Expo Zigbee

5/10/2018 Expo Zigbee - slidepdf.com

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Habiendo cubierto los aspectos basicos de ZigBee y el estandar IEEE 802.15.4. Ahora nos tocaprofundizar sobre la estructura y servicios que provee cada capa de ZigBee y el estandar IEEE802.15.4. En esta estructura las distintas capas del protocolo cooperan unas con otras para realizardistintas tareas, tales como unirse a una red o enrutar mensajes.

ZigBee and IEEE 802.15.4 Networking Layers Las capas del protocolo wireless Zigbee que seran mostradas en la figura estan basadas en laInternational Standards Organization(ISO) y Open System Interconnect(OSI), En el ISO/OSI haysiete capas, pero Zigbee implementa solo las capas que son esenciales para, Low-power y Low -data-rate en la red. Las primeras dos capas (PHY y MAC), Estan definidas por la IEEE802.15.4, ya lascapas superiores de NWK y APL estan definidas por el estandard Zifbee. Los features de seguridadestan contenidos en ambos estandard y una red que implemente las capas a presentar en la siguientefigura es considerada una red Zigbee.

Cada capa se comunica con su capa adyasente a traves de lo que se conoce como Service AccessPoints(SAP's). SAP es un lugar conceptual en el que una capa de protocolo puede solicitar los servicios

de otra capa de protocolo, un ejemplo mas notable es como se muestra en la figura donde el PHY dataservices access point(PD-SAP) es donde la capa MAC hace un request de cualquier servicio de data dela capa PHY.

Ahora bien para desglosar los demas service access points debemos seguir profundizando en las capas.



Entonces, el estandard 802.15.4 no solo especifica las funciones de la capa fisica y su interaccion con lacapa MAC, este taqmbien define el hardware minimo necesario, tal como la sensibilidad del receptor yel poder de salida del transmisor(esto sera detallado por el companero reidy abad proximamente).

The IEEE 802.15.4 PHY Specifications Channel Assignments

Aqui los canales de frecuencia son una combianacion de el numero de canal y la pagina de canales.Una pagina de canales es un concepto que refiere un grupo de canales en determinadas frecuencias.Los canales de frecuencia se definen a través de una combinación de números de canales ypáginas de canal. La página del canal es un concepto añadido de IEEE 802.15.4 en 2006 para distinguirentre el apoyo físico. En versiones anteriores de estándar IEEE 802.15.4, los canales de frecuencia seidentifica simplemente por los números de canal y no se PHY opcional. En la versión inicial, no sehabía previsto desde hace más de un total de 27 canales, y por lo tanto la aplicación de múltiples PHYbandas de frecuencia de operación no puede ser apoyada. Cada página del canal puede tener un

máximo de 27 canales. La Tabla 3.1 muestra la asignación de canales en el estándar IEEE 802.15.4.Las páginas de los canales 0-2 se utilizan actualmente para 868/915 MHz y 2,4 GHz. Las páginas decanal 3-31 están reservados para usos futurepotential

Energy Detection

Cuando un dispositivo planea transmitir un mensaje, este primero va dentro del receive modepara detectar y estimar el nivel de energia de la senal en el canal deseado. Esta tarea es conocidacomo energy detection (ED).La energía de la señal en la banda de interés es un promedio de más deocho períodos de símbolos. En ED, el receptor no intenta detectar el tipo de señal, sólo el nivel deenergía de la señal se calcula. En otras palabras, si hay una señal que ocupa la banda de frecuencias de

interés, realizando un servicio de urgencias no revela si esta señal es un estándar IEEE 802.15.4compatible con la señal o no.

El procedimiento de detección de la energía podría no ser capaz de detectar señales débiles con losniveles de energía cerca del nivel de sensibilidad del receptor. La sensibilidad del receptor es el nivelde la señal de energía más bajo que el receptor puede detectar correctamente y demodular con una tasade error de paquetes de menos del 1%. El IEEE 802.15.4 permite una diferencia de 10 dB entre el nivelde sensibilidad de recepción requerida en el receptor y el nivel de detección de energía requerida. Porlo tanto, un receptor al realizar una detección de la energía debe ser capaz de detectar y medir laenergía de las señales tan bajas como 10 dB por encima de su nivel de sensibilidad requerido. Porejemplo, si la sensibilidad del receptor se requiere 85 dBm, el procedimiento de detección de la

energía debe ser capaz de detectar y medir la energía de las señales de tan bajas como 75 dBm . ElϪ rango de detección de la energía debe ser al menos 40 dB, lo que para el mismo ejemplo se traduce en

75 dBm a 35 dBm .Ϫ Ϫ

La capa Mac le requiere a la fisica la realizacion del Energy Detection. La capa fisica devuelve unentero de 8 bits que indica el nivel de energía en el canal de frecuencia de interés. La precisión de laenergía, debe estar +/- 6 dB o mejor.



Carrier Sense

Similar a la ED, detección de portadora (CS) es una forma de verificar si un canal de frecuencia estádisponible para su uso. En CS, cuando un dispositivo tiene planes de transmitir un mensaje, primero

entra en el modo de recepción para detectar el tipo de cualquier señal de posible que pueda estarpresente en el canal de frecuencia deseada. En contraste con la detección de Energía, en el CS de laseñal es demodulada para verificar si la modulación de la señal y la difusión son compatibles con lascaracterísticas de la PHY que está actualmente en uso por el dispositivo. Si la señal de ocupación escompatible con el estándar IEEE 802.15.4 PHY, el dispositivo podría optar por considerar el canalocupado, independientemente del nivel de energía de la señal.

Link Quality Indicator

Este es una indicación de la calidad de los paquetes de datos recibidos por el receptor. El receivedsignal strength (RSS) puede ser usado como una medida de la calidad de la senal. El RSS es una

medida de la energía total de la señal recibida. La relación entre la energía de la señal deseada a laenergía total de ruido en la banda (la relación señal-ruido, o SNR) es otra manera de juzgar la calidadde la señal. Como regla general, el aumento de SNR se traduce en menores posibilidades de error en elpaquete. Por lo tanto, una señal con una alta relación señal ruido se considera una señal de alta calidad.

