Bezdrátový přenos dat

Obsah Počítačové systémy Bezdrátový přenos dat Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-1/21- Západočeská univerzita v Plzni

Obsah Obsah přednášky 1 Úvod 2 IrDA 3 Bluetooth 4 ZigBee 5 Datové přenosy v síti GSM SMS HSCSD GPRS 6 WLAN (IEEE 802.11) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-2/21- Západočeská univerzita v Plzni

Úvod Charakteristika bezdrátového přenosu dat propojitelnost komponent při zachování mobility není nutná nákladná strukturovaná kabeláž velká flexibilita bezdrátových řešení možnost kombinovat se stávajícími technologiemi Možnost nasazení v průmyslu u většiny technologií kladen důraz na rychlost a ne spolehlivost v průmyslu potřeba spolehlivé, přizpůsobivé a rozšiřitelné řešení Rozdělení bezdrátových technologií dle dosahu PAN - IrDA, Bluetooth, ZigBee LAN - WiFi WAN - datové technologie v sítích GSM Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-3/21- Západočeská univerzita v Plzni

IrDA Základní charakteristika IrDA přenos dat pomocí infračerveného záření používá se LED diod s vlnovými délkami vyzařovaného světla 875 nm dosah 1m a vyžaduje přímou viditelnost přenosové rychlosti SIR (Serial Infrared) - obdobné rychlosti jako RS-232 MIR (Medium Infrared)- 0.576 Mbit/s a 1.152 Mbit/s FIR,VFIR (Fast Infrared) - 4Mb/s a 16Mb/s Komunikace přenos dat pomocí pulsů - potřeba vysílat velkým výkonem, což není možné po dlouhou dobu (pulz délky 3/16 či 1/4 doby trvání bitu) poloduplexní přenos (full-duplex simulován rychlým střídáním) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-4/21- Západočeská univerzita v Plzni

Bluetooth Charakteristika technologie topologie buňky piconet maximálně 8 jednotek v buňce právě jedna řídící jednotka (master) ostatní podřízené (slave) frekvenční pásmo 2400 2483,5 MHz (bezlicenční) rozdělené na 78 kmitočtů s odstupem 1MHz komunikace metodou přepínání frekvencí k zabránění interferencí obsazení kmitočtového kanálu na max. 0,625 ms Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-5/21- Západočeská univerzita v Plzni

Bluetooth Výhody nízká spotřeba energie malý výkon vysílačů velká odolnost proti poruchám poměrně levné a miniaturní moduly Nevýhody malá šíře pásma (tj. malá přenosová rychlost) omezená vzdálenost a omezený počet jednotek Použití v průmyslu telemetrie a sběr dat konvertory RS-232 na Bluetooth nebo přímé použití Serial port profilu převodníky Bluetooth na jiné standardní sériové průmyslové sběrnice. Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-6/21- Západočeská univerzita v Plzni

ZigBee Základní charakteristika dosah sítě 10-30(75)m frekvenční pásma používaná ZigBee použití pásmo počet kanálů rychlost globální 2,4 GHz 16 250 kb/s Amerika, Australie 915 MHz 10 40 kb/s Evropa 868 MHZ 1 20 kb/s umožňuje zaručit nízkou spotřebu zařízení přístupová metoda CSMA/CA k fyzickému médiu adresace pomocí dlouhých (64b) nebo krátkých (16b) kódů každá sít identifikována 16bitovým PAN ID použití domácí automatizace průmyslové sítě počítačové periférie Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-7/21- Západočeská univerzita v Plzni

ZigBee Typy zařízení dva druhy zařízení FFD (Full Function Device) - plná podpora standardu ZigBee RFD (Reduced Function Device) - pouze nejnutnější protokoly rozdělení zařízení dle funkce koordinátor (FFD) směrovač (FFD) koncové zařízení (FFD, RFD) Topologie hvězda - koncová zařízení připojená přímo ke koordinátorovi strom - koncová zařízení mohou být připojena přes zřízení s funkcí směrovače sít (mesh) - kombinuje hvězdu a strom a umožňuje tvorbu redundantních přenosových sítí Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-8/21- Západočeská univerzita v Plzni

Sít GSM Charakteristika sítě GSM budována na buňkovém principu frekvenční pásma - 900 MHz, 1800 MHz a 1900 MHz (Amerika) pásma rozdělena na kanály po 200 khz každý kanál rozdělen na 8 časových slotů metodou TDMA Subsystémy sít ě GSM Mobilní stanice - transceiver komunikující ze základovou stanicí (BTS) Subsystém základových stanic (BSS) - základová stanice obsluhuje buňku na vyhrazeném kanálu Sít ový subsystém (NS) - plní základní funkce sítě spojovací funkce uvnitř sítě a s externími sítěmi autentizace a autorizace účastníků funkce související s mobilitou účastníků Operační a podpůrný subsystém (OSS) - správa, sledování, konfigurace Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-9/21- Západočeská univerzita v Plzni

