WPAN, WLAN, WMAN, WWAN. WPAN

Transkript

1 1 1. Popište základní charakteristiky bezdratovych technologii WPAN, WLAN, WMAN, WWAN. WPAN bezdrátové sítě krátkého dosahu (desítky metrů), přenosová rychlost stovky kb/s WLAN lokální sítě pokoje, domy 10Mb/s, 100m WMAN dosah v jednotkách kilometrů, širokopásmové páteřní spoje, DSL WWAN mobilní připojení (GSM, UMTS, satelit), jednotky Mb/s 2. Popište 5 pracovních skupin IEEE 802.(čisly) a uveďte na co se specializuji Ethernet, určuje specifikace fyzické a linkové vrstvy Ethernetu. Obecně se využívá v LAN pro fyzické propojení uzlů a zařízení (hub, switch, router) WiFi, internetové připojení WPAN, bezdrátová zařízení (PDA, mobil), průmyslová elektronika WiMAX - HIPERMAN, pro použití v bezdrátových páteřních sítích specifikace pro bezdrátové mobilní Internetové připojení (pásmo, rychlost, modulace,..) 3. Popište 5 pracovních skupin IEEE (čísly) a uveď jejich zaměřeni standardizace technologie Bluetooth, pro průmyslové zařízení s krátkým dosahem řeší problémy koexistence WPAN s dalšími sítěmi (hlavně s WiFi) na stejné frekvenci i standardizace fyzických a linkových vrstev pro bezdrátová zařízení s krátkým dosahem zaměřená na nízkou spotřebu a cenu. Liší se rychlostmi 3 - High Rate WPAN (11-55Mb/s), 4 - Low Rate WPAN (max. 250 kb/s) specifikace technologie umožňující částečnou a plnou mesh technologii definice standardů pro Visible Light Communication 4. Popište funkci tři podskupin 4e-4l skupiny IEEE e specifikace MAC pro průmyslová zařízení f specifikace MAC a PHY pro RFID (Radio Frequency Identification), např. Čipy v oblečení g specifikace PHY pro Smart Grid (Inteligentní sítě), jsou to elektrické silové sítě a komunikační sítě umožňují regulovat výrobu a řídit spotřebu el. Energie. 5. Vyjmenujte specifikace, které jsou založeny na IEEE a stručně popište jejich vlastnosti. Zigbee rozšiřuje komunikační model o tzv. mesh komunikaci založenou na bezdrátových směrovačích, které udržuji směrovací tabulky a dokáží tak prodloužit komunikační dosah cele sítě. Definuje tři druhy zařízení End Device, Router, Coordinator WirelessHART Rozdílem oproti protokolu Zigbee je v tom, že koncové prvky komunikující pomocí WirelessHART dokáží pakety směrovat, na rozdíl od koncových prvků Zigbee, které

2 slouží pouze jako monitorovací akční členy a o směrování se starají jiné prvky. Ze standardu využívá pouze definice fyzické vrstvy (na linkové používá TDMA). ISA a - využívá ze standardu pouze definici PHY pro komunikaci v pásmu 2,4 GHz. Na linkové vrstvě je v normě definována přístupová metoda, kombinující TDMA s CSMA (i přeskakování mezi kanály). Na síťové vrstvě pro potřeby směrování norma využívá specifikace 6lowPAN (IPv6 ve WPAN sítích). WIA-PA - WIA-PA je plně kompatibilní se standardem , na linkové vrstvě navíc definuje další podvrstvu, která se stará o komunikaci mezi různými clustery sítě. Ke komunikaci využívá současně více kanálů, aby byla zajištěna koexistence mezi více clustery Popište zakladni charakteristiky mikrokontroleru ATmega1281. Charakteristika pro rodinu megaavr: 8-bit architektura RISC Rozsah Flash paměti od 4kB do 256 kb 10-bit A/D převodníky Hardwarová násobička 8x8 Integrovaná paměť EEPROM Vnitřní RC oscilátor Výkonost 1 MIPS/MHz Sériové rozhraní USART, SPI a I2C(TWI) 8-bit nebo 16-bit časovače a funkce Watchdog JTAG rozhrani pro programováni Rozšiřeny napěťový rozsah Počet pinů Pouzdra typu DIP, TQFP a MLF Mikroprocesor ATmega1281 je CMOS 8-bit mikrokontrolér charakteristický svojí nízkou spotřebou. Je založený na rozšířené architektuře RISC a díky vykonáváni instrukcí v jednom hodinovém cyklu, dosahuje výkonnosti až 1 MIPS/MHZ. Architektura založena na registech. Obsahuje celkem 135 RISC instrukcí. Atmega1281 disponuje 128 kb Flash pamětí, 8kB SRAM paměti, 4kB EEPROM paměti, má dále 32 8bit registrů, 54 GPIO (General Purpose Input Output) pinů, 6 PWM 16-bit čítačů, 2 USART porty a 8 A/D převodníků a celkově 64 pinů a externí konektory. 2. Popište architekturu RISC. Procesor, který je založen na architektuře RISC, obsahuje velmi jednoduchou, ale zato velmi efektivní sadu základních operací (proto pojem Restricted Instruction Set Operation). Komplexnějši instrukce jsou potom sestaveny z tohoto základního souboru RISC instrukci, což má za následek, že operace jsou vykonávány mnohem efektivněji. Procesor komunikuje s pamětí po sběrnici. Délka provádění jedné instrukce je vždy jeden cyklus. Registry jsou pouze víceúčelové. Využívají řetězení instrukcí.

3 3. Co je to alternativní funkce portu? Možnost změnit standardní operaci na daném portu. Pomocí 8bit portů PORTA-PORTG se zapíná alternativní funkce. Např. Pro PORTF má alternativní fce A/D převodník i JTAG rozhraní pro nahrání program do Flash. 4. Jak se provádí nulovaní bitu pomoci bitového posunu Nulováni bitu se řeší logickým součinem (symbol&) inverzní masky (symbol ). Příklad UCSR0B & = (1<<RXEN ); Původní hodnotu registru stačí tedy vynásobit inverzní maskou a bit RXEN bude nastaven na hodnotu Jak se provádí testování stavu bitu? Používá se příkaz pro zjištění, zda je bit 0 nebo 1, příkazem je AND. Dotaz funguje ve smyslu logického součinu hodnoty celého registru s maskou, kterou je vlastně dán dotazovaný bit. Ověření zda je bit UDRE roven 1: if (UCSR0A & (1<<UDRE0 )) { // UDRE =1 else // UDRE =0 } 6. Nastavte hodnotu registru MYREG na pomoci binarniho zapisu, hexadecimalniho zápisu a pomoci binárního posunu. MYREG=0b MYREG=0xAA MYREG= (1<<7) (1<<5) (1<<3) (1<<1) 7. Jaký je princip zápisu do paměti EPROM a EEPROM? EPROM elektronicky, mazatelná UV zářením (přes okénko v pouzdře) EEPROM elektronicky mazatelná programovatelná paměť, je možné ji programovat jak v programátoru tak přímo v systému. Mazaní se provádí zápisem hodnoty Stručně vysvětlete rozdíl mezi Harwardskou a von Neumanovou architekturou U von Neumannovi architektury je zpracování sekvenční oproti harvardské architektuře, která je typickým představitelem paralelního zpracování. Von Neumannova architektura uchovává programy i jejich data v téže operační paměti u Harvardu je to oddělené. 9. Popište strukturu pamětí ATmega1281 a jejich hlavni účel v mikrokontroléru Flash paměť uložení programu, u ATmega1281 je 128 kb. Při výpadku napájení neztrácejí informaci. SRAM v případě výpadku napájení je obsah paměti ztracen. Ukládají se sem globální proměnné, alokuje se zde prostor pro vnitřní proměnné, ukládají se data ze senzorů, atd.

