PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAO

PROTOCOLO DE COMUNICAO IEEE 802.15.4 E ZIGBEE

ALUNO: FLVIO JOS VUNDA : PROFESSOR ORIENTADOR: EDGAR BORTOLINI :Porto Alegre, Dezembro de 2005

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Dedicatria

Este trabalho dedicado a todos aqueles que acreditam que possvel melhorar o aprendizado, a qualidade e o desempenho com esforo e um objetivo a ser atingido.

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Agradecimentos

Este trabalho foi possvel graas a ateno generosa e amiga por parte de varias pessoas. Escrito, partilho com todos aqueles que de perto ou de longe ajudam-me para a sua realizao. Exprimo antes de tudo, a minha gratido ao professor Edgar Bortolini pela sua valiosa idia dedicada na orientao deste trabalho. Enfim, sou devedor de pessoas que nem mesmo conheo. Salientando algumas no quero excluir nenhum daqueles que o senhor colocou na minha estrada.

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ResumoEste trabalho visa apresentar a norma IEEE 802.15.4 e o standard da aliana zigbee para as redes de sensores, pretendendo mostrar as capacidades que a tecnologia apresenta para os seus utilizadores. O emprego de sensores em ambientes residencial e industrial tem responsabilidade a transmisso modesta de dados obrigando que a comunicao seja vivel e robusta atravs de sistemas com baixo custo acompanhado com o baixo consumo de energia. a sada pode esta direcionada na investigao de redes sensoriais que representam um papel fundamental pela aplicao de tecnologias para o controle na segurana, ambiente e principalmente nas reas da sade. Tecnologias emergentes apostam alm da diminuio do tamanho dos dispositivos procuram reduzir o peso, custo, assim como o melhoramento e preciso da performance que estes oferecem. O trabalho faz uma introduo da tecnologia IEEE 802.15.4 juntos o Standard Zigbee, uma tecnologia criada recentemente para efeitos de controle de conectividade de dispositivos em ambientes internos e externos, baseado-se na tcnica de localizao de sensores instalados; existem varias outras tecnologias similares como o Zigbee, contrario a esta tm mais divulgao por estarem no mercado a mais tempo. Com isso, o trabalho procura mostrar uma viso detalhada das potencialidades da tecnologia e portanto mostrar sua relao no seio das comunicaes sem fio.

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Sumrio1. Introduo................................................................................................................................9 2. Consideraes Iniciais .............................................................................................................9 3. Padro ....................................................................................................................................10 3.1. O que Chamamos de Zigbee..................................................................................................12 4. Camada Lgica ou Camada de Ligao Lgica ....................................................................14 4.1. Subcamada M AC...................................................................................................................16 4.2. Subcamada LLC ....................................................................................................................18 4.3. Dispositivos ...........................................................................................................................18 4.3.1. Coordenador de Rede ..........................................................................................................19 4.3.2. Dispositivos de Varias Funes...........................................................................................20 4.3.3. Dispositivos de Funes Reduzidas.....................................................................................20 4.4. Acesso ao M eio....................................................................................................................21 4.4.1. Acesso ao M eio no IEEE 802.15.4......................................................................................22 4.4.2. Transporte de Dados com Beacon .......................................................................................23 4.4.3. Transporte de Dados sem Beacon........................................................................................24 4.4.4. Transmisso com GTS.........................................................................................................25 4.4.5. Transferncia de Dados .......................................................................................................28 4.4.6. Tipos de Quadros.................................................................................................................31 4.4.7. Dimenso dos Quadros .......................................................................................................31 4.4.8. Estrutura do Quadro............................................................................................................32 4.4.9. Superquadro........................................................................................................................36 4.4.10. Opes do M edium Acess Control (MAC).......................................................................40 4.4.11 Iniciando o Acesso de uma Rede PAN...............................................................................41 4.4.12. Liberaes e Reservas de GTS ..........................................................................................43 4.5. Codificao no IEEE 802.15.4 ..........................................................................................44 4.5.1. Consumo Temporal ............................................................................................................47 4.5.2. Primitivas ............................................................................................................................48 5. Camada Fsica........................................................................................................................49 5.1. M odulao .............................................................................................................................51 5.1.2. M odulao nas Bandas 2.4 Ghz...........................................................................................52 5.1.3. M odulao nas Bandas 868 / 915M hz Ghz.........................................................................53 5.1.4. Bandas e Freqncias Funcionais do IEEE 802.15.4 ..........................................................54 5.1.5. Seleo do Canal..................................................................................................................56 6. Topologias ...........................................................................................................................56 6.1. Topologias de IEEE 802.15.4 ..............................................................................................56 6.2. Topologias da Rede Zigbee .................................................................................................58 6.2.1. Tipos de Trafego..................................................................................................................60 7. Zigbee e camada. .................................................................................................................61 7.1 Camada de Rede e Aplicao (NWK) .................................................................................63 7.1.1. Subcamada de Suporte e Aplicao (APS)..........................................................................64 7.1.2. Subcamada de Objetos de Dispositivos (ZDO)...................................................................65 7.2 Aplicaes............................................................................................................................65 7.3. Performance .........................................................................................................................68

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7.4. Segurana.............................................................................................................................75 7.4.1. Segurana do IEEE 802.15.4 ...............................................................................................75 7.4.2. Segurana da Camada Zigbee.............................................................................................77 7.4.3 Alternativas e Suas Aplicaes ...........................................................................................77 7.5. Consideraes Finais ..........................................................................................................81 7.5.1. Criticas ao Zigbee e IEEE 802.15.4....................................................................................82 7.5.2. Tendncias da Tecnologia ..................................................................................................82 7.5.3. Futuro do IEEE 802.15.4 e Zigbee ....................................................................................82 7.6. Concluso ..........................................................................................................................83 8. Referencias Bibliogrfica .................................................................................................85

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Lista de FiguraFigura1- Arquitetura IEEE 802.15.4 .....................................................................................11 Figura2 Camada do Padro.................................................................................................11 Figura3 Patrocinadores. ......................................................................................................12 Figura4 Participantes ..........................................................................................................12 Figura5 M odelo do IEEE 802.15.4.....................................................................................15 Figura6 Arquitetura de um Dispositivo IEEE 802.15.4 .....................................................15 Figura7 Referena da Sub-Camada M AC..........................................................................17 Figura8 Representao dos Dispositivos............................................................................19 Figura9 N Escondido ........................................................................................................22 Figura10- Beacon no competitivo........................................................................................23 Figura11 Superquadro com Periodo de GTS reseservado ..................................................25 Figura12 Reserva de zona GTS. .........................................................................................25 Figura13 Utilizao de Zona GTS......................................................................................26 Figura14 GTS Liberados ....................................................................................................27 Figura15 Tentativa de transmisso entre 2 ns....................................................................28 Figura16 Comunicao Coordenador x Dispositivo...........................................................29 Figura17 Comunicao Dispositivo x Coordenador............................................................30 Figura18 Estrutura do Quadro M AC..................................................................................32 Figura19 - Quadro de Dados..................................................................................................34 Figura20 Quadro M AC.......................................................................................................35 Figura21 Quadro de Acknoledgment (ACK). ....................................................................36 Figura22 Durao do Superquadro.....................................................................................37 Figura23 Superqudro Beacon .............................................................................................38 Figura24 Estrutura do Superquadro....................................................................................39 Figura25 Processo bem sucedido de pedido de Associao ...............................................42 Figura26 Superquadro Fragmentado ..................................................................................44 Figura27 M odelo da Camada Fisica ....................................................................................45 Figura28- M odulaes e Funes de Propagao .................................................................50 Figura29 M odulao do Sinal em OQPSK.........................................................................52 Figura30 Aspecto de M odulao BPSK.............................................................................53 Figura31 Seleo de Canais entre IEEE 802.15.4 e 802.11b ............................................. 54 Figura32 Topologia de Estrela............................................................................................56 Figura33 Topologia M esh....................................................................................................58 Figura34 Topologia Cluster Tree........................................................................................59 Figura35 Camada Zigbee....................................................................................................60 Figura36 Camada de Aplicao...........................................................................................63 Figura37- Aplicaes de Controle Interno ............................................................................64 Figura38 Residncia Conectada Plataforma Zigbee ........................................................66 Figura39 Taxa de Dados / Sada. ........................................................................................67 Figura40 Atraso de Dados no CAP x CFP .........................................................................69 Figura41 Carga de Quadros / Taxa de Entrga ....................................................................70 Figura42 Relao Ciclo de Trabalho x BO.........................................................................71 Figura43 Standards de Redes sem Fio.................................................................................72

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Lista de TabelasTabela1 Funcionalidades dos Dispositivos.........................................................................21 Tabela2 Comparao dos protocolos Escalonaveis ............................................................21 Tabela3 Endereamentos....................................................................................................35 Tabela4 Bandas x cobertura x Canais .................................................................................55 Tabela5 Simulao de dispositivos numa rede IEEE 802.15.4 ..........................................73 Tabela6 Entrada ACL ..........................................................................................................77

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1. IntroduoSem duvidas nenhuma, o mundo moderno atual acredita que o futuro se aproxima com a tendncia de existir apenas comunicaes implementadas por fibras pticas e comunicaes sem fio ou seja as comunicaes que at ento se faziam com auxilio de cabos metlicos passariam a ser efetuados por fibras pticas e pelo ar. Os dois tipos de comunicaes crescem substancialmente e o nmero de usurios conetando-se com o planeta aumenta exponencialmente em perodos que podemos considerar curto. Precisam obter o maximo de transferncia de dados atravs dos dispositivos de conexo e o que parece nem mesmo atravs de cabos metlicos, cabo coaxial e fibra ptica so suficientes para suportar a demanda satisfatria. Neste caso existe um ideal do perfil do usurio de sentir-se amarrado quando a transmisso e recepo de dados, fator que desperta a projeo de novas estruturas de comunicao terrestre onde usurios atravs de redes sem fio ou Wireless possam encontrar solues de suas limitaes. Assistimos uma vasta proliferao de tecnologias de redes sem fio de diversas plataformas baseadas nas normas IEEE 802 X e estas oferecem solues atraentes aos usurios que pretendem rpidas e simples instalaes de redes sem os problemas que sempre apresentam as redes associadas a cabos.

2. Consideraes iniciaisA tecnologia IEEE 802.15.4 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) e a sua standard Zigbee foram criadas para satisfazer o mercado crescente de produtos de redes com controle e monitorizao [12]. Produtos estes que apresentam caractersticas diversas como: - Interoperabilidade, por ser capaz de trocarem dados e realizar (executar) operaes em dispositivos com fabricao de diferentes Indstrias.

