IEEE 802.15.4 es un estándar técnico que define el funcionamiento de una red de área personal inalámbrica de baja velocidad ( LR-WPAN ). Especifica la capa física y el control de acceso a los medios para LR-WPAN y es mantenido por el grupo de trabajo IEEE 802.15 , que definió el estándar en 2003. [1] Es la base de Zigbee , [2] ISA100.11a , [ 3] Especificaciones WirelessHART , MiWi , 6LoWPAN , Thread , Matter y SNAP , cada una de las cuales amplía aún más el estándar al desarrollar las capas superiores , que no están definidas en IEEE 802.15.4. En particular, 6LoWPAN define un enlace para la versión IPv6 del Protocolo de Internet (IP) sobre WPAN y es utilizado por capas superiores como Thread .
El estándar IEEE 802.15.4 tiene como objetivo ofrecer las capas de red inferiores fundamentales de un tipo de red de área personal inalámbrica (WPAN), que se centra en la comunicación ubicua de bajo costo y baja velocidad entre dispositivos. Se puede contrastar con otros enfoques, como el Wi-Fi , que ofrece más ancho de banda y requiere más energía. El énfasis está en la comunicación de muy bajo costo de dispositivos cercanos con poca o ninguna infraestructura subyacente, con la intención de explotar esto para reducir aún más el consumo de energía.
El marco básico concibe un alcance de comunicación de 10 metros con línea de visión a una velocidad de transferencia de 250 kbit/s. Es posible realizar compensaciones en cuanto al ancho de banda para favorecer dispositivos más radicalmente integrados con requisitos de energía aún más bajos para aumentar el tiempo de funcionamiento de la batería, mediante la definición de no una, sino varias capas físicas. Inicialmente se definieron velocidades de transferencia más bajas de 20 y 40 kbit/s, y en la revisión actual se añadió la velocidad de 100 kbit/s.
Se pueden utilizar velocidades incluso más bajas, lo que da como resultado un menor consumo de energía. Como ya se mencionó, el objetivo principal de IEEE 802.15.4 con respecto a las WPAN es el énfasis en lograr bajos costos de fabricación y operación mediante el uso de transceptores relativamente simples, al tiempo que permite flexibilidad y adaptabilidad de las aplicaciones.
Las características clave de 802.15.4 incluyen:
Los dispositivos están diseñados para interactuar entre sí a través de una red inalámbrica conceptualmente simple . La definición de las capas de red se basa en el modelo OSI ; aunque en el estándar solo se definen las capas inferiores, se pretende la interacción con las capas superiores, posiblemente utilizando una subcapa de control de enlace lógico IEEE 802.2 que accede al MAC a través de una subcapa de convergencia. Las implementaciones pueden depender de dispositivos externos o ser dispositivos puramente integrados y autónomos.
La capa física es la capa inferior en el modelo de referencia OSI utilizado en todo el mundo, y las capas de protocolos transmiten paquetes usándola.
La capa física (PHY) proporciona el servicio de transmisión de datos. También proporciona una interfaz para la entidad de gestión de la capa física , que ofrece acceso a todas las funciones de gestión de la capa física y mantiene una base de datos de información sobre redes de área personal relacionadas. Por lo tanto, el PHY gestiona el transceptor de radio físico , realiza la selección de canales junto con funciones de gestión de energía y señal. Opera en una de las tres posibles bandas de frecuencia sin licencia:
La versión original de 2003 del estándar especifica dos capas físicas basadas en técnicas de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS): una que funciona en las bandas de 868/915 MHz con velocidades de transferencia de 20 y 40 kbit/s, y otra en la banda de 2450 MHz. con una velocidad de 250 kbit/s.
La revisión de 2006 mejora las velocidades de datos máximas de las bandas de 868/915 MHz, llevándolas a soportar también 100 y 250 kbit/s. Además, continúa definiendo cuatro capas físicas según el método de modulación utilizado. Tres de ellos conservan el enfoque DSSS: en las bandas de 868/915 MHz, utilizando codificación por desplazamiento de fase en cuadratura binaria o desplazada (QPSK; la segunda de las cuales es opcional); en la banda de 2450 MHz, utilizando QPSK.
Se define una capa alternativa opcional de 868/915 MHz utilizando una combinación de codificación binaria y codificación por desplazamiento de amplitud (basada, por tanto, en espectro ensanchado paralelo, no secuencial; PSSS). Es posible la conmutación dinámica entre PHY compatibles de 868/915 MHz.
Más allá de estas tres bandas, el grupo de estudio IEEE 802.15.4c consideró las bandas recientemente abiertas 314–316 MHz, 430–434 MHz y 779–787 MHz en China, mientras que el Grupo de Trabajo 4d IEEE 802.15 definió una enmienda a 802.15.4- 2006 para admitir la nueva banda 950–956 MHz en Japón. Las primeras enmiendas estándar de estos grupos se publicaron en abril de 2009.
