Спецификация IEEE 802.15.4-2011 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных в низкоскоростных беспроводных персональных сетях (Low-Rate Wireless Personal Area Networks — LR-WPANs), поддерживая при этом шифрование AES 128. Предусматривается использование 7 видов модуляции в разных частотных диапазонах: Offset quadrature phase-shift keying (O-QPSK), Binary phase-shift keying (BPSK), Amplitude-shift keying (ASK), Differential quadrature phase-shift keying (DQPSK), комбинированная Burst (pulse) position modulation (BPM) и BPSK, M-ary phase-shift keying (MPSK), Gaussian frequency-shift keying (GFSK). Для снижения взаимных помех и интерференции сигналов от большого количества работающих одновременно устройств используется метод прямой последовательности для расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS) либо расширение спектра методом линейной частотной модуляции (Chirp spread spectrum — CSS).
Несмотря на то, что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Этот параметр регулируется нормативными документами в области радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее распространение на рынке имеют передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи также зависит от используемого диапазона частот и применения антенн специальной конструкции.
Все доступные радиочастотные диапазаны поделены на каналы, пропускная способность которых может различаться. Первый набор каналов был определен в исходной спецификации стандарта IEEE 802.15.4-2003, вышедшей в 2003 году. Он называется Channel page zero (Нулевая страница каналов) и содержит 1 канал в диапазоне 868 МГц (канал 0, до 20 кбит/с), 10 каналов в диапазоне 915 МГц (каналы 1-10, до 40 кбит/с) и 16 каналов в диапазоне 2450 МГц (каналы 11-26, до 250 кбит/с). Для второй и третьей страниц каналов (Channel pages one and two) определены: 10 каналов в диапазоне 915 МГц (до 250 кбит/с) и 1 канал в диапазоне 868 МГц (до 100 или 250 кбит/с в зависимости от типа модуляции). Для третьей страницы каналов (Channel page three): 14 каналов в диапазоне 2450 МГц (до 1 Мбит/с). Для четвертой страницы каналов (Channel page four): 16 каналов в диапазоне UWB (250–750 МГц, 3244–4742 МГц, 5944–10234 МГц, 6289,6–9185,6 МГц; до 27,2 Мбит/с). Для пятой страницы каналов (Channel page five): 8 каналов в диапазоне 780 МГц (до 250 кбит/с). Для шестой страницы каналов (Channel page six): 22 канала в диапазоне 950 МГц (до 20 или 100 кбит/с в зависимости от типа модуляции). В разных странах действуют различные правила регулирования радиочастотного спектра, которые разрешают использование только некоторых каналов в различных диапазонах частот. И только диапазон 2450 МГц (O-QPSK/DSSS) из нулевой страницы каналов может использоваться практически по всему миру без каких-либо оговорок.
Спецификация IEEE 802.15.4 постоянно дополняетсмя новыми частотными диапазонами, методами модуляции и расширения спектра. Так в версии IEEE 802.15.4-2015 определены уже 13 страниц каналов и 19 методов модуляции. Повышаются также и доступные скорости передачи данных.
Казалось бы, сети IEEE 802.15.4 в принципе не предназначены для устройств, которые передают большие объемы данных и требуют высокой пропускной способности. Само увеличение скоростей передачи связано и с заметным повышением потребления оконечными устройствами, многие из которых в сетях IEEE 802.15.4 работают автономно (от батареек). Поэтому может показаться, что наполнение стандарта все более высокоскоростными каналами лишено смысла. Однако существуют специальные механизмы, которые позволяют устройствам в сетях IEEE 802.15.4 работать только в небольшие промежутки времени. И такие промежутки будут тем меньше, чем быстрее устройство способно передать или принять все необходимые в данный момент данные.
Доступ к каналу IEEE 802.15.4 основан на принципе множественного доступа с прослушиванием несущей волны и избеганием коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance — CSMA-CA) или ALOHA. Поддерживаются как сети без маячков, так и с маячками.
В сетях без маячков (Nonbeacon-enabled personal area network) коллизиям (совпадениям) подвержены только jam-сигналы, претворяющие передачу. Когда устройство планирует начать передачу, оно посылает в сеть специальный jam-сигнал и некоторое время ожидает аналогичных сигналов от других источников излучения. Если jam-сигналов от других передающих устройств не поступает, устройство начинает передачу. Если же обнаруживается «чужой» сигнал, то передатчик «засыпает» на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу. В таком случае одновременно передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. Однако необходимость ожидания свободного канала сказывается на скорости обмена сообщениями. Именно поэтому, сети IEEE 802.15.4 не является самыми высокоскоростными. Вместе с тем, принцип CSMA-CA позволяет устройствам в сети IEEE 802.15.4 работать очень экономно.