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- M odestas taxas de dados por no ser necessrio transmitir grandes volumes de dados com ou em grandes velocidades. - Standardizao por operarem sobre um Standard comum - Viabilidade, onde possvel ter certeza de que os dados foram transmitidos e recebidos sem nenhuma falha e sem interferncia nos mltiplos caminhos possveis da transmisso e recepo. - Custo baixo, sem o grande aumento do custo dos produtos atravs da integrao dos fabricantes. - M obilidade dos ns, os ns no precisam estar fixo numa determinada rea quando comparado com as instalaes a cabo, reduzindo generosamente os custos com a instalao, facilitando fazer instalaes onde at ento eram lugares fisicamente impossveis de se efetuar uma instalao. - Consumo de energia reduzida, portando, baterias com operaes de longo prazo. - Flexibilidade, para que os ns sejam capazes de adaptar-se em diversos ambientes e diferentes situaes de funcionamento. Portanto, a norma IEEE 802.15.4 juntamente com o padro do ZigBee foi homologado em maio de 2003, ainda pouco conhecido no Brasil. O padro composto por um simples protocolo de pacote de dados com caractersticas especificamente projetadas para ter flexibilidade, vida longa de baterias, sensores distribudos e controle de sistemas e redes.

3. O padro IEEE 802.15.4O instituto de Engenharia Eltrica e Eletrnica teve a responsabilidade de criar um grupo de trabalho 802.15, com a funo de normalizar as Redes Pessoais Sem Fio WPAN (Wireless Personal Network), pois o grupo contm varias sub-standards de acordo com diversas aplicaes, velocidades e distancias em que elas podem operar. O modelo IEEE 802.15.4, constitudo por uma arquitetura que compatibiliza com as normas que a rege, sua arquitetura real no apresenta diferena com as arquiteturas dos padres anteriores como por exemplo as do token ring e Ethernet. O Hardware do IEEE 802.15.4 fica na camada fsica e acima desta foi introduzida camada lgica conforme mostra a figura1.

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FIGURA1 : Arquitetura IEEE 802.15.4

Podemos observar que o IEEE 802.15.4 pode operar isoladamente por no precisar roteamento, diferente da tecnologia Zigbee que funciona apenas nas camadas superiores onde existe roteamento (figura2).

FIGURA2: Camadas do Padro

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3.1. O que chamamos de Zigbee? ?Formada por uma Aliana, tem o patrocnio de mais de 150 empresas, com destaque das empresas como M otorola, Intel, Sony, Samsung, Philips. M itsubishi Eletric, Honeywell e a Invensys conforme a figura3 [12] .

FIGURA3 : Patrocinadores

FIGURA4 :Participantes

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um protocolo projetado para efetuar comunicao sem fio confivel, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmisso para aplicaes de monitoramento e controle. Para implementar as camadas M AC (Medium Access Control) e PHY (Physical Layer) o ZigBee utiliza a definio 802.15.4 do IEEE, que opera em bandas de freqncia livres que sero apresentadas em sees posteriores a este trabalho. M embros fundadores formam o conselho de direo. H atualmente 5 promotores e 1 um responsvel por gerir essa direo. Existem tambm as empresas que desejam fazer contribuies, essas empresa ganham acesso prvio s especificaes e ajudam a moldar o zigbee. A Aliana define Aplication profiles (perfis de Aplicao) que permitem que os dispositivos fabricados por diversos fabricantes possam trocar dados entre si de maneira interoperavel. da responsabilidade da Aliana elaborar testes para a conformidade dos produtos para que estes sejam certificados e gerenciados com a marca Zigbee. Alm dos patrocinadores, esto ainda os participantes, membros que desejam ou se interessam fazer contribuies tcnicas ou aqueles convidados para fazer parte de grupos tcnicos. Os participantes tm acesso breve nas especificaes e devem apenas trabalhar nos grupos de sub-comites da aliana; ajudam de forma formal no desenvolvimento tecnolgico do protocolo para aplicaes na indstria e conexes residenciais. A Aliana se dispe de grupos de trabalho como os grupos pertencentes ou responsveis na: - Arquitetura - Estrutura fsica do protocolo - Desenvolvimento da conexo da rede wireless - Segurana - Interoperabilidade - M arketing. A norma estabelece camadas superiores e suas capacidades, so suportadas nas camadas inferiores que pertencem a IEEE 802.15.4. O protocolo Zigbee um standard de comunicao de redes sem fio entre sensores colocados em dispositivos que no necessitam de grande largura de banda com consumo reduzido de energia. Em suma o nome Zigbee o nome da aliana que empresas patrocinadoras formaram em volta da especificao IEEE 802.15.4 com aprovao no primeiro trimestre de 2003.

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O nome Zigbee, foi inspirao no mtodo utilizado pelas abelhas em comunicarem-se entre si sobre a localizao de uma nova fonte de alimentao com os demais membros da colmia. Os produtos Zigbee esto apostados no baixo custo e a escalabilidade com as outras aplicaes e na venda comercial abrangente. Nas redes ZigBee um dispositivo pode permanecer um longo tempo sem ter que se comunicar. Alm disso o tempo de acesso rede muito pequeno, tipicamente 30 ms. Outra caracterstica importante o tamanho reduzido dos pacotes de dados que trafegam na rede [19].

4. Camada Lgica ou Camada de Ligao LgicaA camada de ligao lgica do IEEE 802.15.4 de fcil implementao mas exige baixo custo de operao partindo desde operaes de curto alcance, baixo consumo de energia assim como a transferncia confivel e vivel dos dados a serem transferidos, oferecendo suporte a topologia e ao mesmo tempo estabelecer segurana no sistema. Semelhante a arquitetura dos outros padres a camada de ligao lgica formada por duas subcamadas conforme mostra a figura5.

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FIGURA5: Modelo IEEE 802.15.4 : A subcamada de Controle de Acesso M dio ou simplesmente subcamada M AC e a subcamada de Controle lgico do link ou tambm chamada de subcamada LLC (Logic Link Control) [19]. A camada de ligao lgica apresenta uma arquitetura muito semelhante s camadas que so baseadas no 802.2 e apresentada conforme mostra a figura6.

FIGURA6: Arquitetura de um dispositivo IEEE 802.15.4

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O protocolo IEEE 802.15.4 funciona essencialmente com duas camadas: A camada MAC projetada para permitir topologias mltiplas com baixa complexidade e a camada fsica PHY (Fsical Layer) projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo nveis elevados de integrao.

4.1. Sub-Camada MACA camada M AC apresenta dois tipos de opes de funcionamento quando ao acesso.Tem dois (2) canais com mecanismo de acesso que apresenta: - Uma rede no direcional (orientada) Efetua reconhecimento positivo com xito na recepo de pacotes Comunicao feita atravs da standard ALOHA e CSM A-CD.

Rede com dispositivos habilitados ou autorizados Apresenta estrutura de superframe Dedicado largura de Banda com baixa latncia A coordenao dos frames planificados pelo coordenador, transmitindo sinais comuns de advertncia em intervalos predeterminados

-

Trs nveis de segurana especificada sinalizado Nenhuma Segurana Segurana com listas de controle de acesso Chaves com simetria empregando AES-128

A subcamada M AC responsvel pelo aceso ao meio, mantm o gerenciamento das transmisses de BECON permitindo que os dispositivos entrem e saem de uma rede pessoal PAN (Personal rea Network) mantendo sincronismo e ainda responsvel em transmitir e receber mensagens de recebimentos ou Ack. Atravs de um algoritmo CSM A-CA (Carrier Sense Multiple Acess) a subcamada M AC controla o acesso ao canal de radio usado, lidando com vrios tipos de dados, dados com taxas definidas conforme a aplicao, repetio, baixa latncia, taxas de transmisso, dados peridicos e internimentes assim como reserva de pores de tempo.

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Portanto so responsabilidades da subcamada M AC: - Acesso ao canal dos dispositivos - M anuteno da rede associando e desassociando dispositivos - Transporte vivel de dados com envio e reconhecimento dos quadros - Gesto dos GTS (Garanteed Time Slot) ou tempos de slotes garantidos.

Conforme o tipo de dados a subcamada M AC usa diferentes formas de envio dos dados tratando-se de dados peridicos e interminentes. Os dados peridicos so enviados obedecendo ao critrio CSM A-CA onde um dispositivo deve escutar antes o meio e depois enviar, ou seja, escutar-enviar. Nos dados interminentes o envio feito atravs do sistema pooling de maneira que o dispositivo s acessar o meio quando este precisar se comunicar com os outros dispositivos. No entanto, a subcamada M AC dividida por duas seces ou subcamadas que se comunicam entre si; a seco M CPC (MAC Cammom Part) e a seco M LM E (MAC Sub Layer Managment Entety) que acedem respectivamente a camada fsica inferior pelo PD-SAP (Physical Data Service Acess Point ) e pelo PLM E (Physical Layer M anagment Entity) descrita conforme o IEEE 802.15.4 ,figura7.

FIGURA7: Referncia da Subcamada M AC

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O acesso s camadas superiores feito atravs das primitivas do M LM E e M CPS (MAC Cammom Part Sub Layer); pode se alcanar tambm atravs de programao de mdulos disponveis no IEEE 802.15.4 no qual o acesso fica facilitado tornando-o mais transparente devido ao cdigo que aplicado com ajuda do programa freescale. Este Software serve para programar o M AC 802.15.4 introduzindo mdulos em microcontroladores do tipo M C13192, destinados aos coordenadores com objetivo de fazer a leitura dos dados. O freescale apresenta varias bibliotecas que atuam sobre vrios registros de forma a conseguir programar dispositivos, onde os registros so usados nas bibliotecas que convertem para a linguagem assembly.

4.2. Sub-Camada LLCLocalizada na camada de ligao lgica, a subcamada LLC serve para fazer a interface entre a camada lgica e as camadas de nvel superior tendo acesso a vrios meios definidos pelo IEEE 802.15.4. O intercambio entre as informaes de diferentes LLCs feito atravs de primitivas respectivamente, standardenizadas no IEEE802.15.4. A comunicao entre os APs (Acess

Point) o LLC define trs operaes formuladas como tipo I, TipoII e o Tipo III [7]. No modo Tipo I, os LLCs trocam informaes com os PDU sem que estes estabelecem conexo entre eles. PDU (Protocol Data Unit) no usa servio de conexo sendo assim no h controle de erro nem controle de fluxo na comunicao e com isso no necessrio que a subcamada LLC efetue ACK sobre os PDUs [7].

