IEEE 802.15.4

Az IEEE 802.15.4 olyan szabvány, amely meghatározza a fizikai réteget és a média hozzáférés-vezérlést alacsony jelerősségű és akár 480 Mbps sebességű vezeték nélküli személyi hálózatokhoz. A szabványt az IEEE 802.15 munkacsoport tartja karban . A szabvány alapján épített berendezések kis hatótávolságú eszközökre vonatkoznak. Ez az alapja a ZigBee , WirelessHART , MiWi , ISA100.11 , Thread protokolloknak , amelyek mindegyike megoldást kínál a szabvány által nem szabályozott felső rétegek építésével hálózatépítésre. Alternatív megoldásként a 6LoWPAN szabvánnyal és szabványos Internet protokollokkal együtt is használható beágyazott vezeték nélküli internet kialakításához.

Áttekintés

Az IEEE 802.15 szabvány célja, hogy hálózati alátéteket kínáljon olyan hálózatokhoz, mint például a vezeték nélküli személyi hálózatok, amelyek az alacsony költségű, kis sebességű, mindenütt jelen lévő kommunikációra összpontosítanak az eszközök között (ellentétben sok végfelhasználó-központú hálózattal, például Wi-Fi-vel ). . A hangsúly a közeli eszközökkel való kommunikáció nagyon alacsony költségén van, alapszerkezet nélkül (vagy csekély mértékben), annak érdekében, hogy eddig hallatlanul alacsony energiaszinten működjön.

A fő vételi határértéket egy 250 kbps átviteli sebességű rádiókészülék egyenértékű izotropikus sugárzott teljesítménye (EIRP) határozza meg. Oroszországban az SCRF külön engedélye nélkül is lehet rádiófrekvenciás eszközöket használni, valamint legfeljebb 100 mW EIRP-vel rendelkező készülékek engedély nélküli importjára. Kompromisszumok lehetségesek a radikálisabban beágyazott, még alacsonyabb energiaigényű eszközök javára, nem egy, hanem több fizikai réteg meghatározásával. Eredetileg alacsony, 20 és 40 kbps bitsebességet határoztak meg, a mostani újrakiadásban 100 kbps került hozzáadásra.

Még alacsonyabb bitsebesség is figyelembe vehető az alacsonyabb energiafogyasztás nettó hatására. Mint már említettük, a 802.15.4 szabvány fő megkülönböztető jellemzője a vezeték nélküli személyi hálózatok között az alacsony előállítási és üzemeltetési költségek, valamint a technológia egyszerűsége.

A legfontosabb funkciók közé tartozik a valós idejű működés az időrés-mentés révén, a párhuzamosság-megelőzés és az átfogó hálózati biztonsági támogatás. Az eszközök energiagazdálkodási funkciókat is tartalmaznak, mint például a kapcsolat minősége és az energiafelismerés. A 802.15.4-kompatibilis eszközök a három lehetséges frekvenciasáv egyikét használhatják működésükhöz.

Protokoll architektúra

Az eszközöket úgy tervezték, hogy egy elvileg egyszerű vezeték nélküli hálózaton keresztül kommunikáljanak egymással. A hálózati rétegek meghatározása az OSI hálózati modellen alapul , bár a szabványban csak az alsó rétegek vannak definiálva, a felső rétegekkel való interakció biztosított, egy logikai kapcsolatvezérlő alréteg lehetséges használatával, amely lehetővé teszi a MAC áthaladását a konvergencia alrétegen. A megvalósított eszközök külső eszközökre támaszkodhatnak, vagy egyszerűen beágyazhatók önálló eszközökként.

Fizikai réteg

A fizikai réteg végső soron adatkommunikációs szolgáltatásokat, valamint fizikai réteg menedzsment interfészt biztosít, és adatbázist biztosít a megfelelő személyes hálózatról. Így a fizikai réteg vezérli a rádió adó-vevőt, és csatorna- és energiaválasztási és jelzésvezérlési funkciókat lát el. A három lehetséges engedély nélküli rádiófrekvencia-sáv egyikében működik.

