IEEE 802.15 – Body & Personal Area Networks

IEEE 802.15/.6
Body & Personal

Este protocolo de redes inalámbricas se crea para coexistir con las WLAN (802.11).

  • IEEE 802.15 (Personal AN): redes de área personal. Dispositivos CERCA del usuario.
  • IEEE 802.15.4 (Low Rate-WPAN): redes WPAN de bajo bitrate (20-250Kbps).
  • IEEE 802.15.6 (Body AN): redes de área corporal. Dispositivos EN EL CUERPO del usuario (como dispositivos «wereables» o implantes de baja potencia). Originalmente conocidas como BSN (Body Sensors Network). El estándar cumple con los límites de radiación absorbida específicos.

Son icónicos de este grupo del IEEE los siguientes protocolos:

  • Bluetooth – IEEE 802.15.1
  • UWB (UltraWideBand) – IEEE 802.15.3
  • Zigbee – IEEE 802.15.4

Bluetooth

BlueTooth Icon | Button UI System Apps Iconset | BlackVariant

IEEE 802.15.1

Protocolo de comunicación inalámbrico de voz y datos de corto alcance. Robusto y poco complejo.

Iniciado por Ericsson en 1994 para intentar sustituir los cables entre dispositivos por una red inalámbrica común. En 1998 cinco empresas conforman el SIG (Grupo de Interes Especial) y en 1999 se publica la primera versión de Bluetooth 1.0, en 2002 se añade el estándar IEEE 802.15.1 (compatible con Bluetooth).

Clases y versiones

Clases de Bluetooth (2020)
Versiones de Bluetooth (2020)

Arquitectura

Usa la banda ISM a 2.4GHz.

Usa FH-SS para acceso múltiple al medio, alterna entre 79 canales de 1Mhz cada uno a una velocidad de 1600 saltos por segundo (ocupa un canal durante 625 µs, slot de tiempo). Los paquetes normalmente ocupan un solo slot de tiempo pero puede llegar hasta a 5 slots.

Usa TDD (Time Division Duplex) para lograr Full-Duplex.

Red punto a multi-punto (1 maestro y hasta 7 esclavos activos).

Pila de protocolo

Bluetooth controller:

  • RFL (Radio Frequency Layer): formado por el transceptor físico y sus componentes asociados.
  • BBL (Baseband Layer): control a nivel de bits y paquetes: detección de errores, cifrado, confirmaciones/repeticiones de paquetes.
  • LML (Link Manager Layer): gestión de conexiones lógicas: procesos de autenticación, planificación de tráfico, supervisión del enlace.

Bluetooth Host-Controller Interface (HCI): métodos de interfaz uniforme para acceder a los recursos hardware del Bluetooth.

Bluetooth host:

  • L2CAP (logical link control & adaptation protocol): capa de enlace de datos. Se encarga de la conversión común de datos de aplicaciones superiores a la capa del del controlador. Multiplexa los diferentes canales L2CAP en enlaces lógicos diferentes (para posteriormente realizar el FH-SS). A partir de aquí, las aplicaciones pueden añadir niveles de protocolo para adecuarse a funcionalidades específicas, tales como transmisión de voz o TCP/IP.
  • SDP (Service Discovery): para que dos dispositivos dentro del alcance se inspeccionen entre sí y sepan qué servicios ofrecen cada uno de ellos (qué perfiles Bluetooth implementan).
  • Bluetooth profiles: definición de la pila arquitectónica necesaria para implementar cada uno de los diferentes perfiles definidos en el estándar (audio, teléfono, manos libres, RFCOMM -Puerto serie inalámbrico-, etc).

Paquete/trama Bluetooth

  • Access Code: Identifica al maestro de destino (el esclavo puede tener accesibles a varios maestros).
  • Header: Ocupa 18-bits de información pero tiene redundancia cíclica para evitar errores: repite cada bit de información 3 veces seguidas. Por tanto 18*3=54 bits de cabecera.
    • Addr: Dirección de origen (máximo 7 esclavos).
    • Type: tipo de trama.
    • F: Control de flujo.
    • A: ACK.
    • S: Número de secuencia.
  • Datos: puede tener hasta 2744 si es voz; si es otro tipo de datos:
    • Cabecera: 8 bits.
    • Datos: 0-2720 bits.
    • CRC: 16 bits.

Topología

Se conforma por una red punto-multipunto en la que un nodo se establece como maestro y los demás dispositivos asociados son esclavos (por ejemplo, un móvil y un altavoz bluetooth respectivamente). Cada dispositivo tiene una dirección única global de 48 bits (dirección física).

Piconet: El tipo de red básica, 1 maestro y hasta 7 esclavos activos y 255 esclavos inactivos (estado Park).

Scatternet: red formada por dos o más piconets usando un nodo esclavo como enlace (el nodo esclavo se enlaza con dos maestros a la vez). Máximo 10 piconets.

Estados

  • Standby (espera): estado inicial del dispositivo.
  • Inquiry (inspección): busca otros dispositivos.
  • Paging (paginación): proceso de conexión/asociación con el dispositivo.
  • Connection (conectado): momento de transferencia de datos. Al terminar se des-asocia ó se quedan en estados de bajo consumo de energía, a saber:
    • Sniff: esclavo y maestro se ponen de acuerdo para transmitir en slots de tiempo determinados (a menos frecuencia que de normal, lógicamente).
    • Hold: el dispositivo se queda inactivo durante un tiempo (le llegue o no información).
    • Park: sigue en la Piconet pero ya no está activo, sigue atento a la recepción de nuevos eventos por si se le solicita volver a la Piconet de forma activa. Máximo de 255 dispositivos en este estado dentro de la Piconet.

UWB – UltraWideBand

IEEE 802.15.3

Tasas de 480 Mbps.
Banda ancha de más de 7GHz (Rango de frecuencias 3.1-10.6GHz).
Límite de emisión: ‐41.3dBm/MHz (unos 10 metros a 100-250 mW).
Transmisión por impulsos en banda base sin portadora (se emite la señal de información directamente sin portadora).
Sin licencia de uso.
El principal grupo de desarrollo es la UWB Working Group.
Principales usos: Wireless USB, radares, medición de distancias, capturar imágenes de alta resolución que haya bajo tierra o tras obstáculos (Inverse synthetic aperture radar, ISAR).

Tramas

Se realiza TDMA para la compartición del medio con CSMA/CA opcional.
Se sigue una arquitectura maestro(PNC)/esclavos (Piconet).
Las tramas se generan dinámicamente creando superframes, los cuales tienen en cuenta a las Piconets vecinas (incluye selección de maestro líder). Paper que explica los problemas en los algoritmos de generación de superframes en el estándar IEEE 802.15.3.

Zigbee

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IEEE 802.15.4

Estándar para la capa física y MAC de las «Low Rate-WPAN».

Protocolo para comunicación fiable para bajo bitrate (20-250Kbps), distancias cortas (10-75m), con bajo coste y bajo consumo de energía (alimentación con pilas AA de 6 meses a 2 años).

Redes peer-to-peer (malla o estrella) max 255 nodos.
CSMA/CA
DS-SS
TDMA
Direccionamiento de 16 bits dentro de la red y de 64 bits global (dirección física).

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