ZIGBEE

IEEE 802.15.4 está diseñado para ser útil en una amplia variedad de aplicaciones,

Incluida la detección y la determinación de la ubicación en los sitios de desastre

El control de la presión de los neumáticos; insignias y etiquetas inteligentes

Como la detección de la humedad del suelo, pesticidas, herbicidas y niveles de pH [3]

Dentro del hogar, se pueden considerar varios sectores posibles del mercado: periféricos de PC, incluidos ratones inalámbricos, teclados, palancas de mando, PDA de gama baja y juegos; electrónica de consumo, que incluye radios, televisores, VCR, CD, DVD, controles remotos, etc., y un control remoto verdaderamente universal para controlarlos; domótica, que incluye calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), seguridad, iluminación y control de objetos como cortinas, ventanas, puertas y cerraduras; monitoreo de la salud, incluidos sensores, monitores y diagnósticos; y juguetes y juegos, incluyendo juguetes mejorados para PC y juegos interactivos entre individuos y grupos. Se espera que la velocidad de datos máxima requerida para estas aplicaciones varíe de 115.2 kb / s para algunos periféricos de PC a menos de 10 kb / s para algunos sistemas de automatización del hogar y aplicaciones de electrónica de consumo. Del mismo modo, la latencia máxima aceptable del mensaje es la expectativa desde aproximadamente 15 ms para PC.

Al igual que todos los estándares IEEE 802, el borrador de la norma IEEE 802.15.4 abarca solo aquellas capas hasta e incluyendo partes de la capa de enlace de datos (DLL). Los protocolos de capa superior se encuentran a discreción de las aplicaciones individuales utilizadas en un entorno de red doméstica. En particular, esta sección considera los problemas y obstáculos que rodean la capa de red.En las redes cableadas tradicionales, la capa de red es responsable de la construcción y el mantenimiento de la topología, así como de los servicios de nombres y enlaces, que incorporan las tareas necesarias de direccionamiento, enrutamiento y seguridad [4]. Los mismos servicios existen para redes inalámbricas en el hogar, pero son mucho más difíciles de implementar debido a la prima otorgada a la conservación de energía. De hecho, es importante que cualquier implementación de la capa de red basada en el borrador de la norma IEEE 802.15.4, ya consciente de la energía, sea igualmente conservadora. Se espera que las capas de red basadas en el estándar sean auto-organizadas y autosuficientes, para minimizar el costo total para el usuario consumidor.El borrador de la norma IEEE 802.15.4 es compatible con varias topologías de red, incluidas las estrellas

El proyecto IEEE 802 [5] divide la DLL en dos subcapas, las subcapas MAC y control de enlace lógico (LLC). La LLC está estandarizada en802.2 [6] y es común entre las 802 normas, como 802.3, 802.11 y 802.15.1, mientras que la subcapa MAC está más cerca del hardware y puede variar con la implementación de la capa física. La figura 2 muestra cómo IEEE 802.15.4 encaja en el modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos (OSI) de la Organización Internacional de Normalización (ISO) [7]. El IEEE 802.15.4 MAC proporciona servicios a una LLC IEEE 802.2 tipo I a través de la subcapa de convergencia específica del servicio (SSCS), o una LLC propietaria puede acceder a la Servicios MAC directamente sin pasar por el SSCS. El SSCS garantiza la compatibilidad entre diferentes subcapas LLC y permite acceder al MAC a través de un único conjunto de puntos de acceso. Usando este modelo, el 802.15.4 MAC proporciona características no utilizadas por 802.2, y por lo tanto permite las topologías de red más complejas mencionadas anteriormente.

La estructura de trama MAC se mantiene muy flexible para adaptarse a las necesidades de diferentes aplicaciones y topologías de red, al tiempo que mantiene un protocolo simple. El formato general de una trama MAC se muestra en la Fig. 3. La trama MAC se denomina unidad de datos del protocolo MAC (MPDU) y está compuesta por el encabezado MAC (MHR), la unidad de datos del servicio MAC (MSDU) y el pie de página MAC ( MFR). El primer campo del encabezado MAC es el campo de control de trama. Indica el tipo de trama MAC que se transmite, especifica el formato del campo de dirección y controla el reconocimiento. En resumen, el campo de control de cuadro especifica cómo se ve el resto del cuadro y qué contiene.

