#17. ZigBee

2022. 12. 3. 23:20
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| 22.12.03 First Upload

 

지난시간에는
LTE와 Wi-Fi에서도 사용되는 방식인
OFDM, OFDMA방식을 알아보았다.
ZigBee의 어원
  • Zigzag + Bee 의 뜻으로 수많은 벌떼가 서로 통신을 한다는 의미이다.
  • 수많은 업체들이 근거리 무선 통신 솔루션 관련된 협의체를 만들었다.
  • Bluetooth의 단점을 보완하기에 만들었다.
  • 만든 목표는 Low cost, Low power consumption 을 위해서이다.

 

ZigBee의 특징
  • IEEE 802.15.4 의 규격이 PHY , MAC Layer를 커버하고 있다.
  • 또한 Network 규격까지 미리 다 정해놓았다. (Wi-Fi는 이를 규격에 따로 넣지 않았다.) 
    • 이는 형상에 관련해서 (topological) 에서도 규격을 다 만들어 놓았다.
      • Star Network
      • Peer-to-Peer
      • Mesh Networks
      • Cluster Tree Networks
  • Applicaton Service 까지 미리 정해놓았다.

 

 

ZigBee 규격의 History
  • 1999년 Bluetooth 표준화의 완료
  • 2002년 10월 ZigBee Alliance 설립
  • 2003년 IEEE 802.15.4 표준을 채택
  • 2004년 ZigBee 1.0 표준을 승인
  • 2006년 12월 : Enhanced ZigBee Spec
  • 2007년 10월 : ZigBee Pro 발표
  • 이후 최근에 Zigbee를 사용했다는 기사도 발표되었다.

 

ZigBee Protocol Stack

  • 다음 그림과 같이 Protocol Stack을 살펴볼 수 있다.
  • 밑에서부터 Layer 하나씩 알아보자.
    • MAC/PHY Layer
      • IEEE 802.15.4 규격에서 가져온 것이다.
      • 하드웨어적인 부분이다.
      • 앞에서 배워서 알겠지만, Physical 과 Media Access Control Layer 부분에 대해서 규격에 나와있다.
    • API / Network Layer
      • ZigBee Alliance 에서 직접 만들었다.
      • 소프트웨어 적인 부분이다. -> 이는 Network, Security & application layer를 포함한다.
      • TCP/IP를 쓰지 않기위해서 자신들이 만들었다.
      • Network에는 Star / Mesh / Cluster-Tree 가 대표적으로 있다.
    • Application Layer
      • 고객들을 위한 레이어이다.
ZigBee 기술 주요특징

지그비 기술의 주요특징.

  • 주요포인트들은 이것이다.
    • 저전력
    • 소형화
      • 1cm 미만으로, 굉장한 소형 모듈이다. 
      • 가격적인 측면에서도 매우 저렴하다.
    • 멀티모드 네트워크 지원
      • Wi-Fi는 Star 형만 가능하다.
      • 하지만 ZigBee는 앞에서 보았듯이, 여러 Network 모드가 가능하다.
      • 이 또한 자신들이 Network 를 설계했기 때문이다.
    • 대규모 네트워크를 지원
      • 네트워크를 자신들이 설계했으니까, 번지수를 많이 설정해놓았다.
      • 이에 따라서 가능은 하지만, CSMA/CA를 Zigbee 도 사용을 하므로, 어렵다.
The Wireless Space

Wireless Space

  • 항상 그래프에서 주목할 것은 축들의 좌표의 이름이다.
    • x축에는 Data Rate, 즉 데이터의 속도를 나타내고 있다.
    • y축에는  Range, 즉 데이터가 갈 수 있는 거리를 말하고 있다.
  • 이 그래프에서 눈여겨 보아야 하는 점은, 빈 공간이다.
  • 빈공간 부분이 우리가 개발해야 하는 공간, 즉 아직 수요가 없는 공간이다.
  • Data Rate 과 Data Range가 작은 지금 ZigBee 가 사용하고 있는 공간은 쓸모 없는 공간이라고 생각했지만, 잘 사용하고 있다.
ZigBee Application Domain

ZigBee Application

  • 사회에서 사용하는 ZigBee
    • Building Automation
    • Personal health care
    • Industrial control
  • 집에서 사용하는 ZigBee
    • Consumer Electronics
    • PC & Periphearals
    • Home Control
  • 범용적으로 사용하는 ZigBee
    • Telecom services
ZigBee 기반 무선센서네트워크의 응용 예
  • 여기서 무선센서네트워크는 IoT 와 결국에는 비슷한 느낌이다. 센서가 Thing 으로 바뀐것.

