Antakya Patriklik Tahtı Mücadelesi

A camada do MAC trata do acesso ao canal de rádio físico e é responsável por várias tarefas como a validação dos pacotes, o gerenciamento de acesso ao canal via CSMA-CA, o gerenciamento Guaranteed Time Slot (GTS), a validação dos frames, o reconhecimento da entrega de frames, e garante os períodos tempo dos beacons bem como manipula as associações e dissociações dos nodos da rede (IEEE Standard Part 15.4, LR-WPANs).

Os beacons são pacotes de controle que delimitam os quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com os demais dispositivos da rede (SILVA, 2008). Uma rede pode ser configurada com beacon habilitado ou desabilitado. No modo de operação com

beacon desabilitado, o padrão IEEE 802.15.4 utiliza a técnica unslotted CSMA/CA, ou seja,

acesso múltiplo com detecção de portadora sem janelas de tempo para controle de acesso ao meio. Em tal técnica, uma transmissão inicia com a espera por um tempo aleatório de períodos de backoff entre 0 e (2BE − 1) , onde o expoente Backoff Exponential (BE) tem um valor entre macMinBE e macMaxBE que por padrão está entre 3 e 5, respectivamente (JANNIC TECNOLOGY, 2008). Um período de backoff é o tempo necessário para transmitir 20 símbolos. Um símbolo equivale a 4 bits, se utilizar o modo de operação da camada física em 2.4 GHz (DENARDIN et al., 2010).

Uma vez que o tempo selecionado expira, o nodo verifica se o canal está disponível para transmissão CCA. Esse procedimento é executado no tempo de oito símbolos. Se o canal estiver ocupado, o nodo incrementa BE limitado até macMaxBE e repete o processo de espera. O limite de tentativas de acesso ao canal é determinado por macMaxCSMABackoffs; quatro tentativas é o padrão. Se, após as tentativas, o nodo não obtiver o acesso ao canal, é declarada uma falha de acesso ao canal. Se o canal estiver livre, executa-se então o procedimento de troca de recepção para transmissão e a transmissão do pacote de dados. O tempo de execução da troca de modo do rádio é de 12 símbolos.

Na transmissão de um pacote de dados, pode ser solicitada a confirmação de recebimento acknowledgement (ACK). O procedimento de acesso ao canal não é realizado para envio do ACK, ou seja, o nodo que recebeu o pacote simplesmente executa a troca de recepção para transmissão e envia imediatamente a confirmação do recebimento. Se ocorrer uma falha na recepção do ACK, o nodo que enviou o pacote tentará retransmitir, após a espera de um tempo conhecido por macAckWaitDuration 54 símbolos no modo 2,4 GHz. É declarada então uma falha de transmissão por colisão se o reconhecimento não for recebido

após um número de tentativas determinado por macMaxFrameRetries; três tentativas é o padrão.

Em uma rede com o modo beacon habilitado, o coordenador da rede transmite um

beacon periodicamente, no qual os outros dispositivos o usam para sincronização e para

determinação de quando estão liberados para transmissão e recepção das mensagens. A mensagem beacon é usada para definir uma estrutura chamada de superframe em que todos os nodos na rede são sincronizados (IEEE Standard Part 15.4, LR-WPANs).

Figura 14 - Estrutura do Super Frame utilizado pelo padrão IEEE 802.15.4

Fonte: IEEE 802.15.4 STD (2011).

A estrutura superframe é limitada pelos beacons. Nesta estrutura, existe um período ativo durante o qual a comunicação é processada e um período inativo opcional, que, durante o qual, os dispositivos podem desligar seus rádios transceptores para conservar energia. O período ativo é dividido em 16 períodos de tempo iguais chamado de slots.

Imediatamente após o beacon, vem o período de acesso de contenção Contention

Access Period (CAP). Durante este período, os dispositivos devem se comunicar usando o

mecanismo slotted do CSMA-CA. Esta técnica é similar ao unslotted CSMA-CA, exceto pelo fato de que os períodos de backoff são alinhados com os limites dos slots (ZHENG et al., 2004). O CAP deve conter, pelo menos, oito períodos ativos, mas pode chegar a até 16. Seguindo o CAP, existe um opcional período livre de contenção Contention Free Period (CFP), que pode ter até sete períodos ativos. Em um CFP, o coordenador reserva períodos

Guaranteed Time Slot (GTS) para um determinado dispositivo. Durante um GTS, um

dispositivo tem acesso exclusivo ao canal e não executa CSMA-CA (SILVA, 2008).

