Rafał Niski
Instytut Łączności w Warszawie
INTERFEJSY RADIOWE
W BEZPRZEWODOWYCH SIECIACH SENSOROWYCH
W związku z rosnącą popularnością bezprzewodowych sieci sensorowych oraz rosnącą liczbą ich aplikacji i rozwiązań technicznych autorzy przedstawiają w niniejszej pracy najczęściej stosowane w bezprzewodowych sieciach sensorowych interfejsy radiowe (wraz z ich modyfikacjami – dostoso-wanymi do konkretnych aplikacji).
1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA BEZPRZEWODOWYCH SIECI SENSOROWYCH
Bezprzewodowe sieci sensorowe (WSN – Wireless Sensor Network) zbudo-wane są ze znacznej liczby węzłów. Jako węzeł należy rozumieć zarówno sam sensor wraz z interfejsem komunikacyjnym, jak i urządzenia agregujące informacje przesyłane z poszczególnych czujników/sensorów oraz urządzenia będące na styku pomiędzy WSN a (siecią komputerową) sieciami transmisji danych – czy też w szerszym aspekcie – Internetem. Przykład takiej sieci przedstawiono na rysunku 1.
W tak skonfigurowanej sieci sensory najczęściej komunikują się w trybie ad hoc, bądź to między sobą – przesyłając informację o pomiarach przez węzły pośrednie do wyższych warstw systemu, bądź bezpośrednio z punktami dostępo-wymi, tworząc w ten sposób bezprzewodową samoorganizującą się sieć sensoro-wą. W celu zmniejszenia obciążenia interfejsów komunikacyjnych, ilości przesyła-nych daprzesyła-nych, a co za tym idzie – zredukowania energochłonności całego procesu i wydłużenia przez to ich żywotności dane pomiarowe są wstępnie przetwarzane w węzłach pomiarowych i dopiero wysyłane do wyższych warstw systemu (po-przez węzły dostępowe – sink node). Tam następuje ich agregacja i obróbka w celu wizualizacji danych pomiarowych w aplikacjach wyższego poziomu oraz – w za-leżności od wymagań – składowanie informacji z węzłów pomiarowych w dedy-kowanych bazach danych [4]. Ponadto wyżej wspomniane punkty dostępowe peł-nią również rolę bram do innych sieci i systemów. Infrastruktura szkieletowa takiego systemu powinna zawierać, oprócz urządzeń/aplikacji wizualizacji danych pomiarowych oraz systemów bazodanowych, również systemy monitorujące dzia-łanie poszczególnych komponentów w niższych warstwach omawianego systemu.
Powyższy opis – mimo wysokiego poziomu ogólności – ma za zadanie przed-stawić podstawowe różnice pomiędzy bezprzewodowymi sieciami sensorowymi a klasycznymi sieciami teleinformatycznymi. Opis ten nie jest jednakże prawdziwy dla wszystkich aplikacji systemów WSN i może znacznie różnić się w zależności od wymagań ich użytkowników, jak również przeznaczenia danego sieci sensorowej.
Sensor Dynamiczny router bezprzewodowy Dynamiczny router bezprzewodowy Dynamiczny router bezprzewodowy Dynamiczny router bezprzewodowy Dynamiczny router bezprzewodowy Dynamiczny router bezprzewodowy Agregacja danych Sensor Sensor Sensor Sensor
Rys. 1. Przykład bezprzewodowej sieci sensorowej z dynamicznym trasowaniem
pakietów danych
2. INTERFEJSY RADIOWE
W związku z koniecznością zapewnienia łączności pomiędzy poszczególnymi komponentami WSN, jak również z punktami dostępowymi oraz wyższymi war-stwami systemu niezbędne jest wyposażenie poszczególnych węzłów w interfejsy (najczęściej radiowe) umożliwiające wzajemną komunikację poszczególnych wę-złów. Zarówno w poziomie (w obrębie jednej warstwy systemu), jak i w pionie – pomiędzy warstwami.