4.3. DispositivosOs dispositivos so alimentados por baterias colocados ou no em modo de espera por vrios e longos perodos; o ciclo para comunicao nas redes com o IEEE 802.15.4 muito curto o que faz com que os dispositivos sejam alimentados com media de consumo considerada baixa em relao s outras plataformas.

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FIGURA8: Representao dos dispositivos de rede : No modo de operao convencional do M AC IEEE 802.15.4 indica que todos os dispositivos devem competir pelo meio sendo este reservado para aquele que inicie primeiro a transmisso ou inicializao; assim os outros escutam o meio antes de acessar podendo aguardar caso o meio esteja ocupado. Existem ainda aplicaes prticas aquelas que no tm interesse de competir pelo meio, estes requerem ao coordenador espaos de tempos dedicados, designados, chamados Guaranteed Time Slots ou simplesmente Slots de tempo com garantia. O Padro IEEE 802.15.4 tem um esquema de endereamento que suporta 255 ns ativos e nela funcionam 3 dispositivos importantes.

4.3.1. Coordenador de RedeUm coordenador da rede um dispositivo, que preserva e mantm todo conhecimento de toda rede; define o canal que ser usado e ao mesmo tempo gerencia os ns; para sua prpria segurana usa memrias auxiliares se necessrio para melhor processamento de dados. O coordenador um dispositivo nico numa WPAN com responsabilidade da criao do beacon e este por sua vez reenviado pelos outros dispositivos at chegar nos ns que ficam no extremo da rede; de sua responsabilidade a escolha da maneira que ser acessado o meio, usando ou no o beacon permitindo que os outros ns entrem na rede com funcionamento

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perfeito. Podem ser ligados para suportar grandes redes podendo conter mais de 4000 ns numa nica rede com confiabilidade alta.

4.3.2. Dispositivos de varias funesDispositivos de varias funes FFD (Full Function Device) , so os roteadores que possuem varias funcionalidades em todos os aspetos de segurana que determinam o padro, assim a adio de memrias com capacidade computacional fazem com que o trafego seja fcil para as funes de roteamento; so responsveis pelo encaminhamento das mensagens entre os ns da rede, conectados nos terminais da rede atravs do mundo real. Estes dispositivos podem funcionar em toda a topologia do padro, desempenhando a funo de coordenador da rede e conseqentemente ter acesso a todos os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construo mais complexa.

4.3.3. Dispositivos de funes reduzidasDispositivos de funes reduzidas RFD ( Reduced Function Device), so terminais, usados pela standard para as portadoras com funcionalidades limitadas. So dispositivos normalmente simples, onde a comunicao feita apenas entre dois ns. Controlam especialmente custos e complexidade da rede. Esto impossibilitadas a fazer roteamento por isso no podem ser conectados nas extremidades da rede ou end point. Limitam-se a uma configurao com topologia em estrela, no podendo atuar como um coordenador da rede. Pode comunicar-se apenas com um coordenador de rede. So dispositivos de construo mais simples.

Coordenador de rede - FFD Ajustes de parmetros da rede Transmite informaes pela rede Gerencia os ns da rede Armazena informaes dos ns de rede Distribui mensagens entre ns de

N da Rede RFD Funo passiva na rede Efetua buscas por redes disponveis Transferncia de dados da aplicao Determina o status dos dados

Solicita dados ao coordenador da rede

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rede Opera tipicamente no estado "active" Pode permanecer no estado "sleep" por longos perodos TABELA1: Funcionalidades dos dispositivos : Conforme a tabela1, podemos observar a comparao e caractersticas entre os dispositivos de uma rede padro.

4. 4. Acesso ao MeioComo nas comunicaes sem fio o acesso compartilhado significa dizer que a subcamada mac controla o acesso assegurando a preveno de interferncias entre as transmisses e precavendo-se para reduzir os efeitos das colises podendo poupar energia. O exemplo claro acontece nas redes sensoriais onde por uma parte o acesso baseado em contenes onde transmisses acontecem sem alguma coordenao e por outra parte o aceso baseia-se no escalonamento, onde transmissores so coordenados por uma entidade central.

Sincronizao temporal Protocolos de Conteno Protocolos Escalonados Flexvel ( necessrio) Restrita

Escalabilidade Colises

Com.MultiHop Fcil

Ef.Energtica

Boa

Existe

eficiente

M

Sem

Difcil

Eficiente

TABELA2: Comparao dos protocolos Escalonveis e de Conteno

O mtodo de conteno CSM A, o n emissor deve apenas escutar a portadora observando a ausncia de sinal para transmitir; aps a escuta um emissor deve anunciar o envio de dados atravs do RTS (Ready to Send ), e os outros ns deveram permanecer na escuta durante o perodo de tempo da ao do RTS na respectiva portador, o receptor indicara ao emissor que esta pronta para receber o envio do CTS (Clear to Send).

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Alm disso, o mtodo de conteno apresenta problemas freqentes de ns escondidos devido ao posicionamento dos ns. Alguns ns no podem escutar ou ter uma boa escuta da portadora de outros ns causando colises inevitveis por no serem detectadas. De igual modo os outros ns devem evitar usar a respectiva portadora e o emissor enviara os dados para o receptor. Os protocolos baseados em conteno como o CSM A, so liberais em relao os sincronismos dos protocolos escalonveis; os escalonveis permitem flexibilidade nas comunicaes multi-hop e apresentam solidez em mudanas de topologias. No mtodo de acesso escalonado basicamente se usa o protocolo TDM A onde freqncia de radio so divididas em vrios pedaos de tempo e os usurios utilizam-nas alternadamente. Devido o sincronismo temporal usado evita escutas ociosas, colises at mesmo overhearing [17]. Conforme a figura9, o n A transmite para o n B enquanto isso o n C no consegue detectar que o n B esteja ocupado; o n C transmitira simultaneamente para o n B pela ausncia de informao e origina-se uma coliso; desta forma os ns A e C continuam enviando dados para o n B embora estejam corrompidos.

FIGURA9: Um n escondido

4.4.1. Acesso ao meio no IEEE 802.15.4O acesso ao meio no IEEE 802.15.4 feito por intermdio de duas formas ou mtodos. O primeiro mtodo o acesso com Beacon. Este mtodo realiza sincronismo de todos os dispositivos e garante uma rea de acesso com deteno e outra rea com acesso sem deteno que opcional tendo ainda a terceira rea chamada de rea inativa.

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Estas reas podem ser modificadas suas dimenses, permitindo otimizar o consumo de energia e a qualidade de servios que vai de acordo com as especificaes; as reas obedecem a uma ordem seqencial obrigatria que no deve ser mudada.

4.4.2. Transmisso de dados com BeaconNo IEEE 802.15.4 existem uma associao de mecanismos que fazem com que a vida da bateria se prolongue por mais tempo. Chamados de mecanismo de poupana so baseados no modo beacon quando estes se encontram ativos; no cenrio das transmisses de dados no IEEE802.15.4 so feitos com e sem Beacon. Na figura10 mostra um superquadro com 48 perodos de backoff onde cada perodo de backoff tem dimenso de 10 bytes ou 20 smbolos; pode-se observar dois dispositivos que planejam enviar uma mensagem com 30 bytes conforme resumido.

48 perodos Backoff

FIGURA10: Beacon no competitivo :

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O primeiro dispositivo recebe ordens a partir das camadas superiores da subcamada M AC para efetuar uma transmisso quando o coordenador ainda se encontrava a enviar o becon. A subcamada M AC para no destruir o becon do coordenador deve ordenar que o dispositivo aguarde uns instantes ate que o envio do coordenador termine de transmitir seu becon para fazendo a contagem dos perodos de backoff; as tentativas aleatrias das primeiras primitivas so feitas atravs do algoritmo CSM A e devem ocorrer aps o terceiro perodo de backoff. Passados 3 perodos de backoff ou seja no final do becon o primeiro dispositivo inicia o CCA (Clear Chanel Assessmente) e este gastara 8 smbolos verificando se o meio est ocupado; tendo certeza de que o meio esteja vazio , dispositivo devera fazer o prximo perodo de backoff seguindo uma nova anlise de CCA quando o meio estiver livre; aps este tempo o dispositivo deve mudar do modo de recepo para o modo de transmisso onde neste perodo ter se passado uns 12 simbolos do TT (Turnaround Time). A dimenso do CCA e do TT forma uma proporo de tempo para que este consome o perodo do backoff completo e caso o meio estiver livre a transmisso pode ser iniciada imediatamente sem esperar o prximo backoff; consumidos os perodos de backoff, quer dizer que foi transmitido o trigsimo byte de dados o que com o dispositivo aguardar pelo ACK (Acknoledgement) da referida transmisso, tido no inicio do backoff embora sua existncia tenha sido de um mnimo de TT, tanto para o dispositivo que recebeu a mensagem, mudando para o modo de transmisso assim para o dispositivo que transmitiu a mensagem mudar para o modo de recepo; o dispositivo devera esperar por um determinado tempo ou MacAckduration (macackduration tem 54 smbolos, formado por 12 smbolos de TurnAroundTime, 20 perodos de backoff completo, 22 smbolos de espao do quadro) para receber o ACK; Quando o n 2 receber ordens de transmitir pode ser que a transmisso do n 1 ainda no tenha terminado a transmisso, podendo assim transmitir em simultneo; quem decidir, ser o algoritmo dos respectivos ns se bem que o n 2 s ter autorizao para transmitir aps o stimo perodo de backoff para evitar a concorrncia com o n 1;

4.4.3. Transmisso de dados sem BeaconO segundo mtodo o acesso sem beacon onde o acesso controlado por um algoritmo CSM A que diferente ao algoritmo usado no acesso com beacon; aqui a conteno gerida pelo seu respectivo algoritmo que orienta os slotes GTS (Garanted Time Slot) conforme mostra a figura11 que mostra um superquadro com 2 perodos de GTS reservados entre 2 beacons.

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FIGURA11:Superquadro com perodos GTS reservados

4.4.4. Transmisso com GTSPara reservar uma rea de GTS necessrio transmitir um quadro de comando pedindo ao coordenador uma rea ou zona com as dimenses de 2 slots onde este deve receber o pedido e confirmar com um ACK sobre a recepo do quadro da figura11.