SMS Datové přenosy SMS (Short Message Service) Vlastnosti služby SMS funguje na principu přepojování paketů (ale přenášejí se zprávy ne pakety) mohou být dočasně uloženy na trase přenosu v SMS centru (SMSC) maximálně do doby životnosti zprávy (1-72 hodin) délka jedné zprávy max. 140 bitů (tj. 160 znaků při 7-bitovém kódování) k přenosu jsou určeny služební kanály sítě GSM Součásti zařízení využitelného pro přenos dat pomocí SMS v automatizaci terminál GSM s podporou SMS generátor zpráv reagující na vnější podněty analyzátor příchozích zpráv aktivující vnější procesy Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-10/21- Západočeská univerzita v Plzni

SMS Datové přenosy SMS Využití služby SMS v automatizaci přenos stavových informací z elektronického zabezpečovacího systému objektu, automobilu apod. přenos notifikací z informačních a komunikačních systémů (servery, aplikace, UPS atd.) dálkové monitorování dvoustavových hodnot (např. technologická sběrnice, dvoustavové snímače a spínače) dálkové monitorování analogových údajů (teplota místnosti, výška hladiny apod.) dálkové ovládání pomocí logických výstupů (topení, osvětlení, výkonová zátěž apod.) dálkové ovládání analogového výstupu (nastavení teploty, ovládání regulátorů apod.). Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-11/21- Západočeská univerzita v Plzni

HSCSD CSD/HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Základní vlastnosti CSD/HSCSD přenos dat na principu přepojování okruhů data jako souvislý datový tok okruh je pro komunikaci vyhrazen po celou dobu spojení konstantní přenosová kapacita rychlosti - umožňuje využít pouze část kapacity z 22.8 kb/s 9.6 kb/s (zbývajících 13.2 kb/s pro zajištění spolehlivosti) 14.4 kb/s (ukázalo se, že není třeba tak robustního zabezpečení) HSCSD umožňuje využít více časových slotů (podle třídy zařízení) Výhody a nevýhody nevyžaduje změnu sítě GSM stabilnější přenosové parametry spojení než GPRS (CSD má přednost) problémem mobilita (rozpadu nebo zpomalení spojení) není možné sdílení časových slotů mezi uživateli Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-12/21- Západočeská univerzita v Plzni

GPRS GPRS (General Packet Radio Service) Základní vlastnosti GPRS funguje na principu přepojování paketů nutné přebudovat GSM sít, která funguje na principu přepojování okruhů šetrné vůči zdrojům sítě - spotřebovává časové sloty jen při přenosu dat umožňuje trvalé připojení uživatele negarantuje propustnost (GPRS dostane zbylé sloty) Nutná rozšíření GSM sítě základnové stanice rozšířeny o blok PCU (Packet Control Unit) páteřní část sítě doplněna o další podpůrné uzly SGSN (Serving GPRS Support Node) GGSN (Gateway GPRS Support Node) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-13/21- Západočeská univerzita v Plzni

GPRS GPRS - Technické řešení 1/2 Funkce podpůrných uzlů SGSN (Serving GPRS Support Node) směrování datových paketů bezpečnostní funkce (autentizace, šifrování) mobility management (lokalizace, routing area update) řízení logických kanálů k mobilnímu terminálu spojení s ústřednovou částí sítě GGSN (Gateway GPRS Support Node) rozhraní s vnějšími paketovými sítěmi (IP, X.25) bezpečnostní funkce (překlad adres, firewall) komunikace s příslušnými SGSN pro správné směrování paketů GPRS třídy zařízení Class A - může být připojeno současně k GPRS i GSM službě Class B - může používat jen jednu službu, automaticky je přepíná Class C - vždy pouze jedna služba, nutné ruční přepnutí Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-14/21- Západočeská univerzita v Plzni

GPRS GPRS - Technické řešení 2/2 Přenosové rychlosti max. lze přenést 22,8kb/s v jednom slotu (data + zabezpečení) čím kvalitnější signál tím větší podíl dat mobilní stanice (MS) si sama vybírá kódování rychlost závisí na volných slotech a kolik slotů je MS obsloužit; dáno multislot třídou - např. třída 10 (4+2,5) nebo třída 12 (4+4,5) Datové rychlosti dostupných kódování Kódovací schéma Rychlost na 1 timeslot Rychlost při max. 8 slotech CS-1 9.1 kb/s 72.4 kb/s CS-2 13.4 kb/s 107.2 kb/s CS-3 16.6 kb/s 124 kb/s CS-4 21.4 kb/s 171.2 kb/s Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-15/21- Západočeská univerzita v Plzni

