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IEEE802.15 Sensor Network
IEEE802.15シリーズにはIEEE802.15.1 BluetoothとIEEE802.15.4 Zigbeeは応用アプリケーションとして良く知られています。特にZigbeeは下記の特徴がありますので、例として説明致します。
- 送信方式：CSMA/CA
- 周波数領域：2.4GHz
- 転送スピード：250kbps
- 転送範囲：室内30m,室外100m
- ネットワーク容量：最大65,536ノード
| アプリケーション層(APL) | ユーザ仕様 |
| アプリケーションサポート副層(APS) | ZigBee仕様 |
| ネットワーク層(NWK) | |
| メディアアクセス層(MAC) | IEEE802.15.4 |
| 物理層(PHY) |
物理層
ワイヤレス電波信号の相互交換方式を規定し、以下の機能を提供します。- チャネル電界強度の検知
- 通信チャネル周波数の設定
- 送受信機能の開始と停止
- 干渉電波有無のクリア・チャネルの判定
- 基本通信フレームの送受信
- 通信経路のリンク品質の測定
| 周波数帯域 | チャネル数 | 変調方式 | 伝送スピード | 使用区域 |
|---|---|---|---|---|
| 868MHz | 1 | BPSK | 20kbps | 欧州 |
| 915MHz | 9 | BPSK | 40kbps | 北米、南米 |
| 2.4GHz | 16 | O-QPSK | 250kbps | 全世界 |
2.4GHz周波数帯域の場合では、各チャネルは2MHzの帯域を占有し、隣接チャネルの中心周波数間隔は5MHzである。
各チャネルiの中心周波数Fi = 2.4GHz + i x 5MHz
感度 = 10lg(パワー)
パスノス = 送信パワー - 受信感度
パスノス = 40 + 10n・lg(距離)
ここでnは、伝送経路の品質を表す指数である。
| 同期ヘッダ(5) | 長さ(1) | 物理層データ・ペイロード(0~127) |
| 物理層ヘッダ(6) | ||
データリンク層
- CSMA/CA方式でのチャネルアクセス
- 信頼性を持つデータ通信リンク
- ネットワークへの接続と切断
- スーパフレームの同期信号であるビーコンの発信
- ビーコン受信による親ノードとの同期
- 時間保証スロットの管理
- 暗号化セキュリティ機能
スーパフレームとは、16個のタイムスロットをまとめた時間間隔であり。 競争アクセス期間(CAP: Contention Access Period)と無競争期間(CFP: Contention Free Period)に分かれる。 CAPのタイムスロットはどのノードが使用できるので、CSMA/CAによる競争があり、時間遅れは起こる。 CFPのタイムスロットは、指定されたノードしか使用できないため、QoSを確保すべきデータ伝送に使われる。 スーパフレームの最初タイムスロットは、ビーコンフレームしか使用できない。 同じスーパフレームに、CAP用のタイムスロット数は、8~15個で、CFP用のタイムスロットは、 0~7個である
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| beacon | CAP(8~15) | CFP(0~7) | |||||||||||||
ビーコンフレームとは、ネットワークノード間の時間同期を行い、各タイムスロットの使い道を規定します。 ビーコンフレームの送信はCSMA/CAアクセス方式ではなく、ビーコン周期とおりに電波を強制的に出す。
| フレーム コントロール (2) |
シーケンス (1) |
PANID 受信(0/2) |
アドレス 受信(0/2/8) |
PANID 送信(0/2) |
アドレス 送信(0/2/8) |
MAC層 ペイロード |
チェックサム(2) |
| アドレス(0~20) | |||||||
| ビット | フィールド | 説明 |
|---|---|---|
| 0~2 | フレームタイプ | ビーコン、データ、ACK、コマンド |
| 3 | セキュリティ | セキュリティの有無 |
| 4 | ペンディング | ペンディングデータの有無 |
| 5 | ACK要求 | ACKメッセージ要求の有無 |
| 6 | PAN内部 | 同じPAN内部での通信かどうか |
| 10~11 | 受信アドレス・モード | 受信アドレスの有無・タイプ |
| 14~15 | 送信アドレス・モード | 送信アドレスの有無・タイプ |
| フレーム コントロール (2) |
シーケンス (1) |
アドレス (4~10) |
スーパフレーム (2) |
GTS (>=2) |
ペンディング (%gt;=1) |
ビーコン ペイロード |
チェックサム (2) |
| MAC層ペイロード | |||||||
| フレーム コントロール (2) |
シーケンス (1) |
アドレス (4~20) |
MAC層ペイロード | チェックサム (2) |
| フレーム コントロール (2) |
シーケンス (1) |
アドレス (4~10) |
コマンド(1) | コマンドペイロード | チェックサム (2) |
| MAC層ペイロード | |||||
| コマンドID | 発信側 | 受信側 | コマンド | 説明 |
|---|---|---|---|---|
| 0x01 | ○ | 接続要求 | ネットワークへの参加申請 | |
| 0x02 | ○ | 接続の応答 | ネットワークへの参加申請の許可 | |
| 0x03 | ○ | ○ | 接続切断の通知 | ネットワークからの離脱の通知 |
| 0x04 | ○ | データの要求 | ペンディングデータの要求 | |
| 0x05 | ○ | PAN ID衝突の通知 | コーディネータへの通知 | |
| 0x06 | ○ | 孤立の通知 | 親ノードと連絡を取れない通知 | |
| 0x07 | △ | ビーコンの要求 | チャネルアクティブスキャン | |
| 0x08 | ○ | コーディネータの再配置 | 孤立したノード再参加の許可 | |
| 0x09 | △ | GTSの要求 | 保証時間スロットの申請 |
○=必須、△=オプション