tecnología_inalámbrica_ zigbee

Redes 802.15.4/ZigBee

1

Tecnologías inalámbricas para redes de

bajo consumo: 802.15.4/ZigBee

ETSI de Telecomunicación, Campus de Teatinos, 29071 – Málaga

E-mail: [email protected], [email protected]

Despachos: 1.2.36

Máster en Sistemas Electrónicos para Inteligencia Ambiental. 2009-10

REDES DE SENSORES. TEMA 5

Eduardo Casilari, José Manuel Cano

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA


2

Índice

1. Introducción

2. 802.15.4: El nivel físico

3. 802.15.4: El nivel MAC

4. ZigBee: El nivel de red

5. ZigBee: El nivel de aplicación

6. Plataformas y motas 802.15.4 comerciales


3

• Organización (+45 empresas) con el objetivo de definir un estándar abierto

para formación de redes: fiable, barato, de baja potencia, inalámbrico para

nodos destinados a la monitorización y el control

– Suscripción básica: 3500 $

• Definición de los niveles red/perfiles de aplicación

• Primeros perfiles publicados en 2003

• ¿Qué proporciona la Alliance? Interoperabilidad, test de certificación,

divulgación

Patrocinadores (I): ZigBee Alliance

• Esfuerzo conjunto de ZigBee Alliance y IEEE

http://www.zigbee.org/

http://www.zigbee.org/en/


4

Patrocinadores (II): Grupo de trabajo 802.15

Bluetooth 802.15.4:

niveles PHY y MAC

Wi-Fi

UltraWideBand

(UWB)

http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html


5

Normativa en Banda ISM

•Distribución mundial de bandas ISM disponibles:

2.4 GHz: disponible en la mayoría de los países del mundo.

Sub-1GHz: varían de una zona geográfica a otra.


6

Normativa en Banda ISM

•En la Unión Europea, las normas que rigen los dispositivos

inalámbricos de corto alcance (SRD) están definidas por dos órganos

distintos:

ERC/REC 70-03 del ECC (Comité de Comunicaciones Electrónicas), que

forma parte de la CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de

Correos y Telecomunicaciones):

Define la asignación y uso de las bandas de frecuencia.

Directiva R&TTE del Parlamento Europeo y del Consejo:

Define las pruebas y especificaciones generales que los

dispositivos deben cumplir para poder salir al mercado.


7

Normativa en Banda ISM: dispositivos específicos

•Limitaciones que establece la rec. ERC 70-03:

Banda de

Frecuencia

Aplicación PRE Ciclo de Trabajo BW del canal

402 – 405 MHz Implantes médicos de ultra

baja potencia

–16 dBm Sin límite 25 kHz

868.6 – 868.7 MHz Alarmas +10 dBm < 0.1% 25 kHz



869.65 -869.7 MHz Alarmas +14 dBm < 10% 25 kHz

863 – 865 MHz Radio micrófonos +10 dBm Sin límite 200 kHz

863 – 865 MHz Aplicaciones de Audio

inalámbricas

+10 dBm Sin límite 300 kHz

1785 – 1800 MHz Radio micrófonos +7.85 dBm Sin límite 200 kHz

2400 – 2483.5 MHz Transmisión de datos en

Banda Ancha

+17.85 dBm Sin límite Sin límite

2446 – 2454 MHz Aplicaciones ferroviarias +24.85 dBm Sin límite Sin límite

2400 – 2483.5 MHz Sensores de movimiento +11.85 dBm Sin límite Sin límite

2400 – 2483.5 MHz RFID +24.85 dBm Sin límite Sin límite

2400 – 2483.5 MHz RFID +33.85 dBm < 15% Sin límite


8

Normativa en Banda ISM: dispositivos no específicos

•Limitaciones que establece la rec. ERC 70-03:

Banda de Frecuencia

(MHz)

PRE Ciclo de trabajo Ancho de

banda del canal

Observaciones

433.05 – 434.79 MHz +10 dBm <10% Sin límite Ni audio, ni voz

433.05 – 434.79 MHz 0 dBm Sin límite Sin límite £– 13 dBm/10 kHz, no

audio ni voz

433.05 – 434.79 MHz +10 dBm Sin límite <25 kHz Ni audio, ni voz

868 – 868.6 MHz +14 dBm < 1% Sin límite

868.7 – 869.2 MHz +14 dBm < 0.1% Sin límite

869.3 – 869.4 MHz +10 dBm Sin límite <25 kHz Protocolo de acceso

apropiado requerido

869.4 – 869.65 MHz +27 dBm < 10% <25 kHz

Los canales pueden

combinarse en un canal

de alta velocidad

869.7 -870 MHz +7 dBm Sin límite Sin límite

2400 – 2483.5 MHz +7.85 dBm Sin límite Sin límite

Límite de potencia de

transmisión 10-dBm

EIRP


9Data Rate (Mbps)

