IEEE 802.15.4

1. IEEE 802.15.4 Quelle

2. Die IEEE • Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE, meist als „i triple e“ gesprochen) ist ein weltweiter Berufsverband von Ingenieuren aus den Bereichen Elektrotechnik und Informatik mit Sitz in New York City

3. Die IEEE • Das IEEE ist mit mehr als 380.000 Mitgliedern in über 150 Ländern (2007) der größte technische Berufsverband der Welt. Es zergliedert sich in zahlreiche so genannte Societies, die sich mit speziellen Gebieten der Elektro- und Informationstechnik auseinandersetzen und in ihrer Vielfalt das gesamte Spektrum des Faches abdecken.

4. Die IEEE 802 Familie • 802.1 Übersicht • 802.1 Internet-Working • 802.1ac VLAN mit GVRP • 802.1af Power-over-Ethernet • 802.1ak 10GBASE-CX4, 10 GBit Ethernet über Twinax-Kabel (nur Arbeitsgruppe) • 802.1d MAC Bridging / SpanningTree • 802.1p Datenpriorisierung • 802.1q VLAN mit GVRP • 802.2 Logical Link Control (LLC) • 802.3 Ethernet (10Base5) / CSMA/CD-Zugriffsverfahren

5. Die IEEE 802 Familie • 802.3a 10Base2 (Cheapernet) • 802.3b 10Broad36 • 802.3e 1Base5 Starlan • 802.3i 10BaseT • 802.3j 10BaseF • 802.3u 100BaseT • 802.3x Full Duplex / Flow Control • 802.3z Gigabit Ethernet • 802.3ab 1000BaseT • 802.3ac VLAN Tag

6. Die IEEE 802 Familie • 802.3an 10 Gigabit Ethernet • 802.4 Token-Bus-Zugriffsverfahren • 802.5 Token-Ring-Zugriffsverfahren • 802.6 DQDB / Metropolitan Area Network (MAN) • 802.7 Broadband TAG (BBTAG) / Breitbandübertragung • 802.8 Fiber Optic TAG (FOTAG) / Glasfaserübertragung • 802.9 Integrated Services LAN (ISLAN) / Integrierte Sprach- und Datendienste • 802.10 Standard of Interoperable LAN Security (SILS) / Netzwerksicherheit • 802.11 Wireless LAN (WLAN) / Drahtlose Netze

7. Die IEEE 802 Familie • 802.12 100BaseVG-AnyLAN / Demand-Priority-Zugriffsverfahren • 802.14 Breitband-Cable-TV (CATV) • 802.15 Wireless Personal Area Network (WPAN) - Bluetooth • 802.15.3a UWB - Ultra Wideband Wireless • 802.16 Broadband Wireless Access (BWA / WMAN) - WiMAX • 802.17 Resilient Packet Ring (RPR) • 802.18 Radio Regulatory TAG 802.19 Coexistence TAG • 802.20 Mobile Broadband Wirless Access (MBWA) / Drahtlose Breitbandnetze

8. Die IEEE 802.15.1Bluetooth • Die Beschreibung des Bluetooth-Standards wurde seit 1998 in einem eigenständigen und unabhängigen Gremium vorgenommen. Hierbei handelt es sich um die Bluetooth Special Interest Group (BSIG), die auch heute noch die Neuentwicklungen vorantreibt. • Allerdings wurde auf diese Weise ein Protokollstapel definiert, der sich nicht in die bestehende Schichtenaufteilung und Beschreibung der Dienstprimitive einpasst. Aus diesem Grund wurden in der Task Group IEEE 802.15.1 die unteren Schichten des Bluetooth-Standards in der Version 1.1 in die IEEE-Sprache übersetzt und im Jahr 2002 verabschiedet

9. Die IEEE 802.15.2Koexistenz • Die Koexistenzproblematik stellt insbesondere die Entwickler und Betreiber von Funksystemen in den lizenzfreien ISM-Bändern vor hohe Herausforderungen. In der "IEEE 802.15 Coexistence Task Group 2" wurden zahlreiche Simulationen durchgeführt und dokumentiert sowie Lösungsvorschläge erarbeitet. Diese beziehen sich im Wesentlichen auf die Koordination unterschiedlicher Funkschnittstellen in einem Gerät, haben jedoch keine praktische Bedeutung erlangt. Die Gruppe ist derzeit "im Winterschlaf“ (in hibernation).

