IEEE 802.15.4 - IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 ning ishlashini belgilaydigan texnik standartdir past darajadagi simsiz shaxsiy tarmoq tarmoqlari (LR-WPAN). Bu belgilaydi jismoniy qatlam va ommaviy axborot vositalariga kirishni boshqarish LR-WPAN-lar uchun va IEEE 802.15 2003 yilda standartni aniqlagan ishchi guruh.[1] Bu uchun asosdir Zigbi,[2] ISA100.11a,[3] WirelessHART, MiWi, 6LoWPAN, Ip va SNAP xususiyatlari, ularning har biri yuqori qismini ishlab chiqish orqali standartni yanada kengaytiradi qatlamlar IEEE 802.15.4-da aniqlanmagan. Jumladan, 6LoWPAN uchun majburiylikni belgilaydi IPv6 versiyasi Internet protokoli (IP) WPAN-lar orqali va o'zi kabi yuqori qatlamlar tomonidan ishlatiladi Ip.

Umumiy nuqtai

IEEE standarti 802.15.4 qurilmalar o'rtasida arzon va past tezlikda aloqa o'rnatishga yo'naltirilgan simsiz shaxsiy tarmoq tarmog'ining (WPAN) pastki pastki tarmoq qatlamlarini taklif qilmoqchi. Kabi boshqa yondashuvlar bilan farq qilishi mumkin Wi-fi, ko'proq tarmoqli kengligi taklif qiladigan va ko'proq quvvat talab qiladigan. Asosiy infratuzilma mavjud bo'lmagan yaqin atrofdagi qurilmalarning juda arzon narxlardagi aloqasiga e'tibor qaratiladi va bundan foydalanib, energiya sarfini yanada kamaytiradi.

IEEE 802.15. 4 - bu ma'lumotlar uzatish tezligi past simsiz shaxsiy tarmoq tarmog'i va bu ZigBee va WirelessHART kabi ko'plab IOT protokollari tomonidan ishlatiladigan PHY va MAC qatlami.

Asosiy ramka a bilan 10 metrli aloqa oralig'ini tasavvur qiladi uzatish tezligi 250 kbit / s. Savdolarni yanada tubdan qo'llab-quvvatlash mumkin o'rnatilgan qurilmalar bir emas, balki bir nechta fizik qatlamlarni aniqlash orqali yanada past quvvat talablari bilan. Dastlab 20 va 40 kbit / s dan pastroq uzatish tezligi aniqlandi, 100 kbit / s tezligi joriy tahrirda qo'shildi.

Hatto past stavkalardan ham foydalanish mumkin, bu esa energiya sarfini kamayishiga olib keladi. Yuqorida aytib o'tilganidek, IEEE 802.15.4-ning WPAN-larga nisbatan asosiy maqsadi nisbatan sodda transmitterlardan foydalangan holda ishlab chiqarish va ekspluatatsiya xarajatlarining past bo'lishiga erishish, shu bilan birga dasturning moslashuvchanligi va moslashuvchanligini ta'minlashdir.

Kalit 802.15.4 xususiyatlariga quyidagilar kiradi

  1. haqiqiy vaqt Kafolatlangan vaqt oralig'ini (GTS) zaxiralash orqali yaroqlilik,
  2. to'qnashuvni oldini olish CSMA / CA
  3. xavfsiz aloqalarni kompleks qo'llab-quvvatlash.
  4. aloqa tezligi / sifati va energiyani aniqlash kabi quvvatni boshqarish funktsiyalari.
  5. CSMA / CA yoki kabi ishlash qobiliyati tufayli vaqt va ma'lumotlar tezligiga sezgir dasturlarni qo'llab-quvvatlash TDMA kirish rejimlari. TDMA ishlash tartibi standartning GTS xususiyati orqali qo'llab-quvvatlanadi.[4]
  6. IEEE 802.15.4-mos keladigan qurilmalar mumkin bo'lgan uchtadan birini ishlatishi mumkin chastota diapazonlari ishlash uchun (868/915/2450 MGts).

Protokol arxitekturasi

IEEE 802.15.4 protokoli to'plami

Qurilmalar bir-biri bilan kontseptual jihatdan sodda aloqada bo'lish uchun mo'ljallangan simsiz tarmoq. Tarmoq qatlamlarining ta'rifi quyidagilarga asoslangan OSI modeli; standartda faqat pastki qatlamlar aniqlangan bo'lsa ham, yuqori qatlamlar bilan o'zaro ta'sir, ehtimol IEEE 802.2 mantiqiy havolani boshqarish konversion sublayer orqali MAC-ga kiruvchi sublayer. Amalga oshirish tashqi qurilmalarga tayanishi yoki o'z-o'zidan ishlaydigan qurilmalar bo'lishi mumkin.

