Aktuální vydání

celé číslo

05

2020

snímače teploty

celé číslo

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi VII: další standardy

číslo 7/2004

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi VII: další standardy

V předchozích dílech seriálu byly představeny nejvýznamnější bezdrátové standardy Bluetooth, IEEE 802.11 a GSM. Tento díl seriálu seznámí čtenáře s dalšími, dosud méně známými, avšak perspektivními standardy bezdrátových sítí.

1. PAN – Personal Area Networks

Nejznámějším standardem kategorie PAN je bezesporu standard Bluetooth. Organizace IEEE zahrnuje sítě PAN do kategorie IEEE 802.15, přičemž Bluetooth je vedeno pod označením IEEE 802.15.1. Avšak Bluetooth zdaleka není jediným standardem této kategorie. Existují aplikace, pro které není Bluetooth vhodné, a tak se vyvíjejí další standardy pro bezdrátové sítě. Jedním z mimořádně perspektivních zástupců kategorie PAN je bezdrátová komunikace ZigBee, která je v rámci IEEE označena IEEE 802.15.4.

1.1 ZigBee
Na vývoji standardu ZigBee se podílí více než šedesát firem sdružených do organizace ZigBee Aliance (http://www.zigbee.org). V této alianci jsou zastoupeny i významné světové automatizační firmy (např. Omron, Honeywell, Danfoss, ABB, Siemens), a tak standard ZigBee svými vlastnostmi vyhovuje potřebám automatizace mnohem více než Bluetooth. Aliance ZigBee jako jednu z cílových aplikací pro ZigBee přímo uvádí oblast sběru dat ze snímačů. Vzhledem k tomu, že pro danou sféru neexistuje globálně akceptovaná a široce podporovaná bezdrátová komunikace, lze předpokládat, že se ZigBee, na rozdíl od standardu Bluetooth, v oblasti automatizace masově rozšíří.

Cílové aplikace ZigBee podle předpokladů aliance ZigBee a standardizační skupiny IEEE 802.15.4 jsou:

  • domácí automatizace: bezdrátová zabezpečovací zařízení pro domácnosti, ovládání termostatů a klimatizace, ovládaní osvětlení, záclon, závěsů, žaluzií a rolet, tlačítka pro přivolání pomoci pro tělesně postižené a staré osoby, univerzální dálkové ovládání domácích spotřebičů (televize, rádio atd.), interaktivní hračky a spotřebiče, bezdrátové požární snímače a detektory kouře a plynů,

  • průmyslové sítě: průmyslová automatizace a automatizace průmyslových budov,

  • počítačové periferie: bezdrátové klávesnice a myši, bezdrátová herní zařízení,

  • sítě v dopravní technice.

Obr. 1.

Vzhledem k různosti zamýšlených aplikací standard definuje tři režimy přenosu dat: periodicky se opakující přenosy (např. data z čidel), nepravidelné přenosy (reakce na nepravidelné externí události, např. stisk tlačítka uživatelem) a opakující se přenosy s požadavkem na malé zpoždění (např. informace zasílané s využitím klávesnice, myši nebo joysticku).

Topologie zmíněné sítě je velmi flexibilní, v zásadě hvězdicová s centrálním řídicím uzlem (tzv. koordinátorem), avšak možné jsou i přenosy peer-to-peer mezi zařízeními. Protokol umožňuje vytvořit redundantní přenosové cesty (volně proměnná topologie – sítě typu mesh). ZigBee definuje dvě kategorie zařízení: FFD (Full Function Device) a RFD (Reduced Function Device). Zařízení FFD jsou vybavena kompletním protokolovým rámcem a jsou schopna zajistit všechny služby stanovené standardem ZigBee. Naproti tomu zařízení RFD obsahují pouze nejnutnější protokolové knihovny, aby byly maximálně omezeny hardwarové nároky, přičemž cílem je dosáhnout co nejmenší spotřeby energie a nejnižší ceny. Vzhledem k tomu, že architektura protokolu ZigBee určuje i směrovací služby, umožňuje ZigBee propojit jednotlivé hvězdy a vytvořit tak i rozlehlou síť přizpůsobenou lokálním podmínkám a potřebám (obr. 1).

