معلومات

معيار IEEE 802.15.4: برنامج تعليمي / كتاب تمهيدي

معيار IEEE 802.15.4: برنامج تعليمي / كتاب تمهيدي

IEEE 802.15.4 هو معيار تم تطويره لتوفير إطار عمل والطبقات السفلية في نموذج OSI لشبكات اتصال لاسلكية منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة.

يوفر IEEE 802.15.4 طبقات MAC و PHY ، تاركًا الطبقات العليا ليتم تطويرها لمعايير أعلى محددة لاحقة مثل Thread و Zigbee و 6LoWPAN وغيرها الكثير.

نتيجة لذلك ، لا يأخذ معيار IEEE 802.15.4 الأضواء بالطريقة التي قد تكون بها المعايير الأخرى ، ولكنه مع ذلك يشكل الأساس لعدد كبير من المعايير ، وبالتالي إذا كان منتشرًا على نطاق أوسع مما قد يبدو للوهلة الأولى.

تعد الطاقة المنخفضة أحد العناصر الرئيسية لـ 802.15.4 حيث يتم استخدامها في العديد من المناطق حيث تحتاج أجهزة الاستشعار عن بُعد للعمل على طاقة البطارية ، ربما لسنوات دون اهتمام.

أساسيات IEEE 802.15.4

يهدف معيار IEEE 802.15.4 إلى توفير طبقات الشبكة الأساسية السفلية لشبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية ، WPAN. المتطلبات الرئيسية هي الاتصالات في كل مكان منخفضة التكلفة ومنخفضة السرعة بين الأجهزة.

لا يهدف IEEE 802.15.4 إلى التنافس مع الأنظمة الموجهة للمستخدم النهائي الأكثر استخدامًا مثل IEEE 802.11 حيث التكاليف ليست حرجة ويتم طلب سرعات أعلى وقد لا تكون الطاقة حرجة تمامًا. بدلاً من ذلك ، يوفر IEEE 802.15.4 اتصالات منخفضة التكلفة للغاية للأجهزة القريبة مع بنية أساسية قليلة أو معدومة.

يتمثل مفهوم IEEE 802.15.4 في توفير اتصالات عبر مسافات تصل إلى حوالي 10 أمتار ومعدلات نقل بيانات قصوى تبلغ 250 كيلوبت في الثانية. توقعًا أن يتطلب خفض التكلفة حلول أجهزة مدمجة للغاية ، فقد تم تصميم المفهوم العام لـ IEEE 802.15.4 لاستيعاب ذلك.

معيار IEEE 802.15.4

خضع معيار IEEE 802.15.4 لعدد من الإصدارات. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عدد من المتغيرات لمعيار IEEE 802.15.4 لتلبية أشكال مختلفة من الطبقة المادية ، وما إلى ذلك ، تم تلخيصها أدناه في الجدول.


ملخص معيار IEEE 802.15.4
إصدار IEEE 802.15.4التفاصيل والتعليقات
IEEE 802.15.4 - 2003كان هذا هو الإصدار الأولي لمعيار IEEE 802.15.4. وهي توفر نوعين مختلفين من PHYs - أحدهما لنطاقات التردد المنخفضة 868 و 915 ميجاهرتز ، والآخر 2.4 جيجاهرتز.
IEEE 802.15.4 - 2006قدم هذا الإصدار لعام 2006 من معيار IEEE 802.15.4 زيادة في معدل البيانات الذي يمكن تحقيقه في نطاقات التردد المنخفضة. قام هذا الإصدار من المعيار بتحديث PHY لـ 868 و 915 ميجا هرتز. كما حددت أربعة مخططات تشكيل جديدة يمكن استخدامها - ثلاثة لنطاقات التردد الأدنى وواحدة لـ 2.4 جيجا هرتز.
IEEE 802.15.4aحدد هذا الإصدار من معيار IEEE 802.15.4 طبقتين PHYs جديدتين. استخدم أحدهما تقنية UWB والآخر مزودًا باستخدام طيف انتشار الزقزقة عند 2.4 جيجا هرتز.
IEEE 802.15.4cتحديثات 2.4 جيجا هرتز ، 868 ميجا هرتز ، 915 ميجا هرتز ، UWB ونطاق الصين 779-787 ميجا هرتز.
IEEE 802.15.4d2.4 جيجا هرتز ، 868 ميجا هرتز ، 915 ميجا هرتز ، النطاق الياباني 950-956 ميجا هرتز.
IEEE 802.15.4eيعرّف هذا الإصدار تحسينات MAC لـ IEEE 802.15.4 لدعم تطبيق ISA SP100.11a.
IEEE 802.15.4fسيحدد هذا PHYs جديدة لـ UWB ونطاق 2.4 جيجا هرتز وأيضًا 433 ميجا هرتز
IEEE 802.15.4gسيحدد هذا PHYs جديدة لشبكات الأحياء الذكية. قد تشمل هذه تطبيقات مثل تطبيقات الشبكة الذكية لصناعة الطاقة. قد يشمل النطاق 902 - 928 ميجا هرتز.

