4. Protocolos

Para ocorrer a troca de dados entre os sensores se torna necessária a definição de uma forma de comunicação entre os nós. Para isso se usam diferentes padrões de comunicação implementados na forma de protocolos que podem atuar na camada física ou de enlace. Dentre as possibilidades se destacam o uso dos seguintes protocolos.

4.1. Wi-Fi (IEEE 802.11):

O padrão 802.11 surgiu no IEEE devido a necessidade padronizar as comunicações sem fio. Inicialmente tentou se usar protocolos usados no ambiente com fio para esta finalidade, por exemplo o 802.3 (Ethernet). No entanto este apresentou problemas que inviabilizavam seu uso para este meio. O padrão 802.11 supriu estas demandas com soluções na camada física (PHY) e na camada de médio acesso(MAC).

Este protocolo é amplamente utilizado o que gerou várias versões aprimoradas, entre elas:
802.11a: frequência de operação de 5,8GHz; velocidade máxima de 54Mbps (dentro dos padrões IEEE) e até 64 utilizadores por ponto de acesso.
802.11b: frequência de operação de 2,4GHz; taxa de transmissão máxima de 11Mbps (no padrão IEEE) e até 32 utilizadores por ponto de acesso.
802.11g: frequência de operação de 2,4GHz; velocidade de transmissão de 54Mbps.
802.11n: frequências de operação 2,4 e/ou 5GHz; taxas de transferência de 65Mbps a 300Mbps.

No entanto as soluções citadas fizeram com que os frames necessitassem de faixas de frequências largas e muita energia pra transmitir. Isto faz com que o Wi-Fi não seja tecnologia mais recomendada para o uso em redes de sensores sem fios quando comparada às outras opções.

4.2. Bluetooth:

A tecnologia Bluetooth foi desenvolvida pela Ericsson mas hoje em dia é comum em vários equipamentos eletrônicos de diversas companhias. Este tipo de comunicação utiliza frequências entre 2,4 e 2,485GHz, dentro da faixa ISM (industrial, scientific and medical), operam em curto alcance com taxa de transferência de até 24Mbps. Os dispositivos que usam esta forma de comunicação se organizam com relações mestre-escravo sendo que cada dispositivo mestre determina uma piconet que pode ter no máximo 7 dispositivos escravos. Além disso, dispositivos mestre podem se comunicar entre si estendendo a rede, sendo que estas, quando expandidas, recebem a denominação de scatternets.

Figura 4.1 - Duas piconets formando uma scatternet, retirada de [13].

Para garantir o correto endereçamento da mensagens cada equipamento é produzido com um código identificador pelo fabricante. Ao ser ligado, um equipamento que funcionará como mestre rastreia os equipamentos que são capazes de responder e estes trocam seus endereços. Assim passa a existir uma conexão de exclusividade, não permitindo que o dispositivo escravo seja acessado por outro possível mestre e endereçando corretamente as informações passadas pelo mestre. Dentro de uma piconet os dispositivos continuamente trocam as frequências utilizadas dentro da faixa disponível. Este mecanismo, chamado de frequency hopping, visa evitar interferências e possibilita a coexistência de diversos dispositivos e é definido por um algoritmo da especificação do bluetooth. Isto define a organização dos links entre escravos e mestre dentro de uma piconet no nível da camada física de forma que os dados são trocados em pacotes em ambos os sentidos nestes canais de frequência definidos.

Os protocolos desta tecnologia estão organizados em uma pilha dividida em três grupos lógicos nas camadas intermediárias com diferenças em relação ao modelo OSI [13]. O grupo de protocolos de transporte são responsáveis por funções típicas da camada física e de enlace do modelo OSI, assim este grupo de protocolos são responsáveis pela localização de outros dispositivos bluetooth e gerenciamentos de suas ligações. Neste grupo se encontram as camadas de rádio frequência (RF), Baseband, Link Manager, Logical Link Control and Adaptation (L2CAP).

O segundo grupo da pilha é o de protocolos de middleware. Este grupo de protocolo serve como interface para outros padrões industriais permitindo-lhes que operem sobre os links e protocolos de transporte destas redes.

O último grupo, o de aplicação, consiste no uso em si das ligações da rede em suas aplicações podendo estas serem específicas ou não para a tecnologia bluetooth.

Figura 4.2 - Disposição da camada de protocolo e seus usos.

A tecnologia bluetooth necessita de um hardware como no mínimo seis componentes de hardware, dos quais dois são responsáveis pelo gerenciamento dos protocolos, Host Controller e Link Control Processor, e quatro pela geração da ondas de rádio em si.

No entanto o consumo de energia dos dispositivos em espera relativamente alto e, consequentemente, a pequena vida útil das bateria nesta aplicação, são características que tornam esta tecnologia pouco competitiva em relação a utilização em redes de sensores sem fio de maior extensão.

4.3. Z-Wave:

Z-Wave é uma tecnologia proprietária que vem sendo usada no âmbito da domótica. Esta área demanda vasta utilização de sensores para obter as informações sobre o ambiente doméstico e automatizá-lo. Apesar de ser uma tecnologia considerada tendência para sua área de aplicação, ainda possui altos custos, sendo pouco utilizada.