GPRS EGPRS (Enhanced GPRS) Změny sítě pro EGPRS narozdíl od GPRS je třeba změnit rádiovou část komunikace zavádí nový způsob kódování osmi stavová fázová modulace (možno přenést 3 bity informace při jediné změně signálu) přidává dalších devět kódovacích schémat s původní dvou stavovou modulací schéma MCS-1 MCS-2 MCS-3 MCS-4 rychlost [kb/s] 8.8 11.2 14.8 17.6 s osmi stavovou modulací schéma MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-8 MCS-9 rychlost 22.4 29.6 44.8 54.4 59.2 nutná změna mobislních stanic a BTS nemění GPRS sít Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-16/21- Západočeská univerzita v Plzni

GPRS Zhodnocení (E)GPRS Výhody rychlé navázání spojení (např. ve srovnání s GSM-SMS) nezatěžuje tolik infrastrukturu sítě jako HSCSD možnost propojení více uzlů najednou možnost vytvoření sítě GPRS-APN (obdoba VPN) tarifikace podle přenesených dat Nevýhody vysoká latence (možnost timeoutů) nezaručená rychlost (provozovatelé sítí zaručí alespoň 9,6 kb/s) Možnosti využití v automatizaci dálkové dohlížení a řízení procesů dálkový sběr dat Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-17/21- Západočeská univerzita v Plzni

IEEE 802.11 Základní charakteristika technologií standardu IEEE 802.11 ve frekvenčních pásmech 2,4GHz a 5Ghz standard popisuje řízení přístupu (MAC) a fyzickou vrstvu (PHY) dva základní režimy ad-hoc mode - dva terminály spolu komunikují přímo infrastructure mode více terminálů komunikuje přes přístupový bod (AP) přenosová kapacita sdílená mezi všemi terminály řešení fyzické vrstvy FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - použito s původním standartu IEEE 802.11, v novejších již není DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - základem 802.11b,g DFIr (Diffused Infrared) - neprosadilo se OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - 802.11a,g Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-18/21- Západočeská univerzita v Plzni

IEEE 802.11 - PHY podvrstva DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) na signál o vyšší modulační rychlosti se modulují přenášená data vysílač místo jednoho bitu vyšle tzv. chip (8,11-bitová pseudonáhodná sekvence) s XORovanými datovými bity symbol v jednom chipu lze přenést 1,2,4,8 bitů podle zvolené rychlosti přenosu (použitá např. vícestavová modulace) příjemce aplikuje chipping kód na symbol operací XOR a vyhodnotí výsledek OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) frekvenční pásmo rozděleno na několik menších (mohou se překrývat) samostatné ortogonální nosné signály v každém pásmu použito více relativně pomalých datových toků mezi symboly vkládán tzv. guard interval Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-19/21- Západočeská univerzita v Plzni

IEEE 802.11 - MAC podvrstva Přístupové medody DCF (Distributed Coordination Function) varianta metody CSMA/CA stanice čeká, dokud nenastane na přenosovém médiu klid v každém rámci informace o délce obsazení/rezervaci média možnost použití mechanismu k dodatečnému řízení vysílání (použití rámců RTS a CTS) PCF (Point Coordination Function) umožňuje přenos dat citlivých na časování synchronizované vysílání dat s definovanými prodlevami v síti ustanoven koordinátor - vyzývá jednotlivé stanice k zahájení přenosu dat. není běžně podporována u všech zařízení a není ani jednoznačně specifikována Obě metody mohou fungovat v síti současně (stanice s DCF se pravidelně odmlčují) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-20/21- Západočeská univerzita v Plzni

Varianty IEEE 802.11 IEEE 802.11a používá se technika OFDM a podporuje rychlosti 6-54 Mbit/s v Evropě dva frekvenční rozsahy: 5,15-5,35GHz a 5,47-5,725GHz v pásmu 5,47-5,725GHz 11 nepřekrývajících se kanálů po 20MHz IEEE 802.11b DSSS na bezlicenčním pásmu 2,4-2,4835 GHz rychlosti 1,2,5.5 a 11 Mbit/s pásmo rozděleno na kanály po 22MHz - pouze tři nepřekrývající pásma IEEE 802.11g pracuje v bezlicenčním pásmu 2,4GHz dokáže koexistovat s 802.11b (ale zpomalí se přenosy) DSSS a OFDM + nová technika PBCC (jedna nosná, 256 stavů) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS 2007-21/21- Západočeská univerzita v Plzni