3.Protocolos

Os protocolos são responsáveis pela formação e controle de aplicações de uma rede, são eles que controlam o funcionamento e as principais características da rede. Com o aparecimento e aumento das redes de sensores sem fio se tornou cada vez mais importante a escolha de protocolos que tenham como metas a redução do consumo energético e segurança da rede. Os protocolos também devem levar em consideração as características impostas pela comunicação sem fio: grande atenuação, as características do canal variam com o tempo, alta taxa de erro e as várias reflexões do sinal que chegam ao receptor, em fases diferentes. Não há regra quanto à utilização de protocolos, geralmente estes são escolhidos conforme as necessidades do projeto envolvido.

3.1 Métodos de acesso ao meio

Visando a comunicação sem fio foram criados vários protocolos, com o objetivo de melhorar o desempenho deste tipo de enlace. Protocolos que atuam nas camadas de enlace e física do modelo OSI de forma a reduzir as perdas causadas pelo meio. Serão apresentados a seguir protocolos usados como base no desenvolvimento de protocolos de acesso ao meio em RSSF:

1.CDMA (Code Division Multiple Access):

A tecnologia CDMA é um sistema de múltiplo acesso que permite a separação de sinais que coincidam no tempo e na freqüência. Todos os sinais compartilham o mesmo espectro de freqüência, cada sinal é codificado, através de um código específico para cada usuário, e espalhado por toda largura de banda, como um ruído para todos os usuários. A identificação e demodulação do sinal ocorrem no receptor, quando é aplicada uma réplica do código utilizado para o espalhamento de cada sinal na transmissão. Este processo retorna com o sinal de interesse, enquanto descarta todos os outros sinais como sendo interferência.Utilizados no Bluetooth.

2.CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance):

Esta técnica consiste em escutar o meio antes do envio de um pacote, uma forma de evitar colisões e conseqüentemente a retransmissão de pacotes. A característica que evita colisões é a utilização de um tempo de espera aleatório para acesso ao meio (backoff time). Seu funcionamento ocorre da seguinte maneira, escuta-se o meio até que este se encontre livre, a partir daí ocorre um tempo de atraso aleatório onde os dispositivos interessados no envio de pacotes concorrem para acessar o meio. Ocorrida a transmissão bem sucedida do quadro, começa outra disputa para envio de pacotes. No caso de colisão um contador é incrementado e ocorre uma nova tentativa de transmissão, quando o contador chega a um limite cessam as tentativas de retransmissão e o pacote não é entregue. Nesta técnica existem dois tipos de espaços entre quadros, SIFS (Short Inter-Frame Space) e DIFS (Distributed Inter-Frame Space). SIFS é o tempo entre o envio de um pacote e o recebimento do ACK deste pacote pela fonte e DIFS é o tempo ao termino da transmissão que é dividido em pequenos slots, onde os dispositivos interessados a enviar arquivos acessam o meio, DIFS possui duração maior que o SIFS e ambos são múltiplos do tempo de cada slot.

Fluxograma do CSMA/CA - Figura 4

3.TDMA (Time Division Multiple Access):

Neste tipo de técnica o tempo de ocupação do meio é dividido entre os dispositivos que utilizam o meio. Cada dispositivo tem um tempo Td para transmitir um quadro, após este tempo a transmissão cessa e o próximo dispositivo tem sua vez de acessar o meio. O tempo de um ciclo é o número de dispositivos do meio vezes o tamanho da janela de tempo (Td), ao fim de uma transmissão o mesmo dispositivo só poderá acessar o meio em um novo ciclo.

Divisão TDMA - Figura 5

Conforme descritas acima ambas as técnicas têm suas vantagens, abaixo encontra-se um pequeno quadro comparativo entre ambas.

Comparando CSMA/CA com TDMA - Tabela 1

Apesar das vantagens protocolos baseados em TDMA não são muito utilizados, atualmente encontram-se vários estudos sobre a utilização desta técnica em RSSF. Os padrões atualmente em uso da IEEE em redes de sensores sem fio são 802.11 (Wi-Fi), 802.15.4 e 802.15.1 (Bluetooth – camda de acesso ao meio).

3.2 Padrões

3.2.1 Wi-Fi (802.11):

A utilização do Wi-Fi em redes de sensores se deve ao enorme sucesso deste tipo de protocolo pelo mercado, ele tem como base um protocolo CSMA/CA e possui dois modos de operação um CSMA/CA comum e outro com o RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send). Este último modo de operação surgiu com o objetivo de eliminar o problema do terminal escondido, problema comum em RSSF devido ao grande número de nós dentro de uma rede. Para solucionar este tipo de problema foram implantados RTS e CTS, assim quando uma estação deseja enviar uma mensagem ela envia um RTS para e estação receptora, esta envia um CTS ao meio cessando temporariamente o envio de pacotes das estações a sua volta, liberando o meio para o envio do pacote da primeira estação, evitando colisões causadas por terminais escondidos. O Wi-Fi faz uso do beaconing para tornar possível a comunicação mesmo com condições ruins.

A operação do Wi-Fi utiliza a banda ISM, banda de livre acesso, na faixa de 2,4 GHz ou 5 GHz, dependendo do país. Utiliza a técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), para evitar ruídos. Devido ao grande sucesso os padrões rapidamente evoluíram e ganharam pequenas modificações, dentre os mais importantes podemos citar:

3.2.2 IEEE 802.15.4:

É um padrão similar ao 802.11, utiliza a técnica DSSS de forma a evitar ruídos. Utiliza faixa de freqüência de 2,4 GHz e chega a uma taxa de transmissão de 250 kilobits por segundo. O método CSMA/CA em conjunto com a técnica GTS (Guarantee Time Slots) para evitar colisões.

