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Padrão IEEE 802.15.4: um tutorial / primer

Padrão IEEE 802.15.4: um tutorial / primer

IEEE 802.15.4 é um padrão que foi desenvolvido para fornecer uma estrutura e as camadas inferiores no modelo OSI para redes de conectividade sem fio de baixo custo e baixa potência.

O IEEE 802.15.4 fornece as camadas MAC e PHY, deixando as camadas superiores a serem desenvolvidas para padrões posteriores superiores específicos como Thread, Zigbee, 6LoWPAN e muitos outros.

Como resultado, o IEEE 802.15.4 não assume o centro das atenções da maneira que outros padrões podem, mas, no entanto, ele forma a base para um grande número de padrões e, portanto, é muito mais amplamente implantado do que pode parecer à primeira vista.

O baixo consumo de energia é um dos elementos-chave do 802.15.4, pois é usado em muitas áreas onde os sensores remotos precisam operar com bateria, possivelmente por anos sem atenção.

IEEE 802.15.4 básico

O padrão IEEE 802.15.4 visa fornecer as camadas de rede inferiores essenciais para uma rede de área pessoal sem fio, WPAN. Os principais requisitos são a comunicação onipresente de baixo custo e baixa velocidade entre os dispositivos.

O IEEE 802.15.4 não tem como objetivo competir com os sistemas orientados ao usuário final mais comumente usados, como o IEEE 802.11, onde os custos não são tão críticos e velocidades mais altas são exigidas e a potência pode não ser tão crítica. Em vez disso, o IEEE 802.15.4 fornece comunicação de custo muito baixo de dispositivos próximos com pouca ou nenhuma infraestrutura subjacente.

O conceito do IEEE 802.15.4 é fornecer comunicações em distâncias de até cerca de 10 metros e com taxas máximas de transferência de dados de 250 kbps. Antecipando que a redução de custos exigirá soluções de dispositivos altamente incorporados, o conceito geral do IEEE 802.15.4 foi desenvolvido para acomodar isso.

Padrão IEEE 802.15.4

O padrão IEEE 802.15.4 passou por várias versões. Além disso, há uma série de variantes do padrão IEEE 802.15.4 para atender a diferentes formas de camada física, etc. Elas estão resumidas abaixo na tabela.


Resumo do padrão IEEE 802.15.4
Versão IEEE 802.15.4Detalhes e comentários
IEEE 802.15.4 - 2003Este foi o lançamento inicial do padrão IEEE 802.15.4. Ele previa dois PHYs diferentes - um para as bandas de frequência mais baixas de 868 e 915 MHz e outro para 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4 - 2006Esta versão de 2006 do padrão IEEE 802.15.4 previa um aumento na taxa de dados alcançável nas bandas de frequência mais baixas. Esta versão do padrão atualizou o PHY para 868 e 915 MHz. Ele também definiu quatro novos esquemas de modulação que poderiam ser usados ​​- três para as bandas de frequência mais baixas e um para 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4aEsta versão do padrão IEEE 802.15.4 definiu dois novos PHYs. Um usava a tecnologia UWB e o outro previa o uso de espectro de difusão chirp a 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4cAtualizações para 2,4 GHz, 868 MHz e 915 MHz, UWB e a banda China 779-787 MHz.
IEEE 802.15.4d2,4 GHz, 868 MHz, 915 MHz e banda japonesa 950 - 956 MHz.
IEEE 802.15.4eEsta versão define os aprimoramentos do MAC para IEEE 802.15.4 no suporte do aplicativo ISA SP100.11a.
IEEE 802.15.4fIsso definirá novos PHYs para UWB, banda de 2,4 GHz e também 433 MHz
IEEE 802.15.4gIsso definirá novos PHYs para redes de vizinhança inteligente. Isso pode incluir aplicações como aplicações de redes inteligentes para a indústria de energia. Pode incluir a banda 902-928 MHz.

Embora novas versões do padrão estejam disponíveis para uso por qualquer um dos padrões de camada superior, o Zigbee ainda usa a versão inicial de 2003 do padrão IEEE 802.15.4.


Aplicativos IEEE 802.15.4

A tecnologia IEEE 802.15.4 é usada para uma variedade de padrões de camadas superiores. Desta forma, as camadas físicas e MAC básicas já estão definidas, permitindo que as camadas superiores sejam fornecidas pelo sistema individual em uso.