En agosto de 2007 , se lanzó IEEE 802.15.4a ampliando a seis las cuatro PHY disponibles en la versión anterior de 2006, incluida una PHY que utiliza banda ultraancha de secuencia directa (UWB) y otra que utiliza espectro ensanchado de chirp (CSS). A la UWB PHY se le asignan frecuencias en tres rangos: por debajo de 1 GHz, entre 3 y 5 GHz y entre 6 y 10 GHz. Al CSS PHY se le asigna espectro en la banda ISM de 2450 MHz. [6]
En abril de 2009, se lanzaron IEEE 802.15.4c e IEEE 802.15.4d ampliando los PHY disponibles con varios PHY adicionales: uno para la banda de 780 MHz usando O-QPSK o MPSK, [7] otro para 950 MHz usando GFSK o BPSK . [8]
IEEE 802.15.4e fue creado para definir una enmienda MAC al estándar existente 802.15.4-2006 que adopta una estrategia de salto de canal para mejorar el soporte para el mercado industrial. El salto de canal aumenta la robustez frente a interferencias externas y el desvanecimiento persistente por múltiples rutas. El 6 de febrero de 2012, la Junta de la Asociación de Estándares IEEE aprobó IEEE 802.15.4e, que concluyó todos los esfuerzos del Grupo de Trabajo 4e.
El control de acceso al medio (MAC) permite la transmisión de tramas MAC mediante el uso del canal físico. Además del servicio de datos, ofrece una interfaz de gestión y gestiona él mismo el acceso al canal físico y la balizamiento de la red . También controla la validación de tramas, garantiza intervalos de tiempo y maneja asociaciones de nodos. Finalmente, ofrece puntos de enlace para servicios seguros.
Tenga en cuenta que el estándar IEEE 802.15 no utiliza 802.1D o 802.1Q; es decir, no intercambia tramas Ethernet estándar . El formato de trama física se especifica en IEEE802.15.4-2011 en la sección 5.2. Está adaptado al hecho de que la mayoría de los PHY IEEE 802.15.4 solo admiten tramas de hasta 127 bytes (los protocolos de capa de adaptación como el 6LoWPAN de IETF proporcionan esquemas de fragmentación para admitir paquetes de capa de red más grandes).
En el estándar no se definen capas de nivel superior ni subcapas de interoperabilidad. Otras especificaciones, como Zigbee , SNAP y 6LoWPAN / Thread , se basan en este estándar. Los sistemas operativos RIOT , OpenWSN , TinyOS , Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki y Zephyr también utilizan algunos componentes de hardware y software IEEE 802.15.4.
El estándar define dos tipos de nodos de red.
El primero es el dispositivo de función completa (FFD). Puede actuar como coordinador de una red de área personal del mismo modo que puede funcionar como nodo común. Implementa un modelo general de comunicación que le permite hablar con cualquier otro dispositivo: también puede transmitir mensajes, en cuyo caso se le denomina coordinador (coordinador PAN cuando está a cargo de toda la red).
Por otro lado, existen los dispositivos de función reducida (RFD). Se trata de dispositivos extremadamente simples con requisitos de comunicación y recursos muy modestos; debido a esto, sólo pueden comunicarse con los FFD y nunca pueden actuar como coordinadores.
Las redes se pueden construir como redes peer-to-peer o en estrella . Sin embargo, cada red necesita al menos un FFD que actúe como coordinador de la red. Así, las redes están formadas por grupos de dispositivos separados por distancias adecuadas. Cada dispositivo tiene un identificador único de 64 bits y, si se cumplen algunas condiciones, se pueden utilizar identificadores cortos de 16 bits dentro de un entorno restringido. Es decir, dentro de cada dominio PAN, las comunicaciones probablemente utilizarán identificadores cortos.
Las redes peer-to-peer (o punto a punto) pueden formar patrones arbitrarios de conexiones y su extensión sólo está limitada por la distancia entre cada par de nodos. Están destinados a servir como base para redes ad hoc capaces de realizar autogestión y organización. Dado que el estándar no define una capa de red, el enrutamiento no se admite directamente, pero una capa adicional de este tipo puede agregar soporte para comunicaciones de múltiples saltos . Se pueden agregar más restricciones topológicas; el estándar menciona el árbol de cluster como una estructura que aprovecha el hecho de que un RFD sólo puede asociarse con un FFD a la vez para formar una red donde los RFD son exclusivamente hojas de un árbol y la mayoría de los nodos son FFD. La estructura se puede extender como una red de malla genérica cuyos nodos son redes de árbol de clústeres con un coordinador local para cada clúster, además del coordinador global.