4 EPROM datová paměť, jejíž hlavní výhodou je, že udržuje svůj obsah i po odpojení napájení. Používá se nejčastěji pro uložení konfiguračních dat (číslo kanálu, adresa, ). 10. Jak vygenerujete výstupní signál s úrovní napětí 1,25 V? Řešením může být modulace signálu pulsy, aby se zmenšila střída. PWM = (t HIGH /T)*MAX NAPĚTÍ.. t HIGH = čas kdy je signál v HIGH úrovni, T = perioda Zkrácením doby HIGH (změna šířky pulsu) se sníží napětí na požadovanou úroveň. Při napájení 5 V a periodě 10 ms to bude: PWM = (2,5ms/10ms)*5V=1,25V V tomto případě doba HIGH musí být ¼ periody. 11. Co je to střída signálu? Poměr hodnoty času kdy je signál v úrovni HIGH k periodě signálu. Střída = (t HIGH /T)*100 [%] 12. Jaký je rozdíl mezi USART a SPI sběrnici? USART používá se pro full duplex komunikace mezi zařízeními SPI zajišťuje vysokorychlostní přenos mezi mikrokontolérem a periferiemi. Rozdílem USART a SPI je, že SPI využívá synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem. USART využívá pro start a konec vysílání start/stop bity. 13. Pomoci bitového posunu vlevo nastavte hodnotu 8-bit registru MYREG na 222, víte že druhý bit je označen jako BIT = = (111<<BIT2).řešení 14. Co je to MIPS a jaká je jeho závislost na frekvenci MCU. MIPS označuje Million Instruction Per Second (počet instrukcí za sekundu). V jednom taktu MCU vykoná jednu instrukci. U ATmega 1MPIS/MHz znamená, že vykoná jeden million instrukcí za vteřinu při taktu 1 MHz. Při 8 MHz je možno vykonat 8 MIPS (větší spotřeba). 15. Vyjmenujte alespoň tři parametry, které lze nastavit pomocí pojistek. Zkratky nemusíte, stačí popsat. JTAG parametr povoluje využití JTAG programátoru při debugování program EESAVE dovoluje uchovat data v EEPROM paměti i po vymazání čipu CKOUT povoluje přesměrování zdroje taktu na PORTE7 BOOTSZ1, BOOTSZ0 nastavuje velikost bůtovací sekce (ve slovech) ve Flash paměti ( )

5 3 1. Zakreslete datovou a synchronizační linku při vysláni sekvence bitů přes USART 2. K čemu slouží paritní bit? K tomu aby bylo zaručeno, že počet bitů s hodnotou 1 je buď lichý nebo sudý (přidává se na konec rámce). Zařízení komunikující mezi sebou musí mít nastavenou stejnou paritu a tím si ověří správnost přijatých dat. 3. Jakou hodnotu UBRR nastavíte pro přenosovou rychlost baud na USART (fosc=8mhz) Ubrr=( /(16*14400)) 1 = 33,72 = Jaký je rozdíl v synchronizaci USART a SPI zařízení Při USARTU nejsou zařízení mezi sebou synchronizována, využívá start/stop bity při přenosu pro indikaci začátku a konce rámce. SPI používá synchronizaci mezi přijímačem a vysílačem. Nutné přidání jednoho spoje pro hodinový signál. 5. Z předloženeho diagramu rozloženi pinů MCU, najděte piny jejichž alternativni funkce je USART.

6 6. Z předloženeho diagramu rozloženi pinů MCU, najděte piny jejichž alternativni funkce je SPI. 7. Popište čtyři piny SPI rozhrani a jejich funkci MOSI datová linka od vysílače k přijímači MISO datová linka od příjemce k vysílači SCK synchronizační linka, přenáší hodinový signál od vysílače k přijímači SS volba fce Master/Slave se provádí přivedením napětí na tento pin HIGH 1 nebo LOW Popište hlavní charakteristiky I2C sběrnice. Vyvinuto firmou Philips pro připojení externích periferií, digitálních senzorů, expandéru portů Režim přenosu Rx/Tx, Master/Slave 7-bit nastavitelné adresování zařízení Možnost připojit až 128 zařízení Frekvence hodinového signálu až 400 khz Standardní rychlost okolo 100 kbps, ve Fast módu rychlost až 400 kbps, při Highspeed módu lze dosáhnout až 3,4 Mbps Délka sběrnice závisí na kmitočtu, řádově jednotky metrů I2C sběrnice se skládá z linky SDA (Serial Data) přenášející data a SCL (Serial Clock) přenášející hodinový signál. Obě linky musejí byt připojeny přes pull-up odpory, tj. odpory, které jsou připojeny ke kladnému zdroji napěti. 9. Popište princip adresování I2C zařízení. I2C nemá speciální adresovou linku a místo toho posílá adresy společně s daty po datové sběrnici. Konkrétní protokol pro přenos dat je závislý na použitém MCU. Adresa přijímacího zařízení je vyslána před samotnými daty a její velikost je 9 bitů (start bit+7 bitů samotná adresa+r/w bit). Zařízení čeká na SDA lince na svoji adresu, pokud zjistí, že jsou pro něj data, musí potvrdit příjem vysílači. 10. Co je to kvitovací bit a jakou má funkci. Protože počet bitů mezi START/STOP párem není u I2C nijak omezen, slouží kvitovací bit pro rozpoznání rámce. Na konec každého bajtu je vložen na linku SDA jeden bit ACK (kvitovací bit) Popište princip čítače s přetečením Základní princip tohoto měření času je založen na vyvolání přerušení v případě, že obsah časového registru odpovídá jeho maximální kapacitě, registr přeteče a je vyvoláno přerušení. Poté začne registr čítat impulsy od nuly. Rychlost za jak dlouho je registr naplněn definuje uživatel podle potřeby. Při taktu 8 MHz, 8 bit časový registr inkrementuje svoji hodnotu každých 125 ns (naplnění registru za 32 µs).