FIGURA12: Reserva de Zona GTS

Na resposta, o coordenador deve enviar no superquadro um becon com a descrio dos slots GTS que devem ser reservados para o dispositivo em causa e por sua vez ele deve tomar conhecimento dos seus respectivos slots, sua posio, aguardando apenas o momento em que deve chegar dando inicio a transmisso dos dados conforme a figura13.

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FIGURA13: Utilizao da Zona GTS : Quando terminar a transmisso, j no precisando fazer outra nesta zona GTS, o dispositivo faz um outro pedido de GTS para se livrar do espao reservado pedido anteriormente (Figura14).

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FIGURA14: GTS liberados

Os GTS so usados e reservados nas transmisses em que se pretende comunicar com largura de banda dedicada entre os coordenadores e os dispositivos; o conjunto de todos os slotes GTS reservados denominado de perodo de livre acesso ou CPF, onde a zona reservada precisamente a que deve escutar antes de aceder para evitar colises; esta zona chamada de zona de perodo de acesso de coliso ou CAP (Collision Acess Period). Deve se ter cuidado para que entre o CAP e o CFP (Collision Free Period) no tenha espaos inativos mesmos operando em condies normais dos dispositivos porque caso exista espaos inativos pode ocorrer quebra na continuidade levando na perda do sincronismo devido o realinhamento que este devera efetuar durante a interrupo na sincronizao. A zona inativa, CAP e CFP, por definio so dimensionveis tal que o SO (superframe Order) que inclui o tamanho do CAP e do CFP assim como o BO (Beacon Order ) que forma o espao que separa o CAP do CFP e da Zona inativa. Tanto o SO assim como o BO possuem dimenses de perodos dependentes; a dimenso do BO no pode ser menor ou inferior a dimenso do SO. sobre o acesso ao meio falaremos mais a diante na seo de formao de quadros. Na transmisso sem beacon implica custos adicionais de consumo de energia por haver a obrigao de todos os ns estarem em escuta do meio, assim sendo no se pode usar o GTS e a comunicao com o coordenador s feita

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atravs de pooling; os perodos de backoff que foram definidos pelo fim do becon, deixam de existir e a transmisso pode ser iniciada a qualquer momento devido a anlise do meio. Pode-se dizer tambm que na transmisso sem becon as transmisses so feitas sem e com concorrncia.

3 Perodos backoff

5 Perodos de backoff

N 1 CCA T

Aguarda ACK

A C K

N 2

C C T A

Aguarda ACK

A C K

FIGURA15: Tentativa de transmisso de 2 ns

Seguindo a lgica da figura15, podemos ver que 2 ns tentam transmitir quadros de 30 bytes onde o n atravs do seu algoritmo CSM A-CA determina que vai usar o meio nos prximos 3 perodos de backoff e que aps isso ele (3 perodos) deve fazer um CCA que determinar que o meio encontra-se livre podendo assim mudar o estado do transceiver para o modo de transmisso. Quando a transmisso de dados terminar, o transmissor mudado para o estado de receptor tendo j recebido os 54 smbolos para receber o ACK, indicando ento que a transmisso de dados foi feita com sucesso. Portanto, enquanto o n 2 espera a ordem de transmisso a partir das camadas superiores, o n 1 continua transmitindo embora o algoritmo do n 2 escolhe aleatoriamente um tempo de 5 perodos de backoff para acender o meio, evitando a concorrncia na ocupao do meio pelos 2 ns. Com a transferncia de dados iniciada deve-se repetir a mesma anlise feita no processo efetuado no n 1.

4.4.5. Transferncia de dadosA transferncia de dados pode ser feita em trs formas de transmisso de dados distinta (de um dispositivo para o Coordenador, de um Coordenador para o Dispositivo e de um dispositivo para um dispositivo usado em redes ponto a ponto) e estas em trs tipos de transferncia: A forma direta, Indireta e a forma de slot de garantia de tempo GTS [21].

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A transferncia direta especificada quando o destino for o coordenador; quando isso acontece os ns enviam dados sem pr-notificao e o algoritmo CSM A-CA dos dispositivos, determina quanto que cada um deve enviar dados para o CAP em caso do uso do beacon. O dispositivo receptor envia um ACK que pode ser opcional na escolha deste (figura16).

FIGURA16: Comunicao Coordenador x Dispositivo

Neste modo ou forma, caso a batteryLifeExtension estiver ativado o receptor do coordenador de Beacon pode estar desativado aps o macBattLife Extperiods ou perodos de backoff que tem durao de 6 perodos de backoff. A transferncia indireta acontece quando ocorre transferncias de dados do coordenador para os dispositivos conectados a ele. O coordenador mantm os quadros numa lista de transaes que ser recolhida pelo dispositivo. Este dispositivo toma conhecimento do pacote contido no coordenador por indicao do quadro beacon ou mesmo por pooling (Figura17).

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FIGURA17: Comunicao Dispositivo x Coordenador

Portanto na transferncia de dados do tipo indireta, um dispositivo toma conhecimento que um coordenador tem um pacote guardado para ele por uma indicao de beacon ou por um pooling. O dispositivo receptor pode utilizar CSM A-CA (Carrier Sense Multiple Acess-Coliision Avoidance) com ou sem slotes para retirar os dados. A transao ser armazenada pelo coordenador durante as primitivas macTransationersistenceTime que suporta uns 500 superquadros. A forma de transferncia por Slots de tempo garantida aplicada durante a transferncia de dados do coordenador para os dispositivos e vice-versa. Ao constatar uma zona de recepo GTS o dispositivo deve ativar o seu receptor durante um perodo de tempo da permanncia da zona, sendo o mesmo evento acontece com o coordenador quando o dispositivo possuir uma zona de transmisso GTS. O quadro s transmitido se a transao for efetuada dentro da zona GTS do superquadro; caso a transao for realizada fora da zona de transao desta, ser feita apenas na zona do superquadro seguinte. Para que seja usado GTS, necessrio fazer-se um pedido de reserva antecipada e autorizada conforme a ordem de chegada e aceites apenas mediante requisitos do pedido do espao que dispe o superquadro. Gerencia e reserva de responsabilidade do coordenador por guardar as informaes totais do GTS como:

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Slot inicial Direo Endereo usado pelo dispositivo Tamanho ou comprimento

4.4.6. Tipos de quadrosO IEEE 802.15.4 suporta 4 tipos de quadros. Destes figuram, quadro de dados, quadro de ACK, quadro de comando, quadro Beacon e ainda superquadro ou superframe. Quando a sua constituio todos os quadros apresentam a mesma estrutura e formatos iguais. Assim seguindo a lgica, a estrutura do quadro padronizada por 4 formatos como: Formato de quadros de dados Formato de quadros do comando M AC Formato de quadro de reconhecimento ou Aknoledgment Formato do super quadro ou Beacon Frame

4.4.7. Dimenso dos quadrosOs quadros M AC contem dimenses mnimas em virtude da presena dos seus campos obrigatrios. Composio de um quadro M AC: Quadros de dados possuem tamanho superior ou igual a 15 bytes ou 30 smbolos Quadro de comando com 16 bytes ou 32 smbolos Quadro ACK com 11 bytes ou 22 smbolos Quadro Beacon contm tamanho superior ou igual a 17 bytes ou 34 smbolos. Alm da dimenso mnima os quadros MAC tambm so limitados por dimenses mximas variveis em: Quadros de dados com tamanho inferior ou igual a 118 bytes ou 236 smbolos Quadro de comando contem 117 bytes ou 224 smbolos Quadro ACK com 11 bytes ou 22 smbolos Quadro Beacon contm 116 bytes ou 232 smbolos. Uma transmisso razoavelmente endereada os tamanhos dos quadros ficam mais extensos devido os 8 bytes acrescidos isto , 4 bytes do endereamento e origem e 4 bytes do endereamento e rede de destino.

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Portanto os quadros de tamanho mnimo passam a ter: Quadros de dados possuem tamanho superior ou igual a 19 bytes ou 38 smbolos Quadro de comando com 20 bytes ou 40 smbolos Quadro ACK com 11 bytes ou 22 smbolos Quadro Beacon contm tamanho superior ou igual a 21 bytes ou 41 smbolos. Nas transmisses de dados vrios mecanismos esto incorporados no IEEE 802.15.4 de maneira a prolongar a vida da bateria. M ecanismos de poupana de energia so baseados no modo de Beacon ativo. Os superquadros so subdivididos 48 perodos de backoff, onde cada perodo possui dimenso de 10 bytes ou 20 smbolos.

4.4.8.Estrutura dos quadrosA figura18 mostra a estrutura bsica de um quadro da camada mac do padro ieee 802.15.4. controle do quadro durao ID end.1 end.2 end.3 Controle seqncia end.4 dado CRC FIGURA18: Estrutura do quadro MAC

Controle do quadro (2 bytes): os dois primeiros bytes servem para muitas coisas, portanto contm muitos sub-campos. Estes campos indicam a verso do protocolo, o tipo de quadro (controle, dados, gerenciamento), se o quadro est fragmentado, informaes privadas, e os 2 bits DS (distribution system) que indicam o significado dos quatro campos de endereo.

Durao ID (2 bytes): para o mecanismo de reserva virtual usando RTS/CTS (Read to Send and Clear to Send) e fragmentao, o campo de durao contm o perodo de tempo que o meio vai ficar ocupado.

Endereo 1 a 4 (6 bytes cada): os quatro campos contm o endereo M AC padro IEEE 802.15.4, como eles so conhecidos nos outros 802.x LANs (Local rea Network). O significado de cada endereo depende dos bits DS do campo de controle de quadro e ser explicado mais adiante.

Controle de seqncia (2 bytes): uma seqncia de nmeros usada para evitar quadros de ACK duplicados.

Dado (0 at 2312 bytes): contm um nmero de bytes arbitrrio, que transferido transparentemente do emissor para o receptor ou receptores.

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CRC (4 bytes): checksum usado para proteger o quadro de possvel erro na transmisso Os quadros podem ser transmitidos entre estaes, entre estaes e um AP (Acess

point), e entre um AP e um sistema de distribuio D S (Distribuition System). Dois bits dentro do campo de controle do quadro, to DS e from DS, diferenciam estes casos e ento controlam o significado dos quatro endereos usados. A tabela3 mostra exatamente isso. to DS 0 0 1 1 from DS 0 1 0 1 end.1 DA DA BSSID RA end.2 AS BSSID SA TA end.3 BSSID SA DA DA end.4 SA

TABELA3: Endereamento O endereo 1 identifica o receptor fsico do quadro. Baseado nesse endereo, uma estao ou AP pode decidir se o quadro relevante ou no para ele. O endereo 2 representa o emissor fsico do quadro. Essa informao importante porque o emissor tambm o receptor do sinal de ACK. Os outros dois endereos representam o emissor ou receptor lgico do quadro.

