Nodi Wireless. Wireless USB. Nodi Wireless

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1 Nodi Wireless Wireless USB Dopo un avvio non proprio felice, lo standard di fatto per l interconnessione delle periferiche al PC è ormai divenuto USB, è quindi sempre più forte l esigenza di una sua versione wireless, esigenza che si è appunto risolta con Wireless USB (WUSB), marchio depositato da Cypress Semiconductor, destinato ad applicazioni a basso profilo per la gestione di dispositivi quali mouse e tastiere. Dal punto di vista del protocollo, WUSB non è attualmente parte d alcuno standard ufficiale ed è quindi a tutti gli effetti un sistema proprietario. Il livello fisico opera al solito nella banda ISM a 2.4 GHz utilizzando una modulazione di tipo DSSS con chip di lunghezza pari a 64 bit (massimo bit rate ottenibile: 16 kbit/s) o 32 bit (massimo bit rate ottenibile: 62.5 kbit/s). L accesso al canale avviene con una tecnica mista basata su multiplazione a divisione di codice e di frequenza, permettendo quindi la gestione di un numero molto elevato di dispositivi nella stessa area. L intera banda disponibile è stata suddivisa in 79 differenti canali, mentre sono disponibili 49 e 9 gold code (una particolare famiglia delle sequenze PN, Pseudo Noise) a seconda della lunghezza della sequenza stessa; tali codici sono programmabili dall utente, scelti tra i canali disponibili. Ipotizzando l etere ad esclusiva disposizione di sistemi WUSB, è possibile avere fino a: 79 * 49 = 3871 coppie di dispositivi che parlano tra loro simultaneamente. Ovviamente il protocollo deve stabilire una politica per l allocazione di canali e codici. 1

2 Tendenzialmente WUSB non implementa reti ma connessioni punto a punto (come USB). Qualora si voglia realizzare una rete, deve essere sviluppato un protocollo per l identificazione degli oggetti WUSB. Nelle possibili topologie di rete descritte nel capitolo 1, il ruolo di coordinatore è affidato ad un nodo denominato bridge, poiché funge anche da elemento di connessione verso un eventuale rete USB; ad esso fanno riferimento i device. All accensione i dispositivi devono essere in grado di autoconfigurare la rete, in particolare il bridge deve comunicare ad ogni nuovo device la particolare sequenza PN impiegata ed eventualmente il sottoinsieme di canali utilizzabili, mentre il device si deve far riconoscere. Durante tale fase quindi tutti i moduli in gioco devono accordarsi sull uso dello stesso canale, che deve garantire un sufficiente rapporto segnale rumore: tale scelta è effettuata dal bridge stesso, che invia degli opportuni pacchetti di test broadcast allo scopo di saggiare il rumore di fondo e l eventuale presenza di un altro bridge (fase di ping ); successivamente il bridge resta nell attesa di comunicazione da parte dei device, ai quali risponde comunicando il PN da impiegare (fase di bind ) per poi passare alla normale fase operativa. Nel caso di device sensore la misura viene inoltrata appena disponibile quindi il device attende per l acknowledge (ACK); nel caso di device attuatore il device inoltra un messaggio nullo (null-packet) al quale il bridge risponde con ACK e dati. In caso di mancanza d ACK il dispositivo entra nella fase di reconnect nella quale continua a cambiare canale alla ricerca del bridge. Nel complesso WUSB, grazie anche ai suoi costi contenuti potrebbe essere una buona soluzione per la realizzazione di semplici reti di sensori e attuatori; purtroppo il grande limite sembra da ricercarsi nell attuale mancanza di un protocollo standard che permetta l interoperabilità tra i costruttori. Su questa scena si affaccia ora un altro protocollo, ZigBee, destinato a comunicazioni su distanze tipiche di Wi-Fi ma con velocità di trasmissione e consumi entrambi inferiori a quelli tipici di Bluetooth; e con il vantaggio di non essere una tecnologia proprietaria. 2

3 ZigBee Prende il nome dal singolare modo di volare zigzagando delle api ed è considerato, con l enfasi che sempre circonda l avvento delle tecnologie dal grande potenziale la prossima vera rivoluzione nel wireless. Le caratteristiche che portano gli osservatori a parlarne in modo entusiastico sono la stabilita dei network creati, determinata dal fatto che la velocità di trasmissione è piuttosto bassa (250 kbit al secondo), e il bassissimo consumo energetico. Un aspetto questo esemplificato dal fatto che in media possono bastare un paio di normalissime batterie alcaline per alimentare due anni di standby di un dispositivo ZigBee. Nella pratica l utilizzo di uno standard con le caratteristiche può configurarsi sia in campo industriale sia in quello domestico. Nel primo caso è evidente che si apre la possibilità di costruire reti a basso costo e consumo energetico che permettano il costante monitoraggio e controllo di apparecchiature e macchinari; ma anche nel secondo caso, il consumer, ed in particolare nel campo dell automazione domestica vi sono grandi opportunità. Questo standard permette l interconnessione tra loro di dispositivi tra i quali videocitofoni, condizionatori d aria, televisori, i sistemi d allarme, il lettore DVD, il circuito del sistema d accensione delle lampadine di casa, ma soprattutto con l utilizzatore che potrà a quel punto comandarli a distanza. Lo standard ZigBee è stato creato dalla Motorola, appoggiandosi sull IEEE ; in seguito fu fondata la ZigBee Alliance, un associazione no profit composta da Motorola, Philips, Samsung, Freescale, Honeywell ed altri illustri componenti del settore delle nuove tecnologie, il cui scopo principale è quello di implementare uno standard in grado di realizzare reti stabili caratterizzate da un basso consumo, un implementazione dello stack d estrema semplicità ma tutto questo a discapito di un bit rate relativamente basso. Come tutti i membri della famiglia IEEE 802, esso si preoccupa di definire solamente i primi due livelli corrispondenti nel modello ISO/OSI al fisico ed al datalink, come si può notare in Figura 1. 3