Poniżej omówiono poszczególne standardy bezprzewodowej transmisji da-nych. Ze względu na bardzo szerokie spektrum ich występowania oraz bogatą lite-raturę przedmiotu najpopularniejsze systemy i standardy łączności
bezprzewodo-wej jedynie wstępnie zaprezentowano, skupiając się głównie na bezprzewodowych interfejsach dedykowanych do zapewnienia łączności między poszczególnymi węzłami pomiarowymi sensu stricto. Poszczególne standardy przedstawiono w sposób top-down – od najwyższych warstw sytemu do poziomu zapewniającego realizację łączności pomiędzy poszczególnymi sensorami mierzącymi określone wielkości fizyczne. Główny nacisk położono jednak na rozwiązania służące do zapewnienia łączności na najniższym poziomie – pomiędzy poszczególnymi węz-łami pomiarowymi.
2.1. Bluetooth
Standard Bluetooth (BT), powstały 26 czerwca 1999 roku (data opublikowa-nia przez Bluetooth Special Interest Group specyfikacji Bluetooth 1.0), a rozwijany do dziś, przeznaczony jest to zapewniania łączności na krótkich dystansach (teore-tycznie do 100 m). Do chwili obecnej opracowano kilka wersji standardu:
• Bluetooth 1.0, • Bluetooth 1.1, • Bluetooth 1.2, • Bluetooth 2.0, • Bluetooth 2.1+EDR, • Bluetooth 3.0 HS,
• Bluetooth 4.0 – prace w toku.
Głównym przeznaczeniem Bluetooth jest zapewnienie łączności w sieciach PAN (Personal Area Network), w celu np. synchronizacji danych w telefonie ko-mórkowym, korzystania ze słuchawek bezprzewodowych, zastąpienia istniejących połączeń kablowych (jak w przypadku klawiatur i myszek komputerowych).
W 2002 roku IEEE zaadaptowało prace Bluetooth SIG nad specyfikacją Bluetooth 1.1 oraz opublikowało standard 802.15.1, będący de facto pierwszym standardem sieci personalnych. Z racji swojej specyfiki i pierwotnego przeznacze-nia standard Bluetooth obecnie nie znajduje zastosowaprzeznacze-nia w bezprzewodowych sieciach sensorowych z powodu stosunkowo dużego zapotrzebowania energetycz-nego. Jednakże warto zwrócić uwagę w niektórych aplikacjach WSN na standard Bluetooth jako interfejs wymiany danych, ze względu chociażby na jego potencjał rozwojowy oraz wysoką popularność.
Interfejs radiowy Bluetooth pracuje w paśmie 2,4 GHz (ISM – Industrial, Scientific and Medical), przez co nie są wymagane licencje na użytkowanie tego pasma.
Standard Bluetooth został zaprojektowany z myślą o realizacji głównie połą-czeń punkt-punkt oraz tworzenia sieci typu pikonet oraz scatternet. Sieci pikonet mogą składać się z maksymalnie siedmiu aktywnych węzłów pracujących w trybie podrzędnym (slave) oraz jednego węzła pracującego w trybie nadrzędnym (master) – zapewniając synchronizację urządzeń pracujących w trybie podrzędnym. Ponadto standard Bluetooth umożliwia stworzenie sieci pikonet zawierającej do 254
modu-łów BT, jednak tylko 7 z nich znajduje się w trybie aktywnym, a pozostałe w trybie oczekiwania – nie uczestniczą tym samym w wymianie danych wewnątrz danego pikonetu. W momencie, gdy zajdą odpowiednie warunki, moduł aktywny może przejść do trybu oczekiwania a moduł oczekujący może w tym czasie przystąpić do wymiany danych. Warto pamiętać, że moduł nadrzędny jest odpowiedzialny za nadzór nad dostępem do kanałów fizycznych zarówno dla aktywnych, jak i dla oczekujących (idle) modułów podrzędnych.
