Giriş

    IEEE 802 working group, yerel alan ağları (LAN) ve metropolitan alan ağları (MAN) için standartlar geliştirmekten sorumludur. IEEE 802 tarafından geliştirilen protokoller ve standartlar, Open Systems Interconnection(açık sistem arabağlaşımı) modelinin (OSI modeli) fiziksel(physical) ve veri bağlantı(data-link) katmanı ile ilgilidir. OSI modeli bir network frame’inin yedi mantıksal katmanını tanımlar ve International Organization for Standardization(Uluslararası Standartlar Örgütü – ISO) tarafından geliştirilmiştir. IEEE 802, data-link katmanını iki alt katmana ayırır: Logical link control(Mantıksal bağlantı kontrolü – LLC) ve MAC katmanı. IEEE 802, Ethernet (IEEE 802.3) ve kablosuz LAN (IEEE 802.11) gibi yaygın olarak kullanılan birçok standarttan sorumludur. IEEE 802.15.4, IEEE 802.11’e benzer bir standarttır. IEEE 802.11 WLAN için standartlar tanımlarken, IEEE 802.15.4 LR-WPAN’lardan sorumludur. IEEE 802.15.4 OSI’nin alt iki katmanını tanımladığından, üst katmanları uygulayan başka standartlar da olmalıdır. ZigBee, wirelessHART ve 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 üzerindeki kalan üst katmanları tanımlayan bu girişimlerden bazılarıdır.

    Orijinal IEEE 802.15.4 standardı 2003 yılında piyasaya sürüldü. Orijinal versiyon, biri 868 ve 915 MHz frekans bantlarında, diğeri 2.4 GHz bandında çalışan iki fiziksel katmanı destekledi. Daha sonra, 2006 yılında aktarım hızlarını artıran bir revizyon daha yayınlandı. Sonraki revizyonlara ilave bantlar eklendi.

    IEEE 802.15.4 iki aygıt sınıfını destekler: Tam ağ fonksiyonlarına sahip tam fonksiyonel aygıtlar (Fully functional devices – FFD) ve sınırlı fonksiyonlara sahip olan azaltılmış fonksiyonel aygıtlar (Reduced functional devices – RFD). Tüm kişisel alan ağları (PAN), PAN’ın korunmasından sorumlu PAN koordinatörü olarak görev yapan en az bir FFD’den oluşur. RFD’ler ortamdan doğrudan veri almak ve bunları bir PAN koordinatörüne göndermekle sorumludur. Şekil 2, Bir PAN’ın benimseyebileceği çeşitli topolojileri gösterir. Şekilde kırmızı cihazlar PAN koordinatörleridir, sarı cihazlar FFD’lerdir, ancak PAN koordinatörleri değildir ve yeşil cihazlar RFD’lerdir. Şekilde görüldüğü gibi, bir yıldız topolojisinde, tüm cihazlar doğrudan PAN koordinatörü ile etkileşime girer. Peer-to-peer topolojide FFD’ler birbirleriyle iletişim kurabilir. Bir küme ağacı topolojisinde, RFD’ler bir FFD ile iletişim kurar ve bu da PAN koordinatörü ile iletişim kurar.

     Fiziksel Katman

    Fiziksel katmanın ana fonksiyonları taşıyıcı frekans seçimi ve üretimi, şifreleme ve şifre çözme, modülasyon ve demodülasyon, verilerin iletimi ve alınmasıdır. Kablosuz sensör ağı genellikle ISM bantlarında çalışır. Ancak 802.11b ve Bluetooth gibi diğer birçok standart da aynı bandı kullanır, bu nedenle bu banttaki tüm sistemlerin diğer sistemlerde parazite karşı sağlam olması gerekir. Kablosuz sensör ağlarında fiziksel katman tasarlanırken dikkat edilmesi gereken en önemli parametreler:

    1. Düşük güç tüketimi.
2. Düşük iletim ve alım mesafesi(Low-Range). Multi-hop tipinde olmak zorunda
3. Aynı bantta çalışan diğer sistemlerden gelen parazitler.
4. Düşük karmaşıklık.
5. Düşük çalışma çevrimi, yani çoğu zaman sensör düğümü kapalıdır. (Yüksek paket düşürme ihtimali ve gecikme)
6. Düşük veri hızları çoğu zaman ve yüksek veri hızı sadece kısa bir süre için.
7. Paket boyu küçük.

    Sensör ağları için fiziksel katman tasarımında en zor olan, daha az güç tüketen düşük maliyetli alıcı-vericiler bulmak, gerekli hizmeti sağlayacak kadar sağlam, basit modülasyon şemaları bulmaktır.

    Genellikle sensör ağında kullanılan alıcı-vericiler %10 verimlidir. 1 mw güç yaymak için alıcı-vericiler en az 10 mw güç tüketir. Alım için tüketilen güç, iletim için tüketilen güce benzerdir; bazı zamanlar bunlardan biri alıcı-vericilerin tasarımına bağlı olarak daha fazla ve daha az olabilir. Mika düğümleri için iletim modunda 21 mw, alım modunda 15 mw tüketilir. Veri iletimi ve alımı, sensör düğümündeki en fazla güç tüketen faaliyettir. Bu nedenle veri iletimi ve alımı mümkün olduğunca az tutulmalıdır. WIN düğümleri için, iletilen bit başına 1500 ila 2700 komutu yürütülebilir, MEDUSA II düğümleri için bu oran 220:1 ila 2900:1 arasında değişir ve WINS NG düğümleri için yaklaşık 1400:1’dir. Özet olarak hesaplama iletişimden daha ucuzdur.

