dr hab. inż. Andrzej Bęben, pok. 336a (abeben@tele.pw.edu.pl) Bezprzewodowe Sieci Dostępowe (BSD) wykład 6: Sieci WPAN (Bluetooth, BLE, ZigBee) oraz LPWAN (LoRa) dr hab. inż. Andrzej Bęben, pok. 336a (abeben@tele.pw.edu.pl) Zespół Architektur i Zastosowań Internetu (tnt.tele.pw.edu.pl)

Plan wykładu Wprowadzenie Architektura sieci WPAN Protokół dostępu Warstwa fizyczna Warstwa łącza danych Protokół dostępu Podsumowanie BSD 2017

Wprowadzenie Rodzaj sieci: Wireless Personal Area Network (WPAN) Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE) Przeznaczenie: komunikacja pomiędzy urządzeniami zlokalizowanymi w niewielkiej odległości bezprzewodowy interfejs RS 232 Pasmo: IMS (Industrial, Scientific and Medical) - 2.4 GHz, 79 kanałów po 1MHz Przepływności: 0.72 – 24 Mbit/s Zasięg: < 1m, < 10m, <100m Król Herald I Bluetooth (X w n.e.), który zjednoczył Danię. Znaczek – inicjaly króla. BSD 2017

Rodzina standardów 802.x BSD 2017

Rodzina standardów 802.x BSD 2017

Rodzina standardów 802.x Architektura protokołów BSD 2017

Rozwój standardu Bluetooth Bluetooth v1.0 – propozycja Ericsson (1994) Bluetooth v1.1 – standard IEEE 802.15.1-2002 (2002) Bluetooth v1.2 – standard IEEE 802.15.1-2002 (2005) Dalsza standaryzacja przez Bluetooth Special Interest Group Bluetooth v2.0+EDR – Enhanced Data Rate (2007) przepływność do 3 Mbit/s Bluetooth v3.0+HS – High Speed (2009) przepływność 10Mbit/s Bluetooth v4.0+BLE – Bluetooth Low Energy (2010) Bluetooth v5.0 – BLE+MESH (2017) BSD 2017

Zastosowanie Bluetooth małe sieci osobiste, mała moc, bliski zasięg, niskie koszty Bezprzewodowy dostęp do sieci Połączenia bez kabli Sieć urządzeń osobistych BSD 2017

Podstawowa topologia - Piconet Zbiór urządzeń połączonych w trybie ad hoc Jednocześnie może pracować maksymalnie 8 urządzeń 1 urządzenie jako „master” – zarządca sieci Piconet synchronizuje zegary w pozostałych urządzeniach steruje przekazem w sieci 7 urządzeń jako „slave” – uczestnik sieci Piconet dodatkowo może być 200 urządzeń w trybie nieaktywnym S M M=Master S=Slave P P=Parked SB=Standby SB S S P BSD 2017

Rozszerzona topologia - Scatternet Rozszerzona topologia (Scatternet) pozwala łączyć sieci Piconet za pomocą urządzeń pracującym jednocześnie w kilku sieciach Piconet Rozszerzona topologia pozwala połączyć większą liczbę urządzeń zwiększyć przepływność n* 0.72Mbit/s M S SB P M=Master S=Slave P=Parked SB=Standby BSD 2017

Architektura (1) Applications Control Data Baseband RF doc.: IEEE 802.15-01/046r1 January 2001 Architektura (1) Usługi oferowane aplikacjom Zarządzania łączem oraz enkapsulacja Radiowa warstwa fizyczna oraz protokół dostępu RF Baseband Audio Link Manager L2CAP Other TCS RFCOMM Data SDP Applications Control BSD 2017 Tom Siep, Texas Instruments

Warstwa fizyczna - IEEE 802.15.1 Pasmo 2.402 – 2.480 GHz 79 kanałów po 1 MHz Frequency Hopping Spread Spectrum z adaptacją 1600 przeskoków / s, zarządzanych przez węzeł master Modulacje: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) – 0.72/1 Mbit/s π/4 DQPSK (Diferential Quadrature Phase Shift Keying) – 2 Mbit/s 8 DPSK (Diferential Phase Shift Keying) – 3 Mbit/s Moc Klasa 1: 100mW (zasięg <100m) Klasa 2: 2.5mW (zasięg <10m) Klasa 3: 1mW (zasięg <1m) BSD 2017

Warstwa MAC (1) Protokół dostępu TDMA z dwukierunkowa transmisją realizowaną przez TDD Warstwa MAC (BaseBand) tworzy łącza „punkt-punkt” lub „punkt –wielepunktów” pomiędzy urządzeniem „master” oraz urządzeniami „slave” Transmisja pakietów jest realizowana w szczelinach czasowych (0.625 ms), pakiet może zająć 5 szczelin stacja „master” rozpoczyna transmisję w szczelinach parzystych stacje „slave” rozpoczynają transmisje w szczelinach nieparzystych BSD 2017

