IEEE 802.15.4 - IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 é um padrão técnico que define a operação de redes de área pessoal sem fio de baixa taxa (LR-WPANs). Ele especifica a camada física e o controle de acesso à mídia para LR-WPANs e é mantido pelo grupo de trabalho IEEE 802.15 , que definiu o padrão em 2003. É a base para o Zigbee , ISA100.11a , WirelessHART , MiWi , 6LoWPAN , Thread e especificações SNAP , cada uma das quais estende ainda mais o padrão, desenvolvendo as camadas superiores que não são definidas no IEEE 802.15.4. Em particular, 6LoWPAN define uma vinculação para a versão IPv6 do protocolo da Internet (IP) sobre WPANs e é usado por camadas superiores como Thread .

Visão geral

O padrão IEEE 802.15.4 pretende oferecer as camadas de rede inferiores fundamentais de um tipo de rede de área pessoal sem fio (WPAN) que se concentra na comunicação ubíqua de baixo custo e baixa velocidade entre dispositivos. Pode ser contrastado com outras abordagens, como Wi-Fi , que oferece mais largura de banda e requer mais energia. A ênfase está na comunicação de custo muito baixo de dispositivos próximos com pouca ou nenhuma infraestrutura subjacente, com a intenção de explorar isso para reduzir ainda mais o consumo de energia.

IEEE 802.15.4 é uma rede de área pessoal sem fio de baixa taxa de dados e é a camada PHY e MAC usada por muitos protocolos IoT, como ZigBee e WirelessHART.

A estrutura básica concebe uma faixa de comunicação de 10 metros com uma taxa de transferência de 250 kbit / s. As compensações são possíveis para favorecer dispositivos mais radicalmente incorporados com requisitos de energia ainda mais baixos, por meio da definição não de uma, mas de várias camadas físicas. Taxas de transferência mais baixas de 20 e 40 kbit / s foram inicialmente definidas, com a taxa de 100 kbit / s sendo adicionada na revisão atual.

Taxas ainda mais baixas podem ser usadas, o que resulta em menor consumo de energia. Como já mencionado, o objetivo principal do IEEE 802.15.4 em relação às WPANs é a ênfase em alcançar baixos custos de fabricação e operação por meio do uso de transceptores relativamente simples, ao mesmo tempo que permite flexibilidade e adaptabilidade do aplicativo.

Os principais recursos do 802.15.4 incluem:

  1. adequação em tempo real por reserva de slots de tempo garantidos (GTS).
  2. anti-colisão através de CSMA / CA .
  3. suporte integrado para comunicações seguras.
  4. funções de gerenciamento de energia, como velocidade / qualidade do link e detecção de energia.
  5. Suporte para aplicativos sensíveis ao tempo e à taxa de dados devido à sua capacidade de operar como modos de acesso CSMA / CA ou TDMA . O modo de operação TDMA é suportado por meio do recurso GTS do padrão.
  6. Os dispositivos em conformidade com IEEE 802.15.4 podem usar uma das três bandas de frequência possíveis para operação (868/915/2450 MHz).

Arquitetura de protocolo

Pilha de protocolo IEEE 802.15.4

Os dispositivos são projetados para interagir uns com os outros em uma rede sem fio conceitualmente simples . A definição das camadas de rede é baseada no modelo OSI ; embora apenas as camadas inferiores sejam definidas no padrão, a interação com as camadas superiores é pretendida, possivelmente usando uma subcamada de controle de link lógico IEEE 802.2 acessando o MAC por meio de uma subcamada de convergência. As implementações podem depender de dispositivos externos ou ser puramente embutidos, dispositivos de funcionamento automático.

A camada física

A camada física é a camada inferior no modelo de referência OSI usado em todo o mundo, e as camadas de protocolos transmitem pacotes usando-a

A camada física (PHY) fornece o serviço de transmissão de dados. Ele também fornece uma interface para a entidade de gerenciamento da camada física , que oferece acesso a todas as funções de gerenciamento da camada física e mantém um banco de dados de informações sobre as redes de área pessoal relacionadas. Assim, o PHY gerencia o transceptor de rádio físico , realiza a seleção do canal junto com as funções de gerenciamento de energia e sinal. Ele opera em uma das três bandas de frequência não licenciadas possíveis:

  • 868,0-868,6 MHz: Europa, permite um canal de comunicação (2003, 2006, 2011)
  • 902-928 MHz: América do Norte, até dez canais (2003), estendido para trinta (2006)
  • 2.400–2483,5 MHz: uso mundial, até dezesseis canais (2003, 2006)

A versão original de 2003 do padrão especifica duas camadas físicas baseadas em técnicas de espectro de difusão de sequência direta (DSSS): uma trabalhando nas bandas de 868/915 MHz com taxas de transferência de 20 e 40 kbit / s, e uma na banda de 2450 MHz com uma taxa de 250 kbit / s.

