ZigBee: Protocolo para Red Inalámbrica de Sensores

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1 ZigBee: Protocolo para Red Inalámbrica de Sensores

2 Espectro Electromagnético Las anchos de banda son asignados por organismos públicos en cada país (CONATEL en Venezuela, FCC en USA, ITU a nivel internacional) ITU definió varias bandas de frecuencia libre (ISM) MHz 26MHz 2,4-2,48 GHz 83.5 MHz 5,72-5,85 GHz 125 MHz

3 Multiplexado Se usa tanto digital como analógico FDM (Frecuency Division Multiplexing) El espectro se divide en canales exclusivos para cada comunicación (analógico) TDM (Time Division Multiplexing) El ancho de banda lo tiene todo el canal lógico pero sólo por cierto tiempo (digital) FHSS o DSSS Técnicas de espectro disperso

4 Técnicas de Multiplexado por Espectro Disperso QPSK QAM-16 QAM-64 Quadrature Phase Shift Keying FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Bluetooth Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferencias DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA Se pretendió que fuera un standard pero se abandono en el 2002 ZigBee OFDM (Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales): 54 Mbps, 5GHz, como espectro disperso, más canales descendentes, Compatible con HyperLAN (standard europeo), IEEE802.11a HR-DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa de Alta Velocidad): 11 Mbps, 2.4 GHz, más lento que IEEE802.11a pero más eficiente, IEEE802.11b OFDM2.4 (Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales 2.4GHz): 54 Mbps, 2.4 GHz IEEE802.11g

5 Estándares Inalámbricos por Cobertura WPAN: Wireless Personal Area Network IEEE Bluetooth (IEEE ) ZigBee (IEEE ) Ultra Wide Band (IEEE ) WLAN: Wireless Local Area Network IEEE WiFi (a, b y g) WMAN: Wireless Metropolitan Area Network IEEE WiMax (IEEE802.16) Mobile Broadband Wireless Access (IEEE802.20)

6 LP-WPAN: IEEE (ZigBee) Protocolo con hardware de bajo costo (1,1$), sencillo y con poco consumo energético para control de sensores en monitoreo de dispositivos en casa y la industria CAPA FISICA (PHY): Puede funcionar de 10 a 75 mts, en las bandas: 868 Mhz para Europa (un canal de 20 Kbps), ISM: Mhz (10 canales de 40 Kbps) ISM: 2,4 Ghz (16 canales de 250 Kbps) Usa DSSS con O-QPSK en la banda de 2,4 Ghz y BPSK en 868 MHz Funciones a nivel físico: Activación y desactivación de nodos Detección de energía Indicador de calidad del enlace (consulta de PIB) Detección de actividad del canal Recepción y transmisión de datos

7 Arquitectura de capas total ZigBee Alliance MWK (3) APL (4 y5) IEEE MAC (2) PHY (1) Standard público de ZigBee Alliance desde junio/2005 con Zigbee 1.0 Fuerte competidor de Bluetooth pero: 8 (Bluetooth) vs (ZigBee) dispositivos 3 seg (Bluetooth) vs 15 mseg (ZigBee) para unirse a la red ZigBee considera ahorro de energía pero menor ancho de banda que Bluetooth Bluetooth implementa calidad de servicio lo cual lo hace muy lento

8 IEEE : Capa de Acceso al Medio (MAC) Usa CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access/ Collision Avoidance) protocolo parecido a ethernet (CSMA/CD) que busca evitar colisiones Funciones de la capa 2: Transmisión de la trama de sondeo o baliza Sincronización de la trama baliza Asociación y disasociación CSMA/CA a dos vías Transmisiones garantizadas (GTS) o por contención (CAP) Enlace confiable entre dos nodos Baliza da informacion de la supertrama SO longitud de la supertrama BO longitud de baliza (con inactividad) Si SO=BO no período de inactividad Si BO > SO hay período de inactividad

9 IEEE : Capa de Acceso al Medio (MAC) CSMA/CA es una variante de Ethernet para entornos inalámbricos Imposibilidad que todos los nodos detecten colisiones Problemas típicos de transmisión inalámbrica: (1) Estación oculta (A transmite a B y no vé que C también) (2) Estación expuesta (B transmite a A y C cree que no puede a D) A B C D No todas las estaciones se ven por su radio de cobertura Puede haber transmisión simultanea aún con medio compartido

10 Protocolo MACAW (implementado por ZigBee sin RTS ni CTS) Gestiona el espectro compartido, evitando colisiones Si dos estaciones siente libre el canal, espera un tiempo aleatorio antes de transmitir. El tiempo es calculado (backoff factor) para evitar al máximo las colisiones. Cuando puede transmitir debe: El emisor enviar un RTS con el tamaño del paquete Si el receptor escucha el paquete, responde con CTS El emisor envía el paquete y espera un ACK del receptor Entretanto las demás estaciones esperan un tiempo NAV Este intercambio evita el problema de la estación oculta más no impide el problema de la estación expuesta

