맨위로가기

IEEE 802.15.4

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

IEEE 802.15.4는 저전력, 저속 무선 개인 통신망(WPAN)을 위한 통신 프로토콜 표준이다. OSI 모델을 기반으로 하는 프로토콜 구조를 가지며, 물리 계층(PHY)과 MAC 계층을 정의한다. PHY는 주파수 대역을 지정하고 데이터 전송 서비스를 제공하며, MAC 계층은 물리 채널을 사용하여 MAC 프레임을 전송하고 네트워크 관리 기능을 제공한다. IEEE 802.15.4는 전기능 장치(FFD)와 축소 기능 장치(RFD)의 두 가지 노드 유형을 정의하며, 피어 투 피어, 스타형, 클러스터 트리 형태의 네트워크 토폴로지를 지원한다. 데이터 전송은 프레임을 기반으로 하며, CSMA/CA 방식을 사용하여 매체에 접근하며, 보안 및 신뢰성을 위한 기능을 제공한다.

더 읽어볼만한 페이지

  • IEEE 802 - 이더넷
    이더넷은 로버트 메트칼프가 개발한 LAN 통신 기술로, 초기 2.94 Mbit/s에서 시작하여 IEEE 802.3 표준으로 발전, MAC 주소 기반 패킷 전송 방식과 다양한 속도 및 매체를 지원하는 주요 네트워크 기술이다.
  • IEEE 802 - IEEE 802.1D
    IEEE 802.1D는 IEEE 802.1 워킹 그룹에서 표준화한 MAC 브리지의 표준 규격으로, 브리지 연결 및 스패닝 트리 프로토콜(STP) 등을 포함하며, 여러 버전이 존재한다.
  • IEEE 표준 - IEEE 754
    IEEE 754는 부동소수점 숫자를 표현하고 처리하기 위한 국제 표준으로, 다양한 형식과 연산, 반올림 규칙, 예외 처리 등을 정의한다.
  • IEEE 표준 - IEEE 802.2
    IEEE 802.2는 데이터 링크 계층의 LLC 서브레이어를 정의하는 IEEE 802 표준의 일부로, 비연결 및 연결 지향 모드를 지원하며, LLC 클래스 I, II, III, IV를 통해 다양한 서비스 유형을 제공하고, DSAP, SSAP 주소 및 제어 필드로 구성된 헤더와 필요에 따라 SNAP 확장을 사용해 네트워크 통신을 관리한다.
  • 무선 네트워크 - 무선 통신
    무선 통신은 전선 없이 전자기파 등을 이용하여 정보를 전달하는 방식으로, 마르코니의 무선 전신 실험 성공 이후 다양한 형태로 발전해왔으며, 현대 사회에서 필수적인 기술로 자리 잡았다.
  • 무선 네트워크 - 무선랜
    무선랜은 유선 케이블 없이 무선으로 근거리 통신망을 구축하는 기술로, IEEE 802.11 표준 기반으로 발전하여 고속 통신과 다양한 운영 방식, 보안 기술을 제공하며 메시 Wi-Fi, 공중 무선랜 등 여러 형태로 발전하고 각국에서 법적 규제를 마련하고 있다.
IEEE 802.15.4
일반 정보
IEEE 802.15.4 로고
IEEE 802.15.4 로고
약칭802.15.4
종류IEEE 802.15
표준화 단체IEEE 표준 협회
첫 발표2003년 5월 20일
최신 발표2020년 12월 17일
상태활성
기술 정보
데이터 전송 속도20 kbit/s - 250 kbit/s
최대 전송 거리10 - 200 미터
주파수 대역868 MHz
915 MHz
2450 MHz
네트워크 토폴로지스타형
메시형
트리형
CSMA/CA지원
프로토콜 스택
레이어물리 계층 및 MAC 계층
파생 기술
기반 기술Zigbee
WirelessHART
ISA100.11a
6LoWPAN
Thread