7 2. Popište výpočet parametrů pro nastavení časovače s přetečením pro generování intervalu 1 s, pokud je frekvence oscilátoru 8 MHz. Jeden impuls: t imp =1/(8*10 6 )=125 ns Registr bude naplněn za: t overflow =256*125 ns=32 µs Času 1s odpovídá počet přerušení: t=1s/32µs= Vypočtěte nepřesnost, se kterou bude časovač s přetečením generovat čas 1 s, pokud je frekvence oscilátoru 1 MHz. Jeden impuls: t imp =1/(1*10 6 )=1 µs Registr bude naplněn za: t overflow =256* 1 µs = 256 µs Času 1s odpovídá počet přerušení: t=1s/256µs=3906,25 zaokrouhleno na 3906 Po zpětném přepočtu 3906*256µs = 999,936 ms -> rozdíl od 1s je tedy 64 µs 4. Popište princip čítače s porovnáním Využívá komparátor. Volně běžící čítač v každém cyklu kontroluje vlastní hodnotu uloženou ve speciálním registru a v případě shody vyvolá přerušení. Na které program reaguje např. vyvoláním přerušení, změnou hodnoty pinu, atd. Při shodě se hodnota čítače nuluje a čítač se plní od začátku. 5. Popište výpočet parametrů pro nastavení časovače s porovnáním pro generování intervalu 100 ms, pokud je frekvence oscilátoru 1 MHz. 1MHz/1024=976,56, 1/976,56=1,024ms (1 dílek), 98*1,024ms=100,352 ms t = 100 ms 6. Popište princip pulsně šířkové modulace. Mikrokontrolér dokáže generovat HIGH a LOW úrovně. PWM dokáže modulovat střídu výstupního napětí, kterou lze definovat jako procento času, kdy je signál v hodnotě HIGH v poměru celé periody. PWM = (t HIGH /T)*100 Úpravou doby trvání stavu HIGH lze ovlivnit velikost výstupního napětí. 7. Co je to střída a jak se vypočítá. Poměr hodnoty času kdy je signál v úrovni HIGH k periodě signálu. Střída = (t HIGH /T)* Jaké jsou možnosti snížení frekvence vnitřního oscilátoru pro časovače. Uveďte hodnoty. Snížit frekvenci vnitřního oscilátoru lze nastavením pojistky DIV8 (8 MHz nebo 1 MHz). Předděličkou hodnoty se nastavují v určeném registru Při frekvenci clk I/O = 8 MHz nebo clk I/O = 1 MHz lze tedy pomocí předděličky generovat signál s frekvencemi 1 MHz, 125 khz, 31,25 khz, 7,8 khz případně 125 khz, 15,6 khz, 3,9 khz, 0,97 khz.

8 9. Co je to přerušení a jak je v ATmega1281 obsluhováno. Přerušení je reakce programu na vnější událost, např. změna příznaku v registru 0CF0A. Přerušení může být vyvoláno z kteréhokoliv místa v programu a po ukončení jeho obsluhy se vrací vykonávání instrukcí do stejného místa. ATmega1281 má 57 různých vektorů přerušení. Přerušení je potřeba povolit, toto lze provést nastavením příznaku I (Global Interrupt Enable) nebo zavoláním funkce sei(). Přerušení jsou obsloužena funkcí, která se označuje ISR, každé přerušení má svoje ISR Popište princip měřeni teploty pomoci termistoru Termistor je absolutním tepelným senzorem (měří veličinu vzhledem k určité absolutní referenční hodnotě). Pro měření teploty se používají NTC (Negative Temperature Coefficient) termistory, které se označují také jako negistory jejich elektrický odpor klesá se vzrůstající teplotou. Závislost mezi odporem a teplotou je nelineární funkce. Pokud klesá hodnota odporu termistoru je měřena vyšší teplota. 2. Popište procesy převodu analogového signálu na digitální Vzorkování proces zjišťování úrovně přiváděného analogového signálu v pravidelných intervalech. Vzorkovací frekvence musí být min. dvakrát větší, než je frekvence vzorkovaného signálu. Kvantování signál navzorkovaný v určitém čase je reprezentován určitou N-bitovou hodnotou. Počet bitů pro reprezentaci je závislý na vybavení mikrokontroléru. Pokud je A/D převodník 10 bit pak je počet hodnot 2 10 = Přiřazení navzorkovaného signálu konkrétní (nejbližší) hodnotě se nazývá proces kvantování. Kódování Každá kvantizační úroveň je vyjádřena v binární podobě. Signál je vyjádřen posloupností 10-bit hodnot. 3. Co je to rozlišovací schopnost převodníku. Rozlišovací schopnost D/A převodníku je dána počtem možných hodnot výstupního napětí. Ty závisí na počtu bitů vstupního datového slova. Pro jeho výpočet rozsah výstupního napětí vydělíme číslem 2 n, kde n je počet bitů vstupního slova. (Př. Na výstupu 8bitového D/A převodníku s výstupním napětím v rozsahu 0 až +5 V můžeme mít hodnoty výstupního napětí 0; 0, ; 0, až 5 V. Získáme tak hodnotu kvantizačního kroku, tím i rozlišovací schopnost D/A převodníku (19,53125 mv). 4. Vypočtěte maximální chybu 12-bit převodníku pracující s referenčním napětím 0-3V. 3V/(2 12 ) = 732,42 µv rozlišovací schopnost Kvantizační chyba bude v tomto případě polovinou kvantizačního kroku 366,21 µv.

9 5. Vypočtěte jaká přenosová rychlost sběrnice je potřeba pro zaslání hodnot vzorkovaných 10-bit převodníkem s frekvencí 1 MHz. 1 MHz*10 = 10 Mb/s 6. Popište princip převodníku s postupnou aproximací. Na jeden vstup komparátoru je přiveden vstupní měřený analogový signál a na druhý vstup je přiveden signál s napěťovou úrovní ½ U HIGH. U 10-bit převodníku je hodnota vyjádřena DA konvertor nastaví MSB na jedna (hodnota 512). V případě rozsahu 2 10 odpovídá tato hodnota 2,5 V (při rozsahu 0-5V). Komparátor porovná obě napěťové úrovně, a pokud je signál větší než referenční, tak kontrolér vygeneruje 1 v opačném případě 0. V dalším kroku je k nastavené logické úrovni na MSB bitu přidána logická 1 na druhý bit za MSB a opět je provedeno porovnání vstupního signálu s referenčním. V případě, že je napěťová úroveň vstupního signálu větší než referenční, ponechá se na druhém místě logická 1, jinak se nastaví 0. Tímto způsobem se porovná všech 10 bitů. Po kontrole 10. bitu je vyvedena konečná posloupnoust.

