Prezentacja programu PowerPoint
Transkrypt
Prezentacja programu PowerPoint
ZIGBEE - PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ DLA SYSTEMÓW PRZEMYSŁOWYCH Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska ZigBee zig-zag taniec pszczół Obszary zastosowań 01-2015 Zygmunt Kubiak 2 Obszary zastosowań Hipoteza o "języku tańca" pszczół została wysunięta przez Karla Rittera von Frischa 1947 roku. Pszczeli tancerz przekazuje "mową ciała" innym pszczołom z ula konkretną, zakodowaną wiadomość, opisującą kierunek i odległość od ula do nowego źródła pożywienia. Von Frisch twierdził, że pszczoły wykorzystują ten komunikat, aby dotrzeć do opisanych zasobów żywności. Odkrycie to przyniosło naukowcowi Nagrodę Nobla (1973 rok razem z Nikolaas Tinbergen i Konrad Lorenz). 01-2015 Zygmunt Kubiak 3 Obszary zastosowań 01-2015 Zygmunt Kubiak 4 Obszary zastosowań Obszary zastosowań rozwiazań IEEE 802.15.4/ZigBee; oznaczenia: AMR (ang. Automatic Meter Reading) – automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating, Ventilation and Air Conditioning) - klimatyzacja 01-2015 Zygmunt Kubiak 5 Obszary zastosowań To co wyróżnia rozwiązania ZigBee wśród innych sieci bezprzewodowych to następujące parametry: bardzo niski pobór mocy (baterie starczają od 6 miesięcy do kilku lat); urządzenie ZigBee ma tylko dwa tryby pracy: albo jest active (nadawanie/odbieranie) albo sleep; w przypadku Bluetooth występuje wiele różnych trybów co zdecydowanie utrudnia optymalizację poboru mocy; niski koszt urządzeń, instalacji i eksploatacji; możliwa duża gęstość węzłów sieci; prosty protokół i łatwa implementacja; stos kodu protokołu jest szacowany na około ¼ w stosunku np. do Bluetooth; niezawodny transfer danych; wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji. 01-2015 Zygmunt Kubiak 6 IEEE 802.15 Bluetooth 01-2015 UWB UWB Zygmunt Kubiak Zigbee ZigBee 7 Historia Proposals Proposal ZigBee Alliance formed Initial MRD RSI/TRD v0.2 to IEEE ZigBee IEEE 802.15.4 PAR Proposals 1998 01-2015 1999 2000 2001 Zygmunt Kubiak Reviews Stand. Complete 2002 8 Dokumenty 01-2015 Zygmunt Kubiak 9 Stos protokołów ZigBee Alliance APLIKACJA Użytkownik STOS ZIGBEE ZigBee Alliance KRZEM 01-2015 IEEE IEEE 802.15.4 802.15.4 Zygmunt Kubiak Ponad 150 firm Definiuje górne warstwy stosu protokołów: styk warstwy sieciowej z aplikacją, zadania warstwy sieciowej, bezpieczeństwo transmisji Definiuje dolne warstwy stosu protokołów: warstwa MAC (Medium Access Control Layer) oraz warstwa fizyczna PHY (Physical Layer) 10 ZigBee Alliance ZigBee Alliance jest stowarzyszeniem skupiajacym aktualnie ponad 150 uczestników Promotorzy ZigBee: Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips i Samsung www.zigbee.org 01-2015 Zygmunt Kubiak 11 Model warstwowy Użytkownik ZA1 ZA2 Interfejs aplikacji Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie i sprawdzanie ramki Transmisja radiowa ciągu bitów, modulacja 01-2015 … ZAn IA1 API ZigBee NWK IAn UDP IP 802.2 LLC MAC (SSCS) IEEE 802.15.4 MAC (CPS) IEEE 802.15.4 PHY Zygmunt Kubiak 12 Model warstwowy ZA1 … ZAn API IA1 IAn UDP IP ZigBee NWK 802.2 LLC MAC (SSCS) IEEE 