Arquitetura de protocolos
Segue o modelo híbrido
Usada pelos nós sensores e pelo nó sorvedouro
Inclui planos de
Gerenciamento de energia
Como um nó sensor usa a sua energia
Pode desligar o receptor após
mensagem de um de seus vizinhos
receber
uma
Evita o recebimento de mensagens duplicadas
Faz somente sensoriamento se tem pouca energia
Gerenciamento de mobilidade
Onde o nó sensor está
Conhecimento dos nós vizinhos
Balanceamento de energia e de tarefa
Arquitetura de protocolos
Inclui planos de (cont.)
Gerenciamento de tarefa
Como a distribuição da tarefa será feita entre os nós
sensores (balanceamento e escalonamento de tarefa)
Nem todos os sensores precisam realizar a tarefa ao
mesmo tempo
Função do nível de energia disponível
Planos de
sensores a
gerenciamento
ajudam
Coordenar a tarefa de sensoriamento
Diminuir o consumo global de energia
os
nós
Arquitetura de protocolos
Arquitetura de protocolos (Fonte: Akyildiz)
Camada enlace
Responsável por
Multiplexação de fluxos de dados
Detecção de quadros de dados
Controle de acesso ao meio
Modos de operação de economia de energia
Controle de erros
Controle de acesso ao meio
Dois objetivos
Criação de uma infraestrutura de rede
Compartilhamento justo e eficiente de recursos de
comunicação entre nós sensores
Controle de acesso ao meio
MAC de outras redes sem fio têm como objetivo
Provisão de alta qualidade de serviço e eficiência de
banda passante
Celular
Centralização na estação base
Atribuição de recursos
Estação base é continuamente alimentada e
telefones podem ter suas baterias trocadas pelos
usuários
Questão de energia deixada de lado
Controle de acesso ao meio
MAC de outras redes sem fio têm como objetivo
(cont.)
Provisão de alta qualidade de serviço sob condições
de mobilidade
Bluetooth
Não há estação base
Baterias podem ser trocadas pelo usuário
Questão de energia de importância secundária
Controle de acesso ao meio
Redes de sensores
Número muito grande de nós
Potência de transmissão e alcance bem menores
Mudanças de topologia mais frequentes
Mobilidade
Bem menor do que nas redes ad hoc tradicionais
Falhas
Logo, os MACs do Bluetooth ou de outras redes
ad hoc tradicionais não são voltados para redes
de sensores
Modos de economia de energia
Mais óbvio
Desligar o transceptor quando não é necessário
Porém para ativar o transceptor a energia gasta é grande
Podem existir vários
dependentes do
modos
de
operação
Número de estados do microprocessador, memória,
conversor A/D e transceptor
Controle de erros
ARQ
Custo adicional de energia e de sobrecarga na
retransmissão
FEC
Maior complexidade de decodificação
Compensa se a energia gasta no processamento
(codificação e decodificação) é menor do que o ganho na
codificação
Camada física
Responsável por
Seleção de frequência
Geração de portadora
Detecção de sinal
Modulação
Criptografia
Sugestão de uso da banda ISM na faixa de 915
MHz
Industrial, Scientific, and Medical
WINS
902-928 MHz e 2,4 GHz
Tecnologias
Duas opções próximas das redes de sensores
Bluetooth
IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4
Muitas aplicações de controle e monitoramento
para indústrias e domicílios
Pedem um maior tempo de vida de bateria
Usam menos banda passante
Possuem uma menor complexidade
Exemplos
Medição de água ou gás
Monitoramento de segurança
Redes sem fio padrões não atendem esses
requisitos
IEEE 802.15.4
Em 2000, a ZigBee Alliance e o IEEE
começaram o desenvolvimento de um novo
padrão de redes pessoais sem fio
Objetivo
Criar um padrão com complexidade, custo e energia
extremamente baixos
Foco
Em redes de sensores sem fio
Aplicações onde
Custo das soluções WPANs é muito alto
Desempenho como de uma rede Bluetooth não é
necessário
IEEE 802.15.4
ZigBee
Camadas rede a aplicação
IEEE 802.15.4
Camadas física e enlace
ZigBee
Aliança formada por mais de 400 membros
Motorola, Philips, Samsung, APC, Cisco, Crossbow,
Dust Networks, EDF, LG, NEC, Epson, Texas
Instruments e outros
ZigBee
Zig-zag das abelhas para indicar comida as outras
abelhas
Metáfora para a maneira como os dispositivos na rede se
acham e se comunicam
ZigBee
Objetivo
Definir produtos de monitoramento e controle
Confiáveis
De baixo custo
De baixo consumo