10. Die IEEE 802.15.3Hohe Datenraten • In der "IEEE 802.15 High Rate (HR) Task Group 3" werden verschiedene Ansätze von hochbitratigen Protokollen für Nahbereichsfunksysteme definiert. Der Hauptfokus liegt im Bereich der Consumer Elektronik. Die Task Group ist in verschiedenen Untergremien aktiv, die differenziert betrachtet werden müssen.

11. Die IEEE 802.15.3Hohe Datenraten • Die ursprüngliche Task Group hat bereits in 2003 einen Standard verabschiedet, der Datenraten von 11,22,33,44 und 55 MBit / s im Frequenzbereich von 2,4 GHz vorsieht. Dieser ist jedoch ohne Marktrelevanz geblieben. • In der Folge hat sich die Task Group 3a gebildet, die versucht, die höheren Bandbreiten unter Nutzung von sehr breiten Frequenzspektren (Ultra-Wide Band - UWB) zu realisieren. Hierbei waren Datenraten von 110 MBit / s und mehr in der Planung. Die Projektgruppe hat sich aufgelöst, nachdem sich zwei Lager mit alternativen Ansätzen gebildet haben, die sich gegenseitig blockierten [18]. Der eine der beiden Ansatze plant nun, als UWBPHY für Bluetooth beschrieben zu werden.

12. Die IEEE 802.15.3Hohe Datenraten • In der Arbeitsgruppe IEEE 802.15.3b sollten kleinere Verbesserungen bei der Beschreibung des MAC-Protokolls des IEEE 802.15.3 vorgenommen werden. Vor dem Hintergrund der geringen Bedeutung des ursprünglichen Standards sind diese Aktivitäten nach Projekteinreichung nicht wirkungsvoll vorangetrieben worden. • Ein weiterer Ansatz ist zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Buches jedoch sehr aktiv. Die "IEEE 802.15 WPAN Millimeter Wave Alternative PHY Task Group 3c" sieht die Definition einer Datenübertragung im Frequenzbereich von 57 bis 64 GHz vor, um auf diese Weise Datenraten von zwei bis drei GBit / s für Multimediaanwendungen zu erlauben. Der Standard soll im Jahr 2008 verabschiedet werden.

13. Die IEEE 802.15.4GeringeDatenraten, wenigEnergie • Die "IEEE 802.15 WPAN Task Group 4" trat ab dem Jahr 2000 mit dem Ziel an, Nahbereichsfunksysteme zu spezifizieren, die sich eine niedrige Datenrate, einen extrem niedrigen Energieverbrauch und eine möglichst geringe Komplexität auszeichnen. Auch in dieser Arbeitsgruppe haben sich verschiedene weitere Untergruppen gebildet, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

14. Die IEEE 802.15.4GeringeDatenraten, wenigEnergie • Die ursprüngliche Task Group hat bereits in 2003 einen Standard verabschiedet, der Datenraten zwischen 20 und 250 kBit / s vorsieht und sowohl in den Sub-Gigahertz-Bändern von 868 /915 MHz als auch im 2,4 GHz Band arbeitet. Die Arbeitsgruppe hat sich nach Verabschiedung des Standards und der Gründung der Untergruppe 802.15.4b in den Winterschlaf (in hibernation) begeben.

