Ieee 802.15.4e nel wirelessHART

1. Università degli studi dell’Aquila
Professore:
Fortunato Santucci
Esame:
Comunicazioni Wireless
Studenti:
Leombruni Daniele (danieleleombruni@gmail.com)
Liberatore Lorenzo (bubi86@hotmail.it)
Muttillo Vittoriano (vittoriano.muttillo@gmail.com)
IEEE 802.15.4e nel WirelessHART
A.A. 2014/2015

2. Indice
 WirelessHART
 Standard IEEE 802.15.4
 Gestione delle interferenze
 Standard IEEE 802.15.4e
 TSCH
 Channel Hopping
 Adaptive CH nel WirelessHart

3. WirelessHART
 WirelessHART è una tecnologia WSN basata sul protocollo HART (Highway
Addressable Remote Transducer) nata nel settembre 2007 e sviluppata dall'HART
Comunication Foundation [6].
 Il protocollo è stato pensato per migliorare le reti di sensori wireless a livello industriale in
termini di produttività, affidabilità e flessibilità.
 Utilizza un'architettura di rete a tempo sincronizzato, auto-organizzata e robusta contro
eventuali guasti.
 Lavora sulla banda ISM a 2.4 Ghz usando lo standard radio IEEE 802.15.4 [1]

4. Tecnologia WirelessHART
 Robusta e facile da implementare
 Installazione facilitata: coesistenza con altre reti, supporta tipologie di rete “star” e
“mesh”, possibilità di aggiungere dispositivi singolarmente con costi ridotti.
 Caratteristiche di rete automatiche: auto-organizzazione, “self-healing”, alta sicurezza,
adattabilità ai cambiamenti dell'infrastuttura.
 Affidabile
 Radio standard con Channel Hopping: tecniche di “Hops” tra i canali per evitare
interferenze
 Ottimizzazione della larghezza di banda e del tempo radio
 Sicura
 Sicurezza sempre attiva, efficiente e multi-seriale
 Standard di criptazione 128-bit AES

5. Componenti
 Field Device: collegati alle
apparecchiature di processo
dell'impianto
 Gateway: permette la comunicazione
tra i field device e le Host Application
 Network Manager: responsabile della
gestione della rete (configurazione,
comunicazione, gestione
dell'instradamento e monitoraggio della
rete)

6. Tecnologie radio
 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): trasmissione a "frequenza diretta" a banda
larga.
 Channel hopping (CH): tecnica di trasmissione consistente nel saltare fra diversi canali in
maniera pseudocasuale attraverso un codice prestabilito.
 Time Division Multiple Access (TDMA): accesso multiplo a ripartizione nel tempo, tecnica
di condivisione del canale, realizzata mediante ripartizione del tempo a “slots” di accesso
allo stesso canale da parte degli utenti sincronizzate e con brevi periodi di latenza
controllata tra dispositivi e rete.

7. Data Link Layer in WirelessHART
 Utilizza TDMA combinato al CH per controllare e coordinare l'accesso alla rete in maniera
affidabile.
 L'unità base di misura è un time slot (unità di durata di tempo fissata) condiviso da tutti i
dispositivi della rete e di durata uguale a 10ms.
 I collegamenti sono organizzati in superframe e possono essere dedicati o condivisi.
Slot Timing

8. Standard IEEE 802.15.4
 Gestito dal gruppo IEEE 802.15 che ne ha definito lo standard nel
2003.
 Concepito per regolamentare il livello fisico ed il livello MAC di reti
WPAN.
 Adatto per reti che lavorano a bassa velocità di trasferimento dati
(LR – Low Rate) e a corto raggio (≤ 30m).
 Nel 2012 è stato rilasciato un emendamento allo standard,
denominato IEEE 802.15.4e [2], che introduce un meccanismo di
accesso multiplo di tipo TSCH (Time Slotted Channel Hopping).

9. Physical Layer
 Opera su uno delle tre possibili bande di frequenze unlicensed:
 868.0–868.6 MHz: Europe, allows one communication channel (2003, 2006, 2011)
 902–928 MHz: North America, up to ten channels (2003), extended to thirty (2006)
 2400–2483.5 MHz: worldwide use, up to sixteen channels (2003, 2006)

10. MAC Layer (1)
 Operazioni basate su CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collission
Avoidance)
 Supporta funzionalità sia Beacon-enabled (CSMA) sia Beacon-less (CSMA/CA)

11. MAC Layer (2)
Esempio di struttura superframe in slotted IEEE 802.15.4 MAC (Beacon-enabled)

12. Limiti di IEEE 802.15.4 MAC
 Unbounded Delay
 Bandwidth non garantita: eccetto se si utilizza GTS (Guaranteed Time Slot) che fornisce
un servizio limitato (7 slot)
 Nessuna protezione contro interferenze/fading
 Non implementa la tecnica FH (Frequency Hopping)