Padrões derivados IEEE 802.15.4
Aplicativo ou sistemaDescrição do aplicativo ou sistema IEEE 802.15.4
ZigbeeZigbee é apoiado pela Zigbee Alliance e fornece os níveis mais altos necessários para o sistema de rádio de baixa potência para aplicações de controle, incluindo iluminação, aquecimento e muitas outras aplicações.
HART sem fioWirelessHART é uma tecnologia de rede sem fio de padrão aberto que foi desenvolvida pela HART Communication Foundation para uso na banda ISM de 2,4 GHz. O sistema usa IEEE802.15.4 para as camadas inferiores e fornece uma arquitetura de malha com sincronização de tempo, auto-organização e auto-recuperação.
RF4CERF4CE, Rádio Frequência para Eletrônicos de Consumo, se fundiu com a aliança Zigbee e tem como objetivo fornecer controles de rádio de baixa potência para aplicações audiovisuais, principalmente para aplicações domésticas, como set para caixas, televisores e similares. Ele promete comunicação e facilidades aprimoradas em comparação aos controles existentes.
MiWiMiWi e os sistemas MiWi P2P que os acompanham são projetados pela Microchip Technology. Eles são projetados para baixas taxas de transmissão de dados e redes de curta distância e baixo custo e são voltados para aplicações que incluem monitoramento e controle industrial, automação residencial e predial, controle remoto e leitura automatizada de medidores.
ISA100.11aEste padrão foi desenvolvido pela ISA como uma tecnologia de rede sem fio de padrão aberto e é descrito como um sistema sem fio para automação industrial, incluindo controle de processo e outras aplicações relacionadas.
6LoWPANEste nome bastante incomum é um acrônimo para "IPv6 em redes de área pessoal sem fio de baixa potência". É um sistema que usa o IEEE 802.15.4 básico, mas usa dados de pacote na forma de Ipv6.

Embora o padrão IEEE 802.15.4 possa não ser tão conhecido quanto alguns dos padrões e sistemas de nível mais alto, como o Zigbee, que usa a tecnologia IEEE 802.15.4 como o sistema de níveis inferiores subjacentes, ele é, no entanto, muito importante. Ele abrange uma variedade de sistemas diferentes e, como tal, fornece uma nova abordagem - fornecendo apenas as camadas inferiores e permitindo que outros sistemas forneçam as camadas superiores que são personalizadas para a aplicação relevante.

Frequências e bandas de frequência IEEE 802.15.4

As bandas de frequência IEEE 802.15.4 alinham-se com as bandas de rádio sem licença disponíveis em todo o mundo. Das bandas disponíveis, a banda de 2,4 GHz (2 400 MHz) é a mais utilizada, visto que está disponível a nível mundial e traz consigo muitas economias de escala.


Detalhes do canal RF IEEE 802.15.4
Banda de frequência (MHz)Canais disponíveisTaxa de transferência disponível (kbps)Uso de região permitido
868 - 868.6120Europa
902 - 92810 (2003 rel)
30 (2006 rel)
30EUA
2 40016250Global

Com novas alocações surgindo como resultado de questões como o dividendo digital e outros países adotando e usando IEEE 802.15.4, outras frequências e bandas estão sendo consideradas. Estes incluem: bandas de frequência 314-316 MHz, 430-434 MHz e 779-787 MHz na China e a banda de 950 MHz-956 MHz no Japão. Outras frequências também estão sendo consideradas para variantes UWB do IEEE 802.15.4.

Formatos de modulação IEEE 802.15.4

Havia dois esquemas de modulação diferentes definidos para IEEE 802.15.4 no padrão original lançado em 2003. Ambas as configurações de interface de ar ou de interface de rádio são baseadas em espectro de difusão de sequência direta, técnicas DSSS. Aquele para as bandas de frequência mais baixas fornece uma taxa de dados mais baixa em vista se a largura de canal menor, enquanto o formato usado em 2,4 GHz permite que os dados sejam transferidos a taxas de até 250 kbps.

O lançamento de 2006 do padrão 802.15.4 atualizou uma série de áreas da interface aérea e os esquemas de modulação. Quatro camadas físicas diferentes foram definidas. Três usaram a abordagem DSS usando chaveamento de fase binária ou de quadratura de deslocamento, BPSK e OQPSK. Uma abordagem opcional da camada física foi definida usando o chaveamento de amplitude, ASK.

