Comunicatiile de voce in retelele ZigBEE

Comunicatiile de voce in retelele ZigBEE

REZUMAT

Acest articol prezinta o imagine de ansamblu asupra retelelor wireless ZigBee si discuta facilitatea ca aceste retele sa suporte comunicatiile de voce. Incepem prin a prezenta in ansamblu tehnologia ZigBee urmata de o evolutie a calitatii si performantei vocii pe acest canal wireless. Doua tipuri de comunicatii de voce sunt considerate: full duplex (VoIP) si semiduplex (PTT - Push To Talk). Calitatea vocii in cazul VoIP este masurata folosind factorul R (un obiectiv al metricii calitatii vocii). Calitatea PTT, este evaluata pe baza ratei de pierdere a pachetelor, intarzieri si jiter. Rezultatele simularii demonstreaza ca un senzor wireless de retea de putere si rata mica poate suporta un numar limitat de servicii de voce.

INTRODUCERE

Serviciile VoIP s-au inovat enorm in sectoarele bussiness si ale consumatorilor. Utilizatorii au inceput sa experimenteze beneficiile reuniunii dintre VoIP cu retelele wireless, cum ar fi mobilitatea si serviciile cu aplicatii VoWiFi. Pe de alta parte un alt tip de retea wireless apare. Retelele senzor wireless au preturi scazute si sunt de putere mica. Vom studia realizabilitatea de a avea comunicatii de voce in retelele senzor wireless, in particular retelele ZigBee.

ZigBee este numele unei tehnologii care consista din aspecte proiectate pentru retelele senzor wireless si controllere-lor. Nivelul fizic (PHY) si nivelul de control al accesului mediu (MAC) sunt standardizate de retelele IEEE 802.15 sub denumirea 802.15.4 [3]. Nivelele superioare sunt specificate de ZigBee Alliance [2], care se compune din mai multe companii din gama providerilor de chipuri ZigBee. In comparatie cu alte comunicatii in retele wireless, ZigBee e proiectata special pt a satisface cerintele de consum putin al puterii bateriei, pret scazut, noduri putine de controllere si senzori capabili, de obicei alimentate de microcontrolere pe 8 biti. S-a estimat ca dimensiunea unui pachet software ZigBee este de 1/10 din pachetul software Bluetooth. ZigBee asigura un consum optim al puterii astfel ca starile inactive sa poate fi schimbate in stari active. Ca rezultat senzorii ZigBee wireless pot lucra multi ani fara ca bateria sa fie schimbata.

In acest articol dupa o revizuire a protocoalelor si a tehnologiei, oferim o detaliere a:

numarul liniilor full duplex si semiduplex in tehnologia ZigBee

caracterizarea calitatii vocii utilizand factorul R, intarzierea, jiterul, si rata de pierdere a pachetelor

Vom folosi o simulare pentru a urmari obiectivele mentionate mai sus.

Articolul este organizat astfel: oferim detalii despre tehnologia Zigbee, introducem metodologia evaluarii calitatii vocii si revizuim vocea cu tehnologia ZigBee deja existenta. Investigam realizabilitatea comunicatiei de voce prin ZigBee caracterizata dupa factorul R. Dicutam unele rezultate din scenariile de voce intr-un mediu realist. In final, concluzionam.

TEHNOLOGIA ZIGBEE

Tehnologia ZigBee e proiectata sa ofere o comunicatie wireless simpla si de pret redus precum si solutii in retea pentru pierderea pachetelor si consumum minimal de putere, ca monitorizarea si automatizarea de acasa, monitorizarea mediului, controlul industrial, si unind aplicatii ale senzorilor wireless de rata mica. Figura 1 ilustreaza stiva de protocoale ZigBee.

ZigBee clasifica dispozitivele in doua mari categorii: dispozitive cu functionalitate in intregime (FFDs) si dispozitive cu functionalitate redusa (RFDs). FFD se preconizeaza a fi cele mai puterinice noduri intr-o retea ZigBee. Participa in functii cum ar fi nucleul retelei si fidelizarea datelor. Ele trebuie sa fie active permanent. RFD se conecteaza la retelele ZigBee prin FFD. Ele nu comunica decat cu FFD-urile corespunzatoare intr-o maniera controlata. RFD au un software simplu. RFD pot devenii inactive pentru a optimiza consumul bateriei si permit FFD-urilor corespunzatoare sa direjeze comunicatiile.

In retele ZigBee dispozitivele pot lua unul din cele trei roluri:

- Dispozitive de capat - un FFD sau un RFD care executa aplicatii si nu are un nod succesor.

- Router - un FFD care are un nod parinte si un nod succesor.

- Coordonator - un FFD care controleaza reteaua ZigBee care poate fi o pasarela spre lume externa, un centru autorizat, si un acces cu autentificare, toate intr-unul.

