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7/13/2019 Capitulo 3

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Captulo 3El Estndar Zigbee

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Capitulo 3

El Estndar Zigbee

3.1. Estndar 802.15.4

3.1.1 Introduccin.

Actualmente se dispone de un gran nmero de estndares inalmbricos

(BLUETOOTH, WIFI,WIMAX, LMDS, etc.) orientados hacia aplicaciones con altos

requerimientos de ancho de banda (redes domsticas y de oficina, videoconferencia,VOIP, etc.), pero falta algn estndar inalmbrico especfico para redes de sensores

en aplicaciones industriales y domsticas.

El inconveniente de utilizar cualquiera de los estndares inalmbricos antes

mencionados radica en el gran consumo de energa y el ancho de banda que utilizan

frente a la baja tasa de bits enviados por cualquier aplicacin sensora o de control y

sus bajos requerimientos de energa.

En un principio, cada fabricante de nodos sensores ha optado por utilizar

soluciones propietarias, lo que trajo problemas de interoperabilidad entre los diversos

fabricantes.

La industria noto que haca falta un nuevo estndar que ane autonoma,

envo de datos de baja capacidad y un bajo costo, por esta razn naci el estndar

IEEE 802.15.4 comercialmente llamadoZigBee. Se ha convenido llamar a esta clase

de redes LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network), dado sus bajas

tasas de transmisin y su corto alcance.


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Algunas las caractersticas del estndar se resumen en la tabla 3.1

Caracterstica Rango

Bandas de Frecuencia 868 MHz

915 MHz

2.4 GHz

Alcance 10 20 metros

Retardo (Latencia) Menor a 15ms

Nmero de Canales 868/915 MHz: 11 canales

2.4 GHz: 16 canales

Rango de Transmisin de datos 868 MHz: 20 kb/s

915 MHz: 40 kb/s

2.4 GHz: 250 kb/s

Direccionamiento Corto de 8 bits o de

64 bits IEEE

Canal de acceso CSMA-CA

CSMA-CA ranurado

Temperatura Rango de temperaturas industrial

-40OC a 85OC

Tabla 3.1 Propiedades del estndar IEEE 802.15.4

3.1.2 Topologa de Red

En las redes tradicionales, la capa de red es responsable de construir la

topologa de red y del mantenimiento de la misma, as como de los servicios de

enlace que incorpora las tareas necesarias de direccionamiento y seguridad1

. Estosmismos servicios existen para redes inalmbricas de bajo consumo, sin embargo

tiene mayores retos debido a la primicia de ahorro de energa.

El estndar IEEE 802.15.4 dispone de 2 tipos distintos de dispositivos:

1

J. Elson and D. Estrin, An Address-Free Architecture for Dynamic SensorNetworks Tech. rep. 00-724, Comp. Sci. Dept., USC, Jan. 2000.


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FFD (Full Function Device): que son dispositivos que tienen funcionalidadcompleta, pueden operar como Coordinador de Red de rea Personal

(Coordinador PAN) o como dispositivo de red (end point).

RFD (Reduced Function Device): dispositivos con funcionalidad reducida.Solamente pueden recibir ordenes o informar a un coordinador de red ms

cercano. Es decir son los dispositivos de red (sensores o actuadores) usados

en aplicaciones simples.

El estndar IEEE 802.15.4 soporta dos tipos de topologas para su conexin

en red:

Topologa en estrella (star): Todos los nodos de una misma WPAN estn

coordinados por un nico nodo FFD que recibe el nombre de Coordinador de Red y

entre sus principales tareas se encuentran la de coordinar el acceso al medio.

El Coordinador de Red, al tener el papel principal de organizador, posee

unos requerimientos de energa mayores que el resto de nodos y es por ello que estesuele ser un nodo con una unidad de energa no agotable (conectado a la red

elctrica).

Topologa igual a igual (peer to peer): Todos sus nodos suelen ser FFD, ya

que todos tienen la misma prioridad de acceso al medio, y aunque existe un

coordinador PAN, ste no tiene funciones relevantes. Difiere de la topologa en

estrella en que cualquier nodo se puede contactar con otro sin permiso delcoordinador PAN. Es similar a arquitecturas de red mesh(malla) o AdHoc.


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Figura 3.1: Tipos de Redes: Red Estrella e igual a igual

La topologa a escoger es una eleccin de diseo y va a estar dado por la

aplicacin a la que se desee orientar, algunas aplicaciones como perifricos e

interfases de PC, requieren de conexiones de baja potencia tipo estrella, mientras que

otros como permetros de seguridad necesitan mayor rea de cobertura por lo que se

debe implementar una red igual a igual.

Cada PAN puede seleccionar un identificador de red nico. Este identificador

PAN permite la comunicacin entre dispositivos dentro de una red usando

direcciones cortas y permitiendo transmisiones entre dispositivos sobre redesindependientes.

3.1.3 Arquitectura

La arquitectura del estndar esta definida por capas. Cada capa es responsable

de los servicios ofrecidos a capas superiores. El esquema de capas se basa en el

modelo de referencia para la interconexin de sistemas abiertos (OSI) de laorganizacin internacional para la estandarizacin (ISO).


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Figura 3.2: Arquitectura del Estndar IEEE 802.15.4

El estndar IEEE 802.15.4 incluye a la capa fsica (PHY), que define las

Frecuencias de Radio (RF) que se utilizan para los enlaces, adems de los

mecanismos de control de bajo nivel, tambin incluye a la subcapa MAC que

proporciona acceso al canal fsico, a travs de diferentes tipos de transferencia.

Las capas superiores que se muestran en la figura 3.2, consisten en la capa de

red y la capa de aplicacin. La capa de red provee la configuracin de red,manipulacin y encaminado de mensajes. La capa de aplicacin provee las funciones

que se quiere implementar en el dispositivo. La definicin de estas capas superiores

no le corresponde al estndar IEEE 802.15.4, pero estn definidas en la

especificacin Zigbee.

3.1.4 Capa de Enlace de Datos (Data Link Layer: DLL).

El estndar IEEE 802 [2] divide al DLL en dos subcapas:

Subcapa de Control de Acceso al Medio (Mdium Access Control, MAC) Subcapa de Control de Enlaces Lgicos (Logical Link Control, LLC).

La subcapa LLC es comn en todos los estndares IEEE 802, mientras que la

subcapa MAC depende del hardware y puede variar con la implementacin de la

capa fsica.


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Figura 3.3: IEEE 802.15.4 en el modelo de capas ISO-OSI

La subcapa MAC, brinda dos servicios:

Servicio de Datos MAC, que habilita la transmisin y recepcin de unidadesde datos de protocolo MAC (MPDUs) a travs de la capa fsica

Administrador de servicios MAC, que sirve de interfase entre la subcapaMAC y el dispositivo, tiene 26 primitivas de servicio o comandos,

comparadas con 802.15.1 (BluetoothTM), que tiene alrededor de 131

primitivas y 32 comandos. El administrador de servicios MAC es muy

simple y verstil para las aplicaciones para las que fue orientada,

obtenindose un hardware sencillo y barato de fabricar, auque se paga el

costo de tener un instrumento con caractersticas menores a las del 802.15.1,

como por ejemplo 802.15.4 no soporta enlaces sincronizados de voz.

Las caractersticas del MAC IEEE 802.15.4 son:

Generar beacons(guas) en el caso de ser un coordinador de red y que el restode nodos se sincronicen al ritmo de los beacons.


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Mecanismo de acceso al medio CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance), es decir evita interferencias en las comunicaciones

ya que los dispositivos escuchan antes de transmitir.

