802.15.4

802.15.4

802.15.4,即IEEE用於低速無線個人域網(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層規範。該協定能支持消耗功率最少,一般在個人活動空間(10m直徑或更小)工作的簡單器件。支持兩種網路拓撲,即單跳星狀或當通信線路超過10m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網路層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址,也可以使用在關聯過程中指配的16位短地址。一個802.15.4網可以容納最多216個器件。

特點

1.工作頻段和數據速率
802.15.4工作在工業科學醫療(ISM)頻段,它定義了兩個物理層,即2

802.15.4802.15.4
.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHzISM頻段全世界都有,而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中,總共分配了27個具有三種速率的信道:在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s(或62.5ksymbol/s)的信道,在915MHz頻段有10個40kbit/s(或40ksymbol/s)的信道,在868MHz頻段有1個20kbit/s(或20ksymbol/s)的信道。ISM頻段全球都有的特點不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求,而且還給許多公司提供了開發可以工作在世界任何地方的標準化產品的難得機會。這將減少投資者的風險,與專門解決方案相比可以明顯降低產品成本。在保持簡單性的同時,802.15.4還試圖提供設計上的靈活性。一個802.15.4網可以根據可用性、擁擠狀況和數據速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看,不同的數據速率能為不同的套用提供較好的選擇。例如,對於有些計算機外圍設備與互動式玩具,可能需要250kbit/s,而對於其他許多套用,如各種感測器、智慧型標記和家用電器等,20kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。
2.支持簡單器件
802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。在802.15.4中定義了14個物理層基本參數和35個媒體接入控制層基本參數,總共為49個,僅為藍牙的三分之一。這使它非常適用於存儲能力和計算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件:全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件,要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件,在最小配置時只要求它支持38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話,可以按三種方式工作,即用作個人域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話,僅用於非常簡單的套用。
3.信標方式和超幀結構
802.15.4網可以工作於信標使能方式或非信標使能方式。在信標使能方式中,協調器定期廣播信標,以達到相關器件同步及其他目的。在非信標使能方式中,協調器不定期地廣播信標,而是在器件請求信標時向它單播信標。在信標使能方式中使用超幀結構,超幀結構的格式由協調器來定義,一般包括工作部分和任選的不工作部分。
4.數據傳輸和低功耗
在802.15.4中,有三種不同的數據轉移:從器件到協調器;從協調器到器件;在對等網路中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點,把數據傳輸分為以下三種方式:
直接數據傳輸:這適用於以上所有三種數據轉移。採用無槽載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)或開槽CSMA-CA的數據傳輸方法,視使用非信標使能方式還是信標使能方式而定。
間接數據傳輸:這僅適用於從協調器到器件的數據轉移。在這種方式中,數據幀由協調器保存在事務處理列表中,等待相應的器件來提取。通過檢查來自協調器的信標幀,器件就能發現在事務處理列表中是否掛有一個屬於它的數據分組。有時,在非信標使能方式中也可能發生間接數據傳輸。在數據提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。
有保證時隙(GTS)數據傳輸:這僅適用於器件與其協調器之間的數據轉移,既可以從器件到協調器,也可以從協調器到器件。在GTS數據傳輸中不需要CSMA-CA。
低功耗是802.15.4最重要的特點。因為對電池供電的簡單器件而言,更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些套用中,更換電池不僅麻煩,而且實際上是不可行的,例如嵌在汽車輪胎中的氣壓感測器或高密度布設的大規模感測器網。所以在802.15.4的數據傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節省功率的機制。多數機制是基於信標使能的方式,主要是限制器件或協調器之收發信機的開通時間,或者在無數據傳輸時使它們處於休眠狀態。
5.安全性
安全性是802.15.4的另一個重要問題。為了提供靈活性和支持簡單器件,802.15.4在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全性方式,對於某種套用,如果安全性並不重要或者上層已經提供足夠的安全保護,器件就可以選擇這種方式來轉移數據。對於第二級安全性,器件可以使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數據,在這一級不採取加密措施。第三級安全性在數據轉移中採用屬於高級加密標準(AES)的對稱密碼。
AES可以用來保護數據淨荷和防止攻擊者冒充合法器件,但它不能防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時通過竊聽來截取對稱密鑰。為了防止這種攻擊,可以採用公鑰加密。
6.自配置
802.15.4在媒體接入控制層中加入了關聯和分離功能,以達到支持自配置的目的。自配置不僅能自動建立起一個星狀網,而且還允許創建自配置的對等網。在關聯過程中可以實現各種配置,例如為個人域網選擇信道和識別符(ID),為器件指配16位短地址,設定電池壽命延長選項等

參考資料:

[1]http://www.chinawsn.com
[2]http://www.wellnode.com
[3]http://www.rtls.cn
[4]以及其他相關WSN相關網站。

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