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Estándar IEEE 802.15.4: tutorial / introducción

Estándar IEEE 802.15.4: tutorial / introducción

IEEE 802.15.4 es un estándar que se desarrolló para proporcionar un marco y las capas inferiores en el modelo OSI para redes de conectividad inalámbrica de bajo costo y baja potencia.

IEEE 802.15.4 proporciona las capas MAC y PHY, dejando que las capas superiores se desarrollen para estándares posteriores más altos específicos como Thread, Zigbee, 6LoWPAN y muchos otros.

Como resultado, IEEE 802.15.4 no es el centro de atención de la forma en que lo harían otros estándares, pero sin embargo forma la base para un gran número de estándares y, por lo tanto, se implementa mucho más ampliamente de lo que puede parecer a primera vista.

La baja potencia es uno de los elementos clave de 802.15.4, ya que se utiliza en muchas áreas donde los sensores remotos necesitan funcionar con batería, posiblemente durante años sin atención.

Conceptos básicos de IEEE 802.15.4

El estándar IEEE 802.15.4 tiene como objetivo proporcionar las capas de red inferiores esenciales para una red de área personal inalámbrica, WPAN. Los requisitos principales son la comunicación ubicua de bajo costo y baja velocidad entre dispositivos.

IEEE 802.15.4 no tiene como objetivo competir con los sistemas orientados al usuario final más comúnmente utilizados, como IEEE 802.11, donde los costos no son tan críticos y se exigen velocidades más altas y la energía puede no ser tan crítica. En cambio, IEEE 802.15.4 proporciona una comunicación de muy bajo costo de dispositivos cercanos con poca o ninguna infraestructura subyacente.

El concepto de IEEE 802.15.4 es proporcionar comunicaciones a distancias de hasta unos 10 metros y con velocidades máximas de transferencia de datos de 250 kbps. Anticipando que la reducción de costos requerirá soluciones de dispositivos altamente integradas, el concepto general de IEEE 802.15.4 se ha diseñado para adaptarse a esto.

Estándar IEEE 802.15.4

El estándar IEEE 802.15.4 ha sido objeto de varias versiones. Además de esto, hay una serie de variantes del estándar IEEE 802.15.4 para adaptarse a diferentes formas de capa física, etc. Estas se resumen a continuación en la tabla.


Resumen del estándar IEEE 802.15.4
Versión IEEE 802.15.4Detalles y comentarios
IEEE 802.15.4 - 2003Esta fue la versión inicial del estándar IEEE 802.15.4. Proporcionó dos PHY diferentes: uno para las bandas de frecuencia más bajas de 868 y 915 MHz, y el otro para 2.4 GHz.
IEEE 802.15.4 - 2006Esta versión de 2006 del estándar IEEE 802.15.4 proporcionó un aumento en la velocidad de datos alcanzable en las bandas de frecuencia más baja. Esta versión del estándar actualizó la PHY para 868 y 915 MHz. También definió cuatro nuevos esquemas de modulación que podrían usarse: tres para las bandas de frecuencia más baja y uno para 2.4 GHz.
IEEE 802.15.4aEsta versión del estándar IEEE 802.15.4 definió dos nuevas PHY. Uno utilizó tecnología UWB y el otro proporcionó el uso de espectro ensanchado chirp a 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4cActualizaciones para 2,4 GHz, 868 MHz y 915 MHz, UWB y la banda China 779-787 MHz.
IEEE 802.15.4dBanda de 2,4 GHz, 868 MHz, 915 MHz y japonesa de 950 a 956 MHz.
IEEE 802.15.4eEsta versión define las mejoras de MAC a IEEE 802.15.4 en apoyo de la aplicación ISA SP100.11a.
IEEE 802.15.4fEsto definirá nuevos PHY para UWB, banda de 2,4 GHz y también 433 MHz
IEEE 802.15.4gEsto definirá nuevos PHY para redes de vecindarios inteligentes. Estos pueden incluir aplicaciones tales como aplicaciones de redes inteligentes para la industria energética. Puede incluir la banda de 902 a 928 MHz.

Aunque hay nuevas versiones del estándar disponibles para su uso por cualquiera de los estándares de capa superior, Zigbee todavía usa la versión inicial de 2003 del estándar IEEE 802.15.4.


Aplicaciones IEEE 802.15.4

La tecnología IEEE 802.15.4 se utiliza para una variedad de diferentes estándares de capa superior. De esta manera, las capas físicas y MAC básicas ya están definidas, lo que permite que las capas superiores sean proporcionadas por el sistema individual en uso.