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FIGURA19: Quadro de dados

Como estrutura bsica do padro IEEE 802.15.4, este quadro est habilitado para armazenar e transferir 104 bytes pacotes de informao entre os sensores instalados ao redor da rea circundante. O FCS (Frame Check Sequence) garante a confiabilidade da chegado dos pacotes enviados com controle de seqncia do quadro, assegurando que os pacotes recebidos no contm erros ou seja este avisa a chegada ou no dos dados enviados.

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FIGURA20: Quadro MAC Este formato apresenta mecanismo para controle remote com capacidade de configurar os ns dos clientes dando possibilidade do coordenador configurar os ns da rede de clientes individuais separadamente, independente da extenso da rede no mais que a capacidade da rede.

Os quadros de comando guardam informaes que se referem aos pedidos quedispositivos trocam entre si. um dispositivo pode solicitar a adeso em uma rede ou seja solicitar a recepo de quadros de dados que um coordenador tem consigo assim como solicitar perodos de GTS.

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FIGURA21: Quadro de reconhecimento Para que o emissor do envio tenha certeza de que o pacote de informao chegou no destino necessrio que se envie um sinal de reconhecimento sobre o recebimento do pacote, confirmando que este chegou sem erro. Este sinal chamado Acknolegmente. O emissor pede o retorno progressivo do receptor para que o remetente avise a chegada do pacote. Estes pacotes so curtos tornando vantajoso as especificaes da standard. O quadro de ACK serve para garantir ao emissor a recepo eficaz e sem erro dos quadros de dados que foram enviados pelo transmissor e ao mesmo tempo estar preparado para a recepo do quadro seguinte. seu tamanho pequeno, sendo possvel ser enviado em tempos de silencio aps a transmisso de um quadro de comando ou mesmo de dados. Seu contedo limitado pelo numero de seqncia do pacote de dados recebidos, mas contem informaes que se relacionam com os endereos.

4.4.9. Superquadro BeaconA base dimensional de um superquadro definida por uma constante chamada de aBasesuperframe Duration, cujo valor igual ao tamanho do Slot x no de Slot [smbolos]. A durao de um superquadro varia conforme as diferentes taxas disponibilizadas pelo IEEE 802.15.4 prescreve a literatura consultada durante a elaborao do trabalho.

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Por exemplo nas freqncias de 2.4Ghz, um superquadro tem uma base de durao de 15,36ms assim como para as freqncias de 802M hz tem durao de 24ms. A figura22 mostra um superframe ou superquadro indicando a durao ou o tempo da parte ativa que pode ser calculada conforme a formula BI= aBaseSuperframeDuration*2BO [smbolo] e a zona ativa definida como BI-SD; onde BI o intervalo entre os Beacons, BO a ordem do Bacon e SO a ordem do superquadro. Os valores do BO e o SO devem estar compreendidos entre 0 e 14 e podem ser iguais; no se pode colocar contedo a mais no espao que o superframe disponibiliza ou seja SO BO e o valor no podem ser inferior a 15, devido o espao a ser ocupado pelo Beacon.

FIGURA22: Durao do superquadro

A dimenso do BI de um dispositivo varia mediante a freqncias de funcionamento; assim nas freqncias de 2.4Ghz deve variar entre 15ms e 245s podendo usar a zona inativa relativamente em longo perodo por esta estar em aproximadamente 4 minutos. O superquadro constitudo por 16 Slots, assim, o CAP dever ter o tamanho mnimo de 440 smbolos ou aMinCAPLength suportando a dimenso de 22 perodos de backoff onde em cada perodo de backoff contm 7 slots. Portanto, um dispositivo que funciona na banda de 2.4Ghz pode enviar 62500 smbolos por segundo isto se o espao inativo for zero ou seja BO=SO e o superquadro conter 960 smbolos, seja assim, durante um segundo pode-se transmitir cerca de 65 superquadros.

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Cada PSDU (PHY Service Data Unit) emprega no mnimo 30 smbolos equivalentes a 30 bytes, com o tamanho superior de 254 smbolos, assim os quadros seguintes devem ser divididos atravs de fragmentao para estes caberem na respectiva camada. A durao de um perodo de backoff de 20 perodos smbolos, e como um superquadro possui 15*3=45 perodos de backoff, isso faz com que a capacidade de transporte til mximo seja de 45*20 = 900 smbolos o equivalente a 450 bytes.O modo direto de transmisso de dados, quando a opo BatteryLife Extension estiver ativa, o receptor do coordenador de beacon encontra-se na condio de desligado aps macBattLife Experiods perodos de backoff, que por defeito so 6 perodos [21].

FIGURA23: Diagrama do super quadro BECON Naturalmente, os dispositivos so classificados como estar em silencio e estes podem ser acordados apenas quando um sinal transmitido da rede; isso faz com que na ausncia deste sinal quando no existe transmisso a rede volta permanecer em silncio. Simplesmente digamos que uma estrutura opcional de sinalizao.

Neste formato adicionam advertncias a novas camadas de funcionalidade, e osdispositivos dos clientes so disponveis apenas quando um sinal de advertncia transmitido.

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no quadro beacon esta includa uma extenso especial do controle de vida da bateria ou batttery life extention, que, quando ativado o coordenador deve ativar o seu receptor por apenas 6 perodos de backoff aps o envio do beacon; da mesma forma quando os dispositivos recebem um quadro com este bit, sabe-se que devera transmitir o quadro dentro dos 6 perodos.

FIGURA24: Estrutura do superframe

Quando 250 kbps so requeridos por algum perifrico do PC (Personal Computer) ou brinquedo interativo, uma baixa taxa de dados semelhantes pode encontrar petio de alguns GTSs podem ocupar mais de um perodo de TS (time slote). Contudo, uma poro suficiente de CAP ou perodo de acesso de conteno de dados permaneceram em outros dispositivos de rede para unir a rede. Um slot do mecanismo CSM A usado para acesso do canal durante o perodo de acesso de conteno. Toda conteno baseada na transao de dados, ser completada antes do comeo do CFP ou perodo de conteno livre. Alm disso toda transao que usa GTSs ou tempo do slote garantido sero completadas antes do prximo GTS ou no final do CFP.

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4.4.10. Opes do Mdium Acess Control MACA camada M AC apresenta dois tipos de opes de funcionamento quando ao acesso. Tem dois (2) canais com mecanismo de acesso que apresenta: Uma rede no direcional (orientada) Efetua reconhecimento positivo com xito na recepo de pacotes Comunicao feita atravs da standard ALOHA e CSM A-CA

Rede com dispositivos habilitados ou autorizados Apresenta estrutura de superframe # Dedicado largura de Banda com baixa latncia # A coordenao dos frames planificados pelo coordenador, transmitindo sinais

comuns de advertncia em intervalos pr-determinados Trs nveis de segurana especificada sinalizado Nenhuma Segurana Segurana com listas de controle de acesso Chaves com simetria empregando AES-128 (Advanced Encryption Standard) Os dispositivos distinguem o tipo de Quadro a ser acessado atravs dos primeiros trs bits; com estes, todos dispositivos tm capacidades de diferenciar o tipo de quadro que este recebe. Os quadros devem ser identificados ou numerados com uma seqncia e atravs deste um ack deve ser retornado ao transmissor se o receptor identificar a seqncia dos trs primeiros bits. Quadros possuem um tamanho de FCS (Frame Check Sequence) com um cheksum para efeitos de deteno de erros na recepo dos dados pelo receptor.

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Quando um dispositivo requer ao coordenador da PAN, para ser-lhe reservado um slot de GTS, cabe o coordenador avaliar antes a capacidade do dispositivo para satisfazer o seu pedido baseado na quantidade de slotes reservados anteriormente; caso o coordenador aceite o pedido, l deve reduzir o tamanho do perodo de acesso a colises CAP incluindo um descriptor no superquadro que indica o inicio do slot GTS reservado, sua direo, comprimento e dispositivos associados a ele. Se os slotes j estejam ocupados ou seja se o dispositivo coordenador estar sem espao devido o uso do slot GTS, dever enviar um indicador booleano no seu quadro beacon, indicando aos seus dispositivos a no disponibilidade do coordenador em aceitar pedidos de slotes de GTS evitando assim que os dispositivos desperdicem energia e largura de banda ao enviar quadros de comando.

4.4.11. Iniciando o Acesso de uma Rede PANA maneira de um dispositivo iniciar uma PAN, tornando-se seu coordenador, basicamente implica este procurar todos os canais, tendo conhecimento do seu estado de uso localizando todos os beacons dentro da sua rea e localizando um beacon que no esteja sincronizado. A procura dos canais torna os dispositivos selecionar um canal livre escolhendo um identificador PAN que no existe. se no houver conflito na escolha deste identificador o dispositivo pode ento se tornar um coordenador. A maneira de um dispositivo tornar-se um coordenador feita com ajuda da primitiva MLME-START.request, comando reservado para configurar o canal e o endereo da camada fsica. Na associao e dissociao de dispositivos, o dispositivo pode decidir entrar numa PAN ou mesmo sair dela em situaes em que for expulso por um dispositivo coordenador. Eles so orientados a unir-se quando invocada a primitiva Associate.request; para efeitos de associao, os dispositivos efetuam um reset sub-camada M AC, dando inicio a procura de outros controladores PAN no seu ambiente POS onde se efetua o varrimento dos canais ativos e passivos. O varrimento normalmente descarta os quadros com exceo dos quadros beacon enviados por outros coordenadores. O seguimento de recepo de quadros beacon pelos dispositivos de guardar as informaes no repetidas, recebidas pelos beacons, dentro de uma estrutura de discrio da PAN, para que seja efetuada a atuao de um algoritmo de seleo de um coordenador que permite associao. aps isso o dispositivo deve enviar um pedido de associao ao coordenador de uma pan local; caso o pedido for aceite, deve o dispositivo

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configurar o canal, o ID da pan e a varivel contendo o endereo do coordenador principal para o coordenador que aceita o pedido. Para ativar os receptores antes do tempo previsto da chegada do beacon e estar preparado para otimizar e receber o processo de associao, os dispositivos usam as primitivas de sincronizao MLME-SYNC conforme mostrado na figura25.