La LQI realiza la medición para cada paquete recibido. El LQI debe tener por lo menos ocho nivelesúnicos. EL LQI del enlace se informa a la capa MAC y está a disposición de las capas de NWK y deAPL para cualquier tipo de análisis. Por ejemplo, la capa de NWK puede utilizar el LQI del enlaceinformado con los niveles del indicador de calidad de los dispositivos en la red para decidir qué caminousar para dirigir un mensaje. En general, el camino que tiene el mayor índice global de calidad Enlacetiene una mejor oportunidad de entregar un mensaje al destino. El indicador de calidad del enlace essólo uno de los factores de decisión en la selección de un camino a la ruta de un mensaje. Otrosfactores, tales como el enrutamiento de consideraciones de eficiencia energética, también puede influiren la selección de ruta. Por ejemplo, un dispositivo con pilas podrían estar en una excelente ubicaciónen términos de la calidad del enlace, pero enrutamiento de los mensajes con frecuencia a través de estedispositivo se agotará la batería mucho antes que el resto de los dispositivos en la misma red.

Clear Channel Assessment

El primer paso del mecanismo de canales del Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance (CSMA-CA) sucede cuando la capa MAC requiere a la fisica realizar un clearchannel assessment(CCA) para asegurar que el canal no esta en uso por otro dispositivo. El CCAes parte del physical management service. En un CCA, el resultado del ED o CS puede ser usadopara decidir si un canal de frecuencia debe ser considerada como disponible o ocupado. El período deCCA debe ser de ocho símbolos.

Existen 3 modos de CCA, y el IEEE 802.15.4-compliant PHY debe ser capaz de operar en cualquierade estos:CCA el modo 1. En este modo, sólo el resultado de detección de la energía se tiene en cuenta. Si elnivel de energía está por encima del umbral de detección de la energía, el canal se considera ocupada.La detección de la energía umbral puede ser fijado por el fabricante.



CCA el modo 2. El modo 2 utiliza sólo el resultado de CS, y el canal se considera ocupada si la señalde ocupación es compatible con la PHY del dispositivo que está realizando la CCA.

CCA el modo 3. Este modo es una combinación lógica (Y / O) de los modos 1 y2. En otras palabras, en el modo 3, el PHY puede utilizar una de las siguientes como una indicación de

un canal ocupado:● El nivel de energía detectada es superior al umbral, y es compatible con un portadordetectados.● El nivel de energía detectada es superior al umbral o es un portador compatibledetectados.

El modo de CCA que el dispositivo utiliza se almacena como un atributo de PHY (phyCCAMode) enla Base de información PHY PAN (PHY-PIB). La PHY-PIB se revisa en la siguiente sección.

The PHY Constants and Attributes

Las constantes de definir las características como el tamaño máximo de un marco o elduración de un evento. Cada capa del protocolo tiene sus propias constantes. La PHY sólo tiene dosconstantes, que se muestra en la Tabla 3.2. La constante de PHY aMaxPHYPacketSize indica que laPHY unidad de servicio de datos (PSDU) no puede exceder de 127 octetos. El tiempo de respuesta es eltiempo de un transmisor-receptor tiene que pasar de la transmisión (TX) a la recepción (RX), yviceversa.

Sobre la base de la constante aTurnaroundTime, un transmisor-receptor debe completar su transición enmenos de 12 símbolos. En el PHY y MAC capas de protocolo, todas las constantes tienen un prefijogeneral de a. En el NWK y las capas de APL, por el contrario, los prefijos de las constantes son nwkc yAPSC, respectivamente. Las constantes no se puede cambiar durante la operación. Los atributos son las

variables que pueden cambiar durante la operación. Los atributos PHY están contenidos en la Base deinformación PHY PAN (PHY-PIB). Estos atributos son necesarios para gestionar los servicios PHY.La lista de atributos PHY-PIB se presenta en la Tabla 3.3. Los atributos marcados con una cruz (†) sonatributos de sólo lectura. Las capas superiores pueden leer los atributos de sólo lectura, pero sólo PHYpuede cambiar. Los atributos marcados con un asterisco (*) tienen partes específicas que son de sólolectura. Los bits que no están marcados como de sólo lectura puede ser leída o escrita por la capainmediatamente superior. Sólo el PHY puede cambiar los bits de sólo lectura. Las funciones de estosatributos se aclaró en el resto de este capítulo.

PHY ServicesLa capa fisica provee dos tipos de servicios: el servicio de data fisico (data service) y el gestionador de

servicios fisicos (management service). El primero habilita la transmision y recepcion a traves de unacanal de radio del Protocol Data Unit(PPDU).La capa fisica incluye una entidad de managementconocida como el Physical Layer Manegement Entity (PLME) (ver fig) y las funciones fisicas degestionamiento pueden ser invocadas desde esta entidad (PLME). El servicio de data Physical DataService es accesido a traves del (PD-SAP). Asi como el gestionador de servicios de la capa fisica esaccesido a traves del PLME-SAP, este ultimo tambien mantiene o maneja la PHY PAN InformationBase (PIB).



PHY Data Service

La data que necesita ser transmitida es siempre proveida como una MAC Protocol Data Unit (MPDU).La capa MAC local genera un request de la transmision y envia el MPDU. La capa fisica entonces

atiende la transmision y reporta el resultado pedido (exitoso o no) a la capa MAC. Las razones para untransmision no exitosa pueden ser:

• El transceiver de radio esta deshabilitado.

• El transceiver esta en modo de recepcion, y el Radio no puede transmitir y recibir al mismotiempo

• El transceiver esta ocupado(ya dentro de otra transmision).

Cuando la data es recibida por el transceiver, la capa fisica notifica a la capa MAC de la llegada de unMPDU. La capa fisica no solo provee el MPDU a la capa MAC, esta tambien envia la informacion deLQI.

Los pasos que se muestran en la figura son los pasos a seguir al transferir data de un dispositivo a otrodesde la capa de aplicacion. La data no siempre viene de la capa de aplicacion, esta puede ser generadapor la cap MAC sin involucrarse con la capa siguiente.

En el ejemplo a mostrar la data proviene desde el Zigbee Device Objects(ZDO) o una aplicacion de unobjeto hacia la el Application Support Sublayer (APS):

EN el equipo transmisior cada capa agrega su propio Header and Footer al Data Unit (DU) y luego pasael resultado a la proxima capa de mas abajo.