Estándares derivados de IEEE 802.15.4
Aplicación o sistemaDescripción de la aplicación o sistema IEEE 802.15.4
ZigbeeZigbee cuenta con el respaldo de Zigbee Alliance y proporciona los niveles más altos requeridos para un sistema de radio de baja potencia para aplicaciones de control que incluyen iluminación, calefacción y muchas otras aplicaciones.
HART inalámbricoWirelessHART es una tecnología de red inalámbrica de estándar abierto que ha sido desarrollada por HART Communication Foundation para su uso en la banda ISM de 2,4 GHz. El sistema utiliza IEEE802.15.4 para las capas inferiores y proporciona una arquitectura de malla sincronizada en el tiempo, autoorganizada y autorreparable.
RF4CERF4CE, Radio Frequency for Consumer Electronics se ha fusionado con la alianza Zigbee y tiene como objetivo proporcionar controles de radio de baja potencia para aplicaciones audiovisuales, principalmente para aplicaciones domésticas como decodificadores, televisores y similares. Promete mejores comunicaciones e instalaciones en comparación con los controles existentes.
MiWiMiWi y los sistemas MiWi P2P que lo acompañan están diseñados por Microchip Technology. Están diseñados para velocidades de transmisión de datos bajas y redes de corta distancia y bajo costo, y están dirigidos a aplicaciones que incluyen monitoreo y control industrial, automatización de viviendas y edificios, control remoto y lectura automática de medidores.
ISA100.11aEste estándar ha sido desarrollado por ISA como una tecnología de red inalámbrica de estándar abierto y se describe como un sistema inalámbrico para la automatización industrial, incluido el control de procesos y otras aplicaciones relacionadas.
6LoWPANEste nombre bastante inusual es un acrónimo de "IPv6 sobre redes de área personal inalámbricas de baja potencia". Es un sistema que usa el IEEE 802.15.4 básico, pero que usa paquetes de datos en forma de Ipv6.

Si bien el estándar IEEE 802.15.4 puede no ser tan conocido como algunos de los estándares y sistemas de nivel superior, como Zigbee, que utilizan la tecnología IEEE 802.15.4 como sistema de niveles inferiores subyacente, es muy importante. Abarca una variedad de sistemas diferentes y, como tal, proporciona un nuevo enfoque: proporciona solo las capas inferiores y permite que otros sistemas proporcionen las capas superiores que se adaptan a la aplicación relevante.

Frecuencias y bandas de frecuencia IEEE 802.15.4

Las bandas de frecuencia IEEE 802.15.4 se alinean con las bandas de radio sin licencia que están disponibles en todo el mundo. De las bandas disponibles, la banda de 2,4 GHz (2400 MHz) es la más utilizada en vista del hecho de que está disponible a nivel mundial y esto aporta muchas economías de escala.


Detalles del canal de RF IEEE 802.15.4
Banda de frecuencia (MHz)Canales disponiblesRendimiento disponible (kbps)Uso permitido por región
868 - 868.6120Europa
902 - 92810 (2003 rel)
30 (2006 rel)
30Estados Unidos
2 40016250Global

Con nuevas asignaciones que surgen como resultado de problemas como el dividendo digital y otros países que adoptan y utilizan IEEE 802.15.4, se están considerando otras frecuencias y bandas. Estos incluyen: bandas de frecuencia de 314-316 MHz, 430-434 MHz y 779-787 MHz en China y la banda de 950 MHz-956 MHz en Japón. También se están considerando otras frecuencias para las variantes UWB de IEEE 802.15.4.

Formatos de modulación IEEE 802.15.4

Había dos esquemas de modulación diferentes definidos para IEEE 802.15.4 en el estándar original publicado en 2003. Ambas configuraciones de interfaz de aire o de interfaz de radio se basan en técnicas de DSSS de espectro ensanchado de secuencia directa. El de las bandas de frecuencia más baja proporciona una velocidad de datos más baja a la vista si el ancho de canal es más pequeño, mientras que el formato utilizado a 2,4 GHz permite que los datos se transfieran a velocidades de hasta 250 kbps.