Standard ZigBee na úrovni fyzické a linkové vrstvy využívá normu IEEE 802.15.4. Pracuje tedy v bezlicenčních pásmech:

  • 2,4 GHz – globální bezlicenční pásmo, vymezeno je šestnáct kanálů, přenosová rychlost do 250 kb/s,
  • 915 MHz – USA, definováno je deset kanálů, přenosová rychlost do 40 kb/s,
  • 868 MHz – Evropa, určen jeden kanál, přenosová rychlost do 20 kb/s.

Plánovaný dosah signálu ZigBee je přibližně 10 až 30 (75) m, v závislosti na lokálních podmínkách šíření signálu a použitém vysílacím výkonu vysílače, citlivosti přijímače a typu použitých antén.

Hlavní výhodou ZigBee oproti standardu Bluetooth má být malá spotřeba zařízení ZigBee, neboť trvale aktivní musí být pouze centrální řídicí uzel sítě (hvězdy), u kterého se nepředpokládá bateriové napájení. Ostatní zařízení v síti mohou být po dlouhou dobu přepnuta do režimu nízké spotřeby. Očekává se, že bezdrátová čidla (a další zařízení) budou pracovat i několik let bez výměny baterie.

Hlavní, spíše zdánlivou nevýhodou ZigBee oproti Bluetooth jsou malé přenosové rychlosti. Avšak ZigBee není zamýšleno jako konkurent standardu Bluetooth, naopak je vyvíjeno jako jeho doplněk, a to tak, aby pokrylo aplikace, pro které je Bluetooth nevhodné. Porovnání ZigBee a Bluetoothu je v tab. 1.

Tab. 1. Porovnání ZigBee a Bluetooth

Vlastnost ZigBee Bluetooth
nominální dosah (bez zesilovače) 30 m 10 m
maximální přenosová rychlost 250 kb/s 700 kb/s
maximální počet zařízení v jednom segmentu (piconet) 255 8
maximální počet zařízení v síti 4 000 není omezeno
komplexnost protokolu (velikost firmwaru), přibližně 30 kB 250 kB
vyhledání nového zařízení typicky 30 ms do 3 s

ZigBee je optimalizováno pro statické sítě, určené pro občasný přenos menšího množství dat, zatímco Bluetooth je optimalizováno pro malé sítě vytvořené ad hoc, určené pro relativně rychlý přenos většího množství dat. Typickou aplikací standardu Bluetooth je přenos hlasu, hudby nebo souborů. Typickou aplikací ZigBee jsou občasné přenosy malého množství dat z čidel, vstupních a výstupních zařízení, dálkových ovládání apod.

Vzhledem ke komplexnosti protokolu Bluetooth obvykle moduly Bluetooth obsahují výkonný 32bitový procesor ARM. Naproti tomu protokol ZigBee je navržen tak, že bude možné využít i osmibitové procesory, např. i8051 nebo Motorola HCS08. Rovněž se předpokládá, že cena i spotřeba modulů ZigBee (FFD i RFD) budou menší než u modulů Bluetooth. První prototypy zařízení ZigBee byly předvedeny koncem roku 2003.

1.2 IEEE 802.15.3 – High Rate PAN network
Organizace IEEE připravuje pod označením IEEE 802.15.3 standard pro bezdrátovou komunikační síť PAN, která umožní vysokorychlostní přenosy na malé vzdálenosti. Pracovní skupina IEEE 802.15.3 pracuje na vývoji standardu technických zařízení s těmito vlastnostmi:

  • přenosové rychlosti 11, 22, 33, 44 a 55 Mb/s,
  • podpora Quality of Service (QoS) s využitím izochronního protokolu,
  • podpora sítí ad hoc a komunikace peer-to-peer.

