IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4是一项技术标准，定义了低速无线个人局域网（LR-WPAN）的操作。 它指定了LR-WPAN的物理层和媒体访问控制，并由IEEE 802.15工作组维护，该工作组在2003年定义了该标准。[1] 它是Zigbee，[2] ISA100.11a，[3] WirelessHART，MiWi，6LoWPAN，Thread和SNAP规范的基础，它们各自通过开发IEEE 802.15.4中未定义的上层来进一步扩展了标准。 。 特别是，6LoWPAN定义了WPAN上的Internet协议（IP）的IPv6版本的绑定，并且本身由Thread等上层使用。

总览

IEEE标准802.15.4旨在提供一种无线个人局域网（WPAN）的基本底层网络层，该网络侧重于设备之间的低成本，低速普适通信。可以将它与其他方法（例如Wi-Fi）形成对比，后者可提供更多带宽并需要更多功率。重点是在几乎没有底层基础设施的情况下，以非常低成本的方式与附近设备进行通信，目的是要利用它来进一步降低功耗。

基本框架设想了10米的通信范围，传输速率为250 kbit / s。通过定义不只是一个物理层，而是几个物理层，可以权衡取舍于具有更低功耗要求的更根本的嵌入式设备。最初定义了20和40 kbit / s的较低传输速率，在当前版本中增加了100 kbit / s的速率。

甚至可以考虑更低的速率，从而对功耗产生影响。如前所述，WPAN中IEEE 802.15.4的主要识别特征是在不牺牲灵活性或通用性的情况下，实现极低的制造和运营成本以及技术简便性的重要性。

重要功能包括通过保留保证时隙（GTS）的实时适用性，通过CSMA / CA避免冲突以及对安全通信的集成支持。设备还包括电源管理功能，例如链路质量和能量检测。该标准确实具有支持时间和速率敏感应用程序的规定，因为它具有在纯CSMA / CA或TDMA访问模式下运行的能力。通过标准的GTS功能支持TDMA操作模式。[4]

符合IEEE 802.15.4的设备可以使用三个可能的频带之一进行操作（868/915/2450 MHz）。

协议架构

设想设备通过概念上简单的无线网络相互交互。 网络层的定义基于OSI模型； 尽管标准中仅定义了较低的层，但可能会与高层进行交互，可能使用IEEE 802.2逻辑链路控制子层，通过收敛子层访问MAC。 实现可能依赖于外部设备，也可能是完全嵌入式的自运行设备。

物理层

物理层是全球范围内使用的OSI参考模型的初始层。物理层（PHY）最终提供数据传输服务以及与物理层管理实体的接口，该实体提供对每个层管理功能的访问并维护有关个人局域网上的信息数据库。因此，PHY管理物理RF收发器，并执行信道选择以及能量和信号管理功能。它在三个可能的未许可频段之一上运行：

868.0–868.6 MHz：欧洲，允许一个通信信道（2003、2006、2011 [5]）
902–928 MHz：北美，最多10个频道（2003），扩展到30（2006）
2400–2483.5 MHz：全世界使用，最多16个频道（2003年，2006年）

该标准的原始2003版本指定了两个基于直接序列扩频（DSSS）技术的物理层：一个工作在868/915 MHz频段，传输速率为20和40 kbit / s，另一个工作在2450 MHz频段，速率为250 kbit / s。

2006年的修订版改进了868/915 MHz频带的最大数据速率，使其也可以支持100和250 kbit / s。此外，它继续根据所使用的调制方法来定义四个物理层。其中三个保留了DSSS方法：在868/915 MHz频带中，使用二进制或偏移正交相移键控（第二个是可选的）；在2450 MHz频段中使用后者。可选的868/915 MHz可选层是使用二进制键控和幅度移位键控（因此基于并行而非顺序扩频PSSS）组合定义的。在支持的868/915 MHz PHY之间可以动态切换。