El lanzamiento de 2006 del estándar 802.15.4 actualizó varias áreas de la interfaz aérea y los esquemas de modulación. Se definieron cuatro capas físicas diferentes. Tres utilizaron el enfoque DSS utilizando modulación por desplazamiento de fase en cuadratura binaria o compensada, BPSK y OQPSK. Se definió un enfoque de capa física opcional utilizando codificación por tamizado de amplitud, ASK.

Descripción general de IEEE 802.15.4 MAC

El propósito de la capa MAC IEEE 802.15.4 es proporcionar una interfaz entre la capa física o PHY y la capa de aplicación. Como IEEE 802.15.4 no especifica una capa de aplicación, este es generalmente un sistema de aplicación como Zigbee, RF4CE, MiWi, etc.

El IEEE 802.15.4 MAC proporciona la interfaz a la capa de aplicación mediante dos elementos:

  • Servicio de gestión MAC: Esto se denomina entidad de gestión de capa MAC, MLME. Proporciona las interfaces de servicio a través de las cuales se puede llamar o acceder a las funciones de gestión de capa. El IEEE 802.15.4 MAC MLME también es responsable de controlar una base de datos de objetos para la capa MAC. Esta base de datos se conoce como la base de información PAN de la capa MAC o PIB. MLME también tiene acceso a los servicios MCPS para actividades de transporte de datos.
  • Servicio de datos MAC: Este si se llama la capa de puerto común MAC, MCPS. Esta entidad dentro del MAC IEEE 802.15.4 proporciona servicios de transporte de datos entre los MAC pares.

Topologías de red IEEE 802.15.4

Hay dos formas principales de topología de red que se pueden utilizar dentro de IEEE 802.15.4. Estas topologías de red se pueden utilizar para diferentes aplicaciones y ofrecen diferentes ventajas.

Las dos topologías de red IEEE 802.15.4 son:

  • Topología de las estrellas: Como su nombre lo indica, el formato de inicio para una topología de red IEEE 802.15.4 tiene un nodo central llamado coordinador PAN con el que se comunican todos los demás nodos.
  • Topología de red de igual a igual: En esta forma de topología de red, todavía existe lo que se denomina un coordinador PAN, pero las comunicaciones también pueden tener lugar entre diferentes nodos y no necesariamente a través del coordinador.

Vale la pena definir los diferentes tipos de dispositivos que pueden existir en una red. Hay tres tipos:

  • FFD: Dispositivo de función completa: un nodo que tiene niveles completos de funcionalidad. Puede usarse para enviar y recibir datos, pero también puede enrutar datos desde otros nodos.
  • RFD: Dispositivo de función reducida: un dispositivo que tiene un nivel reducido de funcionalidad. Normalmente es un nodo final que normalmente puede ser un sensor o conmutador. Los RFD solo pueden hablar con los FFD ya que no contienen ninguna función de enrutamiento. Estos dispositivos pueden ser dispositivos de muy baja potencia porque no necesitan enrutar otro tráfico y se pueden poner en modo de suspensión cuando no están en uso.

    Estos RFD a menudo se conocen como dispositivos secundarios, ya que necesitan otros dispositivos principales con los que comunicarse.

  • Coordinador: Este es el nodo que controla la red IEEE 802.15.4. Esta es una forma especial de FFD. Además de las funciones normales de FFD, también configura la red IEEE 802.15.4 y actúa como coordinador o administrador de la red.

Estas definiciones se generaron originalmente para su uso en Zigbee, pero su uso ahora se ha introducido con la terminología de red IEEE 802.15.4.


Topología en estrella IEEE 802.15.4

En la topología en estrella, todos los diferentes nodos deben hablar solo con el coordinador central de PAN. Incluso si los nodos son FFD y están dentro del alcance entre sí, en una topología de red en estrella, solo se les permite comunicarse con el nodo coordinador.

Tener una topología de red en estrella limita las distancias generales que se pueden cubrir. Está limitado a un salto.


Topología de igual a igual IEEE 802.15.4

Una topología de red peer to peer o p2p proporciona una serie de ventajas sobre una topología de red en estrella. Además de la comunicación con el coordinador de red, los dispositivos también pueden comunicarse entre sí. Los FFD pueden enrutar datos, mientras que los RFD solo pueden proporcionar una comunicación simple.

El hecho de que los datos se puedan enrutar a través de nodos FFD significa que se puede aumentar la cobertura de la red. No solo se pueden aumentar las distancias generales, sino que los nodos enmascarados del coordinador de la red principal pueden enrutar sus datos a través de otro nodo FFD con el que puede comunicarse.

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