El DU en cada capa es conocido con el nombre de la capa. En la capa de aplicacion y de red, el DU esconocido como APS Protocol Data Unit (APDU) y el NWK Protocol Data Unit (NPDU),respectivamente. El Physical Data Unit recibe un Mac Protocol Data Unit (MPDU) y crea un PhysicalProtocol Data Unit (PPDU) que sera transmitido por el Radio.



PHY Management Service

El Physical Layer Manegement Entity SAP (PLME-SAP) , es utilizado para transportar comandos entreEl MAC Layer Management Entity (MLME) y el PLME. Los servicios que provee a traves de elPLME-SAP son los siguientes:

•

Clear Channel Assesment (CCA)• Energy Detection (ED)

• Habilitar y deshabilitar el Transceiver

• Obtener informacion del PHY-PIB

• Darle el valor al atributo PHY-PIB

Clear Channel Assessment

La MLME hace el requerimiento a la PLME de realizar un CCA cuando el CSMA-CA requiere unaestimacion del canal. El resultado del CCA puede ser uno de los sigueintes:

• El transceiver esta deshabilitado y por tal no puede realiszar el CCA• El canal esta habilitado y puede ser usado para la transmision

• El canal o transceiver esta ocupado:1. El canal esta ocupado (Otro dispositivo esta usando este canal de frecuencia)2. El transceiver esta ocupado transmitiendo y por lo tanto el CCA no puede ser realizado

El PLME no distingue entre un canal ocupado y un transceiver ocupado, este solo envia el mismoestado al MLME de BUSY en caulquier caso.

Energy DetectionEL ED es generado por el MLME y es manejado por el PLME, si su medicion es exitosa, el nivel de

energia es reportado devuelta hacia el MLME, un radio deshabilitado y una transmision enprocesopuede hacer que El ED falle.

Enabling and Disabling the Radio Transceiver

EL MLME puede requerir que el PLME haga que el transceiver se ponga en tres distintos estados:deshabilitado, transmisor habilitado y receptor habilitado. Obtaining Information from the PHY-PIBEL PLME puede leer el valor de cualquier atributo en el PHY-PIB y proveerselo al MLME. Esterequest es siempre generado por el MLME.

Setting the Value of a PHY-PIB AttributeEl modo read only en los atributos de la capa fisica PHY, solo pueden ser cambiados poor esta mismacapa. En cualquier caso los demas atributos sin esta distincion, pueden ser requeridos por la MLME ala PMLE para que sea cambiado.



The Service Primitives

Los estandars IEEE 802.15.4 y Zigbee usan el conceptop de primitieves para describir el servicio queuna capa provee a la capa mas alta. La comunicacion entre las capas adyacentes del protocolo sonmanejdas por funciones que son llamadas o por medio de mensajes, llamadas primitivas entre las capas.

Aunque cada capa tiene un rol distinto en todo el sistema, la forma en cada capa opera tiene algunasimilitud con otras capas. Por ejemplo la capa fisica y la MAC e la Nwk proveen servicio de data haciasu proxima capa suiperior. EN cada capa el mecanismo de requerir la DU para ser transmitida essimilar; La capa inmediatamente superior usa el DATA SERVICE ACCESS POINT (Data SAP) de lacapa inferior para requerir la data a transmitir, si la transmision de la data es exitosa la capa inferior dauna confirmacion a la capa superior acerca del estado de la transmision.

A causa de estas similitudes, el servicio de primiticas es encontrado muy util en la descripcion decapacidades de cada capa del estandar de protocolo. Cada primitiva provee una accion especifica arealizar o da un resultado de la anterior accion requerida. Una primitiva puede tambien llevar losparametros necesarios necesarios para realizar su tarea.

La figura muestra la forma generica de descripcion de servicios que provee una capa a su capa superior.Como se muestra en la figura existen 4 tipos de servicios: request,indication,response y confimacion.EN otras palabras todos los servicios en la IEEE802.15.4 Y Zigbee estandar caen dentro de una deestas cuatro categorias. El servicio de primitivas son descritas en el siguiente formato:

1. The primitive .requestϾ

2. The primitive .indicationϾ

3. The primitive .responseϾ

4. The primitive .confirmϾ

El servicio de primitiva de reqerimiento o request es generado por la capa N+1 a la capa N pararequerir que un servicio sa iniciado.

Por ejemplo, en la el servicio de data de la capa fisica, la primitiva PHY Data Request (PD-Data.request) es generada por la capa MAC haciendo un requerimiento a la capa fisica con un MPDUpara ser traqnsmitido.

La indicación primitiva se genera por la capa de N al usuario del servicio (es decir, la capainmediatamente superior), lo que indica un evento que es importante para la capa N 1. Por ejemplo, ϩ cuando el PHY recibe datos de otro dispositivo en la red que debe ser pasado a la capa MAC, el PHYutiliza la primitiva PD-DATA.INDICATION para entregar la información de datos a la MAC.

Si la indicación primitiva requiere una respuesta, la respuesta primitiva se pasa al usuario del servicio ala capa N. El PHY y capas NWK no tienen ninguna respuesta primitiva. El MAC y las capas de APLcontienen primitivas respuesta



The confirm primitive is used by the layer N to confirm completion of the service layerN 1 requested by passing down a request primitive. The PD-DATA.confirm primitive ϩ

is generated by the PHY entity and issued to its MAC sublayer entity in response to aPD-DATA.request primitive. In the confirmation, the PHY informs the MAC whether thetransmission was successful

PHY Packet Format

El formato del PHY Protocol Data Unit (PPDU) que se muestra en la figura consites en trescomponentes el Synchronization header (SHR), the PHY header (PHR), y el PHY payload

