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IEEE 802.15.4 표준 : 튜토리얼 / 입문서

IEEE 802.15.4 표준 : 튜토리얼 / 입문서

IEEE 802.15.4는 저비용 저전력 무선 연결 네트워크를 위해 OSI 모델에서 프레임 워크와 하위 계층을 제공하기 위해 개발 된 표준입니다.

IEEE 802.15.4는 MAC 및 PHY 계층을 제공하므로 상위 계층은 Thread, Zigbee, 6LoWPAN 등과 같은 특정 상위 표준을 위해 개발 될 수 있습니다.

결과적으로 IEEE 802.15.4는 다른 표준과 같은 방식으로 각광을받지는 않지만 그럼에도 불구하고 많은 표준의 기반을 형성하므로 첫눈에 보이는 것보다 훨씬 더 광범위하게 배포됩니다.

저전력은 원격 센서가 배터리 전원으로 작동해야하는 많은 영역에서 사용되기 때문에 802.15.4의 핵심 요소 중 하나입니다.

IEEE 802.15.4 기본 사항

IEEE 802.15.4 표준은 무선 개인 영역 네트워크 인 WPAN에 필수적인 하위 네트워크 계층을 제공하는 것을 목표로합니다. 주요 요구 사항은 장치 간의 저비용 저속 유비쿼터스 통신입니다.

IEEE 802.15.4는 비용이 그다지 중요하지 않고 더 빠른 속도가 요구되고 전력이 그다지 중요하지 않을 수있는 IEEE 802.11과 같이 일반적으로 사용되는 최종 사용자 지향 시스템과 경쟁하는 것을 목표로하지 않습니다. 대신 IEEE 802.15.4는 기본 인프라가 거의 또는 전혀없는 주변 장치의 매우 저렴한 통신을 제공합니다.

IEEE 802.15.4의 개념은 최대 약 10 미터의 거리에서 최대 250kbps의 전송 데이터 속도로 통신을 제공하는 것입니다. 비용 절감에는 고도의 임베디드 장치 솔루션이 필요할 것으로 예상하고이를 수용하기 위해 IEEE 802.15.4의 전체 개념이 고안되었습니다.

IEEE 802.15.4 표준

IEEE 802.15.4 표준은 여러 차례 릴리스되었습니다. 이 외에도 다양한 형태의 물리 계층 등을 수용하기위한 IEEE 802.15.4 표준의 다양한 변형이 있습니다. 이러한 내용은 아래 표에 요약되어 있습니다.


IEEE 802.15.4 표준 요약
IEEE 802.15.4 버전세부 사항 및 의견
IEEE 802.15.4-2003이것은 IEEE 802.15.4 표준의 초기 릴리스입니다. 두 개의 서로 다른 PHY를 제공했습니다. 하나는 868 및 915MHz의 낮은 주파수 대역 용이고 다른 하나는 2.4GHz 용입니다.
IEEE 802.15.4-2006IEEE 802.15.4 표준의 2006 년 릴리스는 낮은 주파수 대역에서 달성 할 수있는 데이터 속도의 증가를 제공했습니다. 이 표준 릴리스는 868 및 915MHz 용 PHY를 업데이트했습니다. 또한 사용할 수있는 4 개의 새로운 변조 방식 (저주파 대역 용 3 개, 2.4GHz 용 1 개)을 정의했습니다.
IEEE 802.15.4a이 IEEE 802.15.4 표준 버전은 두 개의 새로운 PHY를 정의했습니다. 하나는 UWB 기술을 사용하고 다른 하나는 2.4GHz에서 처프 확산 스펙트럼을 사용하기 위해 제공되었습니다.
IEEE 802.15.4c2.4GHz, 868MHz 및 915MHz, UWB 및 중국 779-787MHz 대역 업데이트.
IEEE 802.15.4d2.4GHz, 868MHz, 915MHz 및 일본 950-956MHz 대역.
IEEE 802.15.4e이 릴리스는 ISA SP100.11a 응용 프로그램을 지원하기 위해 IEEE 802.15.4에 대한 MAC 향상을 정의합니다.
IEEE 802.15.4f이것은 UWB, 2.4GHz 대역 및 433MHz에 대한 새로운 PHY를 정의합니다.
IEEE 802.15.4g이것은 스마트 이웃 네트워크를위한 새로운 PHY를 정의합니다. 여기에는 에너지 산업을위한 스마트 그리드 애플리케이션과 같은 애플리케이션이 포함될 수 있습니다. 902-928MHz 대역을 포함 할 수 있습니다.

새로운 버전의 표준을 상위 계층 표준에서 사용할 수 있지만 Zigbee는 여전히 IEEE 802.15.4 표준의 초기 2003 릴리스를 사용합니다.


IEEE 802.15.4 애플리케이션

IEEE 802.15.4 기술은 다양한 상위 계층 표준에 사용됩니다. 이러한 방식으로 기본 물리 및 MAC 계층이 이미 정의되어 사용중인 개별 시스템에서 상위 계층을 제공 할 수 있습니다.