4 Anche in questo caso la banda adottata è l ISM, coprendo un totale di 27 canali: i dispositivi ZigBee possono operare nelle tre bande libere (Figura2): MHz: questa banda libera è utilizzabile nella maggior parte dei paesi europei con un ritmo di trasmissione di 20 Kbit/s MHz: una grossa porzione di questa banda libera è utilizzabile in Australia, Nuova Zelanda e nella maggior parte dei paesi del continente americano e presenta un ritmo di comunicazione di 40 Kbit/s MHz: questa banda è utilizzabile nella quasi totalità del globo, con un bit rate massimo di 250 Kbit/s. Modello iso/osi Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Livello di rete Livello dati Livello fisico Semplificazione Modello iso/osi Applicazioni utente Profilo applicazioni Livello rete Livello dati Livello fisico IEEE Applicazioni utente Logical link control(mac) Media access control(mac) Livello fisico(phy) Figura1: Modelli a confronto 4

5 Lo standard IEEE definisce un totale di 27 canali numerati dallo zero al ventisei; un solo canale è allocato nella banda 868 MHz, dieci canali sono allocati nella banda 915 MHz ed i restanti sedici canali risiedono nella banda 2.4 GHz. Figura 2: Banda di frequenza e data rate Come facilmente intuibile dalle caratteristiche delle tre bande disponibili, larghezza di banda, il numero di paesi in cui è utilizzabile, il bit rate e il numero di canali a disposizione, la scelta principale è la banda libera attorno ai 2.4 GHz. Tuttavia questa è una banda molto trafficata, dato che la quasi totalità dei dispositivi wireless, partendo dagli utilizzi medici e arrivando agli impieghi della vita quotidiana, funziona nell intorno di suddetta frequenza. Proprio per la tipologia dei servizi concessi, ZigBee è particolarmente indicato per tutti gli utilizzi che non richiedono grandi velocità di trasferimento dati, al massimo 250 kbit/s: trova quindi impiego in tutti gli applicativi riguardanti, la domotica, il monitoraggio d impianti industriali, sensori posizionati su alberi rotanti, insomma in tutte le applicazioni che richiedono bassi consumi e bassi bit rate. Nella tabella 1 sono presentate le specifiche tipiche di bit rate e latenze di messaggi nei vari settori in cui il wireless può essere impiegato. Settore Massimo data rate richiesto Latenza massima Elettronica di consumo 3 Kbit/s 16.7 ms Periferiche PC Kbit/s 16.7 ms Domotica 10 Kbit/s 100 ms 5

6 Diagnostica 10 Kbit/s 30 ms Giocattoli Kbit/s ms Tabella 1: Requisiti tipici nei vari settori I benefici di una connessione wireless a basso costo, semplice e di basso consumo quale ZigBee, portano ad avere numerosi benefici nelle più svariate applicazioni che vanno dalla domotica (Figura 4) all ambito industriale, includendo anche applicazioni mediche, nel controllo e nella automazione. Nel settore industriale (Figura 3), il posizionamento di sensori in punti in cui non è possibile arrivare con reti cablate: parti meccaniche in rotazione o all interno di ambienti sigillati; trova in questa tecnologia wireless una sicura e semplice soluzione. Figura 3: Possibili applicazioni in ambito industriale Un altro campo di applicazione riguarda la domotica, infatti l ambito della home automation è in continuo e crescente sviluppo. 6

7 Figura 4: Possibili applicazioni nell ambito della domotica I prodotti Zigbee applicati alla domotica possono riguardare la home automation con le più svariate applicazioni: luci comandate da dispositivi wireless, sistemi di sicurezza quali antifurti o rivelatori di fumo o gas, porte e finestre automatizzate, termostati e altri sensori o automatismi. Altri campi applicativi possono trarre beneficio dalla tecnologia ZigBee: il fitness e il campo medico con applicazioni wireless nel posizionamento di sensori per il monitoraggio cardiaco o sensori di pressione e temperatura. Le applicazioni alle quali questo standard si rivolge vertono sul monitoraggio di dati non critici, dove lunghi tempi di latenza sono accettabili. Il monitoring in applicazioni industriali, in generale non ha bisogno di alti datathroughput o di costanti aggiornamenti nelle misure, ma di uno standard che ponga l enfasi su bassi consumi che massimizzino il tempo di vita delle batterie. Un esempio di applicazioni possibili riguardanti il campo dell automotive per sensori con dati non critici è il monitoraggio della pressione dei pneumatici; ad ogni ruota è aggiunto un sensore posto all interno del cerchione che può portare dati riguardanti pressione e temperatura, questo sarebbe impossibile da realizzare utilizzando tecnologie cablate o con standard wireless che non offrano un lungo 7