4.4. ZigBee (IEEE802.15.4):

Este tipo de protocolo apresenta dois tipos de dispositivos, os completamente funcionais e os de funcionalidade reduzida. Os completamente funcionais podem desempenhar qualquer das funções dentro da rede, podendo ser usados como coordenadores, sensores ou ainda como roteadores. Enquanto os de funções reduzida nas redes de sensores sem fio podem operar apenas como sensores apenas enviando dados, ou seja, como pontas das redes.

Esta tecnologia permite a construção de redes de dois tipos, em estrela ou ponto a ponto.

Na configuração em estrela o sistema é centralizado, um dispositivo chamado de coordenador chamado de PAN controla os demais. Existe a possibilidade da alimentação do PAN ser contínua enquanto a dos demais dispositivos ser feita por baterias. Essa topologia normalmente este tipo de arranjo é utilizado em aplicações médicas e em automação residencial. Assim um dispositivo de funcionalidade completa pode desempenhar a função de PAN permitindo que outros dispositivos se liguem a ele. Assim cada dispositivo com o mesmo padrão de comunicação que é inicializado dentro do alcance de um controlador PAN pode se ligar a este passando a ter um endereço único de até 64 bits e se torna dedicado, ou seja não podendo mais ser acessado por outra rede. Desta forma cada rede estrela pode operar de forma independente dentro de uma mesma região.

Figura 4.3 - Topologia estrela, retirada de [4]

Na Figura 3 são representados dispositivos em uma topologia estrela na qual o círculo verde representa um dispositivo de funcionalidade completa agindo como Coordenador PAN e os azuis dispositivos de funcionalidade reduzida que devem atuar como sensores em uma RSSF.

As configurações ponto a ponto se diferem da estrela principalmente em relação a exclusividade das ligações. Nessa topologia os dispositivos de funcionalidade completa podem se comunicar com seus pares dentro de seu alcance podendo operar como roteadores. Isto permite redes mais complexas que podem apresentar a formação em malha ou em árvore. Nas redes em malha boa parte dos dispositivos são de funcionalidade completa e funcionam como roteadores permitindo que se formem 'ramos'.

Figura 4.4 - (esquerda) Rede em malha simples, retirada de [4]

Figura 4.5 - (direita) Rede em árvore, retirada de [4]

Tais redes, devido a sua maior versatilidade e capacidade de enviar as mensagens de um ponto do ramo para o PAN, tem sido mais usadas em áreas como controle industrial e monitoramento agrário.

A configuração destas redes são implementadas principalmente nas camada física e de enlace, principalmente na subcamada de acesso a camada física, MAC. A primeira define os canais de transmissão de dados, a ativação e desativação dos transceptores e é responsável pré organização dos pacotes de dados. Já a subcamada MAC permite o acesso das informações por outros protocolos IEEE de camadas superiores. No entanto a ZigBee Aliance define camadas de rede e de suporte a aplicação, além citadas anteriormente que são padronizadas pelo IEEE802.15.4. A camada de rede é responsável pela organização dos dispositivos e de suas funções na configuração na qual a rede está operando além das rotas das mensagens dentro malha de comunicação.

A camada física define frequências que não necessitam de licenciamento 2.4GHz, 869 e 915MHz. Nestas frequências existe canais para transmissão de dados a 250Kbps para a de maior frequência, de 40Kbps para a frequência de 915MHz e de 20Kbps para a de menor frequência. Uma das vantagens desta configuração é a baixa taxa de erros inerentes a suas modulações. A camada física ainda organiza os dados pelo PPDU (PHY Protocol Data Unit) que consiste em um cabeçalho de sincronização, que inclui o preâmbulo, um cabeçalho para a camada física, que dita o tamanho do quadro, e um cabeçalho de unidade de serviço de dados.

Na configuração ponto a ponto, mais complexa, se apresentam 3 tipos de comunicação entre os dispositivos. Transmissão de dados para o coordenador, transmissão do coordenador para um dispositivo e transferência de dispositivo para dispositivo. A configuração estrela é um caso em particular. Para o funcionamento destes três tipos de comunicação é necessária a subcamada MAC que as organiza gerando os canais de sincronização, implementa a associação e dissociação dos dispositivos na rede e, ainda, gerencia o tempo de acesso ao canal de cada dispositivo.

A composição destas camadas pode ser abstraída de forma simplificada como uma máquina de estados dos dispositivo da rede que é mostrada a baixo. Os dispositivos ficam no estado 0 até receber um pacote para seu endereço. Quando isto acontece o dispositivo verifica se é um enquire ou um pacote de dados, caso seja um enquire vai para o estado 1, no caso de haver dados para serem enviados. Uma vez no estado 1 o dispositivo envia um NACK e volta para o estado 0. No estado 2 envia um ACK para o remetente da mensagem e passa para o estado 3. No estado 3 envia ou recebe a mensagem, se o tempo expirar volta para o estado 0, caso seja bem sucedida vai para o estado 4. No estado 4 ele aguarda um ACK do destinatário.

Figura 4.6 - Máquina de estados ZigBee, retirada de [17]

Concluindo, devido ao baixo consumo de energia e custo e melhor escalabilidade em relação as demais possibilidades, a tecnologia ZigBee vem sendo a mais empregada no desenvolvimento de redes sem fio. Apesar da baixa potência as comunicações entre duas unidades podem ser replicadas até atingir um destino final específico.