Validacin de tramas Asociacin o disociacin a una PAN. Funciones de seguridad (encriptacin AES de 128 bits). QoS mediante gestin de GTS (Granted Time Slot). Entrega de tramas de confirmacin:Acknowledgment Frame (ACKs).

3.1.5 Formato General de Tramas MAC.

El formato general de las tramas MAC se diseo para ser muy flexible y para

que se ajustara a las necesidades de las diferentes aplicaciones con diversas

topologas de red y al mismo tiempo mantener un protocolo simple.

El estndar IEEE 802.15.4 tiene cuatro diferentes tipos de tramas. Estas son:

Tramas de datos (Data Frame), Tramas de confirmacin (Acknowledgment Frame) Tramas de comandos MAC (MAC Command Frame) Tramas de Beacon Gua (Beacon Frame),

Solo las tramas de datos y tramas beaconcontienen informacin proveniente

de capas superiores; las tramas de mensajes de confirmacin y la de comandos MAC

son originadas en la MAC y son usadas por la MAC para comunicaciones igual aigual.


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Figura 3.4: Formato General de las Tramas MAC

La trama de Unidad de Datos del Protocolo MAC (MPDU, MAC Protocol

Data Unit), se compone del encabezado MAC (MHR, MAC HeadeR), Unidad de

Servicio de Datos MAC (MSDU,MAC Service Data Unit) y termina con el chequeo

de la trama (MFR Mac FooteR). El primer campo de la trama de encabezado MHR

es el campo de control, denominado Frame Control.

Frame Control, indica el tipo de trama MAC que se pretende trasmitir,

especifica el formato, el campo de direccin y controla los mensajes ACK

(confirmacin). En pocas palabras, la trama de control (Frame Control) especifica

como es el resto de la trama de datos y que es lo que contiene.

Data Sequence Number, verifica la integridad de la trama MAC. Es unasecuencia de nmeros, al igual que tramas FCS. La secuencia de nmeros en los

encabezados enlaza a las tramas de ACK con trasmisiones anteriores. Una

transmisin se considera exitosa solo cuando la trama de confirmacin (ACK)

contiene la misma secuencia de nmeros que la secuencia anterior trasmitida. Las

tramas FCS ayudan a verificar la integridad de las tramas del MAC.

Address information, el tamao de las direcciones puede variar entre 0 y 20

bytes. Por ejemplo, una trama de datos puede contener informacin de la fuente y del

destinatario, mientras que la trama ACK no contiene ninguna informacin de


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ninguna direccin. Por otro lado una trama de gua solo tiene informacin de la

direccin de la fuente. Esta flexibilidad en la estructura ayuda a incrementar la

eficiencia del protocolo al mantener los paquetes lo ms reducidos posibles.

Payload, es de longitud variable; sin embargo, la trama completa de MAC no

debe de exceder los 127 bytes de informacin. Los datos que lleva Payload

dependen del tipo de trama.

FCS (Frame Check Sequency), es una trama de chequeo de 16 bits CRC

(Cyclic Redundancy Chech).

3.1.5.1 Estructura de la trama de Datos (Data Frame)

La trama de datos se origina en capas superiores. La carga til de datos es

enviada a la subcapa MAC y se la denomina MSDU, es limitada por una trama MHR

(Header) al inicio y por una trama MFR (Footer) al final. El MPDU es enviado a la

capa fsica como carga til (payload) de datos de la capa fsica (PSDU), el cual junto

con una trama SHR y una trama PHR forman el paquete de datos de la capa fsicaPHY (PPDU)

Figura 3.5: Estructura de la Trama de Datos

3.1.5.2 Estructura de la trama ACK (Acknowledgment Frame)

La trama ACK proporciona el intercambio de informacin activa desde el

receptor al emisor de que el paquete fue recibido sin error. Este paquete corto


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aprovecha el tiempo de silencio (quiet time), especificado por la norma,

inmediatamente despus de la transmisin del paquete de datos. Es originada en la

subcapa MAC

Figura 3.6: Estructura de la Trama ACK

3.1.5.3 Estructura de la trama de Comandos MAC (MAC Command Frame)

La trama de Comandos MAC es un mecanismo para el control o

configuracin a distancia de los dispositivos de los nodos. Permite que un director de

la red centralizado pueda configurar a los dispositivos individualmente sin importar

lo grande que sea la red.

Figura 3.7: Estructura de la Trama de Comandos MAC

En la estructura se puede ver que solo se aade el campo Command Type a

la estructura de trama de Datos.


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3.1.5.4 Estructura de la trama Beacon (Beacon Frame)

La trama Beacon aade un nuevo nivel de funcionalidad a la Red. Los

dispositivos de los nodos pueden despertarse solamente cuando es transmitida una

seal de gua o beacon, escuchar su direccin y volver al estado dormido, con el

consecuente ahorro de energa. Las tramas Beacon son importantes en las redes

mesh y cluster tree para mantener todos los nodos sincronizados sin requerir que

los nodos consuman energa de la batera, escuchando durante largos periodos de

tiempo.

Figura 3.8: Estructura de la TramaBeacon

Esta estructura de trama Beacon contiene las denominadas Supertramas

(Superframes).

3.1.6 Estructura de Supertramas

Algunas aplicaciones requieren anchos de banda dedicados para lograr

estados de espera para un consumo de baja potencia. Para lograr dichos estados deespera el estndar IEEE 802.15.4 puede operar en un modo opcional llamado

supertrama (superframes).


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Figura 3.9: Estructura de Supertrama

El formato de una supertrama es definido por el coordinador de red. La

supertrama esta limitada por el beacon (gua de red), que es enviado por el

coordinador y esta dividido en 16 time slotso intervalos de tiempo de igual duracin.

El beaconde trama es transmitido en el primer time slotde cada supertrama. Si un

coordinador no desea usar la estructura de supertrama, puede deshabilitar la

transmisin de beacons. Los beacons son usados para sincronizar los dispositivos

vinculados, para identificar la PAN y para describir la estructura de las supertramas.

La supertrama puede tener un periodo activo y un periodo inactivo. Durante

el periodo inactivo el coordinador puede no interactuar con su PAN y entrar en un

modo de bajo consumo de energa.

Para aplicaciones de bajo retardo que requieran un ancho de banda especfico

o para que en caso de haber mucho trfico ciertos dispositivos tengan siempre

prioridad para lograr mnima latencia, el coordinador PAN puede dedicar partes de

una trama activa para esas aplicaciones. Esas porciones son llamadas Intervalos de

Tiempo Garantizados (Guaranteed Time Slots: GTS).

El GTS forma el periodo libre de contencin (CFP), el cual siempre aparece

al final de una supertrama activa, inmediatamente luego del Periodo de Contencin

de acceso (Contention Access Period: CAP), que esta despus de un beacon. El

coordinador PAN puede asignar hasta siete GTS, y un GTS puede ocupar ms de un

periodo o time slot. Sin embargo una pequea porcin del CAP puede sobrar para el

acceso de nuevos dispositivos que deseen unirse a la red. Todas las transaccionesbasadas en contencin de acceso deben completarse antes que el CFP comience.


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Tambin cada dispositivo transmitiendo en un GTS debe asegurarse que su

transaccin se completo antes del que ocurra el prximo GTS o el fin de el CFP

Figura 3.10: Estructura de una Supertrama con GTS

3.1.7 Modelo de Transferencia de datos.

Existen tres modelos de transferencia de datos. El primero es la transferencia

de datos desde un dispositivo a un coordinador. El segundo es la transferencia de

datos desde un coordinador, el dispositivo de red es el que recibe los datos. El tercer

modelo es la transferencia de datos entre 2 dispositivos iguales (peer to peer). En la

topologa estrella solo dos de esas transacciones son usadas, porque los datos solo

pueden ser intercambiados entre el coordinador y un dispositivo. En la topologa

igual a igual los datos pueden ser intercambiados entre dos dispositivos de la red, en

consecuencia las tres transacciones pueden ser usadas en esta topologa.