13. Gestione delle interferenze
 Tecnologie di trasmissione:
 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
 Spread Spectrum:
 Non ottimizza l'utilizzo della banda
 Migliora la ricezione dei segnali deboli
 Affidabilità, integrità e sicurezza nelle trasmissioni
 Se un ricevitore non è sincronizzato sulla corretta frequenza il segnale è simile a un
rumore ed è importante quindi conoscere a priori i parametri di connessione

14. DSSS
 Bassa potenza di emissione, il segnale è espanso in una ampia banda
 Utilizza le stesse frequenze in modo costante
 Minore resistenza alle interferenze
 Migliore ricezione
 Integrità del segnale
 Maggiore robustezza, distribuendo il segnale attraverso l'intero spettro di frequenze
 Velocità a 11 Mbps (interoperabile con 802.11b)
 Apparati più economici di quelli FHSS

15. FHSS
 Alta potenza trasmessa su una piccola banda
 La frequenza del segnale cambia diverse volte al secondo
 Consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze cambiando
automaticamente la frequenza di trasmissione
 Forte resistenza alle interferenze e riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione
 Maggiore stabilità di connessione
 La velocità è limitata a 2 Mbps
 Più costoso del DSSS
 AFH (Adaptive Frequency Hopping): implementazione del FHSS con l'obiettivo di utilizzare
solo le frequenze considerate “buone”

16. Standard IEEE 802.15.4e (1)
 Migliora il funzionamento MAC [3] in domini di applicazioni specifiche implementando:
 Radio Frequency Identification Blink (BLINK): destinato ad applicazioni quali identificazione
di persone, di voci, di posizione e di tracciamento.
 Asynchronous multi-channel adaptation (AMCA): utilizzato in domini applicativi dove sono
richiesti grandi dislocamenti (ad esempio: controllo/automazione di processi, monitoraggio
dell'infrastruttura, etc...).
 Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension (DSME): finalizzato a supportare
applicazioni commerciali e industriali con requisiti rigidi rispetto al tempo e all'affidabilità.
 Low Latency Deterministic Network (LLDN): destinati ad applicazioni che richiedono
requisiti di latenza molto bassa (ad esempio: automazione industriale, controllo di robot).
 Time Slotted Channel Hopping (TSCH): mirato a domini applicativi quali l'automazione di
processi.

17. Standard IEEE 802.15.4e (2)
 General Functional Improvements:
 Low Energy (LE)
 Information Elements (IE)
 Enhanced Beacons (EB)
 Multiporpose Frame
 MAC Performance Metrics
 Fast Association (FastA)

18. TSCH
 Time-slotted Access:
 Predicibilità e latenza limitata
 Bandwidth garantita
 Comunicazione multi-channel:
 Aumento della capacità della rete perché i nodi possono comunicare allo stesso
tempo utilizzando canali differenti
 CH:
 Attenua gli effetti dell'interferenza e del multipath fading
 Migliora l'affidabilità

19. Periodic Slotframe

20. TSCH Scheduling
 Lo standard 802.15.4e specifica solo come il Mac layer esegue lo scheduling ma non
della sua implementazione
 Due tipologie di scheduling:
 Centralizzato: un nodo manager è
responsabile della realizzazione e del
mantenimento del network schedule
 Distribuito: nessuna entità centrale quindi
ogni nodo decide autonomamente
 Lo standard prevede l’utilizzo di link sia dedicati che condivisi e per evitare collisioni
implementa un algoritmo di backoff simile al CSMA/CA [4]

21. Riassumendo
 IEEE 802.15.4:
 Soffre di molti limiti prestazionali:
In termini di ritardo e probabilità di perdita di pacchetti
Dovuto al metodo di accesso CSMA/CA e ai valori dei parametri di default
 E' vulnerabile alle interferenze ed al fading
 IEEE 802.15.4e:
 Supera le limitazioni precedenti:
Per soddisfare i requisiti di applicazioni industriali e vincolati al tempo
Utilizzando il TSCH

22. Channel Hopping
 Sottosequenze di pacchetti sono inviate a
frequenze diverse seguendo uno pseudo-
random hopping pattern
 Ritrasmissione a frequenze differenti
 Garantisce maggiori chance di successo della
trasmissione
 Incremento sicurezza contro attacchi Selective
Jamming
 In generale il numero di canale è:
CH = macHoppingSequenceList [COUNTER % macHoppingSequenceLength] [2]
Dove il COUNTER, nel 802.15.4e, dipende da alcuni parametri quali ChannelOffset,
PANCoordinatorBSN e un indice condiviso dai device

