Caratteristiche Reti Wireless ad Estensione Limitata

1. Caratteristiche Reti Wireless ad Estensione Limitata ZigBee by AUREL WiFi Bluetooth ZigBee AUREL SPA – November 2008

2. WiFi Alta velocità di scambio dati. Tipicamente da 2 a 110 Mb/s. Alta complessità sia hardware che software con conseguente alto consumo. Numero nodi limitato a circa 32. Ideale per trasporto immagini, audio, video e genericamente per grandi quantità di dati fra computer. • BLUETOOTH Media velocità di scambio dati. Tipicamente 700Kb/s massimi. Bassa complessità hardware e software con conseguente consumo medio/basso. Numero nodi limitato a 8 con costruzione di una rete peer to peer. Sostituisce i cavi di collegamento fra apparecchiature elettroniche che devono scambiarsi dati. Non particolarmente previsto per funzionamento batterizzato su lunghi periodi. • ZIGBEE Bassa/media velocità di scambio dati. Max 250Kb/s. Bassa complessità hardware e software con conseguente consumo medio/basso. Specificatamente prevista la funzione di sleep con consumo legato al duty cycle temporale con conseguente funzionamento a batteria su lunghi periodi. Alto numero di nodi: massimo 65535 dispositivi collegabili in rete. Ideale per collegamento in rete di molti dispositivi che necessitano non di canali di comunicazione a tempo continuo ma della possibilità di scambio dati solo su richiesta con configurazione Mesh.

3. E1 Tipica Rete ZigBee E8 R2 E4 R1 E5 C • Il collegamento Star presuppone la non dinamicità e pertanto è quello fra Router (o Coordinatore) e singolo End Device. • Il collegamento Mesh è di tipo dinamico nel senso che, se non già in uso, viene creato al momento ed è in grado di collegare fra loro tutti i dispositivi della rete. • La massima distanza misurata fra Routers (o Coordinatore-Router) è 11 significando che se si numera il primo dispositivo della catena con 0 l’ultimo è 10. • Ogni Router (o Coordinatore) può associare al massimo 20 dispositivi dei quali al massimo 6 possono essere Routers. • Il massimo numero di dispositivi complessivo supera i 65000. R3 E7 R4 E2 E1 R5 E6 * tramite routers E8 C = Coordinatore R = Router E = End Device STAR MESH Sono presenti contemporaneamente collegamenti di tipo Star e Mesh

4. Funzionalità componenti ZigBee • COORDINATORE • ROUTER • END DEVICE

5. COORDINATORE • La rete viene formata e definita dal coordinatore. • Solo un coordinatore per rete può essere presente. • Quando la rete è in funzione il coordinatore non è più necessario essendo possibili collegamenti Mesh fra i dispositivi. • Allo spegnimento per qualsiasi motivo della rete deve seguire una fase di ricostruzione che può prevedere o meno la necessità del coordinatore in base alle informazioni che si rendono permanenti al momento della prima creazione. • Qualsiasi modifica ad una rete esistente prevede un coordinatore per la gestione delle stesse. • Le funzionalità di connessione sono le stesse di un Router.

6. ROUTER • Durante la fase di creazione rete gestisce l’associazione dei dispositivi che non sono raggiungibili direttamente dal Coordinatore. • Instrada le informazioni sia verso il Coordinatore che verso altri Routers ed End Devices sulla base delle tabelle dinamiche di instradamento. • Mantiene varie tabelle che consentono di numerare progressivamente i vari dispositivi di rete, di costruire percorsi preferenziali verso utenti finali sulla base delle ultime richieste di connessione. • Consente la possibilità di creare percorsi alternativi nel caso che altri Routers che costituiscono la rete cessino di operare per qualsiasi motivo. • Gestisce in maniera automatica l’instradamento Mesh anche quando deve costruire un percorso verso utenti sconosciuti e conseguentemente mai raggiunti. • Per la massima efficienza il Router è considerato sempre acceso nel funzionamento standard anche se teoricamente è previsto un funzionamento sleep con risveglio sincronizzato ad altri dispositivi. • Attualmente si memorizzano automaticamente 20 percorsi preferenziali sulla base della periodicità di utilizzo e questi percorsi vengono utilizzati alla massima velocità di trasferimento possibile conoscendo gli indirizzi di propagazione. • Questi percorsi preferenziali sono dinamici e l’automatismo Mesh di instradamento verso utenti non presenti riassegna le priorità della tabella.

