ZigBee: Protocolo para Red Inalámbrica de Sensores

ZigBee: Protocolo para Red
Inalámbrica de Sensores
Prof. Wílmer Pereira
Universidad Simón Bolívar
Universidad Católica Andrés Bello
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Espectro Electromagnético
Las anchos de banda son asignados por organismos públicos en cada país
(CONATEL en Venezuela, FCC en USA, ITU a nivel internacional)
ITU definió varias bandas de frecuencia libre (ISM)
902-928 MHz
26MHz
2,4-2,48 GHz
83.5 MHz
5,72-5,85 GHz
125 MHz
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Multiplexado
Se usa tanto digital como analógico
FDM
(Frecuency Division Multiplexing)
El espectro se divide en canales exclusivos para cada comunicación (analógico)
TDM
(Time Division Multiplexing)
El ancho de banda lo tiene todo el canal lógico pero sólo por cierto tiempo (digital)
FHSS o DSSS
Técnicas de espectro disperso …
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Técnicas de Multiplexado por Espectro Disperso
QPSK
QAM-16
QAM-64
Quadrature Phase Shift Keying
FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz
Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Bluetooth
Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferencias
DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA
Se pretendió que fuera un standard pero se abandono en el 2002 ZigBee
OFDM (Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales): 54 Mbps, 5GHz,
como espectro disperso, más canales descendentes,
Compatible con HyperLAN (standard europeo), IEEE802.11a
HR-DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa de Alta Velocidad): 11 Mbps, 2.4 GHz,
más lento que IEEE802.11a pero más eficiente, IEEE802.11b
OFDM2.4 (Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales 2.4GHz): 54 Mbps, 2.4 GHz
IEEE802.11g
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Estándares Inalámbricos por Cobertura
WPAN:
Wireless Personal Area Network
IEEE802.15
Bluetooth (IEEE802.15.1)
ZigBee (IEEE802.15.4)
Ultra Wide Band (IEEE802.15.3)
WLAN:
Wireless Local Area Network
IEEE802.11
WiFi (a, b y g)
WMAN:
Wireless Metropolitan Area Network
IEEE802.16
WiMax (IEEE802.16)
Mobile Broadband Wireless Access (IEEE802.20)
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LP-WPAN: IEEE802.15.4 (ZigBee)
Protocolo con hardware de bajo costo (1,1$), sencillo y con
poco consumo energético para control de sensores
en monitoreo de dispositivos en casa y la industria
CAPA FISICA (PHY):
Puede funcionar de 10 a 75 mts, en las bandas:
868 Mhz para Europa (un canal de 20 Kbps),
ISM: 902-928 Mhz (10 canales de 40 Kbps)
ISM: 2,4 Ghz (16 canales de 250 Kbps)
Usa DSSS con O-QPSK en la banda de 2,4 Ghz y BPSK en 868 MHz
Funciones a nivel físico:
Activación y desactivación de nodos
Detección de energía
Indicador de calidad del enlace (consulta de PIB)
Detección de actividad del canal
Recepción y transmisión de datos
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Arquitectura de capas total
ZigBee Alliance
MWK (3)
APL (4 y5)
IEEE802.15.4
MAC (2)
PHY (1)
Standard público de ZigBee Alliance desde junio/2005 con Zigbee 1.0
Fuerte competidor de Bluetooth pero:
• 8 (Bluetooth) vs 65.536 (ZigBee) dispositivos
• 3 seg (Bluetooth) vs 15 mseg (ZigBee) para unirse a la red
• ZigBee considera ahorro de energía pero menor ancho de banda que Bluetooth
• Bluetooth implementa calidad de servicio lo cual lo hace muy lento
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IEEE802.15.4: Capa de Acceso al Medio (MAC)
Usa CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access/ Collision Avoidance) protocolo
parecido a ethernet (CSMA/CD) que busca evitar colisiones
Funciones de la capa 2:
Transmisión de la trama de sondeo o baliza
Sincronización de la trama baliza
Asociación y disasociación
CSMA/CA a dos vías
Transmisiones garantizadas (GTS) o por contención (CAP)
Enlace confiable entre dos nodos
Baliza da informacion de la supertrama
SO longitud de la supertrama
BO longitud de baliza (con inactividad)
Si SO=BO no período de inactividad
Si BO > SO hay período de inactividad
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IEEE802.15.4: Capa de Acceso al Medio (MAC)
CSMA/CA es una variante de
Ethernet para entornos inalámbricos
Imposibilidad que todos los nodos detecten colisiones
Problemas típicos de transmisión inalámbrica:
(1) Estación oculta (A transmite a B y no vé que C también)
(2) Estación expuesta (B transmite a A y C cree que no puede a D)
A
B
C
D
No todas las estaciones se ven por su radio de cobertura
Puede haber transmisión simultanea aún con medio compartido
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Protocolo MACAW
(implementado por ZigBee sin RTS ni CTS)
Gestiona el espectro compartido, evitando colisiones
Si dos estaciones siente libre el canal, espera un tiempo aleatorio
antes de transmitir. El tiempo es calculado (backoff factor) para
evitar al máximo las colisiones.
Cuando puede transmitir debe:
El emisor enviar un RTS con el tamaño del paquete
Si el receptor escucha el paquete, responde con CTS
El emisor envía el paquete y espera un ACK del receptor
Entretanto las demás estaciones esperan un tiempo NAV
Este intercambio evita el problema de la estación oculta
más no impide el problema de la estación expuesta
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Configuraciones de ZigBee
Tres configuraciones, con hasta 65.536 nodos (direcciones de red):
Estrella (centralizado con uso de la trama de sondeo o baliza)
Rejilla o Mesh (sin trama de sondeo y punto a punto usando MACAW)
Arbol (híbrido).