El mecanismo de cada tipo de transmisin depende si la red soporta la

transmisin de beacons. Una red con habilitacin de beaconses usada para soportar

dispositivos con bajo retardo, tales como perifricos de PC. Si la red no necesita

soportar a tales dispositivos, se puede elegir una transmisin normal y no usar

beacons. Sin embargo el beacones requerido para la asociacin de la red.


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3.1.7.1 Transferencia de datos a un Coordinador.

Cuando un dispositivo desea transferir datos a un coordinador en una red que

tiene habilitado la transmisin de beacons, este primero espera el beacon de red.

Cuando el beacones encontrado, el dispositivo se sincroniza con la estructura de la

supertrama. En el momento adecuado, el dispositivo transmite la trama de datos

usando CSMA-CA ranurado, al coordinador. El coordinador notifica la recepcin

exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmacin. De esta manera se

completa la transmisin.

Figura 3.11: Comunicacin a un coordinador en una red con beacons habilitados

Cuando un dispositivo quiere transferir datos en una red sin habilitacin de

beacon, simplemente transmite su trama de datos usando CSMA-CA no ranurado al

coordinador. El coordinador notifica la recepcin exitosa de los datos, transmitiendo

una trama de confirmacin, de esta manera se completa la transmisin.

Figura 3.12: Comunicacin a un coordinador en una red sin beacons


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3.1.7.2 Transferencia de datos desde un Coordinador

Cuando el coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red con

habilitacin de beacons,este indica en el beaconde red que el mensaje de datos esta

pendiente. El dispositivo peridicamente espera el beacon de red y si un mensaje esta

pendiente, transmite un comando MAC pidiendo datos, usando CSMA-CA ranurado.

El coordinador confirma la recepcin exitosa del pedido de datos transmitiendo una

trama opcional de confirmacin. La trama pendiente de datos es enviada luego

usando CSMA-CA ranurado. El dispositivo confirma la recepcin exitosa de los

datos, transmitiendo una trama de confirmacin. La transaccin se completa. Una

vez que la confirmacin es recibida, el mensaje es removido de la lista de mensajes

pendientes en el beacon.

Figura 3.13: Comunicacin desde un coordinador en una red con beacon habilitado

Cuando un coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red sinbeacons, este guarda los datos para el dispositivo apropiado para hacer contacto y

pedir informacin. Un dispositivo puede hacer contacto transmitiendo un comando

MAC pidiendo datos, usando CSMA-CA no ranurado. El coordinador confirma la

recepcin exitosa del requerimiento de datos transmitiendo una trama de

confirmacin. Si hay datos pendientes, el coordinador transmite la trama de datos,

usando CSMA-CA no ranurado, al dispositivo. Si no hay datos pendientes, el

coordinador transmite una trama de datos de longitud cero, para indicar que no hay


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datos pendientes. El dispositivo confirma la recepcin exitosa de los datos

transmitiendo una trama de confirmacin. La transaccin se completa.

Figura 3.14: Comunicacin desde un coordinador en una red sin beacons

3.1.7.3 Transferencia de datos igual a igual

En una PAN igual a igual, cada dispositivo puede comunicarse con todos los

otros dispositivos en su campo de influencia. Para hacer esto efectivo, el dispositivo

que desea comunicarse debe estar sincronizado constantemente con los otros

dispositivos. En este caso el dispositivo puede simplemente transmitir sus datos

usando CSMA-CA no ranurado. En otros casos se deben tomar otras medidas paralograr la sincronizacin.

3.1.8 Mecanismos de Robustez.

Una WPAN de baja transmisin de datos (LR-WPAN), emplea tres

mecanismos de robustez para asegurar la transmisin de datos: mecanismo de acceso

CSMA-CA, confirmacin de tramas, y verificacin de datos.

3.1.8.1 Mecanismo CSMA-CA

Dependiendo de la configuracin de red, una WPAN puede utilizar uno de los

dos mecanismos de acceso a canales.


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En una red sin habilitacin debeaconsse usa CSMA-CA no ranurado. Cada

vez que un dispositivo quiere transmitir tramas de datos o comandos MAC, este debe

esperar un tiempo aleatorio. Si el canal se encuentra libre, luego de la espera el

dispositivo puede transmitir los datos. Si el canal se encuentra ocupado, luego de la

espera, el dispositivo debe esperar otro periodo aleatorio antes de intentar acceder al

canal nuevamente.

Para redes con habilitacin de beaconsse usa el acceso al canal CSMA-CA

ranurado, en donde los intervalos (slots) de espera son alineados con el inicio de la

transmisin de un beacon. Cada vez que un dispositivo desea transmitir tramas de

datos durante el CAP, este debe encontrar el lmite de el prximo slot de espera y

luego esperar un nmero aleatorio de slots de espera. Si el canal esta ocupado,

seguido del tiempo de espera aleatorio, el dispositivo debe esperar otro nmero

aleatorio de slotsde espera antes de intentar acceder al canal nuevamente, si el canal

est libre, el dispositivo puede empezar a transmitir en el lmite el prximo slot de

espera disponible.

3.1.8.2 Confirmacin de tramasUna recepcin y validacin exitosa de tramas de datos o comandos MAC,

puede ser opcionalmente confirmada con una trama de confirmacin (ACK). Si el

dispositivo receptor no puede recibir la trama de datos por alguna razn, el mensaje

ACK no es enviado.

Si el emisor no recibe una confirmacin luego de algn tiempo, asume que latransmisin no se realizo y realiza una nueva transmisin de la trama. Si la

confirmacin an no es recibida luego de varios intentos, el emisor puede optar por

terminar el enlace o intentar nuevamente. Cuando la confirmacin no es necesaria, el

emisor asume que la transmisin fue exitosa.


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3.1.8.3 Verificacin de datos

Con el fin de detectar errores de bits, se emplea un mecanismo de FCS

(Frame Check Sequence: Cheqeo de Secuencia de Trama). El nmero de secuencia

en la cabecera MAC compara la trama de confirmacin con la transmisin previa. La

transmisin se considera exitosa solo cuando la trama de confirmacin contiene el

mismo nmero de secuencia que la trama anterior trasmitida. La FCS ayuda a

verificar la integridad de las tramas del MAC. La FCS en una trama MAC IEEE

802.15.4 es de 16 bits calculados con el cdigo de redundancia cclica CRC estndar

de la ITU-T. (Unin Internacional de Telecomunicaciones Sector de

Estandarizacin de Telecomunicaciones) y es usado para detectar errores de bits para

proteger cada trama.

3.1.9 Seguridad

Auque el rango diverso de aplicaciones de esta norma impone varias

restricciones para aplicar una seguridad ms alta, se definen parmetros bsicos de

seguridad implementados en la subcapa MAC para garantizar el buenfuncionamiento y la interoperabilidad de dispositivos. Esta lnea base incluye la

habilidad para mantener una lista de control de acceso (ACL) y usar criptografa

simtrica para proteger las tramas transmitidas. Sin embargo estos parmetros de

seguridad no necesariamente sern aplicados en todos los dispositivos y en todo

momento. Las capas superiores sern las que determinen cuando implementar la

seguridad en la subcapa MAC.