Ra

ng

e

ZigBee

802.15.4802.15.3

802.15.3a

802.15.3cWPAN

WLAN

WMAN

WWAN

WiFi

802.11

0.01 0.1 1 10 100 1000

Bluetooth

802.15.1

IEEE 802.22

WiMax

IEEE 802.16

IEEE 802.20

Tecnologías Inalámbricas


10

Escenarios adecuados para ZigBee


11

Características IEEE 802.11b Bluetooth ZigBee

Perfil de consumo de

bateríaHoras Días Años

Complejidad Alta Media Simple

Nodos hoja/Master 32 7 64000

Retardo (Latency) Reconexión hasta 3 s Reconexión hasta 10 s Reconexión 30ms

Rango de alcance 100 m 10-100m 10m-300m

Posibilidad de extensión Itinerancia ESS Sí (Scatternets) Sí (redes mesh, cluster)

Tasa binaria 11Mbps 1Mbps (2 Mbps, 2.0) 250Kbps

SeguridadAuthentication Service Set

ID (SSID)64 bit, 128 bit

128 bit AES (uso de clave) y

a nivel de aplicación

Recursos sistema >1MB >250KB 30-40 KB

Comparativa de características


12

Sensores y control

Domótica

Automatización Industrial

Telemetría

Redes en automoción

Juguetes Interactivos

RFID – Seguimiento de objetos

Médico

Aplicaciones para ZigBee


13

TELEMEDICINA

Dispositivos

ZigBee

DOMÓTICA

CONSUMER

ELECTRONICS

TV VCR

DVD/CD

Control Remoto

seguridad

encendido

Cierres

HVAC (Heating, Ventilating, and

Air Conditioning)

PC &

PERIPHERALS

consolas

mandos control

remotoINDUSTRIA

JUGUETE

INDUSTRIAL &

COMMERCIAL

Monitorización:

sensores

Control

automatización

Ratón

teclado

joystick

Aplicaciones para ZigBee

Monitorización

de bioseñales


14

• Hasta 216=65536 nodos (direcciones ZigBee)

• Optimizada para gestión de energía y aplicaciones con restricciones temporales

– Asociación a la red: <30ms

– Activación:<15ms

– Acceso al Canal:<15ms

• Permite redes en malla (mesh networks)

Network coordinator

Full Function node (FFD)

Reduced Function node (RFD)

Communications flow

Virtual links

Características básicas de la red


15

Componentes de ZigBee

IEEE 802.15.4

ZigBee


16

ZigBee utiliza 802.15.4,

que ofrece buenas

prestaciones en

entornos con bajo SNR

Más inmunidad a ruido

(codificación para

menor ancho de banda)

IEE 802.15.4: Características radio básicas

Tres bandas ISM

de trabajo

posible


17

Capa física 802.15.4

• Combinación de FDMA (varios canales) y técnicas de

espectro ensanchado (para mayor inmunidad)

Banda 2.4 GHz: 16 canales sin solapar de 2 MHz (WiFi: 14 de 22 MHz!):

menos ancho de banda, más inmunidad


18

Potencia emitida

Con 0 dBm alcance típico:

-Exteriores: 200 m

-Interiores: 30 m

Con 15dBm. 5 veces más


19

En espacio libre: Ej, P(d=0)=0 dBm

f=2450 MHz, P(d=10 m)= -60 dBm; f=914 MHz, P(d=10 m)= -51 dBm;

10 10( ) ( 0) 20 log ( ( )) 20 log ( ( )) 27.56P d P d f MHz d m

Generalización para interiores (el escenario se modela con parámetro n):

10 10( ) ( 0) 10 log ( ( )) 10 log ( ( )) 30 32.44P d P d n f MHz n d m n

Pérdidas y Propagación


20

Utilización de técnicas de espectro ensanchado

Secuencia

de datos

Código

(chips)

Señal

transmitida

TS

TC

Espectro

Los bits se agrupan en símbolos que se codifican en chips buscando

ortogonalidad

Bandas:

*2.4 GHz: 4 bits (250 kbps) 1 símbolo (62.4 ksim/s) 32 chips (2 Mchip/s)

*868/902 MHz: 1 bit 1 símbolo 15 chips


21

Tabla de conversión bitsímbolochip


22

Inmunidad frente a ruido de DSSS

Ruido

Blanco

Interferencia


23

Componentes de ZigBee: la capa de red

Implementa el transporte de

información entre nodos

que se “oyen”


24

Tipos de dispositivos 802.15.4

• Por sus capacidades:

– FFD (Full Function Device): Son dispositivos que pueden emitir

balizas y comunicarse con cualquier nodo de la red. Se suele asumir

que se alimentan por red.

