Las dos bandas de operación que ofrece la capa física (868/915 MHz y 2.4 GHz) manejan la misma estructura de paquete con el fin de brindar una interface común con la MAC. A continuación se muestra la estructura de paquete:
Figura A. 3 Trama de datos de la capa física.
Synchronisations Header: indica la sincronización de la trama, está formado por un preámbulo de 32 bits utilizado para la adquisición de símbolos, tiempos de chip y ajustes de frecuencia en algunas ocasiones.
PHY Header: indica el encabezado de la capa física y se utilizan 7 bits para definir la longitud de la unidad de datos de servicio de la Capa Física (PSDU).
PHY service data unit (PSDU): indica el campo de datos de la Capa Física, en este campo se encapsula la trama MAC por lo tanto el paquete máximo de la Capa Física es de 133 bytes. La duración de los paquetes para cada banda de operación es la siguiente:
2.4 GHz 4.25 ms 915 MHz 26.6 ms 868 MHz 53.2 ms A.2.1 Comunicación
Las dos bandas de operación que ofrece el estándar IEEE 802.15.4 las cuales son de 868/915 MHz y 2.4 GHz utilizan la técnica de modulación de espectro ensanchado DSSS (Direct Secuence Spread Spectrum), la cual consiste en transmitir una señal con una ancho de banda mayor al que ocupa la señal que modula la portadora, esto se consigue multiplicando los datos a transmitir por una señal pseudo-aleatoria conformada por una secuencia de chips los cuales son de menor duración que un bit de información con una frecuencia mucho mayor que la señal original. El proceso consiste en modular los bits de información de la señal original por la secuencia de chips de la señal pseudo-aleatoria que da como resultado una señal con una tasa de datos mucho mayor a la original. En este
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caso la señal enviada inicialmente se puede recuperar en el receptor multiplicándola por
la misma secuencia pseudo-aleatoria. [48]
Los beneficios de utilizar esta técnica de modulación de espectro ensanchado se basan principalmente en ofrecer mayor inmunidad a interferencias debido a la utilización de la secuencia de chips para la modulación en la cual se agrega redundancia a la señal, optimización en el uso de los canales y mayor seguridad de las comunicaciones.
Figura A. 4 Modulación de Espectro Ensanchado. A.2.1.1 Comunicación en la Banda de 2.4 GHz
A continuación se muestra el diagrama de bloques de comunicación para la banda de 2.4 GHz. El proceso de comunicación para la banda de 2.4 GHz consiste en ensamblar 4 bits de datos en un símbolo para luego ser convertidos en una secuencia de 32 chips rotados e invertidos cíclicamente y finalmente ser modulados por los dos canales ortogonales del modulador O-QPSK.
Figura A. 5 Diagrama de Bloques de comunicación para la banda de 2.4 GHz.
Bit a Símbolo
El proceso de conversión de bit a símbolo consiste en tomar los bits de la trama PPDU y organizarlos de tal forma que al tomar cada octeto de bits, los cuatro bits menos significativos sean encapsulados dentro en un símbolo y los cuatro bits más significativos en otro símbolo
109 Conversión de Símbolo a chip.
El diagrama de bloques muestra la secuencia de la comunicación en la cual una vez obtenidos los símbolos se procede a convertir estos símbolos a chips. En este proceso se toma el símbolo y se forma una secuencia pseudo-aleatoria de 32 chips, como se muestra en la tabla 4.5. En la cual a cada símbolo se le asigna una secuencia de chip.
Entrada de Bits (b0, b1, b2, b3) ó (b4,b5,b6,b7)
Valor de los Chips (c0,c1,c2,c3… c31) 0000 1101 1001 1100 0011 0101 0010 0010 1110 1000 1110 1101 1001 1100 0011 0101 0010 0010 0100 0010 1110 1101 1001 1100 0011 0101 0010 1100 0010 0010 1110 1101 1001 1100 0011 0101 0010 0101 0010 0010 1110 1101 1001 1100 0011 1010 0011 0101 0010 0010 1110 1101 1001 1100 0110 1100 0011 0101 0010 0010 1110 1101 1001 1110 1001 1100 0011 0101 0010 0010 1110 1101 0001 1000 1100 1001 0110 0000 0111 0111 1011 1001 1011 1000 1100 1001 0110 0000 0111 0111 0101 0111 1011 1000 1100 1001 0110 0000 0111 1101 0111 0111 1011 1000 1100 1001 0110 0000 0011 0000 0111 0111 1011 1000 1100 1001 0110 1011 0110 0000 0111 0111 1011 1000 1100 1001 0111 1001 0110 0000 0111 0111 1011 1000 1100 1111 1100 1001 0110 0000 0111 0111 1011 1000
Tabla A. 1 Conversión de símbolo a chip. Modulador O-QPSK
En esta banda se utiliza la modulación O-QPSK, 16-aria, cuasi-ortogonal, en la cual se toma una secuencia de datos compuesta por 32 chips para ser dividida a través de un multiplexor en una secuencia par o en fase y otra impar o fase de cuadratura llamados
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canales ortogonales I y Q respectivamente. El canal I modula la señal en una onda coseno, mientras que el canal Q modula la señal en una onda seno, estos dos canales ortogonales manejan cuatro estados de fase como se muestra a continuación:
Fase (grados) Datos (bits)
45° 11
135° 01
225° 00
315° 10
Tabla A. 2 Estados de la fase.
La modulación O-QPSK está compuesta por una secuencia de 32 chips (c0, c1, c2, c3…c31) que son los bits que forman la componente en fase (bits pares) y cuadratura (bits impares).
El estándar IEEE 802.15.4 especifica una tasa de símbolos de 62.5 mil por segundo, lo que equivale a una tasa de transmisión de 250kbps teniendo en cuenta que se transmiten cuatro bits por símbolo. Por lo tanto la transmisión equivale a 32 chips en un tiempo de símbolo de 16 µs, lo que da un total de 2 millones de chips por segundo.
A.2.1.2 Modulación para la Bandas de 868/915 MHz
En la transmisión se utiliza la técnica de espectro ensanchado DSSS para ampliar el espectro, transmitiendo una secuencia pseudo-aleatoria de 15 chips en un periodo de símbolo, en donde se transmite la secuencia original para representar un “1” y la secuencia invertida para representar un “0”.
El estándar IEEE 802.15.4 define una modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying) en la cual se tienen dos fases, 180 grados y 0 grados. En esta modulación la transmisión de un “1” significa un cambio de fase de 0 grados y un 1 un cambio de 180 grados sobre la fase de la portadora. [21]
A continuación se muestra el diagrama de la constelación BPSK:
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Figura A. 7 Proceso de Modulación y Ampliación del Espectro Bandas 868 y 915 MHz.