Capacidades de Interoperabilidad
para Redes Inal´
ambricas de Sensores
OSCAR JAVIER IDROBO LOPEZ
ALEJANDRO TORRES TORO
Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas Facultad de Ingenier´ıa, Ingenier´ıa Electr´onica,
Capacidades de Interoperabilidad
para Redes Inal´
ambricas de Sensores
OSCAR JAVIER IDROBO LOPEZ
ALEJANDRO TORRES TORO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al t´ıtulo de: Ingeniero Electr´onico
Director: Ing. GUSTAVO ADOLFO PUERTO LEGUIZAM ´ON, Ph.D.
L´ınea de Investigaci´on: Redes de Sensores Grupo de Investigaci´on:
Grupo de Radiaci´on Electromagn´etica y Comunicaciones ´Opticas
Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas Facultad de Ingenier´ıa, Ingenier´ıa Electr´onica,
A mi familia por su apoyo incondicional y creer en mi, a mi hermano Julian por su berraquera y pundonor, a nia por su lealtad y compa˜n´ıa... Y a todas las personas que contribuyeron en mi formaci´on.
Oscar Javier Idrobo Lopez
A Dios, porque nada es posible sin su volun-tad. A mis padres y hermano, porque han estado incondicionalmente en todas mis me-tas propuesme-tas (5 en 1) y siempre han cre´ıdo en mi. A mis amigos, porque le dan felicidad a mi vida y la hacen m´as f´acil. Y a todas las personas que han hecho parte del camino.
A nuestro director Gustavo Puerto Leguizam´on, por ayudarnos a cumplir con el objetivo del proyecto, su disposici´on, ense˜nanza y gu´ıa...
A las familias Idrobo Lopez y Torres Toro, por el apoyo incondicional, sacrificio, disposici´on y paciencia...
A la Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas, por la posibilidad de formaci´on acad´ emi-ca que nos ofrecieron dentro y fuera de la instituci´on...
A todos los profesores del proyecto curricular de Ingenier´ıa Electr´onica, por el aporte en nuestra formaci´on como profesionales...
En el presente trabajo se dise˜na y desarrolla un dispositivo con capacidades de interope-rabilidad para dos est´andares de comunicaci´on, utilizados en redes inalambricas de sensores. Este, trabaja de forma aut´onoma frente a las caracter´ısticas que ofrece cada red y tiene co-mo fin solucionar los problemas de incompatibilidad, con lo cual promete ser una iniciativa en el ´ambito del Internet de las Cosas. El dispositivo lleva por nombre Concentrador IRIS (Concentrador Interoperable para Redes Inal´ambricas de Sensores), es desarrollado sobre la plataforma Raspberry Pi 3, bajo el lenguaje python e interopera los est´andares wifi y ZigBee. En el dise˜no del concentrador se eval´uan diferentes contextos entre los cuales se destacan el estado de la red y acceso a la informaci´on en forma remota dentro de una subred, convir-ti´endolo en un producto competitivo y de bajo costo en el mercado nacional e internacional, comparado con los pocos productos que existen en el mercado con funcionalidades similares.
Palabras clave: Redes de sensores, comunicaci´on inal´ambrica, Internet de las Cosas,
concentrador, wifi, ZigBee, python.
Abstract
In this thesis is designed and developed a device with interoperability capabilities for two communication standards used in sensor wireless networks. It works autonomously in front of the characteristics offered by each network and its aims is to solve incompatibility issues, which promises to be an initiative in the Internet of Things. The device’s name is Concentra-dor IRIS (Interoperable Gateway for Wireless Sensor Networks, or in spanish, ConcentraConcentra-dor Interoperable para Redes Inal´ambricas de Sensores), is developed on a Raspberry Pi 3 plat-form, under python language and interoperates wifi and ZigBee. In the gateway design, different contexts were evaluated, among which stan out the network status and access to information remotely within a subnet, making it a competitive and low-cost product in na-tional and internana-tional market, compared with some products that exist in the market with similar functionalities.
Agradecimientos VII
2 Est´andares de Comunicaci´on 11 2.1 Redes inal´ambricas de sensores . . . 11
2.1.1 Componentes de una red inal´ambrica de sensores . . . 11
2.2 Redes inal´ambricas . . . 13
2.2.1 WPAN . . . 13
2.2.2 WLAN . . . 13
2.3.2.4 Aplicaciones . . . 30
2.3.5 Comparaci´on entre los diferentes est´andares de comunicaci´on inal´ambrica 44 3 Plataformas Hardware 46 3.0.1 Raspberry Pi . . . 46
3.0.2 Arduino Tian . . . 48
3.0.3 BeagleBone Black . . . 49
3.0.4 LinkIt One . . . 50
3.0.5 Comparaci´on entre las plataformas disponibles en el mercado . . . 51
4.2.2 Configuraci´on m´odulo wifi . . . 71
4.2.3 Configuraci´on m´odulo ZigBee . . . 74
4.2.4 Framework web . . . 76
4.2.4.1 Django . . . 76
4.2.5 Despliegue del desarrollo web . . . 81
4.2.6 Estructura del sistema . . . 81
5 Protocolo de Pruebas 84 5.1 Definici´on de variables a sensar . . . 84
5.1.1 Red wifi . . . 84
5.1.2 Red ZigBee . . . 85
5.2 Recolecci´on de datos . . . 86
5.3 Visualizaci´on de datos . . . 87
5.3.1 Aplicaci´on de escritorio . . . 87
5.3.2 Aplicaci´on web . . . 89
5.4 Configuraci´on remota red de sensado . . . 91
5.5 Informaci´on de redes . . . 92
5.6 Informaci´on adicional . . . 93
5.7 Caracter´ısticas de funcionamiento . . . 94 6 Comparaci´on entre Concentrador IRIS y Plataformas existentes 95
7 Conclusiones 99
8 Trabajos Futuros 101
Lista de Acr´onimos 102
2-1. Partes del nodo Wireless Sensor Network (WSN). [36] . . . 12
2-2. Stack de Protocolos Bluetooth. [1] . . . 16
2-3. Capas implementadas por Est´andar ZigBee. [3] . . . 20
2-4. Ejemplo perfil de aplicaci´on est´andar ZigBee. [12] . . . 23
2-5. Arquitectura 802.11. a) Modo Infraestructura, b) Modo Ad - Hoc. [47] . . . . 36
5-3. Sensor SW-420. . . 86
5-4. P´agina principal concentrador IRIS. . . 87
5-5. Visualizaci´on general. . . 88
5-6. Visualizaci´on gr´afica. . . 89
5-7. Visualizaci´on remota datos wifi - Aplicaci´on web. . . 90
5-8. Visualizaci´on remota datos ZigBee - Aplicaci´on web. . . 90
5-9. Configuraci´on remota nodos wifi. . . 91
5-10.Configuraci´on remota nodos ZigBee. . . 92
5-11.Informaci´on de redes. . . 92
5-12.Informaci´on de contacto aplicaci´on de escritorio. . . 93
2-1. Especificaciones de dispositivos Bluetooth seg´un su clase. [9] . . . 15
2-2. Velocidad de Transmisi´on seg´un su versi´on. [10] . . . 15
2-3. Frecuencias de operaci´on y velocidad de transmisi´on est´andar ZigBee. [12] . . 24
2-4. Distancia de operaci´on en relaci´on a la potencia y velocidad de transmisi´on est´andar ZigBee. [34] . . . 24
2-5. Versiones y contribuciones est´andar ZigBee. [12],[3] . . . 29
2-6. Comparaci´on entre diferentes est´andares de comunicaci´on inal´ambrica. . . . 45
3-1. Tipos de Raspberry Pi. . . 47
3-2. Comparaci´on entre diferentes plataformas. . . 51
4-1. Relaci´on URL - VIEW - TEMPLATES. . . 80
5-1. Frecuencia, potencia y distancia soportada por concentrador IRIS. . . 94
6-1. Concentrador IRIS vs.Meshlium Xtreme. . . 96
6-2. Concentrador de diferentes est´andares de comunicaci´on. . . 96
1.1.
Introducci´
on
El mundo de las comunicaciones evoluciona cada d´ıa, desarrollando nuevas tecnolog´ıas que permiten solucionar problemas particulares de cada ambiente, la unificaci´on de los sistemas de comunicaci´on e interoperabilidad de los est´andares y protocolos, permite obtener mejoras en procesamiento de datos y escalabilidad, adem´as, de provecho en arquitectura de red actual.
Las redes inal´ambricas de sensores (WSN) de manera general, est´an compuestas por nodos fuentes que tienen como funci´on principal capturar informaci´on del ambiente, por su parte, el control de tr´afico y la gesti´on del camino que recorre la informaci´on para llegar a diferentes puntos de la red, se realiza mediante un router, y al ser generalmente un sistema centralizado, cada WSN cuenta con un concentrador, el cual permite procesar, administrar y gestionar los datos adquiridos por los nodos fuentes. Una de las principales diferencias de las WSN con respecto a las redes convencionales se encuentra en el consumo de energ´ıa, capacidad de procesamiento y memoria [44], lo cual es limitado y es una de las razones por las que surgen tecnolog´ıas que funcionan de diferente forma.
1.2.