8 tempo di vita per le batterie, che evidentemente non possono essere sostituite; il tutto a fronte di costi non incisivi. I dati forniti non devono essere continuamente inviati in condizioni di non allarme e la quantità di dati trasmessi è relativamente bassa. Un altra sfida riguarda l agricoltura di precisione, con questo paradigma si intendono tutti quegli applicativi che stanno con forza entrando nel campo dell agricoltura e dell allevamento, l automatizzazione in questo campo ha sempre più bisogno di macchine intelligenti che possano da sole prendere decisioni a fronte però di dati rilevati da fitte reti di sensori. Le rilevazioni riguardando le misure di ph, temperature,umidità, quantità di pioggia caduta, pressione atmosferica, concentrazioni di nitrati nel terreno, vengono quindi inviate ad un unità centrale che le traduca in operazioni volte al miglioramento della qualità del prodotto e all ottimizzazione della quantità prodotta e dare un potenziale aiuto alla rilevazione di potenziali situazioni che possono portare a problemi. Queste tecnologie non possono mancare in applicazioni riguardanti la home application e le potenziali reti includono l inserimento di televisioni, videoregistratori, pc e periferiche, ma anche giochi e applicazioni che includono il monitoraggio, il controllo e la sicurezza domestica, l illuminotecnica e i sistemi di condizionamento; ogn uno di questi sistemi ha dei gruppi di interesse nell utilizzo di soluzioni wireless con basso costo e basso data rate. Topologia di rete Un sistema conforme all IEEE è composto da diversi componenti. Un dispositivo può essere un Reduced Function Device (RFD) o un Full Function Device (FFD). I dispositivi FFD hanno al loro interno il livello MAC con il set completo delle primitive di rete che permette loro di operare come coordinatori della rete, mentre gli RFD contengono una versione del MAC ridotta, che consente solo la realizzazione di dispositivi di rete. 8

9 Lo standard IEEE permette la formazione di due topologie di rete. La prima topologia è la rete a stella ed è formata attorno ad un FFD che funziona come coordinatore principale, fulcro delle connessioni con dispositivi sia FFD sia RFD. La seconda tipologia di rete permette collegamenti punto a punto senza il diretto coinvolgimento di un coordinatore per ogni sottorete, anche se un coordinatore della rete PAN è in ogni caso prevista. Ogni dispositivo è in grado di realizzare un collegamento con altri dispositivi adiacenti, portando alla formazione di reti complesse (vedi Figura 5). Una topologia di rete supportabile dallo standard IEEE è la Cluster-Tree, che può essere interpretata come un architettura gerarchica ad albero, nella quale tutti i dispositivi sono collegati tra loro tramite il minor numero possibile di connessioni. Peer to Peer Stella PAN Coordinator Full Function Device Reduced Function Device Figura 5: Tipologie di rete In questa architettura i dispositivi che gestiscono i collegamenti di rete devono essere degli FFD, mentre i dispositivi RFD possono solo operare come utilizzatori. In Figura 6 è riportata una rappresentazione di un architettura Cluster-Tree; come si può notare è formata da sottoreti (cluster) che vengono ad interagire fra loro creando una macrostruttura. 9

10 PAN Coordinator Full Function Device Reduced Function Device Figura 6: Architettura di una rete Cluster-tree In questa topologia, da notare che lo scambio di dati fra i vari cluster viene eseguito da cluster head (dispositivi FFD); non potranno avvenire connessioni fra due RFD facenti parte di cluster diversi. In ogni struttura cluster tree, esiste comunque un unico PAN coordinator. Formazione di rete La formazione della rete è gestita dal livello rete dello stack ISO/OSI che non fa parte di questo standard, dato che il protocollo IEEE definisce solo gli ultimi due livelli dello stack; tuttavia è fornita una breve visione su come ogni tipologia d architettura possa essere formata. Formazione della rete a stella La struttura base di una star network precedentemente vista nella Figura 5. Al momento dell attivazione i dispositivi FFD si pongono nella modalità di funzionamento come coordinatori, iniziando una scansione tra i canali in cerca di altri dispositivi, sia che quest ultimi siano FFD che RFD; a questo punto ogni 10

11 dispositivo FFD attivato potrebbe creare una propria rete e diventare il coordinatore PAN. Tutte le star networks lavorano indipendentemente da tutte le altre star presenti nell area; in ultimo viene scelto il coordinatore PAN tra i dispositivi FFD, dando priorità ai dispositivi FFD che non siano coordinatori delle reti a stella. Formazione della rete punto a punto Nella rete peer to peer ogni dispositivo è in grado di comunicare con qualsiasi altro dispositivo nel raggio d azione. Un dispositivo potrà essere nominato come coordinatore PAN, per esempio, in virtù di essere stato il primo dispositivo a comunicare sul canale, oppure in base alle strutture di rete preimpostate nei dispositivi FFD, che potrebbero imporre restrizioni tipologiche sulla formazione della rete stessa. Struttura pacchetti Struttura del Superframe Lo standard IEEE permette l uso opzionale della struttura di un superframe. Il formato del superframe è definito dal coordinatore della rete PAN ed è contenuto tra due messaggi di beacon spediti da quest ultimo ad intervalli regolari e programmabili (vedere Figura 7). Questi beacon contengono informazioni che possono essere usate per il sincronismo dei dispositivi, per l identificazione della rete, per descrivere la struttura dei superframe e per fornire la periodicità dei beacon stessi. Il superframe è diviso in 16 slot di uguale grandezza, dove il beacon frame è trasmesso nel primo slot d ogni superframe. Ogni dispositivo che intende comunicare con il coordinatore della PAN deve attendere la ricezione di due beacon frame successivi, che gli permettono la sincronizzazione col coordinatore stesso. Questo periodo d attesa è chiamato Contention Access Period (CAP). 11

12 Frame Beacons Figura 7: Struttura del superframe senza GTS Una prerogativa di questa struttura a superframe è che il coordinatore può assegnare porzioni di tempo a specifici dispositivi che ne abbiano fatto richiesta. Questa assegnazione di slot del superframe, chiamata Guaranteed Time Slot (GTS), offre la possibilità a dispositivi di garantirsi un tempo prefissato di comunicazione col coordinatore PAN, riducendo cosi le collisioni tra più dispositivi che vogliano comunicare. Queste collisioni, sono in ogni caso gestite dal Carrier Sense Multiple Access (CSMA-CA), di cui ogni dispositivo è provvisto, che permette di rilevare sul canale se ci sono altri dispositivi che stanno comunicando. Gli slot di tempo riservati ai dispositivi occupano la parte finale del superframe, che prende il nome di Contention-Free Period (CFP), posizionata consecutiva al CAP. Una struttura del superframe con GTS è raffigurata in Figura 8. Frame Beacons Figura 8: Struttura del superframe con GTS 12