Warstwa MAC (1) Funkcje warstwy MAC: Funkcja wykrywania urządzeń Funkcja podłączenia urządzeń Funkcja przekazu danych BSD 2017

Warstwa MAC (2) Podstawowe rodzaje łączy: Polling-based (TDD) packet transmissions 1 slot: 0.625msec (max 1600 slots/sec) master/slave slots (even-/odd-numbered slots) Synchronous connection-oriented (SCO) link “circuit-switched”, periodic single-slot packet assignment symmetric 64Kbps full-duplex Asynchronous connection-less (ACL) link packet switching asymmetric bandwidth, variable packet size (1,3, or 5 slots) max. 721 kbps (57.6 kbps return channel) 108.8 - 432.6 kbps (symmetric) M S M S BSD 2017

Warstwa MAC (3) Format pakietów: Access Code – Preambuła (4 bity), synchronizacja (64 bity), identyfikuje pakiety przesyłane danym łączem Nagłówek (header), 3x 18 bitów Pole danych (max ~ 340 bajtów) BSD 2017

Warstwa MAC (3) Nagłówek LT_ADDR - adres stacji przeznaczenia Type – rodzaj pakietu Flow – sterowanie przepływem gdy pełen bufor RX ARQN – potwierdzenie ACK SEQN – numer sekwencyjny BSD 2017

Warstwa MAC (4) Pakiety SCO BSD 2017

Warstwa MAC (5) Pakiety ACL BSD 2017

Warstwa MAC (6) Funkcje i protokoły warstwy łącza danych: Link Layer Control & Adaptation (L2CAP) A simple data link protocol on top of the baseband connection-oriented & connectionless protocol multiplexing segmentation & reassembly QoS flow specification per connection (channel) group abstraction Service Discovery Protocol (SDP) Defines an inquiry/response protocol for discovering services RFCOMM (based on GSM TS07.10) emulates a serial-port to support a large base of legacy (serial-port-based) applications BSD 2017

Warstwa MAC (7) Funkcje i protokoły warstwy łącza danych Telephony Control Protocol Spec (TCS) call control (setup & release) group management for gateway serving multiple devices Legacy protocol reuse reuse existing protocols, e.g., IrDA’s OBEX, or WAP for interacting with applications on phones AV support: AVCTP The Audio/Video Control Transport Protocol (AVCTP) used to transfer AV/C commands over an L2CAP channel. The Audio/Video Distribution Transport Protocol (AVDTP) is used advanced audio distribution profile to stream music and video distribution. BSD 2017

Profile zastosowania (1) Bluetooth definiuje zestaw profili wykorzystania, każdy profil określa zbiór funkcji wymaganych dla wsparcia aplikacji Profile Protokoły Aplikacje BSD 2017

Profile zastosowania (2) BLUETOOTH PROFILE DETAILS Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) This Bluetooth profile defines how stereo quality audio can be streamed from a media source to a sink. Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) This Bluetooth profile provides a standard interface to control audio visual devices including televisions, stereo audio equipment, and the like. It allows a single remote control (or other device) to control all the equipment to which a particular individual has access. Basic Imaging Profile (BIP) This Bluetooth profile details how an imaging device can be remotely controlled, how it may print, and how it can transfer images to a storage device. This Bluetooth profile is naturally intended for cameras and other devices that can take pictures, including mobile phones now. The overall profile may be considered to have the following actions: Image Push, Image Pull, Advanced Image Printing, Automatic Archive, Remote Camera, Remote Displa Basic Printing Profile (BPP) This Bluetooth profile allows devices to send text, e-mails, v-cards, images or other information to printers based on print jobs. BSD 2017

Profile zastosowania (3) BLUETOOTH PROFILE DETAILS Common ISDN Access Profile (CIP) This Bluetooth profile details the way in which ISDN traffic can be transferred via a Bluetooth wireless connection. It is typically used in Bluetooth enabled office equipment that is ISDN enabled. Cordless Telephony Profile (CTP) This Bluetooth profile defines how a cordless phone can be implemented using Bluetooth. This Bluetooth profile is aimed at use for either a dedicated cordless phone or a mobile phone acting as a cordless phone when close to a CTP enabled base station. The aim of this Bluetooth profile was to allow a mobile phone to use a Bluetooth CTP gateway connected to a landline when within the home or office, and then use the mobile phone network when elsewhere. Dial-Up Network Profile (DUN) This Bluetooth profile details a standard for accessing the Internet and other dial-up services via a Bluetooth system. This may be required when accessing the Internet from a laptop by when using a mobile phone, PDA, etc as a wireless dial-up modem. Fax Profile (FAX) This Bluetooth profile defines how a FAX gateway device can be used. This Bluetooth profile may be needed when a personal computer uses a mobile phone as a FAX gateway to send a FAX. Headset Profile (HSP) The Bluetooth Headset Profile details how a Bluetooth enabled headset communicates with a Bluetooth enabled device. As might be anticipated the Bluetooth Headset Profile was aimed at defining how Bluetooth headsets may connect to a mobile phone or installed car kit. BSD 2017

