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Sistemas de comunicaciones: redes ZigBee

¿Qué es ZigBee?

ZigBee es un estándar de comunicación wireless bidireccional, de bajo precio y muy bajo consumo de energía, basado en el estándar IEEE 802.15.4.

La tecnología definida por la especificación ZigBee pretende ser más simple y barata que otras WPANs (Wireless Personal Area Networks) como por ejemplo el Bluetooth. Está orientada a aplicaciones inalámbricas que necesiten una tasa baja de transferencia de datos, una vida larga de batería (por su bajo consumo), y seguridad en la red (posibilidad de encriptación), como por ejemplo: electrónica de consumo, automatización del hogar, control industrial, periféricos del PC, aplicaciones de sensores médicos, juegos y juguetes, etc…

ZigBee Alliance es un grupo de compañías que mantienen y publican el estándar de ZigBee.

Dentro del modelo OSI de red, ZigBee implementa las capas de Red (NWK) y de Aplicación(APL) mientras que las capas Física (PHY) y de Control de Acceso al Medio (MAC) son definidas por el estándar IEEE 802.15.4.

IEEE 802.15.4

El IEEE 802.15.4 es la especificación para redes de área personal de baja velocidad (LR-WPANs) de las capas Física y Control de Acceso al Medio del modelo OSI de red.

El estándar está orientado a dispositivos de muy baja complejidad, muy bajo coste, consumo energético muy bajo y baja velocidad de transmisión sin hilos. La máxima velocidad de transmisión de datos en bruto que define el estándar es de 250kb/s inicialmente destinada a una distancia de 10m, pero con posibilidad de mayor distancia a una velocidad de transmisión menor.

PHY

La capa Física es la encargada de la activación/desactivación del emisor de radiofrecuencias, transmissión y recepción de los datos, detección de la energía del canal, selección de la frecuencia del canal e implementar el método CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance)  junto con CCA (Copying Collision Avoidance) para evitar colisiones a la hora de transmitir.

El estándar define 3 bandas de transmisión: 868Mhz (1 canal), 915 Mhz (10 canales) y 2,4Ghz (16 canales). La más utilizada es la de 2,4Ghz por estar permitida en todo el mundo.

MAC

La capa de Control de Acceso al Medio es la encargada de: generar las balizas de red (beacons) si el dispositivo es un coordinador, sincronización con las balizas, soportar la asociación/desasociación a una PAN (Personal Area Network), soportar la seguridad del dispositivo, emplear el mecanismo CSMA-CA para el acceso al canal, manejo y manenimiento del GTS (Guaranteed Time Slot) y proveer un enlace fiable entre dos entidades MAC conectadas.

Para la seguridad se disponen de suites formadas por AES, CTR, CBC-MAC y CCM que permiten activar control de acceso, encriptación de datos, integridad de los frames y secuential freshness.

NWK

Según la especificación de ZigBee, la capa de red maneja las direcciones y enrutado. Concretamente se encarga de: crear una red (como coordinador), asociarse/reasociarse/abandonar una red, asignar direcciones de red, añadir y eliminar dispositivos a la red, descubrir a sus vecinos, enrutar mensajes, aplicar seguridad e implementar el método para descubrir rutas.

APL

La capa de aplicación es la capa superior de la pila de protocolo de ZigBee. Está compuesta por el Application Framework, los Objetos de Dispositivo ZigBee (ZDO) y la Subcapa de Soporte de Aplicación (APS).

Application Framework

Describe cómo crear y añadir un perfil a la pila de ZigBee. El Application Framework es el entorno en el que se hospedan los objetos de la aplicación (Application Objects) de los dispositivos ZigBee. Se denominan objetos de la aplicación al software que se encuentra en el endpoint de una comunicación.

ZDO

Los Objetos de Dispositivo ZigBee se encuentran siempre en el endpoint 0. Presentan una interfaz pública a los objetos de la aplicación para proveer de funcionalidad al dispositivo en función de su rol en la red (coordinador, router o dispositivo final): ensambla información de configuración, implementa descubrimiento, manejo de seguridad, manejo de red y de vínculos.

APS

La subcapa de Soporte de Aplicación es la responsable de proveer los servicios de datos a los perfiles de los dispositivos ZigBee. También provee de un servicio para manterner vínculos y la tabla de vínculos.

La red ZigBee

Las redes ZigBee contemplan 3 tipos de dispositivos en función de su funcionalidad:

  • Coordinador: es el dispositivo que crea y controla la red. Almacena información sobre la red, actuando como el centro de confianza (para la seguridad) y repositorio de claves de seguridad. Sólo hay uno por red.
  • Router: dispotivos que extienden la cobertura de la red, enrutan dinámicamente y proveen rutas de respaldo en caso de fallo o congestión de red. Se pueden conectar al coordinador y a otros routers.
  • Dispotivos finales (end devices): dispositivos que pueden transmitir y recibir mensajes, pero que no pueden realizar operaciones de enrutado. Obligatoriamente han  de estar conectados al coordinador o a un router, y no pueden tener dispotivos hijos dependientes de ellos.

El coordinador y los routers se consideran dispositivos de funcionalidad completa (Full Function Device), mientras que los dispositivos finales son dispositivos de funcionalidad reducida (Reduced Function Device).

Topología de la red ZigBee

Las redes ZigBee están pensadas para ser redes en malla (en estrella y en árbol son un caso particular de la malla). Los dispositivos de funcionalidad completa (coordinador y routers) se pueden interconectar entre ellos en forma de malla, mientras que los dispositivos de funcionalidad reducida (dispositivos finales) funcionan como simples “hojas” de la malla.

La topología en malla permite comunicaciones con múltiples saltos entre nodos, y en el estándar ZigBee se hace incapié en utilizar las rutas más fiables y de menor coste (entre las múltiples rutas que crean los dispositivos de funcionalidad completa) hasta llegar al destino. Además, esta configuración permite que la red tenga cierta tolerancia a fallos en caso de que un dispositivo falle o experimente interferencias: la red se puede autoorganizar usando el resto de dispositivos.

Las redes se identifican por un PAN ID único de 64 bits, junto con un PAN ID de 16 bits que ha de ser único en las inmediaciones de una red. Así mismo, todos los dispositivos poseen una dirección de 64 bits única, asígnada durante su fabricación, y una dirección de 16 bits asignada al unirse a una red. De este modo, una red puede contener hasta un máximo de 65534 nodos.

Perfiles de Aplicación, Clusters y Endpoints

Un Perfil de Aplicación describe una colección de dispositivos empleados para un fin específico y el esquema de mensajes entre dichos dispositivos. Los dispositivos pertenecientes a un perfil de aplicación se comunican unos con otros a través de los clusters (pueden ser de entrada o salida). Cada cluster posee un ID dependiente del perfil.

Un endpoint define una entidad de comunicación en un dispositivo a través de la cual se lleva a cabo una aplicación específica.

La librería de clusters de ZigBee (ZCL)

La ZCL es una librería de clusters que puede ser utilizada por cualquier aplicación, estando los clusters organizados por dominio funcional (iluminación, sensores, seguridad,…). Esto permite reutilizar clusters.

Todo vínculo  de cluster posee dos finales: cliente y servidor.

Los perfiles de aplicación están formados por diversos clústeres de la ZCL de distintos dominios.

Vínculos

Los vínculos son conexiones entre dos endpoints de manera que cada vínculo soporta un perfil de aplicación específico y un tipo de mensaje representado por un cluster de ese perfil.

Los vínculos pueden ser creados entre endpoints individuales o grupos de endpoints, en los que se correspondan clusters de entrada y salida (mismo ID de cluster).

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