REDES DOMÉSTICAS CON IEEE 802.15.4: UN ESTÁNDAR EN DESARROLLO PARA REDES INALÁMBRICAS DE ÁREA PERSONAL DE BAJA VELOCIDAD

Este artículo presenta el borrador del estándar IEEE 802.15.4 y sus aplicaciones de red doméstica. Las principales características del estándar son flexibilidad de red, bajo costo y bajo consumo de energía; el estándar es adecuado para muchas aplicaciones en el hogar que requieren comunicaciones de baja velocidad de datos en una red autoorganizada ad hoc

Ha habido varios intentos de conectar en red el entorno del hogar 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.

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 está diseñado para ser útil en una amplia variedad de aplicaciones, incluido el control industrial y la supervisión; seguridad pública, incluida la detección y la determinación de la ubicación en los sitios de desastre; detección automotriz, como monitoreo 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 [3]. Sin embargo, una de las mayores oportunidades de aplicación para IEEE 802.15.4 es la automatización del hogar y la creación de redes.

IEEE 802.15.4

Dentro del hogar, uno puede considerar varios sectores de mercado posibles: periféricos de PC, incluidos ratones inalámbricos, teclados, joysticks, PDAs de gama baja y juegos; productos electrónicos de consumo, incluyendo radios, televisores, videograbadoras, CD, DVD, controles remotos, y más, 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 salud, incluidos sensores, monitores y diagnósticos; y juguetes y juegos, incluyendo juguetes mejorados para PC y juegos interactivos entre individuos y grupos.

Al igual que todos los estándares IEEE 802, el borrador del estándar IEEE 802.15.4 abarca solo aquellas capas que incluyen partes de la capa de enlace de datos (DLL). Los protocolos de capa superior están 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.

El borrador del estándar IEEE 802.15.4 admite múltiples topologías de red, incluidas ambas estrellas y redes peer-to-peer (Fig. 1). La topología es una opción de diseño de la aplicación; 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 del perímetro, pueden requerir la cobertura de área extensa de la red de igual a igual. Se proporcionan múltiples tipos de direcciones, que incluyen físicas (es decir, IEEE de 64 bits) y cortas (es decir, asignadas a la red de 8 bits).

El proyecto IEEE 802 [5] divide la DLL en dos subcapas, la MAC y las subcapas de control de enlace lógico (LLC). El LLC está estandarizado en 802.2 [6] 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. La Figura 2 muestra cómo IEEE 802.15.4 se ajusta al modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos (OSI) de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO

La estructura de trama MAC se mantiene muy flexible para acomodar las necesidades de las diferentes aplicaciones y topologías de red mientras se mantiene un protocolo simple. El formato general de un marco MAC es se muestra en la Fig. 3. 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 marco. Indica el tipo de trama MAC que se está transmitiendo, especifica el formato del campo de dirección y controla el acuse de recibo. En resumen, el campo de control de cuadro especifica cómo se ve el resto del marco y qué contiene.

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

Dependiendo de la configuración de la red, un LRWPAN puede usar uno de los dos mecanismos de acceso a los canales. En una red habilitada para balizas con supertramas, se usa un mecanismo de acceso múltiple por detección de portadora con ranura y mecanismo de evitación de colisión (CSMA-CA). En redes sin balizas, se usa CSMA-CA sin ranura o estándar.

IEEE 802.15.4 ofrece dos opciones de PHY que se combinan con MAC para habilitar una amplia gama de aplicaciones de red. Ambas PHY se basan en métodos de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) que resultan en la implementación de IC digital de bajo costo, y ambas comparten la misma estructura básica de paquete para operaciones de bajo consumo de ciclo de trabajo bajo.

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 use los 11 canales. Sin embargo, las dos bandas se consideran suficientemente cercanas en frecuencia como para que se pueda usar hardware similar, si no idéntico, para ambos, lo que reduce los costos de fabricación. El PHY de 2,4 GHz admite 16 canales entre 2,4 y 2,4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) para facilitar los requisitos de filtro de transmisión y recepción.

Para mantener una interfaz simple común con el MAC, ambas capas PHY comparten una sola estructura de paquete (Fig. 6). Cada paquete o unidad de datos de 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 de servicio PHY (PSDU).

La PHY de 868/915 MHz utiliza un enfoque DSSS simple en el que cada bit transmitido se representa mediante 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 chips resultante se modula en la portadora usando la codificación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). La codificación de datos diferenciales se usa antes de la modulación para permitir una recepción de baja complejidad y coherente diferencialmente.

IEEE 802.15.4 actualmente especifica sensibilidades del receptor de -85 dBm para la PHY de 2.4 GHz y -92 dBm para la 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 estar en el orden de 10 dB mejor que la especificación Naturalmente, el rango alcanzable será una función de la sensibilidad del receptor y de la potencia de transmisión.

Que tienen requisitos de calidad de servicio (QoS) relativamente bajos, no requieren comunicación isócrona, y se puede esperar que realicen múltiples intentos en ocasiones para completar 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 operación de ciclo de trabajo muy bajo. Como los dispositivos IEEE 802.15.4 pueden estar durmiendo hasta en un 99.9 por ciento del tiempo que están operativos y emplean transmisiones de amplio espectro de baja potencia, deberían estar entre los mejores vecinos de la banda de 2,4 GHz.

Con la estandarización de MAC y PHY casi completa, el foco está ahora en las capas de protocolo superiores y los perfiles de aplicación. ZigBee Alliance está liderando este esfuerzo, y se espera una primera generación de resultados para fines de 2002. En paralelo, se espera que varios fabricantes líderes de semiconductores anuncien la primera generación de circuitos integrados.