3.1.9.1 Servicios de Seguridad

Este estndar posee un mecanismo de seguridad de clave simtrica, que

consiste en usar claves dadas por procesos de capas superiores. La administracin y

establecimiento de esas claves es responsabilidad del desarrollador. El proveedor de

esos mecanismos asume que las claves son generadas, transmitidas y almacenadas en

un modo seguro.


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3.1.9.1.1 Control de Acceso

El control de acceso es un servicio de seguridad que brinda la capacidad a un

dispositivo de seleccionar otros dispositivos con los cuales puede comunicarse. Un

dispositivo mantiene una lista los dispositivos con los cuales puede esperar tramas de

datos.

3.1.9.1.2 Encriptacin de Datos

En este estndar la encriptacin de datos es un servicio de seguridad que usa

una cifra simtrica para proteger los datos de ser ledos por otros dispositivos. Los

datos pueden ser encriptados usando una clave compartida por un grupo de

dispositivos o usando una clave compartida entre dos pares. La encriptacin puede

ser de la trama de datos, de beacon, o de comandos.

3.1.9.1.3 Integridad de tramas

Este servicio de seguridad utiliza Codigos de Integridad de Mensajes (MIC),

para proteger datos que no tienen clave criptogrfica. La integridad puede ser dada a

tramas de datos, beaconsy comandos. La clave usada para dar integridad de trama

puede ser compartida por un grupo de dispositivos o entre dos pares.

3.1.9.1.4 Refresco Secuencial

Es un servicio de seguridad que usa una secuencia ordenada de entradas para

rechazar tramas que han sido reemplazadas por otras. Cuando una trama es recibida

el valor de refrescamiento es comparado para ver si es la esperada.

3.1.9.2 Modos de Seguridad

Dependiendo del modo en el cual el dispositivo trabaje y el nivel de

seguridad deseado, la subcapa MAC puede ofrecer diferentes servicios de seguridad


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3.1.9.2.1 Modo Inseguro

Debido a que no se usa seguridad, no existen servicios de seguridad de

ningn tipo operando en los dispositivos de la red

3.1.9.2.2 Modo ACL

Los dispositivos que operan en este modo, proveen servicios de seguridad

limitada para la comunicacin con otros dispositivos. En este modo las capas

superiores pueden elegir las tramas que se rechazarn basadas en si la subcapa MAC

indica si la trama pertenece a un dispositivo aceptado. Debido a que la proteccin

criptogrfica no esta soportado en la subcapa MAC en este modo, las capas

superiores deben implementar otros mecanismos para garantizar la identidad de los

dispositivos.

3.1.9.2.3 Modo Seguro

Los dispositivos que operan en modo seguro pueden proveer de cualquiera de

los servicios de seguridad descritos anteriormente. Los servicios ofrecidos dependen

de la configuracin de seguridad usada. Los servicios que se pueden ofrecer en el

modo seguro son:

Control de Acceso

Encriptacin de Datos Integridad de Trama Refrescamiento Secuencial

3.1.10 Capa Fsica

El IEEE 802.15.4 ofrece dos opciones de capa fsica PHY, que se combinan

con el MAC para permitir un amplio rango de aplicaciones en red. Ambas PHYs se

basan en mtodos de secuencia directa de espectro expandido (DSSS) que resultan en


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bajos costos de implementacin digital en Circuitos Integrados, y ambas comparten

la misma estructura bsica de paquetes low-duty-cycle(Bajo Ciclo de Ocupacion)

con operaciones de bajo consumo de energa. La principal diferencia entre ambas

PHYs radica en la banda de frecuencias.

La PHY de los 2.4 GHz, especifica operacin en la banda industrial, mdica y

cientfica (ISM), que prcticamente est disponible a nivel mundial, mientras que la

PHY de los 868/915 MHz especifica operaciones en la banda de 865 MHz en Europa

y 915 MHz en la banda ISM en Estados Unidos.

La disponibilidad internacional de la banda de los 2.4 GHz ofrece ventajas en

trminos de mercados ms amplios y costos de manufactura ms bajos. Por otro lado

las bandas de 868 MHz y 915 MHz ofrecen una alternativa a la cogestin creciente y

dems interferencias (redes WLAN, hornos de microondas, telfonos inalmbricos

etc.) asociadas a la banda de 2.4 GHz y mayores rangos por enlace debido a que

existen menores prdidas de propagacin.

Existe una segunda distincin de las caractersticas de la PHY es el rango detransmisin. La PHY de 2.4 GHz permite un rango de transmisin de 250 kb/s,

mientras que la PHY de los 868/915 MHz ofrece rangos de transmisin de 20 kb/s y

40 kb/s respectivamente. Este rango superior de transmisin en la PHY de los 2.4

GHz se atribuye principalmente a un mayor orden en la modulacin, en la cual cada

smbolo representa mltiples bits.

Los diferentes rangos de transmisin se pueden explotar para lograr unavariedad de objetivos o aplicaciones. Por ejemplo la baja densidad de datos en la

PHY de los 868/915 MHz se puede ocupar para lograr mayor sensitividad y mayores

reas de cobertura, con lo que se reduce el nmero de nodos requeridos para cubrir

un rea geogrfica grande, mientras que el rango superior de transmisin en la PHY

de los 2.4 GHz se puede utilizar para conseguir salidas superiores y de poca latencia.

Se espera que en cada PHY se encuentren aplicaciones adecuadas a ellas y a sus

rangos de transmisin.


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La capa fsica tiene 2 primitivas de servicio:

PHY Data Service: Servicios de Datos de Capa Fsica

o PD-DATA Intercambia paquetes entre la capa MAC y PHY.

PHY Management Service: Manejo de Servicios de Capa Fsica

o PLME-CCA Limpia el canal.o PLME-ED Deteccin de energa.o PLME-GET / -SET Setea y recupera parmetros.o PLME-TRX-ENABLE Habilita y desabilita el transmisor.

Algunas caractersticas globales de la capa fsica son el control del

transceptor radio, calidad del enlace (LQI), seleccin de canal, detector de

energa(ED), deteccin de portadora (CCA) para su uso en CSMA-CA a nivel MAC,

etc.

3.1.11 Estructura de paquete de Capa Fsica (PHY).

Para mantener una interfase comn con la MAC, ambas capas PHYs

comparten una sola estructura de paquete.

Figura 3.15: Estructura de paquete de Capa Fsica


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Cada paquete o Unidad de Datos de Protocolo de capa fsica PHY (PPDU),

empieza con un encabezado de sincronizacin (SHR, Synchronization HeadeR),

seguido de un encabezado de capa fsica para indicar la longitud del paquete (PHR,

Phy HeadeR), y seguidamente la capa fsica de la unidad de servicio de datos

(PSDU, Phy Service Data Unit, PSDU).

El prembulo, de 32 bits, esta diseado para la adquisicin de smbolos y

tiempos de chip, y en algunos casos se utiliza para ajustes bruscos en la frecuencia.

No se requiere una ecualizacin en el canal de la capa fsica debido a la combinacin

de pequeas reas de cobertura con rangos de transmisin bajos. Tpicamente el

retardo RMS (Root Mean Square: Valor Medio Cuadrtico) de propagacin en casas

residenciales es de 25 ns, que corresponde nicamente al 2.5 % del periodo del

espectro extendido utilizado el estndar IEEE 802.15.4 2

Dentro del encabezado de la capa fsica, se utilizan 7 bits para especificar la

longitud de la carga de datos (en bytes). La longitud de paquetes va de 0 a 127 bytes.

