Войти
IEEE 802.15.4 - это технический стандарт, который определяет работу низкоскоростных беспроводных персональных сетей (LR-WPAN). Он определяет физический уровень и управление доступом к среде для LR-WPAN и поддерживается рабочей группой IEEE 802.15, которая определила стандарт в 2003 году. Это основа для Zigbee, ISA100.11a, WirelessHART, MiWi, 6LoWPAN, Thread и спецификации SNAP, каждая из которых дополнительно расширяет стандарт, развивая верхние уровни, которые не определены в IEEE 802.15.4. В частности, 6LoWPAN определяет привязку для версии IPv6 Интернет-протокола (IP) через WPAN и сам используется верхними уровнями, такими как Thread.
Стандарт IEEE 802.15.4 предлагает базовые нижние сетевые уровни типа беспроводной персональной сети (WPAN), которая ориентирована на недорогую, низкоскоростную повсеместную связь между устройствами. Его можно сравнить с другими подходами, такими как Wi-Fi, которые предлагают большую пропускную способность и требуют большей мощности. Акцент делается на очень дешевую связь соседних устройств с минимальной базовой инфраструктурой или без нее, с намерением использовать это для еще большего снижения энергопотребления.
IEEE 802.15.4 - это беспроводная персональная сеть с низкой скоростью передачи данных и уровень PHY и MAC, используемый многими протоколами IoT, такими как ZigBee и WirelessHART.
Базовая структура предполагает 10-метровую дальность связи со скоростью передачи 250 кбит / с. Возможны компромиссы в пользу более радикально встроенных устройств с еще более низким энергопотреблением за счет определения не одного, а нескольких физических уровней. Первоначально были определены более низкие скорости передачи 20 и 40 кбит / с, а в текущей редакции добавлена скорость 100 кбит / с.
Можно использовать даже более низкие скорости, что приводит к снижению энергопотребления. Как уже упоминалось, основная цель IEEE 802.15.4 в отношении WPAN - это упор на достижение низких производственных и эксплуатационных затрат за счет использования относительно простых приемопередатчиков, при этом обеспечивая гибкость и адаптируемость приложений.
Ключевые особенности 802.15.4 включают:
Стек протоколов IEEE 802.15.4 Устройства предназначены для взаимодействия друг с другом в концептуально простой беспроводной сети. Определение сетевых уровней основано на модели OSI ; хотя в стандарте определены только нижние уровни, предполагается взаимодействие с верхними уровнями, возможно, с использованием подуровня управления логическим каналом IEEE 802.2, осуществляющего доступ к MAC через подуровень конвергенции. Реализации могут полагаться на внешние устройства или быть полностью встроенными, самофункциональными устройствами.
Физический уровень - это нижний уровень в эталонной модели OSI, используемой во всем мире, и уровни протоколов передают пакеты, используя его.
Физический уровень (PHY) обеспечивает услугу передачи данных. Он также предоставляет интерфейс для объекта управления физическим уровнем, который предлагает доступ ко всем функциям управления физическим уровнем и поддерживает базу данных с информацией о связанных персональных сетях. Таким образом, PHY управляет физическим радио приемопередатчик, выполняет выбор канала наряду с энергетическими и управления функциями сигнала. Он работает на одном из трех возможных нелицензионных диапазонов частот:
Исходная версия стандарта 2003 года определяет два физических уровня на основе методов расширения спектра с прямой последовательностью (DSSS): один работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростью передачи 20 и 40 кбит / с, а другой - в диапазоне 2450 МГц. со скоростью 250 кбит / с.
В редакции 2006 года улучшены максимальные скорости передачи данных в диапазонах 868/915 МГц, в результате чего они также стали поддерживать 100 и 250 кбит / с. Более того, он определяет четыре физических уровня в зависимости от используемого метода модуляции. Три из них сохраняют подход DSSS: в диапазонах 868/915 МГц с использованием либо двоичной, либо квадратурной фазовой манипуляции со смещением QPSK (вторая из которых является необязательной); в диапазоне 2450 МГц с использованием QPSK.
Необязательный альтернативный уровень 868/915 МГц определяется с использованием комбинации двоичной манипуляции и амплитудной манипуляции (таким образом, основанной на параллельном, а не последовательном расширенном спектре, PSSS ). Возможно динамическое переключение между поддерживаемыми 868/915 МГц PHY.
