IEEE802.15.4 規格

IEEE 802.15.4は、低速無線パーソナルエリアネットワーク( LR-WPAN )の動作を定義する技術標準です。LR -WPAN の物理層とメディアアクセス制御を規定し、 2003 年に標準を定義したIEEE 802.15ワーキンググループによって保守されています。 ^[1] これは、Zigbee、^[2] ISA100.11a、^[3] WirelessHART、MiWi、6LoWPAN、Thread、Matter 、およびSNAP仕様の基礎となっており、各仕様は、IEEE 802.15.4 で定義されていない上位層を開発することで、標準をさらに拡張しています。特に、6LoWPANは、WPAN 上のインターネットプロトコル(IP) のIPv6バージョンのバインディングを定義し、それ自体がThreadなどの上位層で使用されています。

IEEE 標準 802.15.4 は、低コストで低速のデバイス間のユビキタス通信に重点を置いた、ワイヤレス パーソナル エリア ネットワーク (WPAN) の一種の基本的な下位ネットワーク層を提供することを目的としています。これは、より広い帯域幅を提供し、より多くの電力を必要とするWi-Fiなどの他のアプローチとは対照的です。基盤となるインフラストラクチャをほとんどまたはまったく必要とせずに、近くのデバイスと非常に低コストで通信することに重点が置かれており、これを利用して消費電力をさらに削減することを目的としています。

基本フレームワークは、見通しの利いた10 メートルの通信範囲と250 kbit/s の転送速度を想定しています。帯域幅のトレードオフにより、1 つではなく複数の物理層を定義することで、さらに低い電力要件でバッテリー駆動時間を延長できる、より根本的に組み込み型のデバイスを優先することが可能です。当初は 20 kbit/s と 40 kbit/s の低い転送速度が定義されていましたが、現在の改訂版では 100 kbit/s の速度が追加されました。

さらに低いレートも使用できるため、消費電力も低くなります。すでに述べたように、WPAN に関する IEEE 802.15.4 の主な目標は、比較的シンプルなトランシーバーを使用することで製造コストと運用コストを抑えながら、アプリケーションの柔軟性と適応性を実現することに重点を置くことです。

802.15.4 の主な機能は次のとおりです。

1. 保証されたタイムスロット（GTS）の予約によるリアルタイムアプリケーションへの適合性
2. CSMA/CAによる衝突回避
3. 安全な通信のための統合サポート
4. リンク速度と品質の妥協とエネルギー検出を調整する電源管理機能
5. CSMA/CAまたはTDMAアクセスモードのいずれかで動作できるため、時間とデータレートに敏感なアプリケーションをサポートします。TDMA動作モードは、標準のGTS機能によってサポートされます。^[4]
6. IEEE 802.15.4 準拠デバイスは、動作に 3 つの可能な周波数帯域(868/915/2450 MHz) のいずれかを使用できます。

デバイスは、概念的に単純なワイヤレス ネットワークを介して相互にやり取りするように設計されています。ネットワーク層の定義はOSI モデルに基づいています。標準では下位層のみが定義されていますが、上位層とのやり取りが想定されており、コンバージェンス サブレイヤーを介して MAC にアクセスするIEEE 802.2 論理リンク制御サブレイヤーが使用される可能性があります。実装は外部デバイスに依存する場合もあれば、完全に埋め込まれた自己機能デバイスである場合もあります。

物理層は世界中で使用されているOSI参照モデルの最下層であり、プロトコル層はそれを使用してパケットを送信します。

物理層(PHY) は、データ伝送サービスを提供します。また、物理層管理エンティティへのインターフェイスも提供します。物理層管理エンティティは、すべての物理層管理機能へのアクセスを提供し、関連するパーソナル エリア ネットワークの情報のデータベースを維持します。したがって、PHY は物理的な無線 トランシーバーを管理し、エネルギーおよび信号管理機能とともにチャネル選択を実行します。PHY は、次の 3 つの無認可周波数帯域のいずれかで動作します。

