Arquitetura de protocolos

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 receber uma mensagem de um de seus vizinhos 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 gerenciamento ajudam os nós sensores a Coordenar a tarefa de sensoriamento Diminuir o consumo global de energia

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 Falhas Bem menor do que nas redes ad hoc tradicionais 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 modos de operação dependentes do 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 de quadros de sinalização (beacons) para Outros dispositivos Outros coordenadores

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