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IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 es un estándar técnico que define el funcionamiento de una red de área personal inalámbrica de baja velocidad ( LR-WPAN ). Especifica la capa física y el control d...

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IEEE 802.15.4 es un estándar técnico que define el funcionamiento de una red de área personal inalámbrica de baja velocidad ( LR-WPAN ). Especifica la capa física y el control de acceso al medio para LR-WPAN, y es mantenido por el grupo de trabajo IEEE 802.15 , que definió el estándar en 2003. [ 1 ] Es la base de las especificaciones Zigbee , [ 2 ] ISA100.11a , [ 3 ] WirelessHART , MiWi , 6LoWPAN , Thread , SNAP y Clear Connect Type X [ 4 ] , cada una de las cuales extiende aún más el estándar al desarrollar las capas superiores , que no están definidas en IEEE 802.15.4. En particular, 6LoWPAN define un enlace para la versión IPv6 del Protocolo de Internet (IP) sobre WPAN, y es utilizado por capas superiores como Thread .

Descripción general

El estándar IEEE 802.15.4 tiene como objetivo ofrecer las capas inferiores fundamentales de una red inalámbrica personal (WPAN), centrada en la comunicación ubicua de bajo coste y baja velocidad entre dispositivos. Se diferencia de otros enfoques, como Wi-Fi , que ofrece mayor ancho de banda y requiere más energía. El énfasis está en la comunicación de muy bajo coste entre dispositivos cercanos con poca o ninguna infraestructura subyacente, con el fin de aprovechar esta característica para reducir aún más el consumo de energía.

El marco básico contempla un alcance de comunicación de 10 metros con línea de visión directa y una velocidad de transferencia de 250  kbit/s. Es posible optimizar el ancho de banda para favorecer dispositivos integrados más avanzados con requisitos de energía aún menores, lo que permite una mayor duración de la batería mediante la definición de varias capas físicas. Inicialmente se definieron velocidades de transferencia inferiores de 20 y 40 kbit/s, y en la revisión actual se añadió  la velocidad de 100 kbit/s. 

Se pueden utilizar velocidades aún más bajas, lo que resulta en un menor consumo de energía. Como ya se mencionó, el objetivo principal del estándar IEEE 802.15.4 con respecto a las redes WPAN es lograr bajos costos de fabricación y operación mediante el uso de transceptores relativamente sencillos, a la vez que se posibilita la flexibilidad y adaptabilidad de las aplicaciones.

Las características clave del estándar 802.15.4 incluyen:

  1. Adecuado para aplicaciones en tiempo real con reserva de franjas horarias garantizadas (GTS).
  2. Prevención de colisiones mediante CSMA/CA .
  3. Soporte integrado para comunicaciones seguras.
  4. Las funciones de administración de energía ajustan los compromisos entre la velocidad y la calidad del enlace, así como la detección de energía.
  5. Compatibilidad con aplicaciones sensibles al tiempo y a la velocidad de datos mediante la capacidad de operar con modos de acceso CSMA/CA o TDMA . El modo de operación TDMA es compatible mediante la función GTS del estándar. [ 5 ]
  6. Los dispositivos que cumplen con la norma IEEE 802.15.4 pueden utilizar una de las tres bandas de frecuencia posibles para su funcionamiento (868/915/2450  MHz).

Arquitectura de protocolo

Pila de protocolos IEEE 802.15.4

Los dispositivos están diseñados para interactuar entre sí a través de una red inalámbrica conceptualmente simple . La definición de las capas de red se basa en el modelo OSI ; si bien el estándar solo define las capas inferiores, se prevé la interacción con las capas superiores, posiblemente mediante una subcapa de control de enlace lógico IEEE 802.2 que accede a la MAC a través de una subcapa de convergencia. Las implementaciones pueden depender de dispositivos externos o ser dispositivos integrados y autónomos.

La capa física

La capa física es la capa inferior en el modelo de referencia OSI utilizado en todo el mundo, y las capas de protocolo transmiten paquetes usándola.