El SHR permite al receptor para sincronizar y de bloqueo en el flujo de bits. el PHRcontiene información sobre el marco longitud. La carga útil PHY es proporcionado por las capassuperior e incluye datos o comandos que necesitan ser transmitidos a otro dispositivo. El SHR secompone de un preámbulo y un delimitador de inicio de trama (SFD). El campo preámbulo es utilizadopor el receptor para obtener chips y la sincronización de símbolos. Los bits en el campo de preámbulo

en todas las FIT, a excepción de la FIT ASK, son ceros binarios. En el preámbulo de un PHY 868 MHzASK se genera mediante la repetición de la secuencia 0 de la tabla A.1 dos veces(ver Apéndice A). La duración de este preámbulo es de 160 ms. En un 915 PHY MHz ASK,thesequence 0 de la tabla A.2 se repite seis veces y tiene 120 ms. Las longitudes y las duraciones de lospreámbulos de todas las opciones de PHY se enumeran en la Tabla 3.4. El campo SFD indica el finalde la SHR y el inicio de la PHR. El SFD de 868 MHz y 915 MHz ASK FIT es el 0 secuencia invertidade los cuadros A.1 y A.2, respectivamente. Para todos los FIT, el FSD es un campo de 8 bits se muestraen la Tabla 3.5. Las longitudes de SFDfields se proporcionan en la Tabla 3.6. El siguiente campo de unpaquete de PHY es la longitud de la trama, que especifica el número total de octetos en la carga dePHY (PSDU). La longitud PSDU puede ser cualquier valor desde 0 hasta 127 octetos (véase el Cuadro3.2, las constantes PHY). Pero en la práctica, basada en el estándar IEEE 802.15.4-2006,la longitudPSDU es o 5 octetos para un marco de reconocimiento de MAC o 9-127 para cualquier MPDU otros.Los valores de longitud de trama de 0-4 y 6-8 están reservados para posibles aplicaciones futuras(Tabla 3.7). El último campo es el PHY unidad de servicio de datos (PSDU). El contenido de los PSDUes proporcionada por el MAC como un marco de MAC. En IEEE 802.15.4, el primer bit que setransmite es el bit menos significativo (LSB) del SHR. El bit más significativo (MSB) del último octetode la carga se transmite PHY pasado



Summary of the PHY Layer Responsibilities

La capa fisica es la mas cercana al hardware y es quien controla y comunica con el Radio Transceiver.Las responsabilidades de la capa fisica son als siguientes:

• Activar y desactivar el Radio Transceiver

• Transmite y recibe data

• Selecciona la frecuencia del canal(la frecuencia exacta en la cual el transceiver operara)

• Realizando el Energy Detection. El ED es quien ejecuta la tarea de el signal energy dentro de labanda de frecuencia de interes. Esta estimacion es usada para entender donde o no un canal estalimpio y puede ser usado para la transmision.

• Realizar el CCA

• Generar el LQI, este ultimo es un indicador de la calidad de los paquetes de data recibidos porel receptor. El poder de la senal puede ser usado como indicador de Signal Quality.

Bases para la capa Mac :

Beacon-Enabled vs. Nonbeacon Networking

Existen dos metodos para acceder a canales: contention based o contention free. En el contentionbased channel access, todos los dispositivos que quieren transmitir en el mismo canal defrecuencia usan el mecanismo CSMA-CA, y el primer canal que se encuentre libre y empieza latransmision. En el metodo Contention-free, el coordinador PAN dicta un time slot especifico acada dispositivo en particular. Esto es llamado guaranteed time slot (GTS) . Por lo tanto, undispositivo con un GTS empezara a transmitir durante el GTS sin usar el mecanismo CSMA-CA.

Para proveer un GTS, el PAN Coordinator necesita asegurar que todos los dispositivos en la redesten sincronizados. El BEACON es un mensaje con un especifico formato que es usado parasincronizar los relojes de los nodos en la red. El formato es luego discutido. Un coordinador PANtiene la opcion de transmitir senales de beacon-frames para sincronizar los dispositivosatachados a este. Esto ultimo es llamado Beacon-enable PAN, la desventaja de usar beacons esque todos los dispositivos en la red deben levantarse bajo regulaciones basicas, es decir, escucharlos beacons, sincronizar los relojes y volver a dormir. Esto significa que muchos dispositivos en lared se llevantaran solo para sincronizar y no para realizar otra tarea mientraqs estan activos, porlo que la vida de la bateria se reduce cuando se usa el modo beacon en el dispositivo.

Una red en la cual el PAN Coordinator no transmite beacons es conocida como nonbeacon-

network. Estas redes no pueden tener GTS y por lo tanto tampoco contention-free periods, dadoque los dispositivos no estan sincronizados con otros.



CSMA-CAEs un metodo quje permite que multiples dispositivos usen el mismo canal de frecuencias comosu medio de comunicacion. El mecanismo de acceso al canal usado es conocido como el CarrierSense Multiple Access with Collision Avoidance, en CSMA-CA cada vez que un dispositivoquiere transmitir debe primero realizar un clear channel assesment(CCA) para asegurarse que elcanal no esta en usao por otro. La decision del CCA puede estar basada en la energia espectral en

el canal de frecuancia de interes o detectando el tipo de senal que ocupa el canal.

Common ZigBee terminology

PAN

Personal Area Network; a collection of cooperating devices which are associated and share the sameaddress space.

PAN IDThe 16-bit value which is used to uniquely define a PAN. Devices make the decision on what radionetworks to join based on their PAN ID.

PAN Coordinator

The ZigBee device which is responsible for starting the formation of a ZigBee network. The ZigBeePAN coordinator chooses the PAN ID. There is only one ZigBee PAN Coordinator in any ZigBeenetwork; it’s ZigBee address is always 0.

Full Function Device

A device which can route ZigBee packets as part of it’s normal operation; also called a ZigBee“Router”. FFDs form the meshed network topology by establishing communications links to otherdevices (both FFDs and RFDs). FFDs can act as a sensor or actuator or other type of node.

Reduced Function Device

An RFD is a device which cannot route ZigBee packets. They are always associated with a single FFDand can only participate in the network as an end, or leaf, node.

Mesh

A network with multiple possible routes between nodes over which a packet can be routed. FFDs formthe mesh and discover routes between nodes using a variety of routing algorithms (tree routing orAODV for example).



Types of ZigBee NetworksZigBee networks can be configured to operate in a variety of different ways to suit the application andenvironment. Supported topologies include:

Peer to Peer (Ad-hoc)ZigBee nodes connect directly to each other for peer to peer communication

Star Configuration

Using a single PAN coordinator, each node connects directly to the central coordinator – all inter-nodecommunications are passed through the coordinator.

IEEE 802.15.4 MAC Layer

La capa Mac provee la interface entre la capa fisica y la capa de red, a continuacion se muestra elmodelo de referencia de la subcapa mac, similar a la fisica esta consta de un MLME que es responsiblede los servicios de gestion de la capa mac. La MLME interactua con su contraparte en la capa de red:Network Layer Manegement Entity o NLME.

