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LA ESPECIFICACIÓN IEEE 802.15.4[1]
Mg. Ing. Alfredo G. Rivamar
El estándar IEEE 802.15.4 forma parte de un grupo de estándares destinados a reglamentar la realización de WPANs (Wireless Personal Área Networks). Ha sido diseñado de acuerdo al Modelo OSI de abstracción de capas y define fundamentalmente dos de ellas: la capa o nivel físico (PHYsical) y la capa o nivel de enlace de datos (data-link, MAC, Medium Access Control).
En términos generales, IEEE 802.15.4 presenta las características:
· Establece comunicaciones mediante enlaces de RF.
· Permite el uso de broadcast para direccionar varios dispositivos a la vez.
· Confiabilidad: mediante detección de error, acuse de recibo y retransmisiones.
· Implementación simple, requiere relativamente baja potencia de procesamiento y facilita la operación en bajo consumo.
· Transferencia de datos en el rango de 20kbps, 40kbps, 100kbps y
· 250kbps, para la conexión a velocidad baja.
· Topologías: estrella (multipunto) o punto a punto (point to point).
· Asignación de direcciones cortas de 16 bits (para redes de hasta
· 65536 dispositivos), o extendidas de 64 bits (para usar direcciones
IEEE MAC).
· Transferencia de tipo espectro disperso, con asignación opcional de ranuras de tiempo garantizado (GTS, Guaranteed Time Slot). Para cubrir la latencia de los dispositivos (tiempo que tarda la transmisión del paquete de datos, del emisor al receptor).
· Indicador de la calidad de enlace. Para conocer la calidad del mismo en forma visual.
· Bajo consumo de energía. Para operar con pilas y ahorrar energía.
1.1 Nivel Físico (PHY)
IEEE 802.15.4 desarrolla las capas física (PHY) y de control y acceso al medio (MAC) para redes de área personal de baja tasa (LR-PAN). La PHY opera en la banda Industrial, Científica y Médica (ISM) y, en Europa, en la banda de 806 a 868,6 MHz conocida simplemente como la banda de 868 MHz.
La PHY provee transmisión y recepción de datos, modulación y envío de señales, y demodulación e ingreso de señales y su administración en función del transceptor (transmisor y receptor). La capa física también provee las siguientes funciones[2]:
· Activa y desactiva el transceptor.
· Transmite y recibe datos.
· Ejecuta el Clear Channel Assessment (CCA): verifica si el canal está libre.
· Ejecuta la Energy Detection (ED): ED es la tarea de estimar el nivel de energía en la banda de frecuencias de interés. La estimación se usa para comprender tanto si el canal está libre como si no y puede ser usado para una transmisión.
· Genera un Link Quality Indication (LQI): indica la calidad de los paquetes recibidos en el receptor. La intensidad de la señal se puede utilizar para indicar la calidad de la señal.
· Selecciona la frecuencia del canal (la frecuencia exacta en la cual operará el transceptor).
1.1.1 Banda de frecuencia, tasa de datos y numeración de canales
Para la banda de 2.4 GHz (banda ISM) de interés, IEEE 802.15.4 – 2006, compatible con la especificación 2003, define:
· Página: 0.
· Rango de frecuencias: 2100 MHz - 2483.5 MHz.
· Cantidad de canales: 15.
· Separación: 5 MHz.
· Modulación: O-QPSK.
· Tasa de datos: 250 Kbps.
· Tasa de Símbolo: 62.5 Kb/s.
Las frecuencias de los canales se definen por una combinación de números de canal y páginas de canal. Una página de canal es un concepto agregado en la revisión 2006 para distinguir entre las PHY soportadas.
En la especificación 2003, los canales se identificaban simplemente por números de canal y no hay opción de capa PHY. IEEE 802.15.4-2003, no soporta más que un total de 27 canales y, en consecuencia, no soporta la implementación de la operación de la capa PHY en múltiples bandas de frecuencias.