10 7. Popište minimálně 3 chyby AD převodníku. Chyba nastavení nuly (Offset) Parametrem offset se vyjadřuje hodnota napětí vstupního signálu, při které se výstupní binární hodnota rovná nule. V případě, že binární hodnotě odpovídá nenulové napětí, je hodnota napětí označována jako chyba offsetu. Chyba zisku popisuje napěťový rozdíl posledního AD převodu od ideální charakteristiky. Integrální nelinearita v AD převodníku vyjadřuje maximální zaznamenaný rozdíl aktuálního a ideálního průběhu převodu. 8. V jakých režimech AD převodník pracuje, stručně vysvětlete. Single Conversion je potřeba nastavit AD kanál před samotným spuštěním převodníku. Jakmile je převod dokončen, je možnost AD kanál změnit. Průběžný režim lze nastavovat nový kanál v bloku ošetření přerušení ISR, výsledky následujícího převodu budou ještě ze starého kanálu, jelikož převod neustále běží. Ovšem následující převod už bude reflektovat hodnoty na novém AD kanále Co je to izotropická anténa? Všesměrová anténa, která v ideálním případě vyzařuje ve všech směrech stejnou výkonovou úrovní. 2. Definujte zisk antény a uveďte jednotku. Většinou se uvádí pro směrové antény a udává kolikrát vyšší výkon v nejsilnějším směru příjmu má směrová anténa oproti anténě všesměrové. Jednotkou je dbi (i=isotropic).

11 3. Jak ovlivňuje frekvence signálu jeho výkonovou úroveň při jeho příjmu? Síla přijatého signálu ve vzdálenosti d je také ovlivněna použitým frekvenčním pásmem f. Síla přijatého signálu je pak určena následovně:. Ideální stav (bez odrazů, průchodu překážkami) Z toho vyplývá, že s rostoucím kmitočtem klesá síla přijatého signálu P r 4. Popište Frisovu rovnici. kde Pr [dbm] je síla signálu změřena ve vzdálenosti d od vysilače, který vyslal signál se silou Pt [dbm]. Proměnné Gr a Gt reprezentují zisk antény příjemce, respektive vysílače a parametr λ představuje vlnovou délku. Nevýhodou Frisova vzorce je, že příjemce nemusí mít dostatečné informace k odvození vzdálenosti od vysílače. K tomuto odhadu příjemci chybí informace o zisku obou antén Gr a Gt a výkon Pt s kterým byl paket vyslán. Další nevýhodou, která omezuje aplikaci Frisova vzorce pro odhad vzdálenosti je, že uvažuje pouze ideální model šíření rádiového signálu. 5. Popište logaritmický útlumový model. Používá se pro odhad vzdálenosti na základě síly přijatého signálu šířeným reálným rádiovým prostředím. Je vyjádřen vztahem: Kde je síla přijímaného signálu Pr(d) ve vzdálenosti d závislá na čtyřech vstupních parametrech: 1) na síle signálu Pr(d0) změřené v určité referenční vzdálenosti, 2) na poměru koncové a referenční vzdálenosti d/d0, 3) na útlumovém činiteli η a za 4) na jisté hodnotě nejistoty Xσ. Parametr X je náhodná proměnná s rozptylem σ. Tato proměnná v podstatě představuje předem neznámý útlum signálu vzniklý průchodem překážek, odrazem, difrakci či ohybem. 6. Uveďte minimálně 4 způsoby, jakými se signál může šířit v bezdrátovém prostředí. Odrazem, přímo, přes překážku, rozptylem 7. K čemu slouží útlumová konstanta materiálu a jakou má jednotku? Každý materiál je definován touto konstantou α [db/m], která definuje jaká výkonová úroveň je materiálem pohlcena na jednom metru délky. Velikost konstanty je závislá na okolní teplotě a frekvenci přenosu. 8. Určete délku čtvrtvlnného monopolu určeného pro frekvenci 860 MHz. l ant = C/4f = 3x10 8 *(4*860MHz) = 8,7cm

12 9. Nakreslete vyzařovaci charakteristiku čtvrtvlnného monopolu. 10. Na jakých frekvencích může komunikovat IEEE zařízení v USA? Na frekvenci 915 MHz. A 2,4 GHz. 11. Popište problém koexistence WiFi a WPAN sítí pomocí zakreslených kanálů. Pro Evropu byly doporučeny nepřekrývající se kanály 1, 7, 13. Při detailnějším pohledu na rozložení kanálů lze zjistit, že jediné volné WPAN kanály, které by se neměli překrývat s WiFi jsou kanály 15, 16, 21, 22. Proto je doporučeno v Evropě využívat nejvíce pravě tyto čtyři kanály.

13 12. Vysvětlete princip určeni volného kanálu. Bezdrátové zařízení před samotným vysíláním přejde do režimu příjmu a určí sílu signálu na kanále. Tento proces se označuje jako Energy Detection (ED). Účelem procesu detekce síly signálu není určit typ signálu, ale pouze detekovat jeho výkonovou úroveň. Detekce sily signálu se využívá pro určení, zdali je uvažovaný kanál volný pro komunikaci či nikoliv. 13. Popište formát rámce fyzické vrstvy IEEE Maximální velikost rámce na fyzické vrstvě je definována jako 6 B pro synchronizační a fyzickou hlavičku a maximálně 127 B pro datové pole. Synchronizační hlavička SHR (Synchronization Header) o velikosti 4 B obsahuje samé nuly, za kterými následuje 1 B oddělovač rámce označovány jako SFD (Start of Frame Delimeter). SFD obsahuje konstantu 0xA7. Při příjmu přijímač na základě detekce této hodnoty ví, kde začíná samotná hlavička rámce a užitečná data. Hodnota RSSI se vypočítává po načtení pole SFD. Hlavička PHR (PHY Header) obsahuje informaci o velikosti rámce, která je uložena v prvních sedmi LSB bitech. Poslední bit (MSB) použitý není, k vyjádření velikosti rámce stačí maximální hodnota 127. Velikost rámce na linkové vrstvě je dána velikostí datové časti na fyzické vrstvě a činí tedy 127 B Vyjmenujte funkce poskytované linkovou vrstvou definovanou dle IEEE Linková vrstva označována jako MAC vrstva (Medium Access Control) je zodpovědná za následující úkoly: Definice typu zařízení RFD/FFD (Reduced/Fully Function Device) Adresování zařízení Definice topologie hvězda a peer-to-peer Generování Beacon rámců v případě, že je zařízení koordinátor sítě Synchronizace zařízení podle hodnot v Beacon rámci Vyhrazování časových intervalů pro komunikaci - GTS (Guarantee Time Slots) Vkládání mezirámcových intervalů Vykonávání algoritmu CSMA/CA pro přístup na bezdrátové médium Asociování zařízení se sítí a jejich odpojování

14 2. Jaký je úkol koordinátora sítě PAN-C. Koordinátor sítě je označován zkratkou PAN-C (Personal Area Network-Coordinator). Koordinátor je schopný přesměrovávat data od koncového prvku směrem k jiným prvkům v síti. Pokud je koordinátor zároveň primárním koordinátorem sítě s adresou 0x00, je označován jako koordinátor sítě PAN-C. Koordinátor sítě řídí celou bezdrátovou síť a většinou funguje i jako brána do jiných WPAN sítí. Každá síť má pouze jeden uzel vystupující jako PAN-C. Koordinátor sítě inicializuje vytvoření sítě a organizuje ji. Vysílá synchronizační rámce tzv. Beacon rámce. 3. Popište princip využívání superrámce, nakreslete jeho strukturu. Interval zasílání Beacon rámců definuje dobu trvání jednoho Superrámce (Superframe). Superrámec je tedy časový okamžik, který je ohraničen dvěma Beacon rámci. Superámec definuje celkem tři časové intervaly: CAP (Contention Access Period): Po tuto dobu zařízení mohou vysílat. (Metoda CSMA/CA) CFP (Contention free Period): V CFP intervalu se nesoupeří o médium, zařízení tedy vůbec neaplikují metodu CSMA/CA. CFP interval je rozdělen do garantovaných časových slotů pro ta zařízení, která si o konkrétní vyhrazené časy přenosu zažádala. Doba CAF a CFP se označuje jako aktivní doba superrámce a je složena přesně ze 16ti časových slotů konstantní délky. Inactive Period: Po tuto dobu mají zařízení vypnutý rádiový čip a libovolně další periférie, zařízení nevysílá, je v tzv. režimu spánku. 4. K čemu slouží Beacon rámce? Zařízení v pravidelných intervalech přijímají Beacon rámce od koordinátora. V Beacon rámci

