Download presentation
Presentation is loading. Please wait.
1
Chapter 6 ZigBee/IEEE 簡介
2
6.1 概述 WMAN 無線都會網路: WLAN 無線區域網路: WPAN 無線個人網路:
3
802.15 Working Group 802.15.1: 藍芽(Bluetooth)通訊標準
: WiMedia 定義短距離 高頻寬的通訊標準 (110~200Mbps, 個人多媒體傳送) : ZigBee 定義短距離 低速率的通訊標準
4
Working Group
5
802.15 Working Group 802.11b vs Bluetooth vs ZigBee ZigBee 802.11b
TEXT INTERNET/AUDIO COMPRESSED VIDEO MULTI-CHANNEL DIGITAL VIDEO ZigBee 802.11b /WIMEDIA 802.11a & g SHORT < RANGE > LONG 802.11b、Bluetooth與ZigBee的比較，橫軸為throughput需求，分為文字、聲音網路、壓縮視訊、多頻道的數位視訊。 縱軸為應用的涵蓋範圍，參考上一張圖。 取自 ”無線感測網路與ZigBee解決方案” Bluetooth 2 Bluetooth 1 LOW < ACTUAL THROUGHPUT > HIGH 5
6
ZigBee standard uniquely fills a gap for low data rate applications
ZigBee Overview (4/7) The IEEE 802 Wireless Space Bandwidth (Mbps) ZigBee Bluetooth WiFi 802.11 802.22 802.20 WiMax 802.16 0.01 0.1 1 10 100 1000 WWAN WMAN WLAN WPAN Range ZigBee standard uniquely fills a gap for low data rate applications IEEE802無線技術所支援的頻寬範圍，橫軸為頻寬(Mbps)，縱軸表示能涵蓋的範圍。 取自”Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New Opportunities with ZigBee”, Bob Heile Chairman, ZigBee Alliance, 6
8
6.2 802.15.4 概述 LR-WPAN Star topology or Peer-to-Peer topology
Two Types of devices Full Function Device, FFD 可與任何裝置通訊 可成為網路協調者 (PAN coordinator) Reduce Function Device, RFD 只可與網路協調者通訊 價格便宜
9
6.2.1 802.15.4 PHY ZigBee所使用的頻段(共27頻道)：
全球通用頻段2.4GHz ISM 分成16個頻道，channel的編號為11~26 美國使用915MHz 分成10個頻道，channel的編號為1~10 歐洲使用868MHz 只用1個頻道，channel的編號為0 9
10
6.2.1 802.15.4 PHY ZigBee所使用的頻段： Area Frequency Band Channel Numbering
Europe MHz America MHz 1 to 10 Global GHz 11 to 26 ZigBee所使用的頻段： 全球通用頻段2.4GHz ISM 分成16個頻道，channel的編號為11~26 美國使用915MHz 分成10個頻道，channel的編號為1~10 歐洲使用868MHz 只用1個頻道，channel的編號為0 10
11
6.2.1 802.15.4 PHY DSSS (直接序列展頻技術) 使用一個展頻碼將每個位元以多個位元表示
展頻碼延展訊號直接讓多個位元使用 DSSS用「互斥或」結合數位資訊流與展頻碼位元流(如下頁的例子) 11
12
DSSS (直接序列展頻技術) DSSS Example
上圖為傳送端：當資料A要被傳送出去時，會先與指定的PN code執行「互斥或」運算，然後再傳送出去。 下圖為接收端：當資料被接收後，再以反向方式解碼回去。 12
13
ZigBee Radio ZigBee所使用的頻段不同，其展頻所使用的參數也就不同。
在2.4GHz頻帶下所使用的modulation type是32個PN-code長度的O-QPSK, Chip Rate為2Mchip/s 868/915MHz則使用15PN-code的BPSK, Chip Rate分別為300/600kchip/s PHY Spreading Parameters Data Parameters Chip Rate Modulation Bit Rate Symbol Rate 868/915 MHz 300 kchip/s BPSK 20 kb/s 20 kbaud 600 kchip/s 40 kb/s 40 kbaud 2.4 GHz 2.0 Mchip/s O-QPSK 250 kb/s 62.5 kbaud 16-ary Othogonal ZigBee所使用的頻段不同，其展頻所使用的參數也就不同。 在2.4GHz頻帶下所使用的modulation type是32個PN-code長度的O-QPSK, Chip Rate為2Mchip/s 868/915MHz則使用15PN-code的BPSK, Chip Rate分別為300/600kchip/s Chip Rate是每個位元經過延展所得出的結果。 例如，2.4GHz頻段的Bit Rate為250kb/s，PN-code長度為32，所以其Chip Rate為250x32=2.0Mchips 13
