ieee 802.15.4e nel wirelesshart
TRANSCRIPT
Università degli studi dell’Aquila
Professore: Fortunato Santucci
Esame: Comunicazioni Wireless
Studenti: Leombruni Daniele ([email protected]) Liberatore Lorenzo ([email protected]) Muttillo Vittoriano ([email protected])
IEEE 802.15.4e nel WirelessHART
A.A. 2014/2015
Indice
WirelessHART
Standard IEEE 802.15.4
Gestione delle interferenze
Standard IEEE 802.15.4e
TSCH
Channel Hopping
Adaptive CH nel WirelessHart
WirelessHART
WirelessHART è una tecnologia WSN basata sul protocollo HART (Highway
Addressable Remote Transducer) nata nel settembre 2007 e sviluppata dall'HART
Comunication Foundation [6].
Il protocollo è stato pensato per migliorare le reti di sensori wireless a livello industriale in
termini di produttività, affidabilità e flessibilità.
Utilizza un'architettura di rete a tempo sincronizzato, auto-organizzata e robusta contro
eventuali guasti.
Lavora sulla banda ISM a 2.4 Ghz usando lo standard radio IEEE 802.15.4 [1]
Tecnologia WirelessHART
Robusta e facile da implementare
Installazione facilitata: coesistenza con altre reti, supporta tipologie di rete “star” e
“mesh”, possibilità di aggiungere dispositivi singolarmente con costi ridotti.
Caratteristiche di rete automatiche: auto-organizzazione, “self-healing”, alta sicurezza,
adattabilità ai cambiamenti dell'infrastuttura.
Affidabile
Radio standard con Channel Hopping: tecniche di “Hops” tra i canali per evitare
interferenze
Ottimizzazione della larghezza di banda e del tempo radio
Sicura
Sicurezza sempre attiva, efficiente e multi-seriale
Standard di criptazione 128-bit AES
Componenti
Field Device: collegati alle
apparecchiature di processo
dell'impianto
Gateway: permette la comunicazione
tra i field device e le Host Application
Network Manager: responsabile della
gestione della rete (configurazione,
comunicazione, gestione
dell'instradamento e monitoraggio della
rete)
Tecnologie radio
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): trasmissione a "frequenza diretta" a banda
larga.
Channel hopping (CH): tecnica di trasmissione consistente nel saltare fra diversi canali in
maniera pseudocasuale attraverso un codice prestabilito.
Time Division Multiple Access (TDMA): accesso multiplo a ripartizione nel tempo, tecnica
di condivisione del canale, realizzata mediante ripartizione del tempo a “slots” di accesso
allo stesso canale da parte degli utenti sincronizzate e con brevi periodi di latenza
controllata tra dispositivi e rete.
Data Link Layer in WirelessHART
Utilizza TDMA combinato al CH per controllare e coordinare l'accesso alla rete in maniera
affidabile.
L'unità base di misura è un time slot (unità di durata di tempo fissata) condiviso da tutti i
dispositivi della rete e di durata uguale a 10ms.
I collegamenti sono organizzati in superframe e possono essere dedicati o condivisi.
Slot Timing
Standard IEEE 802.15.4
Gestito dal gruppo IEEE 802.15 che ne ha definito lo standard nel
2003.
Concepito per regolamentare il livello fisico ed il livello MAC di reti
WPAN.
Adatto per reti che lavorano a bassa velocità di trasferimento dati
(LR – Low Rate) e a corto raggio (≤ 30m).
Nel 2012 è stato rilasciato un emendamento allo standard,
denominato IEEE 802.15.4e [2], che introduce un meccanismo di
accesso multiplo di tipo TSCH (Time Slotted Channel Hopping).