15 jsou přenášeny hodnoty, pomocí kterých si zařízení vypočítá, kdy končí aktivní doba a má tak přejít do režimu spánku a kdy naopak se má aktivovat a přijmout další Beacon rámec. Interval mezi dvěma Beacon rámci BI (Beacon Interval) je definován parametrem BO (Beacon Order) a doba trvání aktivní doby superrámce SD (Superframe Duration) je určena parametrem SO. 5. Popište model přenosu dat od koordinátora k zařízení. C) Koordinátor pošle Beacon rámec s příznakem, že má data k dispozici, koncové zařízení pošle data request, aby oznámilo, že je schopné data přijmout, následuje povinné potvrzení a přenos dat. D) Koncové zařízení se táže koordinátora, jestli pro něj nemá data, pokud má, zašle mu potvrzení a následující data. 6.K čemu slouží mezirámcové intervaly v přenosu? Za každým datovým přenosem jsou dle definice standardu IEEE vloženy tzv. mezirámcové intervaly, z důvodu zohlednění prodlev způsobených fyzickou vrstvou. Po dobu trvání těchto mezirámcových intervalů není možné zahájit další komunikaci. Délka

16 mezirámcového intervalu je dána velikostí přenášeného rámce. Pokud je velikost datové části rámce MPDU větší než 18 bajtů, vkládají se dlouhé mezirámcové intervaly tzv. LIFS (Long Inter Frame Spacing ) jinak se vkládají krátké mezirámcové intervaly tzv. SIFS (Short IFS). 7.Popište zarovnanou metodu CSMA-CA? Zarovnaná metoda CSMA-CA (Slotted CSMA-CA) se používá v synchronizované síti. Pojmem zarovnaná metoda je míněno, že metoda CSMA-CA je inicializována až v jednom ze 16ti časových slotů aktivní doby superrámce. Tato doba je označována jako back-off perioda. Pokud je použita zarovnaná metoda zařízení inicializuje proměnné NB,BE,CW. NB (Number of Back-off periods): Počet back-off period, po které za zařízení nepodařilo přistoupit na kanál. Na začátku NB nastaveno na 0 a zvětšuje s počtem neúspěšných přístupů na kanál. Exponent BE (Back-off) určuje dobu, po kterou zařízení čeká před dalším nasloucháním na kanálu. Pokaždé, když zařízení vyhodnotí obsazený kanál, počká náhodně dlouhou dobu, která je určena právě pomocí exponentu BE. (2 BE 1 ). CW (Contention Window) : Určuje, kolikrát musí zařízení vyhodnotit volný kanál, než na něj přistoupí. Ve výchozím stavu je CW = 2. Pokud je v synchronizované síti povolena funkce úspory energie, tzv. BLE (Battery Life Extension), koordinátor jakmile zašle Beacon rámce po určitou dobu vypne přijímač, aby ušetřil energii. Z tohoto důvodu je nastaven exponent BE v rozsahu BE = min(2,macminbe). Výchozí hodnota dle standardu je macminbe = U zarovnané metody se čeká na dobu, která odpovídá back off periodě. 5. Zařízení dále před samotným detekováním kanálu čeká náhodně dlouhou dobu, která je určena pomocí exponentu BE (t =< 0; 2BE 1 >.), vysvětleno již výše. 6. Z linkové vrstvy je na fyzickou vyslán požadavek o detekci energie na kanále pomocí jedné z metod CCA. U nezarovnané metody je požadavek vyslán kdykoliv, u zarovanané se čeká na hranici backoff periody. 7. Pokud je kanál volný, okamžitě je přenos realizován. U zarovnané metody, při detekci

17 volného kanálu, je hodnota CW snížena o 1 a pokud je CW = 0 je přenos proveden. Pokud CW = 1 je opět provedena detekce kanálu. 8. V případě že je kanál obsazen, hodnoty NB a BE jsou inkrementovány (NB a BE však můžou nabývat pouze určité maximální hodnoty definované standardem). Inkrementace hodnoty BE znamená možné navýšení doby náhodného intrevalu před detekcí energie na kanále. U zarovnané metody je parametru CW přiřazena počáteční hodnota Pokud při dalších pokusech hodnota NB přesáhne povolené maximum, pokus o přístup na kanál je ukončen a data přenesena nejsou. Maximální počet pokusů, která je standardem IEEE doporučen je macmaxcsmabackoffs = Zakreslete obecnou strukturu MAC rámce? Rámec na linkové vrstvě je uložen v rámci na fyzické vrstvě v poli PPDU (datová část PHY rámce), které může nabývat maximální velikosti 127 bajtů. Z tohoto důvodu je maximální velikost MAC rámce 127 bajtů. Zapouzdření rámce na jednotlivých vrstvách je znázorněno na obrázku: MHR MAC Header, MFR MAC Footer

18 9.K čemu slouží pole FCS a jak se vypočítá jeho hodnota? Posledním polem MAC rámec kontrola rámce tzv. FCS (Frame Control Sequence). Jedná se o 16- bit hodnotu, vypočtenou z obsahu rámce pomocí algoritmu CRC (Cyclic RedundancyCheck). Výpočet hodnoty v poli FCS je realizován následovně. Všechny bitové hodnoty MAC rámce jsou použity jako koeficienty polynomu. Tento polynom je podělen dalším polynomem, který je stejný pro obě strany. Vysílač provede tento podíl a zbytek po dělení dvou polynomů je vložen na konec rámce jako pole FCS. Přijímač provede stejnou operaci dělení dvou polynomů a pokud je zbytek po dělení shodný s hodnotou uloženou v poli FCS, přijatý rámec neobsahuje chyby, tj. hodnoty bitů v jednotlivých polích nebyly změněny. V opačném případě je paket zahozen. 10. Jak lze snížit velikost MAC hlavičky? Velikost adresní části MAC rámce tedy závisí na použitém adresování. Velikost jednoho adresního pole tak může nabývat 0 bajtů (žádná adresa), 2 bajty (16-bit adresa) nebo 6 bajtů (64-bit adresa). Využitím PAN ID Compression uvedeno v FC. 11. Jak funguje identifikace ACK rámce, když nemá adresní pole? ACK rámec neobsahuje adresní pole, aby nezvětšovala jeho velikost, z důvodu velmi častého posílání ACK rámců. Identifikace správného ACK rámce je založena na sekvenčním čísle, kdy