802.15.4 MAC (CPS) IEEE 802.15.4 PHY 01-2015 Użytkownik Interfejs aplikacji Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie i sprawdzanie ramki Transmisja radiowa ciągu bitów, modulacja Zygmunt Kubiak 13 Topologia gwiazdy Koordynator sieci Master/slave Węzeł o pełnych możliwościach FFD (Full Function Device) Węzeł o zredukowanych funkcjach RFD (Reduced Function Device) Komunikacyjny przepływ 01-2015 Zygmunt Kubiak 14 Topologia Peer-Peer Punkt- punkt Drzewo FFD Węzły są równorzędne 01-2015 Zygmunt Kubiak 15 Topologia kombinowana Drzewo klastrów (Cluster-tree) Połączenie struktur gwiazd FFD RFD Połączenia komunikacyjne 01-2015 Zygmunt Kubiak 16 Topologie ZigBee Siatka (Mesh) Gwiazda (Star) Koordynator ZigBee Rutery ZigBee Węzły końcowe ZigBee Drzewo klastrów (Cluster Tree) 01-2015 Zygmunt Kubiak 17 Dostępne pasma częstotliwości 868MHz/ 915MHz PHY 2.4 GHz PHY Kanał 0 Kanały 1-10 868.3 MHz 902 MHz Kanały 11-26 2.4 GHz 2 MHz 928 MHz 5 MHz 2.4835 GHz Pasma ISM – Industrial Scientifig Medic Europa – 868 MHz, 2,4 GHz 01-2015 Zygmunt Kubiak 18 Pasma częstotliwości 2400.0 2446.5 2475.0 2483.5 Pasmo ISM - 2,4GHz USA Europe Spain* France* Japan* 915MHz pasmo ISM tylko w USA 868MHz Europa * Uzgodnienia z FCC 01-2015 Zygmunt Kubiak 19 Modulacja i proces rozpraszania widma Dane Binarne 250 kb/s Bity na symbol b3 b2 b1 b0 62.5 kBd Symbol na chip’sy Modulacja Offset QPSK 2 Mchip/s Symbol( dziesiętnie binarnie (b0 b1 b2 b3) Wartości chip’sów (c0 c1 ... c30 c31) 0 0000 11011001110000110101001000101110 ... ... 14 0111 10010110000001110111101110001100 15 1111 11001001011000000111011110111000 Symbol 01-2015 Faza I Faza Q 1 Mchip/s Filtr Fazy Q 1 Mchip/s Filtr Fazy I .. Zygmunt Kubiak 20 Modulacja i proces rozpraszania Dane do wysłania Bity na symbol Symbol na chip’sy 0 0 0 0 0 0 0b Symbol ‘0’ Reprezentacja symbolu ‘0’ 11011001110000110101001000101110 Modulator O-QPSK 01-2015 Zygmunt Kubiak 21 Struktura ramki warstwy fizycznej (PHY) Pola ramki warstwy fizycznej Preambuła (32 bity) – synchronizacja Startowy ogranicznik ramki (8 bitów) – musi mieć wartość “11100101” Nagłówek warstwy PHY (8 bitów) – długość PSDU PSDU (0 to 127 bajtów) – pole danych Nagłówek Sync Preambuła 4 bajty 01-2015 Start ramki 1 bajt Nagłówek PHY Długość Rezerwa ramki (1 bit) (7 bitów) 1 bajt Ładunek PHY PHY Service Data Unit (PSDU) 0-127 bajtów Zygmunt Kubiak 22 ZigBee Ramka ZigBee na poziomie warstwy sieciowej NWK (ang. Network Layer) ZigBee umożliwia tworzenie złożonych sieci logicznych z komunikacją wielokrotnych przeskoków (ang. multi-hop), co oznacza, że nie wszystkie stacje muszą znajdować się we wzajemnym zasięgu. Jednym z rozwiązań jest algorytm trasowania (rutowania) obsługa drzewa klasterów; drugi to wersja algorytmu AODV (ang. Ad hoc On Demand Distance Vector). 