KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Kam kráčí standard ZigBee

Kam kráčí standard ZigBee

Bezdrátový standard ZigBee, který je určen pro průmyslovou automatizaci, automatizaci budov a spotřební elektroniku, byl ve verzi 1.0 schválen v prosinci roku 2004. Tento zcela nový a pro budoucnost automatizace poměrně významný standard byl v Automě stručně představen již v čísle 7/2004 [1]. V roce 2006 nastal uvedením nové verze Zig-Bee poměrně zásadní zlom ve vývoji tohoto standardu.

Novinky v ZigBee

Využívání v mnoha ohledech převratného standardu ZigBee (obr. 1) v praxi ukázalo, že jeho první verze obsahuje nedostatky, které brání jeho úspěšné implementaci především v rozsáhlých sítích obsahujících větší množství zařízení. Vzhledem k tomu, že tyto problémy nelze systematicky řešit v rámci původního standardu, bylo oznámeno, že je připravován inovovaný standard ZigBee (často označovaný jako ZigBee verze 1.1) a že s ohledem na charakter nedostatků nebudou zařízení pracující podle starého a podle nového standardu slučitelná [2]. Tato informace v podstatě zastavila uvádění výrobků podle standardu ZigBee 1.0 na trh a všichni potenciální výrobci koncových zařízení do značné míry zmrazili vývoj nových zařízení v očekávání nové verze standardu. Podrobný popis komunikačního standardu je uveden na webové stránce http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006032001

ZigBee 2006

V souladu s časovým harmonogramem organizace ZigBee Alliance byl 12. 12. 2006 zveřejněn inovovaný standard nazvaný Zig-Bee 2006, který však byl členům ZigBee Alliance zpřístupněn již během podzimu 2006. V souvislosti se zveřejněním tohoto standardu bylo oznámeno, že byly ustaveny následující čtyři základní platformy (Golden Units), vzhledem k nimž budou certifikovány jednotlivé komponenty vývojových systémů i finálních produktů: EmberZNet firmy Ember, BeeStack firmy Freescale, USB Dongle firmy Integration Associates a Z-Stack firmy Texas Instruments. Z dalších komerčně dostupných softwarových platforem byly v lednu 2007 certifikovány knihovny ZigBee firmy Airbee Wireless, které rovněž využívají hardwarovou platformu Texas Instruments. Další platformy jsou průběžně certifikovány.

Obr. 1.

Obr. 1. Struktura ZigBee

Standard ZigBee 2006 je sice očekávaným standardem ZigBee 1.1, avšak ani tento standard ještě neobsahuje všechny předpokládané funkce. Zásadní změnou je přechod ze stromové adresovací struktury na náhodné přidělování adres s mechanismem detekce adresních kolizí [2]; to zvýší stabilitu a použitelnost velkých sítí. Za cenu zvýšené komplexnosti kódu je teoreticky možné mít zařízení, která podporují obě verze standardu (ZigBee 1.0 i ZigBee 2006), avšak tato možnost je spíše teoretická a z hlediska použití v praxi nezajímavá.

Další očekávaný vývoj

ZigBee 2006 rozhodně není konečnou verzí standardu. Očekává se, že ještě během roku 2007 bude zveřejněna její další inovace, předběžně označovaná jako ZigBee Pro, někdy jako ZigBee 2007. Organizace Zig-Bee Alliance je poměrně skoupá na oficiální informace o dalším vývoji standardu Zig-Bee a mnoho strategických dokumentů je dostupných pouze členům této aliance nebo členům standardizačních komisí. Proto byly pro dedukci budoucího vývoje standardu Zig-Bee použity nejen oficiální informace a tiskové zprávy, ale i neoficiální publikace, články a relevantní diskusní skupiny. Závěry ve vloženém článku Další předpokládaný vývoj standardu ZigBee Pro nemusí zcela přesně reflektovat budoucí vývoj.

Podle některých informací plánuje Zig-Bee Alliance pravidelně vydávat aktualizované verze standardu zaměřené na různé cílové aplikace, přičemž ZigBee 2006 je první standard v této řadě a je cílen na automatizaci domácností. Pravděpodobnější však je, že ZigBee 2006 je mezistupněm mezi ZigBee 1.0 a ZigBee Pro, který již umožňuje použití zařízení ZigBee v oblasti automatizace domácností a spotřební elektroniky, přičemž pokročilé funkce nezbytné např. pro rozsáhlé průmyslové aplikace budou definovány až ve standardu ZigBee Pro.

