beginning of 2005
– ZigBee: 1.1 $ <==> BT: 3 $
• Desarrollo de sw
– Codesize ZB/codesize BT = ½
• Bit
Bit-error-rate
error rate (BER) !
16
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Por qué otro estándar
17
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Por qué otro estándar
Aumenta:
• Sensilibilidad
– ZigBee: -92dbm(0,63pW) <==> BT: -82dbm(6,2pW)
• flexibilidad
– No. of supported nodes
– ZigBee: 65536 (in a mesh) <==> BT: 7 (in a star)
• Seguridad
– ZigBee: AES (128bit) <==> BT: SAFER (64/128bit)
• Latencia
– ZigBee: optional guaranteed time slot
g
• Range
– ZigBee: up to 75 m in LOS condition <==> BT: 10 m
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Bandas
BAND COVERAGE DATA RATE CHANNEL(S)
2.4 GHz
ISM
868 MHz
915 MHz
ISM
Worldwide
250 kbps
11-26
Europe
20 kbps
0
Americas
40 kbps
1-10
19
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación (2,4 GHz)
2400MHz Band specs
• 4 Bits per symbol
• DSSS with 32 Bit chips
p
• O-QPSK modulation
• Sine halfwave impulses
Medium
Binaryy Data
Bit
to
Symbol
Symbol
to
Chip
QPSK
Mod.
20
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación (2,4 GHz) - Bandas
21
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación (900 MHz)
868/915 MHz Band specs
• 1 Bit per symbol
• Differential encoding
• DSSS with 15 Bit Chips
• BPSK modulation
Medium
Binary Data
Diff.
Encoder
Bit
to
Chip
BPSK
Mod.
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación (900 MHz) - Bandas
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación – Paquetes
PHY Protocol Data Unit (PPDU) frame structure
• Frame to be sent via radio
• Preamble for chip and symbol synchronization
• Contains either data or data acknowlegement
• Packet size 8-127 Octets
• Contains MAC Protocol Data Unit (MPDU)
24
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación - TOPOLOGÍAS
Mesh
Star
Cluster Tree
PAN coordinator
Full Function Device
R d dF
Reduced
Function
ti D
Device
i
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2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación - Tree
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Implementación - Mesh
2. REDES WIRELESS
WIRELESS.. ZigBee
ZigBee: Stack Reference Model
End developer applications,
designed using application profiles
ZA1
ZA2
…
ZAn
Application interface designed using
API
general p
g
profile
Topology management, MAC
management, routing, discovery
protocol, security management
Channel access, PAN maintenance,
reliable data transport
Transmission & reception on the
physical radio channel
IA1
IAn
UDP
IP
ZigBee NWK
802 2 LLC
802.2
MAC (SSCS)
IEEE 802.15.4 MAC (CPS)
IEEE 802.15.4 PHY
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