01-2015 Zygmunt Kubiak 23 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Ramka warstwy sieciowej NWK stanowi ładunek ramki warstwy MAC. Zawiera niezbędne pola dla realizacji operacji trasowania. Pola adresowe w tej ramce zostały ograniczone do zakresu 16bitowego. Zabezpieczenie ramki ZigBee może być realizowane na różnych poziomach modelu warstwowego 01-2015 na poziomie warstwy MAC, na poziomie NWK (rys.), na poziomie podwarstwy wsparcia aplikacji APS (ang. Application Support sublayer). Zygmunt Kubiak 24 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Na rysunku przedstawiono ramkę ZigBee zabezpieczoną na poziomie NWK. Ładunek ramki MAC stanowią nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy, zaszyfrowany ładunek NWK oraz pole MIC (ang. Message Integrity Code). Dane szyfrowane są przy pomocy algorytmu AES-128, uważanego za skuteczną technikę zapewniającą poufność informacji. Pole MIC jest zaszyfrowanym polem kontroli integralności danych, obejmującym nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy oraz zaszyfrowany ładunek ramki NWK. Ta metoda zabezpiecza przed podrabianiem i odtwarzaniem ramki. 01-2015 Zygmunt Kubiak 25 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI – Beacon Interval, BO – macBeaconOrder, SO – macSuperframeOrder, SD – Superframe Duration, GTS – Guaranteed Time Slot W trybie super-ramki koordynator sieci transmituje sygnalizatory superramki w z góry określonych przedziałach czasowych. Przedziały te mogą być zmieniane w szerokich granicach od 15ms do 252s. 01-2015 Zygmunt Kubiak 26 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI – Beacon Interval, BO – macBeaconOrder, SO – macSuperframeOrder, SD – Superframe Duration, GTS – Guaranteed Time Slot Miedzy dwoma sygnalizatorami wyodrębniony zostaje obszar aktywny, podzielony jest na 16 równych czasowo szczelin, niezależnie od czasu trwania całej ramki. Dostęp do medium w szczelinach czasowych jest oparty na rywalizacji – mechanizm CSMA-CA (obszar CAP) 01-2015 Zygmunt Kubiak 27 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI – Beacon Interval, BO – macBeaconOrder, SO – macSuperframeOrder, SD – Superframe Duration, GTS – Guaranteed Time Slot Koordynator PAN może wyznaczyć szczeliny czasowe konkretnemu urządzeniu, które wymaga dedykowanej szerokości pasma lub transmisji o małych opóźnieniach. Tak przygotowane szczeliny czasowe nazywane są GTS – przedział czasu dostępu dla danego urządzenia, bez rywalizacji. 01-2015 Zygmunt Kubiak 28 Model transmisji danych Dane przesyłane z urządzenia końcowego do koordynatora W sieci z wykorzystaniem super-ramki, węzeł oczekuje na sygnalizator, który stanowi podstawę do synchronizacji struktury super-ramki. Dane przesyłane są w szczelinie. Komunikacja bez super-ramki data wykorzystuje bezszczelinowy mechanizm CSMA/CA Komunikacja bez sygnalizatorów Komunikacja z wykorzystaniem sygnalizatorów 01-2015 Zygmunt Kubiak 29 Model transmisji danych Transfer od koordynatora do węzła końcowego 01-2015 Koordynator wysyłając sygnalizator informuje, ze dane są dostępne Urządzenie okresowo nasłuchuje sygnalizatora i przesyła w warstwie MAC komendę żądania danych wykorzystując szczelinę czasową lub dostęp CSMA/CA jeśli to konieczne. Komunikacja z zezwoleniem na sygnalizator Zygmunt Kubiak 30 ZigBee Specyfikacja ZigBee 2012 oferuje pełną sieć bezprzewodową pozwalającą na pracę ponad 64 000 węzłów. Obejmuje normy z różnych dziedzin ZigBee Building Automation (dla budynków inteligentnych, systemu monitorowania, ZigBee Alliance połączył siły z BACnet Building) ZigBee Home Automation (dla automatyzacji domów, mieszkań, zarządzanie energią, czujniki bezpieczeństwa, poprawa komfortu konsumenta) ZigBee Health Care (dla ochrony zdrowia, odnowy biologicznej, fitness) ZigBee Light Link (dla sterowania oświetleniem, bezprzewodowe sterowanie różnymi źródłami światła, przełącznikami, pilotami, licznikami) 01-2015 Zygmunt Kubiak 31 ZigBee Specyfikacja ZigBee 2012 oferuje pełną sieć bezprzewodową pozwalającą na pracę ponad 64 000 węzłów. Obejmuje normy z różnych dziedzin ZigBee Smart Energy (dla inteligentnych pomiarów) Zigbee Telecom Service (oferuje szeroką gamę dodatkowych usług, jak dostarczanie informacji, gry mobilne, bezpieczne płatności mobilne, rozliczenia, kontrola dostępu do mobilnej strefy biurowej) ZigBee Retail Service (nowy standard dla handlowców i konsumentów – zakupy, śledzenie zasobów, inteligentne koszyki, etykiety elektroniczne) Specyfikacja ZigBee 2012 obejmuje dwie opcje: ZigBee ZigBee PRO 01-2015 Zygmunt Kubiak 32 ZigBee ZigBee - przeznaczone jest do realizacji mniejszych sieci o rozmiarach setek węzłów ZigBee PRO - maksymalizuje funkcje sieci, dodaje nowe, umożliwia realizacje dużych sieci o tysiącach węzłów – Green Power zapewnia możliwość włączenia do sieci węzłów zasilanych energią pozyskiwaną z otoczenia (ang. energy harvesting) lub z własnym zasilaniem (ang. self powered) Specyfikacja ZigBee rozszerza standard IEEE 802.15.4 o warstwy bezpieczeństwa i framework aplikacji (szkielet do budowy aplikacji) 01-2015 Zygmunt Kubiak 33 ZigBee Z 01-2015 Zygmunt Kubiak 34 ZigBee Z 01-2015 Zygmunt Kubiak 35 ZigBee Z 01-2015 Zygmunt Kubiak 36 ZigBee Z 01-2015 Zygmunt Kubiak 37 ZigBee Z 01-2015 Zygmunt Kubiak 38 ZigBee 3.0 ZigBee 3.0 stanowi integrację wiodących na rynku bezprzewodowych standardów w jeden standard ZigBee 3.0 jest obecnie w fazie testów, w które aktywnie zaangażowane są takie firmy jak: Atmel, Freescale, The Kroger Co., Legrand, NXP, Philips, Schneider Electric, Silicon Labs, Texas Instruments, Wincor Nixdorf, i V-Mark. Ratyfikacji standardu oczekuje się w czwartym kwartale 2015 r. 01-2015 Zygmunt Kubiak 39 ZigBee 3.0 ZigBee 3.0 upraszcza wybór rozwiązań dla projektantów tworzących produkty i serwis dla Internetu Przedmiotów (ang. Internet of Things) Standard ZigBee 3.0 umożliwia komunikację i współdziałanie pomiędzy urządzeniami dla inteligentnych domów, rozwiązań oświetleniowych i innych dziedzin, dostarczanych przez różnych projektantów, producentów i dostawców usług ZigBee 3.0 opiera się na IEEE 802.15.4, który działa na częstotliwości 2,4 GHz i używa sieci ZigBee PRO w małych urządzeniach o małym poborze energii ZigBee 3.0 definiuje ponad 130 urządzeń i najszerszy zakres typów urządzeń, w tym automatyki domowej, oświetlenia, zarządzania energią, inteligentnych rozwiązań, bezpieczeństwa, czujników i produktów ochrony zdrowia 01-2015 Zygmunt Kubiak 40 ZigBee 3.0 01-2015 Zygmunt Kubiak 41 Wsparcie sprzętowe Układ CC2420 firmy Chipcon 01-2015 Zygmunt Kubiak 42 Wsparcie sprzętowe Schemat