Conectados sem fio à rede
Baseados em um padrão aberto global
ZigBee
Mercados iniciais
Controle domiciliar
Automação predial
Automação industrial
ZigBee 1.0
Dezembro de 2004
IEEE 802.15.4
Para alcançar um pequeno consumo de energia
Assume que a quantidade de dados a ser enviada é
pequena
Dados transmitidos com pequeno duty-cycle
Estrutura do pacote com pequeno overhead
Arquitetura do IEEE 802.15.4
Rede Ad Hoc
Topologia depende da aplicação
Estrela
Pequena latência
Malha (peer-to-peer)
Maior cobertura
Roteamento fora do escopo do padrão
Tipos físicos de dispositivos
Dispositivos de funcionalidade completa
Dispositivos de funcionalidade reduzida
Dispositivos de funcionalidade completa
Full Function Devices - FFDs
Nós capazes de comunicação e roteamento
Geralmente são alimentados através da rede
elétrica
Podem ser usados em qualquer topologia
Podem virar o coordenador de rede
Podem se comunicar com quaisquer tipos de
dispositivos
Dispositivos de funcionalidade reduzida
Reduced Function Devices - RFDs
Nós simples que enviam e/ou recebem dados
Implementação simples em termos de RAM e
ROM
Geralmente são alimentados com bateria
Não podem se tornar o coordenador de rede
Somente se comunicam com os FFDs
Cada RFD só pode estar associado a um FFD por vez
Arquitetura do IEEE 802.15.4
Tipos lógicos de dispositivos
Coordenador
Coordenador de rede
Outros
Coordenador
FFD
Provê sincronização através do envio
quadros de sinalização (beacons) para
Outros dispositivos
Outros coordenadores
de
Coordenador de rede
Único nó dentre os coordenadores
Começa a rede
Realiza outras tarefas
Sincronização
Outros
Nós comuns
Redes IEEE 802.15.4
Tipos de redes IEEE 802.15.4 (fonte: Callaway et al.)
Subcamada de acesso ao meio
Usa endereço de 64 bits do IEEE ou endereço
especial de 16 bits
Endereço de 16 bits alocado pelo coordenador na
associação
Correção de erros
ARQ (Automatic Repeat reQuest)
Retransmissão de quadros não reconhecidos
Avaliação da condição dos canais disponíveis
quando a banda passante é menor do que um
determinado valor
Troca-se pelo de menor energia
Subcamada de acesso ao meio
Segurança
Três níveis
Sem mecanismo
Listas de controle de acesso
Criptografia através de chaves simétricas (AES-128)
Métodos de acesso
CSMA/CA quando não usa beacons
Slotted CSMA/CA ou acesso sem disputa quando usa
beacons
Transmissão de dados
Entre qualquer dispositivo e o coordenador
Entre quaisquer dispositivos
Só no caso de topologia em malha
Subcamada de acesso ao meio
Tempos de acesso divididos em períodos de
superquadros (uso de beacons)
Com disputa
Sem disputa
Superquadro
Coordenador envia beacons em intervalos
predeterminados
Tempo entre dois beacons é dividido em 16 slots
(valor padrão)
Dispositivo pode transmitir a qualquer tempo
durante um slot (acesso com disputa)
Uso de Slotted CSMA/CA
Slots sincronizados com beacon
Mas deve terminar a sua transação antes do próximo
beacon
Superquadro
Existe também um acesso sem disputa
Formado pelos Guaranteed Time Slots (GTSs)
Ocorre antes de terminar o superquadro
Tamanho do período livre de disputa depende da
demanda
Em cada beacon há indicação do começo do período
livre de disputa e da duração do superquadro
Usado por aplicações que necessitam de baixa
latência ou banda garantida
Superquadro
Pode ser dividido em
Parte ativa
Parte inativa
Coordenador pode economizar energia (“dormir”)
Subcamada de acesso ao meio
Estrutura do superquadro
Quadro de dados
Controle de quadro (2 octetos)
Tipo do quadro
Formato do campo de endereço
Controla o uso do ACK
Número de sequência (1 octeto)
Endereço (4 a 20 octetos)
Identificador da PAN destino (2 octetos)
Endereço de destino (2 ou 8 octetos)
Identificador da PAN fonte (2 octetos)
Endereço de origem (2 ou 8 octetos)
Quadro de dados do IEEE 802.15.4
Quadro de dados
Cabeçalho auxiliar de segurança (0 a 14 octetos)
Opcional
Indica o nível de segurança a ser usado no quadro
Dados
Tamanho máximo da PSDU é de 127 octetos
CRC (2 octetos)
Quadro de dados do IEEE 802.15.4
Quadro ACK
Controle de quadro (2 octetos)
Número de sequência (1 octeto)
Indica a qual quadro o reconhecimento se refere
CRC (2 octetos)
Quadro ACK do IEEE 802.15.4 (adaptado de Callaway et al.)