Justificaci´
on
El uso de tecnolog´ıas inal´ambricas para recolectar informaci´on de un entorno, esta creciendo de manera exponencial en los ´ultimos a˜nos, cada vez son m´as los dispositivos inal´ambricos que permiten invadir en menor proporci´on el ambiente a sensar, adem´as, de cubrir un sector mucho m´as amplio que si se utilizara una red convencional. A la fecha, se utilizan WSN que involucran tecnolog´ıas como NFC, Wifi, Bluetooth, ZigBee, entre otras, que permiten de acuerdo a la necesidad del sistema, privilegiar ciertas caracter´ısticas. Con base en lo anterior y de acuerdo al contexto, una plataforma interoperable se hace participe en el desarrollo de: Sistemas aut´onomos y rob´otica: Permitiendo adquirir informaci´on mediante diversas tecnolog´ıas en m´ultiples entornos, para as´ı, crear sistemas que puedan tomar decisiones. Sistemas de seguridad: Involucrando y unificando en un concentrador caracter´ısticas como control de acceso, vigilancia y medici´on de variables meteorol´ogicas, gases, entre otros, que permitan implementar soluciones integrales en vigilancia.
Control de tr´afico: Logrando implementar modelos matem´aticos que optimicen el tr´ afi-co y para lo cual, se hace uso de variables afi-como cantidad de usuarios del transporte p´ublico, tiempo de llegada de veh´ıculos, cantidad de veh´ıculos en la v´ıa, entre otros, por lo cual, debido a la din´amica del sistema de transporte, se implementan diversas tecnolog´ıas que permiten acceder a esta informaci´on.
Procesos industriales: Debido a que las redes industriales utilizan las WSN como medio de adquisici´on de informaci´on para ejecutar los procesos automatizados, en el merca-do existen m´ultiples opciones que permiten cada d´ıa optimizar los procesos mediante nuevas formas de adquisici´on de datos, por lo cual, una plataforma interoperable ser´a fundamental para implementar modificaciones en el proceso y aumentar la escalabili-dad.
1.3.
Planteamiento del problema
Los est´andares y protocolos de las WSNs en su implementaci´on garantizan seguridad, cali-dad y consistencia. Un est´andar es especificado de tal forma que permita interoperabilidad con otra tecnolog´ıa o servicio, sin embargo, en algunos contextos, surge la necesidad de uti-lizar diferentes est´andares para comunicar dispositivos que tienen su propia arquitectura y protocolo, este proceso involucra la adquisici´on de nuevos dispositivos y generalmente recons-trucci´on de la red de comunicaci´on, adem´as, de aumentar los costos en hardware necesarios para manejar cada una de las tecnolog´ıas. En los ´ultimos a˜nos se desarrolla investigaci´on en el ´ambito de heterogeneidad e interoperabilidad de estos sistemas, [23] [35] [37] [43], buscan-do solucionar la necesidad de compatibilidad; de acuerbuscan-do a lo anterior, se plantea la siguiente pregunta de investigaci´on:
¿C´omo solucionar los problemas de interoperabilidad en sistemas de comunicaci´on inal´ambrica de sensores?
1.4.
Objetivos
1.4.1.
Objetivo General
Implementar un dispositivo programable que permita la interoperaci´on de diferentes tecno-log´ıas de comunicaci´on inal´ambricas de sensores
1.4.2.
Objetivos Espec´ıficos
Determinar los est´andares de comunicaci´on inal´ambricos de mayor uso en redes de sensores
Identificar posibles plataformas hardware donde se pueden implementar estos est´ anda-res de comunicaci´on
Implementar el sistema de comunicaci´on en la plataforma que permita la comunicaci´on unidireccional de por lo menos 2 diferentes est´andares de comunicaci´on
Este cap´ıtulo no pretende ser una fuente te´orica avanzada, en su lugar, tendr´a como finalidad analizar y comprender el funcionamiento de los est´andares de comunicaci´on inal´ambrica m´as utilizados en redes de sensores, para posteriormente hacer una comparaci´on y elegir los dos est´andares con los que se va a desarrollar el proyecto.
2.1.
Redes inal´
ambricas de sensores
Las redes inal´ambricas de sensores (WSN) est´an conformadas por dispositivos aut´onomos distribuidos, los cuales monitorean condiciones f´ısicas o ambientales por medio de sensores. Estas redes se basan en dispositivos de bajo costo y consumo, cuyo objetivo es la adquisici´on y el tratamiento de datos para obtener informaci´on de su entorno, adem´as, de procesar y comunicar estos datos a trav´es de enlaces inal´ambricos hasta una central de coordinaci´on o un nodo central. Tradicionalmente se usaban cables para interconectar cada uno de los nodos, pero sus caracter´ısticas eran altos costos de instalaci´on y mantenimiento, adem´as de baja escalabilidad, es por esto que las tecnolog´ıas inal´ambricas han tenido tanto ´exito, pues solucionan los problemas de la tecnolog´ıa tradicional, ofreciendo nuevas caracter´ısticas como alta resoluci´on, medici´on en muchos lugares al mismo tiempo, ofrecen apoyo a la movilidad de equipos, a˜nade redundancia, entre otros; una de las mayores ventajas de las WSNs es que permiten monitorear cualquier lugar por inaccesible que parezca [4].
2.1.1.
Componentes de una red inal´
ambrica de sensores
Una red de inal´ambrica de sensores consiste en un n´umero de sensores distribuidos espacial-mente y un centro de control. Cada sensor obtiene informaci´on de su entorno convirtiendo esta informaci´on en se˜nales el´ectricas, posteriormente el nodo del sensor procesa esta infor-maci´on si es necesario y la direcciona al centro de control a trav´es de un gateway por medio de una red inal´ambrica basada en alg´un est´andar espec´ıfico [5].
consta de un procesador, una fuente de energ´ıa, un radio-transceptor (RF) y un elemento sensor como se ve en la figura2-1.
Figura 2-1: Partes del nodo WSN. [36]
Las Redes Inal´ambricas de Sensores incorporan un gateway que proporciona la conectividad entre la red de sensores y una red TCP/IP, por medio de una red inal´ambrica que se clasifican seg´un su cobertura en:
Wireless Personal Area Network (WPAN): Red Inal´ambrica de ´Area Personal Wireless Local Area Network (WLAN): Red Inal´ambrica de ´Area Local
Wireless Metropolitan Area Network (WMAN): Red Inal´ambrica de ´Area Metropoli-tana
Wireless Wide Area Network (WWAN): Red Inal´ambrica de ´Area Extendida
Estas redes inal´ambricas se basan en un est´andar de comunicaci´on espec´ıfico dependiendo del tipo de red. En este proyecto se manejar´an redes de ´area personal y local, en consecuencia entre los est´andares de comunicaci´on que funcionan para estas redes, est´an:
ZigBee Bluetooth NFC Wifi
2.2.
Redes inal´
ambricas
Una red inal´ambrica es aquella comunicaci´on que se realiza entre dispositivos que intercam-bian informaci´on utilizando el espectro electromagn´etico [40]. Estas redes se pueden clasificar seg´un su alcance entre redes de ´area personal, local, metropolitana o extendida. A continua-ci´on se explica de manera resumida las redes inal´ambricas de inter´es en este proyecto.
2.2.1.
WPAN
Las WPAN presentan una importante limitaci´on de alcance, es una red para la comunicaci´on entre dispositivos que deben estar poco separados, cercanos al punto de acceso. Estas redes son de pocos metros, generalmente, se acepta como l´ımite el espacio de una habitaci´on o una oficina [40]. Los est´andares de comunicaci´on en las redes WPAN est´an bajo el est´andar IEEE 802.15, entre los que m´as se utilizan se encuentran:
ZigBee Bluetooth NFC
2.2.2.
WLAN
Las WLAN son redes de cobertura geogr´afica limitada, tienen una velocidad de transmisi´on relativamente alta, un bajo nivel de errores y puede ser administrada de manera privada. Su comunicaci´on se realiza b´asicamente mediante microondas. Este tipo de redes, constituye un sistema de comunicaci´on de datos inal´ambrico flexible, se consideran una extensi´on y/o una alternativa a las redes LAN con cables [40]. Los est´andares de comunicaci´on m´as comunes en las redes WLAN est´an diferenciados por las variantes del est´andar IEEE 802.11, en los que se encuentra el m´as utilizado, Wifi.
2.2.3.
Consideraciones generales para sistemas interoperables en
redes inal´
ambricas de sensores
Debido a la naturaleza de la investigaci´on, se hace pertinente mencionar caracter´ısticas que subyacen y son primordiales en el funcionamiento de plataformas interoperables para las WSNs. De las cuales se destacan las descritas por [35] y se mencionan a continuaci´on:
Recursos limitados en nodos fuentes (Energ´ıa, memoria y capacidad de computo). Escalabilidad.
Heterogeneidad entre hardware y aplicaci´on. Compatibilidad de datos.
Mecanismos de calidad de servicio (Quality of Service (QoS)). Seguridad.
Gesti´on de grupos o categorizaci´on de tecnolog´ıa. Registro y notificaci´on de eventos.
Estas singularidades son aspectos relevantes que se tendr´an en cuenta a la hora de desarrollar la plataforma y pueden ser indicadores que aseguren el adecuado funcionamiento de la WSN a la hora de insertar en ella la plataforma interoperable.