blokowy CC2420 01-2015 Zygmunt Kubiak 43 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 Moduł CC2420DB firmy Chipcon 01-2015 Zygmunt Kubiak 44 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 01-2015 Zygmunt Kubiak Moduł CC2420EB + CC2420EM firmy Chipcon 45 Wsparcie sprzętowe Moduł MPR2400 / MICAz firmy Crossbow Technology 01-2015 Zygmunt Kubiak 46 Wsparcie sprzętowe Moduł M2020 firmy Dust Networks Moduł jest zgodny z IEEE 802.15.4 Jest optymalizowany do uruchomienia oprogramowania SmartMesh 01-2015 Zygmunt Kubiak 47 Wsparcie sprzętowe Motorola/FreeScale 13192DSK MC13192 2.4 GHz RF MC9S08GT60 C 01-2015 Zygmunt Kubiak 48 Wsparcie sprzętowe MicroChip PICDEM Z CC2420 2.4 GHz RF PIC18LF4620 C 01-2015 Zygmunt Kubiak 49 Wsparcie sprzętowe Atmel AT86RF210 Z-Link™ jest radiowym układem nadawczo –odbiorczym na pasmo 868/915 MHz zgodnym z IEEE 802.15.4/ZigBee; wspiera prędkości od 20 kb/s do 40 kb/s. AT86ZL3201 Z-Link™ jest 8-bitowym kontrolerem AVR® optymalizowanym dla IEEE 802.15.4/ZigBee™. 01-2015 Zygmunt Kubiak 50 Wsparcie sprzętowe Najnowszy produkt firmy Chipcon – CC2430 układ nadawczo-odbiorczy ZigBee + mikrokontroler ‘51 01-2015 Zygmunt Kubiak 51 Wsparcie sprzętowe CC2430DB CC2430 01-2015 Zygmunt Kubiak 52 Podsumowanie Sieci oparte na standardzie ZigBee/IEEE 802.15.4 zaliczone zostały przez autorów normy [1] do klasy tzw. niskiej prędkości, osobistych sieci bezprzewodowych LR-WPANs (ang. Low-Rate Wireless Personal Area Networks) co znalazło odzwierciedlenie w jej tytule. Przedstawiony opis standardu został ograniczony tylko do wybranych zagadnień bardzo obszernego opisu standardu. Porównanie ZigBee z innymi standardami sieci bezprzewodowych przedstawiono w tabeli. 01-2015 Zygmunt Kubiak 53 Podsumowanie 01-2015 Zygmunt Kubiak 54 Podsumowanie Rosnące w szybkim tempie zainteresowanie tą klasą sieci wkrótce znajdzie odzwierciedlenie w aplikacjach między innymi dla przemysłu i ochrony środowiska. Zadecydują o tym takie zalety węzłów sieci pracujących w standardzie ZigBee jak możliwość pracy przy niskiej mocy nadawania w warunkach dużych zakłóceń radiowych (dzięki modulacji O-QPSK), niewielkie zapotrzebowanie na energię, co oznacza możliwość działania przy zasilaniu bateryjnym nawet kilka lat, wysoki poziom bezpieczeństwa dzięki zastosowaniu rozwiązań zapewniających integralność (CRC, MIC) oraz poufność (AES128) przesyłanych danych, niski koszt instalacji, eksploatacji i serwisowania węzłów. 01-2015 Zygmunt Kubiak 55 DZIĘKUJĘ 01-2015 Zygmunt Kubiak 56 Optional Frame Structure GTS 3 GTS 2 GTS 1 15ms * 2n gdzie 0 n 14 Networ k beacon Beacon extensio n period Contention period Space reserved for beacon growth due to pending node messages Guaranteed Time Slot Reserved for nodes requiring guaranteed bandwidth [n = 0]. 01-2015 Transmitted by network coordinator. Contains network information frame structure and notification of pending node messages. Dostęp dowolnego węzła do medium z arbitrażem CSMA-CA Zygmunt Kubiak 57 Applications in All Aspects of Life 01-2015 Zygmunt Kubiak 58 Pervasive Computing (Smart Home / Office) Sensors controlling appliances and electrical devices in the house. Better lighting and heating in office buildings. The Pentagon building has used sensors extensively. 