• 868,0-868,6 MHz: Európa, egy kapcsolat engedélyezett (2003, 2006)
• 902-928 MHz: Észak-Amerika, több mint tíz csatorna (2003), harmincra bővítve (2006)
• 2400-2483,5 MHz: az egész világon használják (Oroszországot is beleértve), több mint tizenhat csatorna (2003, 2006)

A szabvány eredeti, 2003-as verziója két fizikai réteget határoz meg, amelyek szélessávú közvetlen szórt moduláción alapulnak , az egyik a 868/915 MHz-es sávon működik 20 és 40 kbps-on, a másik pedig a 2450 MHz-es sávon 250 kbps-on.

A 2006-os újrakiadás megnöveli a maximális adatátviteli sebességet 868/915 MHz-en, 100 és 250 kbps sebességet is biztosítva számukra. A modulációs módszertől függően négy fizikai réteg meghatározásával is tovább megy. Ezek közül három megtartja a szélessávú modulációs megközelítést, a 868/915 MHz-es sávban a 2450 MHz-es sávban bináris és négyzetes fáziseltolásos kulcsolást is alkalmaznak (utóbbi tűnik optimálisabbnak), az utóbbit alkalmazva. Alternatív megoldásként az optimális réteget 868/915 MHz-en a bináris kódolás és az amplitúdóeltolásos kulcsozás kombinációjával határozzák meg (tehát a párhuzamos, nem pedig a soros szórás alapján). Dinamikus váltás lehetséges a támogatott 868/915 MHz-es rétegek között.

E három sávon kívül az IEEE 802.15.4c vizsgálati csoport a Kínában nemrégiben felfedezett 314-316 MHz, 430-434 MHz és 779-787 MHz sávokat is figyelembe veszi, míg az IEEE 802.15.4d munkacsoport meghatároz egy a meglévő 802.15.4-2006 szabvány módosítása az új 950-956 MHz-es sáv támogatása érdekében Japánban. A szabvány első módosításait ezek a csoportok 2009 áprilisában adták ki.

2007 augusztusában az IEEE 802.15.4a a 2006-os korai verzióban elérhető négy fizikai réteget hatra bővítette, köztük az egyik fizikai réteget, amely soros rádiótechnológiát használ az ultraszéles sávú (UWB) nagy sebességű adatátvitelhez, egy másik pedig frekvencia szórt spektrumot ( CSS). Az UWB fizikai rétege három tartományban található frekvenciákkal van kiemelve:

• 1 GHz-ig
• 3 és 5 GHz között
• 6 és 10 GHz között.

Az ISM sáv 2450 MHz-es sávjában a spektrum a CSS fizikai rétegéhez van allokálva.

2009 áprilisában az IEEE 802.15.4c és az IEEE 802.15.4d szabványok több réteg hozzáadásával bővítették ki a rendelkezésre álló fizikai rétegeket, amelyek közül az egyik további 780 MHz-es, négyzetes fáziseltolásos kulcsozás ( QPSK) vagy magasabb rendű fáziseltolás használatával. Shift Keying ( M-PSK ), egy másik 950 MHz -re Gauss -frekvencia-eltolásos kulcsozással (GFSK) vagy Bináris fáziseltolásos kulcsozással (BPSK).

Layer MAC

A hozzáférési mechanizmus rétege (Media Access Control, MAC) a MAC struktúra adattöredékeinek átvitelét végzi egy fizikai csatorna segítségével. Az információs szolgáltatások mellett interfészkezelést is kínál, és maga intézi a jelzőfények elhelyezését a csatornákon. Felügyeli a struktúratöredékek érvényesítését is, garantálja az időmegosztott többszörös hozzáférést, és kezeli a csomóponttársításokat. Végül csapdapontokat kínál a biztonsági szolgáltatások számára.

Felső rétegek

A szabvány nem határoz meg más, magasabb rétegeket és a köztes rétegek kompatibilitását. Vannak olyan specifikációk, mint például a ZigBee, amely erre a szabványra épül, hogy integrált megoldásokat kínálhasson. A TinyOS [operációs rendszer] veremek is használnak bizonyos típusú IEEE 802.15.4 hardvert.