على الرغم من توفر الإصدارات الجديدة من المعيار للاستخدام من قبل أي من معايير الطبقة العليا ، لا يزال Zigbee يستخدم الإصدار الأولي لعام 2003 من معيار IEEE 802.15.4.


تطبيقات IEEE 802.15.4

تُستخدم تقنية IEEE 802.15.4 لمجموعة متنوعة من معايير الطبقات العليا المختلفة. وبهذه الطريقة ، يتم تحديد الطبقات المادية الأساسية وطبقات MAC ، مما يسمح بتوفير الطبقات العليا بواسطة نظام فردي قيد الاستخدام.


معايير IEEE 802.15.4 المشتقة
التطبيق أو النظاموصف تطبيق أو نظام IEEE 802.15.4
زيجبيZigbee مدعوم من Zigbee Alliance ويوفر المستويات الأعلى المطلوبة لنظام الراديو منخفض الطاقة لتطبيقات التحكم بما في ذلك الإضاءة والتدفئة والعديد من التطبيقات الأخرى.
هارت لاسلكيWirelessHART هي تقنية شبكات لاسلكية ذات معايير مفتوحة تم تطويرها بواسطة HART Communication Foundation لاستخدامها في نطاق 2.4 جيجا هرتز ISM. يستخدم النظام IEEE802.15.4 للطبقات السفلية ويوفر بنية شبكة متزامنة وتنظيم ذاتي وذاتية الإصلاح.
RF4CEتم دمج RF4CE ، تردد الراديو للإلكترونيات الاستهلاكية مع تحالف Zigbee ويهدف إلى توفير عناصر تحكم لاسلكية منخفضة الطاقة للتطبيقات السمعية والبصرية ، بشكل أساسي للتطبيقات المحلية مثل ضبط الصناديق وأجهزة التلفزيون وما شابه ذلك. يعد بتحسين الاتصالات والمرافق بالمقارنة مع الضوابط الحالية.
ميويتم تصميم MiWi وأنظمة MiWi P2P المصاحبة بواسطة تقنية Microchip. وهي مصممة لمعدلات نقل البيانات المنخفضة والشبكات ذات المسافات القصيرة ومنخفضة التكلفة وهي تستهدف التطبيقات بما في ذلك المراقبة والتحكم الصناعي وأتمتة المنازل والمباني والتحكم عن بعد وقراءة العدادات الآلية.
ISA100.11aتم تطوير هذا المعيار من قبل ISA كتقنية شبكات لاسلكية ذات معيار مفتوح ويتم وصفه كنظام لاسلكي للأتمتة الصناعية بما في ذلك التحكم في العمليات والتطبيقات الأخرى ذات الصلة.
6LoWPANهذا الاسم غير المعتاد إلى حد ما هو اختصار لـ "IPv6 عبر شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية منخفضة الطاقة" وهو نظام يستخدم IEEE 802.15.4 الأساسي ، ولكن يستخدم حزم البيانات في شكل Ipv6.

في حين أن معيار IEEE 802.15.4 قد لا يكون معروفًا جيدًا مثل بعض المعايير والأنظمة ذات المستوى الأعلى مثل Zigbee التي تستخدم تقنية IEEE 802.15.4 كنظام أساسي للمستويات المنخفضة ، إلا أنها مهمة جدًا. يمتد على مجموعة متنوعة من الأنظمة المختلفة ، وعلى هذا النحو يوفر نهجًا جديدًا - يوفر فقط الطبقات السفلية ، ويسمح للأنظمة الأخرى بتوفير الطبقات العليا المصممة للتطبيق ذي الصلة.

