IEEE 802.15.4 — это технический стандарт, определяющий работу низкоскоростной беспроводной персональной сети ( 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. [1] Он является основой для спецификаций Zigbee , [2] ISA100.11a , [3] WirelessHART , MiWi , 6LoWPAN , Thread , Matter и SNAP , каждая из которых дополнительно расширяет стандарт, разрабатывая 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 предназначен для предоставления фундаментальных нижних сетевых уровней типа беспроводной персональной сети (WPAN), которая фокусируется на недорогой, низкоскоростной повсеместной связи между устройствами. Его можно противопоставить другим подходам, таким как Wi-Fi , который предлагает большую пропускную способность и требует больше энергии. Акцент делается на очень дешевой связи близлежащих устройств с небольшой или отсутствующей базовой инфраструктурой, намереваясь использовать это для еще большего снижения энергопотребления.
Базовая структура предполагает 10-метровый диапазон связи в пределах прямой видимости при скорости передачи данных 250 кбит/с. Возможны компромиссы пропускной способности в пользу более радикально встроенных устройств с еще более низкими требованиями к питанию для увеличения времени работы 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 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 — акцент на достижении низких производственных и эксплуатационных расходов за счет использования относительно простых трансиверов, при этом обеспечивая гибкость и адаптивность приложений.
Ключевые функции 802.15.4 включают в себя:
Устройства предназначены для взаимодействия друг с другом по 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 логического подуровня управления каналом IEEE 802.2, получающего доступ к MAC через подуровень конвергенции. Реализации могут полагаться на внешние устройства или быть чисто встроенными, самофункционирующимися устройствами.
Физический уровень является нижним уровнем в эталонной модели OSI, используемой во всем мире, и протокольные уровни передают пакеты с его помощью.
Физический уровень (PHY) обеспечивает услугу передачи данных. Он также предоставляет интерфейс к сущности управления физическим уровнем , которая предлагает доступ к каждой функции управления физическим уровнем и поддерживает базу данных информации о связанных персональных сетях. Таким образом, PHY управляет физическим радиопередатчиком , выполняет выбор канала вместе с функциями управления энергией и сигналом. Он работает на одном из трех возможных нелицензируемых диапазонов частот:
Первоначальная версия стандарта 2003 года определяет два физических уровня, основанных на методах прямой последовательности расширенного спектра (DSSS): один работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростью передачи данных 20 и 40 кбит/с, а другой — в диапазоне 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с.
Пересмотр 2006 года улучшает максимальные скорости передачи данных в диапазонах 868/915 МГц, доводя их до поддержки 100 и 250 кбит/с. Кроме 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, опционально, квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом (QPSK); в диапазоне 2450 МГц с использованием QPSK.
Дополнительный альтернативный слой 868/915 МГц определяется с помощью комбинации двоичной манипуляции и амплитудно-сдвиговой манипуляции (таким образом, основанной на параллельном, а не последовательном расширенном спектре; PSSS). Возможно динамическое переключение между поддерживаемыми физическими уровнями 868/915 МГц.
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, в то время как целевая группа IEEE 802.15 4d определила поправку к 802.15.4-2006 для поддержки нового диапазона 950–956 МГц в Японии. Первые стандартные поправки этих групп были выпущены в апреле 2009 года.
В августе 2007 года был выпущен IEEE 802.15.4a, расширяющий четыре PHY, доступные в более ранней версии 2006 года, до шести, включая один PHY, использующий сверхширокополосную прямую последовательность (UWB), и другой, использующий расширенный спектр ЛЧМ (CSS). UWB PHY выделяет частоты в трех диапазонах: ниже 1 ГГц, между 3 и 5 ГГц и между 6 и 10 ГГц. CSS PHY выделяет спектр в диапазоне ISM 2450 МГц. [6]
В апреле 2009 года были выпущены стандарты 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 постоянному многолучевому замиранию. 6 февраля 2012 года Совет Ассоциации по стандартам IEEE одобрил IEEE 802.15.4e, что завершило все усилия целевой группы 4e.
Управление доступом к среде (MAC) позволяет передавать кадры MAC с использованием физического канала. Помимо службы данных, он предлагает интерфейс управления и сам управляет доступом к физическому каналу и сетевым маяком . Он также контролирует проверку кадров, гарантирует временные интервалы и обрабатывает ассоциации узлов. Наконец, он предлагает точки подключения для безопасных служб.
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 кадры только размером до 127 байт (протоколы уровня адаптации, такие как 6LoWPAN от IETF, предоставляют схемы фрагментации для поддержки более крупных пакетов сетевого уровня).
В стандарте не определены слои 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.
Стандарт определяет два типа сетевых узлов.
Первое — полнофункциональное устройство (FFD). Оно может служить координатором персональной сети, а также может функционировать как общий узел. Оно реализует общую модель связи, которая позволяет ему общаться с любым другим устройством: оно также может ретранслировать сообщения, в этом случае его называют координатором (PAN-координатором, когда он отвечает за всю сеть).