Cada página de canal tiene un máximo de 27 canales. La Tabla II.1 muestra la asignación de canales en el estándar IEEE 802.15.4. Las páginas de canal 0–2 comúnmente se utilizan en las bandas 868/915 MHz y 2.4 GHz. Las páginas de canal 3–31 se reservan para potenciales nuevos usuarios.
Para la numeración de los canales, IEEE 802.15.4-2006 utiliza 32 bits divididos (bits 0 a bits 31) en dos segmentos:
· Número de página: bit 31 a bit 25, 25 = 32 páginas diferentes.
· Número de canal: bit 26 a bit 0.
Debido a que la PHY de un dispositivo puede soportar múltiples canales dentro de cada página, cada canal debe ser representado por un bit distintivo
La página de canal 0 ofrece 27 canales y soporta todos los canales definidos en la edición 2003 de IEEE 802.15.4, Figura II.1. Las páginas de canal 1 y 2 ofrecen 11 canales cada una y se utilizan para las capas PHY opcionales introducidas en la edición 2006 del estándar, sin considerar los canales reservados para aplicaciones futuras.
Cada canal se identifica por un número de canal. En las primeras tres páginas, el número de canal 0 está asignado a la banda de 868 MHZ centrada en la frecuencia de 868.3 MHz. Para otras bandas de frecuencias, el menor número de canal es 1, asignado a las menores frecuencias.
Banda de 2.4 GHz | |
N° de Canal | fc |
11 | 2405 MHz |
12 | 2410 MHz |
13 | 2415 MHz |
14 | 2420 MHz |
15 | 2425 MHz |
16 | 2430 MHz |
17 | 2435 MHz |
18 | 2440 MHz |
19 | 2445 MHz |
20 | 2450 MHz |
21 | 2455 MHz |
22 | 2460 MHz |
23 | 2465 MHz |
24 | 2470 MHz |
25 | 2475 MHz |
26 | 2480 MHz |
Número de canal y frecuencias centrales en 2.4 GH
La frecuencia de los canales se define tal como se muestra en la Tabla II.2[3].
Frecuencia central (fc) [MHz] | Número de canal (k) |
fc = 868.3 | k = 0 |
fc = 906 + 2 (k-1) | k = 1,2,…….,10 |
fc = 2405 + 5 (k-11) | k = 11,12,….,26 |
. Determinación de la fc en canales IEEE 802.15.4
Dado que la comunicación se realiza utilizando DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), el protocolo IEEE 802.15.4 permite la coexistencia con otros protocolos que utilizan una modulación similar y el mismo rango de frecuencias, tales como IEEE 802.11 b/g, Figura II.2[4] (PSD-Power Spectral Density) vs. f [MHz].
Para Norteamérica, los canales 15, 20, 25 y 26 de IEEE 802.15.4 ocupan los espacios entre los canales 1, 6 y 11 de IEEE 802.11 b/g
Por otra parte, los canales 15, 16, 21 y 22 de IEEE 802.15.4 se alojan en los espacios entre los canales 1, 7 y 13 de IEEE 802.11 b/g en Europa.
La velocidad de modulación es de 62.500 bauds (símbolos por segundo), donde cada símbolo corresponde a un grupo de cuatro bits, obteniéndose una velocidad de transmisión de 250 Kbps. El ancho de banda efectivamente utilizado es de 2 MHz.
Para generar la señal de DSSS, se toman los cuatro bits menos significativos y los cuatro más significativos de un byte por separado, constituyendo cada grupo de bits un símbolo. Entonces, si los símbolos son de cuatro bits y la velocidad es de 62500 bauds, obtenemos una velocidad de transmisión de 4 * 62500 = 250 Kbps.
Por otra parte, dado que cada símbolo se traduce en una secuencia binaria ortogonal respecto de otras (chip sequence) de 32 bits, produce un spreading de 32 * 62500 = 2 MHz para una señal QPSK (el ancho de banda ocupado por una señal QPSK es aproximadamente igual a la velocidad de modulación).
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