 

  • Environmental Monitoring
    • Habitat Monitoiring
    • Precision Agriculture
    • HVAC
    • Security, surveillance( 감시)
  • Structure and equipment Monitoring : 다리의 흔들거림과 같은 것을 센서로 잡는 것.
    • Structural Dynamics
    • Condition-Based Maintenance
    • Emergencyt Response
    • Supply Chain Monitoring
    • Manufacturing Flows
    • Asset Tracking
  • Context Aware Computing : 주변환경에 대한 정보를 받고, 이에 대해서 적절한 대응
    • Information Beacons
ZigBee 의 일반적인 특징
  • Low Rate, Long Battery Life, Very Low Complexity
  • 3가지의 주파수 옵션이 있다.
    • 868 MHz (유럽) -> PHY: 20kbps , BPSK
    • 915 MHz (호주) -> PHY: 40kbps, BPSK
    • 2.4GHz(전국)
      • PHY: 250kbps
      • 16 Channel
        • 채널당 5MHz의 대역폭
        • Wi-Fi 보다는 다닥다닥 붙어있지 않고 많이 멀어져 있어서, 채널 간섭이 적다.
        • Wi-Fi 보다는 신호의 세기가 훨씬 작으므로, 같이 있다면 ZigBee 가 작동이 안할 가능성이 있다.
      • Orthogonal QPSK
  • PHY은 1mW가 되지 않는다. 이는 멀리갈 필요가 없기 떄문이다. (외부amp 을 이용하면 20dBm까지 가능)
  • CSMA-CA 를 사용한다.
  • Optional GTS (Guarnateed Time Slot)
    • CSMA/CA의 큰 단점을 해결하는 방법을 Optional 하게 사용한다.
    • 여러명이 같이 쓰면 정해진 시간에 내가 원하는 정보를 보낼 수 없었다.
    • 하지만 TDMA 처럼 가능하게끔 Gurantee 를 준다고 생각하면 된다.
  • Fully handshake protocol 이다.
    • 이는 Reliability를 향상시켜준다.
  • Low Duty-cycle
    • Duty -cycle
      • 일하는 사이클이라고 직역할 수 있다.
      • 1초동안 깨서 통신하고 9초동안 자면 10초동안 1초를 일한 셈이다.
      • 그렇게 된다면 duty cycle은 0.1 , 즉 10%라고 할 수 있다.
      • 하지만 ZigBee 는 0.1% 보다 작은 Duty -cycle을 요구한다.
      • 즉 오랫동안자고 잠깐동안만 깨어있으면 되는 것이다.
  • Range 는 LOS인 경우 1Km가 가능하다. (구라다)
    • LOS : Line of sight, 즉 장애물이 없다란는 뜻이다.
    • 보통은 30M가 제한적이다.
  • Max packet size :127 bytes
  • 64 bit IEEE address 와 16bit short address 둘다 사용이 가능하다.
  • 거친 R/F 환경에서도 강인함을 보여준다
    • 받은 패킷에서 Quality Assessment 를 사용한다.
    • 채널안에서 Energy Detection 
    • 보내기 전에 Clear channel Assessment 를 사용한다.
  • 노드들의 이름
    • PAN Coordinator
      • AP 처럼 보내는 것을 관리하는 역할이다.
    • Full Function Device
      • 전력이 계속 공급이 되는 노드이다.
    • Reduced Function Device
      • 전력이 베터리로 공급이 되는 노드이다.
ZigBee Frequency

ZigBee Frequency

ZigBee Data Frame Format

ZigBee Data Format

  • MAC Layer
    • Frame Control
    • Data  Sequence Number
    • Address information
    • Data payload
    • FCS
  • PHY Layer
    • Preamble Sequence
    • Start of Frame Delimiter
    • Frame Length
    • MPDU(PSDU)
  • Max는 127 byte 이다.
ZigBee device 의 분류
  • PAN coordinator
  • Router
  • End device
ZigBee 네트워크 특성

Star

  • 중앙까지 제일 빨리 갈 수 있다.
  • 밖의 노드가 죽어도 뭐 별 상관이 없다. -> 다른 노드에게 영향을 끼치지 않는다.

Mesh

  • 트리보다 계산해야 할 양이 많다.
  • 파란색 노드 하나가 죽어도, 돌아가서 중앙까지 갈 수있다.

