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Universidad ECCI 1 Implementación de una red 802.15.4 entre sistema SDR y dispositivos comerciales Telecominucaciones

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Universidad ECCI

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Implementación de una red 802.15.4 entre sistema SDR y dispositivos comerciales Telecominucaciones 3

Introducción

En esta sesión de práctica se implementa un modelo de red entre dispositivos comerciales del estándar 802.15.4 y, la implementetación del estándar en un sistema GNURadio+USRP. Analizaremos el formato de la capa MAC para el IEEE 802.15.4 implementado en GNURadio, para dar paso al desarrollo de aplicaciones de nivel superior. Antes de comenzar la práctica, haremos una breve introducción a la capa MAC del IEEE 802.15.4. Para una descripción más detallada, puede consultarse la documentación completa del propio estándar.

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Características generales de la capa MAC del IEEE 802.15.4

El control de acceso al medio, MAC, encapsula la información útil (Payload) en la trama MPDU (MAC protocol data unit), que luego será transmitida en la capa física. En la figura 1 podemos observar la estructura de dicha trama. La trama MPDU básicamente añade al Payload la cabecera MAC (MHR) junto con la comprobación de redundancia cíclica (MFR). El Payload es de longitud variable; sin embargo, la trama PSDU no puede exceder los 127 octetos de información. Los datos de Payload dependen del tipo de trama enviada (Frame Type) y pueden ser de tipo Beacon, datos, ACK o de comandos MAC. Por lo tanto, la trama de datos y Beacon transmiten información de las capas superiores mientras que la trama ACK y la trama de comandos MAC son originadas directamente en la capa MAC.

Figure 1: Estructura de una trama MPDU. Adicionalmente, la secuencia de número es el identificador de contador de la trama. Para la trama de datos o de comandos MAC, esta secuencia es usada en el envío de la respuesta ACK. Los campos de direcciones son configurados por la red y se define su transmisión en los dos primeros octeto de la trama MPDU de acuerdo con el tipo de trama. Por último, MFR, es el campo de chequeo, implementado con CRC16, para verificar la integridad de las tramas MAC.

3 Formación de grupos de prácticas Los alumnos se organizarán en grupos formados por 3 miembros. Durante la sesión de prácticas, cada grupo podrá trabajar internamente como desee para lograr los objetivos de la misma. No obstante, para las pruebas de implementación, cada 2 grupos deben coordinar la utilización de la tarjeta USRP

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B210. adicionalmente, al final de la práctica el profesor verificará que todos los alumnos han comprendido todos los procesos involucrados, por lo que cada alumno deberá responsabilizarse de su propio aprendizaje. Será necesario entregar una memoria del trabajo realizado, en el documento drive.

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Material

Para la realización de la misma, el profesor y los alumnos aportarán el material que se describe a continuación.

4.1

Material aportado por los profesores

Cada grupo de prácticas recibirá el siguiente material: • Archivo de GNURadio 802.15.4_mac. • Periférico SDR formado por la tarjeta UHD B210. • Memoria USB con imagen de Ubuntu 12.04 y GNURadio instalado. • (Por confirmar) Terminal 802.15.4 formado por un módulo Xbee, una antena y un gateway. • Archivo de configuración de las terminales Xbee.

4.2

Material aportado por los alumnos

Además, cada grupo de prácticas deberá traer: • Memoria USB con imagen de Ubuntu 16.04 y GNURadio instalado.

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Documentos de consulta

Antes de realizar la sesión de prácticas y durante la misma será necesario consultar los siguientes recursos: • Estándar 802.15.4: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2011.pdf. • Información sobre 802.15.4 y ZigBee: http://sensor-networks.org/index.php?page=0823123150. • Web de GNURadio: http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki. • Wiki de GNURadio Companion: gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/GNURadioCompanion. • Manual Xbee: http://www.digi.com/products/wireless-wired-embedded-solutions/zigbee-rf-modules/pointmultipoint-rfmodules/xbee-series1-module. Es importante que, antes de realizar la práctica, los alumnos se hayan documentado sobre la especificación de los niveles PHY y MAC del estándar IEEE 802.15.4.2011.

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En el laboratorio

En esta práctica, vamos a trabajar exclusivamente la capa MAC y los niveles de aplicación. Por lo tanto, la capa fisica se da por vista y se encapsula en el bloque de GNURadio, como se observa en la figura 2. Dicho bloque contiene todos los módulos funcionales que implementan la capa física el estándar IEEE 802.15.4.

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Figure 2: bloque IEEE802.15.4.PHY

6.1

Configuracion módulos Xbee (por confirmar)

Para la configuración de los terminales Xbee ejecutaremos el script config_xbee.py en un terminal. Al inicio de este script se nos pedirá seleccionar el terminal que queremos configurar. Tras seleccionarlo, procederemos a configurar los parámetros CH, MY, DL, ID del módulo XBee para establecer un enlace de comunicaciones entre los terminales. Recuerda que en el manual de XBee encontrarás una descripción del significado de cada uno de los parámetros y cómo configurarlos mediante comandos AT. Los profesores de prácticas asignarán un canal CH distinto a cada grupo de prácticas. Una vez configurados ambos terminales 802.15.4, mediante las opciones 4 y 5 del menú del script config_xbee.py, cada grupo deberá transmitir y recibir datos de un terminal a otro.

6.2

Análisis del transmisor Xbee, mediante el sistema GNURadio+USRP

Para el Análisis del la trama MPDU, desde GNURadio se debe ejecutar el fichero 802_15_4_phy.grc. Así mismo, cada grupo deberá configurar los parámetros necesarios para detectar las tramas enviadas desde los dispositivos Xbee del grupo. Una vez verificada la configuración se estudiarán los siguientes aspectos de la implementación del transmisor del estándar IEEE 802.15.4 en GNURadio: • ¿Cuál es la información que conforma la trama MPDU transmitida desde los módulos Xbee? • ¿Cuál es la frecuencia de transmisión del canal seleccionado? • ¿Cuál es la frecuencia central de entrada en el bloque 802_15_4_phy? • ¿Cuál es la información transmitida por cada uno de los dispositivos Xbee? • ¿Hay pérdida de paquetes en la recepción? ¿Cómo se puede cuantificar esta pérdida? • ¿Cómo se puede implementar una transmision desde la USRP B210 a todos los dispositivos Xbee que conforman la red?

6.3

Implementacíón del bloque 802_15_4_MAC

Utilizando las funciones implementadas en GNURadio para la capa MAC del estándar IEEE 802.15.4, configura la red 802.15.4 punto-multipunto. El coordinador de la red debe estar implementado por el sistema GNURadio-USRP. Una vez configurada la red, transmite un mensaje de difusión compuesto por la secuencia de caracteres "0123456789", desde GNURadio.

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Análisis del sistema completo a nivel de aplicacíón

Utilizando las funciones de GNURadio, construye un ZigbeeAnalizer. Este analizador deberá sensar todos los canales definidos en el estándar, para 2,4, y reportar el ID de las redes que están activas.

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