Standard Bluetooth dopuszcza także pracę kilku pikonetów na jednym, wspól-nym obszarze. Wówczas praca poszczególnych pikonetów odbywa się w różnych kanałach fizycznych i z wykorzystaniem odrębnych sekwencji hoppingu częstotli-wościowego (Slow Frequency Hopping) dla każdego pikonetu. W celu zapewnie-nia właściwego odbioru pakietów danych każdy pakiet wysyłany w obrębie jedne-go pikonetu wyposażony jest w unikatowy kod dostępu do kanału (CAC – Chanel Access Code) utworzonego na podstawie unikatowego adresu stacji nadrzędnej – master – w danym pikonecie. Niewątpliwą wadą takiego zagęszczenia pikonetów na stosunkowo niewielkiej przestrzeni jest wzrost prawdopodobieństwa wystąpie-nia kolizji pakietów. Do zjawiska kolizji dojdzie w chwili, gdy w dwóch odrębnych pikonetach w jednej szczelinie czasowej i na tej samej częstotliwości nastąpi transmisja danych. Zjawisko to ma destrukcyjny wpływ na przepustowość sieci.
Kolejnym trybem pracy modułu Bluetooth jest tryb, w którym jeden moduł BT pracuje w dwóch sieciach pikonet znajdujących się w tym samym obszarze działania. W sieci „pikonet A” pracuje jako master, a w sieci „pikonet B” jako slave – wówczas taką sieć określa się mianem scatternet. Taki tryb pracy możliwy jest na przykład w przypadku, gdy master w sieci pikonet A zostanie przywołany przez nadrzędny moduł BT w sieci pikonet B – w takim trybie nadrzędny moduł BT pikosieci A jest modułem podrzędnym w pikosieci B [3].
2.2. Wibree
Pewną modyfikacją standardu Bluetooth, opracowaną przez koncern Nokia pod koniec 2006 roku, jest interfejs Wibree. Podobnie jak Bluetooth, Wibree pra-cuje w paśmie ISM (2,4 GHz) i zapewnia wsparcie dla topologii sieci stworzonej z 7 aktywnych węzłów podrzędnych i jednego węzła nadrzędnego. Główną różnicą – w stosunku do Bluetooth – jest redukcja konsumpcji mocy oraz ceny jednostko-wej transceivera. Osiągnie się to poprzez zmniejszenie maksymalnej mocy nadaw-czej modułów transmisyjnych oraz przez zmniejszenie szybkości transmisji da-nych. Według przedstawiciela koncernu w testach laboratoryjnych osiągnięto redukcję poziomu transmitowanej mocy do poziomu 10% mocy urządzeń Blue-tooth. W tabeli 1 zestawiono najważniejsze parametry pracy interfejsów Bluetooth i Wibree.
Tabela 1
Porówanie praramtrów Bluetooth oraz Wibree
Parametr Bluetooth Wibree
Pasmo 2,4 GHz 2,4 GHz
Antena/Hardware Współdzielona
Moc Tx 100 mW ~10 mW
Żywotność baterii dni–miesiące 1–2 lat
Zasięg 10–30 m 10 m
Szybkość transmisji 1–3 Mbps 1 Mbps
Koszt $3 Bluetooth + 20 cent
Topologia sieci ad hoc, P2P, gwiazda ad hoc, P2P, gwiazda
Bezpieczeństwo AES-128 AES-128
Wibree może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wykorzystanie tech-nologii Bluetooth jest nieuzasadnione ekonomicznie, lub tam, gdzie istnieje po-trzeba rozwiązań o znikomym poborze energii elektrycznej. Ostatecznie standard Wibree został ostatnio włączony do grupy standardów Bluetooth.
2.3. ZigBee
Standard ZigBee został opracowany jako alternatywa dla powyższych rozwią-zań, w celu zapewnienia łączności radiowej w systemach WSN niewymagających dużych przepustowości interfejsu radiowego, lecz dużej liczby poszczególnych węzłów pracujących w sieci WSN (do 65 535 węzłów). Ponadto implementacja ZigBee jest stosunkowo tania – przez co znajduje szerokie zastosowanie m.in. w systemach zdalnego monitoringu, automatyki budynków itp.