FIGURA25: Processo bem sucedido de um pedido de associao

Quando o dispositivo perceber a recepo pelo coordenador de um pedido, deve esperar para que chegue a resposta; o coordenador possui este tempo mximo de forma a avaliar seus recursos e aceit-los. Caso a aceitao no for possvel o dispositivo dever dessincronizar os quadros vindos do coordenador. A sada de um dispositivo da PAN orientada pelo coordenador atravs de notificao de dissociao enviada para o dispositivo em questo respondido por um ACK. Ainda que o dispositivo no atente o mando do coordenador, ele dever ser classificado como desassociado. Quando a dissociao for confirmada, camadas superiores do IEEE 802.15.4 devero ser alertadas atravs da primitiva Disassociate.confirm, permitindo o envio de um comando para o coordenador, confirmando este com um ACK.

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4.4.12. Liberao e Reserva de GTSUm GTS s reservado apenas por um coordenador e usado simplesmente para efetuar a comunicao entre o coordenador e o dispositivo. Em especial, um coordenador esta habilitado a reservar no mximo at 7 GTS quando existir espao no superquadro; como falado anteriormente, o coordenador guarda todas as informaes referentes aos slotes de GTS mediante a direo e o fluxo em que estes se orientam. Os pedido de GTS so respondidos mediante ou conforme o critrio FIFO. Os dispositivos, diferente dos coordenadores, s tm um perodo de GTS de transmisso e um perodo de GTS de recepo do superquadro. Assim, para o uso do GTS necessariamente deve se ter o sincronismo do Beacon ativo onde em caso de perda do sincronismo o coordenador devera desassociar as zonas de GTS reservadas e pertencentes aos dispositivos sem sincronizao. Poder um dispositivo pedir um GTS com auxilio da primitiva MLME-GTS.request e com este comando o dispositivo devera efetuar o pedido de GTS. A entrega ou liberao do GTS feita atravs das primitivas MLME-GTS.request com os respectivos dados que devem ser liberados e este pode ser considerado como um comando que enviado no coordenador, retornado a resposta com um ACK, colocando no beacon do superframe o tamanho do GTS (zerado) temporariamente; da mesma forma a notificao da liberao dos dispositivos (nas camadas altas), recebem uma notificao atravs das primitivas MLME-GTS.indication. Slotes GTS podem ser deslocados para evitar a fragmentao dos superquadros atravs dos coordenadores indicando nova posio de GTS no beacon, encostando os perodos liberados mais para a direita, espaos antes ocupados pelos blocos movidos, proporcionais ao CAP. GTS podem tambm ser considerados como expirados, isso pela viso do coordenador; ele os declara como expirados se estes no receberem os dados enviados pelo coordenador e tambm na ausncia da emisso de confirmao ou ACK a cada 2*n superquadros. Vale lembrar que possuir GTS reservados e no serem usados indica ter custo de largura de banda.No perodo de livre conteno existe a desfragmentao do superquadro. Perodos de GTS so liberados de acordo com a possibilidade e disponibilidade dos dispositivos que os reservam, podendo aparecer a fragmentao do perodo de coliso livre (CFP). Como mostra a figura26, num dado instante havia uma existncia de 3 perodos de GTS reservados e dentro dos trs perodos o GTS2 foi liberado; embora tenha acontecido a liberao

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do GTS2, o perodo de livre conteno no adjacente, chegando a situaes em que a fragmentao do CFP para fazer um pedido de reserva de mais um slot seria recusada por existir espao livre nele, alm disto por apresentar boa distribuio dos espaos do superquadro.

FIGURA26: Superquadro fragmentado

A concentrao de vrios perodos GTS reservados leva o coordenador fazer a desfragmentao feita pela indicao da mudana de posio inicial das reservas de perodos no beacon, onde na existncia de vrios deslocamentos, o coordenador devera faz-los por fase mantendo cada descritor durante o perodo de despersistencia do GTS do superquadro correspondente.

4.5. Codificao no IEEE 802.15.4O padro IEEE802.15.4 usa codificao DSSS (Direct Sequence Spread-Spectrum) que o espalhamento espectral por seqncia direta. Nesta tcnica uma seqncia pseudo-aleatria de valores 1 e -1, numa freqncia mais elevada, multiplicada ao sinal original, causando espalhamento da energia do sinal numa banda mais larga; apresenta maior transferncia de dados do que a contraparte FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), devido menor sobrecarga do protocolo.

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DSSS uma forma de modulao spread-spectrum que gera um padro redundante de bits para cada bit transmitido. O acesso do canal feito em funo de coordenao conhecida como CSM A/CA com acknoledgmente positivo dos pacotes que chegam ao destino com sucesso ou seja quando um n deseja fazer transmisso ele envia um sinal de aviso por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam e s assim que os dados so transmitidos. Este mtodo obrigatrio para todos os AP onde os servios fornecidos pela coordenao so usados para transmisso de trafego assncrono. O mecanismo tem um esquema de acesso randmico com sensor do meio que tenta evitar colises atravs de um backoff time aleatrio conforme mostra a figura27.

FIGURA27: Acesso Bsico CSMA-CA

Quando o meio estiver inativo pelo menos na durao DIFS (Distribuited Interframe Space), uma estao pode acessar o meio imediatamente permitindo que um atraso de acesso curto permanea. M as, to logo mais e mais estaes tentarem acessar o meio, outros mecanismos de controle so necessrios. Se o meio estiver ocupado, estaes tm que esperar pela durao de DIFS, e depois tm que entrar numa fase de conteno. Cada estao escolhe um backoff time aleatrio, dentro de uma janela de conteno (contention windows), e tenta acessar o meio depois de passado esse intervalo de tempo aleatrio. Se, passado esse intervalo de tempo, o meio estiver ocupado, essa estao perdeu este ciclo e tem que esperar at a prxima chance, ou seja, at o meio estiver inativo novamente por

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um perodo de pelo menos DIFs. M as, ao contrrio, se passado o intervalo de tempo aleatrio, o meio estiver ainda inativo, essa estao pode acessar o meio imediatamente. Esse tempo de espera aleatrio escolhido como sendo um mltiplo de um slot time (dentro de um tamanho mximo da janela de conteno) que derivado do atraso de propagao do meio, atraso da transmisso e outros parmetros dependentes do meio fsico. Se durante uma transmisso um sinal de aviso for detectado o emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmisso aps um perodo aleatrio, com colises opcionais de tempo escalonado ou time slots. Existe ainda o padro de bits, chamado chip ou cdigo de chip, permite aos receptores filtrar sinais que no utilizam o mesmo padro, incluindo rudos ou interferncias. O cdigo de chip cumpre duas funes principais: Identifica dados para que o receptor possa reconhec-los como pertencentes a um determinado transmissor. O transmissor gera o cdigo que apenas os receptores habilitados so capazes de identificar e decifrar os dados recebidos. O cdigo de chip distribui os dados pela largura de banda disponvel e este exige maior largura de banda permitindo maior probabilidade de recuperao dos dados originais. Ainda que um ou mais bits do chip sejam danificados durante a transmisso, a tecnologia incorporada no rdio, recupera os dados originais, usando tcnicas estatsticas sem necessidade de retransmisso. Sinais no desejados em banda estreita ignoram os sinais de DSSS, considerando-os como rudos de baixa potncia em banda larga. Suporta picos de informao de aproximadamente 128 kbps. O tempo de conexo para unir-se a rede de 30 ms com atrasos de mudana tpica de 15 ms ou seja muito mais rpido para a correo da latncia. Protocolos so empilhados com at 28 kbits. Taxas de transmisso ou de transferncia chegam at 250 kbps. Usa modulao QPSK (Quadratures Phase-Shift Keying) .

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Protocolo otimizado para aplicaes em tempos crticos A rede deste protocolo apresenta caractersticas bsicas importantes que a diferenciam de

todas as outras plataformas de comunicao. Ela possui ou podemos ter mais de 64000 ns. O n principal da rede pertencente ao coordenador ativado com o tempo de 30 ms. Existem ainda os ns em silncio ou os chamados ns dormidos que podem ser ativados em 15 ms. O coordenador coordena a entrada destes ns na rede de modo enumerado permitindo assim que os outros ns entrem na rede por um perodo de tempo curto. Quando neste curto perodo de tempo houver uma requisio para um n se juntar rede, o coordenador deve autorizar a entrada do mesmo na rede.

4.5.1. Consumo TemporalO padro IEEE 802.15.4 tem especificado como dimenso temporal em unidades de smbolos assim como perodos de backoff e de superquadros. Consumos temporais so causados pela soma de gastos de vrias origens diferentes como da dimenso til do superquadro, dimenso dos quadros enviados e o consumo usado na subcamada M AC para sincronizao dos dispositivos. Para que os dispositivos poupem energia necessrio que estes realizem transmisses por curtos perodos de tempo no qual ocupam a capacidade total do canal e assim sendo se tornara inacessvel para os outros dispositivos. A escuta com o mnimo tempo necessrio feito opcionalmente por sincronismo dos dispositivos e para seja garantido a sincronizao um dispositivo nico ou seja o coordenador deve enviar periodicamente um delimitador ou seja o BEACON; estes, contem dados de controle que o diferencia dos outros dispositivos e faz com que dispositivos secundrios escutem o coordenador tendo em conta as dimenses dos perodos de conteno. A camada M AC deve tentar poupar o consumo de energia e ser capaz de suportar vrios padres de trafego, escolher entre os vrios tipos de mtricas nas decises de performance devido a grande escala da rede e da possibilidade de um n ser pouco confivel; isto far como que os algoritmos sejam descentralizados.

4.5.1. Primitivas

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No ponto de vista lgico as primitivas na camada de ligao lgica muito importante porque servem para efetuar a ligao das interfaces com o IEEE 802.15.4 diferente da camada fsica. Como j escrito anteriormente s primitivas na subcamada M AC so formadas por dois grupos; primitivas efetuadas pelo M LM E onde se realiza as funes de gerenciamento e as primitivas efetuadas pelo M CPS que figuram as relaes de trocas de dados. Estas primitivas fazem a interao com as entidades responsveis por certas funes similares nas camadas inferiores e nas camadas superiores podendo trocar informaes entre si. Assim como nos modelos OSI no acesso ao meio do padro IEEE802.15.4 tambm usa-se servios de primitivas como: Pedido ou Request onde os pedidos resumem-se numa mensagem que passa do usurio para a uma camada pedindo que um servio seja iniciado; este pedido pode originar uma indicao da camada exercendo a interao com o usurio de outra camada. Indicao ou Indication so causadas fontes internas da camada no sendo apenas pela inovao de um pedido feito anteriormente. Resposta ou Response, corresponde resposta de uma primitiva que fora indicada ou de indicao. Confirmao ou Confirmation, o usurio recebe uma confirmao vinda da respectiva camada que oferece ou gera o servio.

