Redes domésticas con IEEE 802.15.4:Un estándar en desarrollo para tarifas bajas Redes de área personal inalámbricas

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Redes domésticas con IEEE 802.15.4:Un estándar en desarrollo para tarifas bajas Redes de área personal inalámbricas

INTERFERENCIA HACIA Y DESDE OTROS SERVICIOS

Los dispositivos que operan en la banda de 2,4 GHz deben aceptar la interferencia causada por otros servicios que operan 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 múltiples reintentos en ocasiones para completar las transmisiones de paquetes. Por el contrario, 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 baja potencia de transmisión y una operación de ciclo de trabajo muy bajo. Dado que los dispositivos IEEE 802.15.4 pueden estar inactivos hasta el 99,9 % del tiempo que están operativos y emplean transmisiones de espectro ensanchado de baja potencia, deberían estar entre los mejores vecinos en la banda de 2,4 GHz.

FORMATO GENERAL MAC

La estructura de la trama MAC se mantiene muy flexible para adaptarse a las necesidades de diferentes aplicaciones y topologías de red mientras se mantiene un protocolo simple. El formato general de una trama MAC se muestra en la Fig. La trama MAC se denomina unidad de datos de protocolo MAC (MPDU) y está compuesta por el encabezado MAC (MHR), la unidad de datos de servicio MAC (MSDU) y el pie de página MAC (MFR). El primer campo del encabezado MAC es el campo de control de trama.

CAPA DE ENLACE DE DATOS

La IEEE 802 divide la DLL en dos subcapas, las subcapas MAC y de control de enlace lógico (LLC). La LLC está estandarizada en 802.2 y es común entre los estándares 802 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.

El MAC IEEE 802.15.4 proporciona servicios a un LLC IEEE 802.2 tipo I a través de la subcapa de convergencia específica del servicio (SSCS), o un LLC propietario puede acceder al 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. Con este modelo, el MAC 802.15.4 proporciona funciones que 802.2 no utiliza y, por lo tanto, permite las topologías de red más complejas mencionadas anteriormente.

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 asignación de nombres y enlaces, que incorporan las tareas necesarias de direccionamiento, enrutamiento y seguridad

El estándar IEEE 802.15.4 admite múltiples topologías de red, incluidas tanto en estrella y redes peer-to-peer (Fig. 1). La topología es una opción de diseño de aplicaciones; algunas aplicaciones, como los periféricos de PC, pueden requerir la conexión de baja latencia de la red en estrella, mientras que otras, como la seguridad perimetral, pueden requerir la cobertura de área extensa de las redes punto a punto

APLICACIONES

IEEE 802.15.4 está diseñado para ser útil en una amplia variedad de aplicaciones, incluido el control y la supervisión industriales; seguridad pública, incluyendo detección y determinación de ubicación en sitios de desastre; sensores automotrices, como el control de la presión de los neumáticos; insignias y etiquetas inteligentes; y agricultura de precisión, como la detección de la humedad del suelo, pesticidas, herbicidas y niveles de Ph.

Dentro del hogar, se pueden considerar varios sectores de mercado posibles: periféricos de PC, incluidos ratones inalámbricos, teclados, joysticks, PDA de gama baja y juegos; productos electrónicos de consumo, incluidos radios, televisores, VCR, CD, DVD, controles remotos, etc

INTRODUCCIÓN

Ha habido varios intentos de conectar en red el entorno doméstico a través de soluciones propietarias y mediante estándares como HomePNA, Homeplug Powerline Alliance, CEA R-7, HomeRF y Echonet. Los enfoques para lograr este objetivo se pueden clasificar fácilmente en dos grupos: redes cableadas e inalámbricas.

En el ámbito alámbrico, las líneas telefónicas (analógicas, digitales básicas y similares a DSL), los módems de cable y los proveedores de líneas eléctricas son los principales impulsores. Cada uno ofrece varias ventajas y desventajas que dependen de la capacidad del ancho de banda, la instalación, el mantenimiento y el costo, entre otros.

