La coesistenza dello ZigBee con altre reti nella banda dei 2,4 GHz – Parte 1

protocolli di comunicazione

Ad oggi, sempre più dispositivi trasmettono nella banda dei 2,4 GHz, contribuendo ad aumentare le probabilità di interferenze tra le reti. Vediamo come la tecnica ZigBee possa coesistere in quest’ambito, facendo un paragone tra le varie fonti di potenziale disturbo e cercando di capire quali possano essere le precauzioni da prendere e quali siano gli strumenti utilizzabili. Questo articolo tecnico fa parte della Rubrica Firmware Reload, all'interno della quale abbiamo raccolto tutti gli articoli della rivista cartacea Firmware, ancora di interesse per i lettori.  

Introduzione

ZigBee è una tecnologia wireless sviluppata come standard globale “open” per rispondere a esigenze specifiche di basso costo e bassa potenza nelle reti wireless M2M (Machine-to-Machine). Lo si può considerare come un protocollo radio a pacchetto per dispositivi a basso costo e a batteria, che consente di comunicare in una varietà di topologie di rete. Lo standard ZigBee utilizza le specifiche IEEE 802.15.4 e generalmente opera nelle bande 2,4 GHz, 900 MHz e 868 MHz. Il protocollo è stato progettato per fornire una soluzione di trasmissione dati senza fili semplice da usare, è caratterizzato da architetture di rete wireless sicure/affidabili, è stato creato e omologato da aziende associate della ZigBee Alliance (logo in Figura 1), oltre 300 principali produttori di semiconduttori, aziende tecnologiche, OEM e società di servizi. Il protocollo ZigBee è stato pensato per comunicare i dati anche attraverso gli “ambienti ostili” RF (Radio Frequenza), in condizioni che possono essere comuni nelle applicazioni commerciali/industriali. Le caratteristiche principali includono:

  • supporto per più topologie di rete come point-to-point
  • point-to-multipoint e “reti mesh”
  • basso duty cycle, che offre lunga durata della batteria
  • bassa latenza
  • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
  • fino a 65.000 nodi per rete
  • crittografia AES a 128 bit per le connessioni dati protette
  • possibilità di evitare le collisioni, con tentativi e riconoscimenti
ZigBee

Figura 1: Logo ZigBee Alliance

Una componente chiave del protocollo ZigBee è la capacità di supportare reti mesh (a maglia), nelle quali i nodi sono interconnessi con altri nodi in modo che molteplici vie colleghino ogni nodo. Le connessioni tra i nodi vengono aggiornate in modo dinamico e ottimizzate attraverso sofisticate tabelle built-in di routing mesh. Generalmente, le reti mesh sono decentrate, ogni nodo è in grado di effettuare un “self-discovery” sulla rete e, inoltre, quando i nodi lasciano la rete, la topologia a maglia permette ai nodi di riconfigurare percorsi di instradamento sulla base della nuova struttura di rete. Le caratteristiche di questa topologia di rete e di “unrouting ad-hoc” garantiscono una maggiore stabilità nel cambiamento delle condizioni o fallimento dei singoli nodi. Mediante la tecnologia ZigBee si riesce a implementare una base di reti wireless a basso costo con soluzioni a bassa potenza, che lo rendono utilizzabile in una miriade di applicazioni di monitoraggio/ controllo (per anni) con batterie poco costose. Tutto questo fa capire come possa trovare un rapido e ampio impiego nelle Smart Energy/Smart Grid, AMR (Automatic Meter Reading), controlli di illuminazione, sistemi di automazione, controllo serbatoi, controllo HVAC, dispositivi medici, applicazioni di navigazione e via dicendo, che sono solo alcuni dei molti campi in cui la tecnologia ZigBee sta facendo progressi significativi.

