Estructura

Siguiendo el estándar del modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection), en la figura 3.3, aparece la estructura de la arquitectura en capas.

Las primeras dos capas, la física y la de acceso al medio MAC, son definidas por el estándar IEEE 802.15.4. Las capas superiores son definidas por la Alianza ZigBee y corresponden a las capas de red (NWK) y una capa de aplicación (APL).

El framework de la capa de aplicación consiste de la subcapa de soporte de aplicación (APS) y los objetos dispositivos ZigBee (ZDO).

Figura 3.3: Estructura de ZigBee

3.1.3.1 Capa Física (PHY)

El protocolo IEEE 802.15.4 tiene dos subcapas PHY, que operan en dos rangos de frecuencia distintos: 868/915 MHz y 2.4GHz, la capa PHY de baja frecuencia cubre tanto los rangos europeos (868.3MHz) a un ancho de banda de datos de 20Kb/s; como los rangos usados en países como EUA, Canadá y Australia

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Página 63 (915Mhz) a un ancho de banda de 40 Kb/s; mientras que la capa de alta frecuencia (2.4GHz) es usada a nivel mundial (entre los cuales se encuentra México) y con un ancho de banda de 250 Kb/s.

La comunicación a nivel físico se realiza mediante los dispositivos inalámbricos que envían los datos usando ondas electromagnéticas. En este caso se utiliza modulación por QPSK, en el espectro de los 2.4 GHz. Tenemos disponibles 16 canales en los que podemos transmitir (separados entre sí 5 MHz). Cuando un dispositivo transmite, el resto espera. Todos los dispositivos que estén en el radio de alcance del transmisor podrán escuchar el mensaje. Pero la mayoría de las veces queremos comunicarnos con uno solo.

3.1.3.2 Capa de control acceso al medio MAC)

La capa MAC del IEEE 802.15.4, controla el acceso a los canales de radio utilizando un mecanismo de acceso múltiple con censado de portadora y evasión de colisiones o CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Acces with Colission Avoidance), el cual es un protocolo de control de redes de bajo nivel que permite que múltiples estaciones ocupen un mismo medio de transmisión, es un mecanismo empleado para evitar que dos dispositivos usen el mismo canal a la vez, produciendo una colisión. En este recae la responsabilidad de sincronización, transmisión de beacons (señales asistentes de navegación) y de proveer un mecanismo confiable de transmisión de datos.

La manera de identificar los dispositivos dentro de la red lo provee la capa MAC. Así pues, cada dispositivo posee una dirección MAC que debe ser única, de 64 bits. Se puede usar esta misma en las comunicaciones dentro de la red, o se puede intercambiar con el coordinador de la PAN (Personal Area Network) por una más corta de 16 bits. Esta dirección es la que identifica el origen y el destino de una trama dentro de la red. Cada trama debe tener un tamaño máximo de 127

bytes, incluyendo los encabezados MAC, que son como máximo de 25 bytes (sin utilizar seguridad).

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Página 64 Teniendo esto en cuenta, y considerando las dos topologías de red posibles a este nivel, a saber estrella y peer-to-peer, solo podemos enviar datos a los nodos que estén dentro de nuestro radio de alcance. Es más, si el dispositivo es RFD, solo podrá enviar datos al coordinador. Esto es muy limitado. Para solucionarlo, debemos confiar en la siguiente capa: la capa de red (NWK, NetWorK).

3.1.3.3 Capa de red (NWK)

Se requiere para proveer funcionalidad que asegure el correcto funcionamiento de la sub capa MAC correspondiente al estándar IEEE 802.15.4, y para proveer una interfaz de servicio adecuada a las capas de aplicación.

La capa de red la aporta ZigBee. El principal cometido de esta capa es proveer de un nivel mayor de abstracción. Añade una nueva dirección lógica a los dispositivos (16 bits). Esto permite que se puedan enviar datos a otros nodos que no están dentro de la cobertura de transmisión. Para ello es necesario contar con unos dispositivos especiales que enrutan los datos a través de la red. Ahora sí podemos crear una red amplia en la que cada nodo puede comunicarse con todos los otros nodos de la misma red. Además podemos hacer redes usando topologías diferentes, como malla o árbol.

Para cumplir su cometido, la capa de red proporciona dos servicios, uno de datos (NLDE, Network Layer Data Entity) y otro de gestión (NLME, Network Layer Management Entity).

El NLDE encapsula los datos de la capa superior añadiendo las encabezados necesarios, y los pasa a la capa MAC, para ser enviados a su destino. También se encarga de retransmitir aquellos NPDUs (Network Protocol Data Unit) que tienen como destino otro nodo de la red (routing).

El NLME coordina las tareas de mantenimiento de la red: crear una nueva red o asociarse/desasociarse a una existente, direccionamiento de dispositivos, descubrimiento de nodos vecinos y rutas, control de recepción de datos, etc.

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3.1.3.4 Capa de aplicación (APL)

Como se muestra en la figura 3.3, la capa de aplicación consiste de la subcapa de soporte de aplicación (APS), los objetos dispositivos ZigBee (ZDO) y los objetos de aplicación definidos por el manufacturador.

La capa APS es la encargada de enviar los PDUs de una aplicación entre dos o más dispositivos (llamada APSDE, APS Data Entity) y de descubrir y enlazar los dispositivos y mantener una base de datos de los objetos controlados, conocida como AIB, APS Information Base. Dos dispositivos se enlazan en la AIB en función de los servicios que ofrecen y de sus necesidades. Esto es útil para el direccionamiento indirecto. Así, es posible enviar un paquete a un dispositivo en función de la dirección de origen, ya que están vinculados. Esta tabla solo puede estar presente en el dispositivo coordinador o en uno designado a tal efecto.

Subcapa de aplicación (APS)

La APS, provee una interfaz entre la capa de red NWK y la capa de aplicación APL, a través de un conjunto de servicios que son utilizados tanto por los objetos ZigBee (ZDO) como por los objetos definidos por el manufacturador.

APsDE o Entidad de datos de la subcapa de soporte de aplicación, a través del punto de acceso a servicios del APSDE (APSDE-SAP). Encargada de proveer los servicios de transmisión de datos entre dos o más entidades de aplicación ubicadas en la misma red.

APSME o Entidad de manejo de la subcapa de soporte de aplicación, a través del punto de acceso a servicios del APSME (APSME-SAP). Encargada de proveer una variedad de servicios a los objetos de aplicación incluidos los servicios de seguridad y la creación de un vínculo lógico unidireccional entre un dispositivo fuente y un destino (binding). De igual forma mantiene una base de datos de los objetos manejados, conocida como la base de información de la APS (AIB).

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