19 sekvenční číslo ACK rámce odpovídá sekvenčnímu číslu potvrzovaného rámce. BONUS: Doba přístupu na médium: Pokud uvažujeme, že se začne vysílat při prvním pokusu o přístup na médium, lze vypočítat celkovou dobu pro přístup na kanál jako: InitiallBackoffPeriod + CCA = (2 BE=3 1) aunitbackoffperiod + CCA = μs μs = ms Exponent BE je na počátku nastaven na své minimum macminbe = 3, Doba jednoho backoff intervalu odpovídá době zpracování 20ti symbolů (16μs/symbol 20 = 320 μs) a pro CCA metodu je vyhrazena doba zpracování 8 symbolů (8*16=128 μs). maximální velikost datové části MSDU stanovena na 102 B, Při použití zkrácených 16-ti bitových adres je zvětšena na 114 B. Doba přenosu rámce a přenosová rychlost: k rámci MPDU přidány pole SHR (Start of Header) a pole PHR udávající délku rámce, 250x10 3 je přenosová rychlost.

20 8 1. Popište princip nalezeni cesty od zdroje k cili pomoci protokolu AODV. AODV protokol pro směrování v mesh sítích. Přenosová cesta bývá vytvářena na vyžádání a nemusí být symetrická, tzn. že cesta tam může vést jinudy než cesta zpět. Za směrování v Zigbee jsou zodpovědní: koordinátor (údržba cest) a směrovač. Pokud je do paketu žádosti sestaveni cesty vložena adresa cílového zařízeni, jedna se o unicastové směrováni. Pokud ovšem adresa cílového zařízení chybí, zařízeni v síti považují adresu vysílajícího zařízení za sběrné místo a požadavek o sestavení cesty se posíla všem zařízením. Jsou tak sestaveny cesty od jednoho uzlu nazývaného jako sink ke všem uzlům v síti. Princip sestaveni cesty je detailně znázorněn na obrázku. Zařízení 9 chce vysílat na zařízení 8. Uzel 9 iniciuje vytvořeni přenosové cesty vysláním broadcast zprávy route request s parametrem radius=1. Všechna sousední zařízeni po přijmutí požadavku si do dočasné směrovací tabulky uloží identifikátor požadavku, adresu zařízeni, které iniciovalo požadavek (Source) a adresu uzlu, od kterého jako poslední požadavek přišel (Sender) a hlavně také cenu dosavadní cesty (FWCost). Pokud zařízení 1,2 nemají informaci o cestě k cílovému uzlu, je broadcast zpráva šířena dál. Také je kopie zprávy zaslána na 9 jako potvrzení,

21 že sousední zařízení požadavek přijaly. Tento proces je pak opakován v celé síti při broadcast komunikaci (PA-Passive ACK). Uzly 3,4 si také aktualizují svoje dočasné tabulky podle ceny spojů a vysílacích zařízení. Obr.c zařízení 6 přijalo požadavek o sestavení cesty s adresou 8. Jelikož má adresu 8 uloženu v tabulce sousedů může zaslat zprávu route reply, zpět vytvořenou cestou. Čeká však náhodnou dobu a v této době mu přijde stejný požadavek od jiného uzlu. 6 zkontroluje cenu cesty a porovná ji s uloženou hodnotou. Jelikož je cena cesty menší využije druhý záznam a odesílá zprávu route reply k 9. Díky zprávě route reply ví každé zařízení, že je uzlem na vytvořené cestě. Jakmile je optimální cesta stanovena, začne po ní 9 odesílat data. 2. Jak se urči cena spoje a cena cesty? Délka cesty L označuje počet uzlů mezi odesílatelem a příjemcem (včetně jich obou). Cesta L je tvořena spoji l 1, l 2, l 3... Optimální cesta mezi dvěma uzly je stanovena na základě kvality spojů, počtu skoků a energetické náročnosti. Pro směrovací proces je rozhodují tzv. cena spoje. Čím je cena spoje vyšší, tím je menší pravděpodobnost přijmu paketu. Cena spoje l 1 je označována jako C l1 (nikdy vyšší než 7). Určí se (pravděpodobnost přijetí 75 %): Cena cesty C(cesty)= C l1 +C l2 +C l3 +C l4 3. Popište princip směrování ve stromové struktuře. Jestliže nejsou přiděleny adresy manuálně, Zigbee koordinátor alokokuje adresy pomocí DDAA. Každý koordinátor má vyčleněn adresní rozsah, z kterého může přidělovat adresy. Koordinátor definuje max. počet uzlů, které může každý koordinátor (router) spravovat. Algoritmus přiřazení adres se určuje na základě fce Cskip(d), která se určuje pro každou hloubku sítě. Adresace směrovačů: Např. adresa směrovače B je rovna 1+(Cskip=40)=41 a adresa směrovače C je rovna 41+(Cskip=40)=81. Pokud je hodnota funkce C skip rovna 0, znamená to, že zařízení nemůže přijmout žádné jiné potomky a může vystupovat pouze jako koncové zařízení.

22 Adresace koncových zařízení: Při hloubce uzlu d=1, je pak adresa zařízení F rovna: addrf=41+(4x3)+1=54. Adresa zařízení T je rovna addrt=47+(0x3)+1=48. Následující zařízení U, které je připojeno také k O, bude mít adresu vyšší o 1, addru=47+(0x3)+2=49. Využití adres ke směrování dat: Funkce Cskip a hodnoty adres jsou v topologii stromu využity při směrování dat. Směrovač, který zprávu přijal, nejdříve zkontroluje, zdali je správným kořenem v cestě paketu. Ověření správnosti cesty je založeno na splnění následující nerovnice: Pokud je cílové zařízení přímým potomkem, směrovač jednoduše přepošle daný paket koncovému zařízení. Pokud cílové zařízení není přímým potomkem, směrovač vypočítá adresu uzlu pro následující skok dle rovnice:

23 4. Ktere parametry jsou potřeba znat pro vypočet cesty ve stromove struktuře Parametry jsou v předchozí otázce 5. Popište princip broadcastove komunikace a jeji potvrzovani. Při broadcast komunikace je adresa cílového uzlu definována jako 0xffff. Po přijmutí paketu si ho uzel na chvíli uloží a po náhodné době (broadcast jitter) ho vyšle do sítě (aby všichni nevysílali najednou->kolize). Broadcast komunikace se z důvodu možného zahlcení sítě nepotvrzuje. Zigbee definuje pasivní potvrzování, kdy uzel po odeslání paketu okamžitě přechází do stavu příjmu a čeká, jestli mu dojde paket se sekvenčním číslem, které odeslal. Pokud ano paket byl úspěšně odeslán. Koordinátor udržuje záznamy o vyslaných paketech. 6. Popište format NWK ramce. Radius: maximální počet přenosů rámce (stejné jako TTL) Sequence number: začíná náhodnou hodnotou a při novém vygenerování je inkrementováno Frame type: určuje, zdali je rámec datový nebo řídící Protokol: verze 2003/2004/2007 Discover route: 1=zařízení bude přeposílat požadavek route request, i když má již v tabulce záznam o cestě k cílovému zařízení. Pokud 0=zahodí rámec. 3=zařízení požadavek přepošle pouze v případě, že ještě nemá ve směrovací tabulce záznam o cestě. 4=požadavek bude vyslán v každém případě. Multicast=1: data budou přenášena multicastem Security=1: data budou zabezpečena proti odposlechu Source route=1: zdroj dat určuje cestu, kterou budou data směrována Destination/Source IEEE address=1: pokud má být ke směrování použita 64 bit adresa IEEE 7. Jaké adresy definuje Zigbee protokol na jednotlivých vrstvách? PAN ID: 16-bit adresa PAN sítě MAC Addr: rozšířená 64-bit adresa na MAC vrstvě

