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