2. 프로토콜 구조

IEEE 802.15.4 표준은 무선 개인 통신망(WPAN)의 하위 네트워크 계층을 정의하며, 특히 장치 간 저가, 저속 통신을 목표로 한다. 이는 Wi-Fi와 대조적으로, 인프라 없이 가까운 거리의 장치 간 저가 통신 및 저전력 소비를 강조한다.[4]

기본 프레임워크는 10미터 내외의 거리에서 약 250kbit/s의 전송 속도를 전제로 하며, 다양한 임베디드 시스템의 요구에 맞춰 여러 종류의 물리 계층(PHY)을 정의한다. 초기에는 20, 40kbit/s의 저속 전송 규격이 포함되었으며, 현재는 100kbit/s 규격도 추가되었다.

IEEE 802.15.4는 리얼 타임 컴퓨팅에 적합하도록 타임 슬롯 예약, CSMA/CA를 이용한 충돌 회피, 보안 통신 등을 지원하며, 제조사는 장치에 링크 품질, 에너지 감지 등의 전력 관리 기능을 추가할 수 있다.

IEEE 802.15.4 장치는 세 가지 무선 주파수 대역(2450MHz, 868MHz, 915MHz) 중 하나를 사용한다. 프로토콜은 OSI 모델을 기반으로 네트워크 계층을 정의하며, 표준 문서에서는 하위 계층(물리 계층, MAC 계층)만 정의하지만, 상위 계층과의 상호 작용을 고려하여 설계되었다. 사용자는 선택적으로 컨버전스 서브레이어를 통해 MAC에 접근하는 IEEE 802.2 로지컬 링크 콘트롤 서브레이어를 사용할 수 있다.

2. 1. 물리 계층 (Physical Layer)

물리 계층(PHY)은 데이터 전송 서비스를 제공한다. 또한 모든 물리 계층 관리 기능에 접근하고 관련 근거리 통신망에 대한 정보 데이터베이스를 유지하는 ''물리 계층 관리 개체''에 대한 인터페이스를 제공한다. 따라서 PHY는 물리적 무선 주파수 송수신기를 관리하고, 에너지 및 신호 관리 기능과 함께 채널 선택을 수행한다. 이는 세 가지 가능한 비면허 주파수 대역 중 하나에서 작동한다.[4]

  • 868.0–868.6 MHz: 유럽, 하나의 통신 채널 허용(2003, 2006, 2011[5])
  • 902–928 MHz: 북미, 원래 최대 10개의 채널을 허용했지만(2003), 이후 30개로 확장됨(2006)
  • 2400–2483.5 MHz: 전 세계 사용, 최대 16개의 채널(2003, 2006)


'''2003년 버전'''의 표준은 ''직접 시퀀스 확산 스펙트럼''(DSSS) 기술을 기반으로 하는 두 개의 물리 계층을 지정한다. 하나는 868/915 MHz 대역에서 및  kbit/s의 전송 속도로 작동하고, 다른 하나는 2450 MHz 대역에서  kbit/s의 속도로 작동한다.

'''2006년 개정'''에서는 868/915 MHz 대역의 최대 데이터 전송 속도를 개선하여 및  kbit/s를 지원할 수 있도록 했다. 또한, 사용된 변조 방식에 따라 네 개의 물리 계층을 정의한다. 그 중 셋은 DSSS 방식을 유지한다. 868/915 MHz 대역에서는 바이너리 또는 선택적으로 오프셋 직교 위상 편이 변조(QPSK)를 사용하고, 2450 MHz 대역에서는 QPSK를 사용한다.

선택적인 대체 868/915 MHz 계층은 바이너리 키잉과 진폭 편이 변조(ASK) (따라서 순차적인 스펙트럼이 아닌 병렬 스펙트럼, PSSS)의 조합을 사용하여 정의된다. 지원되는 868/915 MHz PHY 간의 동적 전환이 가능하다.