15. Die IEEE 802.15.4GeringeDatenraten, wenigEnergie • Die Arbeitsgruppe IEEE 802.15.4a sieht drei weitere PHY-Schnittstellen vor. Zwei hiervon sind als Impuls-basierte Ultra-Wide-Band (UWB)- Systeme spezifiziert, die im lizenzfreien Bereich arbeiten sollen. Diese sollen auch Standardprimitive zur Entfernungsmessung vorsehen. Das dritte Verfahren basiert auf einem ChirpSpreadSpectrum (CSS) im 2,4-GHzBand. Die Spezifikation wurde Mitte 2007 nach über dreijähriger Diskussion verabschiedet und wird Ende des Jahres als Erweiterung des IEEE Standards veröffentlicht.

16. Die IEEE 802.15.4GeringeDatenraten, wenigEnergie • Die Arbeitsgruppe IEEE 802.15.4b hat die Arbeiten am Hauptstrang des IEEE 802.15.4 übernommen und im Juni 2006 den Standard IEEE 802.15.4-2006 verabschiedet, der die ursprüngliche Version von 2003 ablöst. Neben Überarbeitungen an der MAC- Teilschicht wurden auch neue Protokolle für Bitübertragung in Sub-GHz-Bändern 868 / 915 MHz spezifiziert. • Eine weitere Arbeitsgruppe (Study Group) IEEE 802.15.4c analysiert die Einsatzmöglichkeiten in China unter Nutzung der Frequenzen von 314 bis 316 MHz, 430 bis 434 Hz und 779 bis 787 MHz, wahrend sich die in 2007 neu gegründete Arbeitsgruppe 4d (Task Group) mit der Nutzung in Japan beschäftigt.

17. Die IEEE 802.15.5Vermaschung • Die Möglichkeiten von Vermaschung und Routing stellen wichtige Aspekte beim Einsatz von Funksystemen dar. Auch wenn es sich eigentlich um Aktivitäten auf Netzwerkebene handelt (vgl. Kapitel 5), hat sich die Arbeitsgruppe IEEE 802.15.5 zum Ziel gesetzt, die Mechanismen auf den unteren Schichten zu beschreiben, die zu einer effizienten Unterstützung auf den hoheren Schichten benötigt werden.

18. Zusammenhang IEEE 802.15.4 und ZigBee • Die IEEE 802.15.4 und ZigBee sind Standards die aufeinander aufbauen. Gedacht für Anwendungen in der Industrie, der Gebäude und Heimautomatisierung. • Der IEEE 802.15.4 beschreibt die Bitübertragungs- und Sicherungsschicht (Layer 1 und 2).

19. Zusammenhang IEEE 802.15.4 und ZigBee • Die Protokolle der Netzwerk-, Sicherheits- und Anwendungsschichten werden unter dem Marketing-Namen ZigBee zusammengefasst, dessen Standardisierung im Dezember 2004 erfolgte. Der Name ZigBee leitet sich ab von dem Zickzack-Tanz der Biene, die auf diese Weise ihren Artgenossen den Weg zur nächsten Nahrungsquelle mitteilt. In ähnlicher Weise sollen auch die Datenpakete im vermaschten Netz ihren Weg finden. Der Standard wurde erstmalig am 14. Dezember 2004 verschiedet und im Februar 2005 den Mitgliedern der ZigBee-Allianz zugänglich gemacht. Seit Juni 2005 ist der Standard öffentlich verfügbar. Spezifische Anwendungsprofile und -protokolle werden von den Systemherstellem beschrieben und von Anwendungsentwick1em umgesetzt.

20. Zusammenhang IEEE 802.15.4 und ZigBee

21. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Überblick) • Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer - PRY) ist die unterste Schicht im ISO-OSI-Referenzmodell und beschäftigt sich mit der Übertragung der Daten auf der physischen Ebene. Die Aufgaben dieser Schicht berühren alle elektrischen, mechanischen und prozeduralen Schnittstellen sowie das physische Übertragungsmedium.

22. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Überblick) • In Bezug auf eine Funkübertragung beschreibt die Bitübertragungsschicht Parameter wie z. B. die Trägerfrequenzen, die Bitzeiten, die Modulationsverfahren, die erlaubte Sendeleistung sowie die vorgesehene Empfangsleistung. Hierdurch werden die wesentlichen Rahmenbedingungen der Übertragung einzelner Bits bzw. einzelner Symbole vorgegeben. Die Bitübertragungsschicht ist somit wesentlich mit den Bedingungen der Aufsichtsbehörden verknüpft. • Die Bitübertragungsschicht des IEEE 802.15.4 hat neben der Übertragung von Nutzdaten eine Reihe von weiteren Aufgaben zu erfüllen. Diese sind insbesondere deswegen interessant, weil mit ihrer Hilfe auch adaptive Netze realisierbar sind:

23. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Überblick) • Aktivierung und Deaktivierung des Sende- und Empfangsmoduls, um auf diese Weise die Leistungsaufnahme zu optimieren, • Energiemessungen in einem ausgewählten Kanal durch eine Probemessung (EnergyDetection, ED), • Aussagenüber die QualitätderLuftschnittstellefürempfangeneRahmen. Die Feldstärke (Received Signal Strength Indicator, RSSI) bzw. die Link Quality Indication (LQI) kann auf derSignalstärke des empfangenen Signals und/oder auf einerSchätzung des Signal-Rausch-Abstandsbasieren.

24. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Überblick) • Signalisierung, ob der Kanal frei ist. Dieses Carrier Sense durch das Clear Channel Assessment (CCA) Signal ist Grundlage für den CSMA-CA-Algorithmus beim Kanalzugriff . Dabei stehen drei CCA-Modi zur Verfügung, die in unterschiedlicher Aggressivität auf den Kanal zugreifen. Auf der Grundlage dieser Messungen kann eine dynamische Frequenzauswahl (Channel FrequencySelection, CFS) durch höhere Schichten implementiert werden (z. B. durch den MAC- oder den Network-Layer).

25. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Frequenzen) • Für den Einsatz in Nahbereichsfunknetzen spielen insbesondere zwei lizenzfreie Frequenzbänder für industrielle, wissenschaftliche und medizinische (ISM) Anwendungen eine Rolle: • Ein Sub-GHz-Bereich bei 868 MHz im ETSI-Raum und bei 915 MHz im FCC Raum. Im asiatischen Raum wird dieser Frequenzbereich gegenwärtig für ISM Anwendungen geöffnet • Ein Bereich bei 2,4 GHz, der - bis auf wenige Ausnahmen - weltweit mit ähnlichen Bestimmungen verfügbar ist.

26. 802.15.4Bitübertragungsschicht (Frequenzen) • Die tieferen Bänder bei 315 MHz (FCC) bzw. 433 MHz (ETSI) spielen immer noch für viele einfache und Funkanwendungen mit niedrigen Bitraten eine große Rolle. Typische Beispiele sind Funktastaturen und -mause, Garagentüröffner und Fernlenkspielzeug. Da diese Bänder jedoch keine Relevanz für IEEE 802.15.4 und ZigBee haben, werden sie hier nicht weiter diskutiert.

27. ETSI und FCC • Die Federal Communications Commission (FCC) ist eine der unabhängigen Behörden der Vereinigten Staaten. Die FCC ist für div. Funkdienste (Amateurfunk usw.) zuständig sowie Zulassungsbehörde für Kommunikationsgeräte wie Radios, Fernseher und Computer. Sie prüft die Geräte auf Verträglichkeit mit den eigenen und anderen Normen (z. B. von ISA, ISO oder ITU). • Die FCC ist auch verantwortlich für die Verhängung von Strafen für das Senden als obszön eingestufter Wörter. • Sofern solche Verstöße angezeigt und von der FCC nicht abgewiesen werden, können neuerdings Strafen von bis zu 325.000 US-Dollar verhängt werden.

