Redes de Comunicação Sem Fio Sub-GHz e 2.4GHz

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Redes de Comunicação Sem Fio Sub-GHz e 2.4GHz

Palestrante: André RasmínioEmail: [email protected]


ObjetivoApós esta aula você estará apto:

Entender o padrão IEEE 802.15.4 Conhecer as soluções de comunicação sem fio da

Microchip Conhecer o protocolo MiWi


ZigBee®


ZigBee®

O que é ZigBee? Padrão de Wireless Networking Protocol

Definido pelas companhias que fazem parte da ZigBee Alliance

Aplicações Wireless mesh networks Dispositivos de baixo consumo Baixa taxa de dados – alta confiabilidade


ZigBee®

ZigBee é o nome de um protocolo de comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee Alliance baseado no padrão IEEE 802.15.4.


ZigBee®


ZigBee®

ZigBee Network Devices


Baixo consumoSegurança AES 128bits ConfiabilidadeBaixo custoRedes P2P, Star, Cluster-Tree, MeshInteroperabilidadeAlta Imunidade a Interferência

Porque utilizar ZigBee?


Segurança

- Provê a confidencialidade, a integridade e a autenticidade da informação

- AES - Advanced Encryption Standard- Criptografia de 128 bits

ZigBee®


ZigBee®

AES

Esta tecnologia possui alta imunidade a interferência de outros sistemas. A segurança da informação provê a confidencialidade, a integridade e a autenticidade da informação e é baseado no AES - Advanced Encryption StandardCriptografia de 128 bits.

O AES é um algoritmo de criptografia que pode ser utilizado para proteger dados

eletrônicos. O algoritmo do AES é um bloco simétrico que criptografa ou decriptografa a informação. A criptografia torna a informação embaralhada, a decriptogravação torna a informação na forma original. O padrão AES foi derivado do Data Encryption Standard (DES). O AES foi desenvolvido pelo NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA) em 26 de Novembro de 2001, depois de 5 anos de um processo de padronização. Tornou-se um padrão efetivo em 26 de Maio de 2002. Em 2006, o AES já é um dos algoritmos mais populares usados para criptografia de chave simétrica (http://csrc.nist.gov).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Data_Encryption_Standard



http://pt.wikipedia.org/wiki/Estados_Unidos

http://pt.wikipedia.org/wiki/Algoritmo_de_chave_sim%C3%A9trica

http://csrc.nist.gov/


ZigBee®

ZigBee Protocol Layers Application - Partially ZigBee & Vendor Defined

Network - ZigBee Defined Medium Access Control Layer - IEEE 802.15.4™ Defined

Physical Layer - IEEE 802.15.4 Defined

Security Service - ZigBee Defined


ZigBee®

Functional Partition

MRF24J40Transceiver

Host PIC® MCUProcessor

Medium Access Layer (MAC)

2.4 GHzPhysical Layer (PHY)

Network Layer (NWK)

Customer Applications

Secu

rity

(S

EC

)Smart Energy

Profile

Microchip ZigBee Platform

Application Support (APS)


ZigBee®

10,000

1,000

100

10

11 10 100 1,000 10,000 100,000

Dis

tânc

ia (

met

ros)

Cellular TechnologiesGSM, GPRS

Cellular TechnologiesGSM, GPRS

WLAN TechnologiesIEEE802.11

WLAN TechnologiesIEEE802.11ZigBee

IEEE 802.15.4™

BluetoothBluetooth

Comaparação entre Distância x Velocidade)

Data Rate (kbps)


IEEE Std 802.15.4™-2006(Revision of IEEE Std 802.15.4-2003)


Define um protocolo e a compatibilidade de interconexão para

dispositivos de comunicação de baixa taxa de dados, baixa potência,

baixa complexidade e pequeno alcance utilizados em WPAN ( wireless

personal area network).

É a base das especificações ZigBee, WirelessHART, MiWi e outras

especificações.