7. END DEVICE • Non prevede possibilità di instradamento dinamico e pertanto si collega alla rete tramite un Router (o Coordinatore ) detto padre al quale si è associato. • Se il collegamento viene perso ricerca un nuovo padre che accetta l’associazione e lo utilizza come nuovo punto di collegamento alla rete. • La perdita del router padre (es. per mobilità dell’end device) comporta una nuova procedura di associazione durante la quale l’end device non è parte della rete e pertanto non raggiungibile. • È il dispositivo che può essere lasciato spento e attivato o a tempo o ad interrupt esterno per scambiare informazioni con il proprio padre che mantiene anche eventuali messaggi giacenti fino al risveglio del dispositivo. • È possibile chiedere un collegamento di tipo Mesh con qualsiasi elemento di rete e questo viene gestito dal Router padre.

8. Criteri di formazione della Rete Rete generale senza vincoli iniziali Rete con componenti sempre alimentati Rete con componenti sempre alimentati di piccole dimensioni (max circa 30 componenti) Sequenza di associazione Attività ciclica di mantenimento Percorsi di trasferimento

9. 1) Rete generale senza vincoli iniziali • Si distribuiscono tutti i nodi necessari da un punto di vista topologico. • Si verifica che la distribuzione possa avere copertura RF da un punto di vista di distanza presumibilmente copribile. • Si definiscono i dispositivi che devono essere alimentati a batteria e che richiedono pertanto un duty cycle temporale etichettandoli come End Devices. • Si definiscono i Routers necessari per collegare gli End Devices al punto di scambio dati. • Si valuta la possibile ridondanza che si è ottenuta con i Routers introdotti al fine di verificare se la perdita di uno o più Routers può essere sostenuta dalla rete. • Se si prevede di avere la necessità di percorsi alternativi non previsti dalla stesura iniziale si aggiungono Routers al solo scopo di aumentare i percorsi alternativi.

10. 2) Rete con componenti sempre alimentati • La rete probabilmente è composta da apparecchiature che hanno una loro collocazione fisica definita (macchine industriali in capannoni, acquisizione dati da apparati sempre alimentati ecc.). • Si verifica che la distanza fra dispositivi adiacenti sia adeguata da un punto di vista RF e si verifica che esistano possibili percorsi multipli come ridondanza. • Si definiscono i dispositivi Routers consentendo la massima flessibilità della gestione di rete. • Si verifica la qualità della ridondanza sui percorsi escludendo selettivamente parte degli apparati verificando che il collegamento fra i rimanenti sia adeguato. • Se si hanno vincoli temporali di intervento si deve accertare che la rete sia adeguata anche nel caso di ricerca di nuovi percorsi.

11. 3) Rete con componenti sempre alimentati di piccole dimensioni (max circa 30 componenti) • Utilizzando solo Routers si cerca di non superare il limite dei 20 percorsi memorizzabili in modo da disporre sempre di percorsi deterministici. • Il tempo di intervento diventa minimo e, se non intervengono elementi esterni (perdita o spegnimento di parte dei Routers), costante. 4) Sequenza di attivazione della rete con e senza coordinatore • Al primo utilizzo della rete è utile accendere i vari componenti in sequenza partendo dal Coordinatore o dal dispositivo considerato al momento primario e allontanandosi in modo da verificare che la distribuzione topologica dei componenti consenta tutti i successivi collegamenti consentendo una eventuale ridondanza (aggiungendo uno o più routers) ed evitando così che i dispositivi più lontani siano troppo critici da un punto di vista di collegamento RF.