24 NWK Addr: 16-bit adresa na NWK vrstvě Endpoint: 8-bit identifikátor aplikace na APS vrstvě Profile ID: 16-bit identifikátor aplikačního profilu Cluster: 16-bit hodnota clusteru 8. Popište parametry struktury Device Descriptions. Každý aplikační profil se skládá z: Cluster a Device description Device description popisuje konfiguraci zařízení a má tuto strukturu: Role zařízení (koordinátor, směrovač, koncové zařízení) Pracovní frekvence zařízení Zbývající kapacita akumulátoru aj. Každá struktura má 16-bit vlastní číslo a obsahuje 5 bloků: Node Descriptor role zařízení a kód výrobce Node Power Descriptor info o přítomnosti bateriového napájení a zbývající kapacitě, Simple Descriptor: číslo aplikačního profilu a clusteru Complex Descriptor: volitelná položka, sériové číslo a název zařízení User Descriptor: volitelné doplňkové informace uživatele 9. Jaké informace o sobě zařízeni oznamuje ve zprávě End Device Announce? Informace obsažené ve zprávě (konkrétně v části Capability) struktury Node Descriptor: Logical Type: role uzlu Complex/User Descriptor Available: zdali je nebo není přítomen popis Frequency band: info o přenosovém frekvenčním kanále Maximum Transfer Size: max. velikost paketu v bajtech MAC Capacity Flags: definuje, kolik informací bude uzel po připojení do sítě oznamovat okolním Zprávou End Device Announce oznamuje zařízení zdali: - může pracovat v režimu PAN Coordinator - se jedná o RFD nebo FFD zařízení - je napájeno z rozvodné sítě nebo baterií (jestli má zapnutý přijímač v době nečinnosti) - může přijímat a odesílat zašifrované rámce - chce získat novou adresu potom, co se připojí do sítě 10. Popište princip párováni zařízení v Zigbee síti a zdůvodněte použití adres Endpoint a Cluster. Pole Endpoint definuje koncovou adresu aplikace, která slouží pro párování jednotlivých aplikací mezi sebou. Pojem párování představuje proces logického spojení uzlů, jejichž aplikace patří do stejného clusteru. Dvě zařízení a jejich aplikace mohou být spárována, pokud mají stejné číslo clusteru a zároveň má jedno zařízení cluster výstupní a druhé vstupní. Párování lze realizovat manuálně pomocí výstupních ovládacích prvků (např. tlačítko->

25 End_Device_Bind_req). Párovací tabulku udržuje Zigbee Coordinator. Prvek (světlo, vypínač) může patřit do více clusterů. Princip využití clusterů: 11. Nakreslete strukturu rámce na aplikační vrstvě a popište jednotlivá pole.

26 Destination Endpoint/Group Address: tato pole se nevyskytují zároveň Pokud je nastaveno pole Group Address, tak je rámec doručen všem s Endpoint adresami patřícími do stejné skupiny. Cluster Identifier: číslo clusteru, které má být použito pro spárování dvou zařízení APS Counter: je použito pro identifikaci duplicitních rámců Frame control: typ dámce data, příkaz, ACK Delivery Mode: unicast, multicast, broadcast nebo nepřímé adresování Indirect Address Mode: v něm je uloženo, která z adres je v rámci vynechána (zdrojová/cílová) Pokud je hodnota nastavena na 1, je rámec určen koordinátorovi a cílová Endpoint adresa je vynechána. Pokud je nastavena 0, tak jde o rámec zasílaný koordinátorem a vynechá se adresa zdroje. 12. Jak Zigbee řeši zabezpečeni dat proti odposlechu? Zigbee protokol využívá pro šifrování dat 128-bit AES, princip symetrické kryptografie=jeden tajný klíč. Jsou používány dva druhy klíčů: linkový pro unicast přenosy a síťový pro broadcast. Klíče mohou být předdefinovány nebo přijaty od Trust Center (např. koordinátor) 13. Jak Zigbee řeši autentizaci dat? Z důvodu autentizace je přidáno k datům pole MIC (Message Integrity Code). Hodnota MIC je generována algoritmem známým oběma stranám. Čím má MIC více bitů, tím je hodnota autentizace spolehlivější. MIC kód je generován protokolem CCM (Counter Block Chaining Message Authentication Code), který používá pro vytvoření stejný klíč jako AES algoritmus. Na obrázku je hodnota nonce a ta zaručuje aktuálnost dat (ochrana proti útočníkům). Hodnota nonce není nikdy stejná pro dva různé rámce.

27 9 1. Porovnejte protokol WirelessHART s protokolem Zigbee. WirelessHART: - pro průmyslovou automatizaci a rádio náročnější prostředí - využívá bezdrátovou sběrnici protokolu HART - označován jako jednoduchý a přitom velmi spolehlivý zabezpečený protokol - maximální přenosová rychlost na fyzické vrstvě 250 Kbps a použitá modulace O-QPSK - pro komunikaci využívá model Master/Slave zařízení odesílají data jen na vyžádání Mastera - pracuje v pásmu 2,4 GHz a využívá rozprostření spektra DSSS, včetně implementace kmitočtového skákání - používá na linkové vrstvě metodu TDMA snížení kolizí. Nastavitelná velikost superrámce, udržování seznamu zarušených kanálů, zprávy typu Data, Command, Normal, Alarm, - silně modifikuje MAC vrstvu, ale zůstává kompatibilní s IEEE na aplikační vrstvě definuje Smart Data Publishing model (jak budou data přenášena) - implementuje algoritmus AES-128bit (u PSDU tři druhy klíčů: Join, Network, Session) - více druhů síťových uzlů: WFD (Field Device), Access point, Gateway, Network Manager,. Zigbee: - využívá také metodu DSSS, ale neimplementuje dynamickou změnu kanálu - využívá QPSK a max. přenosovou rychlost 250 kbps - klasické výkony se pohybují okolo 10 dbm - na linkové vrstvě používá metodu CSMA/CA - síťové uzly: Koordinátor, směrovač, koncové zařízení 2. Porovnejte protokol ISA s protokolem Zigbee. ISA : - podvýbor ISA je složen z 250 firem - stejně jako WirelessHART definuje TDMA, alternativně i metodu CSMA/CA - přidělování frekvenčních kanálů je řízeno zařízením, které je definováno jako správce sítě - stejně jako u Zigbee jsou uzly děleny na Routing device a Non-routing device - pro šifrování algoritmus AES 128bit - směrování využívá protokol 6lowPAN, pro adresování používá 6 lowpan protokol proto lze komunikovat se zařízením využívajícím IPv6 protokol - pro přenos dat a identifikaci se používá UDP