Algunas aplicaciones pueden requerir ancho de banda dedicado para lograr bajas latencias. Para lograr estas bajas latencias, el IEEE 802.15.4 LR-WPAN puede funcionar en un modo de supertrama opcional. En una supertrama, un coordinador de red dedicado, llamado coordinador de PAN, transmite balizas de supertrama en intervalos predeterminados. Estos intervalos pueden ser tan cortos como 15 ms o tan largos como 245 s. El tiempo entre dos balizas se divide en 16 intervalos de tiempo iguales, independientemente de la duración de la supertrama. Un dispositivo puede transmitir en cualquier momento durante una ranura, pero debe completar su transacción antes de la próxima baliza de supertrama. El acceso al canal en los intervalos de tiempo se basa en la contención; Sin embargo, el coordinador de PAN puede asignar intervalos de tiempo a un solo dispositivo que requiera transmisiones de ancho de banda dedicado o de baja latencia. Estas franjas horarias asignadas se denominan franjas horarias garantizadas (GTS) y juntas forman un período libre de contención ubicado inmediatamente antes de la próxima baliza (Fig. 4). El tamaño del período libre de conflictos puede variar según la demanda de los dispositivos de red asociados; cuando se emplea GTS, todos los dispositivos deben completar sus transacciones basadas en contienda antes de que comience el período libre de contienda. El comienzo del período sin contienda y la duración de la supertrama se comunican a los dispositivos de red conectados por el coordinador de PAN en su baliza.

Dependiendo de la configuración de la red, una LR-WPAN puede usar uno de los dos mecanismos de acceso de canal. En una red habilitada con balizas con supertramas, se utiliza un mecanismo de acceso múltiple de detección de portadora ranurada con evitación de colisiones (CSMA-CA). En redes sin fallos, se utiliza CSMA-CA sin ranuras o estándar. Esto funciona de la siguiente manera. Cuando un dispositivo desea transmitir en una red no habilitada para balizas, primero verifica si otro dispositivo está transmitiendo actualmente en el mismo canal. Si es así, puede retroceder por un período aleatorio, o indicar una falla de transmisión si no tiene éxito después de algunos reintentos. Las tramas de acuse de recibo que confirman una transmisión previa no utilizan el mecanismo CSMA, ya que se envían inmediatamente después del paquete anterior.En una red con baliza habilitada, cualquier dispositivo que desee transmitir durante el período de acceso a la competición espera el comienzo de la siguiente franja horaria y luego determina si otro dispositivo está transmitiendo actualmente en la misma ranura. Si otro dispositivo ya está transmitiendo en la ranura, el dispositivo se apaga por un número aleatorio de ranuras o indica una falla de transmisión después de algunos reintentos. Además, en una red habilitada para beacon, las tramas de confirmación no utilizan CSMA.Una función importante del MAC es confirmar la recepción exitosa de una trama recibida. La recepción y validación exitosas de un marco de comando de datos o MAC se confirma con un acuse de recibo. Si el dispositivo receptor no puede manejar el mensaje entrante por alguna razón, no se acusa recibo del recibo. El campo de control de cuadro indica si se espera o no un acuse de recibo. La trama de acuse de recibo se envía inmediatamente después de la validación exitosa de la trama recibida. Las tramas de baliza enviadas por un coordinador PAN y las tramas de confirmación nunca se reconocen.El borrador de la norma IEEE 802.15.4 proporciona tres niveles de seguridad: no hay seguridad de ningún tipo (por ejemplo, para aplicaciones de quiosco de publicidad); listas de control de acceso (seguridad no criptográfica); y clave de seguridad simétrica, empleando AES-128. Para minimizar el costo de los dispositivos que no lo requieren, el método de distribución de claves (por ejemplo, criptografía de clave pública) no se especifica en el borrador de la norma, pero puede incluirse en las capas superiores de las aplicaciones apropiadas.

