Por: Pedro Magaa Espinoza

WPANLas redes inalmbricas de rea personal WPAN por sus siglas en ingles Wireless Personal Area Network son redes que por lo regular abarcan distancias de 10 metros. Normalmente son utilizadas para conectar dispositivos sin la necesidad de utilizar cables, regularmente esta comunicacin se da peer-to-peer y por lo general dichos dispositivos no requieren altos ndices de transmisin de datos, por lo cual el consumo de energa se ve reducido significativamente.

802.15.4802.15.4 es un estndar desarrollada por el grupo de trabajo 802.15 de la IEEE (Instituto de ingenieros en electricidad y electrnica) que define el nivel fsico y de control de acceso al medio de las redes inalmbricas de rea personal con tasas de transmisin de datos. El objetivo principal de este estndar es definir los niveles principales y bsicos para formar una red inalmbrica de rea personal (WPAN) enfatizando en la formacin y comunicacin de redes entre dispositivos ubicuos con bajo coste y una velocidad de transmisin baja. Con esto se reduce la infraestructura (componentes electrnicos) necesaria para formar una red.

Estndares ? Para que?

EstandarizacinLa normalizacin o estandarizacin es la redaccin y aprobacin de normas que se establecen para garantizar el acoplamiento de elementos construidos independientemente, as como garantizar el repuesto en caso de ser necesario, garantizar la calidad de los elementos fabricados, la seguridad de funcionamiento y trabajar con responsabilidad social .

Organismos de estandarizacinInternational telecommunication union

International International organization electrotechnical commission for standardization

Institute of electrical and electronics engineers

Stack 802.15.4

Sub capa MAC Capa fsica

Capa FsicaLa capa fsica provee 2 servicios: Servicio de datos: Este servicio habilita la transmisin y recepcin de datos del protocolo fsico de unidades de datos a travs de los canales del radio. Servicio de gestin de interconexin: Administra las conexiones fsicas Las caractersticas de esta capa son la activacin y desactivacin del radio transductor, seleccin del canal, transmisin de datos, recepcin de datos, clear channel, deteccin de energa e indicacin de la calidad del enlace.

Canales y bandas de transmisinLa radio funciona en una o ms de las bandas sin licencia siguientes: - 868-868.6 MHz (por ejemplo, Europa) - 902-928 MHz (por ejemplo, Amrica del Norte) - 2400-2483.5 MHz (en todo el mundo) Adems de esto se definen 16 canales en la banda de 2450 MHz, 30 canales en la banda de 915 MHz y 3 canales en la banda de 868 MHz. Las transmisiones de datos pueden alcanzar velocidades de 20 kb/s, 40kb/s, 100kb/s hasta 250 kb/s. las tasas de transmisin son relativamente lentas en comparacin con otras tecnologas,

Sub capa MACLa subcapa MAC proporciona dos servicios: Servicio MAC de datos: Habilita la transmisin y recepcin de las unidades de datos MAC (MPDUs) a travs del servicio fsico de datos. Servicio de gestin de MAC: Habilita la interconexin a la entidad de gestin de subcapa MAC (MLME) punto e servicio de acceso(SAP) (conocido como MLME-SAP). Las caractersticas de la subcapa MAC son la gestin de paquetes, acceso al canal, validacin de tramas, acuse de recibo de las tramas, asociacin y disociacin

CSMA/CA802.15.4 utiliza varios mecanismos asegurar una mayor probabilidad de xito en las transmisiones de datos, dichos mecanismos son mecanismos CSMA /CA, acuses de recibos de tramas, y verificacin de datos. Dicho estandar usa dos tipos de mecanismos de acceso al canal Nonbeacon-enabled: Cada ves que un dispositivo desea transmitir tramas de datos o comandos MAC, espera un tiempo aleatorio si el canal esta disponible, es decir, que no hay ninguna otra transmisin, el dispositivo comienza a enviar la informacin, si el medio se encuentra ocupado, espera otro tiempo random antes de volver a acceder al canal. Beacon eneabled: Este mecanismo de acceso al canal funciona agrupando a los dispositivos que desean transmitir de acuerdo a un ID PAN, si el medio no esta siendo utilizado por otro dispositivo coordinador, espera un tiempo random y comienza a transmitir, pero si el medio esta ocupado, espera un tiempo hasta que el medio este disponible y comience a transmitir.