– RFD (Reduced Function Device): Prestaciones limitadas. sólo

pueden comunicarse con un “nodo padre”. No pueden repetir ni

emitir balizas. Alimentados por batería.

• Por su papel en una red jerárquica (estrella o en cluster):

– PAN Coordinator (FFD): Dispositivo coordinador de la red. Emite los

paquetes de baliza (beacons). El resto de dispositivos se agregan a

él. Inicializa la red.

– Device (FFD o RFD). Dispositivo final (sin hijos). Sólo se comunican

con un padre (coordinador o router). No emite balizas.

– Coordinator (FFD). Dispositivo hijo y padre a la vez. Puede emitir y

recibir balizas. Permiten la expansión de una estrella para formar

redes en cluster.


25

Nivel MAC de IEEE 802.15.4

• Direcciones IEEE de 64-bit (8 bytes, propia de cada dispositivo)

y direcciones locales de 16 bits (2 bytes)

– El tamaño de la red podría ser de hasta 264 nodos

– 65536 si se utilizan direcciones de 16 bits, lo que reduce la sobrecarga

(overhead) del protocolo. La dirección de 16 bits la dará el coordinador al

asociarse

• Estructura de trama simple (poco overhead)

• Asociación/Disociación: los nodos han de asociarse antes de

transmitir/recibir

• Seguridad AES-128

• Acceso CSMA-CA (ranurado en el caso de usar balizas)

– Envío y espera de ACK

• Posibilidad (opcional) de reservar ranuras de tiempo (slots) a

ciertos nodos (filosofía TDMA)

• Posible estructura de supertrama con balizas (beacon)


26

Se emplea CSMA/CA sin RTS/CTS (problema nodo oculto)

Dos modos:• Modo sin baliza (non beacon-enabled)

– Envío de información de reconocimiento de paquetes recibidos

– Mecanismo simple y tradicional en redes peer-to-peer

• Puede haber coordinadores pero no se pueden dormir: los dispositivos

finales se despiertan cuando quieren para mandar y recibir datos.

• Modo balizado (beacon-enabled)– Envío de tramas piloto a intervalos regulares (Beacon Interval)

– Posible existencia de reserva de slots (para evitar colisiones y obtener baja latencia)

– Permite configurar modos de consumo reducido.• Los dispositivos (incluidos los coordinadores) saben cuando

deben despertarse para escuchar a los demás.

Opciones de acceso al canal


27

Intercambio de datos: modo no balizado

• Envío: el dispositivo final se despierta cuando desea y accede al canal

por contienda empleando CSMA/CA no ranurado (unslotted)

• Recepción: el dispositivo final se despierta cuando desea y solicita

datos al coordinador. Este confirma la petición y se los manda. Todo se

efectúa mediante CSMA/CA no ranurado.

Envío Recepción


28

Intercambio de datos: modo balizado

• Envío: el dispositivo final se despierta para sincronizarse con el

beacon. Durante el CAP accede al canal usando slotted CSMA/CA

• Recepción: el dispositivo final se despierta con el beacon, que le

informa de que hay datos pendientes, y solicita recibir datos. El

coordinador confirma la petición y le envía los datos que han de ser

confirmados. Todo se realiza mediante slotted CSMA/CA. Problema: el

coordinador debe guardar datos hasta que se los pidan

EnvíoRecepción

Si no hay datos

El paquete va vacío


29

Modo balizado: Formato de supertrama

• Estructura de supertrama (redes con baliza o beacon)

– El formato lo define el coordinador

– Los paquetes de beacon señalizan el comienzo de la trama.

– La supertrama está formada por 16 slots de duración ajustable:

• Contention Access Period (CAP) – CSMA-CA

• Contention Free Period (CFP) – GTS: Asignación de hasta 7 slots a

dispositivos concretos (el resto no puede usar el canal). Ejemplo uso: ratón


30

Dimensionado de la supertrama

Inactive

Period

Superframe duration (SD)

(Active Period)

Contention

Access

Period (CAP)

Contention

Free

Period

(CFP)

Beacon Interval (BI)

Beacon Beacon

16 slots

2 ; 2BO SOBI a SD a

a= 960 símbolos (15.3, 24 o 48 ms

para tasas de 250, 40 y 20 kbps)

BOmin=0 (BImin=15.3 ms)

BOmax=14 (BImax=251.67 s)

La relación SD/BI=2(SO-BO) determina el ciclo de actividad (duty cycle) de los dispositivos.

