CAPAS FÍSICA Y DE ENLACE DE DATOS: EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4

Según la asociación de estándares de IEEE [27], el estándar IEEE 802.15.4, proporciona un conjunto de reglas, para el diseño e implementación de las capas física y de enlace de datos, en redes de área personal inalámbricas de baja tasa de transferencia LR –WPAN (Low Rate – Wireless Personal Area Network), caracterizadas por una infraestructura simple y económica, uso de poco ancho de banda y un consumo mínimo de energía, definiendo el protocolo y la

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interconexión entre dispositivos que usan tecnologías de radio, en una red de área personal. Tabla 3 muestra sus principales características.

CARACTERISTICAS DEL ESTANDAR IEEE 802.15.4

Capa Descripción

CAPA FÍSICA

Tres bandas de operación: 868 MHz, 915 MHz y 2.4 GHz, con tasas de transferencia de 20 kb/s, 40 kb/s y 250 kb/s, y compuestas de 1, 10 y 16 canales, respectivamente.

Tres esquemas de modulación: O-QPSK, BPSK Y ASK.

Uso de técnicas de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS) y la tecnología de Ultra Banda Ancha (UWB). Gestión de parámetros como la activación y desactivación de los dispositivos de radio, la detección de niveles de energía (Energy Detection), el indicador de calidad del enlace para los paquetes recibidos LQI (Link Quality Indicator ), el evaluador del estado de uso del canal CCA (Clear Channel Assessment), y la sintonización de las frecuencias de los canales.

CAPA DE ENLACE

Uso de CSMA /CA ranurado y no ranurado, como tecnología de acceso al medio. Modo de trabajo con señalización (Beacon)

Dos formas de asignación de direcciones IEEE: 16-bit short y 64-bit long. TOPOLOGÍAS Y

DISPOSITIVOS DEFINIDOS

Estrella, Malla y árbol de clusters.

Dispositivo de Funcionalidad Completa FFD

Dispositivo de funcionalidad reducida RFD (Reduced Function Device)

Tabla 3: Características del estándar IEEE 802.15.4

La capa física, es la responsable de la transmisión y recepción de datos, sirviendo como interfaz entre la subcapa MAC y el canal de transmisión, definiendo parámetros como las bandas de frecuencia, las técnicas de modulación y las técnicas de ensanchamiento de espectro. Ésta capa se encarga de la gestión de parámetros importantes relacionados al canal, como la activación y desactivación de los dispositivos de radio, la detección de niveles de energía (Energy Detection), el indicador de calidad del enlace para los paquetes recibidos (Link Quality Indicator LQI), el evaluador del estado de uso del canal (Clear Channel Assessment (CCA)), para detectar si el canal está libre u ocupado, y la sintonización de las frecuencias de los canales. La unidad de datos de protocolo de la capa física del estándar IEEE 802.15.4, se muestra en la Figura 9.

Figura 9: Campos de la unidad de datos de la capa física IEEE 802.15.4

Cada banda de frecuencias de operación, debe manejar su propia tasa de transferencia de bit y un rango de separación entre canales (Band Guard). La banda de 868 MHz, maneja un solo canal y una tasa de transferencia de datos de 20 kb/s; la banda de 915 MHz, trabaja con 10 canales, con una separación de 20MHz por canal y una tasa de 40 kb/s; finalmente la banda de 2.4 GHz que

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inicia en 2400 MHz y termina en los 2483.5 MHz, cuenta con 16 canales separados entre sí cada 5 MHz, con una tasa de transferencia de 250 kb/s.

El estándar IEEE 802.15.4, define en su capa física, el tipo de modulación para cada banda de operación: Por desplazamiento de fase binaria BPSK (del inglés Binary Phase Shift Keying), por desplazamiento de fase por cuadratura con corrimiento O-QPSK (del inglés Offset quadrature phase-shift keying), y la modulación por desplazamiento en amplitud ASK (del inglés Amplitude-shift keying). También especifica el uso del espectro ensanchado por secuencia directa DSSS (del inglés Direct Sequence Spread Spectrum or of Parallel Sequence Spread Spectrum) y la tecnología de Ultra Banda Ancha (UWB). La Figura 10 muestra las bandas de transmisión y sus respectivos esquemas de modulación, para la capa física.

Figura 10: Bandas y esquemas de modulación IEEE 802.15.4 Autor.

La capa de enlace de datos del estándar IEEE 802.15.4, define los métodos de acceso al medio (canales de transmisión), la estructura de las tramas, la detección y corrección de errores, y el tipo de dispositivos que componen la red, a través de la subcapa MAC (Medium Access Control), la cual define el manejo de los datos, la gestión en la transmisión de tramas de señalización (Beacon), y actúa como una interfaz entre la subcapa de control de enlace lógico LLC (Logical Link Control) y la capa física.

La Figura 11 muestra las tramas que componen la subcapa MAC del estándar IEEE 802.15.4, en su versión del 2006, según Reziouk [28].