Visão geral do MAC IEEE 802.15.4

O objetivo da camada MAC IEEE 802.15.4 é fornecer uma interface entre a camada PHY ou física e a camada de aplicação. Como o IEEE 802.15.4 não especifica uma camada de aplicativo, geralmente é um sistema de aplicativo como Zigbee, RF4CE, MiWi, etc.

O MAC IEEE 802.15.4 fornece a interface para a camada de aplicativo usando dois elementos:

  • Serviço de gerenciamento MAC: Isso é chamado de MAC Layer Management Entity, MLME. Ele fornece as interfaces de serviço por meio das quais as funções de gerenciamento de camadas podem ser chamadas ou acessadas. O IEEE 802.15.4 MAC MLME também é responsável por controlar um banco de dados de objetos para a camada MAC. Esse banco de dados é conhecido como base de informações PAN da camada MAC ou PIB. O MLME também tem acesso aos serviços MCPS para atividades de transporte de dados.
  • Serviço de dados MAC: Este si é chamado de MAC Common Port Layer, MCPS. Esta entidade dentro do MAC IEEE 802.15.4 fornece serviços de transporte de dados entre os pares MAC.

Topologias de rede IEEE 802.15.4

Existem duas formas principais de topologia de rede que podem ser usadas no IEEE 802.15.4. Essas topologias de rede podem ser usadas para diferentes aplicações e oferecem diferentes vantagens.

As duas topologias de rede IEEE 802.15.4 são:

  • Topologia em estrela: Como o nome indica, o formato inicial para uma topologia de rede IEEE 802.15.4 tem um nó central chamado de coordenador PAN, com o qual todos os outros nós se comunicam.
  • Topologia de rede ponto a ponto: Nesta forma de topologia de rede, ainda existe o que é denominado coordenador PAN, mas as comunicações também podem ocorrer entre nós diferentes e não necessariamente por meio do coordenador.

Vale a pena definir os diferentes tipos de dispositivos que podem existir em uma rede. Existem três tipos:

  • FFD: Dispositivo de função completa - um nó que possui níveis completos de funcionalidade. Ele pode ser usado para enviar e receber dados, mas também pode rotear dados de outros nós.
  • RFD: Dispositivo de função reduzida - um dispositivo que possui um nível reduzido de funcionalidade. Normalmente é um nó final que pode ser um sensor ou switch. Os RFDs só podem falar com os FFDs, pois eles não contêm nenhuma funcionalidade de roteamento. Esses dispositivos podem ser dispositivos de energia muito baixa porque eles não precisam direcionar outro tráfego e podem ser colocados em um modo de espera quando não estão em uso.

    Esses RFDs são frequentemente conhecidos como dispositivos filhos, pois precisam de outros dispositivos pais para se comunicarem.

  • Coordenador: Este é o nó que controla a rede IEEE 802.15.4. Esta é uma forma especial de FFD. Além das funções normais do FFD, ele também configura a rede IEEE 802.15.4 e atua como coordenador ou gerente da rede.

Essas definições foram geradas originalmente para uso no Zigbee, mas seu uso agora foi introduzido com a terminologia de rede IEEE 802.15.4.


Topologia em estrela IEEE 802.15.4

Na topologia em estrela, todos os nós diferentes são obrigados a falar apenas com o coordenador PAN central. Mesmo que os nós sejam FFDs e estejam dentro do alcance uns dos outros, em uma topologia de rede em estrela, eles só podem se comunicar com o nó coordenador.

Ter uma topologia de rede em estrela limita as distâncias gerais que podem ser cobertas. É limitado a um salto.


Topologia ponto a ponto IEEE 802.15.4

Uma topologia de rede ponto a ponto ou ponto-a-ponto oferece várias vantagens em relação a uma topologia de rede em estrela. Além da comunicação com o coordenador da rede, os dispositivos também podem se comunicar uns com os outros. Os FFDs são capazes de rotear dados, enquanto os RFDs são capazes apenas de fornecer comunicação simples.

O fato de que os dados podem ser roteados por meio de nós FFD significa que a cobertura da rede pode ser aumentada. Não apenas as distâncias gerais podem ser aumentadas, mas os nós mascarados do coordenador da rede principal podem rotear seus dados por meio de outro nó FFD com o qual ele pode se comunicar.

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