ИЭЭЭ 802.15.4

IEEE 802.15.4 — это технический стандарт, определяющий работу низкоскоростной беспроводной персональной сети ( LR-WPAN ). Он определяет физический уровень и управление доступом к среде передачи для LR-WPAN и поддерживается рабочей группой IEEE 802.15 , которая определила стандарт в 2003 году. ^{[ 1 ]} Это основа Zigbee . ^{[ 2 ]} ИСА100.11а , ^{[ 3 ]} Спецификации WirelessHART , MiWi , 6LoWPAN , Thread , Matter и SNAP , каждая из которых еще больше расширяет стандарт за счет развития верхних уровней , которые не определены в IEEE 802.15.4. В частности, 6LoWPAN определяет привязку для IPv6 версии Интернет-протокола (IP) через WPAN и сам используется верхними уровнями, такими как Thread .

Обзор

Стандарт IEEE 802.15.4 предназначен для предоставления фундаментальных нижних сетевых уровней типа беспроводной персональной сети (WPAN), которая ориентирована на недорогую и низкоскоростную повсеместную связь между устройствами. Его можно сравнить с другими подходами, такими как Wi-Fi , который предлагает большую пропускную способность и требует больше энергии. Акцент делается на очень низкой стоимости связи близлежащих устройств практически без базовой инфраструктуры, намереваясь использовать это для еще большего снижения энергопотребления.

Базовая структура предполагает дальность связи 10 метров при прямой видимости со скоростью передачи 250 кбит/с. Можно пойти на компромисс в отношении пропускной способности в пользу более радикально встраиваемых устройств с еще меньшими требованиями к питанию для увеличения времени работы от батареи за счет определения не одного, а нескольких физических уровней. Первоначально были определены более низкие скорости передачи данных - 20 и 40 кбит/с, а в текущей версии была добавлена скорость 100 кбит/с.

Можно использовать еще более низкие скорости, что приводит к снижению энергопотребления. Как уже упоминалось, основная цель IEEE 802.15.4 в отношении WPAN — акцент на достижении низких производственных и эксплуатационных затрат за счет использования относительно простых приемопередатчиков, обеспечивая при этом гибкость и адаптируемость приложений.

Ключевые особенности 802.15.4 включают в себя:

Пригодность для приложений реального времени с резервированием гарантированных временных интервалов (GTS).
Предотвращение столкновений через CSMA/CA
Интегрированная поддержка безопасной связи
Функции управления питанием для настройки компромиссных значений скорости и качества соединения, а также обнаружения энергии.
Поддержка приложений, чувствительных ко времени и скорости передачи данных, благодаря возможности работать в режимах доступа CSMA/CA или TDMA . Режим работы TDMA поддерживается посредством функции GTS стандарта. ^{[ 4 ]}
Устройства, соответствующие стандарту IEEE 802.15.4, могут использовать для работы один из трех возможных диапазонов частот (868/915/2450 МГц).

Архитектура протокола

Устройства предназначены для взаимодействия друг с другом через концептуально простую беспроводную сеть . Определение сетевых уровней основано на модели OSI ; хотя в стандарте определены только нижние уровни, предполагается взаимодействие с верхними уровнями, возможно, с использованием IEEE 802.2, подуровня управления логическим каналом осуществляющего доступ к MAC через подуровень конвергенции. Реализации могут полагаться на внешние устройства или быть чисто встроенными, самофункционирующими устройствами.

Физический уровень

Физический уровень — это нижний уровень эталонной модели OSI, используемой во всем мире, и уровни протоколов передают пакеты, используя его.

Физический уровень (PHY) обеспечивает услугу передачи данных. Он также обеспечивает интерфейс для объекта управления физическим уровнем , который предлагает доступ ко всем функциям управления физическим уровнем и поддерживает базу данных информации о связанных персональных сетях. Таким образом, PHY управляет физическим радиопередатчиком , выполняет выбор канала наряду с функциями управления энергией и сигналом. Он работает в одном из трех возможных нелицензионных диапазонов частот:

868,0–868,6 МГц: Европа, разрешен один канал связи (2003, 2006, 2011 гг.). ^{[ 5 ]})
902–928 МГц: Северная Америка, первоначально разрешалось использовать до десяти каналов (2003 г.), но с тех пор было расширено до тридцати (2006 г.).
2400–2483,5 МГц: использование по всему миру, до шестнадцати каналов (2003, 2006 гг.)

Первоначальная версия стандарта 2003 года определяет два физических уровня, основанных на методах расширения спектра прямой последовательностью (DSSS): один работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростями передачи 20 и 40 кбит/с, а другой - в диапазоне 2450 МГц. со скоростью 250 кбит/с.

Версия 2006 года улучшает максимальные скорости передачи данных в диапазонах 868/915 МГц, в результате чего они также поддерживают 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 смещенной квадратурной фазовой манипуляции (QPSK; вторая из которых является необязательной); в диапазоне 2450 МГц с использованием QPSK.