En cualquiera de los dos casos anteriores, los algoritmos utilizan periodos de tiempo llamados periodos backoff , el numero mximo de intentos backoff varia desde 0 hasta 5 (4 por default) Si en este numero de intentos el algoritmo no puede acceder al canal, se declara como inaccesible.

Modelos de transmisin de datos Los modelos de transmisin de datos se dividen en dos Transmision directa: Este tipo de transmisin de datos es la que se da de un dispositivo de red y su coordinador. Transmision indirecta: En esta transmisin de datos el coordinador es el que transmite hacia el dispositivo de red.

Dispositivo

Coordinador

Dispositivo

Coordinador

Figura 1: Transmisin directa

Figura 2: Transmisin indirecta

Transmisin directaEste tipo de transmisin a su ves implementa dos formas de trabajo Beacon-enable mode: Cuando un dispositivo desea transmitir informacin a un coordinador, este primero escucha los paquetes que hay en la red, cuando encuentra el paquete generado por el coordinador, los dispositivos se sincronizan. Una ves sincronizados el dispositivo enva su trama hacia el coordinador y este a su ves la recibe y regresa un acuse de recibo. Cuando esto sucede comienza la transmisin de datos. Nonbeacon-enable mode: En este modo, cuando el dispositivo quiere enviar datos envia todos sus paquetes al coordinador y este cuando recibe la informacin, enva un ACK.

Transmisin indirectaEste tipo de transmisin a su ves implementa dos formas de trabajo Beacon-enable mode: Cuando el coordinador de la red desea transmitir informacin a un dispositivo, este enva un paquete de solicitud de informacin, el dispositivo de red siempre se mantiene a la escucha, cuando al dispositivo le llega dicho paquete manda un ACK, hasta ese momento el coordinador comienza a transmitir la informacin , una ves terminada las transmisin el dispositivo enva de nuevo un ACK. Nonbeacon-enable mode: En este modo de envi de datos el coordinador almacena la informacin de acuerdo al dispositivo, el dispositivo de red se mantiene escuchando, y enva un comando MAC para solicitar la informacin, una ves que este llega al coordinador, comienza la transmisin de datos, al final de la transmisin el dispositivo de red enva un ACK.

Topologas de redDe acuerdo a los requerimientos que cada uno tenga en su implementacin es el tipo de topologa que podr usar en su red. Se tienen dos topologas a escoger: Peer-to-peer y de estrella

Topologa de estrellaEn esta topologa la comunicacin se establece mediante dispositivos que se interconectan a travs de un dispositivo central llamado Coordinador PAN. El coordinador PAN se encarga de controlar y administrar a los dems dispositivos, este puede iniciar transmisiones, terminarlas y enrutar informacin de un punto a otro dentro de la misma PAN, los otros dispositivos que quieran transmitir informacin dentro de la PAN, deben asociarse a el coordinador.

Ventajas y desventajas Ventajas : Si un dispositivo de la red se desconecta, no rompe o impide el funcionamiento de la red Fcil de configurar Fcil de prevenir conflictos en las transmisiones Centralizacin de la red

Desventajas: Si el nodo coordinador colapsa, la red se queda sin funcionamiento Si el nodo coordinador se desconecta, la red se cae complematmente

Peer-to-peerA diferencia de una red de computadoras peer-to-peer, en este tipo de redes si existen un coordinador central, parecido a la topologa de estrella, pero en contraste con esta, se pueden comunicar de la manera en que los nodos o dispositivos sean programados. Este tipo de redes son mas complejas y son parecidas a las redes MESH pero sin la funcionalidad y redundancia de estas.