Początek systemu ZigBee datuje się na rok 1998 – wówczas dostrzeżono po-trzebę opracowania interfejsu radiowego dla systemów niewymagających przesy-łania dużych ilości danych – istniejące rozwiązania, takie jak Bluetooth lub WiFi, okazały się zbyt kosztowne i zbyt skomplikowane w implementacji. W maju 2003 roku IEEE ukończyło prace nad standardem 802.15.4 – którego pewną implemen-tacją jest ZigBee. Standard 802.15.4 [1] opisuje warstwy: fizyczną (PHY – Physical) oraz łącza danych (MAC – Media Access Control). Wyższe warstwy definiowane są przez stowarzyszenie ZigBee Aliance (2004 rok – pierwsza specyfikacja ZigBee), które przez następne lata kontynuowało prace, aby w 2007 roku stworzyć rozsze-rzoną specyfikację ZigBee – ZigBee PRO. Kolejna duża modyfikacja standardu miała miejsce w roku 2009 – wówczas rozszerzono dotychczasowy standard na wiele różnych obszarów.
Aplikacje
Profile aplikacji
Struktura aplikacji
Warstwa sieciowa
Warstwa łącza danych
Warstwa fizyczna 2,4 GHz 868/915 MHz ZigB ee lub pr oducent IE E E 802 .15.4 A lians Zig B ee
Rys. 2. Model referencyjny ZigBee i IEEE 802.15.4
Warstwa fizyczna definiuje interfejsy sieciowe IEEE 802.15.4, ich parametry i funkcje. W warstwie tej zdefiniowano 27 kanałów fizycznych (tab. 2): 16 w pa-śmie 2,450 GHz, 10 w papa-śmie 915 MHz oraz 1 w papa-śmie 868 MHz.
Tabela 2
Alokacja kanałów fizycznych ZigBee w poszczególnych obszarach geograficznych
Częstotliwość Pasmo geograficzny Obszar transmisji Prędkość kanałów Liczba
2,4 GHz ISM świat 250 kbps 16
915 MHz ISM USA 40 kbps 10
868 MHz Europa 20 kbps 1
W paśmie 2,450 GHz zastosowano modulację O-QPSK (Offset-Quadrature Phase-Shift Keying). W pasmach 915 MHz i 868 MHz prędkość transmisji wynosi 40 kbps oraz 20 kbps, modulacje BPSK (Binary Phase-Shift Keying) oraz DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) odpowiednio.
Warstwa łącza danych definiuje metodę dostępu do sieci oraz sposób transmi-sji ramek. Dostęp do sieci realizowany jest w dwojaki sposób:
• rozgłoszeniowy (beaconing) – transmisja danych odbywa się przez urządzenia pracujące w trybie ciągłym,
• nierozgłoszeniowy (non-beaconing) – używany w środowisku z urządzeniami transmitującymi dane w sposób okresowy/losowy. W tym trybie urządzenia ko-rzystają z protokołu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance) dostępu do medium fizycznego.
Dodatkowo warstwa łącza danych wykonuje zadania związane z trasowaniem (routingiem) pakietów, zarządzaniem topologią sieci oraz wykrywaniem nowych węzłów i zapewnieniem bezpieczeństwa łączności (wykorzystując do tego algo-rytm AES-128).
2.4. MiWi
Technologia MiWi jest prostszą wersją standardu ZigBee – opartą na transcei-verze zgodnym ze standardem IEEE 802.15.4. Technologia MiWi dedykowana jest do rozwiązań bezprzewodowych sieci sensorowych niewymagających dużych przepustowości interfejsu radiowego oraz stosunkowo małych – pod względem liczebności – węzłów. Liczba węzłów w takiej sieci sensorowej nie może być większa niż 1024.