IEEE 802.15.4™ PHY


IEEE 802.15.4™ PHY

2.4 GHz PHY Channel Assignment

5 MHz3 MHz

2483.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470

Frequency (MHz)

Channel:

Channel SpacingBandwidth


2483.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470

Frequency (MHz)

Channel:

IEEE 802.15.4™ vs 802.11

2.4 GHz PHY Channel AssignmentIEEE 802.15.4

vs.IEEE 802.11

2412Channel 1

2437Channel 6

2462Channel 11

22 MHz


IEEE 802.11


IEEE 802.15.4™ vs 802.11 – como reduzir as interferências

• Data RateUma forma de minimizar os riscos de interferências é reduzir a ocupação do

canal.

• Scanning e Energy ScanO padrão IEEE802.15.4 prevê a amostragem do canal, medindo a energia do

mesmo. Portanto é recomendado que se amostre todos os canais e opere no que tiver o menor patamar de energia.

• CSMAé um artifício conhecido como “listen before talk”, o padrão prevê esta

funcionalidade e deve ser utilizado para evitar colisões e interferências.

• ACK e Retransmissõeso padrão IEEE 802.15.4 prevê um ACK do receptor para cada frame recebido.

• Frequency AgilityUma outra forma de minimizar as interferências é mudar de canal durante a

operação da rede.


Para estarem de acordo com a RESOLUÇÃO ANATEL N§ 506/2008 (Radiação Restrita) os equipamentos que utilizam Tecnologia de Espalhamento Espectral devem operar em 902-907,5 MHz, 915-928 MHz, 2400-2483,5MHz

http://sistemas.anatel.gov.br/sgch/Certificado/HomologacaoPNCC.asp?consulta=1&?NumRFGCT=61311

IEEE 802.15.4™ PHY





Certificado ANATEL - Fractum


IEEE Std 802.15.4™-2006(Revision of IEEE Std 802.15.4-2003)Camada MAC

É a camada responsável por realizar o controle de acesso ao meio (MAC medium access control):

— Associação e a desassociação de dispositivos— Suporta um dispositivo com segurança AES 128— Implementa o CSMA-CA para o acesso ao canal— Implementa o socket entre dois dispositivos


Soluções Microchip


MiWi™ Transceiver Products

ISM Band - Sub-GHz MRF49XA Transceiver IC

433/868/915 MHz MRF89XA Transceiver IC

868/915 MHz MRF89XAM8A Transceiver Module (868 MHz) MRF89XAM9A Transceiver Module (915 MHz)

ISM Band - 2.4GHz (IEEE 802.15.4™) MRF24J40 Transceiver IC MRF24J40MA Transceiver Module (+0 dBm) MRF24J40MB Transceiver Module (+20 dBm) MRF24J40MC Transceiver Module (+20 dBm + ext. ant)


Ubee - Conceito

UBee

USART Microcontroller ou PC

Interrupt

MiWi™

Aplicação

• Não é necessário nenhum conhecimento de RF• Não é necessário nenhum conhecimento da pilha Zigbee ou

MiWi• Necessário apenas uma interface USART• Todos os comandos da rede disponíveis em comandos AT• Possibilidade de embarcar a sua solução no próprio micro-

controlador do UBeehttp://fractumrf.com/wireless2.html

ZigBee™

Proprietary

http://fractumrf.com/wireless2.html


MRF49XA Transceiver

Protocol

Physical Driver

User Application

Microcontroller

SPIInterface

16bit ReceiveBuffer

ControlRegisters

16bit TransmitBuffers

RXMAC

TXMAC

RXPHY

TXPHY

PHY TX/RXControl

MAC Architecture PHY Architecture

434MHz, 868MHz and 915MHz Proprietary RF Transceiver

Supports MiWi™ Protocols via MiApp and MiMAC SPI interface 7dBm Output Power 11-13mA(RX) / 21-23mA(TX) / 300nA(Sleep) Up to 115.2kbps