2.3.
Est´
andares de comunicaci´
on inal´
ambrica
2.3.1.
Bluetooth
Bluetooth es un est´andar de comunicaci´on inal´ambrica, que pertenece a la especificaci´on industrial IEEE 802.15.1 para redes WPAN. Este est´andar permite la comunicaci´on senci-lla de voz y datos entre dispositivos fijos o m´oviles, mediante un enlace por RF de forma segura. Entre sus objetivos principales se encuentran la posibilidad de crear peque˜nas redes inal´ambricas, facilitar la sincronizaci´on de datos entre equipos personales como computado-ras m´oviles, tel´efonos celulares, tablets, eliminar cables y conectores, entre otros. Bluetooth es una tecnolog´ıa de peque˜na escala y bajo costo, permite conectar entre s´ı todo tipo de dispositivos electr´onicos situados dentro de un radio entre 1 y 10 metros (el rango se puede ampliar hasta 100 metros, pero se presenta mayor distorsi´on), estos dispositivos no necesitan estar a la vista uno del otro, ya que las se˜nales de RF pueden atravesar paredes y obje-tos met´alicos sin problema [1]. Al operar en una banda global, este est´andar asegura una compatibilidad universal.
2.3.1.1. Caracter´ısticas t´ecnicas
Respecto al rango de alcance que tiene Bluetooth, este depende del tipo de dispositivos que se este utilizando, y esto, depender´a de la potencia de transmisi´on que cada uno de estos tenga. En la tabla 2-3 se puede observar una comparaci´on entre las diferentes clases de dispositivos, su potencia de transmisi´on y su alcance aproximado.
Clase Potencia m´
axima
Tabla 2-1: Especificaciones de dispositivos Bluetooth seg´un su clase. [9]
Existen diferentes versiones del est´andar Bluetooth que definen la velocidad de transmisi´on que tiene el canal. En la tabla 2-2 se puede observar la evoluci´on de las versiones y su velocidad de transmisi´on.
Versi´
on
Velocidad de transmisi´
on (Mbps)
Versi´on 1.2 1
Versi´on 2.0 + EDR 3 Versi´on 3.0 + HS 54
Versi´on 4.0 1
Tabla 2-2: Velocidad de Transmisi´on seg´un su versi´on. [10]
Algunas de las caracter´ısticas t´ecnicas de este est´andar se presentan resumidas a continuaci´on [1], [9], [46]:
Banda de frecuencia: desde 2,4 GHz hasta 2,48 GHz. Bajo consumo energ´etico.
Velocidad de transferencia: Depende de la versi´on de Bluetooth que se este utilizando, va desde 720 kbps hasta 54 Mbps.
Utiliza modulaci´on GFSK. Transmisi´on Fulla-Duplex.
Usa duplexaci´on en el tiempo TDD. Alcance: 1-100 m.
Tipos de transferencia: orientado a conexi´on de tipo s´ıncrono (voz) y no orientados a conexi´on de tipo as´ıncrono (datos).
Multiplexaci´on: Expansi´on del espectro con saltos en frecuencia (FHSS) mediante saltos de frecuencia, hasta un m´aximo de 1600 saltos por segundo entre 79 frecuencias, lo que aporta seguridad y robustez a la red.
Topolog´ıa: Maestro-esclavo. Soporta 1 maestro y hasta 7 esclavos, esta configuraci´on se conoce con el nombre de piconet y un grupo de piconets es conocido como scatternet. El maestro caracteriza el canal de una piconet, determina el salto en frecuencia, el c´odigo de acceso al canal, controla el tr´afico del canal y da la se˜nal de reloj que determina la fase en la secuencia de saltos y los tiempos, y hace que todos los dispositivos se sincronicen con ´el. Sin embargo, el maestro recibe esta categorizaci´on por iniciar la conexi´on con uno o m´as esclavos, es decir, que los roles de maestro y esclavo se pueden intercambiar, por lo tanto, cualquier dispositivo puede ser maestro o esclavo en una piconet.
2.3.1.2. Protocolos
Para lograr una interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes que se quieran comunicar mediante el est´andar de Bluetooth, los dispositivos deben estar implementados sobre la misma estructura de protocolos. En la figura2-2 se puede ver la pila de protocolos completa que utiliza Bluetooth para comunicarse.
Figura 2-2: Stack de Protocolos Bluetooth. [1]
desarrollar sus propias capas de aplicaci´on para aumentar las capacidades de sus aplicaciones creadas sobre la tecnolog´ıa Bluetooth. Adicionalmente la pila de protocolos se puede dividir en 4 capas l´ogicas [9]:
Protocolos centrales de Bluetooth: Bluetooth Radio, Banda base, L2CAP, LMP y SDP. Protocolos de sustituci´on de cable: RFCOMM.
Protocolos de control de telefon´ıa: TCS BIN y AT-Commands.
Protocolos adaptados: PPP, UDP y TCP/IP, OBEX, WAP, vCard, vCal y WAE. Los protocolos centrales de Bluetooth han sido desarrollados en su totalidad por el grupo de inter´es social de Bluetooth (SIG), el cual es un grupo de compa˜n´ıas que trabajan juntas para desarrollar, promover, definir y publicar las especificaciones del est´andar Bluetooth pa-ra la conexi´on entre dispositivos, este grupo establece un est´andar con el fin de asegurar la interoperabilidad de los equipos entre diferentes fabricantes.
Bluetooth Radio
La capa de radio es la inferior del est´andar y hace parte de la capa f´ısica del modelo OSI, es la encargada de definir los requisitos para la transmisi´on o recepci´on de datos en la banda de los 2,4 - 2,48 GHz. Utiliza el m´etodo de FHSS y TDD, dando lugar a una frecuencia de salto de 1600 saltos por segundo, entre 79 frecuencias de 1 MHz de ancho de banda para darle robustez a la red, clasifica los dispositivos seg´un la potencia de transmisi´on y el rango de trabajo como se ve en la tabla 2-3, adem´as, utiliza modulaci´on GFSK, entre otras caracter´ısticas de esta capa.
Banda Base
La capa de banda base es la capa m´as importante de la pila de protocolos de Bluetooth [46], hace parte de la capa f´ısica del modelo OSI. Entre sus funciones esta la de controlar los canales y enlaces f´ısicos, se encarga de la sincronizaci´on, control de flujo, control del medio, codificaci´on, decodificaci´on, control de errores y seguridad. Esta capa soporta conexiones de tipo sincrono (SCO) y de tipo as´ıncrono (ACL).
L2CAP
LMP
El protocolo de administrador de enlaces, se encarga de establecer de manera segura y controlada los canales l´ogicos entre dispositivos. Los mensajes de este protocolo tienen mayor prioridad que los mensajes del usuario. Define una serie de mensajes llamados Protocol Data Units (PDU), que controla el rol de maestro o esclavo del dispositivo [46].
SDP
Este protocolo se encarga de proporcionar a las aplicaciones cuales son los servicios que hay disponibles en los dispositivos Bluetooth y sus respectivas caracter´ısticas. Este protocolo solo informa los servicios disponibles, m´as no define como se debe conectar a este.
RFCOMM
Este protocolo permite una emulaci´on del puerto serie RS232 sobre un canal L2CAP. Es capaz de emular hasta 60 conexiones simult´aneas entre dispositivos Bluetooth. Se tiene 2 tipos de dispositivos: Dispositivos terminales de comunicaci´on y dispositivos que hacen parte de un segmento de la comunicaci´on [1].
TCS BIN y AT-Commands
Este protocolo proporciona el control, establecimiento y liberaci´on de la llamada entre dis-positivos Bluetooth. En otras palabras, este protocolo se encarga de proveer al usuario con servicios de telefon´ıa.
Los dem´as protocolos, se aplican a los protocolos orientados a aplicaci´on; lo que permite a las diferentes aplicaciones correr sobre los protocolos centrales de Bluetooth.
2.3.1.3. Versiones
Hoy en d´ıa existen diferentes versiones de Bluetooth. Cada una de las nuevas versiones busca mejorar caracter´ısticas t´ecnicas de la versi´on inmediatamente anterior, existen alrededor de 7 diferentes versiones, algunas de las cuales ya no se usan y otras dependen de la tecnolog´ıa que use el dispositivo y de lo nuevo que sea este.
versi´on de Bluetooth con bajo consumo de energ´ıa (BLE), conocida como Bluetooth Smart o Bluetooth 4.0; esta versi´on esta dise˜nada para dispositivos que est´an activos durante largos periodos y funcionan con alguna fuente de energ´ıa peque˜na, esta enfocada en la creaci´on de sensores peque˜nos que funcionan con peque˜nas bater´ıas durante meses debido a su bajo consumo de potencia en modo de reposo, permite la interoperabilidad entre m´ultiples pro-veedores y su tasa de bit es de 1 Mbps. Los grandes avances en este est´andar inal´ambrico, permite encontrarlo en millones de dispositivos hoy en d´ıa, promoviendo el desarrollo del Internet de las cosas (IoT), alcanzando a un p´ublico m´as amplio mediante el aprovechamien-to de un ecosistema en el que existen millones de dispositivos Blueaprovechamien-tooth y el cual esta en constante crecimiento [11].
