IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4
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IEEE 802.15.4는 Low-Rate Wireless Personal Area Network(LR-WPAN; 저환율 무선 퍼스널에리어 네트워크)의 동작을 정의하는 기술 표준입니다.LR-WPAN의 물리층 및 미디어 액세스컨트롤을 지정하고 2003년에 [1]표준을 정의한 IEEE 802.15 워킹그룹에 의해 유지됩니다.이는 Zigbee,[2] ISA100.[3]11a, Wireless의 기반입니다.HART, MiWi, 6LoWPAN, 스레드 및 SNAP 사양은 각각 IEEE 802.15.4에서 정의되지 않은 상위 레이어를 개발함으로써 표준을 더욱 확장합니다.특히 6LoWPAN은 WPAN을 통한IPv6 버전의 Internet Protocol(IP) 바인딩을 정의하며 스레드 등의 상위 계층에서 사용됩니다.

개요

IEEE 규격 802.15.4는 디바이스 간의 저비용 저속 유비쿼터스 통신에 초점을 맞춘 일종의 무선 퍼스널 에리어 네트워크(WPAN)의 기본적인 하위 네트워크 레이어를 제공하는 것을 의도하고 있습니다.Wi-Fi와 같은 다른 접근 방식과 비교할 수 있습니다. Wi-Fi는 더 많은 대역폭과 더 많은 전력을 필요로 합니다.그 중점은 기반 인프라스트럭처가 거의 없는 인근 디바이스의 매우 저비용 통신에 중점을 두고 있으며, 이를 활용하여 전력 소비량을 더욱 절감하고자 합니다.

기본 프레임워크는 전송 속도가 250kbit/s인 10m 통신 범위를 상정하고 있습니다.하나의 물리적 계층이 아니라 여러 개의 물리적 계층을 정의함으로써 전력 요구사항이 훨씬 더 낮은 보다 근본적으로 내장된 장치를 선호할 수 있습니다.처음에는 20 및 40kbit/s의 낮은 전송 속도가 정의되었으며, 현재 리비전에 100kbit/s 속도가 추가되었습니다.

보다 낮은 레이트를 사용할 수 있기 때문에 소비전력이 낮아집니다.이미 설명한 바와 같이 WPAN에 관한 IEEE 802.15.4의 주된 목적은 비교적 단순한 트랜시버를 사용하여 제조 및 운용 비용을 절감하는 데 중점을 두고 애플리케이션의 유연성과 적응성을 실현하는 것입니다.

802.15.4의 주요 기능은 다음과 같습니다.

  1. GTS(Garranted Time Slots) 예약에 의한 실시간 적합성.
  2. CSMA/CA를 통한 충돌 회피
  3. 안전한 통신을 위한 통합 지원
  4. 링크 속도/품질, 에너지 검출 등의 전원 관리 기능.
  5. CSMA/CA 또는 TDMA 액세스모드로 동작할 수 있기 때문에 시간 및 데이터 레이트의 영향을 받기 쉬운 애플리케이션을 지원합니다.TDMA 동작 모드는 표준의 [4]GTS 기능을 통해 지원됩니다.
  6. IEEE 802.15.4 준거 디바이스는, 동작에 사용할 수 있는 3개의 주파수 대역의 어느쪽인가를 사용할 수 있습니다(868/915/2450 MHz).

프로토콜 아키텍처

IEEE 802.15.4 프로토콜 스택

디바이스는 개념적으로 단순한 무선 네트워크를 통해 상호 작용하도록 설계되어 있습니다.네트워크 레이어의 정의는 OSI 모델에 근거하고 있습니다.표준에서는 하위 레이어만 정의되어 있지만 상위 레이어와의 상호작용을 의도하고 있습니다.이 경우 컨버전스 서브레이어를 통해 MAC에 액세스하는 IEEE 802.2 논리 링크 제어 서브레이어를 사용할 수 있습니다.구현은 외부 장치에 의존하거나 완전히 내장된 자기 기능성 장치일 수 있습니다.