이 세 대역 외에도 IEEE 802.15.4c 연구 그룹은 중국에서 새롭게 개방된 314–316 MHz, 430–434 MHz, 779–787 MHz 대역을 고려했으며, IEEE 802.15 Task Group 4d는 일본에서 새로운 950–956 MHz 대역을 지원하기 위해 802.15.4-2006에 대한 수정안을 정의했다. 이 그룹의 첫 번째 표준 수정안은 2009년 4월에 발표되었다.

'''2007년 8월''', IEEE 802.15.4a가 출시되어 이전 2006년 버전에 사용 가능한 4개의 PHY를 6개로 확장했다. 여기에는 직접 시퀀스 초광대역(UWB)을 사용하는 PHY와 첩 확산 스펙트럼(CSS)을 사용하는 PHY가 포함된다. UWB PHY는 1 GHz 미만, 3~5 GHz 사이, 6~10 GHz 사이의 세 가지 주파수 범위에 할당된다. CSS PHY는 2450 MHz ISM 대역의 스펙트럼에 할당된다.[6]

'''2009년 4월''', IEEE 802.15.4c 및 IEEE 802.15.4d가 출시되어 여러 개의 추가 PHY로 사용 가능한 PHY를 확장했다. 하나는 O-QPSK 또는 MPSK를 사용하는 780 MHz 대역용이고,[7] 다른 하나는 GFSK 또는 BPSK를 사용하는 950 MHz용이다.[8]

2. 2. MAC 계층 (Medium Access Control Layer)

MAC(매체 접근 제어) 계층은 물리 채널을 사용하여 MAC 프레임을 전송할 수 있게 해준다.[4] 데이터 서비스 외에도 관리 인터페이스를 제공하며, 물리 채널 접근 및 네트워크 비콘 관리를 자체적으로 수행한다.[4] 또한 프레임 유효성 검사를 제어하고, 시간 슬롯을 보장하며, 노드 연결을 처리한다.[4] 마지막으로 보안 서비스를 위한 훅(hook) 포인트를 제공한다.[4]

IEEE 802.15 표준은 802.1D 또는 802.1Q를 사용하지 않는다. 즉, 표준 이더넷 프레임을 교환하지 않는다.[4] 물리적 프레임 형식은 IEEE802.15.4-2011의 5.2절에 명시되어 있다.[4] 대부분의 IEEE 802.15.4 PHY가 최대 127바이트의 프레임만 지원한다는 사실에 맞춰져 있으며, IETF의 6LoWPAN과 같은 적응 계층 프로토콜은 더 큰 네트워크 계층 패킷을 지원하기 위해 조각화 방식을 제공한다.[4]

2. 3. 상위 계층 (Higher Layers)

IEEE 802.15.4 표준은 상위 계층을 정의하지 않지만, 지그비, SNAP, 6LoWPAN/스레드와 같은 다른 규격들의 기반이 된다.[4] RIOT, OpenWSN, TinyOS, Unison RTOS, DSPnano RTOS, nanoQplus, Contiki, Zephyr 등의 운영체제는 IEEE 802.15.4 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 사용한다.

3. 네트워크 모델

IEEE 802.15.4 장치는 개념적으로 단순한 무선 네트워크를 통해 서로 상호 작용하도록 설계되었다. 네트워크 계층 정의는 OSI 모델을 기반으로 한다. 표준에서는 하위 계층만 정의되어 있지만, IEEE 802.2 논리 링크 제어 하위 계층을 사용하여 MAC에 접근하는 융합 하위 계층을 통해 상위 계층과 상호 작용하도록 되어 있다. 구현은 외부 장치에 의존하거나 순수하게 내장된 자체 기능 장치일 수 있다.

IEEE 802.15.4는 피어 투 피어 또는 스타형 네트워크로 구축될 수 있으며, 두 가지 유형의 네트워크 노드를 정의한다.

3. 1. 노드 유형 (Node Types)

IEEE 802.15.4 표준은 두 가지 유형의 네트워크 노드를 정의한다.