El tamao tpico de los paquetes para la mayora de las aplicaciones domticas, tales

como el monitoreo y control de dispositivos de seguridad, iluminacin, aireacondicionado, y otras aplicaciones va de 30 a 60 bytes, mientras que las

aplicaciones como juegos interactivos y perifricos de PC, requerirn paquetes ms

largos. La duracin mxima de paquetes es de 4.25 ms para la banda de 2.4 GHz, y

de 26.6 ms para la banda de 915 MHz, y de 53.2 ms para la banda de 868 MHz.

3.1.12 Canalizacin.

En el IEEE 802.15.4 se definen 27 canales de frecuencia entre las tres bandas.

La PHY de los 868/915 MHz soporta un solo canal entre los 868 y los 868.6 MHz , y

diez canales entre los 902.0 y 928.0 MHz. Debido al soporte regional de esas dos

bandas de frecuencias, es muy improbable que una sola red utilice los 11 canales. Sin

embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en frecuencia que

se puede utilizar el mismo hardware para ambos y as reducir costos de manufactura.

2J. MacLellan, S. Lam, and X. Lee, Residential Indoor RF ChannelCharacterization, 43rd IEEE VTC, 1993, pp. 21013.


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Figura 3.16: Estructura de Canales

La PHY de los 2.4 GHz soporta 16 canales de 2 MHz entre los 2.4 y los2.4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) y esto con el objetivo de

facilitar los requerimientos de filtrado en la transmisin y en la recepcin.

Figura 3.17: Canalizacin en la banda de 2.4 GHz

En la tabla 3.2, se indica la frecuencia central de cada uno de los 26 canales

Tabla 3.2: Frecuencia Central de canal

Dado que el hogar es propenso a tener mltiples redes inalmbricas

trabajando en las mismas bandas de frecuencias, as como una interferencia no

intencionada de las diferentes aplicaciones, la capacidad de relocalizacin dentro del

espectro ser un factor importante en el xito de las redes inalmbricas dentro delhogar.

Nmero de Canales Frecuencia central del Canal (MHz)

k = 0 868.3

k = 1, 2, ... 10 906 + 2 (k 1)

k = 11, 12, ...26 2405 + 5 (k 11)


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El estndar fue diseado para implementar una seleccin dinmica de

canales, a travs de una seleccin especfica de algoritmos la cual es responsabilidad

de la capa de red. La capa MAC incluye funciones de bsqueda que sigue paso a

paso a travs de una lista de canales permitidos en busca de una seal de gua,

mientras que la PHY contiene varias funciones de bajo nivel, tales como la deteccin

de los niveles de energa recibidos, indicadores de calidad en el enlace as como de

conmutacin de canales, lo que permite asignacin de canales y agilidad en la

seleccin de frecuencias. Esas funciones son utilizadas por la red para establecer su

canal inicial de operacin y para cambiar canales en respuesta a una pausa muy

prolongada.

3.1.13 Modulacin.

La PHY en los 868/915 MHz utiliza una aproximacin simple DSSS (Direct

Sequence Spread Spectrum: Espectro Expandido de Secuencia Directa) en la cual

cada bit transmitido se representa por un chip de mxima longitud de secuencia

(secuencia m). Los datos binarios son codificados al multiplicar cada secuencia m

por +1 o -1, y la secuencia de chip que resulta se modula dentro de la portadorautilizando BPSK (Binary Phase Shift Keying: Transmisin por Desplazamiento

Binario de Fase). Antes de la modulacin se utiliza una codificacin de datos

diferencial para permitir una recepcin diferencial coherente de baja complejidad.


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PHY. Banda.

Parmetros de los Datos Parmetros del chip

Velocida

d de bits

(kbps)

Velocidad

de smbolos

(kbaud)

Modulacin

Velocidad

de chip

(Mchips/s)

Modulacin

868/915

MHz

868.0-

868.6

MHz

20 20 BPSK 0,3 BPSK

902.0-928

MHz40 40 BPSK 0,6 BPSK

2.4

GHz

PHY

2.4-4.4835GHz.

250. 62.5 16-aryortogonal.

2 O-QPSK

Tabla 3.3: Parmetros de Modulacin

La capa fsica de 2.4 GHz emplea una tcnica de modulacin semi-ortogonal

basada en mtodos de DSSS. Los datos binarios son agrupados en smbolos de 4 bits,

y cada smbolo especifica una de las 16 secuencias de transmisin semi-ortogonales

de cdigo de seudo-ruido (PN). El uso de smbolos casi ortogonales simplifica laimplementacin a cambio de un desempeo ligeramente menor. Los parmetros de

modulacin para ambas capas fsicas se resumen en la tabla 3.3.

3.1.14 Sensitividad y Rango.

Las especificaciones actuales de sensitividad del IEEE 802.15.4 especifican -

85 dBm para capa fsica de 2.4 GHz y de -92 dBm para la capa fsica de 868-915MHz. Dichos valores incluyen suficiente margen para las tolerancias que se

requieren debido a las imperfecciones en la manufactura de la misma manera que

permite implementar aplicaciones de bajo costo. En cada caso, los mejores artculos

deben de ser del orden de 10 dB mejores que las especificaciones.

Naturalmente el rango deseado estar en funcin de la sensitividad del

receptor as como de la potencia del transmisor. El estndar especifica que cada

dispositivo debe de ser capaz de transmitir al menos 1 mW, pero dependiendo de las


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necesidades de la aplicacin, la potencia de transmisin puede ser mayor o menor, la

potencia actual de transmisin puede ser menor o mayor pero dentro de los lmites de

regulacin establecidos.

Los dispositivos tpicos (1mW) se espera que cubran un rango de entre 10-20

m; sin embargo, con una buena sensitividad y un incremento moderado en la

potencia de transmisin, una red con topologa tipo estrella puede proporcionar una

cobertura total para una casa. Para aplicaciones que requieran mayor tiempo de

latencia, la topologa tipo malla (mesh) ofrecen una alternativa atractiva con

coberturas caseras dado que cada dispositivo solo necesita suficiente energa para

comunicarse con su vecino ms cercano.

3.1.15 Interferencia con otros dispositivos.

Los dispositivos que operan en la banda de los 2.4 GHz pueden recibir

interferencia causada por otros servicios que operan en dicha banda. Esta situacin es

aceptable en las aplicaciones que utilizan el estndar IEEE 802.15.4, las cuales

requieren una baja calidad de servicio (QoS), no requieren comunicacin asncrona,y se espera que realice varios intentos para completar la transmisin de paquetes.

3.2. Zigbee

3.2.1. El estndar Zigbee

El estndar toma su nombre inspirndose en un panal de abejas, en el culorganismos individuales trabajan juntos para realizar tareas complejas. Traducido al

espaol Zigbee significa Zumbido de Abejas.

Figura 3.18: Logotipo de la Alianza Zigbee


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La Alianza Zigbee es un consorcio de empresas fabricantes de

semiconductores, proveedores de tecnologa, fabricantes de equipos originales

(OEMs) y usuarios finales, que han desarrollado una norma comn para la gestin de

redes inalmbricas de sensores y automatizacin. La alianza tiene alrededor de 150

miembros, incluyendo ocho fabricantes (Ember, Freescale, Honeywell, Invensys,

Mitsubishi, Motorola, Philips, y Samsung).

Mientras otros estndares inalmbricos se interesan en manejar gran cantidad

de datos y ancho de banda, Zigbee esta diseado para dispositivos que tienen

necesidades de procesamiento ms bajas. Otros factores de importancia son: bajo

costo, alta fiabilidad, seguridad, bajo consumo de energa, simplicidad e

interoperabilidad con otros dispositivos Zigbee de diferentes empresas.