A revisão de 2006 melhora as taxas máximas de dados das bandas de 868/915 MHz, elevando-as para suportar também 100 e 250 kbit / s. Além disso, passa a definir quatro camadas físicas dependendo do método de modulação usado. Três deles preservam a abordagem DSSS: nas bandas de 868/915 MHz, usando o chaveamento de fase de quadratura de quadratura binário ou QPSK (o segundo é opcional); na banda de 2450 MHz, usando QPSK.

Uma camada alternativa opcional de 868/915 MHz é definida usando uma combinação de codificação binária e manipulação de amplitude (portanto, com base em espectro de propagação paralelo, não sequencial, PSSS ). A comutação dinâmica entre PHYs de 868/915 MHz suportados é possível.

Além dessas três bandas, o grupo de estudo IEEE 802.15.4c considerou as bandas recém-abertas de 314-316 MHz, 430-434 MHz e 779-787 MHz na China, enquanto o IEEE 802.15 Task Group 4d definiu uma emenda para 802.15.4- 2006 para suportar a nova banda de 950–956 MHz no Japão. As primeiras alterações padrão por esses grupos foram lançadas em abril de 2009.

Em agosto de 2007, o IEEE 802.15.4a foi lançado expandindo os quatro PHYs disponíveis na versão anterior de 2006 para seis, incluindo um PHY usando banda ultralarga de sequência direta (UWB) e outro usando espectro de espalhamento chirp (CSS). O UWB PHY tem frequências alocadas em três faixas: abaixo de 1 GHz, entre 3 e 5 GHz e entre 6 e 10 GHz. O CSS PHY tem espectro alocado na banda ISM de 2.450 MHz.

Em abril de 2009 IEEE 802.15.4c e IEEE 802.15.4d foram lançados expandindo os PHYs disponíveis com vários PHYs adicionais: um para a banda de 780 MHz usando O-QPSK ou MPSK, outro para 950 MHz usando GFSK ou BPSK .

IEEE 802.15.4e foi fretado para definir uma alteração MAC para o padrão existente 802.15.4-2006 que adota a estratégia de salto de canal para melhorar o suporte para os mercados industriais, aumenta a robustez contra interferência externa e desvanecimento multi-caminho persistente. Em 6 de fevereiro de 2012, o IEEE Standards Association Board aprovou o IEEE 802.15.4e, que concluiu todos os esforços do Grupo de Tarefas 4e.

A camada MAC

O controle de acesso ao meio (MAC) permite a transmissão de quadros MAC através do uso do canal físico. Além do serviço de dados, oferece uma interface de gerenciamento e ele próprio gerencia o acesso ao canal físico e o beacon da rede . Ele também controla a validação de quadros, garante intervalos de tempo e lida com associações de nós. Finalmente, ele oferece pontos de gancho para serviços seguros.

Observe que o padrão IEEE 802.15 não usa 802.1D ou 802.1Q, ou seja, não troca frames Ethernet padrão . O formato de quadro físico é especificado em IEEE802.15.4-2011 na seção 5.2. É adaptado ao fato de que a maioria dos IEEE 802.15.4 PHYs suporta apenas quadros de até 127 bytes (protocolos de camada de adaptação, como 6LoWPAN, fornecem esquemas de fragmentação para suportar pacotes de camada de rede maiores).

Camadas superiores

Nenhuma camada de nível superior e subcamada de interoperabilidade são definidas no padrão. Outras especificações - como ZigBee , SNAP e 6LoWPAN / Thread - baseiam-se neste padrão. Os sistemas operacionais RIOT , OpenWSN , TinyOS , Unison RTOS , DSPnano RTOS , nanoQplus , Contiki e Zephyr também usam alguns itens de hardware e software IEEE 802.15.4.

Modelo de rede

Tipos de nó

O padrão define dois tipos de nó de rede.

O primeiro é o dispositivo de função completa (FFD). Ele pode servir como coordenador de uma rede de área pessoal da mesma forma que pode funcionar como um nó comum. Implementa um modelo geral de comunicação que lhe permite falar com qualquer outro dispositivo: também pode retransmitir mensagens, sendo neste caso denominado coordenador (coordenador do PAN quando é o responsável por toda a rede).

Por outro lado, existem dispositivos de função reduzida (RFD). Estes são dispositivos extremamente simples, com recursos muito modestos e requisitos de comunicação; devido a isso, eles só podem se comunicar com os FFDs e nunca podem atuar como coordenadores.

Topologias

Estrela IEEE 802.15.4 e ponto a ponto
Árvore de cluster IEEE 802.15.4

As redes podem ser construídas como redes ponto a ponto ou em estrela . No entanto, toda rede precisa de pelo menos um FFD para funcionar como coordenador da rede. As redes são, portanto, formadas por grupos de dispositivos separados por distâncias adequadas. Cada dispositivo possui um identificador exclusivo de 64 bits e, se algumas condições forem atendidas, identificadores curtos de 16 bits podem ser usados ​​em um ambiente restrito. Ou seja, dentro de cada domínio PAN, as comunicações provavelmente usarão identificadores curtos.