Jismoniy qatlam

Jismoniy qatlam butun dunyoda qo'llaniladigan OSI mos yozuvlar modelidagi pastki qatlam bo'lib, protokollar qatlamlari uning yordamida paketlarni uzatadi

The jismoniy qatlam (PHY) ma'lumotlar uzatish xizmatini taqdim etadi. Shuningdek, u interfeysni ta'minlaydi jismoniy qatlamni boshqarish sub'ekti, bu har qanday jismoniy qatlamlarni boshqarish funktsiyalariga kirishni taklif qiladi va tegishli shaxsiy tarmoq tarmoqlarida ma'lumotlar bazasini saqlaydi. Shunday qilib, PHY fizikani boshqaradi radio qabul qilgich, energiya tanlash va signallarni boshqarish funktsiyalari bilan birga kanal tanlovini amalga oshiradi. U litsenziyalanmagan uchta chastota diapazonidan birida ishlaydi:

  • 868.0–868.6 MGts: Evropa, bitta aloqa kanaliga ruxsat beradi (2003, 2006, 2011)[5])
  • 902-928 MGts: Shimoliy Amerika, o'nga qadar kanal (2003), o'ttizgacha (2006)
  • 2400–2483,5 MGts: butun dunyo bo'ylab foydalanish, o'n oltita kanalgacha (2003, 2006)

Asl 2003 yilgi versiya standart asosida ikkita fizik qatlam aniqlanadi to'g'ridan-to'g'ri ketma-ket tarqaladigan spektr (DSSS) texnikasi: biri 20 va 40 kbit / s uzatish tezligi bilan 868/915 MGts diapazonlarida ishlaydi va 2450 MGts diapazonida 250 kbit / s tezlikda ishlaydi.

2006 yilgi tahrir 868/915 MGts chastotali chastotalarning maksimal ma'lumotlarni uzatish tezligini yaxshilaydi va ularni 100 va 250 kbit / s gacha qo'llab-quvvatlaydi. Bundan tashqari, ga qarab to'rtta jismoniy qatlamni belgilashga o'tiladi modulyatsiya ishlatilgan usul. Ulardan uchtasi DSSS yondashuvini saqlaydi: 868/915 MGts diapazonida ikkitomonlama yoki QPSK yordamida ofset kvadratsiya fazasini almashtirish klavishi (ikkinchisi ixtiyoriy); 2450 MGts diapazonida, QPSK yordamida.

Ixtiyoriy muqobil 868/915 MGts qatlami ikkilik klaviatura va kombinatsiyasi yordamida aniqlanadi amplituda siljish klavishi (shuning uchun ketma-ket tarqalmagan spektrga parallel, PSSS ). Qo'llab-quvvatlanadigan 868/915 MGts PHY o'rtasida dinamik o'tish mumkin.

Ushbu uchta tarmoqdan tashqari, IEEE 802.15.4c tadqiqot guruhi Xitoyda yangi ochilgan 314-316 MGts, 430-443 MGts va 779-777 MGts chastotalarini ko'rib chiqdi, IEEE 802.15 Vazifa guruhi 4d yangi 950-956 MGts chastotasini qo'llab-quvvatlash uchun 802.15.4-2006 ga tuzatish kiritdi. Yaponiyada. Ushbu guruhlarning birinchi standart tuzatishlari 2009 yil aprel oyida chiqarildi.

Menn 2007 yil avgust, IEEE 802.15.4a 2006 yil oldingi versiyasida mavjud bo'lgan to'rtta PHY-ni oltitaga, shu jumladan Direct Sequence-dan foydalangan holda bitta PHY-ni kengaytirib chiqarildi ultra keng tarmoqli (UWB) va boshqasini ishlatish chirp tarqaladigan spektr (CSS). UWB PHY ga uchta diapazonda chastotalar ajratilgan: 1 gigagertsdan past, 3 dan 5 gigagertsgacha va 6 dan 10 gigagertsgacha. CSS PHY 2450 MGts ISM diapazonida ajratilgan.[6]

2009 yil aprel oyida IEEE 802.15.4c va IEEE 802.15.4d mavjud bo'lgan PHY-larni bir nechta qo'shimcha PHY-lar bilan kengaytirib chiqarildi: ulardan biri 780 MGts chastota uchun O-QPSK yoki MPSK,[7] boshqasi 950 MGts dan foydalanish GFSK yoki BPSK.[8]