El desarrollo de esta solución inalámbrica dentro de la organización de estándares tiene la ventaja de reunir varias vistas para definir una mejor solución. El rápido desarrollo del estándar se debió a la participación proactiva de varios desarrolladores y usuarios de la tecnología. El enfoque del desarrollo 802.15.4 se centró en mantener la simplicidad al concentrarse en los requisitos esenciales que aprovecharán un estándar exitoso.El estándar está dirigido al mercado residencial e industrial. Se espera que el mercado industrial sea el primero en habilitar nuevos productos con énfasis en agregar valor a través de la facilidad de instalación. Seguirá el mercado residencial, aprovechando un menor costo debido al volumen ya impulsado por el segmento industrial.IEEE 802.15.4 ya ha captado la atención de otras comunidades, como IEEE 1451, con un enfoque en redes de sensores. Se espera que varios usuarios de tecnologías inalámbricas patentadas se desplacen hacia la solución estándar debido a la reducción de costos y rendimiento mejorada que se espera.El objetivo principal de este esfuerzo ha sido abordar las aplicaciones que podrían beneficiarse de la conectividad inalámbrica y habilitar otras nuevas que no pueden utilizar tecnologías inalámbricas de gama alta. El valor estará en la aplicación, no en la tecnología. LR-WPAN está diseñado para ser una tecnología habilitadora. El IEEE 802.15.4 complementa otras tecnologías de redes inalámbricas al ocupar el extremo inferior del consumo de energía y el espacio de rendimiento de datos.

IEEE 802.15.4 ofrece dos opciones de PHY que se combinan con el MAC para habilitar una amplia gama de aplicaciones de red. Ambos PHY se basan en métodos de espectro de propagación de secuencia directa (DSSS) que dan como resultado la implementación de IC digital de bajo costo, y ambos comparten la misma estructura básica de paquetes para operaciones de bajo consumo de ciclo de trabajo de baja potencia. La diferencia fundamental entre los dos PHY es la banda de frecuencia. El 2.4GHz PHY especifica la operación en la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2.4 GHz, que tiene una disponibilidad casi mundial, mientras que la PHY de 868/915 MHz especifica la operación en elBanda de 868 MHz en Europa y banda de ISM de 915 MHz en los Estados Unidos [8, 9]. Si bien no se anticipa la movilidad entre países para la mayoría de las aplicaciones de redes domésticas, la disponibilidad internacional de la banda de 2.4 GHz ofrece ventajas en términos de mercados más grandes y menores costos de fabricación. Por otro lado, el 868.

Veintisiete canales de frecuencia están disponibles en las tres bandas (Fig. 5 y Tabla 2). Los PHY de 868/915 MHz admite un solo canal entre 868.0 y 868.6 MHz, y 10 canales entre 902.0 y 928.0 MHz. Debido al soporte regional para estas dos bandas, es desafortunadamente que una sola red nunca usaría los 11 canales. Sin embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en frecuencia para que se pueda usar hardware similar, si no idéntico, para ambas, lo que reduce los costos de fabricación. El PHY de 2.4 GHz soporta 16 canales entre 2.4 y2.4835 GHz con amplio espacio de canales (5 MHz) destinado a facilitar los requisitos de filtro de recepción y recepción.Dado que es probable que el hogar contenga múltiples tipos de redes inalámbricas que compitan por las mismas bandas de frecuencia, así como la interferencia no intencional de los dispositivos, la capacidad de reubicarse dentro del espectro será un factor importante para el éxito de la red. En consecuencia, la norma incluye los ganchos necesarios para implementar la selección dinámica de canales, aunque el algoritmo de selección específico se deja a la capa de red. La capa MAC incluye una función de exploración que recorre la lista de canales admitidos en busca de una baliza, mientras que las capas PHY contienen varias funciones de nivel inferior, como la detección de energía del receptor, la indicación de la calidad del enlace y la conmutación de canales. que permiten la evaluación del canal y la agilidad de frecuencia. La red utiliza estas funciones para establecer su canal operativo inicial y para cambiar los canales en respuesta a una interrupción prolongada.