13 Trasferimento Dati Il trasferimento dati può essere di tre tipologie: la prima è il trasferimento dati da parte di un dispositivo al coordinatore, la seconda transizione è il trasferimento dati dal coordinatore ad un dispositivo e la terza è il trasferimento dati tra due dispositivi. Nella rete a stella solo due di queste transizioni possono essere usate perché i dati verrebbero scambiati solo tra coordinatore e dispositivi, mentre in una rete punto a punto i dati possono essere scambiati tra qualsiasi dispositivo facente parte della rete stessa; di conseguenza in questa tipologia di rete tutte le transazioni possono essere effettuate. Il meccanismo per ogni tipo di trasferimento dati, dipende dall abilitazione o meno dei beacon all interno della rete stessa. Una rete gestita con l abilitazione dei beacon è usata per supportare dispositivi che richiedono tempistiche a bassa latenza, come le periferiche di un PC, mentre se la rete non ha bisogno di supportare dispositivi con specifiche particolarmente stringenti, si può scegliere di non usare i beacon per il normale trasferimento di dati. Tuttavia la presenza dei beacon è sempre richiesta per l associazione della rete. Trasferimento di dati da un dispositivo al coordinatore Questa tipologia di trasferimento dati si ha nel caso ci sia un dispositivo che debba comunicare dei dati al coordinatore della rete PAN. Nel caso la rete sia beacon abilitata per il trasferimento dati, appena il dispositivo rileva il beacon spedito dal coordinatore si sincronizza con il superframe e spedisce i suoi dati negli istanti appropriati dettati dal superframe stesso. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da parte del dispositivo, invia un pacchetto (opzionale) di riconoscimento (ACK), concludendo la trasmissione. Questa sequenza è riassunta in Figura 9. 13

14 Figura 9: Comunicazione al coordinatore in una rete beacon abilitata Nel caso si fosse in una rete non beacon abilitata, il dispositivo attraverso il CSMA- CA ascolta il canale ed appena lo trova libero spedisce i suoi dati al coordinatore. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da parte del dispositivo, invia un pacchetto (opzionale) di riconoscimento (ACK), concludendo la trasmissione. Quest altra sequenza è riassunta in Figura 10. Figura 10: Comunicazione al coordinatore in una rete non beacon abilitata Trasferimento dati dal coordinatore al dispositivo Questa tipologia di trasferimento dati si ha nel caso il coordinatore della rete PAN debba comunicare dei dati ad un dispositivo. Nel caso la rete sia beacon abilitata per il trasferimento dati, appena il dispositivo rileva il beacon spedito dal coordinatore si sincronizza con il superframe e spedisce un pacchetto di richiesta dati negli istanti 14

15 appropriati dettati dal superframe stesso. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il data request, invia un pacchetto di riconoscimento della richiesta dati e subito dopo i dati che doveva spedire. A questo punto il dispositivo, una volta ricevuti sia l ACK che i dati, spedisce a sua volta un ACK al coordinatore, chiudendo la trasmissione. Questa sequenza di comunicazione è rappresentata in Figura 11. Figura 11: Comunicazione dal coordinatore in una rete beacon abilitata Nel caso si fosse in una rete non beacon abilitata, il dispositivo attraverso il CSMA- CA ascolta il canale ed appena lo trova libero spedisce un data request al coordinatore. Il coordinatore PAN, una volta ricevuto il pacchetto da parte del dispositivo, invia un pacchetto di riconoscimento (ACK) subito seguito dai dati che doveva trasferire. A questo punto il dispositivo, una volta ricevuti sia l ACK che i dati, spedisce a sua volta un ACK al coordinatore, chiudendo la trasmissione. Questa sequenza di comunicazione è rappresentata in Figura

16 Figura 12: Comunicazione dal coordinatore in una rete non beacon abilitata Trasferimento dati in una rete punto a punto In una rete punto a punto i dispositivi possono comunicare con tutti gli altri dispositivi nel raggio d azione della comunicazione wireless. In questa tipologia di rete i dispositivi possono comunicare senza nessuna temporizzazione utilizzando CSMA-CA nel caso delle reti più semplici, altrimenti è richiesta la gestione di un gettone (token) per garantire a tutti i dispositivi il tempo necessario per la comunicazione. Struttura dei Frame ZigBee Le strutture dei frame sono state realizzate per minimizzare la complessità ed ottenere una sufficiente robustezza delle trasmissioni all interno di canali rumorosi. Lo standard IEEE definisce quattro tipi di strutture di frame: - Il beacon frame: usato dal coordinatore della rete PAN per trasmettere i menzionati beacon - Il data frame: usato per tutti i trasferimento di dati - Acknowledgment frame: usato per dar conferma d avvenuta ricezione di un pacchetto 16

17 - MAC frame: utilizzato per portare istruzioni sulle particolari configurazioni del MAC dei dispositivi Beacon Frame I beacon frame sono generati dai livelli MAC e PHY del coordinatore della rete PAN e vengono spediti solo nel caso si sia in una rete beacon abilitata. In Figura 13 è rappresentata la struttura di un beacon frame, dove si possono notare i campi generati dal livello fisico, quali: preambolo, delimitatore del frame e lunghezza del frame stesso ed i campi generati dal livello MAC del coordinatore di rete. I campi del livello MAC sono di fondamentale importanza nelle reti beacon abilitate perché portano informazioni sui parametri della struttura del superframe, sui campi d indirizzamento e sulle tempistiche dei beacon stessi. Il MAC Service Data Unit (MSDU) contiene le specifiche del superframe, attesa di specifiche d indirizzo, lista d indirizzi e i campi di messaggio utile ed è situato tra il MAC Header (MHR) e il MAC Footer (MFR). Il MHR contiene i campi di controllo del MAC stesso, tra cui il numero di sequenza del beacon (BSN) e i campi d informazioni sull indirizzamento, mentre l MFR contiene i sedici bit della sequenza di check (frame check sequence FCS). Il MHR (MAC header) assieme al MSDU (MAC service data unit) e al MFR (MAC footer) compongono il MAC beacon frame (MPDU). 17