В сетях с маячками (Beacon-enabled personal area network) используется слотовый (тактированный) механизм CSMA-CA или ALOHA, в котором начало временного слота должно совпадать с границей суперфрейма сетевого координатора, то есть начало временнóго слота для каждого устройства должно быть синхронизировано с началом передачи сигнала маячка сетевым координатором. Поскольку устройство не может начать передачу, пока не примет маячок, а маячки рассылаются только сетевым координатором, то сетевой координатор с помощью маячков выполняет тактирование актов обмена во всей сети. При этом на физическом уровне (PHY) обеспечивается общая синхронизация, то есть все передачи в сети начинаются одновременно с началом слотов. Введение описанной синхронизации позволяет уменьшить вероятность одновременной передачи сообщений несколькими узлами сети и увеличивает ее общую пропускную способность. Кроме того, в сетях с маячками приемный тракт оконечного устройства не требуется задействовать непрерывно — для экономии энергии он может быть обесточен и включаться только на короткие интервалы времени для приема данных или синхронизации по маячкам.
Таким образом, механизмы множественного доступа и маячковой синхронизации подразумевают отключение приемо-передающих трактов устройств при отсутствии данных для пересылки, обеспечивая низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. В результате время автономной работы оконечных устройств может измеряться годами. Важная особенность протокола в том, что подобные отключения не сказываются на сохранении соединения на MAC-подуровне. Разработчики стандарта основной упор делали на быстроту процессов конфигурирования и переконфигурирования сети. К примеру, переход приемника в активное состояние занимает порядка 15 мс, а добавление устройства в сеть — около 30 мс. Сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия.
Для еще большей экономии энергии и обеспечения максимального качества связи в дополнение к управлению маячками (Beacon management) на MAC-подуровне реализован механизм сканирования (Channel scanning) доступных PHY-каналов, который позволяет устройствам динамически выбирать канал в зависимости от текущих условий в эфире и требуемых битрейтов (скоростей передачи).
Для всех уровней протокола IEEE 802.15.4 структура фреймов была спроектирована по критерию минимальной сложности, обеспечивающей надежную передачу данных в зашумленном канале. В соответствии с моделью OSI, каждый нижележащий уровень добавляет к протоколу свой заголовок. Данные передаются относительно небольшими пакетами, что специфично для сетей управления и мониторинга. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.
В IEEE 802.15.4 существует три типа обменных процессов: передача от устройства к сетевому координатору, передача от сетевого координатора к устройству, передача между двумя одноранговыми устройствами; а также два вида сетевых топологий: звездная (Star) и одноранговая (Peer-to-Peer). В звездной топологии используются только два первых варианта, поскольку в ней не существует обменов между одноранговыми устройствами.
Кроме того, стандарт различает два типа устройств: полнофункциональные устройства (Full-Function Device — FFD) и устройства с сокращенным набором функций (Reduced-Function Device — RFD). FFD могут работать в сети с любой топологией в качестве координатора сети или в качестве оконечного устройства. FFD могут обмениваться информацией с другими FFD или RFD, но RFD могут связываться только с FFD. RFD гораздо проще и дешевле, чем FFD. Любая сеть должна содержать по крайней мере одно полнофункциональное устройство FFD.
Все устройства в сети независимо от топологии должны иметь уникальный 64-битный расширенный адрес. Этот адрес используется для коммуникации в пределах сети или может быть изменен на короткий 16-битный адрес, выделяемый координатором в процессе подключения устройств к сети. Координатор может быть подключен к сети питания, а остальные сетевые устройства могут иметь батарейное питание. Расширенная адресация в рамках IEEE 802.15.4 позволяет в одной сети находиться примерно 65 тысячам устройств.
Координатор должен быть в сети с любой топологией, однако одноранговая сеть отличается тем, что любое устройство может обмениваться данными с любым другим, если оно находится в зоне досягаемости радиосвязи, в то время как в звездной топологии любое устройство может взаимодействовать только с координатором. Отметим, что одноранговая сеть получается всегда дороже, поскольку она содержит множество полнофункциональных устройств (FFD), но благодаря этому она позволяет организовывать сети более сложной топологии, в том числе ячеистые, в которых узлы соединяются по принципу «каждый с каждым».
