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Redes 802.15.4/ZigBee
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Tecnologías inalámbricas para redes de
bajo consumo: 802.15.4/ZigBee
ETSI de Telecomunicación, Campus de Teatinos, 29071 – Málaga
E-mail: ecasilari@uma.es, cano@dte.uma.es
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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
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• 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/
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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
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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.
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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.
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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
869.2 – 869.25 MHz Alarmas +10 dBm < 0.1% 25 kHz
869.25 – 869.3 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
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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
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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
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Escenarios adecuados para ZigBee
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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
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Sensores y control
Domótica
Automatización Industrial
Telemetría
Redes en automoción
Juguetes Interactivos
RFID – Seguimiento de objetos
Médico
Aplicaciones para ZigBee
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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
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• 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
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Componentes de ZigBee
IEEE 802.15.4
ZigBee
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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
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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
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Potencia emitida
Con 0 dBm alcance típico:
-Exteriores: 200 m
-Interiores: 30 m
Con 15dBm. 5 veces más
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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
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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
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Tabla de conversión bitsímbolochip
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Inmunidad frente a ruido de DSSS
Ruido
Blanco
Interferencia
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Componentes de ZigBee: la capa de red
Implementa el transporte de
información entre nodos
que se “oyen”
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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• 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)
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• 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
Redes 802.15.4/ZigBee
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Es necesario
hacer CCA dos
veces (en dos
backoffs)
CSMA/CA ranurado: algoritmo
Redes 802.15.4/ZigBee
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¿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
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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)
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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).
Redes 802.15.4/ZigBee
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• 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
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• 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)
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• 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
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Componentes de ZigBee: la capa de red
Capa de red
• Enrutamiento.
Comunicación
Multisalto.
• Búsqueda de rutas.
• Creación de la red.
Agregación de
dispositivos
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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
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• 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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
Redes 802.15.4/ZigBee
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Creación de una red en árbol (1)
Redes 802.15.4/ZigBee
48
Creación de una red en árbol (2)
Redes 802.15.4/ZigBee
49
Creación de una red en árbol (3)
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
Redes 802.15.4/ZigBee
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• 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
Redes 802.15.4/ZigBee
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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
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Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee
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Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee
Enlaces existentes
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Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee
Formación de la ruta
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Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee
Caída de nodos (p.e.: fin de batería)
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Funcionamiento de red mesh (mallada) ZigBee
Recomposición de la ruta
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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)
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Comunicación entre “end-points”
• Sin confirmación
• Con confirmación. Convive (duplica) confirmación 802.15.4
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Comunicación entre “end-points” con fragmentación
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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
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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
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Gateways: pasarelas con el mundo IP
• Arquitectura de protocolos
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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
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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
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¿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)
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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/
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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)
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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)
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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