Informasi

IEEE 802.15.4 Standard: tutorial / primer

IEEE 802.15.4 Standard: tutorial / primer

IEEE 802.15.4 adalah standar yang dikembangkan untuk menyediakan kerangka kerja dan lapisan bawah dalam model OSI untuk jaringan konektivitas nirkabel berbiaya rendah dan berdaya rendah.

IEEE 802.15.4 menyediakan lapisan MAC dan PHY, meninggalkan lapisan atas yang akan dikembangkan untuk standar yang lebih tinggi kemudian seperti Thread, Zigbee, 6LoWPAN dan banyak lainnya.

Akibatnya, IEEE 802.15.4 tidak mengambil pusat perhatian seperti standar lain, tetapi bagaimanapun itu membentuk dasar untuk sejumlah besar standar dan karenanya jauh lebih luas daripada yang mungkin terlihat pada pandangan pertama.

Daya rendah adalah salah satu elemen kunci 802.15.4 seperti yang digunakan di banyak area di mana sensor jarak jauh perlu beroperasi dengan daya baterai, mungkin selama bertahun-tahun tanpa perhatian.

Dasar-dasar IEEE 802.15.4

Standar IEEE 802.15.4 ditujukan untuk menyediakan lapisan jaringan bawah yang penting untuk jaringan area pribadi nirkabel, WPAN. Persyaratan utamanya adalah biaya rendah, komunikasi di mana-mana berkecepatan rendah antar perangkat.

IEEE 802.15.4 tidak bertujuan untuk bersaing dengan sistem berorientasi pengguna akhir yang lebih umum digunakan seperti IEEE 802.11 di mana biaya tidak terlalu penting dan kecepatan yang lebih tinggi diperlukan dan daya mungkin tidak terlalu penting. Sebaliknya, IEEE 802.15.4 menyediakan komunikasi biaya yang sangat rendah dari perangkat terdekat dengan sedikit atau tanpa infrastruktur yang mendasarinya.

Konsep IEEE 802.15.4 adalah menyediakan komunikasi jarak hingga sekitar 10 meter dan dengan kecepatan transfer data maksimum 250 kbps. Mengantisipasi bahwa pengurangan biaya akan membutuhkan solusi perangkat yang sangat tertanam, konsep keseluruhan IEEE 802.15.4 telah dirancang untuk mengakomodasi hal ini.

Standar IEEE 802.15.4

Standar IEEE 802.15.4 telah mengalami sejumlah rilis. Selain itu, ada sejumlah varian dari standar IEEE 802.15.4 untuk memenuhi berbagai bentuk lapisan fisik, dll. Ini dirangkum di bawah ini dalam tabel.


Ringkasan Standar IEEE 802.15.4
Versi IEEE 802.15.4Detail dan komentar
IEEE 802.15.4 - 2003Ini adalah rilis awal dari standar IEEE 802.15.4. Ini menyediakan dua PHY yang berbeda - satu untuk pita frekuensi rendah 868 dan 915 MHz, dan yang lainnya untuk 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4 - 2006Rilis tahun 2006 dari standar IEEE 802.15.4 menyediakan peningkatan kecepatan data yang dapat dicapai pada pita frekuensi yang lebih rendah. Rilis standar ini memperbarui PHY untuk 868 dan 915 MHz. Ini juga mendefinisikan empat skema modulasi baru yang dapat digunakan - tiga untuk pita frekuensi yang lebih rendah, dan satu untuk 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4aVersi standar IEEE 802.15.4 ini mendefinisikan dua PHY baru. Satu menggunakan teknologi UWB dan yang lainnya disediakan untuk menggunakan spektrum penyebaran kicauan pada 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4cPembaruan untuk 2,4 GHz, 868 MHz dan 915 MHz, UWB, dan pita Cina 779-787 MHz.
IEEE 802.15.4d2,4 GHz, 868 MHz, 915 MHz, dan pita Jepang 950 - 956 MHz.
IEEE 802.15.4eRilis ini mendefinisikan peningkatan MAC ke IEEE 802.15.4 untuk mendukung aplikasi ISA SP100.11a.
IEEE 802.15.4fIni akan menentukan PHY baru untuk UWB, pita 2,4 GHz dan juga 433 MHz
IEEE 802.15.4gIni akan menentukan PHY baru untuk jaringan lingkungan pintar. Ini mungkin termasuk aplikasi seperti aplikasi jaringan pintar untuk industri energi. Ini mungkin termasuk pita 902 - 928 MHz.

Meskipun versi baru standar tersedia untuk digunakan oleh salah satu standar lapisan yang lebih tinggi, Zigbee masih menggunakan rilis awal tahun 2003 dari standar IEEE 802.15.4.


Aplikasi IEEE 802.15.4

Teknologi IEEE 802.15.4 digunakan untuk berbagai standar lapisan yang lebih tinggi. Dengan cara ini lapisan fisik dan MAC dasar sudah ditentukan, memungkinkan lapisan yang lebih tinggi disediakan oleh sistem individu yang digunakan.


