ECCI- 2018
Implementación del estándar 802.15.4 en GNURadio
Telecomunicaciones III
1 Intr Introd oduc ucci ción ón El estándar IEEE 802.15.4 define el nivel físico (PHY) y el nivel de control de acceso al medio (MAC) de una red inalámbrica de área personal con baja tasa de transmisión de datos. El IEEE 802.15.4 constituye los cimientos de otros protocolos tales como ZigBee y MiWi, en los cuales se especifican, además, los niveles superiores. Durant Durantee las próxim próximas as sesion sesiones es de prácti prácticas cas implem implement entar aremo emoss una versió versión n del estánd estándar ar IEEE IEEE 802.15 802.15.4 .4 en un sistem sistemaa GNURad GNURadio+ io+USR USRP P. Esta Esta implem implement entaci ación ón nos permit permitirá irá dispon disponer er de un nodo nodo 802.15 802.15.4 .4 comcompletamente funcional. En esta primera sesión de prácticas, analizaremos las funciones del IEEE 802.15.4 implem implement entada adass en GNURad GNURadio. io. Antes de comenz comenzar ar la prácti práctica, ca, haremo haremoss una breve breve introd introducc ucción ión al estánestándar IEEE 802.15.4. Para una descripción más detallada, puede consultarse la documentación completa del propio estándar. estándar.
2 Caracterí Característica sticass generale generaless del del IEEE 802.15.4 802.15.4 Los bits de datos transmitidos y recibidos por un dispositivo 802.15.4 se agrupan en tramas denominadas PPDU (PHY protocol (PHY protocol data unit). figura 1 podemos podemos observ observar ar la estru estructu ctura ra de una trama trama unit). En la figura PPDU. Dicha trama encapsula una trama MPDU (MAC protocol (MAC protocol data unit) unit) añadiéndole una cabecera de sinc sincro roni niza zaci ción ón (SHR (SHR)) y una una cabe cabece cera ra que que indi indica ca la lon longi gitu tud d de la tram tramaa (PHR (PHR). ). A su vez, vez, la tram tramaa MPDU MPDU encapsula datos procedentes de niveles superiores y proporciona los datos necesarios para garantizar un enlace fiable entre nodos 802.15.4.
Figure 1: Estructura de una trama PPDU. La secuencia de bits que define una trama PPDU es transmitida por el nivel PHY mediante radiofrecuen diofrecuencia. cia. El IEEE 802.15.4 opera en tres bandas de frecuencias frecuencias sin licencia. licencia. No obstante, obstante, en esta descripción nos centraremos en la banda de 2.45 GHz. La modulación en la banda de 2.45 GHz se puede descomponer en las siguientes etapas (figura 2): •
En primer lugar, lugar, los bits se agrupan de cuatro cuatro en cuatro. cuatro. Un grupo de cuatro bits se denomina símbolo, símbolo, por lo que hay 16 símbolos posibles.
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Seguidamente, cada símbolo generado se codifica en una secuencia de 32 chips. En la figura 3 se muestra qué secuencia de chips corresponde a cada símbolo. Finalmente, la secuencia de chips es transmitida mediante una modulación de tipo O-QPSK.
Bit a símbolo
S
Símbolo a chip
C
O-QPSK banda base
I Q
I
DUC
GNURadio PHY
Q
Frontend analógico
s(t)
USRP
Figure 2: Modulación en 802.15.4 e implementación en GNURadio+USRP (B: bits de la trama PPDU, S: símbolos, C: chips, I: componente en fase, Q: componente en cuadratura, s(t): portadora modulada).
Figure 3: Tabla de conversión de símbolo a secuencias chip. En la banda de frecuencias de 2.45 GHz, el estándar 802.15.4 define 16 canales (numerados del 11 al 16) centrados en las siguientes frecuencias f c : f c = 2405 + 5(k − 11) MHz, k = 11, 12, . . . , 26
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La anchura de cada canal es de 2MHz. Este valor está asociado a la tasa de chip, r ch = 2MChps combinada con el tipo de modulación, en este caso, O-QPSK. En la figura 4 se comparan los canales 802.15.4 con los canales 802.11. Es importante que recordemos los siguientes aspectos de la implementación de la capa física de una tecnología inalámbrica en el sistema GNURadio+USRP: •
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Las señales moduladas s RX (t) y s T X (t) son señales de naturaleza analógica (esto es, continuas tanto en tiempo como en amplitud). Estas señales son señales paso banda, por lo que ocupan una banda de frecuencias en torno a una frecuencia central. Las componentes en fase y cuadratura I /Q generadas en GNURadio+USRP son señales de naturaleza discreta, tanto en tiempo como en amplitud. Por tanto, es necesario conocer la frecuencia de
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Figure 4: Canales 802.15.4 en la banda 2.45 GHz. También se muestran los canales del 802.11.
