ZigBee es un nuevo estándar
para conectividad wireless, orientado a posibilitar
la interoperabilidad de productos orientados al control del hogar (Home control),
automatización de edificios y control y monitorización industrial.
Como se extrae rápidamente de las funcionalidades para
las que se ha diseñado, trata de proponer una red comunicación
de dispositivos con un tamaño de paquete pequeño, en contraposición
a otras tecnologías como Bluetooth o WIFI,
que tratan volúmenes de información superiores y por supuesto
se sitúan entre las tecnologías más complejas.
A diferencia de otras tecnologías, ZigBee está
especialmente diseñada para grandes redes de sensores,
con las características inherentes a ellas: fiabilidad, larga duración
de las baterías de los dispositivos, bajos costes, tamaño diminuto
y complejidad reducida, sin requerimientos de calidad de servicio importantes,
etc... El objetivo es ofrecer un estándar abierto, eficiente, de poco
consumo e inalámbrico para la monitorización y control de dispositivos.
Está diseñado sobre dos capas del modelo de sistemas
abiertos para interconexión de sistemas definidas por el estándar
IEEE 802.15.4, una capa física con una
tecnología radio muy robusta (PHY) y una capa de control de acceso al
medio (MAC). En las capas altas del modelo ZigBee define las topologías
de red, consideraciones acerca de la seguridad y perfiles de aplicación
que aseguran la interoperabilidad de los sistemas.
La imagen muestra una idea del grado de robustez de esta tecnología
frente a otras. En concreto, se puede observar como ZigBee puede trabajar de
forma efectiva en condiciones adversas, ambientes con ruido elevado o relación
señal a ruido baja.
ZigBee utiliza un protocolo de paquetes diseñado para redes con poca
carga de tráfico. Utiliza el protocolo CSMA-CA
(Carrier Sense Multiple Access con Collision Avoidance), similar al utilizado
en WIFI, y con una opción para ranurar el tiempo GTS para los datos de
alta prioridad.
La capa física incluye adicionalmente sistemas de detección
de energía recibida ED (Energy Detection),
de indicación de la calidad del enlace LQI (Link Quality Indication)
y de exploración de canal libre CCA (Clear
Channel Assestment).
Soporta tanto direcciones de 64 bits (propuesta de IEEE) como
direcciones cortas de 16 bits, que permiten el direccionamiento de más
de 65.000 dispositivos, además de posibilitar la asociación y
disociación de redes.
Para operar, el estándar opera con cuatro tipos o estructuras
de trama:
Trama de balizado para la transmisión de balizas
(Beacon frames)
Tramas de datos
Tramas de asentimiento para confirmar la recepción
(Acknowledgement frame)
Tramas de comandos MAC
No vamos a entrar en el detalle de todas las tramas, máxime cuando resulta
similar a otros protocolos de transmisión de datos con confirmación
(ACK). No obstante, es importante pararnos un momento en el primer tipo de trama
descrito.
En efecto, mediante las supertramas con baliza (Superframes
with beacon) se permite la sincronización de todos los dispositivos
de una red sin necesidad que estén permanentemente en modo de escucha,
con el importantísimo ahorro de energía que esto representa. Los
nodos solo despiertan cuando se provoca un broadcast de una supertrama; si la
dirección no coincide con la del nodo, se vuelva al estado dormido. En
la figura se representa el formato de una supertrama.
Se establece a priori un período entre balizas, que oscila
entre 15,38 mseg. y 252 mseg. El coordinador establece en ese intervalo 16 espacios
de tiempo o slots idénticos, por lo que el acceso al canal es sin contienda.
El acceso al canal individual, sin embargo, está basado en contienda.
Sin embargo, el nodo coordinador, que definiremos con posterioridad, siempre
reserva 7 slots de cada intervalo para tráfico garantizado (GTS guaranteed
timed slots) para asegurar una mejor calidad.
En cuanto a las frecuencias utilizadas, encontramos tres bandas
con 27 canales disponibles
2.4 GHz: 16 canales y 250 kbps
868.3 MHz : un canal y 20 Kbps
902-928 MHz: 10 canales y 40 Kbps
Del mismo modo que para RFID, estas frecuencias no están permitidas para
uso común en todos los países y habrá que revisar el cuadro
nacional de atribución de frecuencias para examinar los aspectos regulatorios.
Como interfaz utiliza la técnica DSSS
(Direct Sequence Spread Spectrum) con distintas modulaciones: BPSK para las
frecuencias 868 y 915 y O-QPSK para la banda ISM 2,4 GHZ. El ancho de banda
del canal es de 2 MHz y 5 MHz. respectivamente.
Respecto a la topología y configuraciones de red la recomendación
prevé tres situaciones: estrella, Mesh (peer-to-peer) y Cluster Tree
(híbrido entre los dos anteriores). Las tres difieren en cuanto a prestaciones,
puesto que unas ofrecen caminos de respaldo y otras no
Como se puede comprobar, las configuraciones Mesh
y Cluster Tree proveen al sistema de caminos redundantes.
Examinando los esquemas podemos establecer que las redes ZigBee constan de los
siguientes tipos de dispositivos:
El nodo coordinador ZigBee: Hay uno y solo uno en cada
red, que actúa como un router que interconecta con otras redes. Puede
ser enlazado a la raíz de una red Cluster Tree. Se diseña para
almacenar toda la información de la red.
Dispositivo de funcionalidad completa FFD: El FFD es
un router intermediario que transmite datos de otros dispositivos. Precisa
de menos memoria que el coordinador y por supuesto tiene un menor coste de
fabricación. Opera en todas las topologías y puede funcionar
como coordinador.
Dispositivo de funcionalidad reducida RFD: Este dispositivo
solo puede hablar en la red, es decir, no puede recibir ni enviar datos de
otros nodos. Requiere menor memoria que ningún otro tipo de nodo y
será, como es obvio, más barato. Solo habla con el coordinador
y se implementa muy fácilmente en la topología de estrella.
Análisis
Claramente, por especificaciones del diseño, ZigBee tiene
una seria limitación cuando la aplicación requiere un ancho de
banda considerable, por ejemplo para aplicaciones de voz o video.
Aunque el número de dispositivos que pueden configurar
una red es muy alto comparado con otras tecnologías, bien es cierto que
si el periodo de sondeo es muy corto (beacon interval), con constantes interrogaciones
a los dispositivos, el rendimiento de la red no solo decae sino que la duración
de las baterías empieza a decaer por debajo del que soportan otras tecnologías.
Rafael Martín Espada
Ingeniero de Telecomunicación
