Uma LR-WPAN é uma rede de comunicação simples e de baixo custo que permite conectividade sem fio em aplicações com potência limitada e requisitos de transferência reduzidos. As principais características de uma LR-WPAN são a facilidade de instalação, a transferência confiável de dados, o uso de baterias de razoável vida útil e o custo extremamente baixo, mantendo um protocolo simples e flexível.
Dois tipos de dispositivos diferentes podem participar de uma rede IEEE 802.15.4: um dispositivo de função completa (FFD) e um dispositivo de função reduzida (RFD). Um FFD é um dispositivo que é capaz de servir como um coordenador de rede de área pessoal (PAN) ou um coordenador roteador. Um RFD é um dispositivo que não é capaz fazer isso. Destina-se a aplicações que são extremamente simples, como um interruptor de luz ou um sensor de infravermelho passivo; não é necessário enviar grandes quantidades de dados e apenas associa-se com um único FFD de cada vez. Consequentemente, o RFD pode ser implementado usando mínimos recursos e capacidade de memória.
Um sistema conforme que segue este padrão é composto por vários componentes. O mais básico é o dispositivo. Dois ou mais dispositivos que se comunicam no mesmo canal físico constituem uma WPAN. No entanto, esta WPAN inclui pelo menos um FFD, que funciona como o coordenador PAN. Uma área de cobertura bem definida não existe para mídia sem fio porque as características de propagação são dinâmicas e incertas. Pequenas mudanças de posição ou direção muitas vezes resultam em diferenças drásticas na força ou qualidade do sinal do link de comunicação. Esses efeitos variam se um dispositivo é estacionário ou móvel, pois os objetos em movimento afetam a propagação do sinal de estação para estação.
Na configuração da topologia de rede da norma IEEE 802.15.4 são necessários o PAN coordenador, o coordenador e o end device. O PAN coordenador tem como função a criação da rede sem fio, enquanto o coordenador roteia as informações e os end devices possuem tarefas mais simples e reduzidas.
Dependendo dos requisitos do aplicativo, um IEEE 802.15.4 LR-WPAN pode operar em duas diferentes topologias: a topologia em estrela ou a topologia peer-to-peer.
Na topologia em estrela, a comunicação é estabelecida entre dispositivos e um único controlador central, chamado coordenador PAN. Um dispositivo normalmente possui alguma aplicação associada e é o ponto de início ou o ponto de término para comunicações de rede. Um coordenador PAN também pode ter uma aplicação específica, mas pode ser usado para iniciar, finalizar ou rotear a comunicação em torno da rede. O coordenador PAN é o controlador primário do PAN. Todos os dispositivos que operam em uma rede de topologia possuem endereços exclusivos, denominados endereços estendidos. Um dispositivo usará o endereço estendido para comunicação direta dentro do PAN ou o endereço curto que foi atribuído pelo coordenador PAN quando o dispositivo foi associado.
O coordenador PAN será frequentemente alimentado por rede elétrica, enquanto os dispositivos provavelmente serão alimentados por bateria. As aplicações que beneficiam de uma topologia em estrela incluem automação residencial, periféricos de computadores pessoais (PC), jogos e cuidados de saúde pessoais.
A topologia peer-to-peer também possui um coordenador PAN; no entanto, ela difere da topologia em estrela, na medida em que qualquer dispositivo pode se comunicar com qualquer outro dispositivo, desde que estejam no alcance um do outro. A topologia peer-to-peer permite a implementação de formações de rede mais complexas, como a topologia de rede de malha.
Aplicativos como controle e monitoramento industrial, redes de sensores sem fio, rastreamento de ativos e inventário, agricultura inteligente e segurança se beneficiam dessa topologia de rede. A rede peer-to-peer permite múltiplos saltos para rotear mensagens de qualquer dispositivo para qualquer outro dispositivo na rede. Tais funções podem ser adicionadas na camada superior, mas não fazem parte deste padrão. Cada PAN independente seleciona um identificador exclusivo. Este identificador PAN permite a comunicação entre dispositivos dentro de uma rede usando endereços curtos e permite transmissões entre dispositivos em redes independentes.
Após a ativação de um FFD, ele pode estabelecer sua própria rede e se tornar o coordenador PAN. As redes de todas as estrelas operam independentemente de todas as outras redes estelares atualmente em operação. Isto é conseguido escolhendo um identificador PAN que atualmente não é usado por nenhuma outra rede dentro do alcance das comunicações de rádio. Uma vez escolhido o identificador PAN, o coordenador PAN permite que outros dispositivos, tanto os FFD quanto os RFDs, se juntem à sua rede.
Em uma topologia peer-to-peer, cada dispositivo é capaz de se comunicar com qualquer outro dispositivo dentro da sua faixa de comunicação de rádio. Um dispositivo é nomeado como o coordenador PAN, por exemplo, em virtude de ser o primeiro dispositivo a se comunicar no canal. Outras estruturas de rede são construídas a partir da topologia peer-to-peer, e é possível impor restrições topológicas sobre a formação da rede.
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