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Norme IEEE 802.15.4: un tutoriel / amorce

Norme IEEE 802.15.4: un tutoriel / amorce

IEEE 802.15.4 est une norme qui a été développée pour fournir un cadre et les couches inférieures du modèle OSI pour les réseaux de connectivité sans fil à faible coût et à faible puissance.

IEEE 802.15.4 fournit les couches MAC et PHY, laissant les couches supérieures à développer pour des normes ultérieures plus élevées spécifiques telles que Thread, Zigbee, 6LoWPAN et bien d'autres.

En conséquence, IEEE 802.15.4 ne prend pas les feux de la rampe comme d'autres normes le pourraient, mais il constitue néanmoins la base d'un grand nombre de normes et, par conséquent, il est beaucoup plus largement déployé qu'il n'y paraît à première vue.

La faible puissance est l'un des éléments clés du 802.15.4 car il est utilisé dans de nombreux domaines où les capteurs à distance doivent fonctionner sur batterie, peut-être pendant des années sans attention.

Principes de base de IEEE 802.15.4

La norme IEEE 802.15.4 vise à fournir les couches de réseau inférieures essentielles pour un réseau personnel sans fil, WPAN. Les principales exigences sont une communication omniprésente à faible coût et à faible vitesse entre les appareils.

IEEE 802.15.4 ne vise pas à concurrencer les systèmes orientés utilisateurs finaux les plus couramment utilisés tels que IEEE 802.11 où les coûts ne sont pas aussi critiques et des vitesses plus élevées sont demandées et la puissance peut ne pas être aussi critique. Au lieu de cela, IEEE 802.15.4 fournit une communication à très faible coût des périphériques à proximité avec peu ou pas d'infrastructure sous-jacente.

Le concept de la norme IEEE 802.15.4 est de fournir des communications sur des distances allant jusqu'à environ 10 mètres et avec des débits de transfert de données maximum de 250 kbps. Anticipant que la réduction des coûts nécessitera des solutions de périphériques hautement intégrées, le concept global d'IEEE 802.15.4 a été conçu pour y répondre.

Norme IEEE 802.15.4

La norme IEEE 802.15.4 a fait l'objet d'un certain nombre de versions. En plus de cela, il existe un certain nombre de variantes de la norme IEEE 802.15.4 pour prendre en charge différentes formes de couche physique, etc. Celles-ci sont résumées ci-dessous dans le tableau.


Résumé de la norme IEEE 802.15.4
Version IEEE 802.15.4Détails et commentaires
IEEE 802.15.4 - 2003Il s'agissait de la version initiale de la norme IEEE 802.15.4. Il prévoyait deux PHY différents - l'un pour les bandes de fréquences inférieures de 868 et 915 MHz et l'autre pour 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4 - 2006Cette version 2006 de la norme IEEE 802.15.4 prévoyait une augmentation du débit de données réalisable sur les bandes de fréquences inférieures. Cette version de la norme a mis à jour le PHY pour 868 et 915 MHz. Il a également défini quatre nouveaux schémas de modulation qui pourraient être utilisés - trois pour les bandes de fréquences inférieures et un pour 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4aCette version de la norme IEEE 802.15.4 a défini deux nouveaux PHY. L'un utilisait la technologie UWB et l'autre prévoyait l'utilisation d'un spectre étalé de chirp à 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4cMises à jour pour 2,4 GHz, 868 MHz et 915 MHz, UWB et la bande Chine 779-787 MHz.
IEEE 802.15.4dBande 2,4 GHz, 868 MHz, 915 MHz et japonaise 950 - 956 MHz.
IEEE 802.15.4eCette version définit les améliorations MAC à IEEE 802.15.4 pour la prise en charge de l'application ISA SP100.11a.
IEEE 802.15.4fCela définira de nouveaux PHY pour UWB, la bande 2,4 GHz et aussi 433 MHz
IEEE 802.15.4gCela définira de nouveaux PHY pour les réseaux de quartiers intelligents. Celles-ci peuvent inclure des applications telles que des applications de réseaux intelligents pour l'industrie de l'énergie. Il peut inclure la bande 902 - 928 MHz.

Bien que de nouvelles versions de la norme soient disponibles pour être utilisées par l'une des normes de couche supérieure, Zigbee utilise toujours la version 2003 initiale de la norme IEEE 802.15.4.


Applications IEEE 802.15.4

La technologie IEEE 802.15.4 est utilisée pour une variété de normes de couches supérieures. De cette manière, les couches physiques et MAC de base sont déjà définies, ce qui permet aux couches supérieures d'être fournies par le système individuel utilisé.