Bluetooth Low Energy (BLE) (1) Extension of Bluetooth - new mode which is not backward compatible Defined in Bluetooth - 4.0 (2010), 4.1 (2013), and 5.0 (2017), MESH (2017) Objective: Designed to send sporadically small packets (opposed to streaming) Connect->transmit->disconnect->sleep Low power consumption (15mA peak transmit, 1uA sleep) Devices supplied by coin cells, e.g. CR 2032 Low cost devices (< 1$) Frequency band: IMS - 2.4 GHz, 40 channels each 2MHz Data rates: < 260 kbps Range: < 10m, <100m, <200m Features: well standardised, emerging, becomes widely available (many vendors) but not fully compliant, very small energy consumption BSD 2017

Bluetooth Low Energy (BLE) (2) Architecture – standalone or dual mode BSD 2017

Bluetooth Low Energy (BLE) (3) Physical layer Frequency band 2.402 – 2.480 GHz 40 channels each 2 MHz Robust Adaptive Frequency Hopping – can coexist with WiFi Modulation: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) – 1-2 Mbit/s Output Power from -20dBm, up to +10 dBm (or more BLE 5.0 Long Range) Receiver sensitivity > -70 dBm BSD 2017

Bluetooth Low Energy (BLE) (4) Medium Access Control Protocol TDMA based with TDD and centralised control (no collisions) Max payload size: data - 22B, advertisement - 39 B. Master STA: determines when slaves listen, invites slave, determines frequency hopping, initiate transmission Slave STA: responses to master requests Low connection time <3ms BSD 2017

Bluetooth Low Energy (BLE) (5) Bluetooth MESH Profile (July 2017) publish/subscribe rules  flooding with restricted relaying power saving with "friendship" BSD 2017

ZigBee (1) Objective: Wireless Personal Area Network (WPAN) IEEE 802.15.4 - fully compliant with IEEE 802.x family Objective: Control and Sensor Networks Small data packets (up to 127B) Low cost devices Frequency band: IMS - 2.4 GHz, <250 kbps 868 MHz (Europe) – 20 kbps 915 MHz (US) – 40 kbps Range: < 1m, <100m Features: standardised (2005), matured, available (many vendors), moderate energy consumption, support for mesh BSD 2017

ZigBee (2) Scenario: BSD 2017 Source: http://www.embedded.com/shared/printableArticle.jhtml?articleID=52600868 BSD 2017

Star / Mesh / Cluster-Tree ZigBee (2) Architecture Application Customer “the software” Network, Security & Application layers Brand management IEEE 802.15.4 “the hardware” Physical & Media Access Control layers API Security 32- / 64- / 128-bit encryption ZigBee Alliance Network Star / Mesh / Cluster-Tree MAC IEEE 802.15.4 PHY 868MHz / 915MHz / 2.4GHz BSD 2017 Silicon Stack App Source: http://www.zigbee.org/resources/documents/IWAS_presentation_Mar04_Designing_with_802154_and_zigbee.ppt

ZigBee (3) Medium Access Control Protocol Beacons and Guaranteed Time Slots are manged by Controller Other transmission uses CSMA/CA BSD 2017

ZigBee (4) Medium Access Control Protocol Examples BSD 2017

ZigBee (5) MESH network Uses AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) Routes are creating “on demand” Route discovery follows “flooding search” BSD 2017

LoRa (1) Low–Power Wide-Area Networks (LPWAN) Proprietary solution by Semtech Objective: Long range communication to IoT devices Low rate Frequency bands: 433 MHz and 868 MHz (Europe) and 915 MHz (North America) Data rates: 0.3 – 50 kbps Range: < 1 - 2 km, max up to 15km (ideal propagation conditions) Features: proprietary solution, early development, very low energy consumption, long range First deploymen BSD 2017

LoRa (2) Scenario BSD 2017

LoRa (3) Architecture BSD 2017

LoRa (4) 3 modes BSD 2017

LoRa MAC protocol Random access as in ALOHA BSD 2017

Nowe techniki komunikacji dla IoT BSD 2017