Luego de 2 aos de investigacin y pruebas de interoperabilidad realizadas

por ms de 100 de los miembros de la alianza Zigbee, el estndar fue aprobado en el

ao 2004. Las caractersticas principales de la especificacin fueron: rango tpico de

alcance de 50 metros, protocolo simple y abierto, direccionamiento IEEE de 16 y 64

bits, soporte para ms de 65 536 nodos por red y optimizacin para aplicaciones deduty-cyclebajo. Es tambin una tecnologa de auto organizacin y auto reparacin.

Lo que hace que las redes Zigbee sean plug and play (conectar y funcionar). No

necesitan ser configuradas por el usuario y pueden adaptarse a los cambios de la red

automticamente.

3.2.2. Arquitectura

Cuando los ingenieros empezaron a trabajar en 1998, Zigbee estaba dirigido

hacia la automatizacin y aplicaciones de telecontrol., fue creado dirigido a las

necesidades de un mercado que buscaba aplicaciones industriales diferentes a las

ofrecidas por tecnologas propietarias. Por separado el comit IEEE 802.15.4

trabajaba en un estndar de baja tasa de datos. La Alianza Zigbee y la IEEE

decidieron unir fuerzas y Zigbee se convirti en el nombre comercial para la

tecnologa LR-WPAN.


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La sociedad consista en que la tecnologa Zigbee esta construida en las capas

Fsica y la capa de control de Acceso al Medio (MAC) que estn definidas por la

IEEE 802.15.4. El estndar IEEE define el hardware fsico y la capa de Control de

Acceso al Medio de la red, mientras que la alianza Zigbee define las capas

superiores.

La alianza Zigbee ha aadido las especificaciones de las capas de red (NWK)

y de aplicacin (APL) para completar lo que se llama la pila o stackZigBee.

Figura 3.19: Arquitectura Zigbee

El hecho que Zigbee maneja la parte alta del estndar IEEE 802.15.4 significa

que Zigbee puede tomar muchas ventajas de las cualidades del estndar IEEE

802.15.4, pero tambin sufre sus limitaciones, por ejemplo la baja tasa de

transmisin de datos.

Comparado con otros estndares inalmbricos el stack de Zigbee es pequeo.

Para dispositivos de puente de red con capacidad limitada, el stack requiere cerca de

4Kb de memoria. La implementacin completa de la pila de protocolo requiere

menos de 32 Kb de memoria. El coordinador de red requiere memoria RAM extra

para una base de datos de dispositivos nodo, tablas de transaccin y para tablas de

emparejamiento.


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Figura 3.20: Stack Zigbee

El estndar 802.15.4 define 26 primitivas par las capas fsica y MAC. Estos

datos son modestos en comparacin con las 131 primitivas definidas para Bluetooth.

De esta forma un Circuito Impreso compacto permite utilizar Zigbee con un

microcontrolador sencillo de 8 bits.

3.2.2.1. Capa de Red

La capa de red (NWK) tiene tres objetivos principales; asociacin o

disociacin de los dispositivos usando el coordinador de red, implementacin de

seguridad y encaminamiento de tramas a su destino. Adems la capa de red del

coordinador de red es responsable de iniciar una nueva red y asignar una direccin

los dispositivos nuevos asociados.

La capa de Red NWK soporta mltiples topologas de red incluyendo estrella,

rbol y malla, que son ilustradas en la figura 3.21.

Figura 3.21: Topologa de Red Zigbee


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En la topologa estrella uno de los dispositivos FFD asume el papel de

coordinador de red. Es responsable de iniciar y mantener los dispositivos en la red.

Todos los otros dispositivos que son conocidos como puntos de red (end devices), se

comunican directamente con el coordinador.

Una red de tipo malla permite continuas conexiones y reconfiguraciones,

saltando de un nodo a otro hasta que una conexin pueda ser establecida. Las redes

tipo malla se auto restablecen, esto quiere decir que la red puede seguir operando aun

cuando un nodo se dae o la conexin sea mala. Como resultado se ha formado una

red muy confiable.

Para WPANs que soportan guas (beacons), la sincronizacin es ejecutada

recibiendo y decodificando tramas gua (beacon frames). Para WPANs que no

soportan guas la sincronizacin se realiza preguntando al coordinador por datos. Las

guas o beaconsson usadas principalmente para reducir el consumo de energa del

sistema, simplemente dice a los dispositivos cuando comunicarse entre si.

3.2.2.2. Capa de Aplicacin

La capa de aplicacin consiste en: La capa de soporte de Aplicacin (APS), el

dispositivo objeto Zigbee (ZDO) y los objetos de aplicacin definidos por el

fabricante.

El APS es responsable de mantener tablas para ligar y enviar mensajes entre

dispositivos asociados. Es encargado del procesoBinding (Ligar), que es la habilidad

de unir dos dispositivos basados en sus servicios y sus necesidades. La capa es

tambin responsable de descubrir otros dispositivos que operan en el rea local.

EL ZDO define la funcin del dispositivo en la red zigbee (Coordinador de

red, dispositivo de red). El dispositivo objeto zigbee es tambin responsable de

iniciar y responder peticiones de unin a una red.


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Los objetos de aplicacin son definidos por el fabricante que implementa la

aplicacin. La pila de protocolo de zigbee soporta arriba de 30 distintas aplicaciones

implementadas al mismo tiempo.

3.2.3. El Dispositivo Zigbee

Un dispositivo tpico ZigBee consta de:

Mdulo de Sensores: posee los sensores o los actuadores que sernmanejados por las E/S del microcontrolador

Mdulo de Control: formado por un microcontrolador, encargado decontrolar todas las funciones del dispositivo

Mdulo de Comunicaciones: formado por un transceiverde RF, querealiza las emisiones y recibe informacin.

Mdulo de Potencia: contiene la Fuente de Energa.

Figura 3.22: Diagrama de bloques de un Dispositivo Zigbee

El tpico dispositivo ZigBee incluye una parte con un circuito integrado de

radio frecuencia (RF IC) con una pequea parte de capa fsica (PHY), elmicrocontrolador de 8-bits se encarga del procesamiento y de la conexin con

Mdulo de Control

Sistema Operativo.Configuracin de Red.Procesamiento de seales.Contro de Energa.

Mdulo de Comunicaciones 2,4 Ghz,250 kbps.915 Mhz, 40 kbps.868 Mhz, 20 kbps.

Mdulo de Potencia

Baterias o pilas.

Mdulo de Sensores y Actuadores

HumedadTemperaturaAplicacin Especifica.


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perifricos que pueden ser sensores o actuadores, la fuente de energa, la cual puede

ser bateras, celdas solares o incluso conectarse a la red de energa elctrica. La pila

de protocolos y aplicaciones est implementada en un chip de memoria flash.

Figura 3.23: Dispositivos Zigbee

Varios fabricantes de CI tales como Motorola, Microchip, Atmel entre otros

ya ofrecen un grupo de microcontroladores para ZigBee. Chipcon desarrolla

dispositivos transceiverque trabajan en la banda de 2.4Ghz.

3.2.4. Consumo de Energa

ZigBee se ha diseado con la idea del bajo consumo de energa. Hay

muchas caractersticas que ayudan ha reducir el consumo de poder. Primero esta la

tasa de datos. En contraste a WI-FI y Bluetooth, ZigBee no estar enviando e-mails,

documentos grandes y audio.

Lecturas de sensores tienen tpicamente unas pocas decenas de bytes, no

requieren un ancho de banda alto y el ancho de banda bajo de ZigBee lo ayuda a

lograr las metas de bajo consumo de energa, bajo costo, y robustez. Debido a los

requerimientos de las aplicaciones de Zigbee de bajo ancho de banda, un nodo

ZigBee duerme la mayora del tiempo ahorrando la energa de la batera, se despierta

y enva los datos rpidamente, y regresa a dormir de nuevamente.