Дополнительный альтернативный уровень 868/915 МГц определяется с использованием комбинации двоичной манипуляции и амплитудной манипуляции (таким образом, на основе параллельного, а не последовательного расширения спектра; PSSS ). Возможно динамическое переключение между поддерживаемыми PHY 868/915 МГц.

Помимо этих трех диапазонов, исследовательская группа IEEE 802.15.4c рассмотрела недавно открытые в Китае диапазоны 314–316 МГц, 430–434 МГц и 779–787 МГц, а рабочая группа 4d IEEE 802.15 определила поправку к 802.15.4- 2006 г. для поддержки нового диапазона 950–956 МГц в Японии. Первые стандартные поправки этих групп были выпущены в апреле 2009 года.

В августе 2007 года расширяющий был выпущен стандарт IEEE 802.15.4a, четыре PHY, доступные в более ранней версии 2006 года, до шести, включая один PHY, использующий сверхширокополосную связь с прямой последовательностью (UWB), и другой, использующий расширенный спектр ЛЧМ (CSS). PHY UWB распределяет частоты в трех диапазонах: ниже 1 ГГц, от 3 до 5 ГГц и от 6 до 10 ГГц. CSS PHY выделен спектр в диапазоне ISM 2450 МГц. ^{[ 6 ]}

В апреле 2009 г. 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, ^{[ 7 ]} другой для 950 МГц с использованием GFSK или BPSK . ^{[ 8 ]}

IEEE 802.15.4e был создан для определения поправки MAC к существующему стандарту 802.15.4-2006, которая принимает стратегию переключения каналов для улучшения поддержки промышленного рынка. Переключение каналов повышает устойчивость к внешним помехам и постоянным замираниям из-за многолучевого распространения. 6 февраля 2012 года Совет Ассоциации стандартов IEEE утвердил стандарт IEEE 802.15.4e, что завершило все усилия Целевой группы 4e.

MAC-уровень

Управление доступом к среде (MAC) обеспечивает передачу кадров MAC посредством использования физического канала. Помимо службы передачи данных, он предлагает интерфейс управления и сам управляет доступом к физическому каналу и сетевому маяку . Он также контролирует проверку кадров, гарантирует временные интервалы и обрабатывает ассоциации узлов. Наконец, он предлагает точки подключения для безопасных услуг.

Обратите внимание, что стандарт IEEE 802.15 не использует 802.1D или 802.1Q; т. е. он 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 IETF, предоставляют схемы фрагментации для поддержки более крупных пакетов сетевого уровня).

Высшие слои

В стандарте не определены уровни более высокого уровня или 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 некоторые компоненты аппаратного и программного обеспечения IEEE 802.15.4.

Сетевая модель

Типы узлов

Стандарт определяет два типа сетевых узлов.

Первый из них — полнофункциональное устройство (FFD). Он может служить координатором персональной сети, а также функционировать как общий узел. Он реализует общую модель связи, которая позволяет ему общаться с любым другим устройством: он также может ретранслировать сообщения, и в этом случае его называют координатором (координатор PAN, когда он отвечает за всю сеть).

С другой стороны, существуют устройства с ограниченной функциональностью (RFD). Это чрезвычайно простые устройства с очень скромными требованиями к ресурсам и связи; из-за этого они могут общаться только с ФФД и никогда не могут выступать в качестве координаторов.

Топологии

Сети могут быть построены как одноранговые, так и в виде звездообразной сети. Однако каждой сети необходим хотя бы один FFD, чтобы работать в качестве координатора сети. Таким образом, сети формируются группами устройств, разделенных подходящими расстояниями. Каждое устройство имеет уникальный 64-битный идентификатор, и при соблюдении некоторых условий в ограниченной среде можно использовать короткие 16-битные идентификаторы. А именно, внутри каждого домена PAN для связи, вероятно, будут использоваться короткие идентификаторы.

Одноранговые (или двухточечные) сети могут формировать произвольные шаблоны соединений, а их расширение ограничивается только расстоянием между каждой парой узлов. Они призваны служить основой для специальных сетей, способных осуществлять самоуправление и организацию. Поскольку стандарт не определяет сетевой уровень, маршрутизация напрямую не поддерживается, но такой дополнительный уровень может добавить поддержку многопереходной 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 одновременно, чтобы сформировать сеть, в которой RFD являются исключительно листьями дерева, а большинство узлов являются FFD. Структура может быть расширена до общей ячеистой сети , узлами которой являются сети кластерного дерева с локальным координатором для каждого кластера в дополнение к глобальному координатору.

Также поддерживается более структурированная схема «звезда» , где координатор сети обязательно будет центральным узлом. Такая сеть может возникнуть, когда FFD решает создать свой собственный PAN и объявить себя его координатором после выбора уникального идентификатора PAN. После этого к сети, которая полностью независима от всех остальных звездных сетей, могут присоединиться другие устройства.

Архитектура транспортировки данных

Кадры — это базовая единица передачи данных, из которых существует четыре основных типа (кадры данных, подтверждения, маяка и кадры команд 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 ограничения и обеспечивают синхронизацию с другими устройствами, а также информацию о конфигурации. Суперкадр состоит из шестнадцати слотов одинаковой длины, которые можно дополнительно разделить на активную часть и неактивную часть, во время которых координатор может перейти в режим энергосбережения без необходимости управлять своей сетью.