Cluster Tree

  • 지름길로 가지 못한다. -> 즉 중앙노드가 더 가깝더라도 돌아서 가야한다.
  • 가장 체계적이고, 계층적이다. -> 계산할 것들이 줄어든다.
ZigBee Stack

ZigBee Stack

  • 앞에서 보았던 Stack 을 조금더 자세하게 본 내용이다.
  • 중요하게 느껴지는 포인트들과 용어에 대해서 알아보자.
NWK layer
  • Network Layer 를 다음과 같이 줄여서 이야기하곤 한다.
  • NWK Layer의 중요한 점은 3가지와 같다.
    • Addressing
    • Routing 
    • Security
APS layer

 

ZDO Layer

 

Application Profiles

  • Profiles 라는 말은 '규격' 이라고 이해해도 된다.
  • 모든 발행된 사용들이 규격화 되어있어서 어떤식으로 작동하는지 까지도 규격에 정해져 있다.
    • 즉 마음대로 만들 수 없다는 뜻이다.
  • ZigBee Home Automation
    • 스마트 홈을 이야기한다.
  • ZigBee Smart Energy
    • 에너지를 측정하는 것이다.
    • 콘센트에서 전력을 체크하는 것이나, 냉장고에서 전력을 체크하는 것과 같다
      • 이는 대기전력을 줄이기 위함이다.
    • 두가지의 이슈가 발생한다.
      • Tv를 키려고 했을때, 멀티탭 자체가 꺼져 있어서 불편을 초래할 수 있다.
      • 대기전력과 지급에 단가가 안맞는다. 차라리 대기전력을 통해서 돈을 더 내겠다.
  • ZigBee Light Link
    • ZigBee를 가지고 전등을 키게 만드는 제품
    • 필립스에서 제품을 이미 출시해서 수백가지의 빛을 낼 수 있게 했다.
  • ZigBee Building Automation
    • 빌딩 자동화이다
    • 에어컨, 환기장치, 전구, 주차장의 전력을 아끼기 위함이다.
Superframe 구조 (Option)

Superframe 구조

  • CAP (Contention Access Period)
    • 경쟁이 있는 구간이다.
    • CSMA/CA 처럼 경쟁을해서 가져간다.
  • CFP (Contention Free Period)
    • 경쟁이 없는 구간이다.
    • 사전에 허락을 맡아서 시간을 할당을 받는다 (무선통신처럼)
  • Inactive
    • 자는시간
  • GTS (Guaranteed Time Slot)
    • 보장된 Time Slot을 의미한다.
  • Beacon
    • Beacon Interval
      • 15ms 에서 252s 사이 정도 된다.
    • Wi-Fi 에서는 AP 가 Zigbee에서는 coordinator 가 주기적으로 보낸다.
  • 긴급한 신호를 보낼때, CSMA/CA 만으로는 되지 않으므로, CFP 같은 구간을 설정한다.

 

Beacon
  • Beacon
    • Beacon의 최대 목표는 " Power Save" 이다.
    • Time Synchronizing (시간동기화)를 한다.
    • Coordinator 가 자신의 존재를 Announcing 한다.
  • Non - beacon -enabled Network
    • Coordinator가 항상 깨어있어야 한다.
    • 슬롯이 없는 CSMA/CA이다.
  • Beacon - enabled Network
    • Power 의 소비를 줄일 수 있다.
    • 슬롯이 있는 CSMA/CA를 사용한다.
    • GTS가 존재한다.

 

Beacon의 유무에 따른 CSMA/CA

CSMA/CA

  • Non -Beacon CSMA/CA는 Wi-Fi 와 비슷하다.

 

Data Transfer Model
  • Model 1 (디바이스 -> Coordinator 에게 Data를 보내는 경우)
      • Beacon-enabled Network
      • non-Beacon-enabled Network

 

 

  • Model 2 (Coordinator -> Device 로 Data를 전송하는 경우)
      • Beacon-enabled Network

 

 

  • Model 3 (Coordinator -> Device로 Data를 전송하는 경우)
      • non Beacon-enabled Network

 

GTS (Guaranteed Time Slot)
  • GTS 는 PAN Coordinator가 할당한다.
  • 7 GTS까지 할당할 수 있다.
  • 사용하기 전에 Coordinator 에게 Device가 부탁해야 한다.

 

Association Procedure

 

  • 첫번째로 Device가 Channel을 스캔한다 (16개중 하나)
  • 두번째로 Coordinator 가 가지고 있는 주소에 맞게 Association Request를 보낸다.
  • 세번째로 Coordinator 가 ACk을 Device에게 전달한다. (이때 관계형성을 했다는 것은 절대 아님)
  • 네번째로 Coordinator는 결정을 하고, Device는 이에 맞춰서 기다린다.
  • 다섯번째로 Corrdinator가 받는 결정을 하면 Beacon을 허락의 주소를 준다.
  • 여섯번째로 Data Request 를 Device에서 전달하고, Coordinator가 ACK을 보낸다.
    • 함부로 여기에서 데이트럴 그냥줄 수 없다 . Device가 자고있을수도 있으니까
  • 마지막으로 Association Resp, 관계 형성을 맺고 Device에서 ACk을 보내고 종료된다.