2.3.1.4. Aplicaciones
Hoy en d´ıa existen millones de dispositivos Bluetooth, es dif´ıcil encontrar un dispositivo que no implemente este est´andar, se puede encontrar Bluetooth en carros, tel´efonos, computado-res, televisocomputado-res, auriculacomputado-res, consolas de juegos, tabletas, entre otros. Unas de las aplicaciones m´as populares de Bluetooth han sido los auriculares y altavoces inal´ambricos, que permiten la conectividad del tel´efono o tablet con el carro o con cualquier otro dispositivo al que se le pueda transmitir la m´usica o una simple llamada. Sin embargo, con el constante trabajo por mejorar las caracter´ısticas de Bluetooth con cada una de sus nuevas versiones, se est´a ampliando cada vez m´as el campo de aplicaci´on de este est´andar, por ejemplo, con la versi´on de bajo consumo de energ´ıa, se pueden crear peque˜nos sensores que funcionan con bater´ıas diminutas durante meses o a˜nos. Seg´un el Bluetooth SIG .El mercado esta limitado s´olo por
la imaginaci´on del desarrollador.”[11].
2.3.2.
ZigBee
Uno de los est´andares de comunicaci´on inal´ambrica m´as utilizados es Zigbee, debido a que permite disminuir el consumo de la red gestionando la energ´ıa de sus nodos y su nivel de operaci´on permite adaptarse a varias aplicaciones. Este est´andar es desarrollado por Zigbee Alliance, el cual esta conformado por un grupo de multinacionales que innovan y crean tecnolog´ıas en comunicaciones. Su arquitectura se basada en el modelo OSI y la componen principalmente [21]:
Capa f´ısica PHY y capa de control de acceso al medio MAC, definida por el protocolo 802.15.4.
Capa de red NWK.
Figura 2-3: Capas implementadas por Est´andar ZigBee. [3]
Para su funcionamiento general, la capa f´ısica esta encargada de establecer los canales de comunicaci´on, de acuerdo a la banda de funcionamiento y tipo de tecnolog´ıa permite modu-laci´on, BPSK, O-QPSK o ASK, la cantidad de canales puede ser m´aximo de 26 a 2,4 MHz. adem´as de esto, la capa f´ısica permite:
Detecci´on de energ´ıa en cada canal, considerando un nivel m´ınimo o identificando dispositivos que transmitan implementando el protocolo 802.15.4 . Esto permite hacer an´alisis de canales libres.
Establecer y clasificar la calidad de informaci´on recibida mediante LQI.
La capa de acceso al medio se estudiara en detalle al describir el funcionamiento del protocolo 802.15.4, lo que resulta importante en este caso, son los servicios especiales que ofrece al est´andar y se describen a continuaci´on:
Generaci´on de tramas tipo baliza o TDMA, con ranuras de tiempo garantizada para cada nodo de la red.
Vinculaci´on y desvinculaci´on de un nodo a la red, as´ı como generaci´on de una red. Este proceso se da conservando la secuencia de solicitud–respuesta que se da con mensajes del tipo requisito, indicaci´on, respuesta y confirmaci´on.
Habilitaci´on/deshabilitacion del receptor durante un periodo dado de tiempo y de esta forma ahorrar energ´ıa.
Diagn´ostico y revinculaci´on de nodos que se desvinculan de la red sin cumplir con un proceso de habilitaci´on/deshabilitacion.
Inicializaci´on del dispositivo, reset y configuraci´on de arranque.
Barrido de canales para conocer su ocupaci´on y para lo cual utiliza t´ecnicas como: nivel de energ´ıa de cada canal, dispositivo a la espera de ser conectado e identificaci´on de dispositivos, escuchando la respuesta a una trama baliza o mediante una solicitud enviada por un dispositivo.
Gestionar el sincronismo con el coordinador, especialmente si se trabaja con balizas. Establecer alguno de los 4 formatos dados para una trama MAC, estos son, trama de: comando, baliza, datos y acknowledge.
La capa de red se encarga principalmente de:
Definir el rol del dispositivo (coordinador, enruteador/encaminador o dispositivo final). Establecer la topologia.
Definir el mecanismo de ruteo como por el ejemplo AODV (Ad hoc On-demand Dis-tance Vector).
Asignar direcciones a los nodos para establecer la red.
Proveer seguridad, como por ejemplo, implementando un elemento de red llamado Trust Center [34] que permite provisionar una clave de enlace.
Los mensaje que se emiten desde esta capa puede ser del tipo unicast, donde existe un ´unico destino para el mensaje, multicast, donde un grupo es destino del mensaje o broadcast, donde todos los dispositivos del dominio de red son destino del mensaje. En cuanto a su arquitec-tura, los dispositivos que pertenecen a una red zigbee tienen 3 roles definidos desarrollados en [21], estos son:
Dispositivo final o fuente (FFD O RFD): Como funci´on principal adquiere los datos. Estos dispositivos pueden ser de funci´on completa FFD o funci´on reducida RFD, con lo cual, se ve limitada su operaci´on. En cuanto a su topolog´ıa, debido a que su especificaci´on se basa en el est´andar 802.15.4, son validas las topolog´ıas:
Estrella: Donde cada dispositivo final se comunica por medio del coordinador y/o encaminador.
Punto a punto: Donde todos los dispositivos se comunican entre s´ı, de acuerdo a su rol. De esta, se destaca su implementaci´on en:
• Malla: Donde todos los dispositivos se comunican con cualquier nodo de la red.
• Arbol: Donde los dispositivos se comunican directamente solo con dispositivos´ que tienen el mismo encaminador o coordinador (Coordinador an´alogo a tronco , encaminador an´alogo a ramas y dispositivos finales an´alogos a hojas).
Para interoperar entre sus capas el est´andar, se hace uso del concepto cliente servidor [17], con lo cual una capa solicita servicios a su capa vecina mediante un SAP y cumpliendo con una comunicaci´on que se divide en: Pedido, confirmaci´on , respuesta e indicaci´on. Por otra parte el flujo de informaci´on entre capas se divide en informaci´on de datos e informaci´on de administraci´on, soporte y gesti´on, esto se puede evidenciar en la figura2-3, donde los datos usan los SAP PD-SAP, MCPS-SAP, NLDE-SAP y la informaci´on de gesti´on usa los SAP, PLME-SAP, MLME-SAP, NLME-SAP. Como se mencion´o, la capa de aplicaci´on se compone de la subcapa APS , los objetos dispositivos zigbee ZDO y una secci´on de perfil de aplicaci´on.
La APS brinda servicios de soporte a NWK, teniendo como responsabilidad [17]: Descubrir dispositivos que operan cerca a este.
Enlazar dos o m´as dispositivos que se relacionan por el servicio que prestan o su necesidad.
Esta capa es necesaria debido a que relaciona los dispositivos de acuerdo a su perfil de apli-caci´on y es la que permite que los fabricantes trabajen independientemente de su desarrollo. Ahora bien, los perfiles de aplicaci´on especifican el tama˜no y formato de los datos a transmi-tir por los elementos o dispositivos que conforman la red, adem´as, de definir una estructura para los mensajes y las acciones o funciones que realiza el dispositivo [12]. En esa medida, hacen uso de los siguientes conceptos:
La figura 2-4es un ejemplo que permite comprender los conceptos descritos anteriormente.
Figura 2-4: Ejemplo perfil de aplicaci´on est´andar ZigBee. [12]
Los perfiles de aplicaci´on pueden ser del tipo p´ublico desarrollados por la alianza ZigBee, o privados, desarrollados por fabricantes independientes y que ocasionalmente proveen inter-operabilidad. Por su parte los ZDO cumplen con la funci´on de:
Inicializar la subcapa de soporte de aplicaci´on, la capa de red y los perfiles de aplicaci´on.
Entregar detalles de bajo nivel para los perfiles de aplicaci´on .
2.3.2.1. Caracter´ısticas t´ecnicas
Zigbee se caracteriza por tener 3 frecuencias de operaci´on, las cuales de acuerdo al pa´ıs y aplicaci´on son mas convenientes, estas cuentan con las siguientes particularidades:
Banda de Frecuencia Canales Tasa de Transferencia Regi´on Permitida
2,4 MHz 16 250 Kb/s Mundo
945 MHz 10 40 Kb/s Am´erica
868 MHz 1 20 Kb/s Europa
Tabla 2-3: Frecuencias de operaci´on y velocidad de transmisi´on est´andar ZigBee. [12]
La distancia de operaci´on depender´a como casi en cualquier WSN de la potencia de trans-misi´on, adem´as de estar relacionada con la velocidad de operaci´on, en el estandar ZigBee, estas relaciones se dan de la siguiente forma:
Potencia (mW)/Velocidad(Kbps) 1mW 10mW 100mW
28 Kbps
23 m
54 m
154 m
250 Kbps
13m
29m
66m
Tabla 2-4: Distancia de operaci´on en relaci´on a la potencia y velocidad de transmisi´on est´andar ZigBee. [34]
Zigbbe puede tener como m´aximo 64770 nodos en su red [34]. Para operar, el est´andar especifica caracter´ısticas de suma importancia en la WSN, estas son:
Bajo consumo en sus nodos, lo cual permite utilizar energ´ıas alternativas o en su defecto fuentes de alimentaci´on como bater´ıas.