ترددات IEEE 802.15.4 ونطاقات التردد

تتوافق نطاقات التردد IEEE 802.15.4 مع نطاقات الراديو الخالية من الترخيص المتوفرة حول العالم. من بين النطاقات المتاحة ، فإن النطاق 2.4 جيجاهرتز (2 400 ميجاهرتز) هو الأكثر استخدامًا نظرًا لأنه متاح عالميًا وهذا يجلب العديد من وفورات الحجم.


تفاصيل قناة IEEE 802.15.4 RF
نطاق التردد (ميجاهرتز)القنوات المتاحةالإنتاجية المتاحة (كيلو بت في الثانية)استخدام المنطقة المسموح به
868 - 868.6120أوروبا
902 - 92810 (2003 rel)
30 (2006 rel)
30الولايات المتحدة الأمريكية
2 40016250عالمي

مع التخصيصات الجديدة التي نشأت نتيجة لقضايا مثل المكاسب الرقمية والدول الأخرى التي تتبنى وتستخدم IEEE 802.15.4 ، يتم النظر في الترددات والنطاقات الأخرى. وتشمل هذه: نطاقات التردد 314-316 ميجا هرتز ، 430-434 ميجا هرتز ، 779-787 ميجا هرتز في الصين ونطاق 950 ميجا هرتز -956 ميجا هرتز في اليابان. كما يتم النظر في ترددات أخرى لمتغيرات UWB لـ IEEE 802.15.4.

تنسيقات تعديل IEEE 802.15.4

كان هناك نوعان مختلفان من مخططات التعديل المحددة لـ IEEE 802.15.4 في المعيار الأصلي الذي تم إصداره في عام 2003. تعتمد كل من تكوينات السطح البيني الجوي أو الواجهة الراديوية على طيف الانتشار المتسلسل المباشر ، تقنيات DSSS. يوفر النطاق الخاص بنطاقات التردد المنخفضة معدل بيانات أقل في الرؤية إذا كان عرض القناة الأصغر ، بينما يتيح التنسيق المستخدم عند 2.4 جيجا هرتز نقل البيانات بمعدلات تصل إلى 250 كيلو بت في الثانية.

أدى إصدار عام 2006 من معيار 802.15.4 إلى ترقية عدد من مناطق الواجهة الهوائية وخطط التعديل. كانت هناك أربع طبقات مادية مختلفة تم تحديدها. ثلاثة استخدموا نهج DSS باستخدام مفتاح إزاحة الطور الثنائي أو التربيعي المتعادل ، BPSK و OQPSK. تم تعريف نهج الطبقة المادية الاختياري باستخدام مفتاح غربلة السعة ، اسأل.

نظرة عامة على IEEE 802.15.4 MAC

الغرض من طبقة IEEE 802.15.4 MAC هو توفير واجهة بين الطبقة المادية أو الطبقة المادية وطبقة التطبيق. لا يحدد IEEE 802.15.4 طبقة تطبيق ، وهو بشكل عام نظام تطبيق مثل Zigbee و RF4CE و MiWi وما إلى ذلك.

يوفر IEEE 802.15.4 MAC الواجهة لطبقة التطبيق باستخدام عنصرين:

  • خدمة إدارة MAC: وهذا ما يسمى كيان إدارة طبقة MAC ، MLME. يوفر واجهات الخدمة التي يمكن من خلالها استدعاء وظائف إدارة الطبقة أو الوصول إليها. يعتبر IEEE 802.15.4 MAC MLME مسؤولاً أيضًا عن التحكم في قاعدة بيانات الكائنات لطبقة MAC. يشار إلى قاعدة البيانات هذه بقاعدة معلومات PAN لطبقة MAC أو PIB. كما يتمتع MLME بإمكانية الوصول إلى خدمات MCPS لأنشطة نقل البيانات.
  • خدمة بيانات MAC: يسمى هذا si طبقة منفذ MAC المشتركة ، MCPS. يوفر هذا الكيان داخل IEEE 802.15.4 MAC خدمات نقل البيانات بين أجهزة MAC النظيرة.