Caso límite: actividad de 15.3 ms sobre 251.67s (0.006%)

Configuración of BO and SO: compromiso

BO >> SO: duty cycle muy bajo, gran ahorro energético, mucho retraso, poco throughput

Otro caso: más consumo, más throughput, menos retardo. Caso especial: BO=SO=15 modo no balizado

BO-SO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Duty cycle (%) 100 50 25 12 6.25 3.125 1.56 0.78 0.39 0.195 < 0.1


31

CSMA/CA no ranurado (Unslotted)

•Esperar un tiempo

aleatorio hasta un

máximo

•Comprobar si el canal

está libre (CCA: Clear

Channel Assessment )

•Si no lo está, duplicar

el máximo del tiempo

de espera (hasta un

máximo)

•Volver a repetir la

operación hasta un

máximo de veces

•Inicializar variables•NB=Nº intentos realizados

•BE=Exponente Backoff

•Valores por defecto•macMinBE=3

•aMaxBE=5

•macMaxCSMABackoffs=4

•Tras transmitir se espera

ACK. Si esta no llega en un

tiempo, se repite la

aplicación del algoritmo

hasta un número de veces•aMaxFrameRetries=3

•Usada en modo no

balizado


32

• Se emplea en el modo balizado

• El tiempo se fragmenta en ranuras (backoff)

– Todos los envíos arrancan al comenzar un backoff

– Necesaria sincronía global (mayor problemática

Hardware): se consigue con las balizas del coordinador

(primer backoff se alinea con inicio de beacon)

CSMA/CA ranurado (Slotted)

Límites de Backoff

20 símbolos=0.32 ms

(a 2.4 GHz)


33

• Cada dispositivo mantiene 3 variables para cada intento

de transmisión:

– Como en el modo no ranurado:

• NB: (número de veces que ya se ha ejecutado el algoritmo) y BE

(exponente que determina el máximo tiempo aleatorio de espera)

– Novedad:

• CW (Contention Window length): número de veces que se ha

escuchado ocioso el canal. Se fija inicialmente a 2 y se va

decrementando hasta 0.

• En modo ranurado: Es necesario 2 CCA en dos periodos backoffs.

• Battery Life Extension:

– Opción que permite que el tiempo máximo que se espera en la

primera iteración sea el menor posible (pensado para que la

contienda dure muy poco en redes con muy poco tráfico y

necesidad de conservar mucho la batería).

CSMA/CA ranurado : particularidades


34

Es necesario

hacer CCA dos

veces (en dos

backoffs)

CSMA/CA ranurado: algoritmo


35

¿Por qué es necesario hacer 2 CCAs?

Dato que

está siendo

enviado

Slots (Ranuras temporales)= 20 símbolos

Espera (Backoff)

acaba aquí

CCA

Detecta

dato

Nuevo nodo (1)

que quiere

transmitir Espera

(Backoff)

acaba aquí

CCA CCA

Detecta

un ACK

Nuevo nodo (2)

que quiere

transmitir

Porque entre el fin del envío de un dato

y el envío del ACK puede requerirse

más una ranura temporal…

tACKmin=12 símbolos


36

Trama de datos

• Sincronía y cabecera de capa física: Preámbulo de sincronía y delimitador de trama + byte sobre tamaño

• Overhead MAC: Tipo de trama, Número de secuencia para permitir el reensamblado y la retransmisión, direcciones de origen y destino (corta de 2 bytes o larga de 8 bytes), se añade CRC (Frame Check Sequence, FCS) para prevenir errores

• Hasta 102 bytes de información de datos (nueva versión de 802.15.4 admite algo mas)


37

Trama de confirmación (ACK)

• Confirma la correcta recepción de los datos

• Se aprovecha el periodo de silencio (quiet time) especificado por la norma tras una transmisión (todos los nodos callan salvo el receptor).


38

• Permite el control y configuración de los

nodos y la formación de la red

(asociación, petición de datos o balizas,

etc.)

Trama de comando MAC


39

• Informa de la existencia de un coordinador, de la duración del beacon interval, de la duración de la supertrama y su estructura, de qué nodos tienen datos pendientes por recibir,…

• Permite mantener a los nodos sincronizados (CSMA/CA es en modo balizado) sin tener que escuchar permanentemente el canal

• Permite buscar redes en modo pasivo (en modo activo, cuando no hay baliza periódica, el dispositivo final pregunta en uno o varios canales mandando él mismo una baliza y esperando respuesta)

Trama de baliza (beacon)


40

• Tras mandar y recibir la confirmación de una trama hay que esperar un tiempo IFS (InterFrame Space) antes de volver a aplicar CSMA/CA: dar tiempo a la capa MAC a procesar los datos

• SIFS (Short IFS)=12 símbolos (192 µs) si el payload es de menos de 18 bytes

• LIFS (Long IFS)=40 símbolos (640 µs) si el payload es de más de 18 bytes

• TACK= 192 µs

• Tiempo en mandar un ACK= tiempo en mandar una trama de 11 bytes=352 µs

• Resultado: No se logra nunca un throughput mayor de 140 Kbps

Tiempo entre tramas

Con ACK

Sin ACK


41

Componentes de ZigBee: la capa de red

Capa de red

• Enrutamiento.