Zařízení budou optimalizována pro přenosné multimediální aplikace.

2. WLAN – Wireless Local Area Networks

2.1 HomeRF
HomeRF je standard rozšířený zejména v USA. Jak již z názvu standardu vyplývá, byl navržen především pro aplikace v domácnostech. Hlavními konkurenty tohoto standardu jsou standardy Bluetooh a IEEE 802.11. Základem HomeRF je protokol HomeRF Shared Wireless Access Protocol (SWAP) Fyzická vrstva HomeRF vychází z fyzické vrstvy standardu IEEE 802.11, avšak zjednodušuje ji. Vrstva MAC (Media Access Control), která řídí přístup k přenosovému médiu, je kombinací vrstvy MAC standardů IEEE 802.11 a DECT. Přístupová metoda umožňuje kombinaci režimů CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) a TDMA (Time Division Multiple Access). Režim CSMA/CA je vhodný pro přenos asynchronních dat, režim TDMA je využíván pro přenos hlasu.

Základní vlastnosti standardu HomeRF shrnuje tab. 2.


Pásmo ISM 2,4 GHz
Vysílací výkon 100 mW
Počet stanic v síti až 127
Množství současných duplexních hlasových přenosů max. 6
Šifra použitá pro zabezpečení přenosů Blowfish
Topologie ad hoc, hvězda

Síť byla vyvíjena s cílem poskytnout domácnostem jednotnou bezdrátovou komunikační techniku, která umožní bezdrátové propojení počítačů i připojení bezdrátového telefonu k základnové stanici. Využití standardu HomeRF v oblasti automatizace je malé, snad s výjimkou automatizace domácností. Budoucí vývoj standardu HomeRF je obtížné předpovídat, neboť je v oblasti bezdrátových lokálních sítí vytlačován standardy řady IEEE 802.11 a IEEE 802.15. HomeRF se na konkurenční tlaky pokoušel reagovat novou verzí protokolu SWAP (SWAP 2.0), která mj. zvýšila přenosovou rychlost (podporované rychlosti jsou 800 kb/s, 1,6 Mb/s, 5 Mb/s a 10 Mb/s). Z hlediska automatizace a aplikací v České republice je význam HomeRF zanedbatelný.

2.2 HiperLAN
HiperLAN je evropský standard pro bezdrátové sítě LAN, který přímo konkuruje sítím řady IEEE 802.11. Původní standard HiperLAN/1 byl doplněn novým standardem HiperLAN/2. HiperLAN pracuje v pásmu 5 GHz a jeho existence je jedním z důvodů, proč nelze v Evropě využívat standard IEEE 802.11a. Bezdrátové sítě řady IEEE 802.11 v podstatě vznikly přenesením Ethernetu, známého z běžných LAN (IEEE 802.3), na bezdrátové médium. Oproti tomu standard HiperLAN byl již od počátku vyvíjen tak, aby kromě asynchronních přenosů dat umožňoval i přenosy se zvýšenými nároky na komunikaci v reálném čase a garantovanou propustnost dat. Standard HiperLAN/2 se vyznačuje těmito rysy:

  • přenosová rychlost až 54 Mb/s,
  • dosah 30 m v budovách, 150 m mimo budovy (bez směrových antén),
  • podpora Quality of Services (IEEE 802.1p a ATM QoS),
  • škálovatelné zabezpečení, šifrování DES, klíče o délce 56 až 168 bitů.

HiperLAN/2 je v porovnání s IEEE 802.11b zajímavý především pro svou datovou propustnost, která je srovnatelná s IEEE 802.11g a IEEE 802.11a, podporu QoS a dobré zabezpečení přenášených dat. Na rozdíl od standardu IEEE 802.11, který pro přístup k médiu využívá nedeterministickou metodu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) využívá HiperLAN deterministickou metodu TDMA/TDD (Time-Division Multiple Access/Time Division Duplex), jež staví na centrálně přidělovaných časových slotech. Oproti IEEE 802.11a navíc podporuje dynamický výběr kmitočtu a řízení vysílacího výkonu. Rozšíření sítí HiperLAN je poměrně malé, i když standard kromě evropských firem podporují i japonští výrobci.