18 Figura 13: Struttura di un beacon frame L MPDU viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU), il quale viene anticipato dall header di sincronizzazione (SHR), composto dalla sequenza di preambolo e dai delimitatori di inizio-fine struttura, quindi dall intestazione del livello fisico (PHR), contenente la lunghezza del PSDU espressa in base otto. La sequenza di preambolo serve al ricevitore per potersi sincronizzare col trasmettitore prima che inizi la vera e propria trasmissione. L insieme dei campi PSDU, PHR e SHR formano il pacchetto beacon visto al livello fisico (PPDU) prima di essere spedito all interno del canale di comunicazione. Data Frame Il data frame è impiegato per la trasmissione di dati tra dispositivi dello stesso network e a differenza del beacon frame, può essere generato da ogni tipo di dispositivo, sia RFD che FFD. Il campo data viene passato al MAC dai livelli superiori e inserito nel MAC Service Data Unit (MSDU), situato tra il MHR e il MFR. Il MAC header (MHR) è composto a sua volta da altri tre campi: il campo di controllo del frame, il campo contenente il numero seriale del pacchetto e il campo 18

19 contenente informazioni d indirizzamento; mentre il MAC Footer (MFR) contiene i sedici bit della sequenza di chech (frame check sequence FCS). Il MAC header (MHR) assieme al MAC service data unit (MSDU) e al MAC footer (MFR) compongono il MAC data frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU). Il PSDU assieme al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame e al SHR, contenente la sequenza di preambolo e i delimitatori della struttura, compongono il pacchetto dati visto al livello fisico (PPDU). In Figura 14 è riportata la struttura di un data frame. Figura 14: Struttura del data frame Acknowledgment frame Il pacchetto di ACK è generato da tutti i dispositivi della rete ZigBee e contiene al suo interno informazioni riguardanti l avvenuta ricezione di pacchetti. Il pacchetto di ACK generato dal livello MAC è composto da due blocchi, il MHR e il MFR. Il MAC header contiene informazioni sul controllo del frame e il numero seriale dell ACK, mentre il MAC footer contiene i sedici bit della sequenza di chech (frame check sequence FCS). L unione di tutti questi campi costituisce il MAC acknowledgment frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU); in Figura 15 sono mostrati in dettaglio questi campi. 19

20 Figura 15: Struttura dell'ack frame Il PSDU assieme al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame ed al SHR, contenente la sequenza di preambolo ed i delimitatori della struttura, compongono il pacchetto ack visto al livello fisico (PPDU). MAC command frame In Figura 16 è mostrata la struttura del MAC command frame generata dal livello MAC del coordinatore. Il pacchetto MSDU è composto da due blocchi, il command type e il command payload; il primo contiene informazioni sulla tipologia del comando da eseguire, mentre il secondo contiene le specifiche da eseguire. Il blocco MAC service data unit (MSDU), assieme al MAC header (MHR) e al MAC footer (MFR) formano il MAC command frame (MPDU), il quale viene passato al livello fisico attraverso il PHY Service Data Unit (PSDU). Il PSDU assieme al PHR, campo che contenente la lunghezza del frame, e al SHR, contenente la sequenza di preambolo, compongono il pacchetto command visto al livello fisico (PPDU). 20

21 Figura 16: Struttura del MAC command frame Livello Fisico Il livello fisico fornisce l interfaccia tra il canale di trasmissione e il livello MAC dello standard e deve fornire le seguenti funzioni: Attivazione e disattivazione del transceiver Rilevazione dell energia nel canale in uso (Energy Detection ED) Rilevamento della qualità del collegamento (Link Quality LQ) Fornire tutti i servizi svolti alla realizzazione del CSMA-CA La selezione della frequenza di comunicazione Trasmissione e ricezione di dati Architettura del PHY Il livello fisico concettualmente include un unità di comando generalmente chiamata il PHY Layer Management Entity (PLME), che provvede a realizzare la vera interfaccia, attraverso le primitive concesse, con il livello MAC, generando e mantenendo le strutture dati necessarie per tale servizio (PAN information Base PIB). In Figura 17 è rappresentato uno schematico descrivente i componenti e le interfacce del livello fisico. 21

22 Figura 17: Struttura del livello fisico Il livello PHY fornisce due servizi accessibili da due punti (Service Access Point SAP): Il PHY Data Service accessibile attraverso il PHY Data SAP (PD-SAP) Il PHY management service accessibile attraverso il PLME-SAP Il livello fisico fornisce l interfaccia, per quanto riguarda le comunicazioni con il canale a radio frequenza, attraverso il RF-SAP, e attraverso PD-SAP e PLME-SAP per quanto riguarda lo scambio di dati col livello MAC. Primitive fornite dal livello fisico Le primitive fornite dal PHY Data service (PD) sono: PD-DATA.Request: questa primitiva permette il trasferimento di dati dal livello MAC al livello PHY ed è generata dal livello che richiede il trasferimento di dati PD-DATA.Confirm: conferma la fine della trasmissione dei dati tra i due livelli e può essere generata da uno dei due livelli MAC o PHY in risposta ad una richiesta di trasferimento dati PD-DATA.Indication: questa primitiva è generata dal livello PHY o dal livello MAC a seconda che si voglia trasmettere o ricevere il PSDU. Questa primitiva non viene generata se il 22