La capa física (PHY) proporciona el servicio de transmisión de datos. También proporciona una interfaz a la entidad de gestión de la capa física , que ofrece acceso a todas las funciones de gestión de la capa física y mantiene una base de datos con información sobre las redes de área personal relacionadas. De esta forma, la PHY gestiona el transceptor de radio físico , realiza la selección de canales y las funciones de gestión de energía y señal. Opera en una de las tres bandas de frecuencia no licenciadas posibles:

  • 868,0–868,6  MHz: Europa, permite un canal de comunicación (2003, 2006, 2011 [ 6 ] )
  • 902–928  MHz: Norteamérica, el estándar IEEE 802.15.4-2003 originalmente permitía hasta diez canales (2003) , pero desde entonces se ha ampliado a treinta (2006).
  • 2400–2483,5  MHz: uso mundial, hasta dieciséis canales (2003, 2006)

La versión original de 2003 del estándar especifica dos capas físicas basadas en técnicas de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS): una que funciona en las  bandas de 868/915 MHz con velocidades de transferencia de 20 y 40  kbit/s, y otra en la banda de 2450  MHz con una velocidad de 250  kbit/s.

La revisión de 2006 mejora las velocidades máximas de datos de las  bandas de 868/915 MHz, aumentando su capacidad para admitir 100 y 250  kbit/s. Además, define cuatro capas físicas según el método de modulación utilizado. Tres de ellas conservan el enfoque DSSS: en las  bandas de 868/915 MHz, se utiliza modulación binaria o, de forma opcional, modulación por desplazamiento de fase en cuadratura con desplazamiento (QPSK); en la  banda de 2450 MHz, se utiliza QPSK.

Se define una capa alternativa opcional de 868/915  MHz mediante una combinación de modulación binaria y modulación por desplazamiento de amplitud (basada, por lo tanto, en espectro ensanchado paralelo, no secuencial; PSSS). Es posible la conmutación dinámica entre las capas físicas (PHY) de 868/915 MHz compatibles  .

Además de estas tres bandas, el grupo de estudio IEEE 802.15.4c consideró las bandas recientemente inauguradas de 314–316  MHz, 430–434  MHz y 779–787 MHz en China, mientras que el Grupo de Trabajo 4d de IEEE 802.15 definió una enmienda a [ 7 ] para admitir la nueva banda de 950–956 MHz en Japón. Las primeras enmiendas al estándar realizadas por estos grupos se publicaron en abril de 2009.  

En agosto de 2007 , se publicó IEEE 802.15.4a, ampliando las cuatro capas físicas (PHY) disponibles en la versión anterior de 2006 a seis, incluyendo una capa física que utiliza secuencia directa de banda ultraancha (UWB) y otra que utiliza espectro ensanchado por modulación de frecuencia (CSS). La capa física UWB tiene asignadas frecuencias en tres rangos: por debajo de 1  GHz, entre 3 y 5  GHz, y entre 6 y 10  GHz. La capa física CSS tiene asignado espectro en la  banda ISM de 2450 MHz. [ 8 ]

En abril de 2009 se publicaron IEEE 802.15.4c e IEEE 802.15.4d, ampliando los PHY disponibles con varios PHY adicionales: uno para  la banda de 780 MHz usando O-QPSK o MPSK, [ 9 ] otro para 950  MHz usando GFSK o BPSK . [ 10 ]

El estándar IEEE 802.15.4e se creó para definir una modificación MAC al estándar existente 802.15.4-2006, que adopta una estrategia de salto de canal para mejorar la compatibilidad con el mercado industrial. El salto de canal aumenta la robustez frente a interferencias externas y desvanecimiento por trayectos múltiples persistente. El 6 de febrero de 2012, la Junta de la Asociación de Estándares del IEEE aprobó el estándar IEEE 802.15.4e, lo que puso fin a los esfuerzos del Grupo de Trabajo 4e.

La capa MAC

El control de acceso al medio (MAC) permite la transmisión de tramas MAC mediante el canal físico. Además del servicio de datos, ofrece una interfaz de gestión y administra el acceso al canal físico y la señalización de red . También controla la validación de tramas, garantiza las ranuras de tiempo y gestiona las asociaciones de nodos. Finalmente, ofrece puntos de conexión para servicios seguros.

Cabe destacar que el estándar IEEE 802.15 no utiliza 802.1d ni el estándar IEEE 802.15.4q-2016 ; es decir, no intercambia tramas Ethernet estándar . El formato físico de la trama se especifica en el estándar IEEE 802.15.4-2011, sección 5.2. Está diseñado teniendo en cuenta que la mayoría de los PHY IEEE 802.15.4 solo admiten tramas de hasta 127 bytes (los protocolos de capa de adaptación, como el 6LoWPAN de la IETF, proporcionan esquemas de fragmentación para admitir paquetes de capa de red más grandes).

capas superiores

En el estándar no se definen capas de nivel superior ni subcapas de interoperabilidad. Otras especificaciones, como Zigbee , SNAP y 6LoWPAN / Thread , se basan en este estándar. Los sistemas operativos RIOT , OpenWSN , TinyOS , Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki y Zephyr también utilizan algunos componentes de hardware y software del estándar IEEE 802.15.4-2020 .

