Appunti di Architectures And Technologies For IoT

Responsabilità del sottolivello APS e del livello ZDO

Le responsabilità del sottolivello APS comprendono il mantenimento delle tabelle per il binding, ovvero la capacità di abbinare due dispositivi in base ai loro servizi e alle loro esigenze, e l'inoltro dei messaggi tra i dispositivi vincolati. Il sottolivello APS filtra anche i messaggi duplicati che possono essere stati inviati dal Network layer.

Le responsabilità del livello ZDO comprendono la definizione del ruolo del dispositivo all'interno della rete (ad esempio, coordinatore ZigBee o dispositivo finale), l'avvio e/o la risposta alle richieste di binding e la creazione di una relazione sicura tra i dispositivi della rete. Lo ZDO è anche responsabile della scoperta dei dispositivi sulla rete e della determinazione dei servizi applicativi che essi forniscono.

Il Security Layer fornisce i servizi di sicurezza utilizzati da ZDO e APS.

Il Network Layer (NWK) di ZigBee comprende dei meccanismi utilizzati per entrare e uscire da una rete.

per applicare la sicurezza ai frame e per instradare i frame verso le destinazioni previste. Inoltre tale layer NWK ha il compito di scoprire e mantenere i percorsi tra i dispositivi. Anche la scoperta dei vicini ad un "salto" e la memorizzazione delle informazioni pertinenti sui vicini avvengono nel livello NWK. Il livello NWK di un coordinatore ZigBee è responsabile dell'avvio di una nuova rete, se opportuno, e dell'assegnazione degli indirizzi ai nuovi dispositivi associati. Standard IEEE 802.15.4 Analizziamo i layer definiti dallo standard IEEE 802.15.4: Physical Layer: - (PHY): si definiscono due differenti Physical Layer basati sulla tecnica Direct Sequence Spread Spectrum. Tale tecnica prevede che il segnale di trasmissione occupi una larghezza di banda maggiore (in figura indicata con Bc) di quella normalmente richiesta per trasmettere le informazioni originali (in figura indicata con Tc). I vantaggi di tale tecnica sono:

Tecnica sono che l'utilizzo di segnali a banda larga simili al rumore rendono difficile rilevare, intercettare o demodulare il segnale originale (garantendo privacy). Inoltre questa tecnica garantisce una robustezza alle interferenze ed un accesso multiplo.

Esistono diverse tecniche per implementare la diffusione della larghezza di banda (ad esempio FHS). Una delle più utilizzate per la separazione delle comunicazioni in uno schema di accesso multiplo è la trasmissione a spettro diffuso a sequenza (Sequence Spread Spectrum) in cui l'espansione dello spettro è ottenuta modulando la portante con un codice di tipo pseudo rumore (PN), cioè con proprietà statistiche simili a quelle del rumore termico, secondo le modulazioni BPSK o QPSK.

Le funzionalità di PHY sono l'attivazione e la disattivazione del ricetrasmettitore radio, il rilevamento dell'energia all'interno del canale corrente, l'indicazione

La valutazione del canale libero per i pacchetti ricevuti è fondamentale per garantire la qualità del collegamento. Per consentire a più dispositivi di utilizzare lo stesso canale di frequenza per la comunicazione, viene utilizzato il meccanismo di accesso al canale chiamato Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA).

Nel CSMA-CA, prima di trasmettere, ogni dispositivo esegue una valutazione del canale libero chiamata Channel Assessment (CCA) per assicurarsi che il canale non sia utilizzato da altri dispositivi. Successivamente, il dispositivo inizia a trasmettere il proprio segnale. La decisione di dichiarare un canale libero o occupato può basarsi sulla misurazione dell'energia spettrale nel canale di frequenza di interesse (Energy Detection - ED) o sul rilevamento del tipo di segnale occupato.

Se il canale non è libero, il dispositivo si disattiva per evitare collisioni con altri dispositivi. La selezione della frequenza del canale è un altro aspetto importante per garantire una trasmissione e una ricezione dei dati efficienti.

• Un periodo di tempo casuale e riprova. L'arretramento casuale e il tentativo si ripetono finché il canale non si libera o il dispositivo raggiunge il numero massimo di tentativi definito dall'utente.
• Come abbiamo osservato, lo standard IEEE specifica due PHY basati sul 802.15.4 (DSSS):
• Direct Sequence Spread Spectrum - 868 MHz/915 MHz con 11 canali, di cui:
• Canale 868 (20 Kb/s) nella banda europea degli MHz;
• Canali 1-868 (40 Kb/s) in banda ISM 915 (902 MHz);
• Canali 10-928 GHz con 16 canali (250 Kb/s).
• Si definiscono due tipi di dispositivi:
• Fully Function Device (FFD): può operare come dispositivo, come coordinatore o come coordinatore PAN. Prevede qualsiasi topologia di rete e fornisce servizi di sincronizzazione ad altri dispositivi. Inoltre parla con qualsiasi altro dispositivo.
• Reduced Function Device (RFD): può operare solamente come dispositivo. Prevede solamente la topologia a stella.

stella e non può diventare un coordinatore di rete. Inoltre parla solo con un coordinatore di rete, ovvero comunica solo con FFD (in modo diretto o indiretto). Questo comporta un'implementazione molto semplice.