물리층

물리 계층은 전 세계에서 사용되는 OSI 참조 모델의 하위 계층이며, 프로토콜 계층은 이를 사용하여 패킷을 전송합니다.

물리층(PHY)은 데이터 전송 서비스를 제공합니다.또한 물리층 관리 엔티티에 대한 인터페이스를 제공하여 모든 물리층 관리 기능에 대한 접근을 제공하고 관련된 퍼스널에리어 네트워크상의 정보 데이터베이스를 유지합니다.따라서 PHY는 물리적인 무선 트랜시버를 관리하고 에너지 및 신호 관리 기능과 함께 채널 선택을 수행합니다.라이선스가 없는 다음 3가지 주파수 대역 중 하나로 동작합니다.

  • 868.0~868.6MHz: 유럽, 1개의 통신채널 허용(2003, 2006[5], 2011)
  • 902~928MHz: 북미, 원래는 최대 10채널(2003년)까지 사용 가능하지만 이후 30채널(2006년)로 확장되었습니다.
  • 2400~2483.5MHz: 전 세계 사용, 최대 16채널(2003, 2006년)

원래 2003년판 표준에서는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS) 기술에 기초한2개의 물리 레이어가 지정되어 있습니다.하나는 전송 레이트가 20 및 40 kbit/s인 868/915 MHz 대역에서 동작하고 있고, 다른 하나는 250 kbit/s인 2450 MHz 대역에서 동작하고 있습니다.

2006년 개정에서는 868/915MHz 대역의 최대 데이터 레이트가 향상되어 최대 100kbit/s 및 250kbit/s를 지원합니다.게다가 사용하는 변조 방법에 따라 4개의 물리 레이어를 정의합니다.그 중 3개는 DSSS 어프로치를 유지합니다.868/915 MHz 대역에서는 바이너리 또는 QPSK 오프셋 직교 위상 시프트 키잉(두 번째는 옵션)을 사용하고, 2450 MHz 대역에서는 QPSK를 사용합니다.

옵션 대체 868/915 MHz층은 바이너리 키잉과 진폭 시프트 키잉의 조합을 사용하여 정의된다(따라서 순차 확산 스펙트럼이 아닌 병렬에 근거한다).지원되는 868/915 MHz PHY 간의 다이내믹스위칭이 가능합니다.

이들 3개의 대역 외에 IEEE 802.15.4c 스터디 그룹은 중국에서 새롭게 개방된 314~316MHz, 430~434MHz 및 779~787MHz 대역에 대해 검토했으며 IEEE 802.15 태스크 그룹 4d는 새로운 950~956MHz 대역의 지원을 위해 802.15.4~2006에 대한 수정을 정의했습니다.이러한 그룹에 의한 최초의 표준 개정안은 2009년 4월에 발표되었다.

2007년 8월에 IEEE 802.15.4a가 출시되어 2006년 이전 버전에서 사용 가능한4개의 PHY가 6개로 확장되었습니다.이 중에는 Direct Sequence Ultra-Wideband(UWB; 다이렉트시퀀스 Ultra-Wideband)를 사용하는 PHY와 Chirp Spread Spectrum(CSS)을 사용하는 PHY가 있습니다.UWB PHY는 1GHz 미만, 3GHz~5GHz, 6GHz~10GHz의 3가지 범위에서 주파수가 할당됩니다.CSS PHY는 2450MHz ISM [6]대역에 스펙트럼이 할당됩니다.

2009년 4월에 IEEE 802.15.4c 및 IEEE 802.15.4d가 몇 가지 추가 PHY를 사용하여 사용 가능한 PHY를 확장하여 출시되었습니다.하나는 O-QPSK 또는 [7]MPSK를 사용하는 780MHz 대역용, 다른 하나는 GFSK [8]또는 BPSK를 사용하는950MHz용입니다.