Ventajas y desventajas Ventajas : Redes mas extensas No depende de un nodo central como tal

Desventajas: Mayor trabajo en la administracin de la red

Ejemplo de una red 802.15.4

AplicacionesEn general el estndar IEEE 802.15 esta diseado para ser ocupado en una amplia gama de aplicaciones: Control y monitoreo industrial Seguridad publica Localizacin de personas en desastres Mediciones en automviles (presin neumtica, temperatura del radiador, etc.) Medicin de humedad del suelo Niveles de PH Domtica

TAREA :/ Para la siguiente clase realizar una presentacin por equipo de 10 minutos, en donde cada integrante participe en la explicacin de los siguientes temas: Que es? y Como funciona ZigBee? Como distinguir entre 802.15.4 y ZigBee Qu es un XBEE? Diferencia entre ZigBee y XBEE

802.15.4 y ZigBeeMODELO DE REFERENCIA OSIAplicacin Presentacin Sesin Transporte Red Capa MAC Fsica IEEE 802.15.4 ZigBee Alliance ZigBee

Tipos de radios XBEECaractersticas Rango de alcance Alcance con lnea de vista Corriente de transmisin/ Recepcin Fimware Pines E/S digitales Entradas analgicas Topologas de rbol y malla Multi-Fimwares Requiere un nodo coordinador Chipset Serie 1 30 mts 100 mts 45/50 mA 802.15.4 punto a punto 8 + 1 exclusivo de entrada 7 No No No Freescale Serie 2 40 mts 120 mts 40/40 mA ZB ZigBee Mesh 11 4 Si Si Si Ember

Fimwares disponibles

802.15.4 (IEEE estndar) DigiMesh (propietario de Digi)

ZB( ZigBee 2007) y Znet 2.5

Tipos de AntenasXBEE Chip Antena XBEE con conector U.FL

XBEE conector RPSMA

XBEE Antena

Tarjetas de programacin para XBEE

USB Explorer SS1 Desarrollada por Siteldi Solutions

XBIB-R-DE Desarrollada por Max Stream

XBEE Explorer USB Desarrollada por Sparkfun electronics

XBEE Explorer Dongle Desarrollada por Sparkfun electronics

Configuracin de pines

Tarjeta USB-Explorer SS1Caractersticas tcnicas Voltaje de alimentacin de 5v Voltaje de regulado de salida 3.3v 9 Entradas/ Salidas del XBEE Conector macho USB 4 leds indicadores de estado ( POWER, TX, RX Y RSSI)

Modulo Modulo USB-UART Inalmbrico Entradas/SalidasEsquema de la tarjeta USB-Explorer SS1 Tarjeta USB-Explorer SS1 Diagrama a bloques USB-Explorer SS1

Entradas / SalidasJ2J2

Descripcin Pin XBEEAD3/DIO3 AD2/DIO2 AD1/DIO1 AD0/DIO0 RESET VREF NC ON/SLEEP VCC GND 13 1 10Tierra Voltaje 3.3 V No conectar

17 18 19 20 5 14

ReferenciaPin de entrada/salidaPin de salida Pin de entrada

GND VCC NC

Led RSSI (Color verde) Led indicador de fuerza de la seal de recepcin. Enciende por un periodo de tiempo (configurable) cuando recibe un dato.

Indicadores

Led RX (Color verde) El led indicador RX enciende cuando se esta recibiendo un dato. Led TX (Color rojo) El led indicador TX enciende cuando se enviando un dato de la tarjeta USB Explorer SS1 Led PWR ( Color rojo) Cuando este led este encendido indica que la tarjeta USB Explorer SS1 esta encendida.

Practica 3: Sensor de luminosidadA travs de las E/S del XBEE el alumno deber de habilitar un ADC del XBEE de su tarjeta desarrollada y enviar los parmetros de luminosidad ledos a travs de la foto resistencia a un nodo coordinador conectado a una PC (USB-Explorer SS1) cada 5 segundos. Una ves la informacin este siendo recibida en la terminal de la PC, estos datos debern ser procesados, esto consiste en que mediante una interfaz visual desarrollada por los alumnos recibirn la cadena que contiene los datos de luminosidad y debern convertir ese dato ( valor ASCCI a Decimal) e imprimirlo en la interfaz visual. Datos Tcnicos: La tarjeta desarrollada por los alumnos deber ser alimentada con 2 bateras AA cuidando que el voltaje no exceda los 3.3v, de lo contrario debern buscar una alimentacin diferente que cumpla con los requisitos de voltaje. Los ADC del radio XBEE ignoran voltajes superiores a 1.2 v por lo cual se deber verificar que el voltaje que llegue del divisor de voltaje sea inferior a los 1.2v.