01-2015 Zygmunt Kubiak 59 Biomedical / Medical 01-2015 Zygmunt Kubiak 60 Mobile Sensors Sensors with Micromachines Low-Power Motors that Support Mobility 01-2015 Zygmunt Kubiak 61 Military Health Monitors Remote deployment of Glucose sensors for tactical monitoring Heart rate Cancer detection of enemy troop movements. Chronic Diseases Artificial retina Cochlear implants Hospital Sensors 01-2015 Monitor vital signs Record anomalies Zygmunt Kubiak 62 Wprowadzenie • węzeł = moduł radiowy + PLC • one hop węzeł aktywny • peer to peer węzeł bierny • multi master 01-2015 Zygmunt Kubiak 63 Industrial & Commercial Numerous industrial and commercial applications: Agricultural Crop Conditions Inventory Tracking In-Process Parts Tracking Automated Problem Reporting RFID – Theft Deterrent and Customer Tracing Plant Equipment Maintenance Monitoring 01-2015 Zygmunt Kubiak 64 Example Network FFD RFD FFD PAN coordinator RFD RFD RFD FFD 01-2015 Zygmunt Kubiak 65 Device Addressing Two or more devices with a POS communicating on the same physical channel constitute a WPAN which includes at least one FFD (PAN coordinator) Each independent PAN will select a unique PAN identifier All devices operating on a network shall have unique 64-bit extended address. This address can be used for direct communication in the PAN 01-2015 Zygmunt Kubiak 66 Device Addressing A member can use a 16-bit short address, which is allocated by the PAN coordinator when the device is associated. Addressing modes: 01-2015 star: Network (64 bits) + device identifier (16 bits) peer-to-peer: Source/destination identifier (64 bits) cluster tree: Source/destination cluster tree + device identifier (unclear yet) Zygmunt Kubiak 67 Traffic Management & Monitoring Future cars could use wireless sensors to: Handle Accidents Handle Thefts Sensors embedded in the roads to: 01-2015 –Monitor traffic flows –Provide real-time route updates Zygmunt Kubiak 68 01-2015 Zygmunt Kubiak 69 01-2015 Zygmunt Kubiak 70 01-2015 Zygmunt Kubiak 71 Low Rate Stack Architecture Maintained by ZigBee Working Group Application Convergence Layer (ACL) (ZigBee) Other ACL Open PURL NWK (ZigBee) Mesh NWK (Motorola) Other NWK IEEE 802.2 LLC, Type I IEEE 802.15.4 LLC IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY 01-2015 IEEE 802.15.4 915/2400 MHz PHY Zygmunt Kubiak Specified & Maintained by IEEE 802(.15.4) 72 Above the IEEE 802.15.4 MAC Application Convergence Layer (ACL) (ZigBee) Other ACL PURL NWK (ZigBee) Mesh NWK (Motorola) Other NWK PURL DLC (ZigBee) Mesh DLC (Motorola) IEEE 802.2 LLC, Type I •Mesh routing tables, mesh algorithms e.g. are above .15.4 MAC layer IEEE 802.15.4 MAC Block Tasks Superframe handling (TDMA) Interface to DLC/LLC CSMA/CA MAC Addressing? IEEE 802.15.4 MAC Delivery of upper layer packets MAC packet decoding/encoding Stop-and-Wait ARQ Device discovery in Initialization Channel Interface to PHY CRC (16/32) Mandatory features 01-2015 Optional features Zygmunt Kubiak 74 Dziękuję