Padrão IEEE 802.15.4 - A base para as especificações Zigbee, WirelessHart e MiWi

Olá caro leitor, como vai? No artigo de hoje darei uma introdução sobre a norma IEEE 802.15.4, utilizada nas especificações dos padrões Zigbee, WirelessHart, ISA100.11a e MiWi. Retratarei a camada física e de acesso ao meio do padrão IEEE 802.15.4, levantando as características de bandas atribuídas e topologias de rede. É importante ressaltar que este artigo servirá de base para os próximos artigos que serão sobre Zigbee, WirelessHart e MiWi.

 

Antes de explicar o IEEE 802.15.4, darei uma rápida introdução sobre o que é o IEEE, alguns exemplos de especificações e o padrão IEEE 802.

 

 

O que é o IEEE?

 

O IEEE é uma associação sem fins lucrativos criada nos Estados Unidos em 1963. Um de seus objetivos é gerar conhecimento nos campos de engenharia elétrica, eletrônica e computação. O IEEE, ao longo dos anos, vem padronizando diversos protocolos de comunicação sem fio, tendo em vista o crescimento e a interoperabilidade de tecnologias já existentes no mercado e aquelas que serão desenvolvidas.  A figura 1 demonstra o logo do IEEE.

 

Logo do IEEE
Figura 1 - Logo do IEEE

 

 

Alguns padrões IEEE notáveis

 

  • IEEE 488: Padrão de comunicação digital paralelo de 8 bits, ainda usado para conectar instrumentos de teste em rede. Também conhecido como GPIB (General Purpose Interface Bus) e HP-IB (Hewlett-Packard Instrument Bus);
  • IEEE 802: Os padrões IEEE 802 são referentes às redes locais e redes metropolitanas;
  • IEEE 829: Documentação de Teste de Software;
  • IEEE 1284: Padrão que define comunicações bidirecionais paralelas entre computadores e outros dispositivos.

 

 

A norma IEEE 802

 

As normas enquadradas dentro da IEEE 802 visam fornecer as especificações necessárias para o controle de acesso e a camada física de uma rede que não utiliza fios. Dentre os diversos subgrupos existentes, destacam-se:

  • IEEE 802.3 - Ethernet;
  • IEEE 802.11- Redes locais sem fios (WLAN);
  • IEEE 802.15- Redes de área pessoal sem fios (WPAN).

 

A figura 2 a seguir demonstra uma visão geral através dos blocos sobre os grupos de padrões IEEE 802 LAN/MAN.

 

Alguns padrões baseados no IEEE 802
Figura 2 - Alguns padrões baseados no IEEE 802

 

 

Especificação do padrão IEEE 802.15.4

 

A norma IEEE 802.15.4 define todas as especificações de comunicação da camada física e da camada de acesso ao meio (conhecida por  MAC ou Media Access Control) para redes de comunicação sem fio que operam com baixa taxa de transmissão de dados, definidas também pela sigla LR-WPAN (Lower Rate Wireless Personal Area Network). As camadas que compõem o padrão IEEE 802.15.4 são ilustradas na figura 3.

 

Definição das camadas IEEE 802.15.4
Figura 3 - Definição das camadas IEEE 802.15.4

 

A camada física

 

A camada física (PHY) tem como objetivo a transmissão e recepção de dados (PPDU, ou PHY Protocol Data Unit) do meio externo e prepará-los para enviar à MAC. Na camada física são utilizadas técnicas de modulação de sinal para transmitir e demodular o canal. O PHY pode operar em 3 bandas de frequências não licenciadas, definidas sobre as bandas ISM (Industrial Scientific Medical).

 

Dentre as principais características desta camada, destacam-se:

  • Transmissão e recepção de dados digitais;
  • Seleção do canal a ser utilizado;
  • Existência de 3 bandas de frequências que estão embutidas em 27 canais;
  • Possibilidade de endereçamento automático dos dispositivos;
  • Ligar e desligar o transceptor de rádio.

 

Bandas de Frequências Atribuídas

 

Com relação às bandas de frequências, o padrão IEEE 802.15.4 pode trabalhar com 868 MHz (Europa), 915MHz (Estados Unidos/Américas) e 2,4GHz (usualmente utilizada no Brasil). Dentre os 27 canais citados nas características da camada física, as distribuições de tais canais estão divididas da seguinte maneira :

  • 1 canal para a banda de frequência da Europa;
  • 10 canais para a banda de  frequência dos Estados Unidos/Américas;
  • 16 canais para a banda de frequência da maior parte do mundo, incluindo Brasil.

 

Tal distribuição também pode ser observada de acordo com a figura 4.

 

Faixas de frequências com a respectiva atribuição de canais.
Figura 4 - Faixas de frequências com a respectiva atribuição de canais.