Несколько сетей могут взаимодействовать друг с другом. Для этого каждая сеть должна иметь уникальный сетевой идентификатор (PAN identifier). Благодаря ему внутри сети могут использоваться сокращенные адреса. Поэтому полный адрес устройства для доступа извне (из другой сети) состоит из идентификатора сети и короткого адреса устройства.
Базовая структура сети звездной топологии, как это показано на рисунке, допускает наличие единственного координатора. После первого включения полнофункционального сетевого устройства (FFD) оно может организовать свою собственную сеть и стать сетевым координатором. Все сети звездной топологии функционируют независимо одна от другой. Это достигается выбором сетевого идентификатора (PAN identifier), который не используется другими сетями, находящимися в пределах радиуса действия данной сети. После назначения сетевого идентификатора координатор может принять другие устройства в состав сети, как FFD, так и RFD.
В одноранговой сети каждое устройство может взаимодействовать с любым другим устройством, находящимся в пределах его радиуса действия. Одно из устройств назначается координатором, например, то, которое первым включено в сеть. При дальнейшем расширении сети можно отойти от одноранговой топологии и создать гибридную топологию, в которой будут содержаться и устройства с сокращенной функциональностью. Примером такой сложной топологии, которая, используя множество одноранговых кластеров, позволяет обойти ограничения, присущие простой одноранговой топологии, является дерево кластеров (Cluster tree). Дерево кластеров представляет из себя специальный случай одноранговой сети, в которой большинство узлов являются полнофункциональными устройствами (FFD), а устройства с сокращенным набором функций (RFD) могут располагаться только на самом конце каждой «ветви» такого дерева. Каждое FFD может выступать координатором и предоставлять сервисы синхронизации для других координаторов и оконечных устройств. Только один из всех координаторов является координатором всей сети (Координатор PAN). По смыслу именно это устройство обладает наибольшими ресурсами и вычислительными возможностями среди остальных устройств сети.
Координатор PAN формирует первый кластер используя свой уникальный сетевой идентификатор (PAN identifier) и рассылая маячковые синхронизирующие сигналы другим участвующим в сети устройствам. Устройство, принявшее такой сигнал, отвечает на него и получает разрешение координатора на включение в сеть. В свою очередь, это устройство запоминает координатора своей сети и, если оно само является координатором, тоже рассылает свои маячковые сигналы. Каждое новое устройство слышит маячковые сигналы с меткой сети и присоединяется к ней через того координатора, чьи сигналы оно словило. При необходимости создать новый связанный кластер координатор PAN назначает присоединившемуся координатору новый PAN identifier и таким образом он становится координатором кластера (по сути — координатором еще одной подсети, имеющей свой идентификатор PAN). Множество примыкающих друг к другу кластеров и формируют мультикластерную топологию в форме дерева кластеров, изображенную на рисунке. Количество устройств в сети с такой топологией ограничивается в большей степени собственными вычислительными возможностями PAN-координатора, чем доступным пространством адресации.
Учитывая богатство возможностей стандарта IEEE 802.15.4 на нем строятся самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также дополнительными параметрами шифрования. Наиболее активно развивается создание на основе IEEE 802.15.4 беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Network — WSN), то есть множества самостоятельных сенсоров, объединенных в единую систему мониторинга. В рамках концепции сенсорной сети, соединенные между собой по беспроводному интерфейсу устройства могут обмениваться информацией и передавать данные на центральный шлюз. Другим популярным направлением использования стандарта IEEE 802.15.4 стал интернет вещей (IoT), где также оказываются весьма востребованы технологии беспроводных сетей с ячеистой топологией.
Спецификация ZigBee, использующая сети IEEE 802.15.4 в качестве нижних уровней стека протокола, отвечает всем требованиям, предъявляемым к беспроводным сетям сенсоров или умных гаджетов в составе умного дома, промышленного или офисного здания, района. Но стандарт IEEE 802.15.4 является основой не только для сетей ZigBee — он поддерживается и еще целым набором протоколов высокого уровня, имеющих различное назначение. Среди таких протоколов: WirelessHART (IEC 62591), MiWi, ISA100.11a, 6LoWPAN. Роль последнего протокола 6LoWPAN постоянно растет, поскольку он позволяет перенести в сети IEEE 802.15.4 все многообразие возможностей IPv6-сетей. В спецификациях ZigBee появилось даже специальное ответвление ZigBee/IP, которое работает именно поверх тандема IEEE 802.15.4 + 6LoWPAN. И именно поверх этого же тандема работает перспективный протокол интернета вещей Thread.