Помимо этих трех диапазонов, исследовательская группа IEEE 802.15.4c рассмотрела недавно открытые диапазоны 314–316 МГц, 430–434 МГц и 779–787 МГц в Китае, а целевая группа 4d IEEE 802.15 определила поправку к 802.15.4- 2006 г. для поддержки нового диапазона 950–956 МГц в Японии. Первые поправки к стандартам, внесенные этими группами, были выпущены в апреле 2009 года.
В августе 2007 года был выпущен стандарт IEEE 802.15.4a, в котором четыре PHY, доступные в более ранней версии 2006 года, были расширены до шести, включая один PHY с использованием сверхширокополосной связи Direct Sequence (UWB), а другой - с использованием спектра расширенного частотного модуляции (CSS). СШП PHY распределяет частоты в трех диапазонах: ниже 1 ГГц, от 3 до 5 ГГц и от 6 до 10 ГГц. CSS PHY распределяется в диапазоне ISM 2450 МГц.
В апреле 2009 года были выпущены IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d, расширяющие доступные PHY несколькими дополнительными PHY: один для диапазона 780 МГц с использованием O-QPSK или MPSK, другой для 950 МГц с использованием GFSK или BPSK.
IEEE 802.15.4e был учрежден для определения поправки MAC к существующему стандарту 802.15.4-2006, который использует стратегию переключения каналов для улучшения поддержки промышленных рынков, повышения устойчивости к внешним помехам и постоянным многолучевым замираниям. 6 февраля 2012 г. Совет ассоциации стандартов IEEE одобрил стандарт IEEE 802.15.4e, который завершил все усилия Целевой группы 4e.
Управление доступом к среде (MAC) позволяет передавать кадры MAC посредством использования физического канала. Помимо службы данных, он предлагает интерфейс управления и сам управляет доступом к физическому каналу и сетевым маякам. Он также управляет проверкой кадров, гарантирует временные интервалы и обрабатывает ассоциации узлов. Наконец, он предлагает точки подключения для безопасных сервисов.
Обратите внимание, что стандарт IEEE 802.15 не использует 802.1D или 802.1Q, т. Е. Не обменивается стандартными кадрами Ethernet. Физический формат кадра указан в IEEE802.15.4-2011 в разделе 5.2. Он адаптирован к тому факту, что большинство PHY IEEE 802.15.4 поддерживают только кадры размером до 127 байт (протоколы уровня адаптации, такие как 6LoWPAN, предоставляют схемы фрагментации для поддержки более крупных пакетов сетевого уровня).
В стандарте не определены уровни более высокого уровня и подуровни взаимодействия. Другие спецификации, такие как ZigBee, SNAP и 6LoWPAN / Thread, основаны на этом стандарте. Операционные системы RIOT, OpenWSN, TinyOS, Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki и Zephyr также используют несколько элементов оборудования и программного обеспечения IEEE 802.15.4.
Стандарт определяет два типа сетевых узлов.
Первый - это полнофункциональное устройство (FFD). Он может служить координатором личной сети, так же как и общим узлом. Он реализует общую модель связи, которая позволяет ему общаться с любым другим устройством: он также может ретранслировать сообщения, и в этом случае он называется координатором (координатор PAN, когда он отвечает за всю сеть).
С другой стороны, есть устройства с ограниченной функциональностью (RFD). Это должны быть чрезвычайно простые устройства с очень скромными требованиями к ресурсам и связи; из-за этого они могут общаться только с FFD и никогда не могут выступать в качестве координаторов.
Звезда IEEE 802.15.4 и одноранговая связь 
Кластерное дерево IEEE 802.15.4 Сети могут быть одноранговыми или звездообразными. Однако каждой сети требуется по крайней мере один FFD для работы в качестве координатора сети. Таким образом, сети образуются группами устройств, разделенными подходящими расстояниями. Каждое устройство имеет уникальный 64-битный идентификатор, и при соблюдении некоторых условий короткие 16-битные идентификаторы могут использоваться в ограниченной среде. А именно, внутри каждого домена PAN для связи, вероятно, будут использоваться короткие идентификаторы.
Одноранговые (или двухточечные) сети могут образовывать произвольные шаблоны соединений, и их расширение ограничивается только расстоянием между каждой парой узлов. Они предназначены для использования в качестве основы для специальных сетей, способных выполнять самоуправление и организацию. Поскольку стандарт не определяет сетевой уровень, маршрутизация не поддерживается напрямую, но такой дополнительный уровень может добавить поддержку для многозвенной связи. Могут быть добавлены дополнительные топологические ограничения; в стандарте дерево кластеров упоминается как структура, которая использует тот факт, что RFD может быть связан только с одним FFD за раз, чтобы сформировать сеть, где RFD являются исключительно листьями дерева, а большинство узлов являются FFD. Структура может быть расширена до типовой ячеистой сети, узлами которой являются сети кластерного дерева с локальным координатором для каждого кластера в дополнение к глобальному координатору.