Bajo costo de sus dispositivos en cuanto a instalaci´on y mantenimiento [17].
Desarrollo de perfiles de aplicaci´on que cumplen con la necesidad a solucionar para utilizar una WSN.
Baja latencia para aplicaciones de comunicaci´on intermitente o con datos peri´odicos que necesitan una comunicaci´on garantizada GTS.
Admite utilizar ranuras de tiempo que hacen m´as eficiente la comunicaci´on.
Gestionar aspectos de seguridad desde la capa de red, siendo esta desarrollada en cada nodo.
2.3.2.2. Protocolos
ZigBee cuenta principalmente con los siguientes protocolos:
Est´andar IEEE 802.15.4 Describe la funcionalidades y requerimientos para implementar las capa f´ısica y de enlace de datos en gran porcentaje de comunicaciones inal´ambricas, las caracter´ısticas generales que ofrece de acuerdo a [38], [1],[30] son:
Desarrollado para LR-WPANs con 2 revisiones o actualizaciones.
Tasa de transmisi´on de datos: 851 Kbps, 250 Kbps, 100 Kbps, 40 Kbps y 20 Kbps. La cobertura de la red es inversamente proporcional a la tasa de transmisi´on, por lo cual se genera un compromiso cobertura-tasa de transferencia dependiendo de los requisitos de la aplicaci´on.
Topolog´ıas de red soportadas: estrella o peer-to-peer.
Tipos de direcciones: cortas de 16 bits (pensadas para ahorrar energ´ıa) o extendidas de 64 bits.
Tiene mecanismos de acceso al medio del tipo : CSMA-CA (Carrier Sense - Multiple Access with Collision Avoidance) o ALOHA, este ultimo solo para UWB (Ultra Wide Band).
Mecanismo de acceso al medio libre de contienda: GTS (Guaranteed Time Slot). Bajo consumo de energ´ıa.
Permite elegir el canal m´as adecuado para establecer la WPAN, a partir de la detecci´on de energ´ıa (ED).
Indicaci´on de calidad del enlace LQI.
Contiene 16 canales disponibles en la banda de 2450 MHz, 30 en la banda de 915 MHz, 3 en la banda de 868 MHz, 14 en la banda de 2450 MHz, haciendo uso de espectro ensanchado de chirps solapados (CSS, Chirp Spread Spectrum) y 16 en tres bandas UWB (500 MHz y DE 3,1 GHz a 10,6 GHz).
Protocolo con handshake o di´alogo que permite mejorar la seguridad en las transferen-cias.
Permite el uso de TDMA
F´acil de implementar, utilizando pocos recursos computacionales y tiempo razonable de ejecuci´on.
Toma como elemento de an´alisis el byte y realiza operaciones en el campo de Galois. No aumenta el tama˜no del mensaje.
Est´andar muy difundido y de alta seguridad. La seguridad depende de un variable que comparte el emisor y el receptor, de tal forma, que la transmisi´on de la clave debe hacerse mediante alg´un medio seguro, En Zigbee se especifican 3 metodos para acceder a la clave: preinstalaci´on, transporte de la clave y establecimiento de clave sin comunicaci´on [17], este ultimo m´etodo hace uso del protocolo SKKE o establecimiento de clave sim´etrica.
Por otro lado de acuerdo a la funcionalidad, ZigBee desarrolla un perfil de aplicaci´on que hace las veces de est´andar en la capa de aplicaci´on, al d´ıa de hoy se pueden resaltar los siguientes [54]:
Home automation: Permite optimizar el rendimiento de la red en edificios y casas inteligentes, cuenta con las siguientes caracter´ısticas:
• Auto-organizaci´on de la red para simplificar la instalaci´on y el mantenimiento.
• Prevenci´on de interferencia.
• Uso de los tel´efonos inteligentes para controlar el hogar.
• Monitorea el uso de la energ´ıa.
• Alcance de 70m en interiores y 400m en exteriores.
• Soluci´on escalable con miles de dispositivos que pueden acceder a la red.
• Bater´ıa de larga duraci´on, 7 a˜nos para dispositivos de seguridad.
• Est´andar abierto.
Building Automation: Su desarrollo esta acompa˜nado por la compa˜n´ıa BACnet, l´ıder mundial en la automatizaci´on de edificios, sus caracter´ısticas principales son:
• Reduce el costo de integraci´on de los sistemas mediante el uso de puertas de enlace.
• Los sensores se pueden mover f´acilmente dentro de una zona de control, para una mejor detecci´on de la temperatura, C02, niveles de luz y la humedad, entre otros.
• Reduce el uso de materiales de fabricaci´on caros y de alto consumo energ´etico, como el cobre o pl´astico de aislamiento.
Retail Service: Es un nuevo estandar industrial enfocado al entorno minorista y que brinda servicios a los compradores, mejorando la experiencia en compras, gesti´on de archivos, control de empleados, entre otros. Se caracteriza por:
• C´odigo de barras para aplicaciones espec´ıficas.
• Soporte b´asico de voz, mensaje de texto y fotograf´ıa.
• Implementaci´on de carritos de compra inteligentes.
• Multiradio.
• Reducci´on de perdidas de productos en el almac´en.
• Trabaja en 2,4 GHz, 915 MHz, y 868MHz.
Smart Energy: Es un est´andar mundial para los dispositivos interoperables que su-pervisan, controlan, informan y automatizan la entrega y el uso de energ´ıa y agua. Cuenta con las siguientes caracter´ısticas.
• M´ultiples productos, en el ´ambito de electricidad, gas, agua y energ´ıa t´ermica.
• Dispositivos con alimentaci´on mediante bater´ıa o red el´ectrica.
• Trabaja con informaci´on hist´orica (d´ıa anterior, d´ıa de hoy).
• Posibilidad de grabar tanto la generaci´on como el consumo.
• Maneja m´ultiples monedas (utilizando la norma ISO 4217).
Health Care:Es un est´andar global que permite gestionar en forma segura y confiable los servicios de salud, no cr´ıticos y de baja agudeza. Permite tratar enfermedades cr´onicas, como envejecimiento, la salud en general, bienestar y fitness. Este est´andar cuenta con las siguientes caracter´ısticas:
• Permitir el monitoreo remoto y confiable a pacientes.
• Proporcionar capacidades de localizaci´on en tiempo real.
• Permite la colaboraci´on entre los dispositivos para la gesti´on de m´ultiples enfer-medades cr´onicas.
• Dispone de sensores para uso en el cuerpo.
• Optimiza la velocidad de transferencia de datos.
• Caracter´ısticas de soporte escalable para la seguridad de los datos y la privacidad.
• Soporte completo para perfiles de especializaci´on 11073 dispositivo IEEE.
Telecom Services: Es un est´andar global que permite una amplia variedad de servi-cios de valor a˜nadido, como por ejemplo: distribuci´on de informaci´on, juegos m´oviles, servicios basados en localizaci´on, pagos m´oviles seguros, publicidad m´ovil, zonas de facturaci´on, control de acceso a oficinas y el intercambio de datos peer-to-peer. El est´andar se caracteriza por:
• F´acil conexi´on a internet.
• Mecanismos contra interferencias y agilidad en establecimiento de canales.
• Operaci´on demostrada con Bluetooth y Wi-Fi.
• Enrutamiento Multi-hop, capaz de vincular un gran n´umero de nodos.
Remote Control:Es un est´andar global para controles remotos de RF avanzada,con menor consumo y m´as f´aciles de usar, elimina las restricciones de l´ınea de vista al tiempo que proporciona una comunicaci´on bidireccional. Se caracteriza por:
• Permitir navegar por el contenido de los mandos a distancia LCD.
• Menor consumo de energ´ıa que IR.
• Respuesta mas r´apida que IR.
• Permitir enviar gu´ıas de programas, listas de valores, actualizaciones de firmware, entre otros, a componentes remotos.
Input Device: Es un est´andar global con menor consumo, innovador y f´acil de usar. Optimiza la conexi´on de ratones, teclados, paneles t´actiles y otros dispositivos de entra-da a los ordenadores y dispositivos electr´onicos de consumo (CE). Tiene las siguientes singularidades:
• Soporta comandos multi-touch y gestos.
• Mecanismo de seguridad autom´atico, proporcionando seguridad en transferencias de datos.
• Operaci´on mediante tres canales.
• Tiene un mecanismo de seguridad mediante la generaci´on de claves.
Light Link:Est´andar global que permite controlar de manera inal´ambrica: bombillas de luz, temporizadores, controles remotos e interruptores. Tiene como singularidad:
• F´acil instalaci´on.
• Implementar el concepto de redes de auto-organizaci´on.
• Evitar la interferencia.
• Uso de canales espec´ıficos para maximizar el rendimiento y la convivencia con otros dispositivos inal´ambricos en los hogares.
Vale la pena mencionar que se pueden implementar varios perfiles en un mismo dispositivo y muchas veces comparten funcionalidades.
