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Lo Standard IEEE 802.15.4

Nell’ambito delle comunicazioni wireless e più precisamente nelle wireless a corto raggio è stato definito dall’IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) uno standard chiamato 802.15.4.
Questo standard è pensato per comunicazioni wireless di basso costo, bassa velocità e basso consumo energetico. E’ adatto a reti WPAN (Wireless Personal Area Network) a basso bit rate ( quantità di informazione trasferita nell’unità di tempo) costituite da dispositivi alimentati tramite batterie che non possono essere sostituite frequentemente, come ad esempio i sensori.


Le sue principali caratteristiche sono:

– la capacità di coprire un raggio di azione di poche decine di metri offrendo fino ad un bitrate massimo di 250 Kbps.
– offrire una bassa potenza in trasmissione con basso consumo energetico.
– permettere ai livelli superiori la presenza di livelli di rete che possono effettuare routing.
– Infine offrire la possibilità di utilizzare ACK e quindi di poter effettuare ritrasmissioni dei dati in caso di mancata ricezione o di errori di trasmissione.

Lo standard 802.15.4 definisce il livello 1 (livello fisico) e il livello 2 (livello MAC).
I dispositivi utilizzanti dalle specifiche IEEE 802.15.4, possono avere due diverse modalità:
Reduced Function Device (RFD) e Full Function Device (FFD).
FFD ha funzioni da coordinatore, può funzionare con qualsiasi tipologia di rete e si fa carico delle connessioni con gli altri dispositivi.
L’RFD è utilizzato unicamente nelle tipologie a stella, non può diventare coordinatore della rete e può colloquiare solamente con esso.
La possibilità offerta dal protocollo ai dispositivi, di poter creare un collegamento con altri dispositivi adiacenti, dà la possibilità di poter costruire reti di grandi dimensione e molto complesse, passando da strutture a stella a strutture formate da cluster di dispositivi.

Livello fisico
I servizi, che il livello fisico offre, intervengono sull’accensione e sullo spegnimento del modulo radio, questa opzione permette al sistema risparmio d’energia ed effettua inoltre la scelta del canale di comunicazione migliore, calcolando una stima sull’occupazione del canale e del rapporto segnale/rumore SNR, diminuendo così la probabilità di errori in trasmissione.
Infine modula e demodula i segnali in ricezione e in trasmissione.
Il livello fisico opera nella Banda ISM utilizzando tre possibili bande libere:

• 868-868.6 Mhz: banda utilizzata nella maggior parte dei paesi europei con un bitrate di 20kbps               disponendo di un solo canale;
• 902-928 Mhz : banda utilizzata nel continente oceanico e nel continente americano, offrendo un   data-rate di 40Kbps e 10 canali disponibili;
• 2400-2483.5 : banda utilizzabile in quasi tutto il globo con un data-rate massimo di 250 Kbps e 16          canali a disposizione.

La modulazione del segnale più diffusa è il DSSS utilizzando le tecniche BPSK o QPSK, anche se recentemente sono state introdotte nuove modulazioni come la PSSS.
Il datagram a livello fisico, come mostrato, è formato da una serie di campi:
all’inizio si trova il preambolo, formato da 32 bit, con finalità di sincronizzazione tra i nodi.
Successivamente viene utilizzato un ottetto (11100101) prefissato che funziona da indicatore di inizio pacchetto. Segue un campo physical header che indica la lunghezza del payload (Phisical Service Data Units) che può avere una lunghezza massima di 127 bytes.

Livello MAC
Il secondo livello (MAC) offre servizi quali la possibilità di creare una rete PAN, la trasmissione dei beacon e l’accesso al canale tramite il protocollo CSMA/CA.
Questo livello supporta algoritmi di cifratura basata su AES-128 per la sicurezza dei dati, gestisce inoltre l’handshake cioè gli Acknowledge per la ritrasmissione dei dati in caso di mancata o erronea ricezione di questi ultimi.
Infine calcola e verifica l’integrità della PDU (Protocol Data Unit, l’unità di informazione scambiata tra due entità).

Inoltre può supportare reti fino ad un massimo di 65536 nodi utilizzando un indirizzamento fino a 16 bit.
Il livello MAC prevede una struttura chiamata superframe. Questa frame è costruita dal coordinatore della rete ed è contenuta tra due messaggi chiamati beacon.
I beacon contengono informazioni che possono essere utilizzate per la sincronizzazione dei dispositivi, per l’identificazione della rete, per descrivere la struttura della superframe e la periodicità della loro spedizione.
La superframe è divisa in 16 slot temporali di uguale grandezza, dove il beacon frame è trasmesso nel primo e nell’ultimo slot di ognuna.
Si possono avere due tipi di superframe:

– senza GTS (Guaranteed Time Slot);
– con GTS.