除了这三个频段之外，IEEE 802.15.4c研究小组还考虑了中国新开放的314–316 MHz，430–434 MHz和779–787 MHz频段，而IEEE 802.15任务组4d定义了对802.15.4- 2006年支持日本新的950-956 MHz频段。这些小组的第一批标准修订版于2009年4月发布。

2007年8月，发布了IEEE 802.15.4a，将2006早期版本中的四个PHY扩展到了六个，其中一个PHY使用直接序列超宽带（UWB），另一个使用线性调频扩频（CSS）。为UWB PHY分配了三个范围内的频率：低于1 GHz，低于3至5 GHz以及低于6至10 GHz。 CSS PHY被分配了2450 MHz ISM频带中的频谱。[6]

2009年4月，IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4d发布，将可用的PHY扩展为几个其他PHY：一个使用O-QPSK或MPSK用于780 MHz频段，[7]另一个使用GFSK或BPSK用于950 MHz频段。[8 ]

制定了IEEE 802.15.4e协议，以定义对现有标准802.15.4-2006的MAC修正案，该修正案采用信道跳变策略来改善对工业市场的支持，提高抵抗外部干扰和持久性多径衰落的能力。 2012年2月6日，IEEE标准协会理事会批准了IEEE 802.15.4e，该协议结束了第4e任务组的所有工作。

MAC层

介质访问控制（MAC）可以通过使用物理信道来传输MAC帧。除数据服务外，它还提供管理界面，并且本身管理对物理通道和网络信标的访问。它还控制帧验证，保证时隙并处理节点关联。最后，它为安全服务提供了挂钩点。

请注意，IEEE 802.15标准不使用802.1D或802.1Q，即它不交换标准以太网帧。物理帧格式在IEEE802.15.4-2011的5.2节中指定。针对以下事实进行了定制：大多数IEEE 802.15.4 PHY仅支持高达127字节的帧（自适应层协议（例如6LoWPAN提供了分段方案，以支持更大的网络层数据包）。

更高层

标准中未定义更高层和互操作性子层。其他规范（例如ZigBee，SNAP和6LoWPAN / Thread）都建立在该标准之上。 RIOT，OpenWSN，TinyOS，Unison RTOS，DSPnano RTOS，nanoQplus，Contiki和Zephyr操作系统也使用少数IEEE 802.15.4硬件和软件。

网络模型

节点类型

该标准定义了两种类型的网络节点。

第一个是全功能设备（FFD）。 它可以充当个人局域网的协调器，就像它可以充当公共节点一样。 它实现了一种通用的通信模型，该模型允许它与任何其他设备进行通信：它还可以中继消息，在这种情况下，它被称为协调器（当它负责整个网络时称为PAN协调器）。

另一方面，存在功能减少的设备（RFD）。 这意味着它们是非常简单的设备，具有非常有限的资源和通信要求。 因此，它们只能与FFD通信，而不能充当协调者。

拓扑结构

网络可以构建为对等网络或星形网络。但是，每个网络至少需要一个FFD才能充当网络的协调器。网络由间隔适当距离的设备组形成。每个设备都有一个唯一的64位标识符，如果满足某些条件，则可以在受限环境中使用简短的16位标识符。也就是说，在每个PAN域中，通信可能会使用短标识符。

对等（或点对点）网络可以形成任意的连接模式，并且它们的扩展仅受每对节点之间的距离限制。它们旨在作为能够执行自我管理和组织的临时网络的基础。由于该标准未定义网络层，因此不直接支持路由，但是这种附加层可以增加对多跳通信的支持。可能会添加其他拓扑限制；该标准将群集树称为一种结构，该结构利用了以下事实：RFD一次只能与一个FFD相关联，以形成一个网络，其中RFD仅是树的叶子，而大多数节点都是FFD。该结构可以扩展为通用网状网络，其节点是群集树网络，除全局协调器外，每个群集都有一个本地协调器。

还支持更结构化的星形模式，其中网络的协调器将必定是中心节点。当FFD在选择唯一的PAN标识符后决定创建自己的PAN并声明自己为协调器时，可以发起这种网络。此后，其他设备可以加入与所有其他星形网络完全独立的网络。