La capa Mac tambien tiene su propia base de datos, referida como MAC PAN Information Base(MAC-PIB). Todas las constantes Mac tienen un prefijo de a y los atributos el prefijo “mac”.

Beacon-Enabled Operation and Superframe Structure

una de las ventajas de tener habilitado el modo Beacon-enable en la red es la disponibilidad del

guaranteed time slot (GTS). Los beacon son Mac Frames que contienen informacion como el intervalode tiempo entre beacons y el numero del GTS.

En el modo de operacion de beacon es posible usar un Superframe Structure. Este esta limitado pordos frames beacon.(tiene un uso opcional), puede haber hasta tres tipos de periodos en un superframe;the contention access period (CAP), the contention-free period (CFP), y the inactive period.

Durante el CAP, todos los dispositivos que quieren transmitir deben usar el mecanismo CSMA-CA,para ganar acceso a un canal de frecuencia.si un dispositivo encuentra el canal ocupado este debegenerar un periodo random de tiempo y esperar para tratar otra vez. Este es el tipo de acceso mascomun en todos los dispositivos. Los comandos de los frames de la capa MAC deben ser transmitidos

durante el CAP.

NO hay garantia durante el CAP para que un dispositivo este habilitado para usar un canal caundo estelo necesite, EN el CFP en contraste garantiza el time slot para un dispositivo en especifico y nonecesita el CSMA-CA, Esta es una gran opción para aplicaciones de baja latencia en el que eldispositivo no puede permitirse el lujo de esperar un periodo aleatorio y largo plazo, potencialmente, demomento hasta que el canal está disponible. Utilizando CSMA-CA no está permitido dentro de el CFP.



La combinacion del CAP y del CFP es conocido como el periodo activo. El periodo activo es dividodentro de 16 time slot iguales. Elframe beacon siempre empieza al inicio en el primer time slot. Puedehaber hasta 7 GTS en un CFP, cada GTS puede ocupar uno o mas time slot.

Un SuperFrame opcionalmente puede tener un período de inactividad. El período de inactividad

permite que un dispositivo para entrar en el modo de ahorro. Durante el modo de ahorro de energía, elcoordinador puede desactivar los circuitos del transceptor para conservar la energía de la batería.

La estructura de un superframe es definida por el coordinador y configurada en la capa de red usandoLA PRIMITIVA MLME-START.request, EL beacon interval o intervalo entre dos beaconsconsecutivos (BI) es determinado por el valor del atributo macBeaconOrder (BO) y la constanteaBaseSuperFrameDuration con la ecuacion:

BI aBaseSuperframeDuration 2 BO (Symbols)ϭ ϫ

Es decir dado una duracion de superframe de 960 simbolos y macorder de 2 = 4 * 960. el valor delmacBeaconOrder puede esstaqr entre 1-14 si esta en 15 es que no es una red de beacon. Y no se aplican

los superframe.

Similarmente el largo del tiempo o periodo activo de un superframe se calcula como SuperframeDuration(SD):

SD aBaseSuperframeDuration 2SO (Symbols)ϭ ϫ

done SO es el valor del atributo macSuperFrameOrder. EL SD no puede exeder el BI por lo que elvalor de SO es siempre menos que el BO.

En las redes nonbeacon-enable el coordinador no transmite beacons a menos que este reciba uncomando de requerieminto. El beacon reuqest command es usado para localizar el coordinar. Esteformato sera mostrado mas adelante.A PAN coordinator in a nonbeacon-enabled network sets the valueof macSuperframeOrder to 15.

En una red beacon-habilitada, cualquier coordinador, además del coordinador del PAN, tiene la opciónde transmitir balizas y crear su propia supertrama. La Figura 3.8 muestra el tiempo necesario cuandotanto el coordinador del PAN y el otro coordinador de la misma red se transmite balizas. Elcoordinador puede comenzar a transmitir su señal sólo durante el período de inactividad de lasupertrama coordinador del PAN. El faro de coordinador del PAN se le conoce como el faro recibió. Elfaro de cualquier otro coordinador que se conoce como el faro de transmisión. Los períodos deactividad de ambos supertramas debe tener la misma longitud. Un coordinador, que no sea uncoordinador del PAN, sólo transmite una señal para indicar el inicio de su supertrama, y el final de lasupertrama puede ser el mismo que el final de la supertrama coordinador del PAN. Si un dispositivo noutiliza su GTS por un período prolongado de tiempo, la GTS expirará y el coordinador puede asignaresa GTS específica a un dispositivo diferente. El período de inactividad que se traducirá en laexpiración GTS es siempre un múltiplo entero de dos veces la longitud supertrama. El valor de estenúmero entero múltiple (n) depende de la macBeaconOrder

For example, if a device with macBeaconOrder of 7 does not use its GTS in fourconsecutive superframes, its GTS will expire



The Interframe Spacing

In transmitting data from one device to another, the transmitting device must waitbriefly between its successive transmitted frames to allow the recipient device processa received frame before the next frame arrives. This is known as interframe spacing(IFS). The length of IFS depends on the transmitted frame size. The MPDUs with sizes

of less than or equal to aMaxSIFSFramesSize (a MAC constant with default value of 18octets) are considered short frames. A long frame is an MPDU with a size that exceedsaMaxSIFSFramesSize octets .

The waiting period after a short frame is referred to as short IFS (SIFS). The minimumvalue of SIFS is macMinSIFSPeriod. Similarly, a long frame is followed by a long IFS(LIFS) with minimum length of macMinLIFSPeriod. The values of macMinSIFSPeriodand macMinLIFSPeriod are 12 and 40 symbols, correspondingly.Figure 3.9 shows the interframe spacing for two scenarios. In the first one, themessage is acknowledged and the wait time between the acknowledgment frame and the next frame isLIFS or SIFS, depending on the frame length. The time period from

transmitting a frame and reception of the acknowledgment frame is shown as tACK. If noacknowledgment is required, the minimum interframe spacing starts from the moment theframe is transmitted (Figure 3.9b) .

