Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

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Com os avanços tecnológicos, as RSSF se desenvolveram bastante e, atualmente, existem diversas aplicações para elas, de um simples monitoramento de temperatura de um ambiente a aplicações no ramo da medicina para monitoramento de pacientes.

2. Padrão 802.15.4

O IEEE (Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica) é uma organização profissional, que tem como objetivo promover o desenvolvimento tecnológico em benefício da sociedade através de palestras, atividades, publicações que auxiliam nas padronizações de diversas tecnologias relacionadas. Uma dessas normas é a WPAN (Wireless Personal Area Network) 802.15.4 que é alvo desses trabalho.

A norma 802.15.4 define prevê a ligação entre dispositivos sem a utilização de fios a umas distância de até 300 metros. O padrão existe para garantir as especificações de redes pessoais com baixo custo, baixa potência e baixa taxa de dados.

A Norma IEEE 802.15.4 fornece especificações sobre a camada física e camada de acesso ao meio para redes sem fios de débito baixo e consumo reduzido. Na Figura 1 pode-se verificar as subcamadas definidas pelos protocolos de redes sem fio, onde é possível observar a camada física (PHY) e Media Access Control (MAC) pertencente ao IEEE 802.15.4.

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Figura 1 – Wireless Network Protocol. Fonte: EATON, Embedded Systems & Communications

2.1 CAMADA PHY (FÍSICA)

A camada física segue o protocolo 802.15.4 sendo responsável por permitir a transmissão das PDUs (Protocol Data Units), que são as unidades de dados. Esta transmissão é efetuada com base em ondas rádio.

O padrão 802.15.4 especifica as seguintes características para a camada física:

- Existência de 3 bandas de frequência contidas em 27 canais (1ª Versão da Norma IEEE 802.15.4).

- Define as modulações distribuídas nas 3 bandas de frequência.

- Possibilidade de configurar diversos níveis de segurança.

- Permite o endereçamento automático dos dispositivos.

- Possibilidade de confirmação de mensagens por intermédio de uma trama do tipo beacon.

- Acesso ao meio efetuado pelo método CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance).

2.1.1 FREQUÊNCIAS DE UTILIZAÇÃO (ISM)

O IEEE 802.15.4 trabalha sobre as bandas de frequências denominadas como ISM (Industrial Scientific Medicine) de 868MHz (Europa), 915MHz (EUA) e 2.4GHz (mundialmente), 950 MHz (Japão) e 780 MHz (China) que não precisa de ser licenciada. Na banda de 868MHz existe só um canal, e este embora permita apenas débitos binários até aos 20 Kbps, devido à sua baixa frequência, é o que sofre menos perdas de atenuação, permitindo oferecer uma maior área de cobertura.

Por sua vez nas bandas dos 915MHz e 2.4GHz estão disponíveis 10 e 16 canais respectivamente. Na banda dos 2.4GHz, que é a mais utilizada, o espaçamento entre canais é de 5MHz com uma largura de banda de 2.5MHz, podendo o débito binário pode atingir os 250kbps [7]. A banda de 950 MHz e de 780 MHz foram atribuídas depois de alguns anos, a primeira permite 22 canais, podendo atingir 20 kbp/s enquanto que a segunda permite até 8 canais com 40 kbp/s. A divisão de espectro de frequência nas bandas ISM pode ser verificada na figura 2.

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Figura 2 – Distribuição da Banda de Frequência. Fonte: Joe Dvorak, Motorola.

2.1.2 MODULAÇÕES BPSK E QPSK

As modulações utilizadas pelo padrão 802.15.4 são o BPSK (Binary Phase Shift Keying) e o OQPSK (Orthogonal-Quadrature Phase Shift Keying). Ambas utilizam modulações com desvio de fase no transmissor.

A modulação BPSK é codificada por apenas um bit e existe um desfasamento entre fases de 180º. No caso da modulação O-QPSK esta é codificada com quatro bits, o que permite que uma amostra quadro vezes maior que o BPSK, no entanto, a margem de erro para recuperação do sinal é quadro vezes menor. Na tabela 1 é possível ver respectivas frequências, suas modulações e seus ritmos binários.

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Tabela 1 - Comparativo entre diferentes tipos de Banda de Frequência. Fonte: Antunes, Luiz Pedro

2.1.3 SERVIÇOS DA CAMADA FÍSICA

A camada física é responsável por alguns serviços na troca de dados entre as camadas internas e no controle e configuração de rádio, dentre elas:

- Qualidade da Ligação - O receptor ao receber um pacote devolve outro pacote designado por LQI (Link Quality Indication), que permite avaliar a qualidade do sinal. O LQI fornece medições de força e qualidade do pacote recebido no receptor;

- Detecção de Energia do Receptor – Atributo utilizado para selecionar o canal que se encontra em melhores condições para transmissão e recepção;

- CS (Carrier Sense) – Identifica se o canal está livre para transmissão;

- Detecção de Canais Livres – A camada física é capaz de detectar se os canais estão ocupados;

- Potência do Transmissor e Sensibilidade da Recepção - Utilizada a tecnologia RSSI (Received Signal Strength Indication), com a finalidade de detectar a potência do sinal recebido.

2.1.4 ESTRUTURA DO QUADRO DA CAMADA FÍSICA

A estrutura da camada física é dividida em 4 partes: Preamble, Start of Packet Delimiter, Frame Length e PHY Service Data Unit (PSDU) conforme a figura 3.

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Figura 3 – Estrutura de Quadro da Camada Física. Fonte: Joe Dvorak, Motorola

Preamble – São os bits de sincronização;

Start of Packet Delimiter – Determina o começo dos dados a partir de um byte conhecido;

Frame Length – Indica o tamanho dos dados;

PHY Service Data Unit (PSDU) – Os dados da camada de enlace.

2.1.5 INTERFERÊNCIA COM FREQUÊNCIAS SIMILARES

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