Podobnie jak w ZigBee – MiWi zapewnia wsparcie sieciom o topologii kra-towej (mesh) lub o topologii gwiazdy. Ponadto MiWi wspiera jedynie nierozgło-szeniowy tryb pracy. Kolejną różnicą w stosunku do ZigBee jest zredukowany stos protokołów obsługiwany przez kontroler – redukuje to jednostkową cenę kontrole-ra o ok. 40–60% w stosunku do kontrolekontrole-ra ZigBee [2].
2.5. Z-Wave
Standard Z-Wave traktowany jest jako modyfikacja standardu ZigBee. Z-Wave nie modyfikuje warstw fizycznej oraz łącza danych – są one zgodne ze standardem IEEE 802.15.4. Ponadto, w odróżnienia od ZigBee, to mniejsza moc wyjściowa nadajnika oraz inne pasmo częstotliwości – ISM 900MHz (dokładnie: 868,42 MHz oraz 915 MHz). Modyfikację Z-Wave opracowano z myślą zastoso-wania głównie w aplikacjach sterozastoso-wania domową automatyką. Pojedyncza sieć Z-Wave może składać się z nie więcej niż 232 węzłów pracujących w sieciach o topologii kratowej (mesh) lub o topologii gwiazdy [2].
2.6. Dash7
Dash7 jest stosunkowo nowym interfejsem radiowym, w porównaniu do wcześniej omawianych. Podstawą do stworzenia tego interfejsu jest standard ISO 18000-7, poświęcony urządzeniom radiowym pracującym z bardzo niską mocą (low power RF). Dash7 pracuje w paśmie 433 MHz – to skutkuje dobrą penetracją w zamkniętych obiektach, takich jak dom, lub w środowiskach o dużym poziomie wilgotności (np. monitoring pola uprawnego).
Inną zaletą tego interfejsu radiowego jest jego stosunkowo duży zasięg – w przypadku Dash7 zasięg jest skalowalny i można go zmieniać w zakresie od 10 m do 2000 m. Należy pamiętać, że nadajnik Dash7 pracuje z mocą wyjściową ok. 10 razy mniejszą niż chociażby dedykowany do zastosowań w bezprzewodo-wych sieciach sensorobezprzewodo-wych standard ZigBee. Tak znacząca redukcja mocy
wyj-ściowej nadajnika w znacznym stopniu pozwala wydłużyć czas pracy pojedyncze-go węzła na jednej baterii. Ponadto stosunkowo duży zasięg upraszcza topologię sieci sensorowej, przez co można zrezygnować z węzłów pośredniczących między sensorem mierzącym określoną wartość fizyczną a punktem agregacji danych. Oczywiście, zgodnie z ISO 18000-7, Dash7 dysponuje funkcjonalnością retransmi-sji danych z węzłów będących poza zasięgiem punktu zbiorczego (sink node). Dodatkowo standard ten dopuszcza możliwości transmisji danych na podstawie protokołu IPv6, co mimo pewnej obecnie trudności w implementacji IPv6 nie bę-dzie bez znaczenia w najbliższej przyszłości. Szczególnie gdy weźmie się pod rozwagę przydzielenie przez IANA (Internet Assigned Numbers Authority) w lu-tym 2011 roku ostatnich grup adresów IPv4 poszczególnym RIR (Regional Inter-net Registry) oraz malejącą nieprzerwanie dostępną w RIR pulę adresów IPv4.
Interfejs radiowy Dash7 wykorzystuje od 1 do 5 kanałów dyskretnych w pa-śmie częstotliwości 433,04–434,79 MHz (z modulacją FSK lub GFSK). Teore-tyczna przepustowość interfejsu szacowana jest na poziomie 100 kbps, jednakże nominalna wartość jest kilkukrotnie mniejsza i wynosi 27,8 kbps – zdaniem auto-rów jest to wartość wystarczająca w większości zastosowań WSN oraz RFID.
2.7. CyFi
Interfejs CyFi jest szerokopasmowym bezprzewodowym interfejsem radio-wym pracującym w paśmie 2,4 GHz ISM, z wykorzystaniem technologii rozpra-szania widma (DSSS). Przepustowość interfejsu wynosi od 125 kbps, 250 kbps lub 1 Mbps.