Physical Layer
Opera su uno delle tre possibili bande di frequenze unlicensed:
868.0–868.6 MHz: Europe, allows one communication channel (2003, 2006, 2011)
902–928 MHz: North America, up to ten channels (2003), extended to thirty (2006)
2400–2483.5 MHz: worldwide use, up to sixteen channels (2003, 2006)
MAC Layer (1)
Operazioni basate su CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collission
Avoidance)
Supporta funzionalità sia Beacon-enabled (CSMA) sia Beacon-less (CSMA/CA)
MAC Layer (2)
Esempio di struttura superframe in slotted IEEE 802.15.4 MAC (Beacon-enabled)
Limiti di IEEE 802.15.4 MAC
Unbounded Delay
Bandwidth non garantita: eccetto se si utilizza GTS (Guaranteed Time Slot) che fornisce
un servizio limitato (7 slot)
Nessuna protezione contro interferenze/fading
Non implementa la tecnica FH (Frequency Hopping)
Gestione delle interferenze
Tecnologie di trasmissione:
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Spread Spectrum:
Non ottimizza l'utilizzo della banda
Migliora la ricezione dei segnali deboli
Affidabilità, integrità e sicurezza nelle trasmissioni
Se un ricevitore non è sincronizzato sulla corretta frequenza il segnale è simile a un
rumore ed è importante quindi conoscere a priori i parametri di connessione
DSSS
Bassa potenza di emissione, il segnale è espanso in una ampia banda
Utilizza le stesse frequenze in modo costante
Minore resistenza alle interferenze
Migliore ricezione
Integrità del segnale
Maggiore robustezza, distribuendo il segnale attraverso l'intero spettro di frequenze
Velocità a 11 Mbps (interoperabile con 802.11b)
Apparati più economici di quelli FHSS
FHSS
Alta potenza trasmessa su una piccola banda
La frequenza del segnale cambia diverse volte al secondo
Consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze cambiando
automaticamente la frequenza di trasmissione
Forte resistenza alle interferenze e riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione
Maggiore stabilità di connessione
La velocità è limitata a 2 Mbps
Più costoso del DSSS
AFH (Adaptive Frequency Hopping): implementazione del FHSS con l'obiettivo di utilizzare
solo le frequenze considerate “buone”
Standard IEEE 802.15.4e (1)
Migliora il funzionamento MAC [3] in domini di applicazioni specifiche implementando:
Radio Frequency Identification Blink (BLINK): destinato ad applicazioni quali identificazione
di persone, di voci, di posizione e di tracciamento.
Asynchronous multi-channel adaptation (AMCA): utilizzato in domini applicativi dove sono
richiesti grandi dislocamenti (ad esempio: controllo/automazione di processi, monitoraggio
dell'infrastruttura, etc...).
Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension (DSME): finalizzato a supportare
applicazioni commerciali e industriali con requisiti rigidi rispetto al tempo e all'affidabilità.
Low Latency Deterministic Network (LLDN): destinati ad applicazioni che richiedono
requisiti di latenza molto bassa (ad esempio: automazione industriale, controllo di robot).
Time Slotted Channel Hopping (TSCH): mirato a domini applicativi quali l'automazione di
processi.
Standard IEEE 802.15.4e (2)
General Functional Improvements:
Low Energy (LE)
Information Elements (IE)
Enhanced Beacons (EB)
Multiporpose Frame
MAC Performance Metrics
Fast Association (FastA)
TSCH
Time-slotted Access:
Predicibilità e latenza limitata
Bandwidth garantita
Comunicazione multi-channel:
Aumento della capacità della rete perché i nodi possono comunicare allo stesso
tempo utilizzando canali differenti
CH:
Attenua gli effetti dell'interferenza e del multipath fading
Migliora l'affidabilità
Periodic Slotframe
TSCH Scheduling
Lo standard 802.15.4e specifica solo come il Mac layer esegue lo scheduling ma non
della sua implementazione
Due tipologie di scheduling:
Centralizzato: un nodo manager è
responsabile della realizzazione e del
mantenimento del network schedule
Distribuito: nessuna entità centrale quindi
ogni nodo decide autonomamente
Lo standard prevede l’utilizzo di link sia dedicati che condivisi e per evitare collisioni
implementa un algoritmo di backoff simile al CSMA/CA [4]
Riassumendo
IEEE 802.15.4:
Soffre di molti limiti prestazionali:
In termini di ritardo e probabilità di perdita di pacchetti
Dovuto al metodo di accesso CSMA/CA e ai valori dei parametri di default
E' vulnerabile alle interferenze ed al fading
IEEE 802.15.4e:
Supera le limitazioni precedenti:
Per soddisfare i requisiti di applicazioni industriali e vincolati al tempo
Utilizzando il TSCH
Channel Hopping
Sottosequenze di pacchetti sono inviate a
frequenze diverse seguendo uno pseudo-
random hopping pattern
Ritrasmissione a frequenze differenti
Garantisce maggiori chance di successo della
trasmissione
Incremento sicurezza contro attacchi Selective
Jamming
In generale il numero di canale è:
CH = macHoppingSequenceList [COUNTER % macHoppingSequenceLength] [2]
Dove il COUNTER, nel 802.15.4e, dipende da alcuni parametri quali ChannelOffset,
PANCoordinatorBSN e un indice condiviso dai device
MAC Functional Description
Le sequenze di hopping sono definite nel
Hopping Sequence PIB (PAN Information
Base) rappresentato dalla tabella.
Gli attributi della tabella includono un ID, la
lunghezza della sequenza, una lista ordinata di
canali, etc.
L’ID di default è uguale a 0 e identifica una
sequenza di default per un particolare PHY.