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Incluso los nodos en stand-by pueden lograr una latencia adecuadamente

baja, porque ZigBee puede pasar del modo inactivo al modo activo en 15 mseg o

menos. En contraste, con los retrasos de wake-up para Bluetooth que estn

tpicamente alrededor de tres segundos. Una gran parte del ahorro de energa de

ZigBee viene de la tecnologa de radio de 802.15.4, qu se dise para bajo

consumo de energa. Por ejemplo 802.15.4 usa la tecnologa DSSS porque la

alternativa FHSS que usa Bluetooth, habra usado demasiada energa simplemente

manteniendo sus saltos de frecuencia sincronizados.

Para ahorrar tanta energa como sea posible, ZigBee puede emplear una

estrategia de comunicacin hablar cundo este lista, simplemente enviando los

datos cuando se tenga datos listos para enviar y luego esperar una confirmacin

(ACK) automtico. Si no consigue un ACK, significa que se perdieron los datos, as

que se enva el paquete de nuevo. Sin embargo, esto no siempre es verdad. En una

red de miles de sensores diminutos los nmeros grandes de colisiones de paquetes y

retransmisiones podran gastar energa y podran significativamente acortar la vida

de la batera del nodo sensor.

ZigBee ahorra an ms energa reduciendo la necesidad por el proceso deasociacin Los procesadores de 8 bits pueden ocuparse fcilmente de quehaceres de

ZigBee pues las pilas de protocolo de ZigBee ocupan menos memoria. Una pila de

FFD, como se menciono, necesita aproximadamente 32 Kb, y una pila de RFD

necesita slo aproximadamente 4 Kb, que comparados con los 250 Kb que necesita

bluetooth, la convierten en una tecnologa de bajo consumo.

Voltaje de alimentacin 3.3/1.8 V

Consumo de corriente del receptor. 20 mA

Estado inactivo 1 A

Consumo de corriente del transmisor. 17.4 mA

Tabla 3.4. Caractersticas deltransceiverde Chipcon CC2420.


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3.2.5. Costo

El bajo costo de ZigBee se debe a sus aplicaciones relativamente simples. Los

RFDs reducen el costo de componentes ZigBee pues omiten memoria y otra

circuitera, adems el uso de procesadores de 8 bits simples y pilas de protocolo

sencillas ayudan a que los costos del sistema sean bajos.

A menudo, el procesador principal de una aplicacin puede llevar la carga

adicional del procesamiento de ZigBee por su sencillez, haciendo que un procesador

separado para ZigBee sea innecesario

Una chip sencillo transceiver de 2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee, Chipcon

CC2420, cuesta 3.98 USD por unidad

3.2.6. Perspectivas de Zigbee

Expertos prevn un futuro brillante para ZigBee. Est claro que un gran nicho

de mercado tienen Zigbee y LR-WPAN en la automatizacin del hogar y elmonitoreo industrial.

Estn investigndose actualmente nuevas maneras de usar ZigBee, por

ejemplo el primer telfono mvil en usar ZigBee esta siendo producido, y por algn

tiempo ms veremos muchos perfiles de ZigBee. Sin embargo, es importante tener

cuidado con tales predicciones, tecnologas similares con previsiones luminosas han

cado y se han quemado antes.

El futuro de ZigBee todava es incierto, pues todava no tiene impacto en el

mercado, pero con el apoyo masivo de los miembros de la Alianza tiene mucha

oportunidad


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3.3. Aplicaciones de Zigbee

3.3.1. Introduccin

Bsicamente Zigbee tiene su principal aplicacin cuando sus nodos se unen

para trabajar juntos y formar lo que se denomina Red de Sensores. El estndar

Zigee se ha hecho a medida para la monitorizacin y para aplicaciones de control.

Por lo tanto, los mercados como la automatizacin de edificios (Inmtica) y hogares

(Domtica), la atencin mdica, control industrial, control de iluminacin y control

comercial, son los principales campos de aplicacin.

Figura 3.24: Aplicaciones definidas por la Alianza Zigbee

3.3.2. Red de Sensores

Las redes de sensores estn formadas por un grupo de sensores con ciertas

capacidades sensitivas y de comunicacin los cuales permiten formar redes

inalmbricas Ad-Hoc sin infraestructura fsica preestablecida ni administracin

central.

Una red de sensores es un concepto relativamente nuevo en adquisicin y

tratamiento de datos con mltiples aplicaciones en distintos campos tales como

entornos industriales, domtica, entornos militares, deteccin ambiental, etc.


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Esta clase de redes se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser

autoconfigurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor,

ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visin directa, as como

registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra de sus

caractersticas es su gestin eficiente de la energa, que con ello conseguimos una

alta tasa de autonoma que las hacen plenamente operativas.

Cada nodo, como ente individual de una red de sensores, no deja de ser una

pequea computadora, con un pequeo procesador, una memoria de programa y una

memoria para almacenar variables, pero al que tambin se agrega unos pequeos

perifricos I/O (entrada/salida) tales como un transceptor radio y un pequeo

conversor A/D (Analgico/Digital) que sirve para adquisicin de los datos de los

sensores locales.

Figura 3.25: Arquitectura de un nodo de una Red de Sensores

3.3.3. Automatizacin de Edificios y Hogares (Inmtica y Domtica)

Zigbee ofrece seguridad, alarmas (humo, CO2, intrusos), control de aire

acondicionado, lectura de contadores de agua, gas, electricidad, control de


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iluminacin, control de accesos, control de riego, control de toldos y persianas,

control de electrodomsticos.

Figura 3.26: Aplicacin de Zigbee en Domtica

3.3.4. Control Industrial

Dentro del campo industrial Zigbee es aplicado para:

Control de procesos Sensores de temperatura, presin, y otros Control y asistencia remota Monitoreo Ambiental

Figura 3.27: Aplicacin de Zigbee en Control Industrial

3.3.5. Agricultura y Control Ambiental

Zigbee puede ser utilizado para desarrollar agricultura de precisin. Porejemplo en un rea grande cientos de nodos pueden ser utilizados para que


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transmitan informacin como temperatura, niveles de luz y humedad del terreno,

para que sea analizada en un centro de procesamiento.

Figura 3.28: Aplicacin de Zigbee en agricultura

El control ambiental de vastas reas de bosque o de ocanos, sera imposible

sin las redes de sensores. El control de mltiples variables, como temperatura,

humedad, fuego, actividad ssmica as como otras. Tambin ayudan a expertos a

diagnosticar o prevenir un problema o urgencia y adems minimiza el impacto

ambiental de la presencia humana.

3.3.6. Cuidados Mdicos

Para supervisar a pacientes con enfermedades crnicas, tales como diabetes, y

asma, es importante monitorear permanentemente los signos vitales. La cardiologa

es el rea ms prominente de aplicacin del monitoreo de los pacientes a travs de

Electrocardigramas (ECGs), que indican el estado general del corazn del paciente.

Las redes de rea Corporal (Body Area Networks: BAN), son la estructura

bsica para el cuidado de la salud utilizando medios electrnicos.

En la mayora de casos el monitoreo mdico requiere de ms de un sensor

que es conectado al cuerpo humano. Por ejemplo los pacientes con problemas

cardiacos deben tener un monitoreo de la presin sangunea, saturacin de oxigeno

de la sangre, pulsacin cardiaca, temperatura, peso, etc.


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Actualmente la tecnologa de monitoreo requiere que el paciente utiliza una

serie de cables para adquirir y procesar las seales vitales. Usando la tecnologa de

monitoreo inalmbrico, se pueden prevenir y tratar un gran nmero de enfermedades,

pues pueden ser controladas eficazmente. La tecnologa ms apropiada para esta

aplicacin es la WPAN.