Hálózati modell

Csomóponttípusok

A szabvány kétféle hálózati csomópontot határoz meg: az első egy teljes funkciós eszköz (FFD - Full-Function Device). Személyes hálózatok koordinátoraként, közös csomópontként is funkcionálhat. Általános kommunikációs modellt valósít meg, amely lehetővé teszi, hogy más eszközökkel beszélgessünk, üzeneteket is tud továbbítani, ebben az esetben koordinátornak (PAN koordinátornak, amikor a teljes hálózatért felelős) hívják.

A másik a csökkentett funkciójú eszköz (RFD). A definíció rendkívül egyszerű eszközöket jelent, nagyon szerény erőforrás- és hálózati igényekkel, ezért csak teljesen működőképes eszközökkel tudnak kommunikálni, koordinátorként soha nem működhetnek.

Topológiák

A hálózatok lehetnek peer-to-peer (P2P, peer-to-peer, point-to-point) vagy csillag topológiájúak. Azonban minden hálózatnak rendelkeznie kell legalább egy FFD-vel, amely hálózati koordinátorként fog működni. Így a hálózatok megfelelő távolsággal elválasztott eszközcsoportokból jönnek létre. Minden eszköz 64 bites azonosítóval rendelkezik, bizonyos esetekben 16 bites azonosító is használható a korlátozott területen belül. Így minden személyes hálózaton belül (PAN, személyes hálózat) rövid azonosítók kerülnek felhasználásra a csatlakozáshoz.

A peer-to-peer (P2P) hálózatok tetszőleges kapcsolati struktúrákat alkothatnak, és kiterjesztéseiket csak az egyes csomópontpárok közötti távolság korlátozza. Úgy tervezték, hogy alapjául szolgáljanak a vezeték nélküli önszerveződő hálózatok számára, amelyek képesek önmenedzselni és szervezni. Mivel a szabvány nem határoz meg hálózati réteget, az útválasztás közvetlenül nem támogatott, de egy ilyen további réteg támogathatja a közvetítő hálózatokat.

További topológiai megszorítások is hozzáadhatók: például a klaszterfa olyan struktúra, amelyben egy RFD egyszerre csak egy FFD-hez társítható, tehát az RFD-k kizárólag a fa levelei, és a legtöbb csomópont FFD. Lehetséges olyan hálós hálózati topológia is, amelynek csomópontjai fürtfák hálózatai, amelyekben a globális koordinátoron kívül minden klaszterhez egy helyi koordinátor is tartozik.

A strukturáltabb csillag topológia is támogatott, ahol a hálózati koordinátornak kell a központi csomópontnak lennie. Ilyen hálózat akkor jöhet létre, amikor az FFD úgy dönt, hogy létrehozza saját személyes hálózatát (PAN), és koordinátorává nyilvánítja magát, majd kiválasztja a PAN egyedi azonosítóját. Ezt követően más eszközök is csatlakozhatnak a hálózathoz, ami teljesen független a többi csillaghálózattól.

Kommunikációs architektúra

Az adattöredékek képezik az alapját az adatátvitelnek, amelyet négy fő típusban hajtanak végre: (adat-, megerősítés-, jeladó- és hozzáférési mechanizmus parancstöredékek), ésszerű egyensúlyt biztosítva az egyszerűség és a megbízhatóság között. Ezen túlmenően egy koordinátor által meghatározott szuper-fragment szerkezet is használható, amely esetben két jeladó működik a határként, és szinkronizálást biztosít más eszközökkel, valamint konfigurációs információkat. A szuperfragment tizenhat egyenlő hosszúságú slotból áll, amelyek tovább oszthatók aktív és inaktív részekre, amelyek során a koordinátor energiatakarékos üzemmódba léphet, amelyben nincs szükség hálózati vezérlésre.

A szuperfragmentum határait a CSMA/CA rendszer érvényesíti. Minden adásnak be kell fejeződnie a következő jelzőfény megjelenése előtt. Ahogy fentebb említettük, a jól meghatározott sávszélességet igénylő alkalmazások hét területet használhatnak a szuperfragmentum végén egy vagy több üres garantált többszörös hozzáférési területből. Jellemzően szuperfragmentumokat használnak alacsony késleltetésű [energia] állapotú eszközök futtatásakor, amelyek kapcsolatait fenn kell tartani, még hosszú tétlenség esetén is.