11 Configuraciones de ZigBee Tres configuraciones, con hasta nodos (direcciones de red): Estrella (centralizado con uso de la trama de sondeo o baliza) Rejilla o Mesh (sin trama de sondeo y punto a punto usando MACAW) Arbol (híbrido). Tres tipos de nodos: Coordinador Enrutador Dispositivo final Red autoorganizada Coordinador: En estrella inicializa y da mantenimiento a dispositivos En árbol y rejilla inicializa la red y fija parámetro de routers La seguridad es con algoritmos de cifrado simétrico y funciones de hash Un enrutador ZigBee no necesariamente es un coordinador

12 ZigBee Alliance: Capa Red (NWK) Servicios de descubrimiento y mantenimiento de rutas, seguridad, asociación y disasociación Ad-hoc (red sin estructura fija con enrutamiento dinámico) Cada nodo se comunica entre si. Usa algoritmos de selección de máquina maestro o coordinador También algoritmos de inundación o difusión Contruyen un árbol expandido o sumidero Infraestructura (alrededor de un coordinador en el caso de ZigBee) Con Access Points es el de caso WiFi No hay reglas en colocación de coordinadores, depende del entorno

13 Enrutamiento ad hoc Nodos móviles y routers móviles... No hay topología fija ni vecinos conocidos... AODV (Vector distancia ad hoc bajo demanda) Aunque las especificaciones de ZigBee Alliance no lo indica explícitamente AODV cumple con las condiciones de la documentación Limitaciones: Los enlaces pueden ser asimétricos A Estar en el radio de acción, no significa estar conectado (interferencias o diferencia de potencias) Se envían paquetes de route request y route reply Se calculan árboles sumideros B

14 Descubrimiento de ruta en redes ad-hoc Solicitud de ruta (route request): Se busca en la tabla de historia, si es duplicado descartar sino agregar a la tabla de historia Respuesta de ruta (route reply): Si el receptor conoce el destino, le indica al solicitante que puede pasar a través de él (más reciente si número de secuencia de destino mayor) Ruta desconocida: Incrementa número de saltos y vuelve a difundir colocando un temporizador. Además aprovecha esta información para construir el árbol sumidero

15 Mantenimiento de ruta en redes ad hoc En el camino de regreso se inspeccionan los paquetes y se actualizan las tablas de enrrutamiento local si: No se conoce esa ruta El número de secuencia mayor que el conocido (más reciente) La nueva ruta es más corta Con el tiempo de vida inicializado al diametro de la red, se difunde menos o con tiempo de vida que aumentan para buscarlo lo mas cerca posible Difunde periódicamente HELLO para ver vecinos activos y notifica en caso de que un nodo no esté disponible Route Request Route Reply

16 ZigBee Alliance: Capa Aplicación (APL) Consiste del APS Concuerda nodos con sus necesidades Seguridad con clave maestra para negociar claves de sesión ZDO: Define los roles o perfiles de los dispositivos Descubre dispositivos con los servicios que proveen Los perfiles se enlazan en agrupamientos (clusters)

17 Estructura de Tramas MAC Máxima carga de datos hasta 104 bytes, direcciones IEEE de 64 bits Paquete MAC para configuración a distancia La trama baliza o sondeo despierta a los dispositivos e inmediatamente vuelven a dormirse si no reciben mas datos (intervalos de 15 msg a 4 min) El tiempo de balizado es predeterminado y hasta el coordinador duerme...

18 Estructura del Nodo ZigBee El sensor es independiente del mote La pila de protocolos está en una memoria flash

19 Alrededor de ZigBee... Ancho de banda limitado para voz o video aunque no es el énfasis. Con un alto número de dispositivos y aun con un período de sondeo muy corto el rendimiento de la red y la duración de las baterias decaen. Es por ello que se proponen redes ZigBee con troncales WiFi. Competidores con standard propietario: Zwave (promete menos interferencia con WiFi) y Insteon (Kit de desarrollo muy económicos). Ambos se abocan principalmente a la domótica inalámbrica en el hogar

20 Comparación de tecnologías inalámbricas Interferencias en 2,4 GHz IEEE (coexistencia de WLAN y WPAN) para resolverlo Mobilian (Bluetooth+WiFi) con su producto TrueRadio (comprada en Nov/2003 por INTEL) Productos WPAN IEEE Bluetooth IEEE a - UWB IEEE Zigbee WLAN IEEE WiFi WMAN IEEE WiMax IEEE MBWA se invaden los mercados mutuamente IrDA viene ofreciendo anchos de banda mayores que los de Bluetooth (16 Mbps) Ni WiFi ni Bluetooth ofrecen tráfico multimedia pero WiMax y UWB si Aunque WiFi se expande al área metropolitana WiMax parece ser el standard 4G de telefonía celular...

21 Desafíos de la Comunicación Inalámbrica Aspectos a favor: Mobilidad con los mismos servicios de red (Web, FTP, etc) Manejo de memoría permanente a través de la red (cuando se usan PDA o laptops) Aspectos a mejorar: Lentitud de los enlaces inalámbricos Seguridad implica cifrado pero este implica aún más lentitud Más costosa con respecto a los enlaces cableados Redes inalámbricas únicas de múltiples servicios (aún lejos de la standarización) Problemas de salud???

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