С другой стороны, существуют устройства с ограниченной функциональностью (RFD). Они должны быть чрезвычайно простыми устройствами с очень скромными требованиями к ресурсам и коммуникациям; из-за этого они могут общаться только с FFD и никогда не могут выступать в качестве координаторов.
Сети могут быть построены как одноранговые или звездообразные сети. Однако для каждой сети требуется по крайней мере один FFD для работы 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 могут использоваться короткие 16-битные идентификаторы. А именно, в каждом домене PAN для связи, вероятно, будут использоваться короткие идентификаторы.
Одноранговые (или двухточечные) сети могут формировать произвольные шаблоны соединений, и их расширение ограничено только расстоянием между каждой парой узлов. Они предназначены для того, чтобы служить основой для сетей ad hoc, способных выполнять самоуправление и организацию. Поскольку стандарт не определяет сетевой уровень, маршрутизация напрямую не поддерживается, но такой дополнительный уровень может добавить поддержку многоадресной связи. Могут быть добавлены дополнительные топологические ограничения; стандарт упоминает кластерное дерево как структуру, 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 как общая ячеистая сеть , узлы которой являются кластерными древовидными сетями с локальным координатором для каждого кластера в дополнение к глобальному координатору.
Также поддерживается более структурированная звездообразная модель, где координатором сети обязательно будет центральный узел. Такая сеть может возникнуть, когда FFD решает создать свою собственную PAN и объявляет себя ее координатором, выбрав уникальный идентификатор PAN. После этого другие устройства могут присоединиться к сети, которая полностью независима от всех других звездообразных сетей.
Кадры являются базовой единицей передачи данных, из которых существует четыре основных типа (данные, подтверждение, маяк и кадры команд MAC), которые обеспечивают разумный компромисс между простотой и надежностью. Кроме того, может использоваться структура суперкадра, определяемая координатором, в этом случае два маяка действуют как его пределы и обеспечивают синхронизацию с другими устройствами, а также информацию о конфигурации. Суперкадр состоит из шестнадцати слотов одинаковой длины, которые могут быть дополнительно разделены на активную часть и неактивную часть, в течение которой координатор может перейти в режим энергосбережения, не нуждаясь в управлении своей сетью.
В суперкадрах происходит конфликт между их пределами, который разрешается с помощью CSMA/CA . Каждая передача должна заканчиваться до прибытия второго маяка. Как упоминалось ранее, приложения с четко определенными потребностями в полосе пропускания могут использовать до семи доменов одного или нескольких гарантированных временных интервалов без конфликта , заканчивающихся в конце суперкадра. Первая часть суперкадра должна быть достаточной для предоставления обслуживания сетевой структуре и ее устройствам. Суперкадры обычно используются в контексте устройств с низкой задержкой, чьи ассоциации должны сохраняться даже при неактивности в течение длительных периодов времени.
Передача данных координатору требует фазы синхронизации маяков, если применимо, за которой следует передача CSMA/CA (с помощью слотов, если используются суперкадры); подтверждение необязательно. Передача данных от координатора обычно следует за запросами устройств: если используются маяки, 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 неразделенные механизмы CSMA/CA , 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 целом все реализованные процедуры следуют типичной классификации «запрос-подтверждение/указание-ответ».
Доступ к физическому носителю осуществляется через метод доступа CSMA/CA . Сети, не использующие механизмы маяков, используют не слотированную вариацию, которая основана на прослушивании носителя, усиленном случайным экспоненциальным алгоритмом отсрочки ; подтверждения не придерживаются этой дисциплины. Обычная передача данных использует нераспределенные слоты, когда используется маяк; опять же, подтверждения не следуют тому же процессу.
Подтверждающие сообщения могут быть необязательными при определенных обстоятельствах, в этом случае делается предположение об успехе. В любом случае, если устройство не может обработать кадр в определенное время, оно просто не подтверждает его прием: повторная передача на основе тайм-аута может быть выполнена несколько раз, после чего принимается решение о том, следует ли прервать передачу или продолжить попытки.
Поскольку прогнозируемая среда этих устройств требует максимального увеличения срока службы батареи, протоколы, как правило, отдают предпочтение методам, которые к этому приводят, реализуя периодические проверки ожидающих сообщений, частота которых зависит от потребностей приложения.
Что касается защищенных коммуникаций, подуровень MAC предлагает возможности, которые могут быть использованы верхними уровнями для достижения желаемого уровня безопасности. Процессы более высокого уровня могут указывать ключи для выполнения симметричной криптографии для защиты полезной нагрузки и ограничивать ее группой устройств или просто соединением точка-точка; эти группы устройств могут быть указаны в списках контроля доступа . Кроме того, MAC вычисляет проверки свежести 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 допускает использование списков контроля доступа [2] просто как средства принятия решения о приеме кадров в соответствии с их (предполагаемым) источником.