2.3.2.3. Versiones
ZigBee es un est´andar desarrollado desde el 2002 y en su proceso de evoluci´on a tenido principalmente 4 actualizaciones, que se describen a continuaci´on:
Versi´
on
del
protocolo
Compatibilidad y
comenta-rios
ZigBee 2004
Primera especificaci´
on publicada en 2005.
ZigBee 2006
No compatible con ZigBee 2004.
ZigBee 2007
Tiene 2 opciones de implementaci´
on
Zig-Bee y ZigZig-Bee PRO, compatibles entre si
y adem´
as compatibles con ZigBee 2006.
ZigBee
RF4CE
(2009)
Es una versi´
on m´
as simple con funciones
especiales para mandos a distancia,
com-patible con la biblioteca ZigBee [13], tiene
su ´
ultima actualizaci´
on en ZCR 2.0.
Com-patible con la tecnolog´ıa infrarroja de
dis-positivos convencionales.
ZigBee 3.0 (Inicio de
certificaci´
on
2015)
[13], [54]
Implementa los est´
andar ZigBee Green
Power, el cual brinda el servicio de ultra
baja potencia que ofrece ventajas a
dis-positivos recolectores de energ´ıa
(disposi-tivos sin bater´ıas) y ZigBee RF4CE.
Tabla 2-5: Versiones y contribuciones est´andar ZigBee. [12],[3]
A lo largo del tiempo, estas actualizaciones presentan mejoras en los siguientes aspectos [55]:
Control de interferencias, siendo esta ´ultima mejorada en el aspecto de selecci´on de canal e identificaci´on de una posible red.
Gesti´on de direccionamiento, siendo mejorada generando un sistema autom´atico de direcciones para los dispositivos.
Recolecci´on de datos centralizada.
Seguridad principalmente en la capa de aplicaci´on.
Escalabilidad de la red, tama˜no del mensaje y soportes para librer´ıas de cluster. Estandarizaci´on del servicio.
En la actualidad, ZigBee se encarga en desarrollar perfiles de aplicaci´on tales que cumpla con caracter´ısticas particulares en el sector de la industria, el hogar, la seguridad, motorizaci´on, entre otros.
Cabe resaltar que ZigBee 3.0 augura una soluci´on innovadora para el advenimiento del IoT [13], debido a la gran variedad de dispositivos certificados por zigBee y a la mejora en atribu-tos de la capa de red de la especificaci´on zigBee tratada hasta el momento, luego es normal, que su implementaci´on aun no este consolidada.
Para nuestro estudio se hace ´enfasis en la especificaci´on ZigBee 2007 [3], que tiene su ultima actualizaci´on en septiembre del 2012. Se utiliza esta versi´on ya que es la base de las futuras aplicaciones y cuenta con gran variedad de sensores disponibles en el mercado.
2.3.2.4. Aplicaciones
Sin lugar a dudas, ZigBee ofrece una amplia gama de aplicaciones, debido a que su est´andar se estructura de tal forma, que mediante los perfiles de aplicaci´on se puede cumplir con los requisitos necesarios para una aplicaci´on particular. Adem´as de las aplicaciones mencionadas por los perfiles de aplicaci´on descritos anteriormente, ZigBee ofrece la posibilidad de:
Desarrollar las aplicaciones que implican movilidad, como por ejemplo sistemas de transporte.
Ofrecer aplicaciones en todo lo relacionado con la dom´otica e Inm´otica.
Contribuir con temas relacionados a la automatizaci´on industrial M2M, P2M O M2P.
2.3.3.
NFC
2.3.3.1. Caracter´ısticas t´ecnicas
NFC trabaja en la banda de frecuencia libre de 13,56 MHz, transfiere datos hasta una veloci-dad de 424 Kbps de forma bidireccional y tiene un rango de cobertura de aproximadamente 10 cm [53]. Este est´andar no est´a dise˜nado para transmitir grandes cantidades de datos, por el contrario, se enfoca en transmitir informaci´on de forma r´apida y segura, que son sus prin-cipales ventajas frente a otros est´andares de comunicaci´on inal´ambrica, ofreciendo robustez y confidencialidad.
Este est´andar es una extensi´on de la norma ISO/IEC -14443, el cual es un est´andar inter-nacional relacionado con tarjetas de identificaci´on electr´onicas de proximidad. NFC es una tecnolog´ıa estandarizada en la norma ISO/IEC 18092 y la norma ECMA 340, estos est´ anda-res especifican esquemas de modulaci´on, codificaci´on, velocidades de transferencia y formato de la trama, adem´as define esquemas de inicializaci´on y condiciones que son necesarias para el control de colisiones durante sus modos de comunicaci´on y definen el protocolo de la capa de transporte. La interfaz de aire de NFC esta estandarizado con las normas ISO/IEC 18092 y ISO/IEC 21481, que en otras palabras son los protocolos 1 (NFCIP-2) y 2 (NFCIP-2) de NFC [14]. Adem´as, existe un grupo denominado NFC Forum, que tiene como objetivo pro-mover el uso de este est´andar garantizando la interoperabilidad entre dispositivos y servicios [53].
Existen dos modos de funcionamiento para los dispositivos NFC [53]:
Activo: Cuando ambos dispositivos necesitan energ´ıa para funcionar, generando un campo electromagn´etico propio, que utilizan para transmitir sus datos. Las etiquetas activas pueden funcionar como receptor o transmisor de informaci´on.
Pasivo: Solo un dispositivo genera el campo electromagn´etico, al cual el otro se conecta y establece la comunicaci´on, el dispositivo que general el campo por lo general es el lector. Las etiquetas que intervienen en este modo no requieren alimentaci´on propia, pues la energ´ıa la proporciona el que inicia la comunicaci´on, generando un campo electromagn´etico. Los dispositivos pasivos contienen informaci´on que otros dispositivos pueden leer, pero este no puede leer ninguna informaci´on.
una peque˜na memoria, este dispositivo es accionado por un campo magn´etico y su memoria puede ser de s´olo lectura, regrabable o solo se puede escribir una vez, su funcionamiento no puede ser activo, sino solo pasivo; Lector, es un dispositivo activo que genera se˜nales de radio para comunicarse con las etiquetas [53].
Los dispositivos NFC tienen tres configuraciones o maneras distintas de operar:
Modo Lectura/Escritura: El dispositivo est´a en capacidad de leer y escribir informaci´on de cualquier otro terminal con el que se conecte. Es capaz de leer los 4 tipos de etiquetas que especifica el NFC Forum.
Modo P2P: Dos dispositivos pueden intercambiar informaci´on como lo har´ıan otros est´andares de comunicaci´on como Bluetooth o Wi-Fi.
Modo emulaci´on de tarjeta inteligente: Un dispositivo se comporta como una etiqueta NFC o una tarjeta sin contacto que intercambia informaci´on con un terminal.
Los 4 tipos de etiquetas que todo dispositivo NFC debe soportar, son [20]:
Tipo 1: Basado en ISO/IEC 14443A. Posee una capacidad de hasta 1 kbytes, lectura y escritura y velocidades de transmisi´on de 106 Kbps. Son etiquetas de bajo costo. Tipo 2: Basado en ISO/IEC 14443A. Posee una capacidad de 0,5 kbytes, lectura y escritura y velocidades de transmisi´on de 106 Kbps. Etiquetas de bajo costo.
Tipo 3: Basado en FeliCa. Se pre configura de f´abrica para tener la capacidad de ser de lectura o escritura, la memoria es variable, el l´ımite es de 1 MBytes, y velocidades de transmisi´on de 212 Kbps. El costo es mayor que el tipo 1 y 2.
Tipo 4: Basado en ISO/IEC 14443. Se pre configura de f´abrica para tener la capacidad de ser de lectura o escritura, la memoria es variable, el l´ımite es de 32 kbytes, y velocidad de comunicaci´on de 106 – 424 kbps la interfaz de comunicaci´on es compatible con ISO/IEC 14443 Tipo A (normal) o ISO/IEC 14443 Tipo B (banking/short range). Para establecer una comunicaci´on basada en NFC se necesitan 5 fases importantes, cada una de estas tiene una funci´on espec´ıfica [52]:
Descubrimiento: Los dispositivos inician una etapa de rastreo del uno al otro y poste-riormente su reconocimiento.
Autenticaci´on: Los dispositivos verifican si el otro dispositivo tiene autorizaci´on para establecer la comunicaci´on, o se necesita alg´un tipo de cifrado.
Transferencia: Despu´es de tener establecida la etapa de negociaci´on, se inicia el inter-cambio de datos.
Confirmaci´on: El dispositivo receptor confirma el establecimiento de la comunicaci´on y la transferencia de datos.
El est´andar NFC no ofrece por s´ı mismo comunicaciones seguras, ni alguna protecci´on contra los que escuchan comunicaciones que no son propias; las aplicaciones deben usar protocolos criptogr´aficos para establecer un canal seguro, sin embargo, estas desventajas se contrarrestan con la distancia de operaci´on que usa NFC, ya que las comunicaciones solo se activan en un rango muy limitado, lo que reduce o limita el uso de la tecnolog´ıa sin conocimiento del usuario. Es por esto que las caracter´ısticas de confianza y seguridad son innatas de este est´andar, adem´as de evitar errores de comunicaci´on y proporcionar cierta eficacia en la transmisi´on de datos [14].