IEEE 802.15.4 Frame Format Synchronization Header: Preamble sequence is 4 bytes of 0x00 (length configurable) The Start of Frame Delimiter is set to 0xA7 (content configurable) A synchronization header is always transmitted 01-2015 Zygmunt Kubiak 76 Slotted CSMA/CA optional 01-2015 Zygmunt Kubiak 77 Unslotted CSMA/CA There is no concept of CW in this part. 01-2015 Zygmunt Kubiak 78 Battery Life Extension (cont.) 2560 us 160 symbols 80 octets Backoff Period Beaconing Device Backoff Period First Five Full Backoff Periods after the Beacon IFS period Backoff Period Backoff Period Minimum Beacon Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Listen Interval (when no frame detected) SIFS 01-2015 CCA CCA Zygmunt Kubiak CCA CCA Always at least three backoff periods available to start transmission CCA 1792 us 112 symbols 56 octets CCA 576 us 36 symbols 18 octets Transmit Frame Transmit Frame Transmit Frame 79 IEEE 802.15.4 Frame Format Length Field: Means the number of bytes in the MPDU The most significant bit is reserved, so the maximum value is 127 01-2015 Zygmunt Kubiak 80 IEEE 802.15.4 Frame Format 01-2015 Zygmunt Kubiak 81 IEEE 802.15.4 Frame Format Frame Check Sequence: FCS is calculated over MPDU FCS is automatically generated and verified by hardware, if enabled. The FCS polynomial is: x16 + x12 + x5 + 1 01-2015 Zygmunt Kubiak 82 IEEE 802.15.4 Frame Format Acknowledge Frame: If AUTOACK is enabled, an acknowledge frame is transmitted for all incoming frames accepted by the address recognition with the acknowledge request flag set and a valid CRC. The acknowledge frame is transmitted 12 symbol (hardware switch time) periods after the last symbol of the incoming frame. 01-2015 Zygmunt Kubiak 83 Modulation and Spreading Process The general modulation process (3 steps) 01-2015 Step 1: Each byte is divided into two symbols, 4 bits each. The least significant symbol is transmitted first. Step 2: Each symbol is mapped to one out of 16 pseudorandom sequences, 32 chips each. Step 3: The chip sequence is then transmitted at 2 MChips/s, with the least significant chip transmitted first for each symbol. Zygmunt Kubiak 84 Step 2: Each symbol is mapped to one out of 16 pseudo-random sequences, 32 chips each. 01-2015 Zygmunt Kubiak 85 Step 3: The chip sequence is then transmitted at 2 MChips/s, with the least significant chip transmitted first for each symbol. The chip sequences are modulated onto the carrier using QQPSK with half-sine pulse shaping. Even-indexed chips are modulated onto the in-phase (I) carrier. Odd-indexed chips are modulated onto the quadrature-phase (Q) carrier. 01-2015 Zygmunt Kubiak 86 TinyOS Module Wrapping Generic Comm AM Control ( Freq,Power,etc ) Backoff Encoding Data CC2420RadioC CC2420Control CC2420RadioM Hardware Specific Read/Write CC2420 Registers/Commands HPLCC2420M HPLCC2420C RandomLFSR High Speed Timer Transfer to/from TXFIFO/RXFIFO SpiByte MicaZ (AVR) Telos (TI MSP430) 01-2015 HPLCC2420C TimerC HPLCC2420M TimerM HPLUSART0M MSP430TimerM MSP430ClockM HPLCC2420C HPLCC2420M HPLCC2420FIFOM HPLUARTM Zygmunt Kubiak TimerC TimerM HPLClock 87