( ) (2.3) em que K é o numero do canal
Na Figura 2.3 podem-se observar as três frequências mencionadas com os seus respectivos canais.
Figura 2.3 - Características de cada banda de comunicação.
2.2.3 Especificações de camada de acesso ao meio (MAC)
A camada MAC oferece a interface entre a camada física e a camada de rede definida pela ZigBee Alliance. Esta camada tem como principal funcionalidade controlar o acesso aos canais de radiofrequência, sendo para isso necessário apresentar mecanismos de prevenção de colisão tais como o CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access –
Collision Avoidance)[23].
A camada MAC também é encarregue de executar as seguintes funções[23]: Gerar beacons, se o dispositivo é um coordenador;
Sincronizar o dispositivo na rede beacon; Usar o CSMA-CA para aceder ao canal;
Gerir canais de acesso GTS (Guaranteed Time Slot);
Fornecer uma ligação confiável entre duas entidades MAC iguais de dois dispositivos diferentes;
Fornecer serviços de associação e dissociação PAN;
Fornecer suporte para segurança; a camada MAC é responsável pelo seu processamento seguro, mas as camadas superiores determinam qual é o nível de segurança que deverá ser utilizado.
2.2.3.1 Tipos de dispositivos
O grupo de trabalho IEEE 802.15.4 distingue os dispositivos com base no hardware e capacidade[19]. De acordo com o padrão existem duas classes de dispositivos: Full Function Device (FFD) e Reduce Function Device (RFD)[19]. As FFD são dispositivos robustos
a nível de hardware, com o intuito de suportar uma maior funcionalidade e características suportadas pelo protocolo, assumindo desta forma múltiplas responsabilidades na rede para além de poderem comunicar com outras redes. Têm um consumo energético superior
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às RFD, porque os dispositivos lógicos não podem ser colocados em modo de adormecimento, enquanto nas RFD essa funcionalidade é possível. As RFD, em relação às FFD, apresentam uma maior simplicidade a nível de hardware, sendo compatíveis com microcontroladores de 8 bits e comunicam apenas com dispositivos físicos FFD.
O ZigBee diferencia basicamente três tipos de dispositivos lógicos, que são o coordenador, o router e o end-device. A Tabela 2.3 apresenta as possíveis combinações entre os vários tipos de dispositivos numa rede ZigBee.
Tabela 2.3 - Tipos de dispositivos numa rede ZigBee
Dispositivo lógico
Dispositivo físico Coordenador Router End-device
Full Function Device Sim Sim Sim
Reduce Function Device Não Não Sim
O coordenador é um dispositivo físico FFD e é o único nó mandatário numa rede
ZigBee. É responsável pela gestão de actividades na rede tais como:
seleccionar um canal e uma PAN ID para inicialmente formar uma rede; admitir outros nós na rede (routers e end-devices);
atribuição de endereços de rede
Como o coordenador é um nó que processa muita informação e tem de estar no modo acordado é aconselhável que esteja constantemente ligado a uma fonte de energia estável e confiável[24].
O router também é um dispositivo físico FFD mas tem como principal função o reencaminhamento da informação (dados). Actua como um dispositivo intermediário para interligar os vários dispositivos lógicos na rede e reencaminhar mensagens através de vários saltos (multihop)[5].
O nó terminal (end-device) pode assumir os dois tipos de dispositivos, sendo o mais comum o RFD. Estes nós comunicam apenas com routers ou com o coordenador. Não têm a capacidade de retransmitir mensagens provenientes de outros nós terminais[5]. A Figura 2.4 ilustra um exemplo de uma rede ZigBee formada com os três tipos de dispositivos lógicos mencionados.
23 Baseadas nestes três tipos de dispositivos, uma ZigBee PAN pode ser organizada em uma das três topologias seguintes: estrela, árvore ou malha (ponto-a-ponto). Os três tipos de topologias de rede são ilustrados na Figura 2.5.
A fim de transmitir mensagens com dados de um lado para outro na rede, um pacote será reencaminhado várias vezes pelos routers intermediários. Este processo requer mecanismos inteligentes de descoberta que dependem da topologia empregue[24].
Figura 2.5 - Topologias de rede.
A topologia em estrela é a mais simples das topologias numa rede ZigBee e contém um único coordenador com até 65.536 terminais. O coordenador é responsável por inicializar e manter os terminais na rede. Após inicialização os terminais só podem comunicar com o coordenador.
Na topologia em árvore a relação parent-child é directamente utilizada. Cada nó pertencente a nível hierárquico superior é designado por parent, pelo que o nó que lhe fica associado é designado por child. Este tipo de topologia é adequado para aplicações tolerantes a latência. Como desvantagem, no caso de um nó intermédio falhar, a mensagem não alcançará o destino porque não existe um caminho alternativo (links).
De modo a garantir a fiabilidade numa rede ZigBee, a topologia malha é a mais adequada. A configuração em malha permite a formação de múltiplos caminhos (links) entre os nós utilizando o protocolo de encaminhamento Table-driven. Este protocolo tem por função fazer com que cada nó mantenha em memória uma ou mais tabelas de encaminhamento referentes aos nós existentes na rede[25].
Como esta topologia apresenta múltiplos caminhos, pelos quais a informação pode fluir, constata-se que é a topologia mais tolerante em caso de haver falhas, sejam provenientes dos nós ou dos caminhos pois apresenta um caminho alternativo para que a informação chegue ao destinatário, neste caso, o coordenador.
2.2.3.2 Modos de operação
O coordenador pode operar a rede com recurso a uma estrutura designada por super-
frame. No caso de ela estar presente o modo de operação é designado por beacon, caso
contrário será non-beacon Modo beacon
Neste modo, o coordenador da rede transmite periodicamente um frame que é utilizado pelos dispositivos para a sincronização e determinação do envio e recebimento
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das mensagens. Este modo é usado quando o coordenador opera sobre baterias e assim oferece uma maior economia da bateria
Modo non-beacon
É um modo que requer o coordenador sempre “acordado”, fazendo com que haja um maior consumo energético. Neste modo qualquer dispositivo pode comunicar com o coordenador a qualquer momento.