CSMA-CA

In addition to transmitting beacons, there are two more occasions on which a deviceaccesses the channel without using the CSMA-CA algorithm:● The channel access during the contention-free period (CFP).● Transmitting immediately after acknowledging a data request command. In

other words, if a device requests data from a coordinator, the coordinatortransmits the acknowledgment followed immediately by the data withoutperforming CSMA-CA between these two transmissions, even during thecontention access period (CAP)

Hidden and Exposed Node ProblemsOne of the weaknesses of the CSMA-CA algorithm is the hidden node (terminal) problem[4]. Consider the example shown in Figure 3.11a, where nodes A and C are placed toofar from each other to be able to receive each other’s signals. However, both nodes Aand C can communicate with node B. In each node, the signal power decreases as thedistance from the antenna is increased. When node C is transmitting, the signal energylevel at the node A location is so weak that the node A energy detection mechanism doesnot detect the presence of another signal and can declare the frequency channel available(idle). Similarly, node C cannot detect the presence of node A signals, either. Now, if both node A and node C simultaneously decide to transmit packets to node B using thesame frequency channel, they may find the channel available at the same time and starttransmitting the packets concurrently. This will create a collision of packets in node B.One way to overcome this issue is changing the location of the nodes or increasing theoutput power of the hidden nodes to ensure that nodes A and C can detect each other’ssignals. At the software level, the IEEE 802.15.4 MAC does little to help resolve thehidden node issue. For example, the IEEE 802.15.4 does not currently support therequest-to-send/clear-to-send (RTS/CTS) handshake mechanism, which is used in the



IEEE 802.11 as part of the effort to overcome the hidden node problem

Another related CSMA-CA weakness is the exposed node (terminal) problem. In Figure3.11b, node E intends to transmit a message to node D while node F is transmitting amessage to node G. Node D is outside the radio influence of node F; therefore, nodeE and node F can concurrently transmit without any collision issue. But CSMA-CA

will prevent node E from transmitting because node E is in the radio influence of nodeF and the CCA performed by node E will consider the channel busy while node F istransmitting. This unnecessary prevention is referred to as the exposed node problem.Changing the location of the nodes, reducing the output power of the nodes to theminimum required for a reliable communication, and using the RTS/CTS handshakemechanism are suggested methods for overcoming the exposed node problem .

MAC ServicesLa capa Mac provee dos tipos de servicios el servicio mac de dat y el servicio mac de management. El

servicio de data mac es accedido por la capa de red o su unida Network Layer Data Entity (NLDE) atraves del MAC Common Part Sublayer SAP (MCPS-SAP). El Mac management service es accesedido

a traves del MLME-SAP.

A full-function device (FFD) must implement the entire MAC data service, but there are somecapabilities in the MAC management service that are optional for FFDs. There are a numberof capabilities in both MAC data and management services that are required for FFDs but areoptional for reduced function devices (RFDs). The optional capabilities (service primitives)for RFDs are marked with a diamond (♦) in the IEEE 802.15.4 standard document [2]. Thecapabilities that are optional for both FFD and RFD are marked with an asterisk.

The MAC Data Service

La capa MAC provee servicio de data a la capa de red, la data que necesita ser transmitida es llevadacomo NPDU, este NPDU esta localizado en la MAC payload, que es llamada MSDU. La capa de redgenera el requeriemiento de data a traves del MCPS-SAP y provee el NPDU.Cada MSDU tiene unnumero unico identificador por si hay distintos en la red

There are three options for data transmission:● Acknowledged or unacknowledged transmission. In an acknowledged

transmission, the transmitting device requests that the data recipient devicesend an acknowledgment frame back if the data is received successfully.In unacknowledged transmission, the data recipient does not send anacknowledgment back. In general, sending an acknowledgment is optional and the

data recipient device does not send an acknowledgment back unless requested todo so by the message sender.● Transmission during GTS or CAP. In a nonbeacon-enabled network, this

transmission option is always CAP because there is no GTS in a nonbeacon-enabled network.

● Direct or indirect transmission. As the name implies, in indirect transmission,the data is not transmitted directly to the recipient device. Instead, in abeacon-enabled network, the data can be stored in a coordinator and the recipientdevice is notified that there is data pending for it in the coordinator. This



notification is part of the beacon message transmitted on a regular basis. Afterreceiving the notification, the device sends a data request to the coordinatorasking for the data to be transmitted to it. Only a coordinator can manage indirecttransmission.

The MAC Management Service

The MAC management service is accessed through the MAC Layer ManagementEntity SAP (MLME-SAP). The MAC commands normally include parameters such as the addressingand security fields and report the result of a request in the form of astatus to the next higher layer. The status can have several options such as SUCCESS orINVALID.

Managing MAC PIBThe MAC layer, similar to the PHY layer, has its ownconstants and attributes. The MAC attributes are stored in the MAC PAN InformationBase (MAC-PIB) and are accessible to the NWK layer.

MAC Reset

The NWK layer can request the MLME to reset the MACsublayer to its initial condition and clear all the internal variables to their default values.This is known as the MAC reset operation. The NWK layer also has the option to requestall the attributes in the MAC-PIB to be reset to their default values. The MAC uses thePHY management service to disable the transceiver before resetting the internal variablesand attributes .

Device Association and DisassociationThe association is the procedure

that a device uses to join a network. The MAC layer provides the association proceduresas a service to the NWK layer. It is the NWK layer that manages the network formation.In most cases, the device must perform a MAC reset before starting the associationprocedure .

• MLME-Associate.request

• MLME-Associate.indication

• MLME-Associate.response

• MLME-Associate.confirm

The association procedure is shown as a sequence chart in Figure 3.12. The MLME-

COMM-STATUS.indication primitive (reviewed in the next section) provides thetransaction status (successful or unsuccessful) to the NWK layer. A device that hassuccessfully joined a network is known as an associated device.

ver figura:



3.3.4.2.5 Enabling and Disabling the Receiver The NWK layer can request theMLME to enable the receiver for a given fixed period of time. The duration that thereceiver will stay on is provided by the NWK layer. The NWK layer also can request toturn off the receiver. These are optional functionalities for both FFDs and RFDs.The enabling and disabling requests are treated as secondary to other MLME

responsibilities. For example, if the MLME has a conflicting responsibility such astransmitting a beacon, the MLME will ignore the NWK layer request of turning on thereceiver. The MLME always informs the NWK layer regarding the result of its request toenable or disable the receiver.