Portanto, cada camada disponibiliza vrios servios tanto para as camadas inferiores e suas subcamadas assim como nas camadas superiores. Os servios consistem numa forma de encapsulamento e obstraco dos quadros; utilizadores fazem seus pedidos e ao mesmo tempo devem receber suas confirmaes de forma breve e transparente lembrando que figuram na classe de usurios no apenas usurios comuns mas as camadas neste contesto tambm podem ser considerados como usurios ou utilizadores. No IEEE802.15.4 so especificados tanto na camada fsica assim como na camada de ligao lgica; as primitivas somam um total de 49 das quais 35 pertencentes camada lgica especificamente na subcamada M AC e 14 ficam localizada na camada fsica. Das 35 primitivas figura as principais como: - As de servios de dados M AC MCPS-DATA, que trocam informaes ou dados entre o M AC e o PHY

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MCPS-PURGE, serve para retirar um M SDU da fila de uma transao - As do servio de gerenciamento MAC MLME-ASSOCIATE/DISASSOCIATE , que associa a rede MLME-SACAN, que procura os canais de radio MLME-START / BEACON-NOTIFY, faz a gerencia dos limitadores dos quadros. MLME-COMM-STATUS, que avalia o estado das comunicaes MLME-SYNC-LOSS, para a sincronizao dos dispositivos associados MLME-RX-ENABLE, que ativa e ou desativa o sistema de rdio MLME-GET/SET, retira ou define os parmetros do M AC PIB MLME-ORPHAN, que se responsabiliza pela gesto dos dispositivos rfos MLME-POOL, efetua a sincronizao sem os delimitadores de quadros MLME-RESET, para efetuar pedido para o M LM E efetuar um reset MLME-GTS, que zelam pela gesto de slots de tempo garantido

5. Camada FsicaA camada fsica responsvel pela observao do meio quando a transmisso e recepo, ou seja, controla a interface entre com o meio de transmisso em ativar e desativar os tranceivers. de responsabilidade da camada fsica a deteno de energia, avaliao do estado do meio assim como a modulao e demodulao dos dados, seleo de canais pelos dispositivos. A camada fsica pode operar em determinado canal atravs do pedido feito pelas camadas superiores, isto porque a camada tem capacidade de operar em 27 canais diferentes. Nas tecnologias sem fio o meio est sempre compartilhado com vrias redes, com isso a camada fsica tem como responsabilidade de avaliar o estado do canal e poder efetuar detenes

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de energia quando um determinado canal de transmisso estiver ocupado. A deteno de energia possibilita os dispositivos obterem certos picos de energia , selecionando assim o canal que pode ser usado e ao mesmo tempo ou nestes instantes a camada M AC deve descartar os quadros que chegarem impossibilitando o envio de BECON. A camada fsica tambm chamada de camada PHY tem como responsabilidade de enviar seus servios de dados e servios de administrao as camadas superiores dirigidas pela PLM E com responsabilidades vindas das camadas superiores para os APs conforme a Figura28.

FIGURA28: Modelo da camada Fsica : Para a camada de rede, o pedido de deteno de energia feito atravs de notificao da camada M AC e este por sua vez pea a deteno em sua seco PLM E onde devera sair uma confirmao formada de 1 byte que representa um valor associado correspondente a linearidade de valores em decibis (dB) atribudo a sensibilidade do receptor. O IEEE 802.15.4 exige que os dispositivos obedecem a seus requisitos tendo estes, capacidade de avaliar o estado do canal atravs do processo designado como CCA ( Clear Chanel Assegment) [6]. O processo CCA dividido em trs modos: O M odo I foi criado para definir neveis de energia acima de limites em que o meio deve ser condicionado ou classificado como ocupado. Com este modo funcionam apenas as freqncias de 2,4Ghz com sensibilidade de 75dBm e as freqncias de 915M hz com sensibilidade de 82dBm.

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O modo II designado para efeitos de deteno de portadoras onde o CCA sinaliza o estado ocupado do canal atravs de um sinal que usa modulao e difuso apenas do padro IEEE 802.15.4.

O modo III designado quando acontece a situao descrita nos modos I e II ao mesmo tempo.

A transmisso de dados na camada fsica feita atravs da modulao QPSK e BPSK (Binary Phase Shift Keying) onde sinais so transmitidos atravs do modelo DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e neste, o sinal a ser codificado deve ser multiplicado por um sinal pseudo-aleatrio com freqncia superior em relao ao sinal de origem [11]

5.1. ModulaoPara codificar os dados de uma portadora necessrio que estes sejam submetidos a um tipo de modulao. O processo de modulao vem do resultado da converso de 4 bits (cada byte esta dividido em 2 smbolos e cada um deste em 4 bits) para um smbolo e que este posteriormente convertido num chip (uma seqncia binria de rudo pseudo-aleatrio) com o fim de reduzir erros de transmisso. O smbolo menos significativo deve ser transmitido primeiro e atravs dos campos de mltiplos bytes, o ultimo byte deve ser o primeiro a ser transmitido exceto nos campos de segurana, os mais significativos. A dimenso do chip varia conforme a banda em que transmitido e a transmisso deve terminar com a modulao da seqncia binria na portadora conforme o processo da figura28.

FIGURA29:Modulao e Funes de Propagao :

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Basicamente a modulao no IEEE 802.15.4 feita nas banhas de 2.4 Ghz e 868/902 M hz.

5.1.2. Modulao nas bandas de 2.4GhzNa banda de 2.4Ghz, a modulao realizada com o tipo de modulao QPSK ou Offset Quadrature Phase Shift Keying sendo este uma variao da modulao QPSK. Este tipo de modulao efetua o agrupamento de bits (2bits) em blocos ou seja 00, 01, 10 e 11; cada bloco apresenta uma fase e ngulo, separados e distribudos igualmente entre si, que so transmitidos de forma senoidal com freqncias e amplitudes constantes. O QPSK (Ortogonal-Quadratures Phase-Shift Keying) lembra a dupla transmisso em canais separados e ele garante duplicidade da largura de banda ou seja pode transmitir dois bits de uma s vez. O O-QPSK vulgarmente utilizado em comunicaes satlites o formato de modulao do IEEE 802.15.4 para a banda de 2.4 Ghz. Na pratica este tipo de modulao apresenta uma forma de metade da onda senoidal parecendo-se com a modulao M SK ou M inimum Shift Keying, com a fase dividida pela metade ou seja o canal atrasado por 0.2 bit para evitar que as transaes de fase sejam maiores que 90 ou seja o sinal deve ser parecido com sinais binrios para permitir melhor amplificao resultando em menos gastos de consumo energticos. A figura30 mostra a transmisso simultnea de dois canais onde cada chip a ser transmitido transformado numa forma e transmitido alternadamente no canal I e com o espao de meio chip.

FIGURA30: Modulao do sinal em OQPSK :

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Do processo de modulao resulta a converso de 4 bits que equivalem a 1 smbolo. Este smbolo convertido por chip que uma seqncia binria de rudo pseudo-aleatrio com fins de reduzir os erros de transmisso e sua dimenso varia conforme o tamanho da banda onde se efetua a transmisso. A transmisso dos dados s terminada depois com a modulao da seqncia binria enviada.

5.1.3. Modulao nas bandas de 868 / 915MhzO modo 868/915 M hz, os bits 0 e 1 so convertidos para uma seqncia de 15 chips, sendo assim uma seqncia o complemento para 0 da outra ou o resultado XOR dos seus chips. Nestas bandas o sinal modulado via BPSK que no apresenta boa eficincia como o QPSK (usado na banda de 2.4Ghz) que no se pode usar aqui devido a banda ser muito estreita. Na modulao BPSK, a fase da portadora sofre uma inverso de 180 mediante a mudana do fluxo binrio. Qualquer mudana do estado binrio dos bits acontecera uma mudana de fase na modulao. Este processo pode se observar conforme o mostrado na figura31.

FIGURA31: Aspecto de modulao BPSK

5.1.4. Bandas e Freqncias Funcionais do IEEE 802.15.4Os produtos que funcionam com este operam em bandas com alcances mundiais ainda no licenciados incluindo (3) bandas que suportam um total de 27 canais especificados e o alcance de transmisso esta momentaneamente em faixas que vo de 10 a 100 m dependendo do fornecimento de energia para alimenta-los e as caractersticas do meio em que se encontra.

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Existe potencial de interferncias em todas as bandas fato pela qual os comits da IEEE 802.15.4 esto preocupados e tratam a questo procurando solucionar questes de coexistncias nas redes da plataforma. De 2.4 GHz com 16 canais com taxas de transmisso de 250 kbps De 868.3 MHz com apenas um canal com taxa de transmisso de 20 kbps De 902 a 928 M Hz com 10 canais e suporta taxas de transmisso de 40 kbps O M AC emprega 64 bits, especificados pela IEEE e 16 bits para os endereos dos nveis baixos. O resultado do volume da rede apresenta cifras que no alcanam os 264 ns e caso for superior a isto ser necessrio aumentar. Nele se efetua o uso de endereos locais e testes de conexes para mais de 65000 ns e podem ser configurados com endereos de overheads reduzidos. A aliana definiu protocolos de camada superior, camada de aplicao e de rede contando com os perfis que os determinam, contrario aqueles definidos pela IEEE que define simplesmente as camadas de nvel inferiores como os M AC e a camada fsica. A camada fsica opera nas freqncias

descritas na tabela4 e usa diferentes modulaes, canais, distancias de hamming e taxas de velocidades variveis; freqncias usadas nesta camada, so definidas de acordo com as normas regionais. O zigbee apresenta freqncias razoveis com taxas de transmisso de dados aceitveis conforme a tabela4.