MenEEE 802.15.4e mavjud bo'lgan 802.15.4-2006 standartiga MAC tuzatishni belgilash uchun nizomga kiritilgan bo'lib, u sanoat bozorlarini qo'llab-quvvatlashni yaxshilash, tashqi aralashuvlarga va doimiy ko'p yo'llarning pasayishiga qarshi mustahkamlikni oshirishga qaratilgan kanallarni sakrash strategiyasini qabul qiladi. 2012 yil 6 fevralda IEEE standartlari assotsiatsiyasi IEEE 802.15.4e-ni ma'qulladi, u 4e Vazifa guruhining barcha sa'y-harakatlarini yakunladi.

MAC qatlami

The o'rtacha kirishni boshqarish (MAC) jismoniy kanal yordamida MAC freymlarini uzatishni ta'minlaydi. Ma'lumotlar xizmatidan tashqari, u boshqaruv interfeysini taklif qiladi va o'zi jismoniy kanal va tarmoqqa kirishni boshqaradi mayoq. Bundan tashqari, ramka tekshiruvi, kafolatlari boshqariladi vaqt oraliqlari va tugun birikmalarini boshqaradi. Va nihoyat, u xavfsiz xizmatlar uchun ulanish nuqtalarini taklif qiladi.

IEEE 802.15 standarti bajarilishini unutmang emas 802.1D yoki 802.1Q dan foydalaning, ya'ni u standartni almashtirmaydi Ethernet ramkalari. Jismoniy ramka formati 5.2-bo'limda IEEE802.15.4-2011 da ko'rsatilgan. Ko'pgina IEEE 802.15.4 PHY-lari faqat 127 baytgacha bo'lgan kadrlarni qo'llab-quvvatlashiga moslashtirildi (6LoWPAN kabi moslashuv qatlami protokollari katta tarmoq qatlami paketlarini qo'llab-quvvatlash uchun parchalanish sxemalarini taqdim etadi).

Yuqori qatlamlar

Standartda yuqori darajadagi qatlamlar va o'zaro muvofiqlik sublayerlari aniqlanmagan. Boshqa xususiyatlar - masalan ZigBee, SNAP va 6LoWPAN /Ip - ushbu standart asosida qurish. RIOT, OpenWSN, TinyOS, Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki va Zefir operatsion tizimlarda IEEE 802.15.4 apparat va dasturiy ta'minotining bir nechta elementlari ham ishlatiladi.

Tarmoq modeli

Tugun turlari

Standart ikkita turdagi tugunni belgilaydi.

Birinchisi to'liq ishlaydigan qurilma (FFD). U umumiy tugun sifatida ishlashi mumkin bo'lganidek, shaxsiy tarmoq tarmog'ining koordinatori sifatida ham xizmat qilishi mumkin. U boshqa har qanday qurilma bilan gaplashishga imkon beradigan umumiy aloqa modelini amalga oshiradi: shuningdek, xabarlarni uzatishi mumkin, bu holda u koordinator (PAN koordinatori butun tarmoq uchun javobgar) deb nomlanadi.

Boshqa tomondan, bor qisqartirilgan funksiyali qurilmalar (RFD). Bu juda oddiy manba va aloqa talablariga ega bo'lgan oddiy qurilmalar; shu sababli ular faqat FFDlar bilan aloqa qilishlari mumkin va hech qachon koordinator vazifasini bajara olmaydilar.

Topologiyalar

IEEE 802.15.4 yulduzi va tengdoshi
IEEE 802.15.4 klaster daraxti

Tarmoqlar ikkalasi kabi qurilishi mumkin foydalanuvchilararo yoki Yulduz tarmoqlar. Biroq, har bir tarmoq uchun tarmoq koordinatori sifatida ishlash uchun kamida bitta FFD kerak. Shunday qilib, tarmoqlar mos masofalar bilan ajratilgan qurilmalar guruhlari tomonidan shakllantiriladi. Har bir qurilmada noyob 64-bitli identifikator mavjud va agar ba'zi bir shartlar bajarilsa, cheklangan muhitda qisqa 16-bitli identifikatorlardan foydalanish mumkin. Ya'ni, har bir PAN domeni ichida aloqa qisqa identifikatorlardan foydalanishi mumkin.