A koordinátorhoz történő adatátvitelhez beacon fázis szükséges, lehetőség szerint a CSMA/CA mód továbbításával (többszörös hozzáféréssel, ha szuperfragmenteket használnak), a nyugtázás [jel] opcionális. A koordinátortól érkező adatátvitel általában az eszközök felé irányuló kéréseket kíséri, ha beacont használnak, kérésjeleket használnak, a koordinátor nyugtázza a kérést, majd információs csomagokat küld, amelyeket az eszköz nyugtáz. Ugyanez történik, ha nem használunk szupertöredékeket, csak ebben az esetben nincsenek jeladók az információátviteli útvonalak mentésére. A peer-to-peer hálózatok CSMA/CA módot vagy szinkronizációs mechanizmusokat is használhatnak, ilyenkor két eszköz közötti kommunikáció lehetséges, míg "strukturált" módokban az egyik eszköznek hálózati koordinátornak kell lennie. Általában minden további eljáráshoz a válasz szokásos kérés-megerősítése/jelzése-besorolása társul.

Megbízhatóság és biztonság

A fizikai adathordozók a CSMA/CA protokollon keresztül szerezhetők be. A beacon mechanizmust nem használó hálózatok a sebességcsökkentési algoritmus által érintett média meghallgatásán alapuló változatot használnak, a visszaigazolások nem ezt a sorrendet követik. Az általános adatátvitel szabad helyeket használ, ahol jeladókat használnak, a folyamatot nem kíséri nyugtázás.

A megerősítő üzenetek bizonyos körülmények között opcionálisak lehetnek, ha feltételezzük a sikert. Mindenesetre, ha a készülék pillanatnyilag nem tudja feldolgozni a töredéket, egyszerűen nem nyugtázza annak átvételét: előfordulhat, hogy a szünet alapú újraküldés többször is megtörténik, majd döntés születik, hogy megszakítja vagy tovább próbálkozik.

Mivel ezekhez az eszközökhöz a tervezett hardver az akkumulátor élettartamának maximalizálását igényli, a protokollokhoz olyan módszereket választanak, amelyek ezt elősegítik a függőben lévő üzenetek időszakos ellenőrzésével, amelyek gyakorisága az alkalmazástól függ.

Ami a kapcsolatbiztonságot illeti, a MAC alréteg olyan szolgáltatásokat kínál, amelyek a felsőbb rétegekben használhatók a kívánt biztonsági szint elérése érdekében. A magasabb rétegekben lévő folyamatok kulcsokat határozhatnak meg a szimmetrikus titkosítás végrehajtásához a terhelés védelme érdekében, és eszközcsoportokra korlátozzák, vagy csak a peer-to-peer kommunikációhoz, ezek az eszközcsoportok a hozzáférés-vezérlési listákban írhatók le.

Ezenkívül a MAC kiszámítja az ellenőrzés korát az egymást követő vételek között, hogy megakadályozza a régi képkockák esetleges felszabadulását, vagy az adatok (amelyek már nem tekinthetők érvényesnek) nem kerülnek magasabb rétegekre. A biztonságos biztonsági mód mellett van egy másik nem biztonságos MAC-mód is, amely lehetővé teszi a hozzáférés-vezérlési listák használatát csak annak eldöntésére, hogy a töredékeket a kívánt forrás szerint elfogadják-e.

Jegyzetek

Linkek

• 802.15.4 Feladatcsoport
• 802.15.4z feladatcsoport
• Szerezze be az IEEE 802.15 404 nem található
• IEEE 802.15.4d-2009 szabvány
• IEEE 802.15.4c-2009 szabvány
• IEEE 802.15.4a-2007 szabvány
• IEEE 802.15.4-2006 szabvány
• IEEE 802.15.4-2003 szabvány
• 802.15.4 Erőforrások, beleértve a fehér könyveket és szószedeteket