Quando viene inviata una superframe senza GTS, l’accesso al canale è regolarizzato dal protocollo
CSMA/CA dove ogni dispositivo deve competere con gli altri per assicurarsi l’accesso
ad uno slot.
Questo periodo è chiamato CAP (Contention Access Period).

In altri tipi di applicazioni, invece, si necessita di costruire reti tali da garantire a tutti i nodi di poter trasmettere. E’ il caso di superframe con GTS, la quale dedica fino ad un massimo di sette slot temporali, detti CFP (Contention-FreePeriod), a determinati nodi.
In questo periodo possono comunicare solamente i nodi prestabiliti e l’accesso al canale non è più CSMA/CA .

Modalità di trasferimento
La trasmissione dei dati può avvenire in tre modi differenti a seconda di chi spedisce i dati.
La prima modalità si riferisce al trasferimento dati dal nodo al coordinatore, la seconda da coordinatore a nodo e la terza tra due nodi.
Le prime due modalità possono essere utilizzate in tipologia di reti a stella, mentre per le reti mesh possono essere utilizzate tutte e tre le modalità.

E’ possibile utilizzare due meccanismi differenti per la trasmissione dei dati:
–         Trasmissioni basate sui beacon: Beacon-Enable
–         Trasmissione senza l’utilizzo di beacon: Beacon-Disable

Con una rete beacon-enabled, quando un nodo deve trasferire i dati ad un coordinatore, ascolta il beacon e si sincronizza alla superframe.
Il nodo trasmette il relativo pacchetto al coordinatore il quale, opzionalmente dopo aver ricevuto i dati, trasmette un pacchetto di conferma dell’avvenuta ricezione al dispositivo (ACK).
In una rete beacon-disable, quando un dispositivo desidera trasferire dei dati al coordinatore, trasmette semplicemente utilizzando il protocollo di accesso al canale CSMA/CA.
Anche in questo caso il coordinatore dopo la ricezione dei dati trasmette un ACK opzionale.
La comunicazione diventa più articolata quando è il coordinatore che necessita di comunicare con un nodo.
Se la rete è beacon-enabled, il coordinatore indica nel beacon la necessità di trasferire dati ad un dispositivo, il quale risponde attraverso una PDU chiamata MAC command.
La MAC command ha il significato di conferma all’invio dei dati.
Il coordinatore, dopo aver ricevuto la MAC command, spedisce in successione una PDU ACK di conferma e successivamente i dati.
Il nodo a trasferimento completato invia un ACK.
Se la rete è beacon-disabled, il trasferimento dati da coordinatore a nodo avviene allo stesso modo con la sola differenza che il coordinatore memorizza i dati finché non è il nodo stesso a stabilire la connessione.
In questa modalità si ricorda che ogni accesso è fatto attraverso il CSMA/CA.

Tipi di frame a livello MAC
I tipi di frame definiti dall’IEEE 802.15.4 sono di quattro tipi:

•   Beacon Frame. Sono utilizzati per delimitare una superframe e per coordinare la sincronizzazione tra nodo e coordinatore.
•   Data Frame. Questa frame ha un payload massimo di 104 byte. Il suo compito principale è la trasmissione dei dati ma fornisce altri servizi come assicurarsi di una tracciatura dei pacchetti e di eseguire controlli sull’integrità della PDU.
•   ACK Frame. Il compito dell’ACK frame è quello di fornire un feedback attivo dal ricevitore della corretta ricezione di un pacchetto.
•   MAC Command Frame. Essa consente meccanismi per il controllo e la configurazione dei vari nodi come visto per le comunicazioni tra coordinatore e nodo.

Lo Standard IEEE 802.15.4a
Lo standard 802.15.4a è l’evoluzione dello standard 802.15.4.
La differenza sta nella composizione del livello fisico che può avere due diverse modalità:

– la prima chiamata Chirp Spread Spectrum (CSS), la quale offre un data-rate massimo di 2 Mbps e più robustezza alle interferenze.
– la seconda è basata su Ultra Wide Band (UWB). Quest’ultima tecnologia è sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l’utilizzo di impulsi in radiofrequenza con durata estremamente ridotta. Offre la possibilità di avere un data-rate massimo di 10 Mbps, ma con un raggio d’azione molto basso inferiore ai 10 metri.

Entrambe le modalità non sono compatibili con lo standard 802.15.4.

Continua a leggere WMSN: Wireless Multimedia Sensor Network

Coautore: Giovanni Greco


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con le dita sempre in costante, frenetico movimento sulla tastiera… vengo spesso trascinato e catturato “in rete” per colpa delle mille idee che mi girano per la testa (prima o poi troverò quella giusta)… dal futuro incerto (nonostante una laurea, e chi non lo è?..siamo in tanti!) .. credo fortemente nella condivisione della conoscenza!
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