3.3.4.2.6 GTS Management In a beacon-enabled network, there are GTSs that a devicecan use to transmit without using CSMA-CA. The NWK layer of a device can use theMAC management service to request allocation of a new GTS. If the device already has anassigned GTS and does not need it any longer, the MLME can request the PAN coordinatorto deallocate the existing GTS. The NWK layer of the PAN coordinator also can request itsown MLME to deallocate an existing GTS allocated to a device in its network.

The PAN coordinator has the option to accept or deny a GTS request. If the PANcoordinator accepts allocating a GTS, the PAN coordinator will include the GTScharacteristics, such as its length, in the response. The GTS request primitive is MLME-GTS.request and is issued by the NWK layer to the MLME. The MLME communicatesthe result of a GTS request back to its NWK layer using the MLME-GTS.confirmprimitive. In a PAN coordinator, the MLME uses the MLME-GTS.indication primitive toinform its NWK layer whenever the PAN coordinator allocates or deallocates one of theGTSs based on receiving the request from any device in the network. If the NWK layerhas requested the GTS allocation or deallocation, its MLME will notify the NWK layerusing the MLME-GTS.confirm primitive.Figure 3.14 shows the sequence chart for the GTS allocation when initiated by a device.Figure 3.15 is the sequence chart for two different deallocation scenarios. Figure 3.15ais the deallocation procedure, when the device initiates the request. In Figure 3.15b, thePAN coordinator is the initiator.

The deallocation of a GTS can leave an unused gap in the CAP. For example, in Figure3.16, GTS2 is deallocated and time slots 11 to 13 are no longer used by any device. This is known as afragmented superframe. To fix this fragmentation issue and increase theCAP, GTS2 is removed and GTS3 is simply reallocated to the time slots 12 and 13. As aresult of GTS reallocation, the CAP is increased from 9 time slots to 12 time slots.



Updating Superframe Configuration In a beacon-enabled network, theNWK layer can request the MLME to start a superframe structure. The NWK layer provides thenecessary parameters, including but not limited to the length of the activeperiod and how often the beacons must be transmitted.One of the parameters in the superframe configuration is the BLE option (see Figure 3.17).

This option allows the beaconing coordinator to turn off its receiver for a period of timeequal to macBattLifeExtPeriods after transmitting its beacon frame to conserve batteryenergy. This period is in addition to the required IFS period after transmitting any frame .

Orphan Notification A device must be associated with a network to beable to communicate with other devices in the network. A device that was previouslyassociated with a network but has lost its association is considered an orphaned device.

Channel Scanning



Location Estimation Methods

Una de las aplicaciones de las redes inalámbricas de corto alcance es determinar la ubicación físicaaproximada de los objetos en un momento dado. El conocimiento en tiempo real de la ubicación delpersonal, bienes y equipos portátiles puede aumentar la eficiencia de gestión. Estimación de la

ubicación se refiere al proceso de obtención de información sobre la ubicación de un nodo con respectoa un conjunto de posiciones de referencia conocido. La estimación de ubicación también se conocecomo posicionamiento, localización, y geolocationing. El conocimiento de la ubicación de los nodos sepresenta la oportunidad de proporcionar servicios de localización dependiente

Los sistemas de estimación de localización desarrollado utilizando corto alcance de redes inalámbricasse refiere a veces como sistemas de posicionamiento local (LPS) para diferenciarlos de los sistemas deposicionamiento global (GPS). Un dispositivo GPS determina su ubicación mediante el cálculo de ladistancia de tres o más satélites GPS que orbitan alrededor de la Tierra. Cada satélite GPS transmitecontinuamente un mensaje que contiene la localización por satélite y la hora exacta. Este mensaje viajaaproximadamente a la velocidad de la luz en llegar al receptor GPS. El receptor GPS compara la hora

exacta en que se recibió el mensaje con el tiempo se transmitió el mensaje por el satélite para calcularla distancia recorrida. Conocer la distancia a lo menos tres satélites y las posiciones de los satélites, elreceptor calcula su propia posición. El LPS, en cambio, no utilizar la información proporcionada porlos satélites GPS o cualquier otro transmisor de largo alcance. Una LPS utiliza las señales de RFtransmitida por nodos locales con posiciones conocidas o en el nodo móvil en sí para calcular laubicación del nodo móvil con respecto a los lugares conocidos de otros nodos locales

La estimación de ubicación por lo general involucra a dos grupos de nodos. El primer grupo secompone de nodos fijos con lugares conocidos. Estos nodos fijos, a veces se denomina nodos deanclaje, se utilizan como referencias para la estimación de la ubicación. La ubicación de los nodos deanclaje puede ser determinada por el instalador, o los nodos de anclaje pueden ser equipados con GPS

para determinar su propia ubicación. Si el GPS se utiliza como parte de un LPS, el sistema se consideraun híbrido de GPS / LPS sistema de localización

El segundo grupo es de los nodos con lugares desconocidos, conocidos como nodos de seguimiento. Elobjetivo principal de la estimación de la ubicación es para determinar la ubicación de los nodos deseguimiento con la ayuda de los nodos de anclaje. El sistema debe ser capaz de mantener enfuncionamiento incluso si algunos de los nodos de anclaje están desactivados. Esto se conoce como latolerancia a fallos del sistema. Algunos de los algoritmos de localización sólo puede determinar laubicación relativa de los nodos de un seguimiento a otros nodos de seguimiento en lugar de los nodosde anclaje

La idea básica de posicionamiento local se puede resumir de la siguiente manera. Un nodo deseguimiento con lugar desconocido emite una señal que es recibida por los nodos de anclaje vecinos.Los nodos de anclaje medir la intensidad de la señal recibida (RSS), el tiempo de llegada (TOA), o elángulo de llegada (AoA) de la señal recibida. Estos valores de medición se utilizan como insumos paraun algoritmo que determina la ubicación aproximada del nodo de seguimiento. Los algoritmosnormalmente utilizan sólo una de estas tres entradas. La medición de RSS es muy simple y los nodosZigBee son capaces de medir RSS para cada paquete recibido. Determinar el tiempo exacto de llegadarequiere un reloj muy preciso. Encontrar el ángulo de incidencia requiere la modificación de hardwarey puede aumentar el costo