Modelo de red

Tipos de nodos

El estándar define dos tipos de nodos de red.

El primero es el dispositivo de funciones completas (FFD). Puede funcionar como coordinador de una red de área personal, así como de nodo común. Implementa un modelo general de comunicación que le permite comunicarse con cualquier otro dispositivo; también puede retransmitir mensajes, en cuyo caso se denomina coordinador (coordinador PAN cuando está a cargo de toda la red).

Por otro lado, existen dispositivos de función reducida (RFD). Estos dispositivos están diseñados para ser extremadamente simples, con requisitos de recursos y comunicación muy modestos; por ello, solo pueden comunicarse con FFD y nunca pueden actuar como coordinadores.

Topologías

IEEE 802.15.4 estrella y punto a punto
Árbol de clúster IEEE 802.15.4

Las redes pueden ser de tipo peer-to-peer o en estrella . Sin embargo, toda red requiere al menos un FFD que actúe como coordinador. Por lo tanto, las redes se forman mediante grupos de dispositivos separados por distancias adecuadas. Cada dispositivo tiene un identificador único de 64 bits y, si se cumplen ciertas condiciones, se pueden usar identificadores cortos de 16 bits en un entorno restringido. Es decir, dentro de cada dominio PAN, las comunicaciones probablemente utilizarán identificadores cortos.

Las redes punto a punto (o peer-to-peer) pueden formar patrones de conexión arbitrarios, y su extensión solo está limitada por la distancia entre cada par de nodos. Están diseñadas para servir de base a redes ad hoc capaces de autogestionarse y organizarse. Dado que el estándar no define una capa de red, el enrutamiento no es compatible directamente, pero dicha capa adicional puede añadir soporte para comunicaciones de múltiples saltos . Se pueden añadir más restricciones topológicas; el estándar menciona el árbol de clústeres como una estructura que aprovecha el hecho de que un RFD solo puede estar asociado con un FFD a la vez para formar una red donde los RFD son exclusivamente hojas de un árbol, y la mayoría de los nodos son FFD. La estructura puede extenderse como una red de malla genérica cuyos nodos son redes de árbol de clústeres con un coordinador local para cada clúster, además del coordinador global.

También se admite una estructura en estrella más definida , donde el coordinador de la red será necesariamente el nodo central. Dicha red puede originarse cuando un FFD decide crear su propia PAN y declararse coordinador, tras elegir un identificador PAN único. Posteriormente, otros dispositivos pueden unirse a la red, que es totalmente independiente de todas las demás redes en estrella.

Arquitectura de transporte de datos

Las tramas son la unidad básica de transporte de datos, de las cuales existen cuatro tipos fundamentales (tramas de datos, de acuse de recibo, de baliza y de comando MAC), que ofrecen un equilibrio razonable entre simplicidad y robustez. Además, se puede utilizar una estructura de supertrama, definida por el coordinador, en cuyo caso dos balizas actúan como sus límites y proporcionan sincronización a otros dispositivos, así como información de configuración. Una supertrama consta de dieciséis ranuras de igual longitud, que a su vez pueden dividirse en una parte activa y una parte inactiva, durante la cual el coordinador puede entrar en modo de ahorro de energía, sin necesidad de controlar su red.

Dentro de las supertramas, la contención se produce entre sus límites y se resuelve mediante CSMA/CA . Cada transmisión debe finalizar antes de la llegada de la segunda baliza. Como se mencionó anteriormente, las aplicaciones con necesidades de ancho de banda bien definidas pueden utilizar hasta siete dominios de una o más ranuras de tiempo garantizadas sin contención , que se encuentran al final de la supertrama. La primera parte de la supertrama debe ser suficiente para dar servicio a la estructura de la red y sus dispositivos. Las supertramas se utilizan normalmente en el contexto de dispositivos de baja latencia, cuyas asociaciones deben mantenerse incluso si permanecen inactivas durante largos períodos de tiempo.