Peer-to-peer (yoki nuqta-nuqta) tarmoqlar o'zboshimchalik bilan ulanish naqshlarini hosil qilishi mumkin va ularning kengayishi faqat har bir tugun juftligi orasidagi masofa bilan cheklanadi. Ular asos bo'lib xizmat qilishi kerak vaqtinchalik tarmoqlar o'zini o'zi boshqarish va tashkil qilishni amalga oshirishga qodir. Standart tarmoq sathini aniqlamaganligi sababli, marshrutlash to'g'ridan-to'g'ri qo'llab-quvvatlanmaydi, ammo bunday qo'shimcha qatlam qo'llab-quvvatlashni qo'shishi mumkin multihop aloqa. Keyinchalik topologik cheklovlar qo'shilishi mumkin; standart zikr qiladi klaster daraxti RFD bir vaqtning o'zida faqat bitta FFD bilan bog'lanishi mumkin bo'lgan tarmoqni shakllantirish uchun foydalanadigan tuzilma sifatida RFDlar faqat daraxtning barglari va tugunlarning aksariyati FFDlardir. Tuzilishi umumiy sifatida kengaytirilishi mumkin mash tarmog'i uning tugunlari global koordinatordan tashqari har bir klaster uchun mahalliy koordinatorga ega klaster daraxtlari tarmoqlari.

Ko'proq tuzilgan Yulduz naqsh ham qo'llab-quvvatlanadi, bu erda tarmoq koordinatori albatta markaziy tugun bo'ladi. Bunday tarmoq FFD noyob PAN identifikatorini tanlagandan so'ng o'zining PAN-ni yaratishga va o'zini koordinator deb e'lon qilishga qaror qilganida paydo bo'lishi mumkin. Shundan so'ng, boshqa barcha yulduzlar tarmoqlaridan to'liq mustaqil bo'lgan tarmoqqa boshqa qurilmalar qo'shilishi mumkin.

Ma'lumotlarni tashish arxitekturasi

Kadrlar ma'lumotlar tashishning asosiy birligi bo'lib, ulardan to'rtta asosiy turi (ma'lumotlar, tasdiqlash, mayoq va MAC buyruqlar ramkalari) mavjud bo'lib, ular soddaligi va mustahkamligi o'rtasida oqilona almashinuvni ta'minlaydi. Bundan tashqari, koordinator tomonidan belgilanadigan superframe tuzilmasidan foydalanish mumkin, bu holda ikkita mayoq uning chegarasi sifatida ishlaydi va boshqa qurilmalarga sinxronizatsiya va konfiguratsiya ma'lumotlarini beradi. A superframe o'n oltita teng uzunlikdagi uyalardan iborat bo'lib, ularni faol qismga va nofaol qismga bo'lish mumkin, bu vaqt davomida koordinator o'z tarmog'ini boshqarishni talab qilmasdan quvvatni tejash rejimiga o'tishi mumkin.

Superframkalar ichida bahs ularning chegaralari o'rtasida sodir bo'ladi va tomonidan hal etiladi CSMA / CA. Har bir translyatsiya ikkinchi mayoq kelishidan oldin tugashi kerak. Avval aytib o'tganimizdek, aniq o'tkazuvchanlik qobiliyatiga ega dasturlarda bitta yoki bir nechta ettita domen ishlatilishi mumkin tortishuvsiz superframe oxirida ortda qoladigan kafolatlangan vaqt oraliqlari. Superframning birinchi qismi tarmoq tuzilmasi va uning qurilmalariga xizmat ko'rsatish uchun etarli bo'lishi kerak. Superframlar odatda past kechikish davri moslamalari doirasida ishlatiladi, ularning assotsiatsiyalari uzoq vaqt davomida harakatsiz bo'lsa ham saqlanishi kerak.

Ma'lumotlarni koordinatorga uzatish, agar kerak bo'lsa, keyin sinxronizatsiya qilish uchun mayoqni talab qiladi CSMA / CA uzatish (agar superframkalar ishlatilayotgan bo'lsa, slot orqali); tan olish ixtiyoriy. Koordinatordan ma'lumotlarni uzatish odatda qurilmaning so'rovlarini bajaradi: agar mayoqlar ishlatilayotgan bo'lsa, ular so'rovlarni signalizatsiya qilish uchun ishlatiladi; koordinator so'rovni qabul qiladi va keyin ma'lumotlarni qurilma tomonidan tan olingan paketlarga yuboradi. Xuddi shu narsa superframalar ishlatilmaganda ham amalga oshiriladi, faqat bu holda kutilayotgan xabarlarni kuzatib boradigan mayoqlar yo'q.