IEEE 802.15.4 Standar Turunan
Aplikasi atau sistemDeskripsi aplikasi atau sistem IEEE 802.15.4
ZigbeeZigbee didukung oleh Zigbee Alliance dan menyediakan tingkat yang lebih tinggi yang diperlukan untuk sistem radio bertenaga rendah untuk aplikasi kontrol termasuk pencahayaan, pemanas, dan banyak aplikasi lainnya.
HART nirkabelWirelessHART adalah teknologi jaringan nirkabel standar terbuka yang telah dikembangkan oleh HART Communication Foundation untuk digunakan pada pita ISM 2,4 GHz. Sistem ini menggunakan IEEE802.15.4 untuk lapisan bawah dan menyediakan arsitektur jala yang disinkronkan, diatur sendiri, dan dapat dipulihkan waktu.
RF4CERF4CE, Frekuensi Radio untuk Elektronik Konsumen telah digabungkan dengan aliansi Zigbee dan bertujuan untuk menyediakan kontrol radio berdaya rendah untuk aplikasi audio visual, terutama untuk aplikasi domestik seperti set ke kotak, televisi dan sejenisnya. Ini menjanjikan peningkatan komunikasi dan fasilitas jika dibandingkan dengan kontrol yang ada.
MiWiMiWi dan sistem MiWi P2P yang menyertainya dirancang oleh Teknologi Microchip. Mereka dirancang untuk kecepatan transmisi data rendah dan jarak pendek, jaringan berbiaya rendah dan ditujukan untuk aplikasi termasuk pemantauan dan kontrol industri, otomasi rumah dan gedung, kendali jarak jauh dan pembacaan meter otomatis.
ISA100.11aStandar ini telah dikembangkan oleh ISA sebagai teknologi jaringan nirkabel standar terbuka dan dijelaskan sebagai sistem nirkabel untuk otomasi industri termasuk kontrol proses dan aplikasi terkait lainnya.
6LoWPANNama yang agak tidak biasa ini adalah singkatan dari "IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks" Ini adalah sistem yang menggunakan IEEE 802.15.4 dasar, tetapi menggunakan data paket dalam bentuk Ipv6.

Meskipun standar IEEE 802.15.4 mungkin tidak seterkenal beberapa standar dan sistem tingkat yang lebih tinggi seperti Zigbee yang menggunakan teknologi IEEE 802.15.4 sebagai penyokong sistem tingkat yang lebih rendah, ini tetap sangat penting. Ini mencakup berbagai sistem yang berbeda, dan dengan demikian menyediakan pendekatan baru - hanya menyediakan lapisan yang lebih rendah, dan memungkinkan sistem lain untuk menyediakan lapisan yang lebih tinggi yang disesuaikan untuk aplikasi yang relevan.

IEEE 802.15.4 frekuensi dan pita frekuensi

Pita frekuensi IEEE 802.15.4 selaras dengan pita radio bebas lisensi yang tersedia di seluruh dunia. Dari pita yang tersedia, pita 2,4 GHz (2 400 MHz) adalah yang paling banyak digunakan karena tersedia secara global dan ini membawa banyak skala ekonomi.


IEEE 802.15.4 Rincian Saluran RF
Pita frekuensi (MHz)Saluran tersediaThroughput tersedia (kbps)Penggunaan wilayah diizinkan
868 - 868.6120Eropa
902 - 92810 (2003 rel)
30 (2006 rel)
30Amerika Serikat
2 40016250Global

Dengan alokasi baru yang muncul sebagai akibat dari masalah seperti dividen digital dan negara lain yang mengadopsi dan menggunakan IEEE 802.15.4, frekuensi dan pita lain sedang dipertimbangkan. Ini termasuk: pita frekuensi 314-316 MHz, 430-434 MHz, dan 779-787 MHz di Cina dan pita frekuensi 950 MHz-956 MHz di Jepang. Frekuensi lain juga sedang dipertimbangkan untuk varian UWB dari IEEE 802.15.4.

Format modulasi IEEE 802.15.4

Ada dua skema modulasi berbeda yang ditetapkan untuk IEEE 802.15.4 dalam standar asli yang dirilis pada tahun 2003. Kedua konfigurasi antarmuka udara atau antarmuka radio ini didasarkan pada spektrum penyebaran urutan langsung, teknik DSSS. Yang untuk pita frekuensi yang lebih rendah memberikan kecepatan data yang lebih rendah dalam pandangan jika lebar saluran lebih kecil, sedangkan format yang digunakan pada 2,4 GHz memungkinkan data untuk ditransfer dengan kecepatan hingga 250 kbps.

Rilis tahun 2006 dari standar 802.15.4 meningkatkan sejumlah bidang antarmuka udara dan skema modulasi. Ada empat lapisan fisik berbeda yang ditentukan. Tiga menggunakan pendekatan DSS menggunakan baik biner atau offset quadrature phase shift keying, BPSK dan OQPSK. Pendekatan lapisan fisik opsional ditentukan menggunakan penguncian amplitudo sift, ASK.