Normes dérivées IEEE 802.15.4
Application ou systèmeDescription de l'application ou du système IEEE 802.15.4
ZigbeeZigbee est pris en charge par la Zigbee Alliance et fournit les niveaux plus élevés requis pour les systèmes radio de faible puissance pour les applications de contrôle, y compris l'éclairage, le chauffage et de nombreuses autres applications.
HART sans filWirelessHART est une technologie de réseau sans fil à standard ouvert qui a été développée par HART Communication Foundation pour une utilisation dans la bande ISM 2,4 GHz. Le système utilise IEEE802.15.4 pour les couches inférieures et fournit une architecture de maillage synchronisée dans le temps, auto-organisée et auto-réparatrice.
RF4CERF4CE, Radio Frequency for Consumer Electronics, a fusionné avec l'alliance Zigbee et vise à fournir des radiocommandes de faible puissance pour les applications audiovisuelles, principalement pour les applications domestiques telles que les décodeurs, les téléviseurs et autres. Il promet une communication et des installations améliorées par rapport aux contrôles existants.
MiWiMiWi et les systèmes MiWi P2P associés sont conçus par Microchip Technology. Ils sont conçus pour des débits de transmission de données faibles et des réseaux à faible coût et à courte distance.Ils sont destinés à des applications telles que la surveillance et le contrôle industriels, la domotique et le bâtiment, la télécommande et la lecture automatisée des compteurs.
ISA100.11aCette norme a été développée par ISA en tant que technologie de réseau sans fil à norme ouverte et est décrite comme un système sans fil pour l'automatisation industrielle, y compris le contrôle de processus et d'autres applications connexes.
6LoWPANCe nom plutôt inhabituel est un acronyme pour «IPv6 sur les réseaux personnels sans fil à faible puissance». Il s'agit d'un système qui utilise la norme IEEE 802.15.4 de base, mais en utilisant des données par paquets sous la forme d'IPv6.

Bien que la norme IEEE 802.15.4 ne soit pas aussi connue que certaines des normes et des systèmes de niveau supérieur tels que Zigbee qui utilisent la technologie IEEE 802.15.4 comme système de niveaux inférieurs sous-jacents, elle est néanmoins très importante. Il couvre une variété de systèmes différents et, en tant que tel, fournit une nouvelle approche - ne fournissant que les couches inférieures et permettant à d'autres systèmes de fournir les couches supérieures qui sont adaptées à l'application concernée.

Fréquences et bandes de fréquences IEEE 802.15.4

Les bandes de fréquences IEEE 802.15.4 s'alignent sur les bandes radio sans licence disponibles dans le monde entier. Parmi les bandes disponibles, la bande 2,4 GHz (2 400 MHz) est la plus largement utilisée étant donné qu'elle est disponible dans le monde entier, ce qui apporte de nombreuses économies d'échelle.


Détails du canal RF IEEE 802.15.4
Bande de fréquence (MHz)Chaînes disponiblesDébit disponible (kbps)Utilisation de la région autorisée
868 - 868.6120L'Europe 
902 - 92810 (2003 rel)
30 (2006 rel)
30Etats-Unis
2 40016250Global

Avec de nouvelles allocations résultant de problèmes tels que le dividende numérique et d'autres pays adoptant et utilisant IEEE 802.15.4, d'autres fréquences et bandes sont envisagées. Celles-ci comprennent: les bandes de fréquences 314-316 MHz, 430-434 MHz et 779-787 MHz en Chine et la bande 950 MHz-956 MHz au Japon. D'autres fréquences sont également envisagées pour les variantes UWB de IEEE 802.15.4.

Formats de modulation IEEE 802.15.4

Il y avait deux schémas de modulation différents définis pour IEEE 802.15.4 dans la norme originale publiée en 2003. Ces deux configurations d'interface radio ou d'interface radio sont basées sur des techniques DSSS à spectre étalé à séquence directe. Celui pour les bandes de fréquences les plus basses fournit un débit de données inférieur si la largeur de canal est plus petite, tandis que le format utilisé à 2,4 GHz permet de transférer des données à des débits allant jusqu'à 250 kbps.

La version 2006 de la norme 802.15.4 a mis à niveau un certain nombre de domaines de l'interface hertzienne et des schémas de modulation. Il y avait quatre couches physiques différentes qui ont été définies. Trois d'entre eux ont utilisé l'approche DSS utilisant la modulation par décalage de phase en quadrature binaire ou décalée, BPSK et OQPSK. Une approche optionnelle de la couche physique a été définie en utilisant la modulation par tamisage d'amplitude, ASK.