Также поддерживается более структурированный звездообразный паттерн, где координатором сети обязательно будет центральный узел. Такая сеть может возникнуть, когда FFD решит создать свою собственную PAN и объявить себя ее координатором после выбора уникального идентификатора PAN. После этого другие устройства могут присоединиться к сети, которая полностью независима от всех других звездообразных сетей.
Кадры - это основная единица передачи данных, из которых существует четыре основных типа (кадры данных, подтверждения, маяка и командные кадры MAC), которые обеспечивают разумный компромисс между простотой и надежностью. Кроме того, может использоваться структура суперкадра, определенная координатором, и в этом случае два маяка действуют как ее пределы и обеспечивают синхронизацию с другими устройствами, а также информацию о конфигурации. Суперкадр состоит из шестнадцати пазов одинаковой длины, которые могут быть дополнительно разделены на активную часть и неактивную часть, в ходе которой координатор может перейти в режим экономии энергии, а не необходимости контролировать свою сеть.
В сверхциклах раздор происходит между их границами, и решается CSMA / CA. Каждая передача должна заканчиваться до прибытия второго радиомаяка. Как упоминалось ранее, приложения с четко определенными потребностями в полосе пропускания могут использовать до семи доменов из одного или нескольких бесконкурентных гарантированных временных интервалов, заканчивающихся в конце суперкадра. Первая часть суперкадра должна быть достаточной для обслуживания сетевой структуры и ее устройств. Суперкадры обычно используются в контексте устройств с малой задержкой, связи которых должны сохраняться, даже если они неактивны в течение длительных периодов времени.
Для передачи данных координатору требуется фаза синхронизации маяка, если применимо, за которой следует передача CSMA / CA (с помощью слотов, если используются суперкадры); подтверждение не является обязательным. Передача данных от координатора обычно осуществляется после запросов устройств: если маяки используются, они используются для сигнализации запросов; координатор подтверждает запрос, а затем отправляет данные в пакетах, которые подтверждаются устройством. То же самое происходит, когда суперкадры не используются, только в этом случае нет маяков для отслеживания ожидающих сообщений.
Сети точка-точка могут использовать либо CSMA / CA без временных интервалов, либо механизмы синхронизации; в этом случае возможна связь между любыми двумя устройствами, тогда как в «структурированных» режимах одно из устройств должно быть координатором сети.
В общем, все реализованные процедуры следуют типичной классификации запрос-подтверждение / индикация-ответ.
Доступ к физическому носителю осуществляется через протокол CSMA / CA. Сети, которые не используют механизмы передачи маяков, используют вариант без временных интервалов, который основан на прослушивании среды, усиленном алгоритмом случайной экспоненциальной задержки ; благодарности не придерживаются этой дисциплины. Обычная передача данных использует нераспределенные слоты, когда используется маяковая передача; опять же, подтверждения не следуют одному и тому же процессу.
Подтверждающие сообщения могут быть необязательными при определенных обстоятельствах, и в этом случае делается предположение об успехе. В любом случае, если устройство не может обработать кадр в заданное время, оно просто не подтверждает его прием: повторная передача на основе тайм-аута может выполняться несколько раз, после чего следует решение о том, прервать или продолжить попытку..
Поскольку прогнозируемая среда этих устройств требует максимального увеличения срока службы батареи, протоколы склонны отдавать предпочтение методам, которые к этому приводят, реализуя периодические проверки ожидающих сообщений, частота которых зависит от потребностей приложения.
Что касается защищенной связи, подуровень MAC предлагает средства, которые могут использоваться верхними уровнями для достижения желаемого уровня безопасности. Процессы более высокого уровня могут указывать ключи для выполнения симметричной криптографии, чтобы защитить полезную нагрузку и ограничить ее группой устройств или только двухточечным каналом; эти группы устройств можно указать в списках контроля доступа. Кроме того, MAC вычисляет проверки актуальности между последовательными приемами, чтобы гарантировать, что предположительно старые кадры или данные, которые больше не считаются действительными, не перейдут на более высокие уровни.
В дополнение к этому безопасному режиму существует еще один, небезопасный режим MAC, который позволяет спискам управления доступом просто как средство принятия решения о приеме кадров в соответствии с их (предполагаемым) источником.