14
ZigBee Radio – BPSK (1/2) IF DSSS
此圖說明BPSK的運作流程，原本資料的二進位訊號與二進位PN訊號做「互斥或」運算，再經過載波處理，最後傳送出去。 Reference: 無線區域網路/ 簡榮宏, 廖冠雄編著 14
15
ZigBee Radio - BPSK (2/2) 同上一張圖，原本的資料訊號經過BPSK展頻處理再加上載波處理之後送出訊號。
Reference: 無線區域網路/ 簡榮宏, 廖冠雄編著 15
16
ZigBee Radio – O-QPSK (1/3)
QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) 此圖為QPSK的四個相位波形。 Reference: 無線區域網路/ 簡榮宏, 廖冠雄編著 16
17
ZigBee Radio – O-QPSK (2/3)
The problem of QPSK OQPSK是為了解決QPSK的跳變干擾問題，當有code是0011或1100時，產生180°相位跳變，容易造成頻譜擴展，因而產生干擾問題。 Reference: 無線區域網路/ 簡榮宏, 廖冠雄編著 17
18
ZigBee Radio – O-QPSK (3/3)
OQPSK (Offset QPSK) OQPSK在0011和1100兩種狀況下會產生半週期的偏移，讓相位跳變保持在0°、±90° ，不會有180° 的相位跳變。 Reference: 無線區域網路/ 簡榮宏, 廖冠雄編著 18
19
6.2.2 802.15.4 MAC ZigBee的frame種類有四種： Data frame是用來傳輸資料 Beacon是用來做同步化
Acknowledgment frame Mac command frame則是用來下些指令，例如data request 19
20
6.2.2 802.15.4 MAC ZigBee的傳輸模式有兩種，一種是Slotted另一種是unslotted
Slotted是指coordinator會訂時發出beacon來做同步化的動作，適合用來傳輸定時性的資料和需要低延遲的資料 Unslotted則是指裝置要傳輸資料的話都靠CSMA/CA來搶頻寬傳輸資料，適合用來傳不定時的資料 20
21
ZigBee的傳輸程序(1/3) Overview of 802.15.4 Data transfer
coordinator傳輸給device Slotted Un-Slotted coordinator Network Device Data request Acknowledgment Data coordinator Network Device Beacon Data request Acknowledgment Data Un-Slotted CSMA/CA Slotted CSMA/CA ZigBee的傳輸情況分為兩種，一個是coordinator傳輸給device，另一種是device傳輸coordinator 在兩種情況下又分成slotted和unslotted傳輸模式 當coordinator要將資料傳輸給device時，在slotted模式下，他會使用間接性的傳輸，也就是不直接將資料傳輸給device， 而是傳輸一個beacon附帶一個”有資料要傳給你”的訊息，當device收到這個beacon，device就會向coordinator提出data request的要求，這個coordinator在將資料傳給device 而在unslotted模式下，device會定時的向coordinator提出data request的要求，這時如果coordinator有資料要傳給device時，就將資料傳給他 Reference: ZigBee/IEEE Summary 21
22
ZigBee的傳輸程序(2/3) Overview of 802.15.4 Data transfer
device要傳資料給coordinator Slotted Un-Slotted coordinator Network Device Data Acknowledgment coordinator Network Device Beacon Data Acknowledgment Slotted CSMA/CA Un-Slotted CSMA/CA 而device要傳資料給coordinator則是在slotted情況下，當coordinator發出beacon後，device如果有資料要傳輸資料的話，就將資料傳給coordinator 而在unslotted模式下，device用CAMA/CA搶頻寬，在將資料傳給coordinator Reference: ZigBee/IEEE Summary 22
23
ZigBee的傳輸程序(3/3) Overview of 802.15.4 Data transfer device要傳資料給 device
Only Un-Slotted Network Device Data Acknowledgment Un-Slotted CSMA/CA 而device要傳資料給device只有unslotted模式，device用CAMA/CA搶頻寬，再傳送資料 Reference: ZigBee/IEEE Summary 23
