EEPIS Wireless Sensor Networks Research Group
TEKNOLOGI Prima Kristalina,
Lab. Komunikasi Digital Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 2013 3/11/2014
1
Apakah Zigbee ? • Merupakan standard yang mendefinisikan sekumpulan protokol komunikasi untuk jaringan tanpa kabel jangkauan pendek dan kecepatan data rendah. • Beroperasi pada bandwidth 868 MHz (Eropa) , 915 MHz (USA dan Australia) dan 2.4 GHz (negara lain di dunia). • Kecepatan data maksimum adalah 250 kbps. • Zigbee dibangun oleh Zigbee Alliance tahun 2002, beranggotakan perusahaan pembuat industri semi konduktor dan software developer. 3/11/2014
2
Promotor-promotor Zigbee
3/11/2014
3
Sejarah Zigbee • Zigbee Alliance dibentuk tahun 2002 sebagai organisasi non profit yang terbuka untuk siapa saja, dengan jumlah member awal sekitar 150 perusahaan. • Mei 2003 standard IEEE 802.15.4 yang menspesifikasi-kan tentang physical layer dan media access control untuk jaringan tanpa kabel area personal berkecepatan rendah (LR-WPAN), selesai dibuat. • Desember 2004, spesifikasi Zigbee disahkan. • Selanjutnya dikembangkan oleh Zigbee Alliance 3/11/2014
4
Konsep Zigbee MENGURANGI: • Konsumsi daya: – Zigbee: 10mA Bluetooth: 100mA
• Ongkos Produksi: – Zigbee: 1.1 US$ Bluetooth: 3US$
• Bit Error Rate:
3/11/2014
5
Perbandingan Bit Error Rate
3/11/2014
6
Konsep Zigbee…(lanjutan) MENAIKKAN: • Sensitifitas penerima (semakin kecil sensitivitas penerima, semakin sedikit noise yang bisa menyertai sinyal yang diterima): – Zigbee: -92dBm Bluetooth: -82 dBm
• Jumlah node terlibat:
– Zigbee: 65536 (dalam mesh) Bluetooth: 7 (dalam star)
• Sekuriti:
– Zigbee : AES (128bit) Bluetooth: SAFER (64/128bit)
• Range:
– Zigbee: sampai 75 meter (dalam kondisi LOS) Bluetooth: 10 meter
3/11/2014
7
Perbandingan Zigbee, Bluetooth dan WiFi (semuanya beroperasi pada 2.4 GHz)
Konsumsi daya Kompleksitas Ongkos
802.11b
Bluetooth Zigbee Data Rate 3/11/2014
8
Kedudukan Zigbee berdasarkan jangkauannya pada jaringan nirkabel Jaringan Nirkabel Jangkauan Pendek
WLAN (IEEE 802.11) WPAN
High-Rate (HR)WPAN 802.15.3 Medium-Rate (MR)WPAN Bluetooth Low-Rate (LR)WPAN 802.15.4
3/11/2014
9
Protokol Zigbee Application Layer (APL) Application Objects
Zigbee Device Object
Application Support Sublayer (APS) Security Services
Defined by Zigbee Standard
Network Layer (NWK) Medium Access Control Layer MAC) Physical Layer (PHY)
Zigbee Wireless Networking
Defined by IEEE 802.15.4 Standard
Radio Transceiver
3/11/2014
10
Bandwidth dan Data Rate Frek (MHz)
Jumlah Chip Rate Bit Rate Symbol Rate Modulasi Kanal (Kchip/s) (kBps) (Ksymbol/s)
Metode Spreading
868 - 868.6
1
BPSK
300
20
20
Binary DSSS
902 - 928
10
BPSK
600
40
40
Binary DSSS
2400 - 2483.5
16
O-QPSK
2000
250
62.5
16-array orthogonal
BPSK = Binary Phase Shift Keying O-QPSK = Offset-Quadrature Phase Shift Keying
3/11/2014
11
Kanal Operasi Zigbee Channel 0
Channel 1-10
868.3 MHz 20 kbps
902 MHz
40 kbps
3/11/2014
928 MHz 5 MHz
Channel 11-26
2400 MHz
2 MHz
250 kbps
2483.5 MHz 12
Tipe Device Jaringan Nirkabel (Standard IEEE 802.15.4) • Full Function Devices (FFD):
– Punya kemampuan melaksanakan semua pekerjaan yang dideskripsikan dalam standard IEEE 802.15.4 dan bisa menerima segala aturan-aturan jaringan
• Reduced Function Devices (RFD):
– Punya kemampuan terbatas. Dibandingkan dengan FFD yang bisa berkomunikasi dengan sembarang device jaringan, RFD hanya bisa berkomunikasi dengan hanya satu buah device FFD. Contoh, aplikasi meng-ON dan OFF-kan switch. – Kemampuan pemrosesan dan ukuran memory RFD lebih kecil dibandingkan FFD.