Внутри суперкадров возникает конфликт между их пределами и разрешается с помощью CSMA/CA . Каждая передача должна завершиться до прибытия второго маяка. Как упоминалось ранее, приложения с четко определенными потребностями в полосе пропускания могут использовать до семи доменов одного или нескольких гарантированных бесконкурентных временных интервалов, завершающихся в конце суперкадра. Первой части суперкадра должно быть достаточно для обслуживания сетевой структуры и ее устройств. Суперкадры обычно используются в контексте устройств с малой задержкой, чьи ассоциации должны сохраняться, даже если они неактивны в течение длительных периодов времени.

Передача данных координатору требует фазы синхронизации маяка, если это применимо, за которой следует передача CSMA/CA (посредством слотов, если используются суперкадры); подтверждение не является обязательным. Передача данных от координатора обычно следует за запросами устройства: если используются маяки, они используются для сигнализации запросов; координатор подтверждает запрос, а затем отправляет данные пакетами, которые подтверждаются устройством. То же самое делается, когда суперкадры не используются, только в этом случае нет маяков для отслеживания ожидающих сообщений.

Сети «точка-точка» могут использовать либо CSMA/CA без слотов , либо механизмы синхронизации; при этом возможна связь между любыми двумя устройствами, тогда как в «структурированных» режимах одно из устройств должно быть координатором сети.

В целом все реализованные процедуры соответствуют типичной классификации запрос-подтверждение/индикация-ответ.

Надежность и безопасность

Доступ к физической среде осуществляется посредством метода доступа CSMA/CA . Сети, в которых не используются механизмы передачи маяков, используют вариант без слотов, основанный на прослушивании среды с использованием алгоритма случайной экспоненциальной задержки ; Благодарности не соответствуют этой дисциплине. При общей передаче данных используются нераспределенные слоты, когда используется маяк; 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 данный момент, оно просто не подтверждает его прием: повторная передача по таймауту может выполняться несколько раз, после чего принимается решение о том, прервать или продолжить попытку. .

Поскольку прогнозируемая среда этих устройств требует максимального увеличения срока службы батареи, протоколы склонны отдавать предпочтение методам, которые приводят к этому, реализуя периодические проверки ожидающих сообщений, частота которых зависит от потребностей приложения.

Что касается безопасной связи, подуровень MAC предлагает средства, которые могут быть использованы 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 просто каналом «точка-точка»; 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 использовать списки контроля доступа. ^{[ 2 ]} просто как средство принятия решения о принятии кадров в соответствии с их (предполагаемым) источником.

См. также

Ссылки

^ IEEE 802.15 WPAN™, Целевая группа 4, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
^ Перейти обратно: ^а ^б Гаскон, Давид (5 февраля 2009 г.). «Безопасность в сетях 802.15.4 и ZigBee» . Архивировано из оригинала 19 марта 2012 года . Проверено 9 декабря 2010 г.
^ «Домашняя страница комитета ISA100» . Проверено 20 июля 2011 г.
^ А. Мишра, К. На и Д. Розенберг, «О планировании гарантированных временных интервалов для чувствительных к времени транзакций в сетях IEEE 802.15.4», MILCOM 2007 - Конференция по военной связи IEEE, Орландо, Флорида, США, 2007, стр. 1 -7. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4455149/
^ Стандарт IEEE 802.15.4-2011 8.1.2.2
^ Компьютерное общество IEEE (31 августа 2007 г.). Стандарт IEEE 802.15.4a-2007
^ Компьютерное общество IEEE (17 апреля 2009 г.). Стандарт IEEE 802.15.4c-2009
^ Компьютерное общество IEEE (17 апреля 2009 г.). Стандарт IEEE 802.15.4d-2009

Внешние ссылки

[1] IEEE 802.15 WPAN™, Целевая группа 4, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html

[Zigbee-2] Перейти обратно: ^а ^б Гаскон, Давид (5 февраля 2009 г.). «Безопасность в сетях 802.15.4 и ZigBee» . Архивировано из оригинала 19 марта 2012 года . Проверено 9 декабря 2010 г.

[ISA100-3] «Домашняя страница комитета ISA100» . Проверено 20 июля 2011 г.

[4] А. Мишра, К. На и Д. Розенберг, «О планировании гарантированных временных интервалов для чувствительных к времени транзакций в сетях IEEE 802.15.4», MILCOM 2007 - Конференция по военной связи IEEE, Орландо, Флорида, США, 2007, стр. 1 -7. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4455149/

[5] Стандарт IEEE 802.15.4-2011 8.1.2.2

[6] Компьютерное общество IEEE (31 августа 2007 г.). Стандарт IEEE 802.15.4a-2007

[7] Компьютерное общество IEEE (17 апреля 2009 г.). Стандарт IEEE 802.15.4c-2009

[8] Компьютерное общество IEEE (17 апреля 2009 г.). Стандарт IEEE 802.15.4d-2009

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]