IEEE 802.15.4e는 기존의 표준 802.15.4-2006에 대한 MAC 개정을 정의하기 위해 인가되었습니다.이는 산업 시장에 대한 지원을 개선하기 위해 채널호핑 전략을 채택하여 외부 간섭에 대한 견고성을 높이고 지속적인 멀티패스 페이딩에 대응합니다.2012년 2월 6일 IEEE 표준협회 이사회는 IEEE 802.15.4e를 승인하여 모든 태스크 그룹 4e 작업을 완료했습니다.

MAC 레이어

Media Access Control(MAC; 미디어 액세스컨트롤)은 물리채널을 사용하여 MAC 프레임 전송을 가능하게 합니다.데이터 서비스 외에도 관리 인터페이스를 제공하고 물리적 채널 및 네트워크 비콘에 대한 액세스를 관리합니다.또, 프레임 검증을 제어해, 타임 슬롯을 보증해, 노드의 관련성을 처리합니다.마지막으로 안전한 서비스를 위한 후크 포인트를 제공합니다.

IEEE 802.15 규격에서는 802는 사용되지 않습니다.1D 또는 802.1Q, 즉 표준 이더넷프레임을 교환하지 않습니다.물리 프레임 포맷은 섹션 5.2의 IEEE802.15.4-2011에 규정되어 있습니다.대부분의 IEEE 802.15.4 PHY는 최대 127바이트의 프레임만 지원한다는 사실에 맞춰져 있습니다(IETF의 6LoWPAN과 같은 적응 레이어 프로토콜은 더 큰 네트워크 레이어 패킷을 지원하는 플래그멘테이션 방식을 제공합니다).

상위 레이어

표준에는 상위 계층 및 상호 운용성 하위 계층이 정의되어 있지 않습니다.ZigBee, SNAP, 6LoWPAN/Thread 등의 기타 사양은 이 표준을 기반으로 합니다.RIOT, OpenWSN, TinyOS, Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki 및 Zephyr 운영체제도 IEEE 802.15.4 하드웨어와 소프트웨어를 몇 개 사용합니다.

네트워크 모델

노드 타입

표준에서는 2종류의 네트워크노드를 정의하고 있습니다.

첫 번째는 Full-Function Device(FFD; 풀기능 디바이스)입니다.퍼스널 에리어 네트워크의 코디네이터로서 기능하는 것과 같이, 퍼스널에리어 네트워크의 코디네이터로서 기능할 수 있습니다.다른 디바이스와 통신할 수 있는 일반적인 통신 모델을 실장하고 있습니다.메시지를 릴레이 할 수도 있습니다.이 경우, 코디네이터(네트워크 전체를 담당할 때는 PAN 코디네이터)라고 불립니다.

한편, Reduced-Function Device(RFD; 축소 기능 장치)도 있습니다.이러한 디바이스는 매우 단순한 디바이스로 자원 및 통신 요건이 매우 낮기 때문에 FFD와 통신할 수 있을 뿐 코디네이터 역할을 할 수 없습니다.

토폴로지

IEEE 802.15.4 스타 및 피어 투 피어
IEEE 802.15.4 클러스터 트리

네트워크는 피어 투 피어 네트워크 또는 스타 네트워크 중 하나로 구축할 수 있습니다.다만, 네트워크의 코디네이터로서 기능하기 위해서는, 모든 네트워크에 적어도1개의 FFD가 필요합니다.따라서 네트워크는 적절한 거리로 분리된 디바이스 그룹으로 형성됩니다.각 디바이스에는 하나의 64비트 식별자가 있으며, 몇 가지 조건이 충족되면 제한된 환경 내에서 짧은 16비트 식별자를 사용할 수 있습니다.즉, 각 PAN 도메인 내에서 통신은 짧은 식별자를 사용합니다.