2.3.3.2. Protocolos
Al igual que todos los est´andares de comunicaci´on, el funcionamiento de NFC debe basarse en protocolos que lo estandaricen y permitan la interoperabilidad entre diferentes dispositivos. Se definen 3 est´andares por parte del NFC Forum:
NFC Data Exchange (NDEF)
NDEF es un formato de intercambio de datos, el cual permite utilizar cualquier tipo de etiqueta para guardar y transportar diferentes tipos de datos. La especificaci´on NDEF define un formato binario que encapsula el mensaje para el intercambio de datos entre dispositivos NFC o entre dispositivos y etiquetas NFC, el mensaje consiste en una secuencia de registros donde cada registro lleva una carga ´util y una cabecera, la carga ´util tiene un tipo de datos espec´ıfico de la aplicaci´on NFC y la cabecera especifica el tipo de dato y el tama˜no del registro. Este protocolo solo especifica la estructura del formato, es el mismo tanto para dispositivos como para etiquetas NFC, es decir que la informaci´on de NDEF es independiente del tipo de dispositivos que se est´en comunicando [52].
Record Type Definition (RTD)
El protocolo de Definici´on de Tipo de Registro, provee las especificaciones de los registros que se le pueden agregan a la trama NDEF para especificar el contenido de la carga ´util. El NFC Forum especifica unos tipos especiales de datos [53]:
NFC texto RTD: Contiene solamente datos de texto liviano.
NFC Posters Inteligentes RTD: Incorpora datos como SMS, URL o n´umeros de tel´ efo-nos en etiquetas NFC o los transporta entre dispositivos.
NFC de control gen´erico RTD: Permite enviar ordenes a otros dispositivos, adem´as da acceso a funciones o especificaciones que no pueden ser expresadas por otros RTD. NFC firma RTD: Contiene una firma digital en la etiqueta, como m´etodo de seguridad. Se pueden usar diferentes firmas para diferentes registros.
Logical Link Control Protocol (LLCP)
Este protocolo es un protocolo de nivel de capa de enlace, su objetivo es mejorar la operaci´on en el modo P2P, permite que ambos dispositivos env´ıen y reciban datos, bas´andose en una conexi´on bidirecional. Permite que los dispositivos intercambien datos mediante la opci´on de orientado a la conexi´on y a la transferencia sin conexi´on [53].
Adem´as, como se ha venido mencionando, NFC se basa en los siguientes est´andares ISO:
ISO 14443
Es un est´andar internacional desarrollado para la comunicaci´on de tarjetas sin contacto de identificaci´on electr´onicas y de proximidad, trabajando en la frecuencia de 13,56 MHz. Este est´andar se divide en dos tipos de tarjetas: tipo A (normal) y tipo B (banking/short range), entre sus principales diferencias se encuentran los m´etodos de modulaci´on, codificaci´on de bits y el protocolo de inicializaci´on de procedimientos.
Near Fiel Communication Interface and Protocol (NFCIP)-1
Este protocolo est´a definido por las normas ISO/IEC 18092 y ECMA 340. Define el enlace de RF en el que NFC trabaja (13,56 MHz), los m´etodos de modulaci´on aplicados a la se˜nal, velocidades de transmisi´on, estructura de la trama, caracter´ısticas de seguridad. Se encarga de controlar el flujo general del protocolo, asignando los roles (iniciador u objetivo) correspondientes a cada dispositivos, define los modelos de comunicaci´on activo y pasivo [52].
Near Fiel Communication Interface and Protocol (NFCIP)-2
lo implemente, no activar´a su campo de RF cuando detecte un campo de radio trabajando a esta frecuencia y que exceda un umbral espec´ıfico [33].
Los tres modos de comunicaci´on que especifica este protocolo son: Modo NFC especificado por el protocolo NFCIP-1.
Modo Proximity Coupling Device (PCD) especificado por la norma ISO/IEC 14443. Modo Vicinity Coupling Device (VCD) especificado por la norma ISO/IEC 15693.
2.3.3.3. Aplicaciones
Gracias a las caracter´ısticas que posee el est´andar de comunicaci´on inal´ambrico NFC, den-tro de un mercado global, se evidencia el gran potencial que tiene este para contribuir al desarrollo de la tecnolog´ıa, cambiando y facilitando la forma en la que se hacen muchas de las actividades de hoy en d´ıa, como realizar la compra de alg´un producto o servicio, obtener y compartir informaci´on, realizar pagos, uso del transporte p´ublico, manejo de identificacio-nes, entre todos. De acuerdo al NFC Forum, las aplicaciones NFC se pueden dividir en tres grupos [33]:
Acceso a transporte y compras de modo contactless: El transporte es el l´ıder hoy en d´ıa en cuanto al uso del est´andar NFC. Respecto al sector de compras, se pueden realizar pagos por medio de un dispositivo NFC sin necesidad de usar una tarjeta cr´edito. Informaci´on en movimiento y descubrimiento de servicios: Los datos se almacenan en etiquetas ubicadas en cualquier objeto a las que se pueden acceder desde cualquier dispositivo NFC, adem´as se pueden usar estos mismos dispositivos como documento de identificaci´on.
Simplificar las tecnolog´ıas de comunicaci´on inal´ambrica: NFC ofrece formas de realizar el intercambio de datos de forma m´as r´apida y sencilla, adem´as, gracias a este est´andar, se acelerar´a la adopci´on de otros est´andares de comunicaci´on m´oviles como Bluetooth, Wi-Fi y ZigBee en diferentes dispositivos, facilitando el uso de esta tecnolog´ıa para el ser humano.
2.3.4.
Wifi
en el est´andar 802.11.
El est´andar 802.11 define diferentes m´etodos y tecnolog´ıas de transmisi´on. Posee dos modos de conexi´on, el primero y m´as popular es el de conectar dispositivos a otra red como la intranet de una empresa o Internet, este modo se muestra en la figura 2-5(a); el otro modo es una red ad-hoc que se muestra en la figura2-5(b), en este modo, un grupo de dispositivos est´an conectados de manera que pueden enviar informaci´on entre ellos sin tener un punto de acceso, estas redes no son muy populares [47].
Figura 2-5: Arquitectura 802.11. a) Modo Infraestructura, b) Modo Ad - Hoc. [47]
2.3.4.1. Caracter´ısticas t´ecnicas
Las especificaciones de wifi han surgido seg´un el aumento de las necesidades de los clientes, por lo tanto, dependiendo de la especificaci´on se tienen caracter´ısticas diferentes, a conti-nuaci´on, se resumen las caracter´ısticas generales de las especificaciones m´as comunes usadas en la actualidad [22], [18],[47]:
IEEE 802.11a
Opera en la frecuencia de 5 GHz, su velocidad de transmisi´on varia de 6 Mbps a 54 Mbps de acuerdo al m´etodo de correcci´on de errores utilizado, alcanza una rango de 30-50 metros, utiliza modulaci´on OFDM, lo que proporciona mayor velocidad y eficiencia en la transmisi´on evitando el efecto multitrayectoria, utiliza 54 subportadoras para la transmisi´on, 48 para da-tos y 4 para sincronizacion. Usa un canal con ancho de banda de 20 MHz, esta especificaci´on no es compatible con la 802.11b, ya que no trabajan a la misma frecuencia.
IEEE 802.11b
falta de QoS, tiene gran aceptaci´on en el mercado gracias a su bajo costo, su velocidad y su compatibilidad.
IEEE 802.11g
Esta especificaci´on es compatible con la 802.11b, trabaja a la misma frecuencia de 2,4 GHz y su velocidad de transmisi´on aumenta a 54 Mbps, lo que permite dar servicio a 4 o 5 veces m´as de usuarios. Utiliza modulaci´on OFDM y alcanza un rango de 100 metros, usa un canal con ancho de banda de 20 MHz, adem´as, maneja una potencia de transmisi´on de 15 dBm.Es una modificaci´on a la capa f´ısica creando una extensi´on de la capa PHY, llamada Extended Rate PHY
IEEE 802.11n
Esta especificaci´on proporciona velocidades de hasta 500 Mbps, utiliza modulaci´on OFDM, posee compatibilidad con todas las especificaciones anteriores a esta, trabajando tanto en la frecuencia de 2,4GHz como en la de 5 GHz; el gran avance en esta nueva especificaci´on es su tecnolog´ıa Multiple Input – Multiple Output (MIMO), lo que permite utilizar varios canales a la vez para la recepci´on y transmisi´on de datos utilizando varias antenas. Usa canales con ancho de banda de 20MHz y 40MHz.
WiMAX
WiMAX es una especificaci´on que surge por la necesidad de generar interoperabilidad mun-dial de tecnolog´ıas inalambricas que utilizan el espectro microondas para su transmisi´on, adem´as, de vincularse con relativa facilidad a redes IP, involucra aspectos del estar 802.11 y 3G, tiene como principales caracter´ısticas reducir costos de instalaci´on y extender la conec-tividad a un rango de 50 Km [22].En cuanto a caracter´ısticas t´ecnicas opera a en la banda de 10GHz a 66GHz con una velocidad de transferencia de 70 MHz, utilizando como t´ecnicas de comunicaci´on OFDM y MIMO. Las caracter´ısticas principales del stack de protocolos se pueden resumir de la siguiente forma:
Capa f´ısica: Se detallan dos tipos, una si el nodo esta en movimiento y otra si no. Capa enlace de datos: La conforman 3 subcapas. La inferior encargada de la seguridad, la subcapa MAC orientada a la conexi´on y la subcapa de convergencia especifica el servicio que permite la adaptaci´on con capas superiores que var´ıan de acuerdo al tipo de servicio que ofrece la red (por ejemplo IP).