ZigBee Alliance dlouhodobě uvádí, že standard ZigBee bude zaměřen na tři cílové segmenty: automatizaci domácností, domů, bytů a spotřební elektroniku (home automation), průmyslovou automatizaci a automatizaci budov. Ohledně dalšího vývoje standardu ZigBee panuje shoda v tom, že všechny nové verze standardu, počínaje ZigBee 2006, již budou na úrovni síťové vrstvy navzájem kompatibilní a zařízení budou v síti bez problémů koexistovat bez zvýšených požadavků na komplexnost kódu. Z toho lze usuzovat, že změny v síťové vrstvě jsou v zásadě ukončeny a případné další změny se budou týkat převážně jen aplikační vrstvy.

Očekávané novinky na fyzické vrstvě

Standard ZigBee (1.0 i 2006) na úrovni fyzické a linkové vrstvy využívá standard IEEE 802.15.4, který definuje v pásmu ISM 2,4 GHz celkem šestnáct kanálů s přenosovou rychlostí 250 kb/s a dále definuje možnost použití pásem ISM 868 MHz (jeden kanál 20 kb/s) a pro USA pásmo 915 MHz (deset kanálů, 40 kb/s).

V rámci pracovní skupiny IEEE 802.15 TG4a je připravován standard IEEE802.15.4a, který s velkou pravděpodobností bude rovněž využíván jako fyzická a linková vrstva ZigBee [7]. Tento nový standard pracovní skupiny zaměřené na pomalé bezdrátové sítě PAN (Low-rate wireless PAN) bude definovat jednak další modulační technologii (modulace chirp) pro pásmo 2,4 GHz a dále využití širokopásmového impulsního bezdrátového přenosu UWB (Ultra Wide Band) pro bezdrátové sítě.

Další předpokládaný vývoj standardu ZigBee

V budoucím standardu ZigBee Pro lze očekávat rozšíření o přenos dat mezi různými sítěmi ZigBee nebo alespoň důsledné řešení koexistence různých sítí PAN, které se mohou navzájem překrývat. Současný standard [3] se zabývá pouze komunikací v rámci jedné sítě PAN, a komunikaci napříč různými sítěmi PAN neřeší. Rovněž se předpokládá, že nová verze standardu bude obsahovat mechanismy pro provoz bateriově napájených směrovačů (router), tedy mechanismy, které směrovačům umožní vypínat rádiovou stanici i procesor (tj. přecházet do nízkopříkonových režimů) a být aktivní pouze v předem dohodnutých časových intervalech. Toto dlouho očekávané rozšíření je nutné pro bateriově nebo solárně napájené senzorické sítě.

Dalším očekávaným rozšířením je zvýšení míry kryptografického zabezpečení, což je významné zejména pro zabezpečovací systémy v budovách, průmyslových celcích a veškerých aplikacích, kde je nutné chránit data před zneužitím nebo úmyslným zkreslením. Proti útokům zevnitř by proto měla některá z dalších verzí podporovat asymetrické šifry. Zig-Bee 2006 zatím podporuje pouze symetrické šifrování (šifra AES s klíčem o délce 128 bitů), které je sice velmi kvalitní, avšak vzhledem k symetrickému charakteru neumožňuje prvotní bezpečnou distribuci šifrovacích klíčů. Podpora asymetrických šifer zajistí bezpečnou komunikaci po nezabezpečeném komunikačním kanálu, a tedy i pro bezpečnou distribuci symetrických šifrovacích klíčů v komplexních aplikacích s velkým počtem zařízení. V této souvislosti bývají zmiňovány [4], [5] tzv. eliptické šifry ECC, které jsou vhodné i pro implementaci v malých zařízeních s osmibitovými procesory, neboť délka jejich klíčů je (na rozdíl od běžných asymetrických šifer jako např. RSA) srovnatelná se symetrickými šiframi [6], a jsou tedy vhodné i pro implementaci do zařízení s omezenými paměťovými prostředky (tab. 1).

Pro pásmo 2,4 GHz bude připravovaný standard IEEE 802.15.4a vycházet z řešení firmy Nanotron [8]; její komunikační moduly umožňují v pásmu 2,4 GHz definovat kanál s komunikační rychlostí 32 kb/s až 2 Mb/s. Toto řešení využívá tzv. chirp modulaci, která je mimořádně robustní, takže při zachování stejného vysílacího výkonu, jaký mají komunikační moduly pracující podle současného standardu IEEE 802.15.4, lze dosahovat výrazně většího dosahu. Ačkoliv moduly firmy Nanotron umožňují lokalizaci v prostoru na základě vyhodnocení zpoždění signálu při komunikaci mezi jednotlivými moduly, standard IEEE 802.15.4a v pásmu 2,4 GHz lokalizaci zřejmě definovat nebude.