Comunicación

Multisalto.

• Búsqueda de rutas.

• Creación de la red.

Agregación de

dispositivos


42

Coordinador PAN

Full Function Device

Reduced Function Device

Star

Mesh (mallada): comunicaciones peer-to-peer,

no se permiten balizas, problemas para dormirse

Cluster Tree

Tipos de Topologías de red IEEE 802.15.4

Router (intermedio)

Dispositivo final


43

• ZigBee Coordinator (ZC) 802.15.4 PAN Coordinator

–Uno y sólo uno por red

– Inicia la formación de la red

–Actúa como coordinador PAN (FFD).

–Puede actuar como un router una vez formada la red

• ZigBee Router (ZR) 802.15.4 Coordinator

–Componente de red opcional

–Se puede asociar a un Coordinador o a un router que forme parte de la red

–Actúa como coordinador 802.15.4 (FFD).

–Participa en el encaminamiento de información

• ZigBee End Device (ZED) 802.15.4 Device– Dispositivos finales

–Componente de red opcional

–No participa en enrutamiento

–No asocia otros dispositivos a la red

Tipos de dispositivos


44

Redes en estrella (Star)

• Topología más simple: un coordinador (FFD) o „padre‟ y un conjunto de dispositivos finales (RFD o FFD) o „hijos‟.

• Todas las comunicaciones pasan por el coordinador: los hijos no hablan entre ellos directamente.

• Realmente para implementar esta topología no hace falta usar el nivel de red (ZigBee): 802.15.4 ya lo resuelve

• Desventajas: no se pueden cubrir espacios grandes, escala mal para muchos nodos (muchas colisiones), el ZC se convierte en un cuello de botella

Full Function Device

Reduced Function Device

Flujo de las comunicaciones

Master/slave

PAN

Coordinator


45

Procedimiento de asociación

• Tras escanear el canal o pedir baliza, se detecta el coordinador y el dispositivo final debe asociarse

• Lo solicita y la respuesta viene en el beacon (incluye dirección larga del solicitante)

• Luego se pide un dato: la dirección corta (el ZC siempre es 0x0000).

• El ZC puede elegir el nº del canal oyendo previamente en varios para saber cuál está más vacío…

Beacon

(pending address)

ACK

Association req.

Coordinator Device

Data req.

ACK

Association resp.

ACK

Scan

channel

Wait for

response

Make

decision


46

Redes en árbol: Cluster Tree

• Solventan el escaso alcance de los nodos

• Permiten una red peer-to-peer con una sobrecarga de enrutamiento mínima.

• Enrutamiento con varios saltos (multihop)

• Hasta 64770 nodos (255 clusters de 254 nodos direcciones cortas de 16 bits)

• Pueden cubrir un área extensa

• Exigen: Aplicaciones tolerantes al retardo– Cada salto puede implicar hasta varios segundos

DD/CH0

1

0

23

4

6

7

8

12

10

11

9

13

1420

22

5 CH1

CH2

CH3

CH5

CH4

CH6“Parent”

“Child”

Las líneas indican el “parentesco”, no las capacidades de comunicación


47

Creación de una red en árbol (1)


48



49



50

Gestión de balizas en redes en árbol

• La gestión de un árbol (cluster-tree) obliga a que padres

e hijos sincronicen la emisión de sus balizas:

– Las balizas de un padre (hijo) no debe coincidir con la

supertrama de un hijo (padre).

– Si una baliza colisiona: los hijos pierden la sincronía

0 10987654321 14131211 15

Received

Beacon

Transmitted

Beacon

Inactive

BI = aBaseSuperframeDuration×2BO symbols

Inactive

Received

Beacon

Start Time >SD

0 10987654321 14131211 15

SD = aBaseSuperframeDuration×2SO symbols

(Incoming superframe)

SD = aBaseSuperframeDuration×2SO symbols

(Outgoing superframe)

Baliza del padre Baliza del hijo

Offset de tiempo para

evitar la colisión

Baliza del padre


51

Asignación de direcciones ZigBee

• Las direcciones las van asignando los padres (ZRs) a los nodos conforme se van incorporando a la red de forma distribuida

• El ZC (ZigBee coordinator) determina 3 parámetros para cada router que coordina:– El número máximo de hijos totales (Cm)

– El número máximo de hijos routers (Rm)

– La profundidad de la red (Lm)

• Un router (un padre) de nivel d usa Cm, Rm, y Lm para computar Cskip

– Que le permite saber cuántos descendientes tendrá cada hijo router y deducir el rango de las direcciones a asignar

(b) Otherwise ,1

1

(a) 1 if ),1(1

)( 1

Rm

RmCmRmCm

RmdLmCm

dCskip dLm


52

• Si un padre de nivel d

tiene una dirección

Aparent;