Fiecare retea ZigBee are un coordonator dar poate avea mai multe dispozitive si dispozitive de capat. Ca dispozitive de capat, routerele si coordonatoarele pot executa aplicatiile proprii senzor/controller. ZigBee suporta multe topologii de retele multihop cum sunt ilustrate in figura 2.

ZigBee/IEEE 802.15.4 nivel fizic

IEEE 802.15.4.4 [3] fizic suporta frecvente radio nelicentiate industriale stiintifice si medicale cu benzi de 868 MHz, 915MHz and 2.4 GHz. Cu toate ca benzile sub GHz au o gama mai larga de comunicatie (la aceeasi putere de transmitere) si caracteristici de penetrare mai bune in comparatie cu 2.4 GHz, aceasta banda e regionala. Pe de alta parte banda de 2.4 GHz e global disponibila. Cand se opereaza in benzile sub-GHz, cum este specificat in standardul IEEE 802.15.4-2003, ZigBee suporta doar rate mici de pierdere a pachetelor. Majoritatea primului val al produselor ZigBee folosesc banda de 2.4 GHz. Comunicatiile ZigBee folosesc secvente directe de spectru (DSSS). Cu fieacare 4 biti ai unui bloc cu care se mapeaza la 32 de biti pentru secventa pseudo-aleatoare la 2M-chip/uri si offset QPSK (O-QPSK) in banda 2.4 GHz, rata ZigBee este de 250 Kb/s. In total 16 5 MHz de canale sunt disponibile in banda de 2.4 GHz pentru ZigBee.

ZigBee/IEEE 802.25.4 MAC

In nivelul MAC, sunt doua optiuni pentru acces: bazate pe semnal intermintent, sau nebazate pe semnal intermitent.

In non-semnal intermintent dispozitivele ZigBee nu se sincronizeaza. Dispozitivele acceseaza canalul folosind purtator cu acces multiplu si cu evitarea coliziunilor (CSMA/CA). Fiecare transmitator trebuie sa acceseze canalul inainte sa transmita. Daca canalul este detectat ca ocupat, transmitatorul se opreste si testeaza din nou la sfarsitul ferestrei de timp. IEEE 802.15.4 MAC prezinta un nivel pt confiramarea datelor functii de retransmitere.

Cele bazate pe semnal intermitens divid timpul in unitati fixe ca lungime cunoscute sub numele de supercadre, fiecare dintre ele este alcatuit din 2 semnale succesive si tin trei perioade: o perioada de acces de disputa (CAP), o perioada fara disputa optionala (CFP) si o perioada inactiva. CAP si CFP contin un numar (implicit 16) de sloturi egale ca dimensiune. Un cadru de semnal intermitent trebuie sa fie transmis in primul slot. Sloturile in CFP se numesc sloturi de timp garantate (GTS), care pot fi alocate de un coordonator al unei retele PAN (personal area network) pentru a suporta aplicatii de timp real urgente. In timpul CAP, canalul este accesat folosind CSMA/CA.

Tipic semnalul intermitent e folosit numai in retele de tip stea si arbore ca in figura 2, in timp ce retele tip plasa folosesc accesul cu semnalul non-intermitent. Topologiile in stea si arbore nu sunt la fel de flexibile si robuste pentru a fi folosite intr-o topologie de tip plasa. Pentru ca este dificil sa adaugi structura de retea si sincronizare, de care are nevoie semnalul intermitent pt retelele plasa ZigBee, in prezent toate retelele plasa ZigBee comerciale se bazeaza pe acces MAC cu semnal non-intermitent. In acest articol ne concentram in a studia comunicatia cu voce pt retelele cu acces non-intermitent.

PROTOCOLIL RETEA

ZigBee are compatibilitate salveaza- si trimite mai departe multihop, proiectate ca o parte integrala a sistemului. Aceasta functie e implementata in protocolul retea. In afara de faptul ca transmite datele mai departe acest protocol se confrunta si cu: dispozitive care intra si parasesc reteaua, configurarea noilor dispozitive, adresarea dispozitivelor, si descoperirea vecinilor si rutelor. Multe primitive de serviciu sunt definite pentru a activa un dispozitiv sa intre (sau sa paraseasca) in retea prin asocierea sau dezasocierea cu nivelul MAC. Fiecare dispozitiv ZigBee e identificat dupa o adresa de 64 de biti IEEE. Dupa ce a intrat intr-o retea ZigBee un dispozitiv primeste o adresa de 16 biti pentru comunicatii intra-retea. Controlul de admisie si managementul adresei intr-o retea ZigBee sunt facute de nodul coordonator.

