Redes de sensores inalámbricos (WSN)

1. Redes de sensores inalámbricos (WSN) Conjunto de sensores autónomos distribuidos espacialmente para medir variables físicas y/o ambientales como temperatura, sonido presión etc. y pasarlas cooperativamente a una estación principal. Facultad de Ingeniería, UNMDP

2. Aplicaciones • Medicina (monitoreo de variables fisiológicas) • Monitoreo de polución del aire • Detección de incendios forestales • Detección de terremotos • Monitoreo de calidad del agua • Monitoreo de maquinarias industriales Facultad de Ingeniería, UNMDP

3. Red formada por nodos La red está formada por Nodos, cada uno de los cuales cuenta con: • Uno o más sensores • Interface electrónicacon los sensores • Transmisor/receptorde radio • Antena • Microcontrolador • Batería o fuentede energía Facultad de Ingeniería, UNMDP

4. Red formada por nodos Uno de los puntos críticos en el diseño de un nodo es el consumo energético. Teniendo en cuenta que el mayor consumo es debido a la transmisión, la tendencia es procesar la mayor cantidad posible de datos en el mismo nodo para poder transmitir lo menos posible. El nodo se encuentra en modo “sleep” entre transmisiones. Facultad de Ingeniería, UNMDP

5. IEEE 802.15: Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) Subgrupos de trabajo: 1. Bluetooth 2. Coexistencia 3. WPAN de alta velocidad 4. WPAN de baja velocidad 5. Redesmalla 6. BodyArea Network (BAN) 7. Comunicaciones con luz visible Facultad de Ingeniería, UNMDP

6. IEEE 802.15.4 Define capa física y subcapa MAC para WPAN’s de baja velocidad, bajo coste, baja complejidad, bajo consumo y bajo alcance. Facultad de Ingeniería, UNMDP

7. Características — Velocidades: 250 kb/s, 100kb/s, 40 kb/s, y 20 kb/s — Configuraciones estrella o peer-to-peer — Direcciones asignadas de 16-bits o extendidas de 64-bits — Acceso al medio por CSMA-CA — Tramas ACK para confiabilidad de transferencia — Bajoconsumo — 48 canales en la banda de 2450 MHz, 30 en la de 915 MHz, y 3 en la de 868 MHz Facultad de Ingeniería, UNMDP

8. Tipos de nodos • FFD (dispositivo de funcionalidad completa) • Dialogan entre ellos o con dispositivos RFD • Modo coordinador de red • Modo coordinador (puede retransmitir) • Modo dispositivo • RFD(dispositivo de funcionalidad reducida) • Sólo dialoga con dispositivos FFD Al menos un FFD como coordinador de red Facultad de Ingeniería, UNMDP

9. Topologías Facultad de Ingeniería, UNMDP

10. Clustertree Ventajas: Autoorganizable Autoreparable Multiples rutas Mayor alcance Facultad de Ingeniería, UNMDP

11. Características Tres tipos de transmisión de datos: Utilización de Beacons Facultad de Ingeniería, UNMDP • Hacia un coordinador • Desde un coordinador • Entre pares • Habilitada • Deshabilitada

12. Hacia un coordinador Red con beaconshabilitadas Red sin beacons Facultad de Ingeniería, UNMDP

13. Desde un coordinador Red con beaconshabilitadas Red sin beacons Facultad de Ingeniería, UNMDP

14. Entre pares • Comunicación asincrónica Los dispositivos escuchan constantemente y transmiten mediante CSMA/CA sin ranurado • Comunicación sincrónica La comunicación sincrónica no está cubierta por el protocolo y debe ser implementada en capas superiores Facultad de Ingeniería, UNMDP

15. Capa Física • Frecuencias soportadas: • 868 MHz (Europe) • 915 MHz (North America) • 2400 MHz (worldwide) Facultad de Ingeniería, UNMDP

16. Canales La primera versión del standard definía 32 canales codificados en un número de 32bits. La inclusión de nuevas bandas de frecuencia creó la necesidad de más canales por lo que se cambió la codificación. Los primeros 5 bits definen 32 Páginas de canal, cada una de las cuales cuenta con 27 canales, representados por los 27 bits restantes. Ej página 2, canal 4: |00010|000000000000000000000010000 Las páginas de canal de la 3 a la 31 quedan reservadas. Facultad de Ingeniería, UNMDP