– Su hijo router n-ésimo

tendrá una dirección:

Aparent+(n-1)×Cskip(d)+1

– Su hijo final n-ésimo

tendrá una dirección:

Aparent+Rm×Cskip(d)+n

C

A

B

Cm=6

Rm=4

Lm=3

Addr = 0,

Cskip = 31

Addr = 1,

Cskip = 7

Addr = 32,

Cskip = 7

Addr = 63,

Cskip = 7

Addr = 125

Addr = 126

Addr = 30

Addr = 31

Addr = 33,

Cskip = 1

Addr = 38

Addr = 40,

Cskip = 1

Addr = 39

Addr = 45

Addr = 64,

Cskip = 1

Addr = 92

Cskip(0)=127; Cskip((1)=31; Cskip(2)=7; Cskip(3)=1

Total:127

Ejemplo de Asignación de direcciones ZigBee


53

Redes Mesh (malladas) en ZigBee

• El modo Mesh sólo es posible con el modo sin beacon de IEEE 802.15.4. De lo contrario tiene que ser árbol.– ZigBee: debido a la danza en zigzag que van iterando las abejas

para trasladar una información a la colmena (una red mallada)

ZigBee End Device (RFD or FFD)

ZigBee Router (FFD)

ZigBee Coordinator (FFD)

Mesh Link

Star Link


54

Slide Courtesy of

Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee


55

Slide Courtesy of


Enlaces existentes


56

Slide Courtesy of


Formación de la ruta


57

Slide Courtesy of


Caída de nodos (p.e.: fin de batería)


58

Slide Courtesy of


Recomposición de la ruta


59

Protocolos de encaminamiento de ZigBee

• En un árbol (cluster-tree)

– La dirección asignada al destino permite definir

el camino

• En una red mesh:

– Dos opciones

• Con capacidad de routing (de crear tablas y rutas):

routing reactivo

• Sin capacidad de routing: de modo similar al caso de

un cluster-tree


60

Routing en un árbol (cluster-tree)

• Procedimientos de encaminamiento muy simple (aunque inflexible):

– Cuando un nodo recibe un paquete, comprueba si el destino es él o uno de sus descendientes

– Si lo es, se lo queda o lo reenvía hacia el hijo correspondiente

– Si no lo es se lo manda a su padre

– Las relaciones entre ascendientes y descendientes se deducen rápidamente de las direcciones de red asignadas.

– Se evitan las tablas de encaminamiento


61

S

a

C

T

D

Discard route

requestB

Unicast

Broadcast

Without routing capacity

route replyroute req.

route req.

route req.

route req.

route req.

Encaminamiento (Routing) en una red mesh

• Reactivo: similar a a AODV.

– Se lanza una petición de ruta a destino por broadcast

– Los nodos intermedios reenvían la petición hasta que

llega al destino que responde de modo unicast.

– Destino elige la ruta de menor coste (coste:

probabilidad de entrega de los enlaces)


62

Enrutamiento en malla

• Enrutamiento en vecindad

• Los dispositivos ZR o ZC pueden mantener una tabla de vecindad

• Los paquetes hacia los vecinos se encaminan directamente

• Los dispositivos ZC y ZR mantienen una tabla de enrutamiento hacia nodos del siguiente salto.

• Si el paquete hace va hacia un nodo que está en la tabla, se envía hacia el salto especificado

Routing cluster-tree Routing red mesh


63

Comparativa de topologías

Ventajas Desventajas

Star

(Estrella)

1. Sincronización sencilla (sólo

un nodo coordina)

2. Admite modo bajo consumo

3. Baja latencia

1. Poco escalable

2. Sólo un salto: no puede cubrir

áreas grandes

Tree

(Árbol)

1. Coste de routing menor

2. Admite balizas y supertramas

(y modo de bajo consumo)

3. Comunicación multisalto (más

cobertura y escalabilidad)

1. Reconstrucción de rutas es

costoso

2. Uso de balizas+jerarquía (que

no optimiza los saltos):

latencia puede ser muy alta

Mesh(Malla)

1. Comunicación multisalto más

robusta y flexible frente a

cambios

2. Se pueden minimizar los

saltos (mínima latencia)

1. No admite balizas ni

supertramas (los nodos no

pueden dormirse)

2. Routing es costoso (emisión

de petición de rutas,

necesidad de tablas)


64

API (primitivas) de envío de datos

API (primitivas) de control

Aplicaciones específicas (Objetos) - Pueden ajustarse a perfiles estándar

- Asociadas a EndPoints (≈puertos TCP/UDP). Hasta 240 aplicaciones

en mismo nodo

Aplicación espacial “ZigBee Device”

(endpoint 0):

-Inicializa y configura capas inferiores

-Define el comportamiento asociado a la

red (coordinador, router, nodo hoja)

-También implementa el descubrimiento

de servicios.

