Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE[pic 1]

CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA

Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

Disciplina: TEEE – Instrumentação Inteligente

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PROTOCOLO IEEE 802.15.4

        Aluno: Daniel Gomes De Mello Farias

        Professor: José Sérgio da Rocha Neto

Campina Grande

 2016

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DANIEL GOMES DE MELLO FARIAS

PROTOCOLO IEEE 802.15.4

Trabalho Final de Pós-Graduação como requisito final da disciplina TEEE – Instrumentação Inteligente.

Professor: José Sérgio da Rocha Neto

Campina Grande

2016

CONTEÚDO

1. Introdução as Redes Sem Fio .......................................................................4

1. Padrão 802.15.4         ...........................................................................................5

1. Camada PHY (física)....................................................................................6

1. Frequências de Utilização (ISM)        .................................................6
2. Modulações BPSK e QPSK        ...........................................................7
3. Serviços da Camada Física         ...........................................................8
4. Estrutura do Quadro da Camada Física        ......................................8
5. Interferência com Frequências Similares        ......................................9

1. Camada MAC (transferência de dados) ....................................................13

1. Padrão ZigBee .................………………......................................................……16

1. Estrutura da Rede (FFD e RFD) ...............................................................16
2. Topologia da Rede ....................................................................................17

1. Comparativo entre Protocolos sem Fio ...........................................................18

1. Conclusão        ....................................................................................................20

1. INTRODUÇÃO AS REDES DE SENSORES SEM FIO

A comunicação sem fio surgiu no século XIX com Marconi enviando informações através de um telégrafo entre duas cidades na Inglaterra, afastadas por 50Km.

As Redes de Sensores sem Fio (RSSF) estão sendo objeto de estudo desde a 2ª Guerra Mundial devido a sua grande quantidade de aplicação. Este tipo de rede é formada por nós sensores que se comunicam entre si sem a utilização de fios. Ela é utilizada para monitoramento, alterações, acionamento, controle e/ou processamento de dados.

Nos últimos anos, com o avanço tecnológico, surgiu a possibilidade de criar as redes de sensores sem fio (RSSF). Esta tecnologia “geralmente compreende um grande número de nós sensores de pequenas proporções e com capacidade de processar dados e transmiti-los através de enlaces de radiofrequência” (SAUSEN, 2008, p. 12-13).

Geralmente, as RSSF são utilizadas em locais de difícil acesso, onde é quase impossível a manutenção da rede no espaço onde se encontra. Essas redes possuem diversas áreas de aplicações, tais como: militar, industrial, aviação, ambiental, engenharia, dentre outras.

As Redes de Sensores sem Fio “são formadas por elementos de rede chamados de nós sensores, que são dispositivos compactos compostos de sensores, processador, rádio, memória e bateria” (MACEDO, 2006, p. 1).

Uma RSSF consiste no número de nós da rede e no ambiente de instalação. Geralmente, uma RSSF possui uma ou mais nós para receberem os dados, que são chamados de estações-bases, e outros nós sensores que são os dispositivos finais. Os nós estação-base são de maior poder computacional e sem restrição energética, são eles que recebem os dados dos demais. Enquanto que os nós dispositivos finais são os que apenas coletam, e transmitem os dados para os demais (RODRIGUES, 2011).

Com os avanços tecnológicos, as RSSF se desenvolveram bastante e, atualmente, existem diversas aplicações para elas, de um simples monitoramento de temperatura de um ambiente a aplicações no ramo da medicina para monitoramento de pacientes.

2. Padrão 802.15.4

O IEEE (Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica) é uma organização profissional, que tem como objetivo promover o desenvolvimento tecnológico em benefício da sociedade através de palestras, atividades, publicações que auxiliam nas padronizações de diversas tecnologias relacionadas. Uma dessas normas é a WPAN (Wireless Personal Area Network) 802.15.4 que é alvo desses trabalho.

A norma 802.15.4 define prevê a ligação entre dispositivos sem a utilização de fios a umas distância de até 300 metros. O padrão existe para garantir as especificações de redes pessoais com baixo custo, baixa potência e baixa taxa de dados.

A Norma IEEE 802.15.4 fornece especificações sobre a camada física e camada de acesso ao meio para redes sem fios de débito baixo e consumo reduzido. Na Figura 1 pode-se verificar as subcamadas definidas pelos protocolos de redes sem fio, onde é possível observar a camada física (PHY) e Media Access Control (MAC) pertencente ao IEEE 802.15.4.

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Figura 1 – Wireless Network Protocol. Fonte: EATON, Embedded Systems & Communications

2.1 CAMADA PHY (FÍSICA)

A camada física segue o protocolo 802.15.4 sendo responsável por permitir a transmissão das PDUs (Protocol Data Units), que são as unidades de dados. Esta transmissão é efetuada com base em ondas rádio.

O padrão 802.15.4 especifica as seguintes características para a camada física:

• Existência de 3 bandas de frequência contidas em 27 canais (1ª Versão da Norma IEEE 802.15.4).
• Define as modulações distribuídas nas 3 bandas de frequência.
• Possibilidade de configurar diversos níveis de segurança.
• Permite o endereçamento automático dos dispositivos.
• Possibilidade de confirmação de mensagens por intermédio de uma trama do tipo beacon.
• Acesso ao meio efetuado pelo método CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance).

2.1.1 FREQUÊNCIAS DE UTILIZAÇÃO (ISM)

        O IEEE 802.15.4 trabalha sobre as bandas de frequências denominadas como ISM (Industrial Scientific Medicine) de 868MHz (Europa), 915MHz (EUA) e 2.4GHz (mundialmente), 950 MHz (Japão) e 780 MHz (China) que não precisa de ser licenciada. Na banda de 868MHz existe só um canal, e este embora permita apenas débitos binários até aos 20 Kbps, devido à sua baixa frequência, é o que sofre menos perdas de atenuação, permitindo oferecer uma maior área de cobertura.

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