MRF49XA


MRF89XA Transceiver

Protocol

Physical Driver

User Application

Microcontroller

SPIInterface

64 Byte RXBuffer

ControlRegisters

64 Byte TXBuffer

RXMAC

TXMAC

RXPHY

TXPHY

PHY TX/RXControl


868MHz, 915MHz and 955MHz Proprietary RF Transceiver

Supports MiWi™ Protocols via MiApp and MiMAC SPI interface 10dBm Output Power 3mA(RX) / 25mA(TX) / 100nA(Sleep) Up to 200kbps

MRF89XA


MRF24J40 Transceiver

Protocol

Physical Driver

User Application

Microcontroller

SPIInterface

ReceiveBuffer

ControlRegisters

TransmitBuffers

RXMAC

TXMAC

Security

RXPHY

TXPHY

PHY TX/RXControl


2.4 GHz IEEE 802.15.4™ compliant Supports MiWi™ Protocols via MiMAC/MiApp Supports ZigBee® Protocols 4-wire SPI interface In-line/stand-alone encryption Automatic MAC retransmit 18 mA(RX)/22 mA(TX)/2 µA(Sleep) 250kbps (802.15.4 mode), 625kbps (Turbo mode)

MRF24J40


Module Concept

TCP/IP ZigBee® SEP MiWi™


Module

WirelessModule

SPI PIC®

Microcontroller

Interrupt


MRF89XAMXA Module

FCC/IC/ETSI Certified Não é necessário conhecimento em RF MRF89XAM8A – 868MHz MRF89XAM9A – 915MHz


MRF24J40MA/MB/MC Modules

2.4 GHz IEEE 802.15.4™ Compatible

FCC/IC/ETSI Certified Module features:

Antena PCB integrada Surface-mountable PCB Tx Power Rx Sensitivity

MA = +0 dBm MA = -95 dBm MB = +20 dBm MB = -102 dBm


MRF49XA Development Boards

MRF49XA PICtail™/PICtail Plus Daughter Boards Part # AC164137-

1 (433 MHz), Part # AC164137-

2 (868/915 MHz), Two Daughter

Boards per package


MRF89XADevelopment Boards

MRF89XA PICtail™/PICtail Plus Daughter Boards Part # AC164138-

1 (868 MHz) Part # AC164138-

2 (915 MHz) Two Daughter

Boards per package


MRF24J40 Development Boards

MRF24J40MB Part # AC164134-2

MRF24J40MA Part # AC164134-1


Certified RF Design Partners


ZigBee Alliance


ZigBee Alliance

“ O ZigBee Alliance é uma associação de companhias que trabalham em conjunto para garantir a confiabilidade, custo baixo, baixo consumo, interoperabilidade em rede wireless, monitorando e controlando os produtos baseados em um padrão global aberto. ”

(www.zigbee.org)


Promoters $50.000USD/yearTem direito à uma cadeira na mesa de diretores da ZigBee AllianceRevisa especificações propostasDireito à voto

Participants $9.000USD/year Contribuir com as especificações técnicas

Adopters $3500USD/yearUsar o logoAcesso as especificações

ZigBee Alliance


Quando é necessário participar da ZigBee Alliance


ZigBee®

Perguntas?


Licensing According to ZigBee® Alliance:

Only members may use ZigBee specifications "in the development of a product for sale"

Microchip is a ZigBee Participant Member: We have license rights to make and distribute Microchip’s

ZigBee stack software According to ZigBee and Microchip:

If you intend to use Microchip’s stack software in the development of a product for sale, then you must be a ZigBee member

You may not modify or create derivatives of Microchip’s stack software

It is your responsibility: To read Microchip’s license agreement and familiarize

yourself with ZigBee’s membership For more information, go to www.zigbee.org


References

IEEE 802.15.4™ -2003 http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4

-2003.pdf IEEE OUI

https://standards.ieee.org/regauth/oui/forms/OUI-form.shtml

ZigBee® Protocol www.zigbee.org

AN1255 ZigBee Protocol application note, www.microchip.com/zigbee

http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf

http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf

https://standards.ieee.org/regauth/oui/forms/OUI-form.shtml

http://www.microchip.com/zigbee


Obrigado!Fim


Trademarks

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Obrigado


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