A estrutura do superframe é definida pelos valores dos atributos macBeaconOrder (BO) e macSuperframeOrder (SO) (JANNIC TECNOLOGY, 2006). O intervalo de tempo no qual o coordenador transmitirá seus quadros beacon é definido como Beacon Interval (BI) e se relaciona com o parâmetro macBeaconOrder (BO) da seguinte maneira:

₍₁₎

(2)

Onde: aBaseSuperframeDuration é igual a 960 símbolos.

Se BO=15, o superframe não existirá e o valor de SO é ignorado. O atributo do MAC SO define o comprimento da porção ativa do superframe (ZHENG; LEE, 2004). O intervalo de tempo relativo à parte ativa do superframe, o Superframe Duration (SD) se relaciona com o parâmetro SO da seguinte maneira:

₍₃₎

(4)

Para valores iguais de SO e BO, a duração do superframe será igual à duração do

beacon e, neste caso, não existirá a parte inativa do superframe. A porção ativa de cada

superframe possui uma duração igual à aBaseSlotDuration * 2SO , onde aBaseSlotDuration é

igual a 60 símbolos.

Consoante a tais diretrizes, as redes que optarem por usar a estrutura superframe configurarão o atributo BO com um valor entre 0 e 14 e o macSuperframeOrder com um valor entre 0 e o valor de BO. Além disso, tais redes utilizam a técnica slotted CSMA-CA durante o período CAP para enviar seus quadros.

O algoritmo slotted CSMA-CA também é baseado em uma unidade de tempo chamada de Backoff Period (BP) , que é igual à aUnitBackoffPeriod e é igual a 80 bits ou 0.32 ms de tempo. Este algoritmo depende principalmente de três variáveis:

1. O BE, que permite a computação do atraso Backoff;

2. O Contention Window (CW), que representa o número de BPs durante o qual o canal deve ser sentido inativo antes de acessar o canal;

3. O Number of Backoff (NB), que representa o número de vezes que o algoritmo CSMA-CA foi requisitado enquanto tentava acessar o canal (KOUBAA et al., 2006).

Inicialmente, o NB e o CW são inicializados com NB igual a zero e CW igual a 2. O BE é também inicializado com o valor de 2 ou BE assume o valor mínimo entre 2 e

macMinBE, dependendo do valor da extensão de vida da bateria.

O macMinBE é uma constante e tem valor padrão igual a 3. O algoritmo inicia também um contador de número randômico para a variável BP que, uniformemente, calcula o valor entre 0 e 2BE− 1. O contador deve iniciar no limite do BP para garantir sincronismo.

Quando o cronômetro expirar, o algoritmo executa a operação CCA aos limites BPs para avaliar a atividade do canal. Se o canal estiver ocupado, CW é reinicializado para CWini igual a 2, e os parâmetros NB e BE são incrementados. BE não deve exceder a MaxBE valor padrão fixado em 5. Se o número máximo de backoff (NB) for igual a

macMaxCSMABackoffs, o algoritmo informa uma falha para as camadas de cima. Caso

contrário, volta para o passo 2, ou step 2, e a operação de backoff é reiniciada. O protocolo também permite um número de tentativas depois de cada fracasso que corresponde ao

aMaxFrameRetrie, onde padrão é igual a 3.

Figura 15 - Algoritmo slotted CSMA/CA- IEEE 802.15.4

Fonte: Koubaa et al. (2006).

Uma vez que o canal estiver ocioso, CW é decrementado. A operação CCA é repetida se CW for diferente de 0. Se o canal é sentido novamente como inativo, o nodo tenta transmitir desde que o restante do BPs no atual CAP seja suficiente para transmitir o quadro e o reconhecimento subsequente. Caso contrário, o CCA e o quadro de transmissão são ambos diferidos para o próximo superframe. Isto é chamado de deferência de CCA. Mediante a isso, em redes com quadros de sinalização para sincronismo, o mecanismo slotted CSMA-CA deve

ser criteriosamente avaliado, uma vez que seu comportamento é afetado por seus parâmetros de inicialização. Tais parâmetros correspondem (CALLAWAY et al., 2002):

1. O mínimo backoff exponent (macMinBE); 2. O máximo backoff exponent (aMaxBE); 3. O valor inicial do CW (CWini);

4. O número de máximo de backoffs (macMaxCSMABackoffs). .

Finalmente, o MAC oferece ligação também para serviços seguros (BARONTI et al., 2006; IEEE 802.15.4 STD, 2011).