피어 투 피어(또는 포인트 투 포인트) 네트워크는 임의의 패턴의 접속을 형성할 수 있습니다.또, 그 확장은, 각 노드 쌍간의 거리에 의해서만 제한됩니다.이들은 자기관리 및 정리를 수행할 수 있는 애드혹네트워크의 기초가 됩니다.표준에서는 네트워크층을 정의하지 않기 때문에 라우팅은 직접 지원되지 않지만 이러한 추가 레이어에 의해 멀티홉 통신 지원이 추가될 수 있습니다.한층 더 토폴로지상의 제약이 추가될 수 있다.표준에서는 RFD가 한 번에 1개의 FFD에만 관련지어져 RFD가 트리의 배타적인 잎인 네트워크를 형성할 수 있다는 사실을 이용하는 구조로서 클러스터 트리를 언급하고 있다.이 구조는 글로벌코디네이터와 더불어 클러스터별로 로컬코디네이터가 있는 클러스터 트리 네트워크 노드인 범용 메쉬 네트워크로 확장할 수 있습니다.

네트워크의 코디네이터가 반드시 중앙 노드가 되는 보다 구조화된 스타 패턴도 지원됩니다.이러한 네트워크는, 일의의 PAN 식별자를 선택한 후, FFD가 독자적인 PAN을 작성해, 코디네이터를 선언했을 때에 발생합니다.그 후, 다른 디바이스는 네트워크에 가입할 수 있어 다른 모든 스타 네트워크로부터 완전히 독립적입니다.

데이터 전송 아키텍처

프레임은 데이터 전송의 기본 단위이며, 그 중 4가지 기본 유형(데이터, 확인 응답, 비콘 및 MAC 명령 프레임)이 있으며, 단순성과 견고성 사이의 적절한 균형을 제공합니다.또한 코디네이터에 의해 정의되는 슈퍼프레임 구조를 사용할 수 있습니다.이 경우 2개의 비콘이 그 한계로 작용하여 다른 디바이스와의 동기화 및 설정 정보를 제공합니다.슈퍼프레임은 16개의 동일한 길이의 슬롯으로 구성되어 있습니다.이 슬롯은 액티브 부분과 비액티브 부분으로 더욱 나눌 수 있습니다.이 기간 동안 코디네이터는 네트워크를 제어할 필요가 없어 전력 절약 모드로 이행할 수 있습니다.

슈퍼프레임 내 경합은 제한 사이에 발생하며 CSMA/CA에 의해 해결됩니다.모든 전송은 두 번째 비콘이 도착하기 전에 종료되어야 합니다.앞서 설명한 바와 같이 대역폭이 명확하게 정의된 어플리케이션에서는 슈퍼프레임의 끝에 있는1개 또는 여러 개의 컨텐션이 없는 보증 타임슬롯으로 최대 7개의 도메인을 사용할 수 있습니다.슈퍼프레임의 첫 번째 부분은 네트워크 구조 및 그 디바이스에 서비스를 제공하기에 충분해야 합니다.슈퍼프레임은 일반적으로 저지연 디바이스의 컨텍스트 내에서 사용됩니다.저지연 디바이스의 어소시에이션은 장시간 비활성화되어 있어도 유지할 필요가 있습니다.

코디네이터로의 데이터 전송에는 해당하는 경우 비콘 동기 단계가 필요하며, 이어서 CSMA/CA 전송(슈퍼프레임이 사용되는 경우 슬롯에 의한)이 필요합니다.확인 응답은 옵션입니다.코디네이터로부터의 데이터 전송은 일반적으로 디바이스 요구를 따릅니다.비콘이 사용되고 있는 경우는, 요구를 시그널링 하기 위해서 사용됩니다.코디네이터는 요구를 수신해, 그 요구를 수신해, 디바이스가 수신한 패킷에 데이터를 송신합니다.슈퍼프레임을 사용하지 않을 때도 마찬가지입니다.단, 이 경우 보류 중인 메시지를 추적하는 비콘이 존재하지 않습니다.