IL PROBLEMA DELLA COESISTENZA

I prodotti ZigBee basati su IEEE 802.15.4 hanno ruoli sempre più importanti nelle applicazioni IoT (Internet of Things) e Smart Grid, tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia radio a breve distanza, sempre più banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) a 2,4 GHz dei sistemi radio viene ampiamente adottata in più campi. Questo fa sì che i progettisti abbiano a che fare con un costante aumento delle interferenze causate da altri dispositivi di comunicazione radio nelle vicinanze. Tutto ciò ci fa capire che per poter ottenere una rete ZigBee robusta è necessario studiare la coesistenza reciproca delle varie reti e l’interferenza tra la rete ZigBee (basata su IEEE 802.15.4) e altri sistemi radio a 2,4 GHz come il Wi-Fi, Bluetooth, USB Wireless o altre fonti di disturbo, compresi i telefoni cordless a 2,4 GHz e persino forni a microonde. Concentriamoci sull’analisi delle caratteristiche anti-interferenza del canale di trasmissione, vale a dire, l’interferenza derivante da altre tecnologie RF che impatta seriamente sulle caratteristiche radio dei prodotti ZigBee. Tale standard adotta molti meccanismi per consentirgli di coesistere felicemente con altri prodotti radio a 2,4 GHz: vediamone alcuni.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

La tecnica DSSS di diffusione impiegata da IEEE 802.15.4, fa uso di una sequenza di codice pseudo-casuale, spesso chiamato “sequenza chipping”, che viene trasmessa a una velocità massima chiamata tasso di chip. La sequenza chipping è utilizzata per modulare direttamente la portante del segnale di base da cui il nome “sequenza diretta” e per codificare i dati trasmessi. La tecnica DSSS estende le bande di frequenze che possono ridurre l’emissione di una fonte in interferenza e permette di ottenere una migliore coesistenza con altre fonti di interferenza.

CCA (Clear Channel Assessment)

La CCA viene eseguita in base a uno dei seguenti tre metodi: energia superiore alla soglia, individuazione della sola portante e individuazione della portante con energia sopra una certa soglia. Nel primo caso, la CCA riporta un mezzo di trasmissione occupato al rilevamento di una qualsiasi energia sopra la soglia di rilevamento. Nel secondo caso, la CCA riporta un mezzo occupato solo al rilevamento di un segnale con modulazione e diffusione caratteristiche della IEEE 802.15.4. Questo segnale può essere superiore o inferiore alla soglia. Infine, nell’ultimo caso, la CCA riporta un mezzo occupato solo al rilevamento di un segnale con modulazione e diffusione caratteristiche della IEEE 802.15.4 ed energia superiore a una certa soglia.

Dynamic Channel Selection

Lo ZigBee consente la selezione dinamica del canale, una funzione di scansione attraverso un elenco di canali supportati in cerca di un “beacon”, rileva l’energia del ricevitore e indica la qualità del collegamento. Una caratteristica chiamata “frequency agility” è specificata nella norma ZigBee per migliorare la robustezza delle reti ZigBee, mediante questa funzione se si rilevano interferenze nel canale corrente, una rete ZigBee può passare a un altro canale sulla base di alcuni meccanismi. Le varie operazioni dello ZigBee nella banda 2,4 GHz sono agevolate dalla scelta di 16 canali disponibili e la funzione frequency agility rende l’utilizzo di questi canali molto facile. Quando una rete viene formata, il nodo cerca un canale con il minimo rumore o traffico, nel caso in cui successivamente viene rilevato del rumore o traffico extra, viene scansita nuovamente l’intera rete per trovare un canale migliore e permettere alla rete stessa di adattarsi ai cambiamenti.

Acknowledged Transmission and Retries

Per garantire l’affidabilità della trasmissione, è definito un frame di “acknowledge” del protocollo nello standard IEEE 802.15.4-2003. Se un dispositivo di ricezione non riesce a ricevere o gestire il frame di dati ricevuti per qualsiasi motivo, non viene riconosciuto il messaggio, mentre se il mittente non riceve un riconoscimento, si presuppone che la trasmissione non è stata fatta correttamente e viene riprovata la trasmissione mediante il frame di dati. Questa strategia è particolarmente utile per trattare con salti di frequenza le interferenze, come quelle provenienti dal Bluetooth, che possono interferire con un primo tentativo di trasmissione ma di solito saltano su di una parte diversa dello spettro in frequenza.

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