REDES DE ÁREA PERSONAL (WPAN)

Mg. Ing. Alfredo G. Rivamar

Las WPAN (Wireless Personal Area Network) son redes que surgen inicialmente de la necesidad básica de interconectar dispositivos de corto alcance de manera inalámbrica y con ello el interés de transmitir datos de la misma forma. Este tipo de redes manejan una distancia relativamente corta, que en promedio no supera los diez metros a la redonda y se rige bajo el estándar IEEE 802.15. A diferencia de redes como las WLAN, las redes WPAN, no tienen mayor infraestructura de conexiones hacia el mundo externo, además ejercen un uso eficiente de los recursos utilizados para su funcionamiento.

El rol de estos nodos es sensar cambios físicos y ambientales tales como la temperatura y presión y transmitir los datos hacia la estación base, desde la cual podemos acceder a los datos. Es posible monitorear la información que provee la WSN (Red de Sensores Inalámbricos)  mediante acceso a Internet y aplicarlos los datos recibidos en tiempo real a modelos que permitan interpretar la información obtenida para mejorar la toma de decisiones respecto del proceso/actividad monitoreada/controlada.

Las aplicaciones de sensado inalámbrico del mundo real son diversas e imponen un amplio rango de restricciones a las plataformas de sistemas, incluyendo tamaño, costo, disponibilidad de potencia, conectividad wireless, performance, memoria, almacenamiento y flexibilidad.

Los protocolos ZigBee e IEEE 802.15.4  (sobre el que ZigBee implementa sus características) son soluciones estándar comparables con Bluetooth y IEEE 802.11 (Wi-Fi). Los primeros consumen menos potencia, están orientados a interconexión de sensores y dispositivos alimentados a baterías, cuya función es monitorear y reportar eventos aislados. Tanto el stack IEEE 802.15.4 como el de ZigBee (que incluye a aquel) son los más simples de los otros protocolos nombrados y permiten, eventualmente, utilizar microcontroladores más pequeños.

El protocolo ZigBee, es una tecnología inalámbrica diseñada para bajas tasas de envío de datos, usa la banda libre ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4GHz, con una velocidad de transferencia máxima de 250kbps, y un alcance aproximado de 30m. Las topologías de red  que soporta el estándar son la estrella y malla, y cada red puede soportar hasta 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, su consumo de energía es bajo, lo cual maximiza la vida de las pilas. Las últimas versiones de ZigBee son la 2007, con un alcance de 30 m, y la PRO con 100 m  capaces de transmitir datos a 250 Kbps en 2,4 GHz.

Para comprender como funciona ZigBee, en primer lugar debemos conocer una tecnología inalámbrica para redes WPAN muy utilizada, la especificación IEEE 802.15.4. Esta especificación es una tecnología de radio muy moderna, robusta y construida sobre 40 años de experiencia del IEEE.

ZigBee se vale de O-QPSK   (Offset-Quadrature Phase-Shift Keying) y DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), una combinación de técnicas de modulación que proveen excelente perfomance en ambientes de baja relación señal a ruido. ZigBee utiliza el algoritmo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) para incrementar su confiabilidad. Antes de transmitir, ZigBee “escucha” el canal. Cuando el canal está libre, ZigBee comienza a transmitir. Esto previene que las radios transmitan unas sobre otras, originando corrupción en los datos. CSMA-CA es similar a dos personas conversando (o debería serlo!). 

Una persona espera que la otra persona finalice la conversación, y luego habla. ZigBee recurre a un código de verificación de redundancia cíclica (cyclic redundancy check, CRC) de 16-bit en cada paquete, llamado Frame Checksum (FCS) para ayudar a verificar la integridad de los datos. Cada paquete es reenviado hasta tres veces (para un total de cuatro transmisiones). Si el paquete no puede ser enviado luego de cuatro intentos, ZigBee informa al nodo emisor de lo ocurrido.

Otra forma en que ZigBee aumenta su confiabilidad es a través de las redes mesh. Estas proveen tres capacidades a una red inalámbrica: extienden el rango por medio de saltos múltiples, permiten una configuración “ad-hoc” de la red y lo más importante, el descubrimiento automático de la ruta y auto reparación.