ZigBee es un 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 vídeo.
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