 

Um ponto interessante a se observar é a disponibilidade da utilização da banda de frequência de 2,4 GHz. Tal banda é amplamente empregada, devido à disponibilidade em todo mundo para uso sem licença, baixa latência, alta taxa de dados e fornecimento de mais canais. Porém as outras duas bandas (868 e 915 MHz) fornecem menor índice de interferência e menor quantidade de usuários (possuem maior cobertura).

 

As três faixas de frequência utilizam o método de transmissão DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Este método é empregado devido à necessidade da alta interação e baixo custo. Outra característica importante é com relação às modulações que podem ser de dois tipos: BPSK (Binary Phase Shift Keying) ou O-QPSK (Ortogonal-Quadrature Phase Shift Keying). Na BPSK cada símbolo enviado representa 1 bit de dados, enquanto na O-QPSK um símbolo enviado significa 4 bits de dados. Para entender mais sobre as diferenças entres os tipos de modulações, clique aqui.

 

Principais característica do padrão IEEE 802.15.4
Figura 5 - Principais característica do padrão IEEE 802.15.4

 

A camada de acesso (MAC)

 

A camada MAC (Medium Access Control) tem por função controlar toda a operação de acesso à camada física para transmissão e recepção de dados. Essa camada também é responsável por interfacear a camada física com as camadas superiores do protocolo LR-WPAN e gerar/sincronizar beacons. Os beacons podem ser definidos como pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com o demais dispositivos.

 

O controle de acesso ao meio é controlado através de mecanismos de prevenção e colisão, definidos pelo protocolo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Segundo Frias (2004): “ CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Quando um nó deseja fazer transmissão ele envia um sinal de aviso, por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam. Só então os dados são transmitidos. Se durante uma transmissão um sinal de aviso for detectado o emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmissão após um período aleatório.”

 

Topologia de Rede

 

Dentro do padrão IEEE 802.15.4 são definidos dois tipos de dispositivos, que são o FFD (Full Feature Device) e RFD (Reduce Feature Device).

 

Os FFD são classificados como sendo dispositivos mais completos, pois podem desempenhar a função de coordenador ou roteador, o que resulta no acesso a todos os dispositivos dentro do seu alcance de transmissão. Já os FFD por suas vezes são dispositivos mais limitados, pois possuem uma pilha de tarefas reduzidas, como por exemplo, não rotearem dados.

 

As topologias presentes dentro do IEEE 802.15.4 podem ser nas configurações estrela e peer-to-peer, definidas pela figura 6. A topologia estrela possui um nó central que conecta-se com todos os dispositivos. Em alternativa, a configuração peer-to-peer permite que os dispositivos comuniquem-se entre si, respeitando a função dos dispositivos em questão. Essa configuração é caracterizada por ser a base da comunicação em rede mesh que será citada no próximo artigo sobre o padrão Zigbee.

 

Topologias do padrão IEEE 802.15.4
Figura 6 - Topologias do padrão IEEE 802.15.4

 

Para configuração da topologia de rede da norma IEEE 802.15.4 são necessários o PAN coordenador, coordenador e end device. O PAN coordenador tem como função a criação da rede sem fio, enquanto o coordenador roteá as informações e os end devices possuem suas tarefas reduzidas.

 

 

Referências

 

[1] - O que é IEEE ? 

[2] - IEEE Std.802.15.4 - Enabling Pervasive Wireless Sensor Networks

[3] - BPSK vs QPSK - Difference between BPSK and 

[4] - A Camada física do padrão IEEE 802.15.4

[5] - Zigbee - Estudo da tecnologia e aplicação no sistema elétrico de potência

[6] - Ramos, J S B. Instrumentação eletrônica sem fio: transmitindo dados com módulos Xbee Zigbee e PIC18F877A.

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Pablo Melo
Tecnólogo em Eletrônica Automotiva pela Fatec Sorocaba. Mestrando em Engenharia Elétrica pela UNESP Sorocaba, com ênfase em Sistemas Mecatrônicos. Desenvolve estudos direcionados para aplicações do protocolo OPC UA voltadas para a Internet das Coisas Industrial, Indústria 4.0 e RAMI 4.0. Ama pesquisar tecnologias sobre sistemas embarcados, sempre acompanhado por uma boa dose de café.

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Nathalya de Paulo Leite
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Nathalya de Paulo Leite

Amei essas explicações simples e diretas para até um bom iniciante conseguir compreender um pouco. Estou iniciando meu tcc sobre o padrão IEEE 802.15.4g e acabei vindo parar nesse site, e gostei bastante!
Sou estudante do curso Tecnólogo em Telemática no IFPB Campus Campina Grande, e também membra do ramo estudantil do IEEE IFPB-CG!