V oblasti přenosů UWB zatím nejsou bližší technické specifikace k dispozici, technická skupina TG4a prozatím předpokládá využití frekvenčního rozsahu 3,1 až 4,9 GHz a dále pásma v oblasti nad 6 GHz s předpokládanými komunikačními rychlostmi do 10 Mb/s [9]. V oblasti UWB pravděpodobně bude, na rozdíl od pásma 2,4 GHz, definován způsob lokalizace v rámci standardu IEEE.

Tab. 1. Doporučené délky klíčů vzhledem k AES podle NIST [6]

Délka klíče AES

Délka klíče RSA

Délka klíče ECC

128 bitů

3 072 bitů

256 bitů

256 bitů

15 360 bitů

512 bitů

Skutečnost, že standard IEEE 802.15.4 nebude v pásmu 2,4 GHz definovat jednotnou metodu lokalizace, však neznamená, že budoucí sítě ZigBee pracující v tomto pásmu nebudou lokalizaci využívat nebo podporovat. Standard ZigBee může v budoucnu nezávisle na standardu IEEE definovat či předdefinovat používanou metodu lokalizace, neboť se zdá, že rozhodnutí pracovní skupiny TG4a nepodporovat lokalizaci v pásmu 2,4 GHz bylo motivováno spíše politicky než technicky. V současné době lokalizaci v tomto pásmu umožňují jak moduly firmy Nanotron, tak moduly firmy Chipcon.

Podle plánu z počátku roku 2005 měla být práce na vývoji standardu IEEE 802.15.4a ukončena v prvním čtvrtletí roku 2007. Vzhledem k celkovému skluzu vývoje komunikací UWB bude pravděpodobně i vypracování standardu IEEE 802.15.4a proti původnímu plánu rovněž opožděno. Bez ohledu na toto zpoždění však zřejmě firmy Nanotron, Texas Instruments a Airbee Wireless již pracují na platformě „Zig-Bee“, která bude v pásmu 2,4 GHz využívat robustnost a prodloužený komunikační dosah daný modulací chirp.

Poděkování
Sledování současného vývoje standardu ZigBee i predikce budoucího vývoje probíhá jako součást řešení grantu GAČR GA 102/05/0663, projektu MPO TANDEM FT-TA2/087 a výzkumného záměru MŠ MSM0021630503.

Literatura
[1] BRADÁČ, Z. – FIEDLER, P. – KAČMÁŘ, M.: Bezdrátové komunikace v automatizační praxi VII – Další standardy. Automa, 2004, roč. 10, č. 7, s. 44–46, ISSN 1210-9592.
[2] CLENDENIN, M.: ZigBee‘s improved spec incompatible with v1.0. EETimes OnLine, 27. 9. 2006, dostupné z http://www.eetimes.com/news/semi/showArticle.jhtml?articleID=193006037
[3] ZigBee Aliance: ZigBee 2006 – ZigBee Specification, kapitola 1.1.4 Network topology. ZigBee Document 053474r13, December 1, 2006, s. 30.
[4] KRASNER, J.: Using Elliptic Curve Cryptography (ECC) for Enhanced Embedded Security, Embedded Market Forecasters. American Technology International, Inc., listopad 2004, dostupné z http://www.embedded-forecast.com/EMF-ECC-FINAL1204.pdf
[5] PER EIR A, R.: ZigBee And ECC Secure Wireless Network. ED Online ID #8369, Electronic Design, srpen 2004, dostupné z http://www.elecdesign.com/Articles/Index.cfm?AD=1&ArticleID=8369
[6] http://www.certicom.com/index.php?action=ecc,ecc_faq
[7] ELLIS, J.: UWB for Low Rate Precision Location Applications. Prezentace na Ultrawideband World 2004, USA, září 2004, dostupné z http://staccatocommunications.com/papers/Staccato_IEEE_802.15.4a_UWB
_Low_Rate_Presentation_UWB_World_29Sep04.pdf

[8] http://www.nanotron.com/EN/PR_modules.php
[9] IEEE TG4a: Baseline draft specification selected – 2 optional PHYs: UWB Impulse Radio and Chirp Spread Spectrum (operating in 2.4GHz). Mar 05 – 05/0172r3, dostupné z ftp://ieee:wireless@ftp.802wirelessworld.com/15/05/15-05-0172-03-004a-abd-mergeduwb-proposal-ieee802-15-tg4a.ppt
[10] http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006032001

Petr Fiedler, Zdeněk Bradáč,
Ondřej Hynčica, Zdeněk Kaňa