SENSIBILIDAD Y ALCANCE

La IEEE 802.15.4 actualmente especifica sensibilidades de receptor de -85 dBm para PHY de 2,4 GHz y - 92 dBm para el PHY de 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 mejores que la especificación.

Para las aplicaciones que permiten una mayor latencia, las topologías de red de malla brindan una alternativa atractiva para la cobertura del hogar, ya que cada dispositivo solo necesita suficiente energía (y sensibilidad) para comunicarse con su vecino más cercano.

Naturalmente, el rango alcanzable será una función de la sensibilidad del receptor así como de la potencia de transmisión. El estándar especifica que cada dispositivo deberá ser capaz de transmitir al menos 1 mW, pero dependiendo de las necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión real puede ser menor o mayor (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 en la potencia de transmisión, una topología de red en estrella puede proporcionar una cobertura doméstica completa.

MODULACIÓN

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 utilizando modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). La codificación diferencial de datos se utiliza antes de la modulación para permitir una recepción diferencialmente coherente de baja complejidad.

CANALIZACIÓN

El PHY de 2,4 GHz admite 16 canales entre 2,4 y 2,4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) destinado a facilitar los requisitos de filtro de transmisión y recepción.

Veintisiete canales de frecuencia están disponibles en las tres bandas (Fig. 5 y Tabla 2). El 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 poco probable que una sola red utilice los 11 canales.

CAPA FÍSICA

La IEEE 802.15.4 ofrece dos opciones PHY que se combinan con MAC para habilitar una amplia gama de aplicaciones de red. Ambos PHY se basan en métodos de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) que dan como resultado una implementación de IC digital de bajo costo, y ambos comparten la misma estructura de paquete básica para una operación de baja potencia y bajo ciclo de trabajo.

La diferencia fundamental entre los dos PHY es la banda de frecuencia. El PHY de 2,4 GHz especifica el funcionamiento en la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2,4 GHz, que tiene disponibilidad casi mundial, mientras que el PHY de 868/915 MHz especifica el funcionamiento en la banda de 868 MHz en Europa y la banda ISM de 915 MHz en el Estados Unidos

OTRAS CARACTERÍSTICAS MAC

Dependiendo de la configuración de la red, una LR-WPAN puede usar uno de los dos mecanismos de acceso al canal. En una red habilitada para balizas con supertramas, se utiliza un mecanismo de acceso múltiple con detección de portadora ranurada con prevención de colisiones (CSMA-CA). En redes sin balizas, se utiliza CSMA-CA estándar o sin ranuras. 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 durante un período aleatorio o indicar una falla de transmisión si no tiene éxito después de algunos reintentos.

La IEEE 802.15.4 proporciona tres niveles de seguridad: ningún tipo de seguridad (p. ej., para aplicaciones de quioscos publicitarios); listas de control de acceso (seguridad no criptográfica); y seguridad de clave simétrica, empleando AES-128. Para minimizar el costo de los dispositivos que no lo requieren, el método de distribución de claves (p. ej., criptografía de clave pública) no se especifica en el borrador del estándar, pero puede incluirse en las capas superiores de las aplicaciones apropiadas.

Una función importante del MAC es confirmar la recepción exitosa de una trama recibida. La recepción y validación exitosas de una trama de comando de datos o MAC se confirma con un acuse de recibo. Si el dispositivo receptor no puede manejar el mensaje entrante por algún motivo, no se acusa recibo.

ESTRUCTURA SUPERFRAME

Algunas aplicaciones pueden requerir ancho de banda dedicado para lograr bajas latencias. Para lograr estas latencias bajas, IEEE 802.15.4 LR-WPAN puede operar en un modo de supertrama opcional. En una supertrama, un coordinador de red dedicado, denominado coordinador PAN, transmite balizas de supertrama a intervalos predeterminados. Estos intervalos pueden ser tan cortos como 15 ms o tan largos como 245 s.