포인트 투 포인트네트워크에서는 비슬롯 CSMA/CA 또는 동기 메커니즘을 사용할 수 있습니다.이 경우, 임의의 2개의 디바이스간의 통신이 가능한 반면, 「구조화」모드에서는, 디바이스의 1개가 네트워크 코디네이터가 될 필요가 있습니다.

일반적으로 구현된 모든 절차는 일반적인 요청-확인/지시-응답 분류를 따릅니다.

신뢰성과 보안

물리 매체는 CSMA/CA 프로토콜을 통해 액세스됩니다.비코닝 메커니즘을 사용하지 않는 네트워크에서는 랜덤 지수 백오프알고리즘에 의해 이용되는 미디어 리슨에 기초한 비슬롯 배분을 사용합니다.확인 응답은 이 원칙에 준거하지 않습니다.일반적인 데이터 전송에서는 비코닝이 사용 중일 때 할당되지 않은 슬롯이 사용됩니다.다시 말씀드리지만 확인은 같은 프로세스를 따르지 않습니다.

확인 메시지는 특정 상황에서는 옵션일 수 있으며, 이 경우 성공으로 가정됩니다.어떤 경우에도 디바이스가 특정 시간에 프레임을 처리할 수 없는 경우 단순히 수신을 확인하지 않습니다.타임아웃 베이스의 재발송신은, 그 후에 몇번이나 실행할 수 있습니다.그 후, 중단할지 계속 시도할지를 결정합니다.

이러한 장치의 예측 환경은 배터리 수명을 최대화할 필요가 있기 때문에, 프로토콜은 이를 유도하는 방법을 선호하는 경향이 있으며, 보류 중인 메시지에 대한 주기적인 체크를 구현하며, 이 방법은 애플리케이션 요구에 따라 달라집니다.

시큐어 통신에 관해서, MAC 서브 레이어는, 상층 레이어에 의해서 이용 가능한 설비를 제공해, 목적의 시큐러티 레벨을 달성합니다.상위 레이어 프로세스에서는 payload를 보호하기 위해 대칭 암호화를 실행하는 키를 지정하고 payload를 디바이스 그룹 또는 포인트 투 포인트링크로 제한할 수 있습니다.이러한 디바이스 그룹은 액세스컨트롤 리스트로 지정할 수 있습니다.게다가 MAC 는, 연속하는 수신간의 신선도 체크를 계산해, 오래된 프레임, 또는 유효하다고 생각되지 않게 된 데이터가 상위 레이어로 넘어가지 않게 합니다.

이 시큐어 모드 외에, 시큐어하지 않은 다른 MAC 모드가 있습니다.이 모드에서는 액세스컨트롤[2] 리스트는 단순히 프레임의 수신을 (전제된) 송신원에 따라 결정하는 수단으로서만 사용할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ IEEE 802.15 WPAN™ 태스크 그룹 4, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
  2. ^ a b Gascón, David (February 5, 2009). "Security in 802.15.4 and ZigBee networks". Archived from the original on 19 March 2012. Retrieved 9 December 2010.
  3. ^ "ISA100 Committee Home Page". Retrieved 20 July 2011.
  4. ^ A. Mishra, C.Na와 D.Rosenburgh, "IEEE 802.15.4 네트워크에서의 시간 의존 트랜잭션의 일정 보증 타임 슬롯에 대하여", MILCOM 2007 - IEEE 군사 통신 회의, 올랜도, FL, 미국, 2007, 페이지 1-7.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4455149/
  5. ^ IEEE 규격802.15.4-2011 8.1.2.2
  6. ^ IEEE Computer Society, (2007년 8월 31일).IEEE 표준802.15.4a-2007
  7. ^ IEEE Computer Society, (2009년 4월 17일).IEEE 표준 802.15.4c-2009
  8. ^ IEEE Computer Society, (2009년 4월 17일).IEEE 표준 802.15.4d-2009

외부 링크