23 campo della lunghezza è zero oppure se la lunghezza è superiore alla massima consentita. Le primitive fornite dal PHY Management Service (PLME) sono: PLME-CCA o Request: questa primitiva permette la richiesta della misura dell energia del canale attraverso i tre modi possibili concessi dal Clear Channel Assessment (CCA) - Modo 1: calcolo dell energia totale del canale tramite ED - Modo 2: rilevamento di una portante all interno del canale in uso senza il calcolo dell energia di tale portante - Modo 3: rilevamento di una portante all interno del canale in uso e calcolo dell energia di tale portante Questa primitiva è generata ogni qualvolta l algoritmo di CSMA- CA richiede l assegnazione di un canale o Confirm: riporta il risultato a seguito di una richiesta di CCA e può ritornare lo stato di BUSY o IDLE indicanti l insuccesso o il successo dell operazione, oppure può ritornare un errore di codice attraverso TRX_OFF o TX_ON PLME-ED o Request: questa primitiva permette ad un dispositivo di calcolare l energia all interno di un canale attraverso ED o Confirm: questa primitiva riporta il risultato della misura dell energia ed è generata in risposta ad una richiesta di energia PLME-GET o Request: questa primitiva riporta informazioni riguardo ad un dato attributo del PHY PIB o Confirm: questa primitiva riporta il risultato a seguito di una richiesta PLMR-GET.Confirm PLME-SET-TRX-STATE 23

24 o Request: è la richiesta di cambiamento di stato del transceiver fra TRX_OFF (transceiver disabilitato), TX_ON (trasmissione abilitata) e RX_ON (ricezione abilitata) o Confirm: riporta il risultato della richiesta di cambiamento di funzionamento interno del transceiver ed è generata al termine di ogni operazione di cambio funzionamento PLME-SET o Request: permette la scrittura del valore e dell attributo indicati nel PHY PIB o Confirm: risponde il risultato di una richiesta di SET ed è generata dal PLME in risposta ad una richiesta di SET per il livello superiore Bande di trasmissione e ritmo di dati Nell intorno dei 2.4 GHz, lo standard definisce 16 canali da 5MHz, all interno dei quali si ha una larghezza di banda di 2 MHz ciascuno; in Figura 18 è riporta una rappresentazione di tale banda. Figura 18: Canali dello standard a 2.4 GHz Le frequenze centrali dei canali possono essere calcolate utilizzando una semplice formula: Fc = ( k 11) dove Fc è espressa in MHz e k=11,12,,26 24

25 nel caso della banda a 2.4 GHz, mentre nel caso delle altre due bande a 868 e 915 MHz si ha: Fc = 868,3 con k=0; Fc = ( k 1) con k=1,2,.,10 dove Fc è espressa in MHz. Modulazione Lo standard IEEE definisce tre differenti data rate definiti in altrettante bande: le due bande a basso trasferimento di dati, 868/915 MHz, usano una modulazione BPSK, mentre la banda 2.4 GHz che può arrivare ad un data rate di 250 Kbit/s utilizza una modulazione O-QPSK. Modulazione a 2.4 GHz La modulazione impiegata a 2.4 GHz è una Offset Quadrature Phase Shift Keying (O-QPSK), in altre parole una modulazione 16-ary quasi-orthogonal che utilizza una particolare sequenza pseudo-casuale di 32-chip per rappresentare quattro bit, realizzando cosi uno spreading del segnale (DSSS). La trasmissione della sequenza pseudo-casuale di 32 chip è permessa solo ad ogni quarto di tale sequenza. I simboli da 0-7 rappresentano lo shift ciclico in multipli di quattro chips, mentre i simboli 8-15 usano il coniugato della sequenza usata dai simboli da 0-7. Il livello fisico dello standard IEEE definisce un ritmo di simboli di 62.5 Ksimboli/s dove ogni simbolo rappresenta quattro bit, per un ritmo di bit di 250 Kbit/s. Uno schema della modulazione a 2.4 GHz è rappresentato in Figura

26 Dati binari dal PPDU Convertitore da bit a simboli Convertitore da simbolo a Chip Modulatore O-QPSK Segnale RF Figura 19: Modulazione 2.5 GHz e spreading La sequenza di dati binari provenienti dal PHY Protocol Data Unit (PPDU) è convertita in simboli, dove per ogni byte, i quattro bit meno significativi (b0, b1, b2, b3) rappresentano il primo simbolo mentre i bit più significativi (b4, b5, b6, b7) rappresentano il secondo simbolo che sarà mappato anch esso con (b0, b1, b2, b3) e spedito di seguito al primo simbolo al blocco che converte i simboli in 32-chip. Questo blocco di conversione, da simbolo a chip, esegue lo spreading del segnale rimappando i simboli composti da sequenze di quattro bit in sequenze di lunghezza di 32 bit, utilizzando una ciclica rotazione di una sequenza pseudo-casuale anch essa di 32 bit. Tipicamente quest elaborazione digitale avviene compiendo un operazione di or esclusivo tra il codice binario dei simboli e la sequenza pseudocasuale. In Figura 20 è mostrata una possibile mappatura dei possibili sedici simboli in 32 chip. La sequenza pseudo-casuale utilizzata nella conversione della tabella in Figura 20 è facilmente ricavabile da alcune casistiche di conversione rappresentate nella tabella stessa: per esempio se nella conversione venisse adottata una semplice funzione di or tra il codice binario del simbolo e la sequenza pseudo-casuale, quest ultima sarebbe semplicemente la conversione del simbolo 0, ovvero la sequenza La sequenza pseudo-casuale di 32 chip in ingresso del blocco modulatore è divisa in due sottosequenze ortogonali e sfasate di mezzo periodo di chip tra loro dal modulatore O-QPSK. Queste due sequenze di 16 chip ciascuna, prendono il nome di: I per la sequenza in fase che conterrà i chip di indice pari e Q per la sequenza in quadratura che conterrà i chip di indice dispari (Figura 21). 26