ZigBee: Capas de aplicación

Soporte de aplicación: segmentación,

reensamblado, gestión de atributos,

creación de grupos de endpoints,

binding (identifica en una caché

lógica destino y endpoint, es como

abrir un socket TCP/IP)


65

Comunicación entre “end-points”

• Sin confirmación

• Con confirmación. Convive (duplica) confirmación 802.15.4


66

Comunicación entre “end-points” con fragmentación


67

Perfiles de ZigBee

• Las aplicaciones (ZigBee Objects) se implementan sobre los “end points”, siguiendo un perfil (protocolo, descriptores) normalizado y aprobado por la ZigBee Alliance

• Objetivo: facilitar la interoperabilidad entre fabricantes


68

Propuesta: Extensiones

• Gateways

– Acceso a la red ZigBee a través de un interfaz abstracto de

mensajes sobre TCP/IP

• ZigBee Extension Devices (ZEDs)

– Interconexión transparente de subredes ZigBee sobre una

infraestructura de red de área local o extensa TCP/IP

– Una sola PAN


69

Gateways: pasarelas con el mundo IP

• Arquitectura de protocolos


70

Índice

1. Introducción

2. 802.15.4: El nivel físico

3. 802.15.4: El nivel MAC

4. ZigBee: El nivel de red

5. ZigBee: El nivel de aplicación

6. Plataformas y motas 802.15.4 comerciales


71

Comercialización y extensión de ZigBee

• Varios fabricantes:

– TI(Chipcon), Freescale, Microchip, Amber, Atmel, Silicon labs, Renesas,

etc.

• ¿Por qué le cuesta despegar?

– BT: orientado a electrónica de consumo y usuario final

• La interoperabilidad es clave

– ZigBee: Orientado a aplicaciones industriales y diseñadores de sistemas

• Perfiles menos usados/definidos

• Priman las particularidades de cada aplicación: buena parte de las

funcionalidades ZigBee no son necesarias

– Los propios fabricantes de ZigBee ofrecen alternativas propietarias más simples

(Ej: SimpliciTI de TI): Pilas de sólo 4KB

• Competencia de otras soluciones X-10 (sobre red eléctrica) en domótica.

– Aunque Sony usa ZigBee para mandos TV LCD

• Más futuro en AMR (Automatic Meter Reading): control de procesos

industriales, sistemas de vigilancia y RFID en oficinas y talleres


72

¿Qué NO es ZigBee?

• Muchos redes de sensores utilizan sistemas propietarios

– Microcontrolador de bajo consumo con MAC propietaria muy sencilla

+Chip en banda sub-1 GHz (315/433868/915 MHz)

– Ejemplo: Familia C1XXX de TI (CC1100, CC1101,…), ADF70XX de

Analog Devices, MC33X69 de Freescale, rfPIC12XX de Microchip

• Ventajas: mayor alcance, más simplicidad en la pila (se pueden usar

microcontroladores más baratos, menos consumo al transmitir, recibir y en

estado ocioso (más duración)

• Ejemplo de mota que usa CC1100: Mica2

• Otras motas sólo usan la capa física de 802.15.4 (a veces

también la MAC)

– Ejemplo: Mota TelosB (capa física),

• Usa el transceptor CC2420

– MicaZ (capa física+MAC) de Crossbow

• Otros estándares para redes de sensores

– Z-Wave (sub 1GHz) de Zensys, Wibree (Ultra Low Power Bluetooth)


73

Tipos de productos ZigBee

Logo “ZigBee Certified product”

Otorgado por la ZigBee Alliance a que emplean la pila

ZigBee.•ZigBee Network Capable: productos con perfiles de aplicación

propietarios

•ZigBee Compliant Product: productos con perfiles de aplicación

públicos

Control4 Home Automation

System

http://www.control4.com/products/

components/complete.htm

Eaton Home HeartBeat monitoring

system

www.homeheartbeat.com

Chip Sets

• Ember, http://www.ember.com/index.html

• ChipCon, http://www.chipcon.com

• Freescale, http://www.freescale.com

Software, Development Kits

• AirBee,

http://www.airbeewireless.com/pr

oducts.php

• Software Technologies Group,

http://www.stg.com/wireless/

http://www.control4.com/products/components/complete.htm

http://www.control4.com/products/components/complete.htm

http://www.homeheartbeat.com/

http://www.ember.com/index.html

http://www.chipcon.com/

http://www.freescale.com/

http://www.airbeewireless.com/products.php

http://www.airbeewireless.com/products.php

http://www.stg.com/wireless/


74

Diseño típico de una mota ZigBee

La pila ZigBee puede ocupar 40 KB en el microcontrolador

Sensibilidad típica: -95 a -100 dBm (norma impone -85dBm, 3.16pW, 12.6

µV en una antena con una R de 50 Ω)