Ważną cechą charakterystyczną tego interfejsu jest dynamiczne sterowanie mocą nadajnika, co w połączeniu z aktywnym zarządzaniem połączeniem pozwala na znaczące wydłużenie czasu pracy węzłów WSN wyposażonych w CyFi. Oma-wiany interfejs realizuje łączność w sieciach bezprzewodowych w topologii gwiazdy, składającej się z jednej stacji bazowej (huba) oraz do 250 węzłów. We-dług zapewnień producenta [5] CyFi umożliwia zestawienie połączeń LoS (Line of Sight) pomiędzy węzłami na odcinku do 1000 metrów (w zależności od warunków zewnętrznych).
2.8. WiBro
WiBro (Wireless Broadband) jest południowokoreańską modyfikacją standar-du IEEE 802.16e (Mobile WiMax) umożliwiającą przezwyciężenie ograniczenia szybkości przemieszczania się węzłów ruchomych do 120 km/h, przy zapewnieniu relatywnie dużej szybkości transmisji danych – sięgających 30–50 Mbps w odle-głości do 5 km od stacji bazowej [6]. Interfejs ten, pomimo znacznej konsumpcji energii elektrycznej, może świadczyć usługi na potrzeby WSN jako punkt styku bezprzewodowej sieci sensorowej z centrami agregacji i przetwarzania danych pochodzących z WSN.
PODSUMOWANIE
Bezprzewodowe sieci sensorowe znajdują zastosowanie w wielu nowych segmentach gospodarki, począwszy od aplikacji militarnych, poprzez wszelkiego rodzaju systemy monitoringu infrastruktury krytycznej, a skończywszy na zasto-sowaniach medycznych czy ochronie środowiska i innych. W związku z tym waż-nym aspektem staje się dobranie odpowiednich interfejsów radiowych w taki spo-sób, aby z jednej strony zapewnić bezpieczną i sprawną łączność pomiędzy wszystkimi węzłami znajdującymi się w danej sieci sensorowej, a z drugiej strony trzeba pamiętać o ograniczonych zasobach energetycznych węzła – co przekłada się m.in. również na dokładny dobór zastosowanych interfejsów radiowych.
Autorzy zdają sobie sprawę, że nie zawarli informacji o wszystkich możli-wych rozwiązaniach interfejsów radiomożli-wych, znajdujących zastosowanie w bez-przewodowych sieciach sensorowych – część z nich jest dobrze znana Czytelniko-wi (jak chociażby standardy WiFi, WiMax czy komórkowe technologie mobilne GSM/UMTS/HSPA/LTE, wykorzystywane czasami systemy łączności satelitarnej i inne), a część interfejsów i technologii bezprzewodowych jest rzadko bądź w ogóle niespotykana w WSN (np. łączność w paśmie IR).
LITERATURA
1. Farahani S., ZigBee Wireless Networks and Transceivers, Elsevier Ltd. 2008.
2. Kourilchto M., Kohvakka M., Suhonen J., Hamalainen P. i inni, Ultra-Low Energy Wireless
Sensor Networks in Practice: Theory, Realization and Deployment, John Wiley & Sons Ltd.,
2007.
3. Ludwin W., Bluetooth nowoczesny system łączności bezprzewodowej, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2003
4. Networked Embedded Systems, ed. R. Zureawski, CRC Press, Boca Raton, Florida 2009. 5. http://www.cypress.com/
6. http://www.wibro.or.kr/
RADIO INTERFACES IN WIRELESS SENSOR NETWORKS Summary
In connection with constantly growing popularity of the Wireless Sensor Networks (WSN, growing number of their applications and technical solutions designed for WSN, in this paper the authors are presenting radio interfaces commonly used in the WSN. Some of their modification and adaptations are also described, to show wide verity of the radio technologies used on daily basis in different WSN implementations designed for different purposes.