27 Figura 20: Mappatura di simboli in chip Figura 21: O-QPSK chip offset Inizialmente, nella stesura dello standard , furono considerate per l elaborazione dei due segnali I è Q due distinte sequenze pseudo-casuali a 32 chip, ma un elaborazione dei due segnali con un unica sequenza pseudo-casuale consente l utilizzo di un unico correlatore condiviso tra i due segnali, riducendo cosi la complessità dei dispositivi. È per questo motivo che lo standard IEEE

28 prevede un unica sequenza pseudo-casuale di 32 chip per entrambe le componenti, in fase I e in quadratura Q. Le sequenze di chip rappresentanti ogni possibile simbolo vengono modulate attorno alla portante utilizzando una O-QPSK con un impulso a forma di mezzo seno. I chip con indice pari sono modulati nell intorno della portante in fase (I), mentre i chip con indice dispari sono modulati attorno alla portante in quadratura (Q), per un chip rate totale di 2 Mchip/s. Per formare lo sfasamento tra la portante I-phase e Q-phase, la componente Q-phase è ritardata di un tempo Tc, dove: 1 Tc = ( ChipRate) = 1 2MHz = 0,5μs L impulso utilizzato per rappresentare ogni chip di una qualsiasi sequenza in banda base segue l equazione: ed una possibile rappresentazione in banda base di una sequenza pseudo-casuale di chip, modulata con un impulso a forma di mezzo seno è mostrata in Figura 22. Figura 22: Modulazione con impulso a mezzo seno in banda base Modulazione 868/915 MHz 28

29 La modulazione nelle bande di 868 è 915 MHz utilizza un Binary Phase Shift Keying (BPSK) con Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) con una sequenza di 15 chip. Il livello fisico dello standard IEEE definisce un ritmo di simboli di 20 Ksimboli/s per la banda a 868 MHz e un ritmo di simbolo di 40 ksimboli/s per la banda a 915 MHz, dove ogni simbolo rappresenta un bit, per un ritmo di bit di 20 kbit/s nel primo caso e di 40 kbit/s nel secondo. Uno schema della modulazione in tali bande è rappresentato in Figura 23. Dati binari dal PPDU Encoder differenziale Convertitore da bit a Chip Modulatore BPSK Segnale RF Figura 23: Modulazione e spreading nelle bande 868/915 MHz La sequenza di dati binari provenienti dal PHY Protocol Data Unit (PPDU) entra a bit a bit nel blocco encoder, il quale svolge un addizione modulo 2 (or esclusivo) tra i bit in ingresso ed il risultato della precedente elaborazione. Questa funzione può essere rappresentata dalla seguente equazione: E n = Rn En 1 dove Rn è il bit in ingresso allo stadio di encoder differenziale, En- è il risultato dell operazione precedente ed En è il risultato dell operazione riferito all indice n; nel caso del primo bit R viene preso Eо=0. Di conseguenza la funzione inversa per la cifratura dei dati ricevuti sarà: R n = En En 1 che consente di recuperare i bit di partenza. Anche per questo caso, per recuperare in primo bit R, viene assegnato Eо=0. 29

30 La successione En in uscita dal blocco encoder viene mappata attraverso una sequenza pseudo-casuale di 15 chip all interno del blocco di conversione da bit a chip. Questo blocco di conversione esegue lo spreading del segnale rimappando i simboli composti da un bit in sequenze di lunghezza di 15 bit, utilizzando una ciclica rotazione di una sequenza pseudo-casuale anch essa di 15 bit. Tipicamente quest elaborazione digitale avviene compiendo un operazione di or esclusivo tra il codice binario En in ingresso e la sequenza pseudo-casuale. In Figura 24 è mostrata una possibile mappatura dei possibili due simboli in 15 chip. Figura 24: Mappatura da simboli a chip La sequenza di chip è a questo punto modulata attorno ad una portante usando una Binary Phase Shift Keying (BPSK) utilizzando un impulso a coseno rialzato con fattore di rolloff α = 1. Il chip rate ottenuto nei due casi è: di 300 kchip/s nel caso della banda attorno ai 868 MHz e di 600 kchip/s nella banda attorno ai 915 MHz. L impulso a coseno rialzato con fattore di rolloff α = 1, usato per rappresentare i chip in banda base è descritto dalla seguente equazione: dove Tc rappresenta l inverso del chip rate. 30

31 Livello MAC Il livello MAC fornisce l interfaccia tra il livello fisico e gli applicativi dei livelli superiori, quali possono essere un applicazione oppure il livello di rete in un architettura simile a quella dello stack ISO/OSI. I principali servizi che deve fornire sono: Generazione dei beacon se il dispositivo è un coordinatore della rete PAN La sincronizzazione del superframe nel caso sia un dispositivo RFD o FFD Permettere l associazione e la dissociazione dal coordinatore di PAN Supportare la sicurezza delle comunicazioni Implementare il CSMA-CA per l assegnazione dei canali Creazione e mantenimento del meccanismo GTS Provvedere alla realizzazione del collegamento tra due dispositivi Architettura del MAC Il livello MAC concettualmente include il MAC Sublayer Management Entity (MLME), che provvede a realizzare la vera interfaccia con il livello superiore, generando e mantenendo le strutture dati necessarie per tale servizio. Il livello MAC fornisce due servizi accessibili da due punti (Service Access Point SAP) (Figura 25): Il MAC Data Service accessibile attraverso il MAC common part sublayer (MCPS) data SAP (MCPS-SAP) Il MAC management service accessibile attraverso il MLME-SAP Questi due servizi forniscono l interfaccia tra il MAC e il Service Specific Convergence Sublayer (SSCS), mentre per quanto riguarda l interfaccia tra il MAC 31