 

  • IEEE 802.15.4에서는 association결과가가 Indirect fashion (간접적인 방식) 으로 알려진다.
    • Coordinator 가 Association request에 대답할때 Device의 "Long Address" 를  Beacon Frame에 보낸다.
    • 이에 대한 대답으로 Device 또한 Data Request 를 Coordinator에게 보내야 한다.
  • 만약 Association이 되고 나면 Device는 16bit의 "Short Address" 를 Coordinator 에게 할당받는다.
Routing
  • Tree Network

Tree Network

  • 동작방식
    • 먼저 켜진 Node가 가장 가까운 Ndde에게 붙어버린다
    • 중앙에 있는 Node 가 주소를 주게 된다.
  • 특징
    • 실제적으로 거리가 가까워도, 트리 위를 타고 올라가서 Data를 전달해야하 한다는게 단점
    • 굉장히 쉽게 목적지를 찾을 수 있다는 장점
    • 트리 노드 하나가 죽으면, 밑에 있는 애들도 전부 죽게 된다.
      • 다른 노드를 붙여서 변화를 줄 수있겠지만 이것에 취약하다.

 

  • Mesh Network

 

Mesh Network

  • 동작방식
    • 19번까지의 최단 경로를 알고 싶다고 하면
    • 루트 노드에서 전부 뿌려서 19번이 받게끔 한다.
    • 역주행을 다시해서 원래 루트노드까지 온다.
    • 제일 먼저 도착한 데이터를 제외한 그 다음에 데이터들은 19번 노드가 알아서 버린다.
  • 장점
    • 전력이 쓸때없이 소모가 된다.
  • 장점
    • 진짜 최단 경로를 구할 수있다.
근거리 무선통신 비교

  • 지그비 만의 특징
    • Device의 확장성이 높다
    • 통신채널이 많다.
    • 배터리의 동작시간이 길다
    • 네트워크 형성 시간이 (Association 하는 시간이) 짧다

 

  • 블루투스(클래식) 대비 지그비의 장점
    • 매우 낮은 전류 및 전력소모
    • 최대 6만여개의 네트워크 노드 (Coordinator 포함)
    • 빠른 네트워크 의 형성
    • 넓은 Coverage (사실 비슷하긴 하다)
    • 유연한 네트워크 기능
      • Wi-Fi 와 Bluetooth는 Tree 모델이 기준
6LoWPAN
  • 6LoWPAN 의 의미
    • 6 => Ipv6
    • Lo => Low Rate, Low Power
    • WPAN => Wireless PAN

6LoWPAN

  • 6LoWAN 은 헤더를 엄청 줄인 모델이라고 생각하면된다.
  • 그 동안의 문제점
    • ZigBee 네트워크 연결에는, 인터넷 (IP) 에서 센서값을 받아오기가 매우 힘들었다.
    • 왜냐하면 TCP/IP 가 ZigBee 에는 없었고, 고유의 네트워크를 사용했기 때문.
  • 해결방면
    • 15.4 MAC 과 PHY를 유지하고, TCP 와 UDP 와 IPv6를 붙이는 해결방법을 도입함.
    • 하지만, 유선망은 패킷이 너무 길어서 무선망이랑 맞지 않는 문제점이 발생
    • 이를 중간에 Layer 즉 6LowPAN Adaptation 이라는 Layer 로 걸러주자라는 생각을 도입.
    • 즉 이 Layer 가 TCP, UDP 패킷을 줄여준다.
  • 왜 유선에서는 Packet SIze가 커야하고, 무선에서는 Packet 사이즈가 작아야 할까?
    • 중간에 생기는 Loss 를 생각하면, 유선에서는 많은 Packet 사이즈를 보내는것이 맞다.

 

Adpatation Layer
  • 802.15.4 는 매우 작은 PDU 들을 가지고 있다 (127 byte 크기의)
  • IP datagram 은 MTU 로 1280byte 의 크기를 가지고 있다.
    • 거의 10배가 차이가 남으로, 내려오면서 잘라야 한다.
  • IETF 6LowPan -HC
    • Header Compression
      • 40 byte를 3byte 까지 header 를 압축한다.
      • 즉 필요없는 부분을 전부 쳐낸다.
      • IPv6의 주소를 보통 삭제하긴 한다. (128byte 도 크다)
      • IPv4의 주소는 32 byte 이다.
    • Fragmentation
      • 1280 byte를 127byte 로 쪼개야 하기 때문에 사용한다.
    • IPv6은 MAC address 에서 자동으로 형성이 된다.
      • 보통은 short address 를 가지고, IPv6 를 생성이 가능하다.
      • 굳이 IPv6 주소를 다 보낼 필요가 없고, 그냥 Short Address 를 보내면 된다.
TCP / UDP
  • HTTP 를 도와주는 TCP
    • 저전력과 패킷로스가 많은 곳에서는 HTTP를 사용하기 힘들다.
  • CoAP 을 도와주는 UDP
    • UDP 혹은 RESTful을 사용한다.

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