Tres tipos de nodos:
Coordinador
Enrutador
Dispositivo final
Red autoorganizada
Coordinador:
En estrella inicializa y da mantenimiento a dispositivos
En árbol y rejilla inicializa la red y fija parámetro de routers
La seguridad es con algoritmos de cifrado simétrico y funciones de hash
Un enrutador ZigBee no necesariamente es un coordinador
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ZigBee Alliance: Capa Red (NWK)
Servicios de descubrimiento y
mantenimiento de rutas, seguridad,
asociación y disasociación
Ad-hoc (red sin estructura fija con enrutamiento dinámico)
Cada nodo se comunica entre si.
Usa algoritmos de selección de máquina maestro o coordinador
También algoritmos de inundación o difusión
Contruyen un árbol expandido o sumidero
Infraestructura (alrededor de un coordinador en el caso de ZigBee)
Con Access Points es el de caso WiFi
No hay reglas en colocación de coordinadores, depende del entorno
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Enrutamiento ad hoc
Nodos móviles y routers móviles ...
No hay topología fija ni vecinos conocidos ...
AODV (Vector distancia ad hoc bajo demanda)
Aunque las especificaciones de ZigBee Alliance no lo indica explícitamente
AODV cumple con las condiciones de la documentación
Limitaciones:
Los enlaces pueden ser asimétricos A
B
Estar en el radio de acción, no significa estar
conectado (interferencias o diferencia de potencias)
Se envían paquetes de route request y route reply
Se calculan árboles sumideros
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Descubrimiento de ruta en redes ad-hoc
Solicitud de ruta (route request):
Se busca en la tabla de historia, si es duplicado descartar sino
agregar a la tabla de historia
Respuesta de ruta (route reply):
Si el receptor conoce el destino, le indica al solicitante que puede pasar
a través de él (más reciente si número de secuencia de destino mayor)
Ruta desconocida:
Incrementa número de saltos y vuelve a difundir colocando un temporizador.
Además aprovecha esta información para construir el árbol sumidero
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Mantenimiento de ruta en redes ad hoc
En el camino de regreso se inspeccionan los paquetes y se actualizan las
tablas de enrrutamiento local si:
• No se conoce esa ruta
• El número de secuencia mayor que el conocido (más reciente)
• La nueva ruta es más corta
Con el tiempo de vida inicializado al diametro de la red, se difunde menos
o con tiempo de vida que aumentan para buscarlo lo mas cerca posible
Difunde periódicamente HELLO para ver vecinos activos y notifica en caso
de que un nodo no esté disponible
Route Request
Route Reply
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ZigBee Alliance: Capa Aplicación (APL)
Consiste del
APS
Concuerda nodos con sus necesidades
Seguridad con clave maestra para negociar claves de sesión
ZDO: Define los roles o perfiles de los dispositivos
Descubre dispositivos con los servicios que proveen
Los perfiles se enlazan en agrupamientos (clusters)
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Estructura de Tramas MAC
Máxima carga de datos hasta 104 bytes, direcciones IEEE de 64 bits
Paquete MAC para configuración a distancia
La trama baliza o sondeo despierta a los dispositivos e inmediatamente
vuelven a dormirse si no reciben mas datos (intervalos de 15 msg a 4 min)
El tiempo de balizado es predeterminado y hasta el coordinador duerme ...
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Estructura del Nodo ZigBee
El sensor es independiente del mote
La pila de protocolos está en una memoria flash
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Alrededor de ZigBee ...
Ancho de banda limitado para voz o video aunque no es el énfasis.
Con un alto número de dispositivos y aun con un período de sondeo
muy corto el rendimiento de la red y la duración de las baterias decaen .
Es por ello que se proponen redes ZigBee con troncales WiFi.
Competidores con standard propietario: Zwave (promete menos
interferencia con WiFi) y Insteon (Kit de desarrollo muy económicos).
Ambos se abocan principalmente a la domótica inalámbrica en el hogar
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Comparación de tecnologías
inalámbricas
Interferencias en 2,4 GHz
IEEE802.15.2 (coexistencia de WLAN y WPAN) para resolverlo …
Mobilian (Bluetooth+WiFi) con su producto TrueRadio
(comprada en Nov/2003 por INTEL)
Productos
WPAN
WLAN
WMAN
IEEE802.15.1
IEEE802.15.3a
IEEE802.15.4
IEEE802.11
IEEE802.16
IEEE802.20
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Bluetooth
UWB
Zigbee
WiFi
WiMax
MBWA
… se invaden los mercados mutuamente …
IrDA viene ofreciendo anchos de banda mayores que los de Bluetooth … (16 Mbps)
Ni WiFi ni Bluetooth ofrecen tráfico multimedia pero WiMax y UWB si … Aunque
WiFi se expande al área metropolitana WiMax parece ser el standard 4G de
telefonía celular ...
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Desafíos de la Comunicación
Inalámbrica
Aspectos a favor:
Mobilidad con los mismos servicios de red (Web, FTP, etc)
Manejo de memoría permanente a través de la red
(cuando se usan PDA o laptops)
Aspectos a mejorar:
Lentitud de los enlaces inalámbricos
Seguridad implica cifrado pero este implica aún más lentitud
Más costosa con respecto a los enlaces cableados
Redes inalámbricas únicas de múltiples servicios
(aún lejos de la standarización)
Problemas de salud ???
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