Nuqtadan-tarmoqqa tarmoqlar, shuningdek, yaroqsiz ishlatilishi mumkin CSMA / CA yoki sinxronizatsiya mexanizmlari; bu holda har qanday ikkita qurilma o'rtasida aloqa o'rnatilishi mumkin, "tuzilgan" rejimlarda qurilmalardan biri tarmoq koordinatori bo'lishi kerak.

Umuman olganda, amalga oshirilgan barcha protseduralar odatdagi so'rov-tasdiqlash / ko'rsatma-javob tasnifiga amal qiladi.

Ishonchlilik va xavfsizlik

Jismoniy vositaga a orqali kirish mumkin CSMA / CA protokol. Beaconing mexanizmlaridan foydalanmaydigan tarmoqlar, vositalarni tinglashiga asoslangan, beg'araz o'zgarishni qo'llaydi. tasodifiy eksponentli orqaga qaytish algoritm; e'tiroflar ushbu intizomga rioya qilmaydi. Ma'lumotlarning umumiy uzatilishi mayoq ishlatilganda ajratilmagan uyalardan foydalanadi; yana, tasdiqlashlar bir xil jarayonga amal qilmaydi.

Tasdiqlash xabarlari ma'lum holatlarda ixtiyoriy bo'lishi mumkin, bu holda muvaffaqiyat taxmin qilinadi. Qanday bo'lmasin, agar qurilma ma'lum bir vaqtda freymga ishlov bera olmasa, shunchaki uni qabul qilishni tasdiqlamaydi: taymutga asoslangan qayta uzatish bir necha marta bajarilishi mumkin, shundan keyin abort qilish yoki urinishni davom ettirish to'g'risida qaror qabul qilinadi.

Ushbu qurilmalarning taxmin qilinadigan muhiti batareyaning ishlash muddatini maksimal darajada oshirishni talab qilganligi sababli, protokollar kutilayotgan xabarlarni vaqti-vaqti bilan tekshirishni amalga oshiradigan, uning chastotasi dastur ehtiyojlariga bog'liq bo'lgan usullarni qo'llab-quvvatlaydi.

Xavfsiz aloqa to'g'risida, MAC sublayer kerakli xavfsizlik darajasiga erishish uchun yuqori qatlamlar tomonidan ishlatilishi mumkin bo'lgan vositalarni taklif qiladi. Yuqori qatlamli jarayonlar bajarish uchun kalitlarni ko'rsatishi mumkin nosimmetrik kriptografiya foydali yukni himoya qilish va uni qurilmalar guruhi yoki shunchaki nuqta-nuqta aloqasi bilan cheklash; ushbu qurilmalar guruhlari kirishni boshqarish ro'yxatlari. Bundan tashqari, MAC hisoblaydi tozalikni tekshiradi ehtimol eski ramkalar yoki endi yaroqsiz deb hisoblanadigan ma'lumotlar yuqori qatlamlarga o'tmasligini ta'minlash uchun ketma-ket qabul qilishlar o'rtasida.

Ushbu xavfsiz rejimdan tashqari, boshqa, xavfsiz bo'lmagan MAC rejimi mavjud, bu esa kirishni boshqarish ro'yxatlarini beradi[2] shunchaki ramkalarni ularning (taxmin qilingan) manbalariga muvofiq qabul qilish to'g'risida qaror qabul qilish vositasi sifatida.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ IEEE 802.15 WPAN ™ Vazifa guruhi 4, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
  2. ^ a b Gasson, Devid (2009 yil 5-fevral). "802.15.4 va ZigBee tarmoqlaridagi xavfsizlik". Arxivlandi asl nusxasi 2012 yil 19 martda. Olingan 9 dekabr 2010.
  3. ^ "ISA100 qo'mitasining asosiy sahifasi". Olingan 20 iyul 2011.
  4. ^ A. Mishra, C. Na va D. Rozenburg, "IEEE 802.15.4 tarmoqlarida vaqtni sezgir operatsiyalar uchun kafolatlangan vaqt oraliqlarini rejalashtirish to'g'risida", MILCOM 2007 - IEEE harbiy aloqa konferentsiyasi, Orlando, FL, AQSh, 2007, 1-bet. 7. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4455149/
  5. ^ IEEE Std 802.15.4-2011 8.1.2.2
  6. ^ IEEE Computer Society, (2007 yil 31-avgust). IEEE Standard 802.15.4a-2007
  7. ^ IEEE Kompyuter Jamiyati, (2009 yil 17 aprel). IEEE Standard 802.15.4c-2009
  8. ^ IEEE Kompyuter Jamiyati, (2009 yil 17 aprel). IEEE Standard 802.15.4d-2009

Tashqi havolalar