También se admite un patrón de estrella más estructurado , donde el coordinador de la red será necesariamente el nodo central. Una red de este tipo puede originarse cuando una FFD decide crear su propio PAN y declararse su coordinador, después de elegir un identificador PAN único. Después de eso, otros dispositivos pueden unirse a la red, que es totalmente independiente de todas las demás redes en estrella.
Las tramas son la unidad básica de transporte de datos, de las cuales existen cuatro tipos fundamentales (datos, acuse de recibo, baliza y tramas de comando MAC), que proporcionan un compromiso razonable entre simplicidad y robustez. Además, se puede utilizar una estructura de supertrama, definida por el coordinador, en cuyo caso dos balizas actúan como límites y proporcionan sincronización con otros dispositivos, así como información de configuración. Una supertrama consta de dieciséis ranuras de igual longitud, que se pueden dividir en una parte activa y una parte inactiva, durante las cuales el coordinador puede entrar en modo de ahorro de energía, sin necesidad de controlar su red.
Dentro de las supertramas, la contención se produce entre sus límites y se resuelve mediante CSMA/CA . Toda transmisión debe finalizar antes de la llegada de la segunda baliza. Como se mencionó anteriormente, las aplicaciones con necesidades de ancho de banda bien definidas pueden usar hasta siete dominios de uno o más intervalos de tiempo garantizados sin contienda , al final de la supertrama. La primera parte de la supertrama debe ser suficiente para dar servicio a la estructura de red y sus dispositivos. Los superframes suelen utilizarse en el contexto de dispositivos de baja latencia, cuyas asociaciones deben mantenerse incluso si están inactivas durante largos períodos de tiempo.
Las transferencias de datos al coordinador requieren una fase de sincronización de baliza, si corresponde, seguida de una transmisión CSMA/CA (mediante ranuras si se utilizan supertramas); el reconocimiento es opcional. Las transferencias de datos desde el coordinador suelen seguir las solicitudes del dispositivo: si se utilizan balizas, se utilizan para señalar solicitudes; el coordinador reconoce la solicitud y luego envía los datos en paquetes que son reconocidos por el dispositivo. Lo mismo se hace cuando las supertramas no están en uso, solo que en este caso no hay balizas para realizar un seguimiento de los mensajes pendientes.
Las redes punto a punto pueden utilizar CSMA/CA sin ranuras o mecanismos de sincronización; en este caso, la comunicación entre dos dispositivos cualesquiera es posible, mientras que en los modos "estructurados" uno de los dispositivos debe ser el coordinador de la red.
En general, todos los procedimientos implementados siguen una clasificación típica de solicitud-confirmación/indicación-respuesta.
Se accede al medio físico a través de un método de acceso CSMA/CA . Las redes que no utilizan mecanismos de balizamiento utilizan una variación sin ranuras que se basa en la escucha del medio, aprovechada por un algoritmo de retroceso exponencial aleatorio ; Los reconocimientos no se ajustan a esta disciplina. La transmisión de datos común utiliza ranuras no asignadas cuando se utilizan balizas; Nuevamente, las confirmaciones no siguen el mismo proceso.
Los mensajes de confirmación pueden ser opcionales en determinadas circunstancias, en cuyo caso se asume que el proceso fue exitoso. Cualquiera sea el caso, si un dispositivo no puede procesar una trama en un momento dado, simplemente no confirma su recepción: la retransmisión basada en el tiempo de espera se puede realizar varias veces, tras lo cual se decide si abortar o seguir intentándolo. .
Debido a que el entorno previsto de estos dispositivos exige maximizar la duración de la batería, los protocolos tienden a favorecer los métodos que conducen a ello, implementando comprobaciones periódicas de mensajes pendientes, cuya frecuencia depende de las necesidades de la aplicación.
En cuanto a las comunicaciones seguras, la subcapa MAC ofrece facilidades que pueden ser aprovechadas por las capas superiores para lograr el nivel de seguridad deseado. Los procesos de capa superior pueden especificar claves para realizar criptografía simétrica para proteger la carga útil y restringirla a un grupo de dispositivos o simplemente a un enlace punto a punto; Estos grupos de dispositivos se pueden especificar en listas de control de acceso . Además, MAC calcula comprobaciones de actualización entre recepciones sucesivas para garantizar que las tramas presumiblemente antiguas, o los datos que ya no se consideran válidos, no trasciendan a capas superiores.
Además de este modo seguro, existe otro modo MAC inseguro, que permite listas de control de acceso [2] simplemente como un medio para decidir sobre la aceptación de tramas según su (presunta) fuente.