Redes ponto a ponto (ou ponto a ponto) podem formar padrões arbitrários de conexões e sua extensão é limitada apenas pela distância entre cada par de nós. Destinam-se a servir de base para redes ad hoc capazes de autogerenciamento e organização. Uma vez que o padrão não define uma camada de rede, o roteamento não é diretamente suportado, mas essa camada adicional pode adicionar suporte para comunicações multihop . Outras restrições topológicas podem ser adicionadas; a norma menciona a árvore do cluster como uma estrutura que explora o fato de que um RFD só pode ser associado a um FFD por vez para formar uma rede onde RFDs são exclusivamente folhas de uma árvore e a maioria dos nós são FFDs. A estrutura pode ser estendida como uma rede mesh genérica cujos nós são redes cluster tree com um coordenador local para cada cluster, além do coordenador global.

Um padrão de estrela mais estruturado também é suportado, onde o coordenador da rede será necessariamente o nó central. Essa rede pode se originar quando um FFD decide criar seu próprio PAN e se declarar seu coordenador, após escolher um identificador PAN exclusivo. Depois disso, outros dispositivos podem se conectar à rede, que é totalmente independente de todas as outras redes estrela.

Arquitetura de transporte de dados

Os quadros são a unidade básica de transporte de dados, dos quais existem quatro tipos fundamentais (dados, confirmação, beacon e quadros de comando MAC), que fornecem uma compensação razoável entre simplicidade e robustez. Além disso, uma estrutura de superquadro, definida pelo coordenador, pode ser usada, caso em que dois beacons atuam como seus limites e fornecem sincronização para outros dispositivos, bem como informações de configuração. Um superquadro consiste em dezesseis slots de igual comprimento, que podem ser divididos em uma parte ativa e uma parte inativa, durante as quais o coordenador pode entrar no modo de economia de energia, sem a necessidade de controlar sua rede.

Dentro superframes contenção ocorre entre seus limites, e é resolvido pelo CSMA / CA . Cada transmissão deve terminar antes da chegada do segundo farol. Como mencionado antes, os aplicativos com necessidades de largura de banda bem definidas podem usar até sete domínios de um ou mais slots de tempo garantidos sem contenção , seguindo até o final do superframe. A primeira parte do superquadro deve ser suficiente para dar serviço à estrutura da rede e seus dispositivos. Superframes são normalmente utilizados no contexto de dispositivos de baixa latência, cujas associações devem ser mantidas mesmo se inativas por longos períodos de tempo.

As transferências de dados para o coordenador requerem uma fase de sincronização de beacon, se aplicável, seguida de transmissão CSMA / CA (por meio de slots se superframes estiverem em uso); o reconhecimento é opcional. As transferências de dados do coordenador geralmente seguem as solicitações do dispositivo: se os beacons estiverem em uso, eles serão usados ​​para sinalizar as solicitações; o coordenador confirma o pedido e, em seguida, envia os dados em pacotes que são confirmados pelo dispositivo. O mesmo é feito quando os superframes não estão em uso, só que neste caso não há beacons para rastrear as mensagens pendentes.

As redes ponto a ponto podem usar CSMA / CA sem slots ou mecanismos de sincronização; neste caso, a comunicação entre quaisquer dois dispositivos é possível, enquanto nos modos "estruturados" um dos dispositivos deve ser o coordenador da rede.

Em geral, todos os procedimentos implementados seguem uma classificação típica de solicitação-confirmação / indicação-resposta.

Confiabilidade e segurança

O meio físico é acedido através de uma CSMA / CA protocolo. As redes que não usam mecanismos de beaconing utilizam uma variação sem ranhura que se baseia na escuta do meio, alavancada por um algoritmo de backoff exponencial aleatório ; agradecimentos não seguem esta disciplina. A transmissão de dados comum utiliza slots não alocados quando o beaconing está em uso; novamente, as confirmações não seguem o mesmo processo.

As mensagens de confirmação podem ser opcionais em certas circunstâncias, caso em que uma suposição de sucesso é feita. Seja qual for o caso, se um dispositivo é incapaz de processar um quadro em um determinado momento, ele simplesmente não confirma sua recepção: a retransmissão baseada em timeout pode ser realizada várias vezes, após a decisão de abortar ou continuar tentando .

Como o ambiente previsto desses dispositivos exige a maximização da vida útil da bateria, os protocolos tendem a favorecer os métodos que levam a isso, implementando verificações periódicas de mensagens pendentes, cuja frequência depende das necessidades do aplicativo.

Com relação às comunicações seguras, a subcamada MAC oferece recursos que podem ser aproveitados pelas camadas superiores para atingir o nível de segurança desejado. Os processos de camada superior podem especificar chaves para realizar criptografia simétrica para proteger a carga útil e restringi-la a um grupo de dispositivos ou apenas um link ponto a ponto; esses grupos de dispositivos podem ser especificados em listas de controle de acesso . Além disso, o MAC calcula verificações de atualização entre recepções sucessivas para garantir que os quadros presumivelmente antigos, ou dados que não são mais considerados válidos, não transcendam para camadas superiores.

Além deste modo seguro, existe outro modo MAC inseguro, que permite listas de controle de acesso apenas como um meio para decidir sobre a aceitação de frames de acordo com sua fonte (presumida).

Veja também

Referências

links externos