23. MAC Functional Description
 Le sequenze di hopping sono definite nel
Hopping Sequence PIB (PAN Information
Base) rappresentato dalla tabella.
 Gli attributi della tabella includono un ID, la
lunghezza della sequenza, una lista ordinata di
canali, etc.
 L’ID di default è uguale a 0 e identifica una
sequenza di default per un particolare PHY.
Questa sequenza è una lista mescolata
pseudo-casuale di tutti i canali disponibili.
L’algoritmo di mescolamento è chiamato
SHUFFLE e utilizza uno shift register con
feedback a 9-bit con polinomio
e seed iniziale di 255.
 Due dispositivi non possono comunicare se non
hanno lo stesso ID di Hopping Sequence.
159
 xx

24. DSME
 DSME: Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension
 Il coordinator invia periodicamente un Enhanced Beacon con un DSME PAN Descriptor IE
per coordinare la struttura del Multi-Superframe
 Nel DSME PAN Descriptor IE è presente inoltre un campo che specifica i parametri del CH
Formato del DSME PAN Descriptor IE
Formato del Channel Hopping Specification

25. Channel Hopping Specification
 HoppingSequenceID indica l’ID della sequenza di CH in uso:
 0 indica la sequenza di default
 1 indica che la sequenza è generata dal PAN Coordinator e ogni dispositivo deve
richiederla
 altrimenti la sequenza è generata da un livello superiore
 PANCoordinatorBSN specifica il numero di sequenza di beacon del PAN Coordinator
 ChannelOffset specifica il valore del CH offset del device

26. Multi-Superframe
 Un Multi-superframe è un ciclo ripetuto di superframe ognuna delle quali contiene un
beacon frame, un CAP (Contention Acces Period) e un CFP (Contention Free Period). Il
CAP inizia subito dopo il beacon e finisce prima dello slot 9. Il CFP segue il CAP e si
estende fino alla fine del superframe
 Ogni DSME-GTSs (Guaranteed Time Slot) allocati si trovano nel CFP
Esempio di Multi-superframe

27. CAP Reduction
 Se il macCAPReductionFlag è TRUE, è abilitato la riduzione del CAP.
 In questo caso il primo superframe (superframe ID 0) nel Multi-superframe ha la CAP e tutti
i successivi superframe non hanno un CAP, fino alla fine del Multi-superframe
CAP Reduction in DSME Multi superframe Structure

28. Esempio di comunicazione CH
 Nel CH del 802.15.4e ogni DSME-GTS salta su canali a frequenze predefinite per ricevere.
 Nell’esempio in figura, la Hopping Sequence è {1,2,3,4,5,6} e i valori di Channel Offset dei due
dispositivi sono rispettivamente di 0 e 2.
 DSME-GTSs (Timeslot, channel) dispositivo 1: (1,1), (2,2), …, (6,6), (7,1), …
 DSME-GTSs (Timeslot, channel) dispositivo 2: (1,3), (2,4), …, (6,2), (7,3), …
 Il dispositivo che vuole trasmettere deve utilizzare il canale del dispositivo ricevente per inviare un
data frame. Se il dispositivo ricevente riceve con successo il data frame, esso gli invia un ACK
sullo stesso canale. Se un ACK non è ricevuto nel tempo massimo consentito, il dispositivo per
ritrasmettere il frame aspetta fino al prossimo time slot di trasmissione assegnato.

29. Adaptive CH nel WirelessHart
 Per ottimizzare l'utilizzo del canale, WirelessHART
introduce l'idea di Channel Blacklisting in modo che i
canali con interferenze consistenti siano messi in una
Black List [5]
 Per supportare il CH, ogni dispositivo mantiene attiva
una tabella di canale e grazie all’idea precedente ogni
tabella può avere meno di 16 canali
 Dato uno slot e un ChannelOffset, il canale attuale è
determinato dalla formula descritta in precedenza nella
definizione generale di Channel Hopping
 Viene così fornita una diversità di canale e un
miglioramento dell’affidabilità della comunicazione
WirelessHART Data Link Layer Architecture

30. Bibliografia
 [1] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs)”, IEEE Computer Society, 2011
 [2] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs) - Amendment 1: MAC sublayer”, IEEE Computer Society, 2012
 [3] Domenico De Guglielmo et al., “From IEEE 802.15.4 to IEEE 802.15.4e: A Step Towards the Internet of
Things”, Advances in Intelligent Systems and Computing Volume 260, 2014, DOI: 10.1007/978-3-319-03992-3_10
 [4] M. R. Palattella et al., "Traffic Aware Scheduling Algorithm for Reliable Low-Power Multi-Hop IEEE 802.15.4e
Networks", Proc. of IEEE Int. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Commun., PIMRC, 2012, DOI:
10.1109/PIMRC.2012.6362805
 [5] Jianping Song et al., “WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control”,
Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, 2008. RTAS '08. IEEE, 2008, DOI:
10.1109/RTAS.2008.15
 [6] Gabriella Fiore, “Multihop Multi-Channel Scheduling for Wireless Control in WirelessHART Networks”,
University of L'Aquila - Faculty of Engineering, 2013