Definition Was ist 802.15.4 / 802.15.4g?

802.15.4 ist ein IEEE-Standard für Wireless Personal Area Networks (WPAN). Er definiert mit dem Physical-Layer und dem MAC-Layer die ersten beiden Schichten im OSI-Referenzmodell. Der Standard ermöglicht eine sichere, drahtlose Vernetzung von Endgeräten mit geringem Energiebedarf. Im Substandard 802.15.4g sind Anpassungen für intelligente Versorgungsnetze definiert. Zahlreiche Netzprotokolle höherer Ebenen wie ZigBee, 6LoWPAN oder Thread basieren auf 802.15.4.

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IEEE 802.15.4 ist ein vom Institute of Electrical and Electronics Engineers veröffentlichter Standard für Wireless Personal Area Networks (WPAN). Der Standard definiert den Physical-Layer und den MAC-Layer für eine energieeffiziente, drahtlose Vernetzung vieler Endgeräte. Batteriebetriebene, wenig komplexe Geräte lassen sich mit niedrigen Datenraten über unterschiedliche Netztopologien miteinander vernetzen.

Die erste Version des Standards erschien im Jahr 2003. Später (unter anderem in den Jahren 2006 und 2011) folgten überarbeitete Versionen des Standards. Zahlreiche proprietäre oder standardisierte Netzwerkprotokolle höherer Ebenen wie ZigBee, 6LoWPAN oder Thread basieren auf 802.15.4. Der Standard arbeitet in den lizenzfreien ISM-Frequenzbändern und ist parallel zu anderen Drahtlostechnologien wie WLAN oder Bluetooth einsetzbar.

In mehreren Unterkategorien des Standards sind Varianten der drahtlosen Vernetzung mit 802.15.4 beschrieben. Einer dieser Substandards ist IEEE 802.15.4g. Er definiert einen angepassten Physical-Layer in einer widerstandsfähigen, selbstheilenden Mesh-Struktur für Smart Utility Networks (SUN) wie für intelligente Versorgungsnetze. Die 2012 gegründete Wi-SUN Alliance treibt Wireless Smart Ubiquitous Networks (Wi-SUN) voran.

Typische Anwendungen von IEEE 802.15.4 sind drahtlose Sensornetzwerke in der Industrie, die Gebäudeautomation, Smart Home, Automotive-Netzwerke, Wireless Body Area Networks (WBAN) und vieles mehr.

Netztopologien und Eigenschaften des Physical-Layers und MAC-Layers

802.15.4 definiert mit dem Physical-Layer und dem MAC-Layer die untersten zwei Ebenen im OSI-Referenzmodell. Als Frequenzbereiche kommen die ISM-Bänder bei 868 MHz, 915 MHz (Europa beziehungsweise USA) und 2,45 GHz zum Einsatz. Um die Störempfindlichkeit zu reduzieren, wird das Frequenzspreizverfahren DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) verwendet. Die erzielbaren Datenraten liegen bei 20, 40, 100 und 250 kbit/s. Typische Reichweiten der Funkübertragung liegen im Außenbereich zwischen 30 und 100 Meter. Bei optimalen Bedingungen sind Entfernungen von bis zu 1000 Meter überbrückbar.

Der MAC-Layer übernimmt Aufgaben wie die Sicherung der Datenübertragung, die Kollisionsvermeidung und das Beaconing. Um Kollisionen zu vermeiden, wird das CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) genutzt. Als Frame-Typen definiert der Standard unter anderem Daten-Frames, Beacon-Frames, Bestätigungs-Frames und MAC-Befehls-Frames. Die Übertragung der Daten kann im unslotted Mode asynchron oder im slotted Mode synchronisiert mit einem PAN-Koordinator erfolgen. Zur Verbesserung der Sicherheit auf MAC-Ebene bietet der IEEE-Standard symmetrische Verschlüsselung mit dem Advanced Encryption Standard (AES) und Message Integrity Checks.

Unterstützte Netztopologien sind die Stern-, Peer-to-Peer- und Mesh-Topologie. Mithilfe von vermaschten Strukturen lassen sich Netzwerke über eine größere räumliche Ausdehnung realisieren. Der Standard kennt mit den Reduced Function Devices (RFDs) und den Full Function Devices (FFDs) zwei Typen von Netzwerkknoten. Sie haben unterschiedlichen Funktionsumfang. Während RFDs eine eingeschränkte Funktionalität besitzen und beispielsweise für Sensoren oder Aktoren Verwendung finden, bieten FFDs vollen Funktionsumfang und übernehmen in einem Netzwerk besondere Rollen wie die eines PAN-Koordinators.

Die Vermittlungsebene des OSI-Referenzmodells ist in 802.15.4 nicht definiert und muss von Protokollen höherer Ebenen übernommen werden.

Vorteile des Standards:

• energieeffiziente Vernetzung - lange Betriebszeiten von batterieversorgten Geräten

• Nutzung der lizenzfreien, weltweit verfügbaren ISM-Frequenzbänder

• geringe Komplexität und niedrige Hard- und Softwareanforderungen

• verschiedene Netzwerktopologien realisierbar

• Überbrückung größerer Entfernungen

• hohe Störunempfindlichkeit

• sichere Datenübertragung durch Verschlüsselung

• zahlreiche Anpassungen in Substandards definiert

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