  • 전기능 장치 (Full-Function Device, FFD): 일반 노드 또는 PAN 코디네이터 역할을 수행할 수 있다. FFD는 다른 모든 장치와 통신할 수 있는 일반적인 통신 모델을 구현한다. 또한 메시지를 중계할 수 있으며, 전체 네트워크를 담당하는 PAN 코디네이터라고 불린다.[4]

  • 축소 기능 장치 (Reduced-Function Device, RFD): 매우 적은 자원과 통신 요구 사항을 가진 단순한 장치로 설계되었다. RFD는 FFD와만 통신할 수 있으며 코디네이터 역할을 할 수 없다.[4]

3. 2. 토폴로지 (Topologies)



IEEE 802.15.4 네트워크는 피어 투 피어 또는 스타형 네트워크로 구축될 수 있다. 모든 네트워크에는 네트워크 코디네이터 역할을 하는 FFD가 최소 하나 이상 필요하다. 네트워크는 적절한 거리에 있는 장치 그룹으로 형성된다. 각 장치는 고유한 64비트 식별자를 가지며, 특정 조건이 충족되면 제한된 환경 내에서 짧은 16비트 식별자를 사용할 수 있다. 즉, 각 PAN 도메인 내에서는 짧은 식별자를 사용하여 통신할 가능성이 높다.

'''피어 투 피어 (또는 점대점)''' 네트워크는 임의의 연결 패턴을 형성할 수 있으며, 확장은 각 노드 쌍 간의 거리에 의해서만 제한된다. 자체 관리 및 구성을 할 수 있는 애드혹 네트워크의 기반이 된다. 표준은 네트워크 계층을 정의하지 않으므로 라우팅은 직접 지원되지 않지만, 추가 계층을 통해 멀티홉 라우팅 통신을 지원할 수 있다. 추가적인 위상 제약이 추가될 수 있는데, 표준에서는 RFD가 한 번에 하나의 FFD와만 연결될 수 있다는 점을 이용하여 RFD가 트리의 잎이고 대부분의 노드가 FFD인 클러스터 트리 구조를 언급한다. 이 구조는 전역 코디네이터 외에 각 클러스터의 로컬 코디네이터가 있는 클러스터 트리 네트워크인 일반적인 메시 네트워크로 확장될 수 있다.

더 구조화된 '''스타''' 패턴도 지원되며, 이 경우 네트워크 코디네이터는 반드시 중앙 노드가 된다. FFD가 고유한 PAN 식별자를 선택한 후 자체 PAN을 생성하고 코디네이터로 선언하면 이러한 네트워크가 시작될 수 있다. 그 후, 다른 장치가 네트워크에 가입할 수 있으며, 이는 다른 모든 스타 네트워크와 완전히 독립적이다.[4]

4. 데이터 전송 구조

데이터 전송의 기본 단위는 프레임이며, 데이터, 승인, 비콘, MAC 명령 프레임의 네 가지 기본 유형이 있다.[4] 이들은 단순성과 견고성 사이에서 적절한 균형을 제공한다.

코디네이터에 의해 정의된 슈퍼프레임 구조를 사용할 수도 있다. 슈퍼프레임은 두 개의 비콘 프레임으로 경계가 정해지며, 다른 장치에 동기화 및 구성 정보를 제공한다.[4] 슈퍼프레임은 16개의 동일한 길이의 슬롯으로 구성되며, 활성 부분과 비활성 부분으로 나눌 수 있다. 비활성 부분 동안 코디네이터는 전력 절약 모드로 전환하여 네트워크를 제어할 필요가 없다.