IEEE 802.15.4 파생 표준
응용 프로그램 또는 시스템IEEE 802.15.4 애플리케이션 또는 시스템에 대한 설명
지그비Zigbee는 Zigbee Alliance의 지원을받으며 조명, 난방 및 기타 여러 애플리케이션을 포함한 제어 애플리케이션을위한 저전력 무선 시스템에 필요한 높은 수준을 제공합니다.
무선 HARTWirelessHART는 2.4GHz ISM 대역에서 사용하기 위해 HART Communication Foundation에서 개발 한 개방형 표준 무선 네트워킹 기술입니다. 이 시스템은 하위 계층에 IEEE802.15.4를 사용하고 시간 동기화,자가 구성 및자가 치유 메시 아키텍처를 제공합니다.
RF4CERF4CE, Radio Frequency for Consumer Electronics는 Zigbee 얼라이언스와 합병되어 오디오 비주얼 애플리케이션, 주로 세트 투 박스, TV 등과 같은 가정용 애플리케이션을위한 저전력 라디오 제어를 제공하는 것을 목표로합니다. 기존 제어와 비교할 때 향상된 통신 및 시설을 약속합니다.
MiWiMiWi 및 함께 제공되는 MiWi P2P 시스템은 Microchip Technology에서 설계했습니다. 낮은 데이터 전송 속도와 근거리, 저비용 네트워크를 위해 설계되었으며 산업 모니터링 및 제어, 가정 및 건물 자동화, 원격 제어 및 자동 검침을 포함한 애플리케이션을 대상으로합니다.
ISA100.11a이 표준은 ISA에 의해 개방형 표준 무선 네트워킹 기술로 개발되었으며 공정 제어 및 기타 관련 애플리케이션을 포함한 산업 자동화를위한 무선 시스템으로 설명됩니다.
6LoWPAN이 다소 특이한 이름은 "저전력 무선 개인 영역 네트워크를 통한 IPv6"의 약어입니다. 기본 IEEE 802.15.4를 사용하지만 Ipv6 형식의 패킷 데이터를 사용하는 시스템입니다.

IEEE 802.15.4 표준은 IEEE 802.15.4 기술을 기반으로하는 하위 수준 시스템으로 사용하는 Zigbee와 같은 일부 상위 수준 표준 및 시스템만큼 잘 알려져 있지 않을 수 있지만 그럼에도 불구하고 매우 중요합니다. 다양한 시스템에 걸쳐 있으며, 따라서 새로운 접근 방식을 제공합니다. 하위 계층 만 제공하고 다른 시스템은 관련 애플리케이션에 맞게 조정 된 상위 계층을 제공 할 수 있습니다.

IEEE 802.15.4 주파수 및 주파수 대역

IEEE 802.15.4 주파수 대역은 전 세계에서 사용 가능한 라이센스가없는 무선 대역과 일치합니다. 사용 가능한 대역 중 2.4GHz (2400MHz) 대역은 전 세계적으로 사용할 수 있다는 점에서 가장 널리 사용되며 이는 많은 규모의 경제를 가져옵니다.


IEEE 802.15.4 RF 채널 세부 정보
주파수 대역 (MHz)사용 가능한 채널사용 가능한 처리량 (kbps)지역 사용 허용
868 - 868.6120유럽
902 - 92810 (2003 년 기준)
30 (2006 년 기준)
30미국
2 40016250글로벌

디지털 배당금 및 IEEE 802.15.4를 채택하고 사용하는 다른 국가와 같은 문제의 결과로 새로운 할당이 발생함에 따라 다른 주파수 및 대역이 고려되고 있습니다. 여기에는 중국의 314-316MHz, 430-434MHz 및 779-787MHz 주파수 대역과 일본의 950MHz-956MHz 대역이 포함됩니다. IEEE 802.15.4의 UWB 변형에 대해 다른 주파수도 고려 중입니다.

IEEE 802.15.4 변조 형식

2003 년에 발표 된 원래 표준에서 IEEE 802.15.4에 대해 정의 된 두 가지 다른 변조 방식이 있습니다. 이러한 무선 인터페이스 또는 무선 인터페이스 구성은 모두 직접 시퀀스 확산 스펙트럼, DSSS 기술을 기반으로합니다. 낮은 주파수 대역을위한 것은 채널 폭이 더 작을 경우 더 낮은 데이터 속도를 제공하는 반면 2.4GHz에서 사용되는 형식은 최대 250kbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다.

802.15.4 표준의 2006 년 릴리스는 무선 인터페이스 및 변조 방식의 여러 영역을 업그레이드했습니다. 정의 된 네 가지 물리적 계층이 있습니다. 3 개는 이진 또는 오프셋 직교 위상 편이 키잉, BPSK 및 OQPSK를 사용하는 DSS 접근 방식을 사용했습니다. 진폭 선별 키잉 (ASK)을 사용하여 선택적 물리 계층 접근 방식을 정의했습니다.

IEEE 802.15.4 MAC 개요

IEEE 802.15.4 MAC 계층의 목적은 PHY 또는 물리 계층과 애플리케이션 계층 간의 인터페이스를 제공하는 것입니다. IEEE 802.15.4는 애플리케이션 계층을 지정하지 않으므로 일반적으로 Zigbee, RF4CE, MiWi 등과 같은 애플리케이션 시스템입니다.