24
Superframe 架構 (1/5) Super Frame (Slotted Mode) Coordinator allocate
Using slotted CSMA/CA Coordinator allocate Super Frame (Slotted Mode) 在slotted mode下， 當一個beacon發出後，就開始了一個superframe，並且spuerframe在下一個beacon發出前結束。 Superframe分為active(藍色部份) 和 inactive(灰色部分)， Active是指網路裝置在這個時區下可以傳送資料，而Inactive是指不可以傳輸資料的時區。 Active可以分為16個時區，這16個時區又可分為競爭存取階段(CAP)和非競爭存取階段(CFP)， CAP是指在這時區下，網路裝置依然要靠CSMA/CA來搶頻寬，搶到頻寬才能傳輸資料。 而CFP是指，當網路裝置想到傳輸資料時，跟coordinator要求時區，如果coordinator允許這個要求的話， 會指派保證時區(GTS)給要求頻寬的網路裝置，並且保證時區最大為七個時區。 Reference: ZigBee/IEEE Summary 24
25
Superframe架構(2/5) Super Frame (Slotted Mode) Inactive是指不可以傳輸資料的時區
Active可以分為16個時區 (first slot is beacon slot) ， 這16個時區又可分為競爭存取階段(CAP)和非競爭存取階段(CFP) CAP (Contention Access Period)-CSMA/CA CFP (Contention Free Period)(≤7slots) 指派保證時區(GTS)給要求頻寬的網路裝置 Inactive是指不可以傳輸資料的時區 Active可以分為16個時區，這16個時區又可分為競爭存取階段(CAP)和非競爭存取階段(CFP) CAP是指在這時區下，網路裝置依然要靠CSMA/CA來搶頻寬，搶到頻寬才能傳輸資料 而CFP是指，當網路裝置想到傳輸資料時，跟coordinator要求時區，如果coordinator允許這個要求的話， 會指派保證時區(GTS)給要求頻寬的網路裝置，並且保證時區最大為七個時區。 Inactive是指不可以傳輸資料的時區 25
26
Superframe架構(3/5) Beacon的功能是 啟動superframe 將其他裝置同步
告訴不在這個網路裏的裝置這個有我這個coordinator形成的PAN coordinator告訴裝置有資料要傳輸給他 26
27
Superframe架構(4/5) 在beacon enable的模式下，要傳輸資料有兩種方式來搶頻寬
1.網路裝置依在CAP下，要靠CSMA/CA來搶頻寬，搶到頻寬才能傳輸資料。 2.當網路裝置想到傳輸資料時，跟coordinator要求時區，如果coordinator允許這個要求的話，會指派保證時區(GTS)給要求頻寬的網路裝置 27
28
Superframe架構(5/5) Superframe的長度取決於兩個包含在Beacon訊框的資訊 BO 和 SO 0≦SO≦BO≦14
BO決定superframe的長度 SO決定superframe中，active時區的長度 0≦SO≦BO≦14 Superframe和beacon的長度取決於兩個因素：BO和SO，BO決定beacon的間隔長度，而SO決定superframe中，active時區的長度， 並且BO和SO的長度最大為14 28
29
Association Procedure (1/2)
當一個裝置要加入由一個coordinator形成的PAN時，會先掃描周遭有哪些PAN，決定其中一個加入，並且向PAN的coordinator association的要求 當coordinator收到裝置傳來的要求時，會決定要不要讓這個device加入， 當決定好了後，coordiantor傳beacon告知device來拿要求加入的結果，裝置向coordinator提出data request，coordinator就將結果傳給裝置 coordinator Network Device Scan channel Association req. ACK Wait for response Make decision Beacon Data req. ACK Association req. ACK Reference: ZigBee/IEEE Summary 29
30
Association Procedure (2/2)
Device提出association的結果，coordinator是以間接傳輸的方式告訴裝置 Device需要向coordinator提出data request 以取得association的結果 當裝置加入PAN後，coordinator會向裝置指派一個16位元的位址。 30
31
Slotted CSMA/CA 31
32
6.3 ZigBee 網路層 ZigBee網路在各裝置間提供了一個可靠、安全的傳輸。
33
ZigBee網路拓樸(1/3) Star Topology 星狀拓樸 優點 缺點是難以擴充 End device 容易同步化
有superframe 低延遲 (one-hop) 缺點是難以擴充 End device Coordinator Reference: ZigBee Alliance 33
34