Ikhtisar IEEE 802.15.4 MAC

Tujuan dari IEEE 802.15.4 MAC layer adalah untuk menyediakan antarmuka antara PHY atau lapisan fisik dan lapisan aplikasi. IEEE 802.15.4 tidak menentukan lapisan aplikasi, ini umumnya merupakan sistem aplikasi seperti Zigbee, RF4CE, MiWi, dll.

IEEE 802.15.4 MAC menyediakan antarmuka ke lapisan aplikasi menggunakan dua elemen:

  • Layanan Manajemen MAC: Ini disebut Entitas Manajemen Lapisan MAC, MLME. Ini menyediakan antarmuka layanan di mana fungsi manajemen lapisan dapat dipanggil atau diakses. IEEE 802.15.4 MAC MLME juga bertanggung jawab untuk mengontrol database objek untuk lapisan MAC. Database ini disebut sebagai basis informasi PAN lapisan MAC atau PIB. MLME juga memiliki akses ke layanan MCPS untuk aktivitas transportasi data.
  • Layanan Data MAC: Ini yang disebut MAC Common Port Layer, MCPS. Entitas dalam IEEE 802.15.4 MAC ini menyediakan layanan transportasi data antara MAC peer.

IEEE 802.15.4 topologi jaringan

Ada dua bentuk topologi jaringan yang dapat digunakan dalam IEEE 802.15.4. Topologi jaringan ini dapat digunakan untuk aplikasi yang berbeda dan menawarkan keuntungan yang berbeda.

Dua topologi jaringan IEEE 802.15.4 adalah:

  • Topologi bintang: Seperti namanya, format awal untuk topologi jaringan IEEE 802.15.4 memiliki satu node pusat yang disebut koordinator PAN yang berkomunikasi dengan semua node lainnya.
  • Topologi jaringan Peer to Peer: Dalam bentuk topologi jaringan ini, masih ada yang disebut koordinator PAN, tetapi komunikasi juga dapat terjadi antar node yang berbeda dan tidak harus melalui koordinator.

Ada baiknya mendefinisikan berbagai jenis perangkat yang dapat ada di jaringan. Ada tiga jenis:

  • FFD: Perangkat Fungsi Penuh - node yang memiliki tingkat fungsionalitas penuh. Ini dapat digunakan untuk mengirim dan menerima data, tetapi juga dapat merutekan data dari node lain.
  • RFD: Perangkat Fungsi yang Dikurangi - perangkat yang memiliki tingkat fungsionalitas yang dikurangi. Biasanya itu adalah simpul akhir yang biasanya berupa sensor atau sakelar. RFD hanya dapat berbicara dengan FFD karena tidak memiliki fungsi perutean. Perangkat Anda dapat berupa perangkat berdaya sangat rendah karena tidak perlu merutekan lalu lintas lain dan dapat dialihkan ke mode tidur saat tidak digunakan.

    RFD ini sering dikenal sebagai perangkat anak karena mereka membutuhkan perangkat induk lain yang dapat digunakan untuk berkomunikasi.

  • Koordinator: Ini adalah node yang mengontrol jaringan IEEE 802.15.4. Ini adalah bentuk khusus dari FFD. Selain fungsi FFD normal, ini juga mengatur jaringan IEEE 802.15.4 dan bertindak sebagai koordinator atau manajer jaringan.

Definisi ini awalnya dibuat untuk digunakan di Zigbee, tetapi penggunaannya sekarang telah diperkenalkan dengan terminologi jaringan IEEE 802.15.4.


IEEE 802.15.4 bintang topologi

Dalam topologi bintang, semua node yang berbeda diperlukan untuk berbicara hanya dengan koordinator PAN pusat. Bahkan jika node adalah FFD dan berada dalam jangkauan satu sama lain, dalam topologi jaringan bintang, mereka hanya diperbolehkan untuk berkomunikasi dengan node koordinator.

Memiliki topologi jaringan bintang memang membatasi jarak keseluruhan yang dapat ditempuh. Itu terbatas pada satu lompatan.


IEEE 802.15.4 topologi peer to peer

Topologi jaringan peer to peer, atau p2p memberikan sejumlah keunggulan dibandingkan topologi jaringan bintang. Selain komunikasi dengan koordinator jaringan, perangkat juga dapat berkomunikasi satu sama lain. FFD dapat merutekan data, sedangkan RFD hanya dapat menyediakan komunikasi sederhana.

Fakta bahwa data dapat dirutekan melalui node FFD berarti bahwa cakupan jaringan dapat ditingkatkan. Tidak hanya jarak keseluruhan dapat ditingkatkan, tetapi node yang disamarkan dari koordinator jaringan utama dapat merutekan datanya melalui node FFD lain yang mungkin dapat berkomunikasi dengannya.

Topik Konektivitas Nirkabel & Kabel:
Dasar-dasar Komunikasi Seluler2G GSM3G UMTS4G LTE5GWiFiIEEE 802.15.4DECT telepon nirkabelNFC- Komunikasi Jarak Dekat Dasar-dasar jaringanApa itu CloudEthernetSerial dataUSBSigFoxLoRaVoIPSDNNFVSD-WAN
Kembali ke Konektivitas Nirkabel & Kabel


Tonton videonya: Sensor Network Evolving StandardsIEEE and Other Issues (September 2021).