32 e il livello fisico, questa è fornita dal PHY Layer Data Service Access Point (PD- SAP) e il PHY Layer Management Entity Service access point (PLME-SAP). Figura 25: Architettura del livello MAC Primitive fornite dal livello MAC Le funzioni concesse dal MAC data service sono: MCPS-DATA.Request: richiede il trasferimento dati al SPDU dal SSCS ed è generata dal SSCS quando i dati in SPDU sono pronti per essere trasferiti. MCPS-DATA.Confirm: è la risposta ad una richiesta di trasferimento dati dal SSCS al SPDU ed è generata dal livello MAC MCPS-DATA.Indication: indica un trasferimento di dati dal SSCS al SPDU ed è anch essa generata dal livello MAC MCPS-PURGE.Request: questa primitiva è la richiesta da parte di un nuovo livello superiore di comunicare con il MAC dalla coda di transizione (opzionale nei dispositivi RFD) 32

33 MCPS-PURGE.Confirm: è la conferma al nuovo livello superiore riguardo alla comunicazione con il MAC ed è generata dal MAC stesso (opzionale nei dispositivi RFD) Le primitive fornite dal MAC Management Service (MLME) sono: MLME-ASSOCIATE o Request: permette ad un dispositivo non associato di richiedere l associazione ad un coordinatore PAN ed è generata dal livello superiore o Indication: questa primitiva è usata per indicare la ricezione di una richiesta d associazione ed è generata dal MLME del coordinatore per indicare al livello superiore del coordinatore stesso tale richiesta (opzionale nei dispositivi RFD) o Response: permette di dare una risposta ad una precedente richiesta d associazione ed è generata dal livello superiore del coordinatore per il suo MLME (opzionale nei dispositivi RFD) o Confirm: è utilizzata per informare il livello superiore se la richiesta d associazione ha avuto o no successo MLME-DISASSOCIATE o Request: è utilizzata da un dispositivo associato che intende uscire dalla rete, oppure dal coordinatore per far uscire dalla sua rete un dispositivo o Indication: questa primitiva è usata per indicare una richiesta di disassociazione dalla rete PAN ed è generata dal MLME per il livello superiore o Confirm: è utilizzata per informare il livello superiore se la richiesta di disassociazione ha avuto o no successo MLME-BEACON-NOTIFY.Indication: questa primitiva è usata per spedire i parametri contenuti in un beacon ricevuto dal livello MAC al livello superiore. Questa primitiva permette inoltre di spedire la misura del Link Quality (LQ) e il valore temporale nel quale il beacon è stato ricevuto 33

34 MLME-GET o Request: richiede informazioni riguardo il PAN Information Base (PIB) ed è generata dal livello superiore nei confronti del MLME o Confirm: questa primitiva restituisce i parametri come conseguenza ad una richiesta d invio di suddetti parametri MLME-GTS (opzionale nei dispositivi RFD) o Request: questa primitiva permette ai dispositivi di richiedere al coordinatore di allocare un nuovo GTS o di disallocarne uno già esistente ed è generata dal livello superiore d ogni dispositivo o Indication: questa primitiva indica se la richiesta d allocazione o disallocazione del GTS ha avuto successo o Confirm: riporta il risultato di una richiesta d allocazione o disallocazione del GTS ed è generata dal MLME e mandata al livello superiore MLME-ORPHAN (opzionale nei dispositivi RFD) o Indication: permette al MLME del coordinatore della rete di informare il livello superiore della presenza di un dispositivo orfano o Response: permette al livello superiore di dare una risposta riguardo un indicazione di dispositivo orfano MLME-RESET o Request: permette al livello superiore di fornire una richiesta di reset, utile per l inizializzazione del dispositivo o Confirm: riporta il risultato di una precedente richiesta di reset ed è generato dal MLME e diretto al livello superiore MLME-RX-ENABLE o Request: permette al livello superiore di abilitare il ricevitore per un periodo finito di tempo o Confirm: riporta l esito della richiesta d abilitazione del ricevitore ed è generata dal MLME MLME-SCAN 34

35 o Request: questa primitiva permette la scansione di una lista di canali, il dispositivo attraverso questa primitiva può effettuare una scansione d energia nei canali o Confirm: riporta l esito della richiesta di scansione ed è generata dal MLME MLME-COMM-STATUS.Indication: questa primitiva permette al MLME di indicare lo stato della comunicazione ed è generato dal MAC per dare un responso nel caso si sia ricevuto un pacchetto contenete un errore MLME-SET o Request: permette la scrittura del valore e dell attributo indicati nel MAC PIB ed è generata del livello superiore o Confirm: risponde il risultato di una richiesta di SET ed è generata dal MLME in risposta ad una richiesta di SET per il livello superiore MLME-START (opzionale nei dispositivi RFD) o Request: questa primitiva esegue una richiesta di un dispositivo di usare la nuova struttura del superframe ed è generata dal livello superiore per MLME o Confirm: restituisce semplicemente la conferma dell utilizzo del nuovo superframe MLME-SYNC.Request: permette la sincronizzazione di un dispositivo con il coordinatore della rete PAN nel caso di una rete beacon abilitata ed è generata dal livello superiore dei dispositivi MLME-SYNC-LOSS.Indication: indica l avvenuta perdita del sincronismo col coordinatore ed è spedita dal MLME al livello superiore MLME-POLL o Request: sollecita il dispositivo ad eseguire una richiesta dati al coordinatore ed è generata dal livello superiore o Confirm: riporta il risultato della precedente richiesta di POLL 35