La Figura 7.1 muestra tres escenarios para la estimación de la ubicación. En la figura 7.1a, un solonodo, denominado nodo de ubicación central de procesamiento, se dedica a la ejecución del algoritmode localización de estimación. Todos los demás nodos de la red sólo recopilar la informaciónrelacionada con la ubicación, tales como RSS y enviar al nodo lugar de procesamiento central. Esto seconoce como enfoque de procesamiento centralizado. El nodo de ubicación central de procesamiento

calcula la ubicación aproximada de todos los nodos de un seguimiento y se comunica la ubicacióncalculada de nuevo a cada nodo de seguimiento si se solicita. La ventaja de procesamiento centralizadoes la minimización de las capacidades requeridas (por ejemplo, la potencia de procesamiento y espaciode memoria) de los nodos, excepto el nodo lugar de procesamiento central. Las principales desventajasde este enfoque son la creación de altos niveles de tráfico y la latencia ya que todos los nodos debencomunicarse con un solo nodo para determinar su ubicación. El alto nivel de tráfico puede provocarcuellos de botella en la red y limitar la velocidad de actualización de ubicación. Además, si el siguientesalto routers del nodo lugar de procesamiento central de la batería del relé alimentado, con frecuenciade las solicitudes de localización puede agotar sus baterías rápidamente

Una forma de superar el cuello de botella de tráfico del método de procesamiento centralizado consiste

en dividir la red en secciones y asignar un nodo capaz de ejecutar el algoritmo de localización de cadasección. La figura 7.1b muestra los nodos que se encuentran físicamente en la misma sección paracomunicarse con sus correspondientes nodos de procesamiento de ubicación para determinar suubicación. Un enfoque alternativo, que se muestra en la figura 7.1c, es distribuir la tarea de localizaciónde estimación en casi todos los nodos de la red. De esta manera, no existe ningún nodo lugar deprocesamiento centralizado y cada nodo se determina su ubicación propia sólo para la comunicacióncon los nodos de anclaje cercanos y los ganglios seguimiento potencialmente otros. En un método deprocesamiento totalmente distribuido, todos los nodos deben satisfacer ciertas capacidades deprocesamiento y los requisitos de espacio de memoria. Una de las ventajas del procesamientodistribuido es el tráfico de paquetes relativamente uniforme, lo que hace que sea fácil de ampliar eltamaño de la red

Received Signal Strength-Based Locationing Algorithms

La intensidad de la señal recibida (la energía) se puede medir para cada paquete recibido. La energía dela señal medida está cuantificada para formar el indicador de intensidad de señal recibida (RSSI). ElRSSI y el momento en que se recibió el paquete (timestamp) están disponibles para MAC, NWK, y lascapas de APL para cualquier tipo de análisis. Por ejemplo, la forma más sencilla para generar elindicador de la calidad del enlace (ICT) es el uso de la RSSI como una indicación de la calidad delenlace. El RSSI también puede ser utilizado para desarrollar un método tosco pero sencillo deestimación de la ubicación. Disponibilidad de RSSI significa que un lugar de estimaciónsistema puede ser implementado sin necesidad de ningún hardware adicional para ellos nodos individuales de la red.Hay cuatro parámetros asociados con RSSI: el rango dinámico, precisión, linealidad, yun promedio de período. El rango dinámico RSSI se especifica en dB y se indica el mínimoy el máximo de energía de la señal recibida de que el receptor es capaz de medir. paraejemplo, si el RSSI proporcionada por un receptor tiene un rango dinámico de 92 dB (-88 dBm dea 4 dBm), la energía mínima de la señal del receptor puede medir es -88 dBm. Además, el ϩ

la energía máxima de la señal que el receptor puede informar como RSSI es de 4 dBm. La precisiónRSSI indica el promedio de error asociados a cada medida de fuerza de la señal recibida.El transmisor-receptor típico disponible en el mercado se espera que sea capaz de proporcionar 4 dBϮ

o mejor precisión típica RSSI. La linealidad RSSI indica la desviación máxima de la trama de RSSI de



una línea recta frente a la potencia de la señal real recibida (en escala logarítmica). La intensidad de laseñal recibida se mide durante un período de tiempo y luego para generar un promedio de RSSI. Eltiempo promedio es de ocho períodos de símbolo, que es necesario por IEEE 802.15.4 si el RSSI va aser utilizado para generar ICT.

El método más sencillo para determinar la ubicación de un nodo de seguimiento es para solicitar que el

nodo de seguimiento de transmitir una señal. Entonces, la localización del nodo de referencia quereporta el mayor RSSI se considera la posición estimada del nodo de seguimiento. La ventaja de estemétodo es que se pueden implementar fácilmente en el bajo costo que funciona con pilas nodos conpequeños tamaños de memoria y las capacidades de procesamiento de baja. Sin embargo, la precisiónde la localización-la estimación de este método puede ser inadecuado para muchas aplicaciones. Laúnica manera de mejorar la exactitud de este método es aumentar el número de nodos de anclaje, queno es un enfoque deseado en aplicaciones de bajo costo. La sección siguiente presenta otro sencillométodo basado en RSSI de localización

RSSI-Based Location Estimation Using Trilateration

Estimación basados en la localización de huellas dactilares lugar se lleva a cabo en dos fases. La

primera fase requiere una inspección del lugar (formación en línea) para generar una base de datos delos valores medidos de RSSI de las señales de los nodos de anclaje en ciertos lugares. En la segundafase (la fase en tiempo real), cada nodo de seguimiento es capaz de determinar su propia ubicaciónmediante la comparación de la RSSI en tiempo real medida de las señales recibidas desde los nodos deanclaje con la correspondiente información de RSSI disponible en su base de datos [1] . El conceptobásico de este método se muestra en la Figura 7.3. Los nodos fijos con lugares conocidos estánnumerados del 1 al 9. Estos nodos fijos (nodos de anclaje) se superponen y forman una cobertura dered. Las distancias físicas entre los nodos no son necesariamente iguales. La distancia más corta entredos nodos fijos en una cuadrícula que se conoce como el espaciado de la cuadrícula. Durante la primerafase, el receptor se coloca en cada lugar predeterminado L1 a L6, y el RSSI de las señales recibidasdesde los nodos fijos 1 a 9 se mide y se almacena en una matriz

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