• 868.0～868.6MHz: 欧州、1つの通信チャネルを許可（2003年、2006年、2011年^[5]）
• 902～928 MHz: 北米では、当初は最大10チャンネルまで許可されていたが（2003年）、その後30チャンネルまで拡張された（2006年）。
• 2400～2483.5 MHz: 世界中で使用可能、最大16チャンネル (2003、2006)

2003 年版の標準では、直接拡散スペクトル(DSSS) 技術に基づく 2 つの物理層が指定されています。1 つは 868/915 MHz 帯域で動作し、転送速度は 20 kbit/s と 40 kbit/s で、もう 1 つは 2450 MHz 帯域で動作し、転送速度は 250 kbit/s です。

2006 年の改訂では、 868/915 MHz 帯域の最大データ レートが向上し、100 kbit/s と 250 kbit/s もサポートされるようになりました。さらに、使用される変調方式に応じて 4 つの物理層が定義されています。そのうち 3 つは DSSS アプローチを維持しています。868/915 MHz 帯域では、バイナリまたはオプションでオフセット4 位相シフト キーイング(QPSK) を使用し、2450 MHz 帯域では QPSK を使用します。

オプションの代替 868/915 MHz レイヤーは、バイナリ キーイングと振幅シフト キーイングの組み合わせを使用して定義されます(したがって、並列で、シーケンシャルではない拡散スペクトル (PSSS) に基づきます)。サポートされている 868/915 MHz PHY 間の動的な切り替えが可能です。

これら 3 つの帯域の他に、IEEE 802.15.4c 研究グループは中国で新たに開放された 314～316 MHz、430～434 MHz、779～787 MHz 帯域を検討し、IEEE 802.15 タスク グループ 4d は日本で新たに開放された 950～956 MHz 帯域をサポートするために 802.15.4-2006 の修正を定義しました。これらのグループによる最初の標準修正は 2009 年 4 月にリリースされました。

2007年8月、IEEE 802.15.4aがリリースされ、2006年以前のバージョンで利用可能だった4つのPHYが、直接拡散超広帯域(UWB)を使用するPHYとチャープ拡散スペクトル(CSS)を使用するPHYを含む6つに拡張されました。UWB PHYには、1GHz未満、3〜5GHz、6〜10GHzの3つの範囲の周波数が割り当てられています。CSS PHYには、2450MHz ISMバンドのスペクトルが割り当てられています。^[6]

2009年4月にはIEEE 802.15.4cとIEEE 802.15.4dがリリースされ、利用可能なPHYがいくつかの追加PHYで拡張されました。1つはO-QPSKまたはMPSKを使用する780MHz帯域用、^{[7] 、もう1つは}GFSKまたはBPSKを使用する950MHz用です。^[8]

IEEE 802.15.4e は、産業市場のサポートを改善するためにチャネル ホッピング戦略を採用した既存の標準 802.15.4-2006 の MAC 修正を定義するために設立されました。チャネル ホッピングにより、外部干渉や持続的なマルチパス フェージングに対する堅牢性が向上します。2012 年 2 月 6 日、IEEE 標準化委員会は、タスク グループ 4e のすべての取り組みを終了した IEEE 802.15.4e を承認しました。

メディアアクセス コントロール(MAC) は、物理チャネルを使用して MAC フレームの送信を可能にします。データ サービスに加えて、管理インターフェイスを提供し、物理チャネルへのアクセスとネットワークビーコンを管理します。また、フレームの検証を制御し、タイム スロットを保証し、ノードの関連付けを処理します。最後に、安全なサービスのためのフック ポイントを提供します。

IEEE 802.15 規格では802.1D や 802.1Q は使用されないことに注意してください。つまり、標準のEthernet フレームは交換されません。物理フレーム形式は、IEEE802.15.4-2011 のセクション 5.2 で指定されています。これは、ほとんどの IEEE 802.15.4 PHY が最大 127 バイトのフレームのみをサポートするという事実に合わせて調整されています (IETF の 6LoWPAN などのアダプテーション層プロトコルは、より大きなネットワーク層パケットをサポートするためにフラグメンテーション スキームを提供します)。