슈퍼프레임 내에서 경합은 CSMA/CA를 통해 해결된다.[4] 모든 전송은 두 번째 비콘이 도착하기 전에 완료되어야 한다. 대역폭 요구 사항이 명확한 응용 프로그램은 슈퍼프레임 끝에 최대 7개의 경합 없는 보장된 시간 슬롯(GTS)을 사용할 수 있다.[4] 슈퍼프레임의 첫 번째 부분은 네트워크 구조 및 해당 장치에 서비스를 제공하기에 충분해야 한다. 슈퍼프레임은 일반적으로 대기 시간이 짧은 장치에서 활용되며, 이러한 장치의 연결은 장기간 비활성 상태에서도 유지되어야 한다.

코디네이터로 데이터를 전송할 때는 비콘 동기화 단계가 필요하며(해당하는 경우), 그 뒤에 CSMA/CA 전송(슈퍼프레임 사용 시 슬롯 사용)이 이어진다. 승인은 선택 사항이다. 코디네이터로부터 데이터를 전송하는 것은 일반적으로 장치 요청을 따른다. 비콘이 사용 중인 경우, 비콘은 요청을 알리는 데 사용된다. 코디네이터는 요청을 승인한 다음 장치에서 승인된 패킷으로 데이터를 보낸다. 슈퍼프레임이 사용되지 않을 때도 동일하게 수행되지만, 이 경우에는 보류 중인 메시지를 추적할 비콘이 없다.

지점 간 네트워크는 슬롯이 없는 CSMA/CA 또는 동기화 메커니즘을 사용할 수 있다. 이 경우 임의의 두 장치 간 통신이 가능하다. "구조화된" 모드에서는 장치 중 하나가 네트워크 코디네이터여야 한다.

일반적으로 구현된 모든 절차는 전형적인 요청-확인/지시-응답 분류를 따른다.

5. 신뢰성 및 보안

물리 매체는 CSMA/CA 접근 방식을 통해 접근한다. 비콘 방식을 사용하지 않는 네트워크는 매체를 감지하는 것을 기반으로 하는 슬롯이 없는 방식을 사용하며, 이는 랜덤 지수 백오프 알고리즘에 의해 활용된다. 비콘 방식을 사용하는 경우 일반적인 데이터 전송은 할당되지 않은 슬롯을 사용한다.

확인 메시지는 특정 상황에서 선택 사항일 수 있으며, 장치가 특정 시점에 프레임을 처리할 수 없는 경우, 단순히 수신을 확인하지 않는다. 타임아웃 기반 재전송은 여러 번 수행될 수 있으며, 그 후 중단할지 계속 시도할지 결정한다.

보안 통신과 관련하여 MAC 하위 계층은 상위 계층에서 원하는 수준의 보안을 달성하기 위해 활용할 수 있는 기능을 제공한다. 상위 계층 프로세스는 대칭 암호화를 수행하여 페이로드를 보호하고 장치 그룹 또는 지점 간 링크로 제한하는 키를 지정할 수 있다. 이러한 장치 그룹은 접근 제어 목록에 지정할 수 있다. 또한 MAC은 연속 수신 간에 "새로움 확인"을 계산하여 오래된 프레임 또는 더 이상 유효하지 않은 데이터가 상위 계층으로 전달되지 않도록 한다.[4]

참조

[1] 웹사이트 IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 http://www.ieee802.o[...]
[2] 웹사이트 Security in 802.15.4 and ZigBee networks http://sensor-networ[...] 2009-02-05
[3] 웹사이트 ISA100 Committee Home Page http://www.isa.org//[...] 2011-07-20
[4] 논문 On Scheduling Guaranteed Time Slots for Time Sensitive Transactions in IEEE 802.15.4 Networks https://ieeexplore.i[...] MILCOM 2007 - IEEE Military Communications Conference 2007
[5] 웹사이트 IEEE Std 802.15.4-2011 8.1.2.2 https://web.archive.[...]
[6] 간행물 IEEE Standard 802.15.4a-2007 IEEE Computer Society 2007-08-31
[7] 간행물 IEEE Standard 802.15.4c-2009 IEEE Computer Society 2009-04-17
[8] 간행물 IEEE Standard 802.15.4d-2009 IEEE Computer Society 2009-04-17


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com