17. Canales Facultad de Ingeniería, UNMDP

18. PPDU (Unidad de datos de Protocolo de Capa Física) • La PDU de capa física consta de: • Encabezado de sincronización (SHR) • Preambulo • Comienzo de trama (SFD) • Encabezado de capa Física (PHR) • Campo longitud • Bit reservado • SDU de capa Física (PSDU) Facultad de Ingeniería, UNMDP

19. Características de radio • La potencia de transmisión debe ser de al menos -3dBm • Energydetection (ED): El dispositivo debe ser capaz de medir la potencia promedio en cada canal, durante un tiempo de 8 símbolos. Ésta informacion puede ser requerida por capas superiores para la selección del canal a utilizar. • Link qualityindicator (LQI): Indicador de la calidad del enlace, calculado utilizando el ED y una estimación de la relación señal/ruido. Facultad de Ingeniería, UNMDP

20. Subcapa MAC • Tareas: • Generar beacons si el dispositivo es coordinador • Sincronizar dispositivo con beacons del coordinador • Soportar asociación/desasosiacion a la red • Emplear CSMA/CA para acceder al medio • Manejar el mecanismo GTS • Proveer un vínculo confiable entre pares MAC Facultad de Ingeniería, UNMDP

21. Tipos de Tramas • Beacons: detectar la presencia de una red y sincronizarla • Datos: transportar datos de capas superiores • ACK: confirmar la correcta transmisión de una trama • Comandos MAC: manejar las funciones de las subcapas MAC pares Facultad de Ingeniería, UNMDP

22. Tabla de Comandos MAC Facultad de Ingeniería, UNMDP

23. Ejemplo: Estructura de una trama de datos Campos: Frame control: Contiene tipo de trama, tipo de direcciones y otras banderas de control. Sequencenumber: Número de secuencia para corresponder un ACK con su respectiva trama. Direcciones: Incluye direcciones de dispositivo y de red, fuente y destino. Auxiliarysecurity header: Contiene banderas utilizadas por capas superiores para establecer mecanismos de seguridad. Checksum

24. Acceso al medio: CSMA/CA • Si se usan beacons: CSMA/CA ranurado Si al intentar transmitir, el medio se encuentra ocupado, el dispositivo difiere un número aleatorio de ranuras de tiempo, según un mecanismo de backoff exponencial. Éstas ranuras se sincronizan con las beacons del coordinador. • Si no se usan beacons: CSMA/CA no ranurado Si al intentar transmitir, el medio se encuentra ocupado, el dispositivo difiere durante un tiempo aleatorio. En este caso no debe esperarse un beacon del coordinador para iniciar el backoff. Facultad de Ingeniería, UNMDP

25. Acceso al medio: estructura Superframe El período entre dos beacons se denomina Superframe. Consta de una parte activa, en la que se realizan las comunicaciones, y una inactiva en la que el coordinador duerme. Facultad de Ingeniería, UNMDP

26. Acceso al medio: estructura Superframe • Período activo: • CAP (Contention Access Period): En este período los dispositivos se comunican normalmente utilizando CSMA/CA ranurado. • CFP (Contention Free Period): Luego del CAP se pueden asignar hasta 7 ranuras para dispositivos específicos. En este período cada dispositivo transmitirá (o recibirá) durante la ranura que se le ha asignado y no deberá competir por el medio. Éstas ranuras se denominan GTS (Guaranteed Time Slot). Facultad de Ingeniería, UNMDP

27. ZigBee Facultad de Ingeniería, UNMDP

28. Especificación Conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wirelesspersonal areanetwork,WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Su uso principal está destinado a la domótica. Facultad de Ingeniería, UNMDP

29. Características • Bajo consumo • Baja tasa de datos • De 40 Kbps a 250 Kbps • Bajo costo • Fácil integración Facultad de Ingeniería, UNMDP

30. Características • Banda de frecuencia ISM(868 MHz en Europa, 915 en Estados Unidos y 2,4 GHz en resto del mundo ) • 16 canales en el rango de 2,4 GHz, AB de 5 MHz • Se utiliza DSSS • Se utiliza BPSK y QPSK • Rangos de transmisión entre 10 y 75 metros • Potencia de salida 0dBm(1 mW) Facultad de Ingeniería, UNMDP