この標準では、上位レベルのレイヤーや相互運用性のサブレイヤーは定義されていません。Zigbee、 SNAP 、6LoWPAN / Threadなどの他の仕様は、この標準に基づいています。RIOT、OpenWSN、TinyOS、 Unison RTOS 、 DSPnano RTOS 、 nanoQplus 、Contiki、Zephyrオペレーティング システムも、 IEEE 802.15.4 ハードウェアおよびソフトウェアの一部のコンポーネントを使用しています。

この標準では、2 種類のネットワーク ノードが定義されています。

1 つ目は、フル機能デバイス(FFD) です。これは、共通ノードとして機能するのと同様に、パーソナル エリア ネットワークのコーディネーターとして機能します。これは、他のデバイスと通信できる一般的な通信モデルを実装しています。また、メッセージを中継することもできます。その場合は、コーディネーターと呼ばれます (ネットワーク全体を管理している場合は、PAN コーディネーターと呼ばれます)。

一方、機能限定デバイス(RFD) もあります。これらは、リソースと通信要件が非常に控えめな非常にシンプルなデバイスです。このため、FFD とのみ通信でき、コーディネーターとして機能することはできません。

ネットワークは、ピアツーピアまたはスターネットワークとして構築できます。ただし、すべてのネットワークには、ネットワークのコーディネーターとして機能する FFD が少なくとも 1 つ必要です。したがって、ネットワークは、適切な距離で分離されたデバイスのグループによって形成されます。各デバイスには一意の 64 ビット識別子があり、いくつかの条件が満たされると、制限された環境内で短い 16 ビット識別子を使用できます。つまり、各 PAN ドメイン内では、通信に短い識別子が使用される可能性があります。

ピアツーピア (またはポイントツーポイント)ネットワークは、任意の接続パターンを形成でき、その拡張は各ノード ペア間の距離によってのみ制限されます。これらは、自己管理と組織化を実行できるアドホック ネットワークの基礎として機能することを目的としています。標準ではネットワーク層が定義されていないため、ルーティングは直接サポートされていませんが、そのような追加層によってマルチホップ通信のサポートを追加できます。さらにトポロジの制限が追加される場合があります。標準では、クラスター ツリーを構造として説明しています。これは、RFD は一度に 1 つの FFD にのみ関連付けることができるという事実を利用して、RFD が排他的にツリーの葉であり、ほとんどのノードが FFD であるネットワークを形成します。この構造は、ノードがクラスター ツリー ネットワークであり、グローバル コーディネータに加えて、各クラスターにローカル コーディネータがある 汎用メッシュ ネットワークとして拡張できます。

より構造化されたスターパターンもサポートされており、ネットワークのコーディネーターは必ず中央ノードになります。このようなネットワークは、FFD が独自の PAN を作成し、一意の PAN 識別子を選択した後、自身をコーディネーターとして宣言すると開始されます。その後、他のデバイスは、他のすべてのスター ネットワークから完全に独立したネットワークに参加できます。

フレームはデータ転送の基本単位であり、その基本タイプは 4 つ (データ、確認、ビーコン、MAC コマンド フレーム) あり、シンプルさと堅牢性のバランスが取れています。さらに、コーディネータによって定義されるスーパーフレーム構造を使用することもできます。その場合、2 つのビーコンが制限として機能し、他のデバイスとの同期と構成情報を提供します。スーパーフレームは 16 個の等長スロットで構成され、アクティブ部分と非アクティブ部分にさらに分割できます。非アクティブ部分では、コーディネータは省電力モードに入ることができ、ネットワークを制御する必要はありません。

スーパーフレーム内では、その制限間で競合が発生し、CSMA/CAによって解決されます。すべての送信は、2 番目のビーコンが到着する前に終了する必要があります。前述のように、帯域幅のニーズが明確に定義されているアプリケーションは、スーパーフレームの最後にある、競合のない保証されたタイムスロットの 1 つ以上のドメインを最大 7 つ使用できます。スーパーフレームの最初の部分は、ネットワーク構造とそのデバイスにサービスを提供するのに十分である必要があります。スーパーフレームは通常、低遅延デバイスのコンテキスト内で使用され、その接続は長期間非アクティブであっても維持される必要があります。