ZigBee網路拓樸(2/3) Tree Topology 樹狀拓樸 優點 缺點 低路由成本 可以有superframe
允許多點跳曜(multi-hop) 缺點 是路由重建是成本大 延遲較長 (multi-hop) End device Coordinator Router Reference: ZigBee Alliance 34
35
ZigBee網路拓樸(3/3) Mesh Topology 網狀拓樸 優點 缺點 允許多點跳曜(multi-hop) 網路形成較具彈性
低延遲 缺點 不具有superframe route discovery成本過大 須儲存空間儲存路由表 End device Router Coordinator Reference: ZigBee Alliance 35
36
ZigBee Network Layer 在ZigBee網路中，裝置有三種角色可以扮演：
Coordinator：可以建立網路、管理網路、維護和控制網路。 ZigBee路由器：負責轉傳資料 終端裝置 在星狀和樹狀網路中，coordinator會定時地發出beacon來同步化網路中其他裝置。 36
37
ZigBee網路路由 ZigBee路由 在樹狀網路中，會利用指派位址的方式還找路徑。 網狀網路中，則會利用一個類似AODV的方法來找路徑。
37
38
ZigBee樹狀網路路由(1/4) 在樹狀網路中，各個device的位址是利用分散式位址指派的方法。
在建立樹狀網路時，coordinator在一開始就會建立三個參數， Cm：一個router可以有最大的子數 Rm：一個parent可以也最大的Router數 Im：這個樹狀網路的depth 所以可以透過下面的公式來算出Cskip Cskip是指parent的一個subtree最大的node數 在樹狀網路中，各個device的位址是利用分散式位址指派的方法。 在建立樹狀網路時，coordinator在一開始就會建立三個參數， Cm：一個router可以有最大的子數 Rm：一個parent可以也最大的Router數 Im：這個樹狀網路的depth 所以可以透過下面的公式來算出Cskip Cskip是指parent的一個subtree最大的node數 38
39
ZigBee樹狀網路路由(2/4) Address assignment in a ZigBee tree network
Which is used to compute the size of its children’s address pools (each child router) 續上頁，所以可以透過下面的公式來算出Cskip Cskip是指parent的一個subtree最大的node數 39
40
ZigBee樹狀網路路由(3/4) If a parent node at depth d has an address Aparent
0 + 4 * = 125 If a parent node at depth d has an address Aparent the nth child router is assigned to address Aparent+(n-1)×Cskip(d)+1 nth child end device is assigned to address Aparent+Rm×Cskip(d)+n 0 + (2-1) * = 32 舉例來說，A點的位址 是 0 + (2-1) * = 32，0是parent node (C)的位址，2是指C第幾個子孫，31是指C的Cskip 上面那個點的位址則是 * = 125，0是指parent node (C)的位址，4的是C的Rm數，31是指C的Cskip，1是指C第幾個子孫 1 32 63 Total:127 94 For node C 125 ,126 node A 40
41
ZigBee樹狀網路路由(4/4) ZigBee樹狀網路路由 樹狀網路程序
當一個裝置X收到封包後，裝置會先檢查封包的位址是不是和自己或自己的子孫一樣 如果是的話; Ax<Adest<Ax+Cskip(d-1) 就會接收封包或者是傳到指定的子孫端點 如果不是的話 就會轉送此封包給父節點 按照先前樹狀網路中裝置位址的算法，祖先和子孫的關係可以靠位址就看得出來 41
42
ZigBee網狀網路路由(1/2) 在網狀網路中，route discovery的機制類似於AODV routing protocol，都會選擇通訊成本較低的路線來送封包 Route discovery 過程： 起始點將路由請求封包廣播出去 當一個node收到封包後，考慮本身具不具路由能力 ，有的話就將封包廣播出去，沒有的話(RFD)就丟棄這個封包 當目的節點收到封包後，會選擇一條通訊成本較低的路線來回傳 route reply 42
43
ZigBee網狀網路路由(2/2) ZigBee網狀網路路由 B C A T S D Route req. Route req.
Route reply S Route req. S要送訊息給T 首先，S會將要傳得訊息廣播出去， 當A收到後，因為他沒有路由能力，所以A將訊息丟棄 當D收到後，因為D具有routing capacity，所以D將訊息廣播出去， 就重複這樣的過程一直到T收到訊息 之後，T會選擇一條通訊成本較低的路線來回傳 route reply Route req. D Unicast Route req. Broadcast Reference: ZigBee/IEEE Overview Without Routing Capacity 43
Similar presentations