Banda 2.4GHz 868 MHz 915 MHz ISM ISM

Cobertura Worldwide Europa Amricas

T.Transmisso 250 Kbps 20 Kbps 40 Kbps

Canais 16 1 10

TABELA 4: Banda X Cobertura X Canais

A banda 2.4Ghz esta regularizada especialmente para o uso mundial mas paises Europeus como a Frana, Espanha e outros o uso desta freqncia no permitido devido a existncia de outras bandas alternativas disponveis como por exemplo as bandas de freqncias de 868M hz. A banda de 902M hz tem melhor propagao em ambientes industriais, pois opera

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em menor freqncia com propagaes de 10 vezes mais a distancia em edifcios com metais quando comparada com as bandas de 2.4Ghz [10] As bandas 868M hz e 915M hz so consideradas por estas apresentarem baixo consumo de energia em relao a de 2.4Ghz (Parker, 2004). Neste contexto, existe a possibilidade de que varias tecnologias sem fio (wirelless) operem nas mesmas freqncias e com isso pode haver interferncias oriunda de alguns aparelhos eltricos, podendo os dispositivos mudarem o canal que usam no espetro. Para este modelo, o desenvolvimento de aplicaes foi designado especialmente para o uso de perfis de aplicao enquanto a aplicao da interface foi desenvolvida para perfis gerais. Devido os pacotes de dados serem relativamente pequenos, a ao de transmisso e recepo minimiza a probabilidade de um pacote no chegar no destino isto porque o ciclo necessrio para os dispositivos extremamente curto. Logicamente o tamanho de uma rede depende da freqncia em que ela esta selecionada tendo em conta os perifricos o quando de perifricos a rede necessita para efetuar comunicao mantendo em conta a tolerncia para possveis perdas de dados e retransmisso da aplicao; de salientar que os dispositivos baseados na tecnologia operam na faixa ISM que no requer licena para funcionamento devido a sua operao em baixas freqncias.

5.1.5. Seleo do CanalPara prevenir a interferncia entre os padres 802.15.4 e 802.11b recomenda-se usar os canais que se localizam na guarda de banda entre duas (2) adjacentes dos trs (3) canais do padro 802.11b ou ento acima delas conforme a figur32.

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FIGURA32: Seleo de canais entre 802.15.4 e 802.11b Enquanto carga neste espao da guarda da borda no for zero, isto ser inferior que a energia entre os canais, a rede 802.15.4 ser operante em um destes canais e minimiza a interferncia entre os sistemas. Contudo se a rede 802.15.4 ficar operante por mais espao dos quatro canais o funcionamento do padro 802.15.14 j no ser necessrio.

6. Topologias de Redes6.1. Topologia do IEEE 802.15.4A topologia obriga que pelo menos um dispositivo de rede deva ser definido como um coordenador da PAN. Este representa a rede e usado para dar inicio terminar, orientar e dirigir a comunicao na rede podendo atribuir endereos muito curtos, substituindo o uso dos endereos nicos de 64 bits por um simples endereo de rede de 16 bits usados pelos dispositivos. A topologias so construdas internamente no IEEE 802.15.4 com ligaes pontoponto e estrela [7]. O Padro IEEE 802.15.4 classifica 2 tipos de dispositivos. Os dispositivos de funo total (FFD) e os dispositivos de funo reduzidas ou limitadas (RFD). Dispositivos de funo total podem servir a qualquer topologia, atuando apenas como coordenadores; estes possuem capacidade de comunicar-se com qualquer dispositivo independentemente da funo que este representa e de sua responsabilidade efetuar a sincronizao. Os RFDs so apenas dispositivos de implementao que se comunicam com os coordenadores FFD (Full Funcion Device) nas topologias de estrela. Em redes Ad - doc quer o coordenador assim como os dispositivos podem ser moveis no obstante poder haver falhas de coberturas ao se tratar de mobilidade que no planeada. Basicamente o padro IEEE 802.15.4 utiliza 2 tipos de topologias como: - Topologia em Estrela - Topologia ponto-ponto

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A topologia estrela coloca todos os dispositivos ligados a um coordenador central (figura32); esta topologia apresenta fragilidades visto que na falha do coordenador central a comunicao de toda rede poder ser comprometida. Toda informao enviada de um n para outro dever obrigatoriamente passar pelo ponto central, ou concentrador, tornando o processo muito mais eficaz, j que os dados no iro passar por todas as estaes. O concentrador encarrega-se de rotear o sinal para as estaes solicitadas, economizando tempo. Na topologia estrela, os dispositivos que fazem parte dos FFD utilizam o identificador PAN permitindo a independncia de todas as outras redes operativas do mesmo circulo de radio (IEEE 802.15.4,2003,PP,14). O elemento central destina-se para a "gerncia" do fluxo de dados da rede, estando diretamente conectado (ponto-a-ponto) a cada n, da surgiu a designao "Estrela". A topologia ponto-ponto a mais especifica para o padro embora apresentar uma inconvenincia de como um n pode tomar iniciativa de comunicao e todos os ns escutarem continuamente o meio, fato pela qual causa gasto de energia desnecessrio [3].

6.2. Topologias das Redes ZigbeeSeu uso estendido nas topologias suportadas pelo padro IEEE802.15.4, operando nas topologias estrela (Figura33), cluster Tree e M esh.

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FIGURA33: Topologia Estrela O IEEE 802.15.4 utiliza o SSCS (Service

Specific Connection Oriented Protocol), que serve para redefinir as topologias fixadas por ele. O padro Zigbee no usa o SSCS e para efeito permite criar topologias nas formas Cluster Tree e M esh, mantendo apenas a topologia estrela pertencente ao IEEE 802.15.4. Os componentes integrantes da rede so o coordenador, os roteadores e os "end devices". O Coordenador inicia a rede definindo o canal de comunicao usado, gerencia os ns da rede e armazena informaes sobre eles. Os Roteadores so responsveis pelo encaminhamento das mensagens entre os ns da rede. J um "end device" pode ser bem um dispositivo bem mais simples, s se comunicando com outro n da rede. Com isso o Zigbee por definio usa as topologias Cluster Tree, M esh e Estrela. A topologia estabelece que o coordenador de rede tenha maiores recursos computacionais que os outros dispositivos finais (End Devices). Assim, o coordenador pode ser chamado como Cluster Head ou coordenador Zigbee de primeira linha da rea de rede. O tipo de encaminhamento difere conforme o tipo de topologia a ser utilizada visto que na topologia Cluster Tree utiliza-se um algoritmo de Routing hierrquico e na topologia M esh o encaminhamento deve ser feito atravs de orientao de uma tabela Ad Hoc AOVD ( Demand Distance Vector Routing) visto em sees anteriores. A topologia Zigbee permite que os FFD intermedirios (Routers) se tornem clusters heads assumindo assim um nmero primrio como identificadores de rede; existem vantagens de se criar vrios clusters devido ao aumento de cobertura que esses podem proporcionar, desse aumento, surge a preocupao com a latncia, constituindo desvantagem com a topologia cluster aplicada no Zigbee [22]. A topologia M esh (Figura34), permite que a rede se ajuste automaticamente em sua inicializao, na entrada de novos dispositivos ou perda de dispositivos. Os receptores de radio nos coordenadores tm que estar sempre ativos, possivelmente devido a topologia ser implementada utilizando ligaes ponto ponto do IEEE 802.15.4.

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FIGURA34: Topologia Mesh Nesta situao existem mltiplos caminhos entre os diferentes ns e a rede auto suficiente para otimizar o trfego de dados. Usando esta configurao podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas reas geogrficas. A topologia Cluster Tree (figura35), efetua a gerncia dos coordenadores e routers e nesta, a rede deve tolerar alta latncia para assim evitar as colises de beacons e deve usar mscara de rede e efetuar routing de tipo rvore. Os beacons no so emitidos regularmente ao contrrio do que acontece nas redes com a topologia Cluster Tree [12].

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FIGURA35: Topologia Cluster Tree Aqui o Coordenador s define parmetros e inicia a rede trocando dados com os dispositivos finais com ajuda do uso dos routers.

6.2.1. Tipos de TrfegoO padro suporta diferentes tipos de trfego de dados que exigem atributos diferentes da camada M AC. O M AC IEEE 802.15.4 flexvel o bastante para assegurar o transporte de cada um dos tipos de trfego como; Dados peridicos, provenientes de sensores; Dados intermitentes, provenientes de interruptores e chaves; Dados provenientes de dispositivos repetitivos de baixa latncia como, por exemplo, um

mouse.

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7. Zigbee e a sua CamadaA norma Zigbee dispe de uma tecnologia ideal para controlar sistemas atravs de sensores localizados em pontos com boa definio. Criada em finais de 2004, a norma ZigBee esta disponvel para os membros exclusivos da aliana desde junho deste ano. Esta vai sendo aplicada nas comunicaes sem fio ligando e controlando equipamentos que transmitem dados com baixa taxa de transmisso, precisando baixa latncia e necessariamente baixo consumo de energia. O padro ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de comunicao em redes que no necessitem de solues mais complexas para seu controle, barateando assim os custos com a aquisio, instalao de equipamentos, manuteno e mo de obra. Trata-se de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com caractersticas especficas, sendo projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar. A norma Zigbee tem como soluo principal comunicao sem fio no interior de casas (segurana domestica, termostato remoto para controle de ar condicionado), conexo automtica e controle eletroeletrnico (controle remoto) de equipamentos, interligao e manejo entre PCs e diversos perifricos assim como monitoramento mdico hospitalar (similar ao Blooth), industrial, predial, manejo de ferramentas e diverso (brinquedos). Esta uma das tecnologias mais recentes dentro grupo de redes para aplicaes pessoais onde a permisso, gerenciamento e controle dos dispositivos baseada na norma ZigBee, tambm conhecido como HomeRF Lite correspondente ao protocolo IEEE 802.15.4 homologado em maio de 2003 [12] . A idia da norma Zigbee de poder controlar atravs de plataformas mveis poder conectar-se e controlar dispositivos a distancias como por exemplo controlar portes de garagens, lmpadas em residncias, realizar pedidos de qualquer natureza desde que o

atendente tenha consigo um registro, controle de consumo de eletricidade atravs de um veiculo mvel, ou seja uma norma desenvolvida para ambientes com demanda de rdio freqncia. Desta forma, as mquinas devero ser compatveis para se tornar possvel comunicao e devem ser capazes de compreender, emitir os mesmo sinais de um protocolo em comum.

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Todas as condies acima so propsitos da Aliana que prov a confiabilidade da plataforma ou protocolo assim chamado. Zigbee apresenta uma gama de car