Las transferencias de datos al coordinador requieren una fase de sincronización de balizas, si corresponde, seguida de la transmisión CSMA/CA (mediante ranuras si se utilizan supertramas); la confirmación es opcional. Las transferencias de datos desde el coordinador generalmente siguen las solicitudes del dispositivo: si se utilizan balizas, estas se usan para señalizar las solicitudes; el coordinador confirma la solicitud y luego envía los datos en paquetes que son confirmados por el dispositivo. El mismo procedimiento se realiza cuando no se utilizan supertramas, solo que en este caso no hay balizas para realizar el seguimiento de los mensajes pendientes.

Las redes punto a punto pueden utilizar CSMA/CA sin ranuras o mecanismos de sincronización; en este caso, es posible la comunicación entre cualquier par de dispositivos, mientras que en los modos "estructurados" uno de los dispositivos debe ser el coordinador de la red.

En general, todos los procedimientos implementados siguen una clasificación típica de solicitud-confirmación/indicación-respuesta.

Fiabilidad y seguridad

El acceso al medio físico se realiza mediante un método de acceso CSMA/CA . Las redes que no utilizan mecanismos de balizamiento emplean una variante sin ranuras, basada en la escucha del medio y potenciada por un algoritmo de retroceso exponencial aleatorio ; las confirmaciones no siguen este procedimiento. La transmisión de datos común utiliza ranuras no asignadas cuando se emplea el balizamiento; de nuevo, las confirmaciones no siguen el mismo proceso.

En determinadas circunstancias, los mensajes de confirmación pueden ser opcionales, en cuyo caso se asume que la operación se ha realizado correctamente. En cualquier caso, si un dispositivo no puede procesar una trama en un momento dado, simplemente no confirma su recepción: se puede realizar una retransmisión basada en el tiempo de espera varias veces, tras lo cual se decide si se aborta la operación o se continúa intentándolo.

Dado que el entorno previsto de estos dispositivos exige maximizar la duración de la batería, los protocolos tienden a favorecer los métodos que lo permiten, implementando comprobaciones periódicas de los mensajes pendientes, cuya frecuencia depende de las necesidades de la aplicación.

En lo que respecta a las comunicaciones seguras, la subcapa MAC ofrece funcionalidades que las capas superiores pueden aprovechar para lograr el nivel de seguridad deseado. Los procesos de capas superiores pueden especificar claves para realizar criptografía simétrica , proteger la carga útil y restringirla a un grupo de dispositivos o a un enlace punto a punto; estos grupos de dispositivos se pueden especificar en listas de control de acceso . Además, MAC realiza comprobaciones de vigencia entre recepciones sucesivas para garantizar que los paquetes supuestamente antiguos, o los datos que ya no se consideran válidos, no lleguen a capas superiores.

Además de este modo seguro, existe otro modo MAC inseguro, que permite listas de control de acceso [ 2 ] simplemente como un medio para decidir la aceptación de tramas según su origen (presunto).

Véase también

Referencias

  1. ^ Grupo de trabajo 4 de IEEE 802.15 WPAN™, https://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
  2. 1 2 Gascón, David (5 de febrero de 2009). "Seguridad en redes 802.15.4 y ZigBee" . Archivado del original el 19 de marzo de 2012. Recuperado el 9 de diciembre de 2010 .
  3. ↑ "Página principal del Comité ISA100" . Archivado del original el 21 de julio de 2011. Consultado el 20 de julio de 2011 .
  4. ↑ "Tecnología RF Lutron Clear Connect" (PDF) . Lutron . Enero de 2020. Consultado el 18 de marzo de 2025 .
  5. ↑ A. Mishra, C. Na y D. Rosenburgh, "Sobre la programación de intervalos de tiempo garantizados para transacciones sensibles al tiempo en redes IEEE 802.15.4", MILCOM 2007 - Conferencia de Comunicaciones Militares IEEE, Orlando, FL, EE. UU., 2007, págs. 1-7. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4455149/
  6. ↑ Norma IEEE 802.15.4-2011 8.1.2.2
  7. ↑ Norma IEEE 802.15.4-2006
  8. ↑ IEEE Computer Society, (31 de agosto de 2007). Norma IEEE 802.15.4a-2007
  9. ↑ IEEE Computer Society, (17 de abril de 2009). Norma IEEE 802.15.4c-2009
  10. ↑ IEEE Computer Society, (17 de abril de 2009). Norma IEEE 802.15.4d-2009
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