Pentru structuri cum ar fi topologia arbore, adreasa scurta este mascata similara cu adresarea IP. Aceasta adresare reflecta natura ierarhica a topologiei. In structurile de retele ZigBee, organizarea semnalului intermitent este folosit pentru a garanta ca fiecarui dispozitiv ii este alocat o cuanta de timp pentru accesul fara disputa la canal. Ca un rezultat este evident ca intervalele semnalului intermintent vor fi mult mai mari decat al duratei supercadrelor pentru retele cu o densitate de noduri ridicata.

In modul de lucru activ al semnalului intermitent, un coordonator transmite semnal intermitent periodic pentru a sincroniza dispozitivele atasate. In modul de lucru non-intermitent, un coordonator nu trimite semnale intermitente periodic, dar poate trimite catre un dispozitiv care solicita semnal intermitent.

Cu rutarea ZigBee, o cale capat-la-capat poate fi stabilitata si poate fi transmisa de la sursa la destinatie. Exista 3 abordari de rutare pentru ZigBee. Prima este rutarea ierarhica, care shcimba cadre in structura arbore care se formeaza cand un dispozitiv (re)intra in retea prin asociere. Aceasta topologie tip arbore, de exemplu, stea, in figura 2, este rutata de la coordonatorul ZigBee. Rutarea ierarhica lucreaza dupa cum urmeaza:

cadrele urca in structura arborelui de la dispozitivul sursa spre coordonatorul ZigBee

daca destinatia este intre dispozitivul sursa si coodonatorul ZigBee, cadrele vor fi primite de dispozitivul destinatie; altfel, cadrele vor cobori in structura arborelui de la coordonatorul ZigBee pana cand ajung la dispozitivul destinatie.

Acest tip de rutare nu necesita protocoale de rutare dedicate, dar dezavantajul este timpul de urcare si cobrare a cadrelor in structura arborelui.

In plus fata de rutarea ierarhica precedenta, ZigBee dispune de un protocol de tip necesita-raspuns derivat din algoritmul de rutare Ad hoc On-demand Distance Vector(AODV). Sunt doua comenzi mari in acest protocol: necesita ruta (RREQ) si legatura ruta (RREP). RREQ e trimis hop dupa hop incepand de la dispozitivul sursa si retransmis de dispozitivele intermediare pana cand ajunge la destinatie care va genera un RREP, care se intoarce pe calea inversa a RREQ pana la sursa. Cand RREP ajunge la sursa o ruta este stabilita. Diferenta dintre protocolul de rutare ZigBee si protocolul AODV este ca rutarea ZigBee alege ruta cu costul cel mai mic si nu dupa numarul de hopuri minime. Pentru aceasta ZigBee are un camp numit calea de cost, definit ca suma costurilor legaturilor. Fiecare dispozitiv intermediar isi calculeaza costul legaturii si corespunzator, isi reinoieste campul de cost cand RREQ este retransmis. Ca un rezultat, dispozitivul destinatie, cand primeste RREQ, poate stii costul rutei prin care RREQ ajunge si poate sa aleaga ruta avand costul cel mai mic si anunta sursa transmitand RREP pe ruta inversa avand costul cel mai mic. Aditional calea de cost poate fi utilizata de dispozitivele intermediare pentru a filtra si a evita trasmisii RREQ care nu sunt necesare. In ZigBee, costul unei legaturi l, (C(l)) este o valoare intreaga in gama [0,7], definit dupa cum urmeaza:

C(l)= 7 sau min (7, partea intreaga(putere(,-4))) (1)

Unde , este probabilitatea ca pachetul sa fie transmis pe legatura 1[2].

Al treilea protocol : rutarea sursei. Comanda de inregistrare a rutei este proiectata astfel ca dispozitivul destinatie al acestei comenzi sa inregistreze o ruta intreaga in retea si sa construiasca tabela de rutare a sursei, care poate fi utilizata mai tarziu de dispozitiv sa faca rutarea sursei pentru transmiterea datelor.

SECURITATEA ZIGBEE

Securitatea ZigBee este oferita la cateva nivele. Legatura nivel de securitate, proiectata de IEEE 802.15.4, contine servicii de securitate pentru controlul accesului, integritatea mesajului, confidentialitatea mesajului, si protectia legaturii. In plus, ZigBee ofera o verificare a integritatii mesajului. Cand securitatea este activa, datele IEEE 802.15.4 sunt encriptate folosind un mod particular din cei 128 biti AES, care sunt AES-CTR, AES-CBC-MAC, sau AES-CCM depinzand de necesitatile securitatii. In plus ZigBee suporta nivelul retea de securitate aplicand encriptare AES folosind cheie pentru retea. Nivelul aplicatie poate securiza prin folosirea unei chei pare stabilita intre capetele comunicante. Securitatea ZigBee este considerata adecvata pt aplicatiile sale.