28 10 1. Popište metriku AEP pro určení lokalizační chyby celého systému. Často používaná metrika pro ohodnocení lokalizované sítě pomocí kotevních logaritmů. Pro každý uzel i v síti je počítán vektor ɛ pi, na jehož jednom konci je reálná pozice p i a na druhém konci odhadnutá pozice p i^. Průměrná velikost tohoto vektoru v síti pak určuje velikost parametru AEP. Hodnota AEP se vztahuje k rádiovému dosahu jednotek. Pokud je průměrná chybovost v síti 2 metry a rádiový dosah komunikačních jednotek je 40 metrů, pak AEP=5[%R] 2. Popište rozdělení lokalizačních algoritmů. Lokalizační algoritmy slouží pro automatizované určení polohy celé senzorové sítě. Základním principem většiny lokalizačních algoritmů je určení vzdálenosti k zařízením, které znají svoji polohu. Algoritmus s měřením vzdálenosti využívá měření vzdálenosti mezi dvěma zařízeními. Algoritmus bez měření vzdálenosti opačná metoda od předešlé (u těchto metod se pro měření využívá počet skoků) Kotevní pokud je v síti skupina komunikačních zařízení, které mají předdefinovanou polohu Bezkotevní opačný případ od předešlé metody Klíčové polohu lze určit i bez znalosti polohy kotevních zařízení. Kotvy, které nemusejí znát svoji polohu, vysílají s různým výkonem a na různých frekvencích. Před samotnou lokalizací je zapotřebí provést měření v prostoru a vytvořit databázi s informacemi o místě, frekvenci a síle

29 signálu. Lokalizace pak probíhá na základě porovnání klíče (frekvence a síla signálu) s informacemi v databázi. Inkrementální uzly nekomunikují přes celé senzorové pole s kotevními uzly, ale čekají, až minimálně tři z jejich sousedů budou znát svoji polohu a teprve poté provádějí lokalizaci. Jakmile uzel vypočte svoji polohu, stává se kotevním uzlem a ostatní uzly ho mohou využít k výpočtu vlastní pozice. Lokalizační mapa tak roste inkrementálně. Paralelní všechny uzly využívají multihop komunikaci a provádějí tak výpočet pozice najednou. 3. Popište metody odhadu vzdálenosti v bezdrátových sítích. Odhad vzdálenosti pomocí RSSI pro určení vzdálenosti nelze spoléhat pouze na jeden rádiový přenos, ze kterého se bude určovat vzdálenost mezi dvěma jednotkami (z důvodu rušení). V praxi si zařízení mezi sebou vymění určitý počet zpráv, ze kterých je následně vzdálenost určena. Určení střední hodnoty RSSI nejjednodušší metoda je určit průměr všech přijatých hodnot RSSI a z průměrné hodnoty na základě znalosti útlumového modelu odvodit vzdálenost. Určení střední hodnoty RSSI pomocí Gaussovy metody podobný princip jako u předešlé. Místo průměrování však využívá Gaussovu metodu uvažuje nejpravděpodobnější hodnoty RSSI. Při této metodě se uvažují pouze hodnoty, které mají minimálně ½ maximální hodnoty pravděpodobnosti výskytu. Určení vzdálenosti pomocí normování referenčním výkonem, DBFM metoda normování vzdálenosti pomocí Distance Between Fixed-node Model. Výhodou DBFM je, že pro odhad potřebuje pouze jednu hodnotu RSSI. Využívá principu logaritmického útlumového modelu s referenční sílou přijatého signálu P 0. Platí, že pokud známe útlumový činitel ɳ, sílu přijatého signálu P 0 ve vzdálenosti d 0, můžeme sílu přijatého signálu P r ve vzdálenosti d odvodit z logaritmického útlumového modelu: Vztah přijatého signálu může vyjádřit jako: Principu, že při znalosti útlumového činitele a parametrů d 0 a P 0 můžeme odvodit vzdálenost mezi dvěma jednotkami, využívá právě metoda DBFM. K odhadu je potřeba jednoho zařízení navíc, které bude umístěno ve známé vzdálenosti d 0 a pomocí změřené síly signálu P 0 lze odvodit vzdálenost d druhého zařízení. Metoda odhadu vzdálenosti (ToA) využívá znalosti o šíření rádiového signálu volným prostředím. Vzdálenost mezi dvěma zařízeními je úměrná době propagace rádiového signálu mezi nimi. Metoda kdy je měřena doba přenosu jedním směrem, vyžaduje precizní synchronizaci na obou stranách a proto se v sítích WSN nevyužívá. Je možné zvolit metodu, že

30 se měří RTT jen na jedné straně, ale tam je nutné znát dobu zpracování signálu v přijímajícím zařízení. 4. Popište princip metody DBFM. v předešlé otázce 5. Popište princip trilateračního algoritmu. Je základním principem pro určení pozice neznámého uzlu v souřadnicovém systému. Uzel, který používá trilaterační techniky k ručení vlastní pozice provede odhad vzdálenosti (pomcí jedné z metod) minimálně ke třem kotevním uzlům. Uzel, který chce vypočítat svoji polohu ve 2D prostoru, vyšle broadcast paket, kterým chce zjistit souřadnice všech kotev v okolí. Kotevní uzly v dosahu (uvažujme 3) odešlou souřadnice své polohy, při přijetí zprávy si uzel odhadne vzdálenosti od kotev pomocí např. RSSI, ToA. Pomocí Pythagorovy věty (vzdálenost r=velikost odvěsny) lze určit souřadnice. Pak řešíme 3 rovnice o 2 neznámých -> výsledné souřadnice [x,y]. 6. Jaké další parametry a jakým způsobem mají vliv na přesnost trilateračního algoritmu? Přesnost odhadu vzdálenosti. Počet referenčních kotev a jejich rozmístění chybovost odhadu rapidně klesá se vzrůstajícím počtem, při použití více jak 6 je chybovost téměř konstantní. Pokud jsou například kotvy v řadě, je velmi složité určit na které straně je uzel. 7. OTAZKA K ENERGETICKE SPOTŘEBĚ (viz. prezentace na elearningu): Vypočitejte energii, kterou spotřebuje bezdratovy senzor při vyslani 50B ramce. Proud při zvolenem vysilacim vykonu je 20 ma, napajeci napěti Ucc=3,2V, přenosova rychlost 120 kbps. Poznamka: žadne jine parametry k vypočtu již potřeba nejsou. t = 400/120 = 3,33s E=U*I*t = 3,2*20-3 *3,33= 213,12 mj