Quindi si prevedono le seguenti topologie:

• Topologia a stella: i dispositivi possono comunicare solamente attraverso il nodo centrale, costituito da un coordinatore PAN. I dispositivi Slave possono essere dispositivi FFD o anche dispositivi RFD, mentre il Master dovrà per forza essere un dispositivo FFD.
• Topologia Peer-To-Peer (o ad albero): rappresenta una rete Mesh in cui qualsiasi FFD in una rete Peer-To-Peer può svolgere il ruolo di coordinatore PAN. Un modo per decidere quale dispositivo sarà il coordinatore PAN è scegliere il primo FFD che inizia a comunicare come coordinatore PAN. In una rete Peer-To-Peer tutti i dispositivi che partecipano alla trasmissione dei messaggi sono FFD.

CAPITOLO 5. TECNOLOGIE ABILITANTI PER IOT 119

per mezzo di ZigBee formano una rete chiamata Personal Area Network (PAN).

Sullo stesso canale fisico costituiscono una WPAN che include almeno un FFD (coordinatore PAN). Ciascuna PAN indipendente selezionerà un identificativo PAN univoco.

CAPITOLO 5. TECNOLOGIE ABILITANTI PER IOT 120

Una rete può scegliere di usare un indirizzamento a 64 bit o a 16 bit. In particolare:

• Extended Address: indirizzo a 64 bit che rappresenta il "numero di serie" di un dispositivo di una qualche azienda. In condizioni normali, un indirizzo EUI-64 corretto è anche un numero univoco a livello globale. Quindi un'azienda produttrice potrà assegnare ai propri dispositivi un codice con un prefisso che gli è stato assegnato e la rappresenta.
• Short Address: indirizzo a 16 bit che ogni dispositivo riceve dal coordinatore della rete dopo la fase di associazione alla rete stessa. Può essere utilizzato solo all'interno della rete a cui si è associati e viene mantenuto finché il dispositivo non abbandona la rete.

(con una procedura specifica). L'indirizzo è solitamente riservato per le comunicazioni broadcast pertanto in una PAN possiamo indirizzare fino a 65535 dispositivi.

Media Access Control (MAC): gestisce l'associazione e la dissociazione dei dispositivi dalla rete. Prevede il supporto per diverse topologie di rete e dispositivi di rete. Definisce l'accesso al mezzo (modalità di funzionamento e l'accesso al canale CSMA/CA.

Prevede due diversi tipi di meccanismi di accesso al canale in base alla configurazione della rete:

• Nelle reti non abilitate ai beacon prevede un meccanismo di accesso al canale Unslotted CSMA/CA.
• Nelle reti abilitate ai beacon prevede un meccanismo di accesso al canale Slotted CSMA/CA.

In entrambi i casi, l'algoritmo è implementato utilizzando unità di tempo per periodi di backoff.

In particolare per le reti abilitate ai beacon si definisce una struttura detta Superframe.

In questo caso un beacon di rete contenente le informazioni relative alla rete viene inviato dal coordinatore PAN. Tale sistema viene utilizzato per sincronizzare ogni dispositivo con l'inizio delle operazioni senza contesa. Un Superframe è diviso in due periodi: - Periodo inattivo: tutte le stazioni dormono. - Periodo attivo: viene suddiviso in slot che possono essere ulteriormente suddivisi in due periodi, ovvero un periodo di accesso alla contesa (in cui tutti i dispositivi possono accedere liberamente al canale) ed un periodo libero da contese (in cui un dispositivo può avere un periodo di tempo riservato). macBeacon order La durata delle diverse porzioni è descritta dal (BO) e dal macSuperframeOrder (SO). In particolare: - BO determina la lunghezza dell'intervallo di beacon a cui il coordinatore invia i suoi beacon frame. - SO determina la durata del periodo attivo. CAPITOLO 5. TECNOLOGIE ABILITANTI PER IOT 121 Il coordinatore PANpuò assegnare fino a sette slot temporali garantiti (Guaranteed Time Slots - GTS). Un GTS può essere costituito da più slot, tutti assegnati a un singolo dispositivo, sia per la trasmissione (t-GTS) sia per la ricezione (r-GTS). Un GTS può essere disassegnato in due modi: - In qualsiasi momento, a discrezione del coordinatore PAN. - Dal dispositivo che ha originariamente richiesto il GTS. Un frame di dati trasmesso in un GTS assegnato deve utilizzare solo l'indirizzamento breve. Un dispositivo deve tentare di assegnare e utilizzare un GTS solo se sta attualmente seguendo il beacon. Se un dispositivo perde la sincronizzazione con il coordinatore PAN, tutte le sue allocazioni vengono disattivate.