IEEE 802.15.4 — стандарт, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем мощности сигнала и скоростями до 480 Мбит/с. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15. Аппаратура, построенная на базе данного стандарта, относится к устройствам малого радиуса действия. Является базовой основой для протоколов ZigBee, WirelessHART, MiWi, ISA100.11, , каждый из которых, в свою очередь, предлагает решение для построения сетей посредством постройки верхних слоёв, которые не регламентируются стандартом. В качестве альтернативы он может быть использован совместно со стандартом 6LoWPAN и стандартными протоколами Интернета для построения встроенного беспроводного Интернета.
Обзор Цель стандарта IEEE 802.15 — предложить нижние слои основания сети для сетей типа беспроводных персональных сетей, ориентированных на низкую стоимость, низкую скорость повсеместной связи между устройствами (по контрасту с многими более конечно-ориентированными на пользователя сетями, как например Wi-Fi). Акцент делается на очень низкой стоимости связи с ближайшими устройствами, совсем без базовой структуры (или с небольшой), с целью эксплуатации на доселе небывалом низком уровне энергии.
Основной предел приёма определяется эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) радиоустройства со скоростью передачи 250 кбит/с. В России возможно использование радиоустройств без получения отдельных разрешений ГКРЧ на использование радиочастот, а также на безлицензионный ввоз устройств с максимальной ЭИИМ 100 мВт. Компромиссы возможны в пользу более радикально встраиваемых устройств с ещё более низкой потребностью в энергии путём определения не одного, а нескольких физических уровней. Первоначально были определены низкие скорости передачи в 20 и 40 кбит/с, скорость в 100 кбит/с была добавлена в текущем перевыпуске.
Ещё более низкие скорости передачи могут быть рассмотрены с результирующим эффектом снижения энергопотребления. Как уже упоминалось, главной отличительной особенностью стандарта 802.15.4 среди беспроводных персональных сетей является низкая стоимость производства и расходов по эксплуатации, простота технологии.
В ряду важнейших функций находятся обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как качество соединений и детектирование энергии. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства могут использовать одну из трёх возможных частотных полос для работы.
Архитектура протокола Устройства разработаны с целью взаимодействовать друг с другом посредством понятийной простой беспроводной сети. Определение слоёв сети основано на сетевой модели OSI, хотя только нижние слои определены в стандарте, взаимодействие с верхними слоями предусматривается, с возможным использованием подуровня управления логической связью, допуская МАС сквозь подуровень сходимости. Реализованные устройства могут полагаться на внешние устройства или быть просто встроены как самостоятельно функционирующие устройства.
Физический слой Физический слой, в конечном счете, предоставляет услуги передачи данных, также как и интерфейс организации управления физическим слоем и обеспечивает базу данных информации соответствующей персональной сети. Таким образом физический слой управляет трансиверной радиостанцией и выполняет выбор каналов и энергии и сигнальные функции управления. Он действует в одной из трёх возможных нелицензируемых радиочастотных полосах.
868,0—868,6 МГц: Европа, разрешается один канал связи (2003, 2006) 902—928 МГц: Северная Америка, свыше десяти каналов (2003), расширено до тридцати (2006) 2400—2483,5 МГц: используется во всём мире (в том числе и в России), свыше шестнадцати каналов (2003, 2006)
Первоначальная версия 2003 стандарта определяет два физических слоя, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра, один работает на полосе 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а другой — на полосе 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с.
Перевыпуск 2006 повышает максимальные скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц, также придавая им скорости в 100 и 250 кбит/с. Кроме того, он идёт дальше, определяя четыре физических уровня в зависимости от метода модуляции. Три из них сохраняют подход широкополосной модуляции, в диапазоне 868/915 МГц используются как двоичная, так и квадратурная фазовая манипуляция (последняя выглядит более оптимальной) в диапазоне 2450 МГц, с помощью последнего. Как альтернатива, оптимальный слой на частоте 868/915 МГц определяется, используя комбинацию двоичного кодирования и амплитудной манипуляции (таким образом, на основе параллельного, а не последовательного расширения спектра). Возможно динамическое переключение между поддерживаемыми слоями 868/915 МГц.
Кроме этих трёх диапазонов, исследовательская группа IEEE 802.15.4c принимает во внимание недавно открытые диапазоны 314—316 МГц, 430—434 МГц, и 779—787 МГц в Китае, в то время как целевая группа IEEE 802.15.4d определяет поправку к существующему стандарту 802.15.4-2006, чтобы поддерживать новый диапазон 950—956 МГц в Японии. Первые поправки к стандарту, внесённые этими группами, были выпущены в апреле 2009.
В августе 2007 IEEE 802.15.4a расширила четыре физических слоя, доступных в ранней версии 2006, до шести, включая один физический слой, использующий последовательную радиотехнологию для высокоскоростной передачи данных Ultra-wideband (UWB) и другую, использующую частотное расширение спектра (CSS). Физический слой UWB выделен частотами в трёх диапазонах: до 1 ГГц между 3 и 5 ГГц между 6 и 10 ГГц. На физический слой CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц диапазона ISM.
В апреле 2009 стандарты IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d расширили доступные физические слои, добавив несколько слоёв, один из добавочных для частоты 780 МГц, используя квадратурную фазовую манипуляцию (Quadrature phase-shift keying, QPSK) или фазовую манипуляцию более высоких порядков (M-PSK), другую — для частоты 950 МГц, используя гауссовскую частотную манипуляцию (Gaussian frequency-shift keying, GFSK) или двоичную фазовую манипуляцию (Binary phase-shift keying, BPSK).
