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AULA 9 - IEEE 802.15.4Prof. Pedro Braconnot Velloso
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Resumo da aula anterior
• Bluetooth
• IEEE 802.15.1
• Piconets
• Scatternets
• Sistema mestre-escravo
• 1 mestre e até 7 escravos ativos
• Comunicação controlada pelo mestre
• Economia de energia
• Modos de operação
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Padrões para redes sem fio
Taxa
de
tran
smis
são
de d
ados
(Mb/
s)
Interno 10-30m
Externo 50-200m
Médio alcance (externo)
200m – 4 Km
Longo alcance (externo)
5Km – 20 Km
.056
.384
1
4
5-11
54
IS-95, CDMA, GSM 2G
UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G
802.15
802.11b
802.11a,g
UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G aprimorado
802.16 (WiMAX)
802.11a,g point-to-point
200 802.11n
dados
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IEEE 802.15.4
• Desenvolvimento de um novo padrão de redes pessoais sem fio
• ZigBee Alliance e IEEE - 2000
• Objetivo
• Padrão com complexidade, custo e energia extremamente baixos
• Foco
• Em redes de sensores sem fio
• Aplicações
• Custo das soluções WPANs tradicionais é muito alto
• Desempenho como de uma rede Bluetooth não é necessário
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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
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IEEE 802.15.4
• ZigBee
• Camadas rede a aplicação
• IEEE 802.15.4
• Camadas física e enlaceFÍSICA
ENLACE
REDE
SEGURANÇA
APLICAÇÃO
IEEE
802
.15.
4Zi
gBee
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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
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ZigBee
• Objetivo
• Definir produtos de monitoramento e controle
• Confiáveis
• Baixo custo
• Baixo consumo
• Conectados sem fio à rede
• Baseados em um padrão aberto global
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ZigBee
• Mercados iniciais
• Controle domiciliar
• Automação predial
• Automação industrial
• ZigBee 1.0
• Dezembro de 2004
• ZigBee 2007
• ZigBee Pro
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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
• Duração da bateria
• 10 anos
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Características principais
• Rede Ad Hoc
• Roteamento fora do escopo do padrão
• Tipos físicos de dispositivos
• Dispositivos de funcionalidade completa
• Dispositivos de funcionalidade reduzida
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Topologias
• Topologia depende da aplicação
• Estrela
• Pequena latência
• Árvore
• Extensão da rede
• Malha (peer-to-peer)
• Maior cobertura
fonte: Dutta et Al., A Survey - An introduction to ZigBee Inter.
Journal of Advanced Research in Computer and Communication
Engineering v. 4, n. 12, 2015
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Topologias
fonte: Callaway et al.
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Dispositivos de capacidade 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 PAN
• Podem se comunicar com quaisquer tipos de dispositivos
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Dispositivos de funcionalidades reduzidas
• 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
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Arquitetura do ZigBee-IEEE 802.15.4
• Tipos dispositivos
• Coordenador PAN
• Coordenador-Roteador
• Outros dispositivos
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Coordenador de PAN
• FFD
• Começa uma PAN
• Definição do PAN ID
• Provê sincronização
• através do envio de quadros de sinalização (beacons)
• Para outros dispositivos
• Outros coordenadores
• Alocação de endereços
• Não dorme
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Coordenador-Roteador
• Conecta dispositivos
• Pode repassar mensagens
• Não dorme
• Geralmente utilizado em topologia em malha
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IEEE 802.15.4Camada Física
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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)
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Camada Física
• Técnicas de transmissão
• DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum)
• Separação por código
• Modulações BPSK ou O-QPSK (opcional)
• PSSS (Parallel Sequency Spread Spectrum)
• Modulação ASK
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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
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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
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Banda de 2,4 GHz
• 16 canais
• Técnica de transmissão
• DSSS
• Modulação O-QPSK
• 62,5 kbaud
• Taxa de 250 kbps
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Perdas
• Dispositivos próximos
• Praticamente 0%
• Afastados
• 10%
• 100%
• Muitos testes na literatura mostram perdas significativas
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IEEE 802.15.4Camada MAC
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Sub-camada 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
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Sub-camada de acesso ao meio
• 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
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Sub-camada de acesso ao meio
• Segurança em três níveis
• Sem mecanismo
• Listas de controle de acesso
• Criptografia através de chaves simétricas (AES-128)
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Métodos de acesso
• Com beacon
• Coordenador envia os beacons
• Slotted CSMA/CA
• Sem beacon
• Nós transmitem quando o meio está livre
• CSMA/CA
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Sub-camada de acesso ao meio
• Tempos de acesso divididos em períodos de superquadros (uso de beacons)
• Com disputa
• Sem disputa
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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
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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
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Método de Acesso ao meio
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Eficiência da comunicação
fonte: Rachel Luo, "Literature Survey on the Performance of the ZigBee Standard”, 2015
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Eficiência da comunicação
fonte: Rachel Luo, "Literature Survey on the Performance of the ZigBee Standard”, 2015
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Camada de rede
• Onde é definido o roteamento
• Dependente da topologia
• Configuração de novos dispositivos
• Start-up
• Saída e entrada da rede
• Endereçamento
• Descoberta de vizinhos
• Segurança
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Segurança
• Autenticação
• Integridade
• Freshness
• Privacidade
• ZigBee Trust Centre
• Nó responsável por prover a segurança
• Quando não está presente o coordenador assume o papel
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Segurança
• Três chaves principais
• Master key
• Instalada no dispositivo
• Garantir confidencialidade na troca das chaves de enlace
• Link key
• Únicas em cada nó
• Troca de informação entre dois dispositivos
• Network Key
• Compartilhada na rede
• Muda periódicamente
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WiFi, Bluetooth, ZigBee
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WiFi, Bluetooth, ZigBee
• Duração da bateria
• WiFi
• 1 dia
• Bluetooth
• Troca frequente
• 3 a 6 meses
• ZigBee
• 10 anos
• Sem troca
• Tempo de entrada na rede
• WiFi
• ???
• Bluetooth
• 3 segundos
• ZigBee
• 30 ms
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Créditos
• Figura do primeiro slide
• Fonte: http://www.ikanda.be/sensors/what-is-iot