IT X BT X
ST X Símbolo CT X O-QPSK Bit a banda a chip símbolo base
QT X
DUC
Frontend analógico
DDC
Frontend analógico
IRX BRX
Símbolo SRX Chip a CRX símbolo a bit
O-QPSK banda base
QRX
FPGA GNURadio PHY
AD9361 USRP
Figure 5: Capa PHY de un transceptor IEEE 802.15.4 implementado en GNURadio+USRP.
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sT X (t)
sRX (t)
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muestreo y los niveles de amplitud asociados. Además, dependiendo la implementación, pueden ser señales en banda base o paso banda. •
Pueden existir múltiples implementaciones alternativas de una misma tecnología.
En esta práctica, vamos a trabajar exclusivamente las etapas del nivel MAC y del nivel PHY implementas en GNURadio. Por tanto, no consideraremos las etapas del nivel PHY implementadas en el periférico USRP. En otras palabras, trabajaremos con el equivalente banda base de la modulación definida en el estándar IEEE 802.15.4. Para realizar un enlace de comunicaciones completo en banda base, tomaremos las componentes en fase y cuadratura de las etapas del transmisor implementadas en GNURadio y las usaremos como entrada de las etapas del receptor implementado en GNURadio. Podríamos considerar que estamos simulando un enlace de comunicaciones mediante software.
3 Formación de grupos de prácticas Los alumnos se organizarán en grupos formados por 4 miembros. Durante la sesión de prácticas, cada grupo podrá trabajar internamente como desee para lograr los objetivos de la misma. No obstante, al final de la práctica el profesor verificarán que todos los alumnos han comprendido todos los procesos involucrados, por lo que cada alumno deberá responsabilizarse de su propio aprendizaje.
4 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 el profesor Cada grupo de prácticas recibirá el siguiente material: •
Archivos de GNURadio en la carpeta ieee802_15-4-OQPSK-PHY.
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Memoria USB con imagen de Ubuntu 12.04 y GNURadio instalado.
5 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.
Es importante que, antes de realizar la práctica, los alumnos se hayan documentado sobre la especificación de los niveles PHY del estándar IEEE 802.15.4..
6 En el laboratorio El objetivo de esta práctica es analizar la implementación de las capa PHY en GNURadio. No se considerarán, de momento, las etapas del nivel PHY implementadas en el periférico USRP, es decir, los bloques DUC/DDC y el front-end analógico. Antes de empezar proceda a instalar las dependencias: Ingresar al directorio
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$ c d g r _ i e e e 8 0 2 _ 1 5 _4 _ n e x t / Construir las dependencias $ $ $ $
m kd ir b u i l d cd b ui l d cmake . . make Instalar las dependecias
$ sudo make i n s t a l l $ sudo l d c o n f i g para las siguientes secciones por favor, abri el archivo ieee802_15_4_OQPSK_PHY_laboratorio.grc.
6.1 Análisis del transmisor Estudia los siguientes aspectos de la implementación del transmisor del estándar IEEE 802.15.4 en GNURadio: •
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¿Cómo se generan las componentes en fase y cuadratura a partir de la secuencia de bits? ¿Qué tabla de conversión símbolo a chip se utiliza? ¿Por qué son secuencias de números complejos? ¿Cuál es la frecuencia de muestreo de las componentes en fase y cuadratura? Si la tasa de transmisión de datos es de 250Kbps y se transmiten 2MChps, ¿cuál es la proporción bit a chip? ¿Coincide este resultado con la relación que se deduciría de la tabla de conversión símbolo a chip? ¿Cómo se puede deducir el ancho de banda de la modulación a partir de la tasa de transmisión de chips?
Utilizando las funciones implementadas en GNURadio, representa las secuencias y señales generadas en cada una de las etapas del transmisor cuando a la capa MAC llega el mensaje compuesto por la secuencia de caracteres "0123456789".
6.2 Análisis del receptor Estudia los siguientes aspectos de la implementación del receptor del estándar IEEE 802.15.4 en GNURadio: •
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¿Cómo detectarías en teoría un símbolo a partir de su secuencia de chips? ¿Cómo se recupera en la presente implementación del 802.15.4 la secuencia de bits a partir de las componentes en fase y cuadratura recibidas? ¿Para qué y cómo se utiliza la cabecera de sincronización? Puedes responder a esta pregunta, puedes consultar la sección 14.2.5.1 SHR SYNC field del estándar IEEE 802.15.4.
6.3 Análisis del sistema completo Conecta las salidas del transmisor implementado en GNURadio con las entradas del receptor. Simula la transmisión y recepción de la secuencia de caracteres "0123456789" y representa las principales secuencias y señales que se generan tanto en el transmisor como en el receptor.
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