IEEE 802.15.4 MAC은 다음 두 가지 요소를 사용하여 애플리케이션 계층에 대한 인터페이스를 제공합니다.

  • MAC 관리 서비스 : 이를 MAC Layer Management Entity, MLME라고합니다. 계층 관리 기능을 호출하거나 액세스 할 수있는 서비스 인터페이스를 제공합니다. IEEE 802.15.4 MAC MLME는 MAC 계층의 개체 데이터베이스를 제어하는 ​​역할도합니다. 이 데이터베이스를 MAC 계층 PAN 정보베이스 또는 PIB라고합니다. MLME는 또한 데이터 전송 활동을 위해 MCPS 서비스를 이용할 수 있습니다.
  • MAC 데이터 서비스 : 이 si는 MAC Common Port Layer, MCPS라고 불립니다. IEEE 802.15.4 MAC 내의이 엔티티는 피어 MAC 사이에 데이터 전송 서비스를 제공합니다.

IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지

IEEE 802.15.4 내에서 사용할 수있는 네트워크 토폴로지에는 두 가지 주요 형태가 있습니다. 이러한 네트워크 토폴로지는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있으며 다양한 이점을 제공합니다.

두 가지 IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지는 다음과 같습니다.

  • 스타 토폴로지 : 이름에서 알 수 있듯이 IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지의 시작 형식에는 다른 모든 노드가 통신하는 PAN 코디네이터라는 하나의 중앙 노드가 있습니다.
  • 피어 투 피어 네트워크 토폴로지 : 이러한 형태의 네트워크 토폴로지에서 여전히 PAN 코디네이터라고하는 것이 있지만, 통신은 코디네이터를 통하지 않고 서로 다른 노드간에 발생할 수도 있습니다.

네트워크에 존재할 수있는 다양한 유형의 장치를 정의하는 것이 좋습니다. 세 가지 유형이 있습니다.

  • FFD : 전체 기능 장치-전체 수준의 기능을 가진 노드입니다. 데이터를 보내고받는 데 사용할 수 있지만 다른 노드에서 데이터를 라우팅 할 수도 있습니다.
  • RFD : 기능 제한 장치-기능 수준이 감소 된 장치입니다. 일반적으로 이는 일반적으로 센서 또는 스위치 일 수있는 끝 노드입니다. RFD는 라우팅 기능이 없기 때문에 FFD 와만 통신 할 수 있습니다. 이 장치는 다른 트래픽을 라우팅 할 필요가없고 사용하지 않을 때 절전 모드로 전환 될 수 있기 때문에 매우 저전력 장치 일 수 있습니다.

    이러한 RFD는 통신 할 다른 상위 장치가 필요하기 때문에 종종 하위 장치로 알려져 있습니다.

  • 조정자: IEEE 802.15.4 네트워크를 제어하는 ​​노드입니다. 이것은 FFD의 특별한 형태입니다. 일반 FFD 기능 외에도 IEEE 802.15.4 네트워크를 설정하고 네트워크 조정자 또는 관리자 역할을합니다.

이러한 정의는 원래 Zigbee에서 사용하기 위해 생성되었지만 현재 IEEE 802.15.4 네트워크 용어로 사용되었습니다.


IEEE 802.15.4 스타 토폴로지

스타 토폴로지에서 모든 다른 노드는 중앙 PAN 코디네이터와 만 통신해야합니다. 노드가 FFD이고 서로 범위 내에 있더라도 스타 네트워크 토폴로지에서는 코디네이터 노드와 만 통신 할 수 있습니다.

스타 네트워크 토폴로지를 사용하면 커버 할 수있는 전체 거리가 제한됩니다. 1 홉으로 제한됩니다.


IEEE 802.15.4 피어 투 피어 토폴로지

피어 투 피어 또는 p2p 네트워크 토폴로지는 스타 네트워크 토폴로지에 비해 많은 이점을 제공합니다. 네트워크 코디네이터와의 통신 외에도 장치는 서로 통신 할 수 있습니다. FFD는 데이터를 라우팅 할 수있는 반면 RFD는 간단한 통신 만 제공 할 수 있습니다.

데이터가 FFD 노드를 통해 라우팅 될 수 있다는 사실은 네트워크 커버리지가 증가 할 수 있음을 의미합니다. 전체 거리를 늘릴 수있을뿐만 아니라 주 네트워크 코디네이터에서 마스킹 된 노드는 통신 할 수있는 다른 FFD 노드를 통해 데이터를 라우팅 할 수 있습니다.

무선 및 유선 연결 항목 :
모바일 통신 기본 사항 2G GSM3G UMTS4G LTE5GWiFiIEEE 802.15.4DECT 무선 전화기 NFC- 근거리 무선 통신 네트워킹 기본 사항 CloudEthernet 직렬 데이터 란? USBSigFoxLoRaVoIPSDNNFVSD-WAN
무선 및 유선 연결로 돌아 가기


비디오보기: ZigBee Fundamentals. IEEE (일월 2021).