3/11/2014
13
Peranan Device Jaringan Nirkabel (Standard IEEE 802.15.4) • FFD - sebagaimana di-standard kan oleh IEEE 802.15.4, punya 3 peranan berbeda: sebagai Coordinator, PAN Coordinator dan Device. • Coordinator: – FFD yang mampu me-relai message.
• PAN Coordinator:
– Jika coordinator merupakan wakil dari PAN, maka disebut PAN Coordinator.
• Device:
– Jika FFD tidak berlaku sebagai coordinator, maka dia berlaku sebagai device
3/11/2014
14
Peranan Device Jaringan Nirkabel (Standard Zigbee) • Standard Zigbee untuk peranan Device dibedakan menjadi: • Zigbee Coordinator – Yaitu PAN coordinator dengan standard IEEE 802.15.4
• Zigbee Router
– Yaitu coordinator dengan standard IEEE 802.15.4
• Zigbee End device
– Yaitu device yang bukan coordinator maupun router. – Zigbee end device punya ukuran memory dan kapabilitas prosesing yang paling kecil dibandingkan dengan zigbee router dan coordinator.
3/11/2014
15
Zigbee Coordinator(ZBC)/ IEEE 802.15.4 FFD • • • • • •
Hanya ada satu di dalam sebuah jaringan Menginisiasi jaringan Menyimpan informasi tentang jaringan Semua device berkomuniksi dengan ZBC Routing functionality Sebagai jembatan (bridge) ke jaringan yang lain
3/11/2014
16
Zigbee Router (ZBR)/ IEEE 802.15.4 FFD • • • •
Komponen opsional Me-rute kan antar node Memperluas coverage jaringan Me-manage alokasi/de-alokasi address lokal
3/11/2014
17
Zigbee End Device (ZBE)/ IEEE 802.15.4 RFD • • • •
Meng-optimasi konsumsi daya rendah Tipe device termurah Berkomunikasi hanya dengan koordinator Sensor di-integrasikan di sini
3/11/2014
18
Topologi Jaringan Zigbee • Topologi STAR
ZBC (FFD) ZBR (FFD) ZBE (RFD) 3/11/2014
19
Topologi Jaringan Zigbee • Topologi MESH /Peer-to-peer
ZBC (FFD) ZBR (FFD) ZBE (RFD) 3/11/2014
20
Topologi Jaringan Zigbee • Topologi Cluster Tree ZBC (FFD) ZBR (FFD) ZBE (RFD)
3/11/2014
21
Dasar Komunikasi Zigbee dan IEEE 802.15.4 • Contention-Based:
– Semua device yang akan menggunakan frekuensi kanal yang sama harus memakai mekanisme CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access-with Collision Avoidance). – Mekanisme CSMA-CS: device yang akan kirim harus mengetahui bahwa kanal yang akan digunakan sedang tidak dipakai device yang lain. – Dengan metode CS, tipe kanal yang dituju akan diperiksa untuk ditentukan apakah sedang berisi sinyal dengan standard 802.15.4 atau tidak. Jika iya, berarti kanal tersebut sibuk, jika tidak (atau digunakan oleh sinyal dengan standard lain), maka dianggap kanal clear.
• Contention-Free:
– Coordinator PAN mendedikasikan time slot khusus kepada sebuah device tertentu. Disebut sebagai Guaranteed Time Slot (GTS). Sebuah device yang punya alokasi GTS dapat melakukan proses kirim dalam alokasi tersebut, tanpa CSMA-CA. – Untuk bisa menyediakan GTS, Coordinator PAN harus yakin bahwa seluruh device sudah sinkron satu sama lain.
3/11/2014
22
Proses Sinkronisasi pada Jaringan Zigbee • Beacon-Enabled PAN: – Coordinator punya opsi untuk mentransmisikan sinyal beacon untuk sinkronisasi device-device yang terhubung kepadanya. – Kerugian: semua device harus dalam posisi “wake up” agar bisa menerima sinyal beacon se-waktu2, men-sinkron kan clock nya, lalu kembali “sleep”.