Para mantener una interfaz simple común con el MAC, ambas capas PHY comparten una única estructura de paquetes (Fig. 6). Cada paquete, o unidad de datos del protocolo PHY (PPDU), contiene un encabezado de sincronización (preámbulo más inicio del delimitador de paquetes), un encabezado PHY para indicar la longitud del paquete y la carga útil, o unidad de datos del servicio PHY (PSDU). El preámbulo de 32 bits está diseñado para la adquisición de temporización de símbolos y chips, y en algunos casos se puede usar para ajustes de frecuencia aproximados. No se requiere la ecualización de canales para PHY debido a la combinación de un área de cobertura pequeña y tasas de chips relativamente bajas. En particular, se informa que la propagación del retardo de la media cuadrática (RMS) típica en hogares residenciales es25 ns [10], que corresponde a solo el 2,5 por ciento del período de chip de espectro de difusión más corto utilizado en IEEE 802.15.4.Dentro del encabezado PHY, se utilizan 7 bits para especificar la longitud de la carga útil (en bytes). Esto admite paquetes de longitud 0–127 bytes, aunque debido a la sobrecarga de la capa MAC, los paquetes de longitud cero no ocurrirán en la práctica. Paquetes tipicos de tamaños

El PHY de 868/915 MHz utiliza un enfoque DSSS simple en el que cada bit transmitido está representado por una secuencia de longitud máxima de 15 chips (secuencia m). Los datos binarios se codifican multiplicando cada secuencia m por 1 o –1, y la secuencia de chip resultante se modula en la portadora mediante el uso de la codificación de cambio de fase binaria (BPSK). La codificación de datos diferenciales se utiliza antes de la modulación para permitir una recepción coherente diferencialmente de baja complejidad.El PHY de 2.4 GHz emplea una técnica de modulación cuasi-ortogonal cuasi-16 basada en métodos DSSS (con propiedades similares, por ejemplo, ganancia de procesamiento). Los datos binarios se agrupan en símbolos de 4 bits, y cada símbolo especifica una de las 16 secuencias de pseudo ruido (PN) casi ortogonales de 32 chips para la transmisión. Las secuencias de PN para los símbolos de datos sucesivos se concatenan, y la secuencia de chips agregados se modula en la portadora utilizando el cambio de desplazamiento mínimo (MSK), que es equivalente al desplazamiento del cambio de fase en cuadratura de desplazamiento (O-QPSK) con modelado de pulso de medio seno. El uso de un conjunto de símbolos "casi ortogonal" simplifica la implementación a cambio de una penalización de rendimiento relativamente pequeña (<0.5 dB). 

IEEE 802.15.4 actualmente especifica una sensibilidad del receptor de - 85 dBm para el PHY de 2.4 GHz y - 92 dBm para el PHY 868/915 MHz. Estos valores incluyen un margen suficiente para cubrir las tolerancias de fabricación, así como para permitir enfoques de implementación de muy bajo costo. En cada caso, los mejores dispositivos pueden ser del orden de 10 dB mejor que la especificación.Naturalmente, el rango alcanzable será una función de la sensibilidad del receptor así como la potencia de transmisión. La norma especifica que cada dispositivo debe ser capaz de transmitir al menos 1 mW, pero dependiendo de las necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión real puede ser mayor o menor (dentro de los límites reglamentarios). Se espera que los dispositivos típicos (1 mW) cubran un rango de 10 a 20 m; sin embargo, con una buena sensibilidad y un aumento moderado de la potencia de transmisión, una topología de red en estrella puede proporcionar una cobertura completa para el hogar. Para las aplicaciones que permiten una mayor latencia, las topologías de red de malla ofrecen una alternativa atractiva para la cobertura del hogar, ya que cada dispositivo solo necesita la potencia (y la sensibilidad) para comunicarse con su vecino más cercano.

Los dispositivos que operan en la banda de 2.4 GHz deben aceptar la interferencia causada por otros servicios operando en la banda. Esto es compatible con las aplicaciones IEEE 802.15.4, que tienen requisitos de calidad de servicio (QoS) relativamente bajos, no requieren comunicación isócrona y se puede esperar que realicen varios reintentos en ocasiones para completar las transmisiones de paquetes. A la inversa, un requisito principal de las aplicaciones IEEE 802.15.4 es una excelente duración de la batería; Esto se logra en el proyecto de norma mediante el uso de una potencia de transmisión baja y un funcionamiento de ciclo de trabajo muy bajo. Dado que los dispositivos IEEE 802.15.4 pueden estar durmiendo hasta un 99.9 por ciento del tiempo que están operativos y emplean transmisiones de espectro de baja potencia, deben estar entre los mejores vecinos en la banda de 2.4 GHz.