コーディネータへのデータ転送には、ビーコン同期フェーズ（該当する場合）と、それに続くCSMA/CA送信（スーパーフレームが使用されている場合はスロットを使用）が必要です。確認応答はオプションです。コーディネータからのデータ転送は通常、デバイス要求に続きます。ビーコンが使用されている場合は、ビーコンを使用して要求を通知します。コーディネータは要求を確認し、デバイスによって確認応答されるパケットでデータを送信します。スーパーフレームが使用されていない場合も同じことが行われますが、この場合のみ、保留中のメッセージを追跡するビーコンはありません。

ポイントツーポイント ネットワークでは、スロットなしCSMA/CAまたは同期メカニズムのいずれかを使用できます。この場合、任意の 2 つのデバイス間の通信が可能ですが、「構造化」モードでは、デバイスの 1 つがネットワーク コーディネータである必要があります。

一般に、実装されたすべての手順は、典型的な要求確認/指示応答の分類に従います。

物理メディアには、 CSMA/CAアクセス方式でアクセスします。ビーコン メカニズムを使用していないネットワークでは、メディアのリスニングに基づいたスロットなしのバリエーションが使用され、ランダム指数バックオフアルゴリズムによって活用されます。確認応答はこの規則に従いません。一般的なデータ送信では、ビーコンの使用時に未割り当てのスロットが使用されます。この場合も、確認は同じプロセスに従いません。

特定の状況下では、確認メッセージはオプションになる場合があり、その場合は成功とみなされます。いずれにしても、デバイスが特定の時間にフレームを処理できない場合は、受信を確認しません。タイムアウトに基づく再送信は複数回実行され、その後、中止するか、試行を続けるかが決定されます。

これらのデバイスの予測される環境では、バッテリー寿命の最大化が求められるため、プロトコルは、それを実現する方法を優先し、保留中のメッセージを定期的にチェックする方法を実装する傾向があり、その頻度はアプリケーションのニーズによって異なります。

安全な通信に関しては、MAC サブレイヤーは、上位レイヤーが希望するレベルのセキュリティを実現するために利用できる機能を提供します。上位レイヤーのプロセスは、対称暗号化を実行するためのキーを指定してペイロードを保護し、それをデバイス グループまたはポイントツーポイント リンクのみに制限することができます。これらのデバイス グループは、アクセス制御リストで指定できます。さらに、MAC は連続した受信間の新鮮さチェックを計算して、おそらく古いフレーム、またはもはや有効ではないと見なされるデータが上位レイヤーに渡らないようにします。

このセキュアモードに加えて、アクセス制御リスト^[2]を、フレームの（推定される）送信元に応じてフレームの受け入れを決定する手段としてのみ使用する、セキュアではない別のMACモードがあります。

• ブルートゥース
• ダッシュ7
• エンオーシャン
• インステオン
• ロラワン
• LPWAN
• ニューRFon
• シグフォックス
• UWB測距

• 802.15.4 タスクグループ
• IEEE 802.15 を取得する
• IEEE 標準 802.15.4z
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• IEEE 標準 802.15.4t-2017
• IEEE 標準 802.15.4q-2016
• IEEE 標準 802.15.4p-2014
• IEEE 標準 802.15.4n-2016
• IEEE 標準 802.15.4m-2014
• IEEE 標準 802.15.4k-2013
• IEEE 標準 802.15.4j-2013
• IEEE 標準 802.15.4g-2012
• IEEE 標準 802.15.4f-2012
• IEEE 標準 802.15.4e-2012
• IEEE 標準 802.15.4d-2009
• IEEE 標準 802.15.4c-2009
• IEEE 標準 802.15.4a-2007
• IEEE 標準 802.15.4-2020
• IEEE 標準 802.15.4-2015
• IEEE 標準 802.15.4-2011
• IEEE 標準 802.15.4-2006
• IEEE 標準 802.15.4-2003