• Nonbeacon Network: – Jaringan ini tidak punya GTS sehingga pada periode contention-free ,setiap device tidak sinkron satu sama lain – Keuntungan: Umur baterei lebih lama, karena device tidak perlu wake up setiap saat. 3/11/2014
Beacon: sebuah message dengan format tertentu yang digunakan untuk men23 sinkronisasi clock dari device-device yang terhubung ke jaringan
Metode Transfer Data 1. Transfer Data ke Coordinator dari Device 2. Transfer Data dari Coordinator ke Device 3. Transfer Data antar Peer Device • Metode no. 1 dan 2 digunakan pada topologi star, sedangkan metode 1, 2 dan 3 digunakan pada topologi mesh / peer-to-peer. 3/11/2014
24
Transfer Data ke Coordinator Coordinator
Device
Coordinator
Device
Beacon Data Acknowledgement (If requested)
Data Acknowledgement (If requested)
• Pada beacon-enabled PAN, saat device memutuskan untuk mengirim datanya ke coordinator, device men-sinkronisasi clocknya dulu dalam fase reguler, kemudian mengirimkan datanya menggunakan metode CSMA-CA. Coordinator meng-acknowledge penerimaan data jika dia di-request oleh pengirim. • Pada nonbeacon-enabled network, device mengirimkan data segera sesudah kanal clear. Transmisi sinyal acknowledgement oleh coordinator hanya opsional. 3/11/2014
25
Transfer Data dari Coordinator Coordinator
Device
Coordinator
Device
Beacon Data Request Acknowledgement (Mandatory) Data Acknowledgement (Opsional)
Beacon-enabled network
3/11/2014
Data Request Acknowledgement (Mandatory) Data Acknowledgement (Opsional)
Non Beacon-enabled network
26
…lanjutan • Pada beacon-enabled PAN, saat coordinator akan mengirim datanya ke device, sinyal beacon menuju device mengindikasikan bahwa ada data yang pending untuk device. Device kemudian mengirim sinyal request data yang menyatakan aktif dan siap menerima data. Coordinator mengirim sinyal acknowledgement menyatakan telah menerima sinyal request data, selanjutnya mengirim data. Akcnowledgement dari device bersifat opsional. • Pada nonbeacon-enabled network, coordinator menunggu sampai device mengirim request data. Jika menerima request dari device namun tidak ada data pending ke device, coordinator mengirim akcnowledgement yang mengindikasikan tidak ada data pending untuk device. Jika ada, data dikirim dari coordinator. 3/11/2014
27
Addressing/Binding/Discovering • Addressing:
– 16-bit short addressing atau 64-bit extended addressing. – 16-bit network addressing (65536 device)
• Device Discovery:
– Unicast (NWK ID known), broadcast (NWK ID unknown)
• Binding:
– Menciptakan link logical antar 2 atau lebih device. – Informasi link disimpan di binding table. – Pada standard zigbee, di application layer, support untuk menciptakan dan mengatur binding table.
3/11/2014
28
Aplikasi Zigbee
3/11/2014
Courtesy: Zigbee Alliance (Wireless Control That Simply Works) 29
Contoh Aplikasi Zigbee (Home Awareness)
3/11/2014
Courtesy: EATON (www.eaton.com)
30
Zigbee vs Bluetooth Zigbee
Bluetooth
• Paket l kecil pada jaringan besar • Kecepatan data 250 kbps pada 2.4GHz • Bisa sampai 254 node • Protokol stack sederhana • Digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan waktu (15 msec wake up time) • Umumnya jaringan statis, dengan banyak device tidak sedang digunakan • Home automation, remote control sensor dll
• Paket besar pada jaringan kecil • Kecepatan data 1 Mbps pada 2.4GHz • Sampai 8 node • Protokol stack rumit • Digunakan dalam aplikasi dengan waktu tidak terlalu terbatas (3 sec wake up time) • Jaringan ad-hoc (semua aktif bersama-sama) • Handsfree audio, mobile phone, headset, PDA, dll
3/11/2014
31
Penutup “Just as the personal computer was a symbol of the '80s, and the symbol of the '90s is the World Wide Web, the next nonlinear shift, is going to be the advent of cheap sensors.” -Paul Saffo Institute for the Future 3/11/2014
32
Sumber • S.Farahani,”Zigbee Wireless Networks and Transceiver”, Elsevier Ltd, 2008 • S.Myers,”Zigbee/IEEE 802.15.4”, Electrical and Computer Engineering, the univ.of Wisconsin Madison. • B. Heile, “Smart Home, Smart Building, Smart City-How Zigbee Works”, SmartGrids China 2009 Conf & Exhibition. • J. Dohl, F.Diehm, P.Grosa, “”Zigbee”,TU Dresden, 2006 3/11/2014
33