Слой MAC Слой механизма доступа (Media Access Control, МАС) осуществляет передачу фрагментов данных структуры МАС посредством использования физического канала. Кроме информационных услуг, он предлагает управление интерфейсом и сам по себе управляет размещением маячков на каналах. Он также контролирует проверку фрагментов структуры, гарантирует множественный доступ с разделением по времени и управляет связями узлов. Наконец, он предлагает точки-ловушки для услуг безопасности.
Высшие слои Стандарт не определяет других, более высоких слоёв и совместимости промежуточных слоёв. Существуют спецификации, такие как ZigBee, построенные на данном стандарте для того, чтобы предлагать интегральные решения. Стеки [операционной системы] TinyOS также используют некоторые виды аппаратного обеспечения IEEE 802.15.4.
Модель сети
Типы узлов Стандарт определяет два типа узлов сети:
полнофункциональное устройство (, FFD). Может работать в любой топологии, выступать в роли координатора сети (PAN-координатор) и коммуницировать с любыми устройствами в PAN; реализует общую модель связи, включая возможность ретрансляции сообщений, если действует как координатор. устройство с облегчёнными функциями (, RFD). Это простые устройства с минимальными ресурсами и требованиями к сети: ограничены только топологией «звезда», не могут быть координаторами и общаются исключительно с FFD.
Роль PAN-координатора PAN-координатор — всегда FFD. Он отвечает за создание и управление PAN: передаёт сетевые маяки, хранит информацию об узлах, управляет суперфреймом и синхронизацией. В отличие от узлов на батарейном питании, PAN-координатор, как правило, питается от электросети и постоянно активно принимает передачи, не уходя в спящие режимы.
Топологии Сети могут иметь две базовые формы организации:
Звезда — центральным узлом является FFD-координатор; все сообщения между узлами проходят через него. Одноранговая сеть (P2P, также именуемая mesh) — устройства могут напрямую связываться друг с другом на основании дальности. Формируются произвольные сетевые структуры, но сам стандарт не определяет маршрутизацию — это задача вышестоящих протоколов.
Дополнительно стандарт упоминает структурированные топологии:
Кластерное дерево — RFD привязан только к одному FFD, становятся листьями, в то время как FFD образуют ядро сети. Ячеистая (mesh) топология — сети из нескольких кластерных деревьев с локальными координаторами и глобальным PAN-координатором.
Сложные топологии и маршрутизация обеспечиваются на уровне надстроек (Zigbee, 6LoWPAN, Thread и другие).
Адресация и широковещание Каждое устройство получает 64-битный уникальный идентификатор; внутри PAN может использоваться 16-битный короткий адрес. Для широковещательной рассылки назначается специальный PAN-ID 0xFFFF — он направляет пакет всем узлам внутри PAN.
Питание и энергосбережение RFD (и маломощные FFD), как правило, питаются от батареи или от энерго-сборки (energy harvesting) и могут находиться в режиме глубокого сна, просыпаясь лишь для обмена данными. Это значительно снижает расход энергии в узлах. В то же время PAN-координатор обычно подключён к сети, остаётся постоянно активным и обеспечивает управление и синхронизацию PAN.
Архитектура передачи данных Фрагменты данных — основа для передачи данных, которая осуществляется по четырём основным типам: (данные, подтверждение, маячок и фрагменты команд механизма доступа), обеспечивающей разумный баланс между простотой и надежностью. Вдобавок может использоваться суперфрагментная структура определяемая координатором, в этом случае два маячка действуют как её пределы и обеспечивают синхронизацию других устройств, также как и информацию о конфигурации. Суперфрагмент состоит из шестнадцати слотов одинаковой длины, которые могут быть в дальнейшем разделены на активную и неактивную части, в ходе [выполнения] которых координатор может входить в энергосохраняющий режим, в котором не требуется контроль сети.
Утверждение пределов суперфрагментов производится системой CSMA/CA. Каждая передача должна заканчиваться перед появлением последующего маячка. Как упоминалось выше приложения нуждающиеся в чётко определённой широте диапазона могут использовать семь областей из одной или более бессодержательных гарантированных областей множественного доступа идущих в конце суперфрагмента. Обычно суперфрагменты используются при работе устройств с низким скрытым [энерго]состоянием, чьи связи должны сохраняться, даже в течение долгого периода неактивности.
Передачи данных к координатору требуют фазы маячковой синхронизации, посредством передачи режима CSMA/CA, если это возможно (с помощью множественного доступа, если используются суперфрагменты), [сигнал] подтверждения необязателен. Передача данных от координатора обычно сопровождает запросы к устройствам, если маячки используются, то используются сигналы-запросы, координатор подтверждает запрос и затем посылает информационные пакеты, которые подтверждаются устройством. То же происходит, если суперфрагменты не используются, только в этом случае нет маячков, чтобы сохранять пути передачи информации. Одноранговые сети могут также использовать режим CSMA/CA или механизмы синхронизации, в этом случае связь между двумя устройствами возможна, в то время как в «структурированных» режимах одно из устройств должно быть координатором сети. В общем все последующие процедуры сопровождаются обычным запросом-подтверждением/индикацией-классификацией ответа.
Надёжность и безопасность