طبولوجيا شبكة IEEE 802.15.4

هناك نوعان رئيسيان من طوبولوجيا الشبكة التي يمكن استخدامها في IEEE 802.15.4. يمكن استخدام طبولوجيا الشبكة هذه لتطبيقات مختلفة وتقدم مزايا مختلفة.

طوبولوجيا شبكة IEEE 802.15.4 هما:

  • طوبولوجيا النجوم: نظرًا لأن الاسم يشير إلى تنسيق البدء لطوبولوجيا شبكة IEEE 802.15.4 ، فإن لها عقدة مركزية واحدة تسمى منسق PAN تتواصل معها جميع العقد الأخرى.
  • طوبولوجيا شبكة نظير إلى نظير: في هذا الشكل من طوبولوجيا الشبكة ، لا يزال هناك ما يسمى بمنسق PAN ، ولكن قد تتم الاتصالات أيضًا بين العقد المختلفة وليس بالضرورة عبر المنسق.

يجدر تحديد الأنواع المختلفة من الأجهزة التي يمكن أن توجد في الشبكة. هناك ثلاثة أنواع:

  • FFD: جهاز كامل الوظائف - عقدة لديها مستويات كاملة من الوظائف. يمكن استخدامه لإرسال البيانات واستلامها ، ولكن يمكنه أيضًا توجيه البيانات من العقد الأخرى.
  • RFD: جهاز ذو وظيفة منخفضة - جهاز به مستوى وظيفي منخفض. عادةً ما تكون عقدة نهاية والتي قد تكون عادةً مستشعرًا أو مفتاحًا. يمكن لأجهزة RFD التحدث إلى أجهزة FFD فقط لأنها لا تحتوي على وظائف التوجيه. يمكن أن تكون الأجهزة ذات طاقة منخفضة جدًا لأنها لا تحتاج إلى توجيه حركة مرور أخرى ويمكن وضعها في وضع السكون عندما لا تكون قيد الاستخدام.

    غالبًا ما تُعرف أجهزة RFD هذه بالأجهزة التابعة لأنها تحتاج إلى أجهزة أخرى للوالدين للتواصل معها.

  • منسق: هذه هي العقدة التي تتحكم في شبكة IEEE 802.15.4. هذا شكل خاص من FFD. بالإضافة إلى وظائف FFD العادية ، فإنه يقوم أيضًا بتعيين شبكة IEEE 802.15.4 ويعمل كمنسق أو مدير للشبكة.

تم إنشاء هذه التعريفات في الأصل للاستخدام في Zigbee ، ولكن تم تقديم استخدامها الآن مع مصطلحات شبكة IEEE 802.15.4.


طوبولوجيا IEEE 802.15.4 نجمة

في طوبولوجيا النجوم ، كل العقد المختلفة مطلوبة للتحدث فقط إلى منسق PAN المركزي. حتى إذا كانت العقد هي FFDs وتقع ضمن نطاق بعضها البعض ، في طوبولوجيا الشبكة النجمية ، يُسمح لها فقط بالاتصال بعقدة المنسق.

إن وجود طوبولوجيا شبكة نجمية يحد من المسافات الإجمالية التي يمكن تغطيتها. يقتصر على قفزة واحدة.


طبولوجيا الند للند IEEE 802.15.4

توفر طوبولوجيا شبكة نظير إلى نظير أو نظير إلى نظير عددًا من المزايا على طوبولوجيا الشبكة النجمية. بالإضافة إلى الاتصال بمنسق الشبكة ، يمكن للأجهزة أيضًا التواصل مع بعضها البعض. أجهزة FFD قادرة على توجيه البيانات ، في حين أن أجهزة RFD قادرة فقط على توفير اتصال بسيط.

حقيقة أن البيانات يمكن توجيهها عبر عقد FFD تعني أنه يمكن زيادة تغطية الشبكة. لا يمكن زيادة المسافات الإجمالية فحسب ، بل يمكن للعقد المقنعة من منسق الشبكة الرئيسي توجيه بياناتها عبر عقدة FFD أخرى قد تتمكن من الاتصال بها.

موضوعات الاتصال اللاسلكي والسلكي:
أساسيات الاتصالات المتنقلة
العودة إلى الاتصال اللاسلكي والسلكي


شاهد الفيديو: ماهو ال NRF24L01 وكيف يعمل (شهر اكتوبر 2021).