Figura 3.29: Aplicacin de Zigbee en cuidados mdicos

Zigbee se combina con otras tecnologas inalmbricas, para brindar un

monitoreo completo. En la primera etapa se forma la red WBAN utilizando zigbee,

los datos de cada uno de los sensores son enviados a un coordinador de red WBAN,

este coordinador se conecta va GPRS, WLAN o Bluetooth con un servidor local que

se conecta con la red Internet, mediante IP, el mdico tratante, servicios de

emergencia o un fisiatra tendrn la informacin del estado del paciente al instante y

permanentemente, en el caso de emergencias podr enviar un equipo mdico de

ayuda.

3.3.7. Otras Aplicaciones

Debido a su baja velocidad de transmisin de datos y su naturaleza de bajo

consumo, tambin entra en los mercados del control remoto para la electrnica de

consumo y lo que se denomina dispositivos para la interfase humana, como teclados,


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ratones y joysticks. Tambin en el automvil se esperan posibles aplicaciones, como

por ejemplo la monitorizacin del nivel de presin de las ruedas para mejorar la

seguridad del vehculo.

La compaa surcoreana fabricante de telfonos mviles Pantech&Curitel ha

introducido en el mercado el primer telfono mvil en implementar el protocolo

zigbee que puede actuar como sensor dentro de una red zigbee o controlar dicha red.

Puede ser usado en aplicaciones de automatizacin y localizacin.

Figura 3.30: Primer Telfono mvil en implementar zigbee


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Conclusiones y Recomendaciones

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A lo largo de la tesina hemos estudiado los siguientes temas:

Redes de rea Personal Inalmbricas: WPANs El Protocolo Bluetooth El Protocolo Zigbeee

Analizando cada uno de los temas podemos concluir lo siguiente:

El objetivo de las WPANs, es centrarse en aplicaciones que demandan

rangos de comunicacin pequeos, dentro del Espacio de Operacin Personal (POS),

de cada dispositivo. Son una solucin eficiente, rpida y confiable para transmitir

informacin de manera inalmbrica entre dispositivos personales tales como

celulares, PDA, etc.

Las WPANs tiene un futuro prometedor dentro de las aplicaciones diarias,

pues los dispositivos personales mviles tales como telfonos mviles, PDAs,

notebooks, etc. son cada vez ms usados, y la alternativa para la interconexin entre

ellos sin lugar a dudas son las WPANs.

Los dispositivos que forman una WPAN pueden proveer una gran cantidad de

servicios a los usuarios, tales como la automatizacin, monitoreo, servicio, cuidadomdico, etc.

Dentro de las WPANs existen subgrupos de tecnologas, de acuerdo a la

aplicacin que se necesite podremos escoger la adecuada. Por ejemplo si requerimos

aplicaciones multimedia con un ancho de banda elevado podremos utilizar la

tecnologa UWB (Ultra Wide Band), en cambio si requerimos aplicaciones ms

discretas como la transferencia de archivos y voz se podr utilizar la tecnologaBluetooth. Por ltimo en aplicaciones con baja velocidad y ancho de banda se


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utilizar Zigbee. Para estos propsitos se puede utilizar tambin la tecnologa WIFI

(802.11), pero se debe tener en cuenta el consumo de energa y la complejidad del

protocolo.

Para mejorar la interoperabilidad entre equipos la IEEE formo grupos de

trabajo, todos los fabricantes deben seguir el estndar definido para lanzar un

producto al mercado.

El grupo de trabajo IEEE 802.15.1, es el encargado de definir Bluetooth,

que es un estndar inalmbrico de corto alcance para la transmisin de voz y datos.

Soporta la conexin de diversidad de dispositivos. Cubre distancias mximas

entre 10 y 100 metros segn la configuracin de red establecida. Trabaja en la banda

de frecuencia ISM de 2.4 GHz, la ventaja del uso de esta banda es su libre acceso,

pues no se necesitan autorizaciones por parte del ente regulador para su uso. Sin

embargo otras tecnologas tambin hacen uso de esta banda por lo tanto pueden

existir interferencias.

Debido a que basa su comunicacin en radiofrecuencia (RF) su transmisin

es del tipo omni direccional y no requiere de lnea de vista permitiendo

configuraciones como punto - multipunto.

Ya que utiliza FHSS como tcnica de multiplexaje, disminuye el riesgo de

que las comunicaciones sean interceptadas o presenten interferencia con otras

aplicaciones, volvindose mucho ms segura.

Esta tecnologa provee tambin especificaciones para autenticar dispositivos

que intenten conectarse a la red Bluetooth, as como cifrado en el manejo de llaves

para proteger la informacin.

Tambin tiene la caracterstica de formar redes en una topologa donde un

dispositivo hace las veces de maestro y hasta siete ms operando como esclavos. Esta


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configuracin se conoce como piconet. Y un grupo de piconets, no ms de diez, es

referido como Scatter-net.

Presenta un bajo consumo de energa, pero sus bateras deben ser recargadas

permanentemente para mantenerse en funcionamiento.

El grupo de trabajo IEEE 802.15.4, es el encargado de definir las Redes de

rea Personal de baja Tasa de Transmisin (LR-WPAN), comercialmente conocidas

como Zigbee, que es un estndar inalmbrico de corto alcance para la transmisin de

datos de ancho de banda pequeo y bajo consumo de energa.

El objetivo de este grupo de trabajo es proveer un estndar de bajo costo,

complejidad y consumo de energa para obtener bajas tasas de transmisin en

comunicaciones inalmbricas.

Adems cuenta con modos de ahorro de energa con lo que se logra que la

vida de las bateras de dichos dispositivos dure mucho ms tiempo de lo que lo

haran si trabajaran con Bluetooth.

Este estndar es muy sencillo y por lo tanto es ms fcil de implementar, sin

embargo cuenta con menos canales de comunicacin, lo cual no es muy relevante ya

que no siempre se encuentra transmitiendo y los 26 canales son suficientes para

comunicarse apropiadamente.

Utiliza DSSS (Espectro Ensanchado de Secuencia Directa), como mtodo demodulacin de banda ancha, que permite el ahorro de energa, pues comparado con

FHSS que utiliza bluetooth, DSSS no tiene que relizar saltos de sincronizacin de

frecuencia.

Trabaja en tres bandas de frecuencia: 2.4 GHz con 16 canales y una tasa de

datos de 250 kbps, la banda de 868 MHz con un canal y una tasa de transferencia de

20 kbps y la banda de 915 MHz con 10 canales y una tasa de transferencia de 40

kbps.


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La diferencia en las tasas de transmisin en cada una de las bandas se debe al

tipo de modulacin en banda base que cada una utiliza. Se puede optar por cualquiera

de las tres bandas, teniendo en cuenta que la banda de 2.4 GHz, se encuentra saturada

por la utilizacin de otros dispositivos inalmbricos.

Debido a sus caractersticas, Zigbee es adecuado para aplicaciones de

monitoreo y automatizacin.

Finalmente se presenta una tabla comparativa de las principales

caractersticas de los 2 tipos de estndares.

Caracterstica Bluetooth Zigbee

Cobertura Hasta 10 m Hasta 70 m

Duracin de la Bateria Das aos

Complejidad Complejo Simple

Velocidad 1 a 2 Mbps Hasta 250 kbps

Tipo de Datos Audio, Video, Texto Texto

Modulacin FHSS DSSS

Tabla Comparativa de los 2 estndaresFuente: Alianza Zigbee