12. 5) Attività ciclica di mantenimento • La rete è attiva solamente se vi è una richiesta di scambio dati e pertanto è necessaria un’attività ciclica automatica se si vuole la certezza dell’integrità della rete. • In caso contrario l’inoltro di un messaggio inizierà l’intera attività con l’eventuale scoperta di un non funzionamento della rete stessa. • Il primo pacchetto evidenzia il percorso non più valido, il secondo crea un percorso valido e il terzo ricrea il percorso valido anche nel link di ritorno. 6) Percorsi di riferimento • La rete mantiene attivo l’ultimo percorso utile che ha consentito il raggiungimento del destinatario per cui, se è stato compiuto un cambio di instradamento dovuto alla perdita di un percorso valido , il nuovo percorso rimane attivo anche se si ripristinano le condizioni precedenti. • Generalmente la rete non rende espliciti i percorsi in utilizzo che dunque non fanno parte delle informazioni che l’utente può utilizzare.

13. Formazione di una rete ed indirizzamento dei nodi • Ad ogni dispositivo viene assegnato dalla ditta costruttrice un indirizzo MAC a 64 bit univoco per ogni dispositivo. • Una rete è creabile solo dal coordinatore il quale sceglie il canale ritenuto più libero e definisce un PAN ID ovvero un identificativo (16 bit) della rete in costruzione e attende dispositivi da associare. • Una rete è pertanto univocamente individuata dal CANALE RF e dal PAN ID: reti sullo stesso canale ma con diverso PAN ID non comunicano tra loro. • Quando un dispositivo si associa ad una rete ad esso viene assegnato un indirizzo SHORT a 16 bit utilizzato per l’indirizzamento del dispositivo nella rete. • L’indirizzo assegnato dipende dal router (o coordinatore) tramite il quale avviene l’associazione. • E’ necessaria la presenza del coordinatore per associare dispositivi alla rete.

14. Mantenimento delle informazioni di rete nei dispositivi Aurel • Alla mancanza di alimentazione, nei dispositivi Aurel, vengono mantenute le informazioni di rete ovvero il canale RF, il PAN ID e l’indirizzo SHORT assegnato al nodo in fase di associazione. • Pertanto, una volta associato, un dispositivo continua a ritenersi parte della rete fino a quando su di esso non viene eseguito un RESET. Indirizzi short dei routers • Un router mantiene il suo indirizzo SHORT anche in caso di mobilità e di perdita di alimentazione. Può cambiarlo solo se viene eseguito un RESET. Indirizzi short degli end devices • Un end device se cambia il padre a cui è associato (ad esempio per mobilità o per perdita di abilitazione dell’attuale router padre) esegue una nuova associazione ad un nuovo router e cambia perciò il suo indirizzo SHORT.

15. Rete ZigBee Aurel con coordinatore La presenza del coordinatore nella rete permette le seguenti funzionalità: • possibilità di associare nuovi dispositivi alla rete in qualunque momento • possibilità di rimuovere dispositivi dalla rete in qualunque momento • possibilità di avere end devices associati alla rete • possibilità di eseguire un reset completo su tutta la rete • possibilità di eseguire un cambio di canale automatico di tutta la rete La presenza del coordinatore presuppone però: • gestione delle associazioni • in generale management della rete

16. Rete ZigBee Aurel senza coordinatore Il coordinatore è strettamente necessario solo in fase di associazione ma può essere successivamente rimosso dalla rete. L’assenza del coordinatore nella rete comporta le seguenti limitazioni: • impossibilità di associare nuovi dispositivi alla rete • impossibilità di rimuovere dispositivi dalla rete • impossibilità di avere end devices associati alla rete • impossibilità di eseguire un cambio di canale automatico di tutta la rete L’assenza del coordinatore comporta le seguenti semplificazioni per l’utilizzatore: • non è più necessaria la gestione delle associazioni • in generale non è più necessaria una gestione della rete

17. Rete ZigBee Plug & Play Aurel • Rete costituita da una serie di router pronti all’uso. • I router sono preventivamente fatti associare ad una rete e pertanto vengono forniti con SHORT address, canale RF e PAN ID della rete già fissati. • E’ sufficiente fornire alimentazione ai dispositivi ed essi sono in grado di comunicare via radio tra di loro tramite l’instradamento Mesh. • La comunicazione avviene in maniera paritetica ovvero non esiste un supervisore della rete ma i dispositivi sono tutti uguali. • Non vi sono vincoli di dipendenza nella disposizione dei nodi in quanto l’algoritmo di routing provvede a ricostruire il percorso verso il destinatario.