O GTS funciona da seguinte maneira. Será definido no sistema um nó coordenador que define os slots de tempo para o acesso de cada nó vizinho direto ao meio, existem dezesseis possíveis slots. Primeiramente, um nó envia ao coordenador uma mensagem GTS, então o nó coordenador envia um beacon indicando o slot alocado e o número de slots garantidos ao nó que deseja enviar a mensagem. O CSMA/CA ainda é usado, pois ainda sim é necessário um controle para envio de mensagens GTS, além de quadros especiais como Ack’s não necessitam do GTS.

Uma das novas funcionalidades do 802.15.4 é detectar a energia do canal, a idéia é saber o quanto de energia está trafegando no meio antes de usá-lo. Uma forma de utilizar canais mais livres evitando a retransmissão. Se houver muita energia no canal significa que há muita atividade, seja de ruídos, interferência ou da própria rede, assim a transmissão só ocorrerá por este canal quando a energia está abaixo de um limite, ajustado pelo gerente da rede. Ao analisarmos esta nova funcionalidade aliada ao CSMA/CA obtemos uma melhora significativa na quantidade de pacotes entregues ao destinatário, evitando transmissão com o canal ocupado, interferência e/ou ruídos.

O IEEE 802.15.4 é considerado um protocolo de baixo consumo, pois vem preparado para ser usado por períodos de atividades seguidos de períodos de grande inatividade. Isto significa que o nó pode se manter em standby por um grande período de tempo e ativar suas funcionalidades somente quando necessárias, economizando energia. A sincronização da rede permite que todos os nós durmam e acordem ao mesmo tempo para formar a rede e transmitir os pacotes só quando realmente for necessário.

3.2.3 IEEE 802.15.1:

Consiste no padrão utilizado pelo protocolo Bluetooth para acesso ao meio físico, utilizado para aplicações que necessitam de uma média taxa de dados atrelada ao pequeno alcance. Utiliza uma freqüência de 2,4 GHz em conjunto com saltos em freqüência (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) feito numa razão de mil e seiscentos saltos por segundo e um alcance de, normalmente, 10 metros podendo ser amplificado até 100 metros. Utiliza tecnologia CDMA para fazer o acesso múltiplo. Possui uma taxa máxima de transmissão de 1 megabit por segundo.

Os últimos 2 padrões de acesso ao meio são muito importantes, os dois projetos de maior sucesso para transmissão em RSSF foram criados tendo como base tais padrões, o Bluetooth  e o ZigBee.

3.3 Projetos

3.3.1 Bluetooth:

O Bluetooth é um padrão primeiramente desenvolvido para conexão de dispositivos moveis no ambiente do dia a dia, como celulares, GPS, entre outros. Este tem como base o padrão IEEE 802.15.1 para acesso ao meio e por isso utiliza o CDMA, onde o código de acesso é sempre enviado no início de cada pacote.

O Bluetooth é classificado com relação ao alcance e a potência de transmissão utilizada:

A estrutura de uma rede deste tipo é baseada em piconets, que é o conjunto de 7 dispositivos escravos e um mestre. A comunicação entre piconets é feito pelos dispositivos mestres, uma rede com mais de um piconet é denominada scatternet. Para evitar a colisão entre as múltiplas transmissões de dispositivos escravos, o dispositivo mestre utiliza uma técnica chamada polling, que permite somente ao dispositivo indicado no slot mestre para escravo transmitir no slot escravo para mestre seguinte.

O Bluetooth alia os protocolos de acesso ao meio do IEEE 802.15.1 com os protocolos de camadas superiores de modo a gerenciar aplicações e a rede de forma bastante eficiente e robusta.

3.3.2 ZigBee:

O padrão ZigBee é normalmente confundido com o padrão IEEE 802.15.4 porém o padrão IEEE 802.15.4 define as 2 primeiras camadas, seguindo o modelo OSI, e o padrão ZigBee define as camadas acima.

Este padrão oferece basicamente 4 tipos de serviços: encriptação, associação e autenticação (somente nós validados podem entrar na rede), protocolos de roteamento (um protocolo reativo de redes ad-hoc foi implementado) e um serviço de aplicação com a introdução do conceito de cluster, assim cada nó pertence a um cluster pré-definido e pode tomar somente determinadas ações.

ZigBee tem como objetivo organizar as RSSF. A primeira coisa que um nó que quer entrar na rede tem de fazer é pedir ao nó coordenador um endereço de 16 bits, endereço somente local. Neste passo a autenticação e encriptação são feitas.

A rede ZigBee possui uma topologia estrela e existem diferentes tipos de nós, os coordenadores, roteadores e sensores. Coordenador é o dispositivo mestre que rege a rede, os roteadores roteiam as informações dos nós sensores e os sensores coletam estas informações. Com isso surgem pequenas regras a serem seguidas para a implementação da rede: nós sensores se conectaram sempre a um nó roteador ou coordenador; nós roteadores podem conectar-se entre si ou com o nó coordenador; nós roteadores e coordenadores nunca entram em modo standby, eles devem guardar em seus buffer’s pacotes que irão aos nós sensores que estão em standby. Esta última característica leva aos nós coordenadores e roteadores a não ser alimentado por baterias ou terem estas constantemente trocadas.

Nós	Topologia

Figura 6

Para comparação de ambos os padrões segue a tabela abaixo mostrando as principais características da implementação de cada rede.

Com base na tabela e nas análises fornecidas é clara a vantagem do uso do ZigBee sobre o Bluetooth, devido principalmente a necessidade de poupar energia aliada a uma taxa razoável, como a fornecida pelo ZigBee.