2.3 Standard IEEE 802.11h
Jelikož se sítě HiperLAN zatím příliš nerozšířily a standard IEEE 802.11a není (a zřejmě nikdy nebude) v Evropě schválen k používání, je pro Evropu připravována norma IEEE 802.11h. Ta v podstatě rozšiřuje IEEE 802.11a o řízení vysílacího výkonu a dynamickou volbu kmitočtu tak, aby evropské telekomunikační orgány umožnily využít pásmo 5 GHz pro sítě WLAN IEEE802.11.

3. MAN – Metropolitan Area Networks

Mezi významné metropolitní bezdrátové sítě patří jednak sítě řady IEEE 802.16, jednak konkurenční evropský standard HiperAccess. Oba tyto standardy jsou zamýšleny jako širokopásmové bezdrátové připojení k (telekomunikační nebo datové) páteřní síti, přičemž cílem je nabídnout cenově dostupné řešení tzv. poslední míle. V porovnání se sítěmi WLAN nabízejí větší přenosové rychlosti, ale menší flexibilitu.

Tab. 3. Seznam použitých zkratek
Zkratka Plné znění
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
ATM Asynchronous Transfer Mode
BWA Broadband Wireless Access
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
DSL Digital Subscriber Line
LAN Local Area Network
MAN Metropolitan Area Network
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PAN Personal Area Network
QoS Quality of Services
TDD Time Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access
VDSL Very high data rate Digital Subscriber Line

3.1 Standard IEEE 802.16
Standard IEEE 802.16 je ve vývoji. Předpokládá se využití mnoha pásem na frekvencích od 2 do 66 GHz. Oproti IEEE 802.11 se od základu předpokládá podpora QoS, neboť bezdrátový spoj má být využitelný pro přenos dat i pro přenos hlasu a obrazu. Definovány jsou režimy přenosu dat s rychlostmi od 2 do 155 Mb/s.

3.2 HiperAccess
Podobně jako IEEE 802.16 je i HiperAccess zamýšlen jako širokopásmové připojení domácností a menších firem k páteřní komunikační síti s cílem konkurovat službám xDSL (Digital Subscriber Line), jako jsou DSL, ADSL a VDSL. Předpokládá se využití frekvenčních pásem 3,4 GHz, 10 GHz, 24,5 až 26,5 GHz, 27,5 až 29,5 GHz, 31,8 až 33,4 GHz a 40,5 až 43,5 GHz, avšak v některých z těchto pásem jsou v současné době provozovány jiné aplikace.

Pro oblast automatizace jsou sítě kategorie MAN zajímavé především jako metoda pro bezdrátové vysokorychlostní propojení mezi pobočkami firmy nebo výrobními halami, zejména s ohledem na to, že obě uvedené sítě jsou schopny zajistit garantované vlastnosti spojení (QoS) a deterministické služby při přenosu dat, neboť využívají přístupové metody založené na TDMA.

4. Závěr

Pro oblast automatizace je z uvedených standardů jednoznačně nejzajímavější standard ZigBee, který je „šitý na míru„ potřebám bezdrátového sběru dat, domácí automatizace a automatizace budov. Specifikace standardu ZigBee zatím není zcela dokončena, hotové jsou pouze nejnižší vrstvy profilu ISO/OSI. Avšak z dostupných informací je zřejmé, že ZigBee má, na rozdíl od standardu Bluetooth, velkou šanci prosadit se v automatizaci nejen jako přímá náhrada komunikačních rozhraní RS-232/485, ale v některých aplikacích i jako náhrada průmyslových sběrnic.

Ing. Zdeněk Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář,
T-Mobile Czech Republic, a. s.

Inzerce zpět