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Como mecanismo de acceso a los canales, se usa principalmente, la técnica de acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisión, CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Ésta técnica de acceso al medio, usa el concepto de detección de portadora, para conocer el estado de uso del canal, reduciendo la probabilidad de colisión, a través del manejo de tiempos de espera aleatorios entre transmisiones.

La capa inferior MAC, clasifica los dispositivos que participan en el intercambio de datos, según su nivel de funcionalidad. Lo anterior permite definir las topologías de red en que puede trabajar la red de sensores inalámbricos:

• Dispositivo de Funcionalidad Completa FFD (Full Function Device): Implementa todas

las funciones que ofrece la subcapa MAC. Pueden ser usados en cualquier topología de red, son capaces de cumplir la función de coordinador de red, y poseen la capacidad de comunicarse con cualquier otro elemento. Estos dispositivos poseen tres modos de funcionamiento:

o Coordinador de la red de área personal PAN (Personal Area Network

Coordinator): Es el dispositivo encargado de identificar la red y las configuraciones iniciales. Es el controlador principal.

o Coordinador: En éste modo de funcionamiento, se proveen los servicios de

sincronización entre nodos, a través de la transmisión de señales Beacon. No es capaz de crear su propia red, a diferencia del modo coordinador PAN y debe estar asociado a un coordinador PAN The Coordinator:

o Dispositivo final: Funcionamiento básico, con funcionalidad reducida, aplicado en tareas sencillas ajenas al procesamiento y encaminamiento.

• Dispositivo de funcionalidad reducida RFD (Reduced Function Device): Posee las

funciones básicas de la capa MAC. Solo puede comunicarse con los dispositivos de funcionalidad completa FFD, por lo que y debido a sus limitaciones, funcionan como dispositivos finales, en aplicaciones simples donde no se necesite transmitir grandes cantidades de información, como la activación de interruptores o de sensores pasivos, ideal para aplicaciones de domótica o el creciente fenómeno del Internet de las Cosas (IoT)

En una red de dispositivos, basada en el estándar IEEE 802.15.4, La subcapa MAC emplea dos modos de operación para el intercambio de datos:

Modo con señalización o baliza habilitada (Beacon – Enabled): La emisión periódica de señales

o mensajes Beacon, realizada desde un dispositivo coordinador, permite mantener una

sincronización entre los nodos que componen la red. El proceso de intercambio de información en éste modo de funcionamiento, se describe a continuación [28],[29]:

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• El coordinador de la red de área personal (Coordinador PAN), define y transmite las tramas Beacon hacia todos los nodos, para descubrirlos (cuando son nuevos en la red), o confirmar su presencia en la red, activarlos (si se encuentran en modo “sleep”), y sincronizarlos.

• En toda comunicación inalámbrica, la transmisión se realiza generando una señal

portadora, con el fin de combinarla con los datos o la información que se desea enviar (modulación). La técnica de acceso al canal CSMA, detecta la portadora para conocer el estado de uso del canal, antes de realizar la transmisión.

• Las señales Beacon, permiten confirmar la presencia de un nodo en la red e informan a los nodos sobre la configuración de la supertrama, definida por el coordinador. El concepto de supertrama [30], está relacionado con un conjunto de tiempos definidos y asignados para la transmisión de información. Cuando un nodo recibe un beacon, se le indica que tiene la posibilidad de transmitir en un tiempo específico o ranura de tiempo, durante la supertrama. La supertrama se compone de dos tiempos definidos por el coordinador de la red de área personal: Periodo activo y periodo inactivo. El periodo activo es el mismo tiempo de duración de la supertrama, durante el cual, se realiza la transmisión o intercambio de información entre nodos, y se compone de 16 ranuras (Time Slots) de igual duración. El periodo activo a su vez, se divide en dos tiempos o grupos de ranuras de tiempo: El periodo de acceso con contención CAP (Contention Access Period) y el periodo libre de contención CFP (Contention Free Period). Durante el CAP, los nodos tienen la posibilidad de transmitir, pero deben competir con los otros nodos para poder transmitir durante una de las ranuras, y luego esperar la siguiente supertrama para volver a competir por otra. Sin embargo en los casos en que se requiera prioridad en una transmisión, se usa el CFP, que consiste en un grupo de ranuras de tiempo que se reservan y asignan, a un nodo o grupo de nodos específico, permitiendo el uso del canal de forma exclusiva durante la ranura de tiempo, para la transmisión de información a través del mecanismo de ranura de tiempo garantizada GTS (Guaranteed Time Slot), usando la técnica CSMA/CA ranurado. Una supertrama va limitada por dos beacons. Los Beacons se transmiten siempre en la primera ranura de la supertrama Figura 12.

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Figura 12: Formato supertrama [30].

Modo con señalización o baliza deshabilitada (Non – Beacon – Enabled): No existe transmisión de Beacon, y los nodos acceden al canal a través del CSMA/CA no ranurado, significa que no hay ranuras de tiempo por las cuales competir, no se usa la supertrama, y no hay sincronización ni confirmación de presencia.