    Bekleme modunda alıcı-vericiler tarafından tüketilen güç, alma veya gönderme modunda alıcı-vericiler tarafından tüketilen güçten önemli ölçüde daha az olmayacaktır. Bu nedenle, alıcı-vericinin gerekmediğinde boşta modundan ziyade uyku moduna alınması tercih edilir. Ancak buna dikkat etmek gerekir, başlatma sırasında tüketilen güç ve alıcı-vericinin başlatılması için geçen süre, alıcı-vericiyi uyku moduna geçirmenin avantajını sağlamaz. En yaygın kullanılan alıcı-verici CC2420’dir.

    2003 yılında yayınlanan orijinal IEEE 802.15.4 standardı, Direct Sequence Spread Spectrum tekniği (DSSS) kullanılarak geniş bant fiziksel bir katman benimsemiştir. Üç frekans bandında fiziksel katman işlemleri sağladı: Avrupa’da bulunan 868 MHz bandı, ABD’de bulunan 915 MHz bandı ve dünya çapında mevcut olan lisanssız bant olan 2.4 GHz ISM bandı. Bu üç grupta toplamda 27 kanal desteklendi. 868 MHz bant 1 kanalı, 915 MHz bant 10 kanalı ve 2,4 GHz bant 16 kanalı destekledi. Üç bant sırasıyla 20 kb/s, 40 kb/s ve 250 kb/s iletim hızı sağlar. 2006, 2007 ve 2009’da izleyen daha sonraki revizyonlara birçok ilave bant eklendi. 2006 revizyonu, 868/915 MHz bantlarının maksimum veri hızlarını iyileştirerek 100 ve 250 kbit/s’yi destekler hale getirdi. Ayrıca, kullanılan modülasyon yöntemine bağlı olarak dört fiziksel katman tanımlanmaktadır. Bunlardan üçü DSSS yaklaşımını korur: 868/915 MHz bantlarında, binary veya ofset QPSK kullanarak (ikincisi isteğe bağlıdır); 2450 MHz bandında, ofset QPSK (16 bit) kullanarak. Alternatif, isteğe bağlı bir 868/915 MHz katmanı, binary anahtarlama ve genlik kaydırmalı anahtarlamanın bir kombinasyonu kullanılarak tanımlanır (Parallel Sequence Spread Spectrum, PSSS’ye dayanır). Desteklenen 868/915 MHz PHY’leri arasında dinamik geçiş mümkündür.

    Bu üç bandın ötesinde, IEEE 802.15 Task Group 4d, Japonya’daki yeni 950-956 MHz bandını desteklemek için 802.15.4-2006 değişikliğini yaparken, IEEE 802.15.4c çalışma grubu Çin’de yeni açılan 314–316 MHz, 430–434 MHz ve 779-787 MHz bantları üzerinde çalıştı. Bu grupların ilk standart değişiklikleri Nisan 2009’da yayınlandı. Ağustos 2007’de, IEEE 802.15.4a, 2006’nın önceki sürümlerinde bulunan 4 PHY’yi, Direct Sequence ultra-wideband (UWB) kullanan bir PHY ve diğeri chirp spread spectrum (CSS) kullanarak 6’ya çıkararak piyasaya sürdü. UWB PHY üç frakansta tahsis edilir: 1 GHz’in altında, 3 ila 5 GHz arasında ve 6 ila 10 GHz arasında. CSS PHY, 2450 MHz ISM bandında tahsis edilir. Nisan 2009’da IEEE 802.15.4c ve IEEE 802.15.4d, mevcut PHY’leri birkaç ek PHY ile genişleterek piyasaya sürdü: O-QPSK veya MPSK kullanan 780 MHz bant ve diğeri GFSK veya BPSK kullanan 950 MHz bant. Özet olarak, 802.15.4 250 kbps’den daha düşük bir veri hızında çalışır. 75 m menzile kadar çalışır ve 254 adede kadar düğümü destekler. Bu protokol, veri hızı daha düşük, enerji kısıtlamaları olan ve iyi QoS gerektiren ağlar için özel olarak tasarlanmıştır. Bu protokolü kullanan ağ, iki AA pil ile 6 aydan 2 yıla kadar yaşayabilir.

 

    IEEE 802.15.4’ün fiziksel katmanı aşağıdaki düşük seviyeli fonksiyonlardan sorumludur: veri aktarımı ve alımı, mevcut kanalın enerji tespiti, bağlantı kalitesi göstergesi ve boş kanal değerlendirmesi. Alıcının enerji tespiti, üst katman tarafından kanal seçim algoritmaları için kullanılır. Bağlantı kalitesi göstergesi (LQI) alınan sinyalin gücünü gösterir. Boş kanal değerlendirmesi (CCA) aşağıdaki üç yöntemden birine dayanarak yapılır: enerji algılama, taşıyıcı algılama veya taşıyıcı algılama ve enerji algılama kombinasyonu. Şekil 4, fiziksel katman paket yapısını gösterir. Paket, gelen bir paketin başlangıcını belirtmek için preamble’ın ve delimiter’ın bir kombinasyonu olan bir senkronizasyon başlığı içerir. Ayrıca, payload’ın uzunluğunu gösteren bir başlıktan oluşur. Preamble, sembol ve çip zamanlamasını ve bazen kaba frekans ayarlamaları için kullanılır. MAC frame’i için maksimum 127 bayt uzunluk veren uzunluğu belirtmek için başlığın yalnızca yedi biti kullanılır. Ev uygulamaları için tipik paket boyutları genellikle yaklaşık 30-60 bayttır, etkileşimli uygulamalar ise daha büyük boyutlarda paketler gerektirir.