Présentation du MAC IEEE 802.15.4

Le but de la couche MAC IEEE 802.15.4 est de fournir une interface entre la couche PHY ou physique et la couche application. Comme IEEE 802.15.4 ne spécifie pas de couche d'application, il s'agit généralement d'un système d'application tel que Zigbee, RF4CE, MiWi, etc.

Le MAC IEEE 802.15.4 fournit l'interface avec la couche application en utilisant deux éléments:

  • Service de gestion MAC: C'est ce qu'on appelle l'entité de gestion de couche MAC, MLME. Il fournit les interfaces de service par lesquelles les fonctions de gestion de couche peuvent être appelées ou accessibles. Le MAC MLME IEEE 802.15.4 est également responsable du contrôle d'une base de données d'objets pour la couche MAC. Cette base de données est appelée base d'informations PAN de couche MAC ou PIB. Le MLME a également accès aux services MCPS pour les activités de transport de données.
  • Service de données MAC: Cela s'appelle le MAC Common Port Layer, MCPS. Cette entité au sein du MAC IEEE 802.15.4 fournit des services de transport de données entre les MAC homologues.

Topologies de réseau IEEE 802.15.4

Il existe deux formes principales de topologie de réseau qui peuvent être utilisées dans IEEE 802.15.4. Ces topologies de réseau peuvent être utilisées pour différentes applications et offrent différents avantages.

Les deux topologies de réseau IEEE 802.15.4 sont:

  • Topologie en étoile: Comme son nom l'indique, le format de départ pour une topologie de réseau IEEE 802.15.4 a un nœud central appelé le coordinateur PAN avec lequel tous les autres nœuds communiquent.
  • Topologie de réseau Peer to Peer: Dans cette forme de topologie de réseau, il existe toujours ce que l'on appelle un coordinateur PAN, mais les communications peuvent également avoir lieu entre différents nœuds et pas nécessairement via le coordinateur.

Il vaut la peine de définir les différents types d'appareils pouvant exister dans un réseau. Il existe trois types:

  • FFD: Périphérique à fonctions complètes - un nœud qui a des niveaux complets de fonctionnalités. Il peut être utilisé pour envoyer et recevoir des données, mais il peut également acheminer des données à partir d'autres nœuds.
  • RFD: Périphérique à fonction réduite - un périphérique qui a un niveau de fonctionnalité réduit. Il s'agit généralement d'un nœud d'extrémité qui peut être généralement un capteur ou un commutateur. Les RFD ne peuvent parler qu'aux FFD car ils ne contiennent aucune fonctionnalité de routage. Ces appareils peuvent être des appareils à très faible puissance car ils n'ont pas besoin d'acheminer d'autres trafics et ils peuvent être mis en mode veille lorsqu'ils ne sont pas utilisés.

    Ces RFD sont souvent appelés périphériques enfants car ils ont besoin d'autres périphériques parents avec lesquels communiquer.

  • Coordinateur: C'est le nœud qui contrôle le réseau IEEE 802.15.4. Il s'agit d'une forme spéciale de FFD. En plus des fonctions FFD normales, il configure également le réseau IEEE 802.15.4 et agit en tant que coordinateur ou gestionnaire du réseau.

Ces définitions ont été initialement générées pour être utilisées dans Zigbee, mais leur utilisation a maintenant été introduite avec la terminologie réseau IEEE 802.15.4.


Topologie en étoile IEEE 802.15.4

Dans la topologie en étoile, tous les différents nœuds doivent communiquer uniquement avec le coordinateur PAN central. Même si les nœuds sont des FFD et sont à portée l'un de l'autre, dans une topologie de réseau en étoile, ils ne sont autorisés à communiquer qu'avec le nœud coordinateur.

Avoir une topologie de réseau en étoile limite les distances globales qui peuvent être couvertes. Il est limité à un saut.


Topologie d'égal à égal IEEE 802.15.4

Une topologie de réseau peer to peer ou p2p offre un certain nombre d'avantages par rapport à une topologie de réseau en étoile. En plus de la communication avec le coordinateur de réseau, les appareils peuvent également communiquer entre eux. Les FFD sont capables d'acheminer des données, tandis que les RFD ne sont capables que de fournir une communication simple.

Le fait que les données puissent être acheminées via des nœuds FFD signifie que la couverture du réseau peut être augmentée. Non seulement les distances globales peuvent être augmentées, mais les nœuds masqués par rapport au coordinateur de réseau principal peuvent acheminer leurs données via un autre nœud FFD avec lequel ils peuvent communiquer.

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Voir la vidéo: IEEE 802 15 4 Wireless Personal Area Network Simulator Projects (Décembre 2020).