Questa sequenza è una lista mescolata
pseudo-casuale di tutti i canali disponibili.
L’algoritmo di mescolamento è chiamato
SHUFFLE e utilizza uno shift register con
feedback a 9-bit con polinomio
e seed iniziale di 255.
Due dispositivi non possono comunicare se non
hanno lo stesso ID di Hopping Sequence.
159 xx
DSME
DSME: Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension
Il coordinator invia periodicamente un Enhanced Beacon con un DSME PAN Descriptor IE
per coordinare la struttura del Multi-Superframe
Nel DSME PAN Descriptor IE è presente inoltre un campo che specifica i parametri del CH
Formato del DSME PAN Descriptor IE
Formato del Channel Hopping Specification
Channel Hopping Specification
HoppingSequenceID indica l’ID della sequenza di CH in uso:
0 indica la sequenza di default
1 indica che la sequenza è generata dal PAN Coordinator e ogni dispositivo deve
richiederla
altrimenti la sequenza è generata da un livello superiore
PANCoordinatorBSN specifica il numero di sequenza di beacon del PAN Coordinator
ChannelOffset specifica il valore del CH offset del device
Multi-Superframe
Un Multi-superframe è un ciclo ripetuto di superframe ognuna delle quali contiene un
beacon frame, un CAP (Contention Acces Period) e un CFP (Contention Free Period). Il
CAP inizia subito dopo il beacon e finisce prima dello slot 9. Il CFP segue il CAP e si
estende fino alla fine del superframe
Ogni DSME-GTSs (Guaranteed Time Slot) allocati si trovano nel CFP
Esempio di Multi-superframe
CAP Reduction
Se il macCAPReductionFlag è TRUE, è abilitato la riduzione del CAP.
In questo caso il primo superframe (superframe ID 0) nel Multi-superframe ha la CAP e tutti
i successivi superframe non hanno un CAP, fino alla fine del Multi-superframe
CAP Reduction in DSME Multi superframe Structure
Esempio di comunicazione CH
Nel CH del 802.15.4e ogni DSME-GTS salta su canali a frequenze predefinite per ricevere.
Nell’esempio in figura, la Hopping Sequence è {1,2,3,4,5,6} e i valori di Channel Offset dei due
dispositivi sono rispettivamente di 0 e 2.
DSME-GTSs (Timeslot, channel) dispositivo 1: (1,1), (2,2), …, (6,6), (7,1), …
DSME-GTSs (Timeslot, channel) dispositivo 2: (1,3), (2,4), …, (6,2), (7,3), …
Il dispositivo che vuole trasmettere deve utilizzare il canale del dispositivo ricevente per inviare un
data frame. Se il dispositivo ricevente riceve con successo il data frame, esso gli invia un ACK
sullo stesso canale. Se un ACK non è ricevuto nel tempo massimo consentito, il dispositivo per
ritrasmettere il frame aspetta fino al prossimo time slot di trasmissione assegnato.
Adaptive CH nel WirelessHart
Per ottimizzare l'utilizzo del canale, WirelessHART
introduce l'idea di Channel Blacklisting in modo che i
canali con interferenze consistenti siano messi in una
Black List [5]
Per supportare il CH, ogni dispositivo mantiene attiva
una tabella di canale e grazie all’idea precedente ogni
tabella può avere meno di 16 canali
Dato uno slot e un ChannelOffset, il canale attuale è
determinato dalla formula descritta in precedenza nella
definizione generale di Channel Hopping
Viene così fornita una diversità di canale e un
miglioramento dell’affidabilità della comunicazione
WirelessHART Data Link Layer Architecture
Bibliografia
[1] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs)”, IEEE Computer Society, 2011
[2] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs) - Amendment 1: MAC sublayer”, IEEE Computer Society, 2012
[3] Domenico De Guglielmo et al., “From IEEE 802.15.4 to IEEE 802.15.4e: A Step Towards the Internet of
Things”, Advances in Intelligent Systems and Computing Volume 260, 2014, DOI: 10.1007/978-3-319-03992-3_10
[4] M. R. Palattella et al., "Traffic Aware Scheduling Algorithm for Reliable Low-Power Multi-Hop IEEE 802.15.4e
Networks", Proc. of IEEE Int. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Commun., PIMRC, 2012, DOI:
10.1109/PIMRC.2012.6362805
[5] Jianping Song et al., “WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control”,
Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, 2008. RTAS '08. IEEE, 2008, DOI:
10.1109/RTAS.2008.15
[6] Gabriella Fiore, “Multihop Multi-Channel Scheduling for Wireless Control in WirelessHART Networks”,
University of L'Aquila - Faculty of Engineering, 2013