Camada física
Bandas que não necessitam de licença
868 MHz
915 MHz
2,4 GHz
Transmissão de pelo menos 1 mW
Alcance típico de 10 a 20 m (1 mW)
Bandas de 868 e 915 MHz
Técnicas de transmissão
DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum)
Separação por código
Modulações BPSK ou O-QPSK (opcional)
PSSS (Parallel Sequency Spread Spectrum)
Modulação ASK
Banda de 868 MHz
3 canais
Modulação BPSK
1 bit por símbolo
20 kbaud
Taxa de 20 kbps
Modulação O-QPSK
4 bits por símbolo
25 kbaud
Taxa de 100 kbps
Modulação ASK
Taxa de 250 kbps
Banda de 915 MHz
30 canais
Modulação BPSK
40 kbaud
Taxa de 40 kbps
Modulação O-QPSK
62,5 kbaud
Taxa de 250 kbps
Modulação ASK
Taxa de 250 kbps
Banda de 2,4 GHz
16 canais
Técnica de transmissão
DSSS
Modulação O-QPSK
62,5 kbaud
Taxa de 250 kbps
IEEE 802.15.4a
Publicada em agosto de 2007
Duas camadas físicas alternativas
UWB (Ultra Wide Band)
Frequências de 3 a 5 GHz, 6 a 10 GHz e menores que 1
GHz
Taxas físicas de 851 kbps (obrigatória), 110 kbps, 6,81
Mbps e 27,24 Mbps
CSS (Chirp Spread Spectrum)
Frequência de 2450 MHz
Taxas físicas de 1 Mbps e 250 kbps (opcional)
Produtos
Vários produtos existem
Diferentes meios de transmissão
Diferentes tipos de sensores
Cots Dust
Berkeley
Vários tipos de nós sensores
Controlador
Sensores
Temperatura
Luz
Umidade
Pressão
Outros
Unidade de comunicação (transceptor)
Rádio-frequência
Laser
Infravermelho
Cots Dust
Arquitetura do nó sensor (Fonte: Berkeley)
Cots Dust
Mini Mote (Fonte: Berkeley)
RF 916,5 MHz
Alcance de 20 m
10 kbps
Sensor de temperatura
ZigBee
Kit de desenvolvimento ZigBee (Fonte: CompXs)
Par de rádios
Par de placas-mãe
Bibliografia
I. F. Akyildiz et al., “A Survey on Sensor Networks”,
IEEE Communications Magazine, agosto de 2002
A. A. F. Loureiro et al., “Redes de Sensores sem Fio”,
Minicurso do XXI Simpósio Brasileiro de Redes de
Computadores, 2003
http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/archive/users/hollarseth/macro_motes/macromotes.html
E. Callaway et al., “Home Networking with IEEE
802.15.4: A Developing Standard for Low-Rate Wireless
Personal Area Networks”, IEEE Communications
Magazine, agosto de 2002
Bibliografia
IEEE, “Wireless Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate
Wireless Personal Area Networks (WPANs)”, IEEE
Standard 802.15.4, setembro de 2006