Transceptor Microcontrolador (8/16 bits)


75

Productos de TI (Chipcon)

• Pila completa ZigBee (Z-stack, 2007)

• Tres arquitecturas posibles:

– Procesador ZigBee:

• Toda la pila se integra en un único chip

• El microcontrolador se centra en la aplicación y se comunica

con el procesador con un API

– Ejemplos: CC2420, CC2520 (MSP430)

– Transceptor ZigBee:

• Sólo implementa el nivel físico

• El micro implementa, vía Software, del nivel MAC hacia arriba

– Ejemplos: CC2420 CC2520 (MSP430)

– Código opensource de Z-stack, descargable. Compilador C IAR

– System-on-chip (SOC)

• Microprocesador y transceptor se integran en un chip

– Ejemplo: CC2430/31 (8051+transceptor)


76

Otras pilas y motas ZigBee

• Ember:

– Pila EmberZNet PRO

– Motas EM300 y EM250 (SOC), EM260

• Freescale

– Pila BeeStack

– Motas MC13121X y MC13122x

• Jennic

– Motas JN5148, JN5139, JN5121

– JenNet y WiniZB

• Microchip…

• Ver más productos homologados en:

– www.zigbee.org


77

Toda la pila ZigBee se

integra en el chip

CC2480. El Micro usa

una API (Simple-API)

muy sencilla

Kit eZ430-RF2480: Procesador ZigBee CC2480

Anverso ReversoConector batería

Conector USB


78

Transceptor TI CC2520. 802.15.4

MSP430F2618

MSP430F5438

Implementa la pila de protocolos (MAC, red, etc)

-Z-Stack (ZigBee 2007)

-TIMAC (802.15.4)

-SIMPLICITI (No Standard)

Envío de comandos de

control al CC2520 y

paquetes de dato

Detección de eventos y

control de temporización.


79

Transceptor TI CC2520. 802.15.4

• Implementa la capa física (modulación)

• Implementa parte de la capa MAC

– codificación y decodificación del formato de la trama, encriptación, control de errores.

– ACK automático.

– Control de los niveles de potencia recibida, RSSI, LQI

– Filtrado de tramas

– Generación automática de señales GPIO en respuesta a eventos (por ejemplo Start of Frame Delimiter) facilitar la sincronización de trama

– Generación de automática de Clear Channel Assesment para CSMA/CA


80

Ejemplo de estudio de consumo: CC2480

Time (ms)

Me

asu

red

curr

ent(m

A)

0 2 4 6 8 10 12 14 160

1

2

3

4

5

6

7

8

Estim

ate

d B

att

ery

Lifetim

e (

in y

ears

)

Time between consecutive transmissions of the sensed information (s)

Battery lifetime as a function of the frequency of the data emission

Packet size=2 bytes

Packet size=102 bytes

Modo Consumo

Procesador ZigBee activo 13 mA

Activa y oyendo/recibiendo 32,5 mA

Activo y transmitiendo (0 dBm) 30,5 mA

Modo de bajo consumo 750 nA


81

Evolución de 802.15.4/ZigBee

• 802.15.4a: Nivel Físico alternativo. Objetivo: lograr

sistemas de localización de alta precisión y bajo consumo,

mayor ancho de banda

– Tecnología de tipo UWB en la banda de 2.4 GHz

• Versiones ZigBee: 2004 (1ª), 2006 (2ª), 2007(ZigBee-Pro)

– ZigBee-Pro: más ductilidad asignación direcciones, frequency

agility (cambiar de canal si se ve con interferencias), routing

asimétrico, novedades en fragmentación y reensamblado y gestión

de seguridad

• Protocolo relacionado: 6LoWPAN

– IPv6 para dispositivos con poca capacidad. Adapta los paquetes

IPv6 a la MAC correspondiente


82

Bibliografía

• S. Farahani, ZigBee Wireless Networks and Transceivers, Elsevier, Nueva

York (2009)

•Algunas presentaciones:

•Y.C. Tseng, “ZigBee/IEEE 802.15.4 Overview”, CS/NCTU (Taiwan)•www.csie.nctu.edu.tw/~yctseng/WirelessNet05-02/zigbee-802.15.4.ppt

•Tutoriales e información sobre ZigBee

•http://www.palowireless.com/zigbee/tutorials.asp

•Jennic, Página con presentaciones flash y test sobre ZigBee•http://www.jennic.com/elearning/zigbee/files/content_frame.htm

http://www.csie.nctu.edu.tw/~yctseng/WirelessNet05-02/zigbee-802.15.4.ppt





http://www.jennic.com/elearning/zigbee/files/content_frame.htm

tecnología_inalámbrica_ zigbee

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