IEEE 802.15.4 zielt auf niederbitratige Wireless Personal Area Networks ( WPAN) mit extrem geringem Energiebedarf ab, wie sie in drahtlosen Sensornetzwerken ( WSN) benutzt werden. Dabei steht die Batterielaufzeit im Vordergrund. Neben der normalen Version gibt es mit Low Rate Wireless Personal Area Network ( LR-WPAN) eine spezielle Version mit sehr niedrigen Übertragungsraten. Mögliche Applikationen für 802.15.4 sind neben der Sensortechnik interaktive Spiele, intelligente Ausweise, Fernbedienungen und Gebäudeautomation.
802.15.4 benutzt für die Übertragung die lizenzfreien ISM-Bänder bei 868 MHz (Europa), 915 MHz (Amerika) und 2,45 GHz (weltweit). Im 868-MHz-Band wird ein Kanal (Kanal 0) bei 868,3 MHz belegt. Zehn Kanäle, die Kanäle 1 bis 10, mit einem Kanalabstand von 2 MHz sind es im 915-MHz-Band und 16 Kanäle (Kanal 11 bis 26) mit einem Kanalabstand von 5 MHz sind es im 2,4-GHz-Band. Als Modulationsverfahren wird in 802.15.4 die Spreizbandtechnik mit Parallel Sequence Spread Spectrum ( PSSS) mit einer Symbolübertragungsrate von 62,5 Symbole/s verwendet; im 2,4-GHz-Band arbeitet man mit Quadratur-Phasenumtastung ( QPSK).
Bedingt durch ein deterministisches Zugangsverfahren mit festem Zeitraster sind isochrone Übertragungen möglich. Darüber hinaus kann man sternförmige Mesh-Netze konfigurieren, die das Routing unterstützen. In solchen Netzkonfigurationen gibt es Stationen mit voller Funktionalität, den Full Function Devices ( FFD), die für die Kommunikation verantwortlich sind, und solche mit eingeschränkter Funktionalität, die Reduced Function Devices ( RFD). Letztere bilden die ZigBee-Endgeräte, beispielsweise die Sensoren von einem Sensornetzwerk, die über die FFD- Knoten, das sind die ZigBee- Router, kommunizieren. 802.15.4 wird u.a. in ZigBee und in MeshScape eingesetzt. Im ZigBee-Protokollstack entsprechen der Physical Layer ( PHY) und das Medium Access Control ( MAC) 802.15.4.
Die verschiedenen Varianten von 802.15.4
Es gibt mehrere 802.15.4-Varianten, die sich mit der Energieeffizienz, der internationalen Frequenzzuordnung, der Entwicklung der physikalischen Schicht für RFID oder mit Wireless Smart Utility Networks ( Wi-SUN) befassen.
Bei 802.15.4a werden Übertragungs- und Modulationsverfahren eingesetzt, wie Ultra-Breitband und das Chirp Spread Spectrum ( CSS), mit denen eine hohe Übertragungsqualität bei niedriger Verlust- und Datenrate erreicht werden und der Energieaufwand bei der Funkübertragung relativ gering ist. In diesem Standard ist ein einfaches Direct Sequence UWB ( DS-UWB) für die Bitübertragungsschicht spezifiziert, wodurch auch ZigBee mit höherer Datenrate arbeiten kann. Darüber hinaus wird das Zugangsverfahren 802.15.4a in nanoLOC eingesetzt, einem Funknetz für Fertigungseinrichtungen.
IEEE 802.15.4b geht noch weiter und zielt auf eine weitere Verbesserung der 802.15.4a-Eigenschaften ab, indem es auf vereinfachte Algorithmen und das Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) setzt mit dem Mehrdeutigkeiten vermieden, die Datenrate und die Störsicherheit bei Mehrwegeausbreitung erhöht werden.
Bei 802.15.4c geht es um die Entwicklung alternativer Technologien im 780-MHz- Frequenzbereich. Und die Arbeitsgruppe802.15.4d spezifiziert Lösungen für Japan im 950-MHz-Frequenzbereich.
802.15.4e ist eine geänderte Version des IEEE-Standards 802.15.4-2011 mit dem Ziel dem MAC-Layer weitere Funktionalitäten hinzuzufügen. Mit diesen Erweiterungen soll 802.15.4e besser den industriellen Markt unterstützen und kompatibel zu den geplanten Modifikationen für den chinesischen Markt sein. Das wesentliche Merkmal von 802.15.4e ist das Kanalsprungverfahren, Time Slotted Channel Hopping ( TSCH), das sich besser für den Einsatz von 802.15.4-Netzen im industriellen Umfeld eignet, da es robuster gegenüber Interferenzen und Fading ist.
Die Arbeitsgruppe 802.15.4f entwickelt einen Standard für den Physical Layer und erweitert gleichzeitig den MAC-Layer für aktive RFID- Systeme.
802.15.4g ist die Arbeitsgruppe für Wireless Smart Utility Networks (Wi-SUN). Diese Arbeitsgruppe ändert den Physical Layer von 802.15.4 hin zu einem global einsetzbaren Standard. In Smart Utility Networks können umfangreiche Prozesssteuerungen, wie sie in Smart Grids vorkommen und aus Millionen Endpunkten bestehen können, über eine minimale Infrastruktur weltweit kommunizieren.
Die Arbeitsgruppe 802.15.4k ist für die Standardisierung des Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) verantwortlich. Diese Technologie unterstützt die Selbstkonfiguration von Sensor- und Aktoren-Netzen, die Redundanz in der Übertragungsstrecke, durch die eine höhere Zuverlässigkeit, und die Erweiterung des Übertragungsbereiches durch die Multi-Hop-Fähigkeit. Die Datenraten der LR-WPAN-Technologie liegen bei 20 kbit/s, 40 kbit/s und 250 kbit/s.