Cabe mencionar que esta especificaci´on se relaciona el est´andar 802.16a e HiperMAN.
IEEE 802.11d: Permite detectar niveles de potencia y de acuerdo a una referencia acceder a la transmisi´on.
IEEE 802.11e: Permite implementar en los est´andares 802.11 a/b/g par´ametros de QoS.
IEEE 802.11f:Permite la interoperabilidad entre puntos de acceso con diferente pro-veedor de servicios, se conoce como IAPP.
IEEE 802.11h:Permite implementar selecci´on de frecuencia din´amica DFS y control de la potencia transmitida TPC para est´andares que funcionen en la banda de 5GHz como el 802.11n.
IEEE 802.11i: Brinda nuevos m´etodos de encriptaci´on y procedimientos de autenti-ficaci´on para mejorar la seguridad en los est´andares 802.11 a/b/g.
As´ı mismo, las antenas transmisoras utilizadas en el estandar 802.11 deben irradiar menos de 50 mW para aplicaciones tipo LAN. Con respecto a sus deficiencias, al utilizar la banda ISM de 2,4 GHz se producen interferencias con tel´efonos inal´ambricos en el hogar, hornos microondas, puertas de cochera autom´aticas, entre otros.
2.3.4.2. Protocolos
El est´andar 802.11 define las dos capas m´as bajas del modelo OSI: la capa f´ısica (PHY) y la capa de enlace de datos (DLC) que se divide en Logical Link Control (LLC) y Media Access Control (MAC) como se ve en la figura2-6.
PHY
Esta capa es la encargada de cubrir la interfaz f´ısica entre los dispositivos, define el medio f´ısico de transmisi´on y la forma en que se transmite la informaci´on. Para el est´andar wifi se definen tres capas f´ısicas diferentes: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) y luz infrarroja.
FHSS:Consiste en transmitir parte de la informaci´on en una frecuencia determinada durante un intervalo de tiempo predeterminado, generalmente de 400 ms de acuerdo a [22], para despu´es cambiar de frecuencia. Utilizan 79 canales con un ancho de banda de 1 MHz, trabajan en la banda de 2,4 GHz con una velocidad de transmisi´on de 1, 2 o 11 Mbps y utiliza modulaci´on FSK, este tipo de transmisi´on se caracteriza por:
Almacenar el orden del salto en frecuencia en tablas, por lo cual es una transmisi´on sincronizada.
Su normalizaci´on depende del pa´ıs en el cual se implemente.
Evita el efecto multitrayectoria conservando una distancia m´ınima en frecuencias. DSSS: Es una t´ecnica que genera un patr´on de bits redundante para cada uno de los bits que componen la se˜nal, lo que proporcionan resistencia a las interferencias, ensanchando la potencia de la se˜nal. Maneja velocidades de transmisi´on de 1 y 2 Mbps, trabaja en la banda de frecuencia de 2,4 GHz, tiene un ancho de banda de 83,5 MHz, con 14 canales independien-tes y utiliza modulaci´on BPSK y QPSK. Cabe mencionar que estas caracter´ısticas pueden variar de acuerdo a la versi´on del estandar.
La luz infrarroja utiliza el rango infrarrojo del espectro electromagn´etico para transmitir informaci´on por medio de ondas por el espacio libre. Esta t´ecnica no penetra paredes, por lo que suele usarse en aplicaciones de muy corto alcance, adem´as, proporciona un bajo ancho de banda y es afectado por fen´omenos como la luz solar. Seg´un [47] es una t´ecnica extinta para este est´andar.
Extensiones del est´andar ofrecen otro tipo de t´ecnicas como [41]:
del espectro, presenta baja distorsi´on por multitrayectoria, generando alta eficiencia espectral.
HR-DSSS: Tambi´en llamada High-Rate DSSS, aumenta el rendimiento de los nodos al aumentar la tasa de transferencia, manejando velocidades en el orden de 1Mbps, 2Mbps, 5.5Mbps y 11Mbps, para esto hace uso de la codificaci´on tipo CCK, gene-rando codificaci´on de 4 y 8 bits, respectivamente, para las dos ultimas velocidades mencionadas.
MAC
Esta capa controla o determina la forma en que se asigna el medio f´ısico a las diferentes es-taciones de una red, en otras palabras, a qui´en y en que momento le toca transmitir; adem´as identifica el origen y el destino del paquete. Esta capa esta basada en el protocolo Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), que consiste en identificar el final de una transmisi´on en un canal y esperar un tiempo aleatorio antes de iniciar la transmisi´on, lo que disminuye la posibilidad de colisiones. En redes inal´ambricas no se puede usar un protocolo con detecci´on de colisiones porque se necesitar´ıan dispositivos de radio full duplex (transmisi´on y recepci´on al mismo tiempo en una misma frecuencia), lo cual incrementa el costo de los equipos [22]. Al operar el protocolo CSMA/CA, permite que cada nodo de la red trabaje bajo la modalidad de DCF (funci´on de coordinaci´on distribuida) con lo cual puede acceder al medio sin ning´un tipo de control centralizado, en contra posici´on a esta modalidad existe PCF o funci´on de coordinaci´on puntual, en donde el acceso al medio es controlado por una estaci´on central.
Los problemas que se presentan de acuerdo al modo de funcionamiento contemplado son: Terminal oculta: En donde, debido al ´area de cobertura que tiene cada nodo, si un nodo A desea comunicarse con un nodo C y no tienen alcance entre si, deben hacer uso de un nodo intermedio B que tiene cobertura para A y C, de tal forma que permita la comunicaci´on entre ellos, sin embargo no existe forma de que A sepa cuando B esta ocupado con C o en sentido inverso cuando C se entere de que B esta ocupado atendiendo a A, con lo cual se producen colisiones.
Terminal expuesta: En donde, conservando el ejemplo anterior, si B desea transmitir a C, puede suponer err´oneamente que el canal esta ocupado, cuando A transmita a un nodo que no sea B y C y adem´as no este en la cobertura de estos.
vector de asignaci´on de red. El NAV acompa˜nado del protocolo IEEE RTS/CTS que vincula la transmisi´on de mensajes como:
RTS: Solicita hacer uso de canal y establecimiento de comunicaci´on.
CTS: Acepta uso de canal y alertando su uso o los dem´as nodos de su cobertura. ACK: Finaliza la comunicaci´on y alerta a los dem´as nodos que el canal est´a vaci´o. Permitir´a solucionar completamente el problema de la terminal oculta, aunque tiene como principal defecto ser poco ´util para tramas cortas y nodos que puedan comunicarse con todos los dispositivos de la red. Adem´as de las caracter´ısticas ya mencionadas, la capa MAC permite solucionar necesidades imprescindibles en las redes de sensores inal´ambricas, como: Confiabilidad: Permitiendo disminuir la probabilidad de ser vulneradas por se˜nales de interferencia mediante la fragmentaci´on de tramas, siendo este par´ametro ajustable por cada access point y para lo cual cada nodo que env´ıa un K-esimo fragmento espera la confirmaci´on de llegada para enviar el pr´oximo k+1 fragmento.
Ahorro de energ´ıa: Se puede desarrollar de dos maneras, en la primera, cada trama enviada por un nodo al access point, cuenta con un bit que indica si el nodo entra en estado ahorro de energ´ıa, para verificar el trafico en este estado, el nodo verifica el mapa del trafico que se env´ıa peri´odicamente por cada access point a cada nodo mediante una trama baliza que adem´as de esta funci´on, permite anunciar la presencia del access point a cada nodo. Generalmente esta trama baliza se env´ıa con un periodicidad de 100ms, lo cual es su mayor defecto; en la segunda alternativa, conocida como APSD o Entrega Autom´atica de Ahorro de Energ´ıa, cada nodo maneja el tiempo en que ahorra energ´ıa, ya que ahora el nodo recibir´a su trafico una vez le envi´e una trama al access point y desee iniciar una comunicaci´on.
Calidad de servicio: Se puede gestionar de 2 formas, en la primera, mediante el meca-nismo de prioridad de uso de canal, cada nodo de acuerdo a su funci´on, tiene prede-terminado el tiempo en que intentar´a ocupar el canal una vez reciba un ACK, existen 4 niveles de prioridad (SIFS,AIFS1,AIFS4,DIFS,EIFS) que evitan que el canal sea ocupado en momentos donde una comunicaci´on sea crucial. En la segunda opci´on su-poniendo que existan nodos con diferente velocidad de transmisi´on se puede optar por el mecanismo TXOP u oportunidad de transmisi´on, en donde cada nodo cuenta con el mismo intervalo de tiempo para transmitir a diferencia del CSMA/CA que brinda-ba un numero equivalente de tramas, as´ı, teniendo un nodo con mayor velocidad de transferencia, no se ve afectado por su nodo vecino.