28. ETSI und FCC • Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (Kürzel ETSI; englisch: European Telecommunications Standards Institute) ist eine der drei großen Normungsorganisationen in Europa. • ETSI ist zuständig für die europäische Normung im Bereich Telekommunikation • Wichtige Standards, die vom ETSI geschaffen wurden, beziehungsweise an denen sie im ITU-Rahmen mitgearbeitet hat, sind zum Beispiel DSS1 (Signalisierungsprotokoll), GSM, UMTS, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), SDR (Satellite Digital Radio), TETRA (TerrestrialTrunked Radio[digitaler Bündelfunk als Basisplattform für Mobilfunk gedacht]) und NGN (Next Generation Network). • Für die Standardisierung von UMTS und die Weiterentwicklung von GSM hat sich ETSI mit fünf anderen Standardisierungsgremien zum weltweiten 3rd Generation Partnership Project 3GPP zusammengeschlossen.

29. Frequenzspreizung • Mit Frequenzspreizung bezeichnet man in der Datenübertragung per Funk ein Verfahren, bei dem ein schmalbandiges Signal in ein breitbandiges Signal umgewandelt wird. Die Sendeenergie, die zuvor, in einem kleinen. Frequenzbereich konzentriert war, wird dabei auf einen größeren Frequenzbereich verteilt.

30. FrequenzspreizungVorteile • größere Robustheit gegenüber aktiven schmalbandigen Störern, • größere Unempfindlichkeit gegenüber schmalbandigen Störungen. • etwas höhere Sicherheit aufgrund der geringeren mittleren Signalintensität auf einer Frequenz.

31. FrequenzspreizungNachteile/ praktischeVerfahren • Die Komplexität auf Sende- und Empfängerseite steigt an. • Es wird eine erhöhte Bandbreite für den Übertragungskanal benötigt. Bislang haben sich vor allem zwei Verfahren in der Praxis durchgesetzt: • das Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS Bluetooth) • das Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)-Verfahren (vgl. CDMA UMTS) Hinzu kommt noch das vergleichsweise neue Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) Frequenzspreizverfahren, das in diesem Zusammenhang nur in der konkreten Ausgestaltung des IEEE 802.15.4-2006 vorgestellt wird .

32. Sicherungsschicht • die Sicherungsschicht überträgt ganze Datenpakete - auch Rahmen (Frames) genannt - über eine Teilstrecke. Im Einzelnen übernimmt gemäß dem ISO-OSI-Referenzmodell die Sicherungsschicht folgende Aufgaben: • Mit der Rahmensynchronisation werden Anfang und Ende eines Datenpakets erkannt. • Im Rahmen der Flusssteuerung berücksichtigt der Sender die Empfangsbereitschaft des Empfängers

33. Sicherungsschicht • Die Fehlersicherung bzw. Fehlererkennung erlaubt Erkennung und u. U. die Korrektur von bei der Übertragung aufgetretenen Fehlern. • Die Kanalzugriffsverfahren (Medium Access Control - MAC) regelt den Zugriff mehrerer Stationen auf das Übertragungsmedium. • Da in der Regel mehrere Stationen an ein Medium angeschlossen sind, muss eine Adressierung für die Eindeutigkeit der Kommunikation sorgen.

34. Sicherungsschicht • Normalerweise teilt sich im IEEE 802 Standard die Sicherungsschicht in zwei Bestandteile auf. Der Link Layer Control (LLC) stellt eine Zwischenschicht zur Verfügung die für alle Protokolle der 802 Familie definiert ist. Diese Unterschicht unterstützt unter anderem Verkehrstypen- z.B. ob eine Leitungsvermittlung gefordert ist. • Leider hat sich das LLC-Konzept nicht durchgesetzt so das die Netzwerkschicht im allgemeinem direkt auf die MAC Schicht zugreift.

