IEEE 802.15.4技术的介绍

IEEE 802.15.4是一种低成本、低数据速率的无线接入技术，适用于那些依靠电池供电来运行的设备。它描述了低速率无线个人区域网络的工作原理。

IEEE 802.15.4e：

适用于工业应用的为802.15.4e，而适用于智能公用事业网络的则为802.15.4g。

802.15.4e改进了原有的标准，引入了诸如时间分段访问、多通道通信以及频道跳变等机制。

• IEEE 802.15.4e在功能上引入了以下改进：

低能耗模式：这种机制适用于那些愿意以较低的延迟为代价来换取更高能效的应用场景。它允许节点以非常低的占空比来运行。

2. 信息元素（Information Elements, IE）是一种用于在MAC子层进行信息交换的可扩展机制。

3. 增强型信标（Enhanced Beacons, EB）：增强型信标是802.15.4信标帧的扩展版本，具有更高的灵活性。它们允许创建特定于应用程序的信标帧。

4. 多用途框架：这种机制提供了一种灵活的框架格式，可以处理多种MAC操作。它基于IES技术实现。

5. MAC性能指标：这是一种机制，用于向网络层和上层提供关于信道质量的适当反馈，从而能够做出正确的决策。

6. 快速关联机制（FastA） 在802.15.4协议中，为了节省能源，采用了一种特殊的关联机制。在这种机制下，为了实现时间上的高效处理，人们优先考虑了延迟问题，而非能源效率。

• IEEE 802.15.4e定义了五种新的MAC行为模式。

时间分片信道跳跃技术（Time Slotted Channel Hopping, TSCH）：该技术适用于工业自动化和过程控制等应用场景。它通过TDMA方式，支持多跳、多通道的通信。

2. 确定性且同步的多通道扩展技术（DSME）：该技术旨在支持工业与商业领域的应用需求。

3. 低延迟确定性网络（LLDN）：专为单跳、单通道网络设计。

4. 射频识别闪烁技术：该技术适用于物品/人员的识别、位置追踪等领域。

5. 异步多通道自适应技术（AMCA）：该技术适用于需要大规模部署的应用场景，例如智能公用事业网络、基础设施监控网络以及过程控制网络等。

属性：

标准化与联盟关系：它规定了无线个人区域网络（WPAN）在数据速率较低情况下的物理层与MAC层的相关要求。
IEEE 802.15协议栈包括：

• ZigBee：ZigBee是一种个人区域网络技术，属于低速率任务组4。它是一种用于家庭网络的技术标准。ZigBee是一种用于控制和监测网络的通信技术。众所周知，ZigBee属于个人区域网络中的任务组4，因此它基于IEEE 802.15.4标准，并由Zigbee联盟所开发。
• 6LoWPAN：6LoWPAN系统被广泛应用于各种应用场景中，其中包括无线传感器网络。这种无线传感器网络以数据包的形式传输数据，同时采用IPv6协议进行通信——因此得名“IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks”。
• ZigBee IP：Zigbee是一种基于标准的无线技术，它被开发出来用于实现低成本、低功耗的机器对机器通信以及物联网网络中的通信功能。
• ISA100.11a：这是一种网状网络，它能够提供安全的无线通信功能，从而实现对过程控制的精确控制。
• 无线HART通信：它也是一种无线传感器网络技术，采用了时间同步和自我组织的架构设计。
• 主题/话题：Thread是一种基于IPv6的网络协议，适用于IEEE 802.15.4-2006无线网状网络中的低功耗物联网设备。Thread具有独立性。

2. 物理层：该标准允许在ISM频段中使用多种不同的物理层选项，这些频率范围从2.4 GHz到亚GHz级别不等。 IEEE 802.15.4支持每秒20千比特、40千比特、100千比特以及250千比特的数据传输速度。 其基本结构假设了10米的范围，以及每秒250千比特的数据传输速率。 为了进一步降低电力消耗，甚至可以实现更低的数据传输速率。 IEEE 802.15.4规范了物理层上的射频收发器、信道选择，甚至还包括一些能量管理和信号处理方面的功能。 根据所需的频率范围和数据传输性能要求，目前已经确定了六种PHY的规格。 其中，有四种技术采用了被称为“直接序列扩频技术”的频率跳变技术。 PHY数据服务和管理服务都使用相同的数据包结构，因此它们可以与MAC保持一个共同的、简单的接口。

3. MAC层：MAC层通过确定同一区域内的设备会共享相同的频率来为PHY通道提供连接。数据分组的调度和路由也由该层负责处理。802.15.4的MAC层负责执行多种功能，例如：

• 为那些在网络中担任控制器角色的设备提供信标功能。
• 过去，人们常常借助各种设备来将PANs相互关联或分离。
• 该设备的安全性。
• 处于对等关系中的两个MAC设备之间，需要保持持续的通信。

在MAC层中，有几种已经成熟的帧类型被用于实现这些功能。在802.15.4标准中，共有四种不同类型的MAC帧。

• 数据框架
• 信标的结构/框架
• 确认框架
• MAC命令的框架/结构

4. 拓扑结构：基于IEEE 802.15.4的网络可以采用星形拓扑、点对点拓扑或网状拓扑结构来构建。在网状网络中，大量的节点相互连接在一起。这样一来，那些原本无法相互通信的节点也可以通过中间节点来传递数据，从而实现它们之间的通信。

5. 安全性：为了保障数据安全，IEEE 802.15.4标准采用了高级加密标准（AES），其加密算法的密钥长度为128位。 为802.15.4协议激活此类安全措施，会显著改变帧的格式，同时还会使用其中的一些有效载荷。 在启用AES加密的过程中，第一步就是使用802.15.4头部中的“Security Enabled”字段。 出于安全考虑，这个字段只包含一个比特位，且该比特位被设置为1。 当此位被设置时，从其载荷字段中提取特定字节后，会形成一个名为“辅助安全头”的字段。该字段位于源地址字段之后。

6. 竞争性的技术：IEEE 802.15.4的物理层和MAC层为各种网络应用场景提供了基础支持。DASH7则是一种与之竞争的无线技术，其物理层和MAC层具有独特的特性。

LR-WPAN设备的架构：

IEEE 802.15.4的优势：

IEEE 802.15.4具有以下优势：

• 低廉的成本
• 电池续航时间很长。
• 快速安装
• 简单
• 可扩展的协议栈

IEEE 802.15.4的缺点：

IEEE 802.15.4的缺点包括：

• IEEE 802.15.4会导致干扰以及多径衰落现象。
• 它并不采用跳频的方式。
• 无限制的延迟/时间差
• 易受干扰性

IEEE 802.15.4的应用：

IEEE 802.15.4的应用领域：

• 工业领域的无线传感器网络
• 建筑与家居自动化
• 遥控器以及能够互动的玩具
• 汽车网络