31. Capas La capa física y la capa MAC son las definidas en 802.15.4 ZigBee agrega dos capas de alto nivel: • Capa de red • Capa de aplicaciones Facultad de Ingeniería, UNMDP

32. Capas Facultad de Ingeniería, UNMDP

33. Capa de Red Se encarga de: • Correcto uso de MAC • Interfaz para C.A. • Configura nuevos dispositivos • Nuevas redes • Ruteo Facultad de Ingeniería, UNMDP

34. Capa de Red Trama de capa de red: Campo de control: Facultad de Ingeniería, UNMDP

35. Capa de Aplicaciones Esta compuesta por: • Subcapa de soporte a la aplicación (APS) • Objetos de dispositivos ZB (ZDO) • Objetos de aplicación Facultad de Ingeniería, UNMDP

36. Capa de aplicaciones APS: • Mantiene tablas para enlazar dos dispositivos • Reenvía mensajes • Mapeo de direcciones de IEEE (64 bits) a direcciones de red (16 bits) • Fragmentación , ensamble, y transporte de datos Facultad de Ingeniería, UNMDP

37. Capa de aplicaciones ZDO: • Define el tipo de dispositivo dentro de la red • Descubre disp. y redes y determina que servicios les provee • Inicia/responde solicitudes de vínculos • Establece conexión segura Facultad de Ingeniería, UNMDP

38. Dispositivos Coordinador (ZC): Se encarga de controlar la red y los caminos que siguen los otros dispositivos para conectarse entre ellos Facultad de Ingeniería, UNMDP

39. Dispositivos Router(ZR): Interconecta dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario Facultad de Ingeniería, UNMDP

40. Dispositivos Dispositivo Final (ZED): Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre, pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. Facultad de Ingeniería, UNMDP

41. Dispositivos Según funcionalidad: • De funcionalidad completa(FFD) • De funcionalidad reducida(RFD) Facultad de Ingeniería, UNMDP

42. Comunicación • Red formada por nodos • Utiliza los servicios APS • C.A. sigue diseño clásico Facultad de Ingeniería, UNMDP

43. Comunicación Servicios utilizables por los objetos de aplicación: • El servicio de pares-clave-valor (key-valuepair, KPV) se utiliza para realizar la configuración, definiendo, solicitando o modificando valores de atributos de objetos por medio de una interfaz simple. • El servicio de mensajes está diseñado para ofrecer una aproximación general al tratamiento de información, sin necesidad de adaptar protocolos de aplicación y buscando evitar la sobrecarga que presenta KPV. Facultad de Ingeniería, UNMDP

44. Comunicación Dentro de un dispositivo puede haber hasta 240 objetos, con números entre 1 y 240. 0 se reserva para el interfaz de datos de ZDO y 255 para broadcast; el rango 241-254 se reserva para usos futuros Facultad de Ingeniería, UNMDP

45. Comunicación Descubrimiento de dispositivos: Se utiliza protocolo de aplicación compartido (formarto, tipo de mje., etc.) Estos se guardan en perfiles. Hay 2 maneras de descubrir dispositivos: • Conociendo dirección de red (Unicast) • Conociendo dirección IEEE (Broadcast) Facultad de Ingeniería, UNMDP

46. Topología de Red • Estrella: El coordinador se sitúa en el centro • Árbol: El coordinador es la raíz del árbol • Malla: Al menos uno de los nodos tendrá dos conexiones Facultad de Ingeniería, UNMDP

47. Seguridad La seguridad está basada en claves de 128 bits. Estas nunca se deben transportar usando un canal inseguro, salvo en el momento que un dispositivo no configurado se une a la red. Se apoya en el marco definido por IEEE 802.15.4 Todos los datos de las tramas del nivel de red deben de estar cifrados. Facultad de Ingeniería, UNMDP

48. Seguridad Se utiliza el modelo de confianza abierta: no hay tarea de separación criptográfica. Cualquier aplicación puede acceder a las demás capas. Debido a esto hay confianza entre las capas y aplicaciones dentro de un dispositivo. Facultad de Ingeniería, UNMDP

50. Especificación Es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz. Fue estandarizada en la IEEE 802.15.1 Fue diseñado especialmente para dispositivos de bajo consumo, que requieren corto alcance de emisión y basados en transceptores de bajo costo. Cada dispositivo posee una MAC propia de 48 bits. Facultad de Ingeniería, UNMDP