35. Rahmenformate • Da es bei der Sicherungsschicht nicht mehr nur um die Übertragung einzelner Bits, sondern um ganze Rahmen geht, wird üblicherweise ein Format festgelegt, um die Bedeutung der einzelnen Bits über die Position zu kennzeichnen. • Eine Bedeutungsfestlegung mit Hilfe von Schlüsselwörtern ist erst auf den folgenden Schichten üblich.

36. Rahmenformate • Bei den Rahmenformaten unterscheidet man typischerweise Header, die die Art des Rahmens definieren und Steuerinformationen enthalten, und Footer, die in der Regel die Fehlererkennung übemehmen. • Es muss auch eine Rahmensynchronisation vorgenommen werden. Diese erfolgt in der Regel mit Hilfe einer Präambel, die dazu dient, den Taktgeber des Empfängers (die PLL) auf die empfangenen Datenbits zu synchronisieren. Auch wenn es bei Funksystemen allgemein verbreitet ist, diese Präambel der Bitübertragungsschicht zuzuordnen, so gehört sie streng genommen nach dem OSI-Referenzmodell zur Sicherungsschicht.

37. Rahmenformate

38. RahmenformatPhysical Layer (Bitübertragungsschicht) • Der PHY-Header nach IEEE 802.15.4 ist 6 Bytes lang. 4 Bytes enthalten die Präambel, die mit einem ein Byte langen Start of Frame (SoF) Delimiter abgeschlossen wird. Es folgt ein sieben Bit langes Feld mit der Länge des nachfolgenden Datenrahmens, der somit maximal 127 Bytes lang sein kann. Ein letztes Bit ist für weitere Anwendungen reserviert. Bei einer Bitzeit von 4 µs nimmt dieser Header eine Zeit von 192 µS in Anspruch und ist damit viel länger als in vielen anderen, vor allem proprietären, Protokollen.

39. RahmenformatMAC-Sub-Layer • Der MAC Header setzt sich zusammen aus • Control: einem Steuerfeld, in dem die Rahmentypen, der Adressmodus und weitere Informationen zur Decodierung des Headers hinterlegt werden. • SequenceNumber: einem Zähler, der hilft, Rahmen zu identifizieren, • Address Fields: den Feldern, die zur Adressierung verwendet werden.

40. RahmenformatMAC-Sub-Layer • Es folgt mit dem Data Payload die eigentlich zu übermittelnde Nachricht, die von einer Frame Check Sequence (FCS) im Footer zur Fehlererkennung gefolgt ist. • Die Fehlererkennung basiert auf einem 16-Bit langen Cyclic Redundancy Check (CRC). • Der Overhead durch Header und Footer beträgt auf MAC-Ebene maximal 25 Bytes, das entspricht einem Anteil von etwa 20 %. Betrachtet man den Overhead auf PHY und MAC-Ebene, so kann dieser bis zu 31 Bytes bei 133 Bytes Rahmenlänge, d. h. etwas über 23 %, betragen

41. Rahmentypen Mit Hilfe der ersten Bits im Steuerfeld (Frame Control) des MAC-Headers wird der Typ des Rahmens festgelegt. Man unterscheidet hierbei: • Beacon-Rahmen (Codierung 000): Unter einem Beacon (Leuchtfeuer) versteht man Datenpakete, die von einem Koordinator in regelmäßigen Abstanden ausgesendet werden, um die Stationen in seinem Netz zu informieren und zu synchronisieren.

42. Rahmentypen • Datenrahmen (Codierung 001) • Bestätigungs-Rahmen (Acknowledgement, Codierung 010): Diese dienen dazu, den fehlerfreien Empfang eines Datenrahmens zu bestätigen • Steuerrahmen (MAC command, Codierung 011), mit deren Hilfe die Stationen die Netzwerkverwaltung, wie z. B. das An- oder Abmelden von Stationen, durchführen können. • Die weiteren Codierungen sind zurzeit noch reserviert.