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IEEE 802.15.4는 데이터 전송 속도가 낮은 무선 애플리케이션의 표준으로 자리잡고 있다.
IEEE 802.15.4 PHY, IEEE 802.15.4 MAC 계층을 정의하고 있다.

TCP/IP구조와 Zigbee 구조를 비교해 본다면..기본적으로 802.15.4 PHY와 802.15.4 MAC 기반위에 TCP/IP 대신에 Zigbee Stack이라는 녀석이 놓여있다고 생각하면 될 것이다.

아래의 그림과 같이 IEEE 802.15.4의 MAC을 이용하여 다양한 기능을 부여할 수도 있고, Zigbee 모든 기능을 포함하는 기능을 원한다면 Zigbee 스택을 포함하여 사용을 하면 될 것이다.


IEEE 802.15.4는 두개의 계층으로 구성되는데, 물리계층인 PHY, 미디어 접근 계층인 MAC가 바로 그것이다.
이들 계층은 OSI 7 Layer의 참조모델 중 가장 낮은 두개의 층에 해당하며, 이 계층은 IEEE 802.15.4 LR-WPAN참조모델을 기반으로 되어있다.


IEEE 802.15.4 PHY
IEEE 802.15.4 PHY는 PHY 데이터 서비스(Data service)와 PHY 관리서비스를 지원한다.
868~868.6 MHz, 902~928MHz, 2400~2483.5MHz의 주파수 대역을 사용하고 2.4GHz 대역에서 최대 250kbps의 속도로 전송을 한다. 858MHz 대역에서는 20kbps, 915MHz대역에서는 40kbps의 전송속도를 갖는다.
그리고 PHY는 다음과 같은 서비스를 지원한다.

• 무선영역의 활성화 및 비활성화
• 채널 주파수의 선택(Channel frequency selection)
• 현재 사용하는 채널의 에너지 검출(Energy Detection)
• 노드간의 전송특성을 나타내기 위한 LQI(Link Quality Indication)사용
• CSMA-CA를 사용하기 위한 CCA 지원
• 데이터의 송 수신(Data transmission and reception)
  

PHY계층의 패킷은 PPDU(packet protocol data unit)라고 부른다.
preamble은 트랜시버에서 입력되는 메시지의 동기화에 사용된다. SoP(Start of Packet)는 패킷 데이터의 시작을 나타내고, 8bit의 PHY Header(7bit의 프레임과 reserved 1bit), PHY패킷 데이터를 운반하는 PSDU(PHY Service Data Unit)로 되어있다.

IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 MAC 계층에서는 다음과 같은 것들을 관리한다.

• Association 및 Disassociation
• ACK 프레임 사용
• 채널 접근 방법
• 프레임 유효성 검사
• GTS 사용
• 비컨 관리
  

MAC은 상위계층으로 두개의 SPA를 통해 접속될 수 있는 두 가지 서비스를 제공한다. MAC 데이터 서비스는 MCPS-SAP(MAC CommonPartSublayer)를 통해 접속되며, MAC 관리서비스는 MLME-SAP(MAC Layer Management Entity)를 통해 접속된다.
이들 서비스는 SSCS나 다른 LLC와 물리계층과의 인터페이스를 제공한다.

ZigBee 란...

ZigBee 란 IEEE 802.15.4 기반으로 저전력과 저가격을 목표하는 저속 근거리 개인 무선통신의 국제 표준 스펙이다. ZigBee 는 전력소모가 적고 칩 가격이 저렴하고 통신의 안정성이 높아 최근 가장 급속한 발전을 하고 있는 기술이다.

ZigBee 는 IEEE 802.15.4 표준의 물리 PHY 와 매체접근제어 MAC 계층 위에 그 상위계층으로 네트워크(NWK)계층, 응용지원(APS)계층과 보안(Security) 및 응용(APL)을 규격화하였다. ZigBee 의 물리 PHY 계층은 간단한 구조이며, MAC 계층은 전력소비를 최소화 할 수 있도록 연구되었다. ZigBee 는 원격제어, 원격관리, 원격모니터링에 적합하고 가정자동화, 공장자동화, 산업자동화에 활발하게 적용될 전망이다.

•  PHY: Physical
•  MAC: Medium Access Control
•  APS: Application Service
•  APL: Application Layer
  

ZigBee 통신의 가장 중요한 특징이 무엇일까?

배터리 하나로 수년을 견딜 수 있고 시스템 구조가 간결하여 8 비트 마이컴으로 구현이 가능하다. 물론 무선의 장점인 설치비용이 많이 드는 백본이나 인프라가 필요 없어 설치나 관리가 쉽다.
국내의 u-IT839 전략과 더불어 홈 오토메이션과 유비쿼터스 센서네트워크 환경 구축에 중추적 역할을 담당할 신 기술로 전망된다.
ZigBee 는 모든 기능을 가진 팔방미인이 아니라 오직 무선감지와 제어 및 모니터링만을 강조한 무선통신스펙으로 볼 수 있다. ZigBee 는 반경 75m 정도의 근거리에서 27 개의 주파수 중에 하나를 선택하여 저속인 250 Kbps 로 데이터를 전송하며 최대 65,536 개 네트워크를 연결할 수 있다. 기본적인 Star 네트워크 형태나 P2P(Peer-to-Peer)네트워크 형태는 당연히 지원되고, ZigBee 와 유사한 다른 무선 표준들이 지원하지 못하는 Mesh 네트워크 형태를 지원해서 복잡한 네트워크형성도 가능하다. 그리고 ZigBee 표준을 따른 여러 가지 ZigBee 기기를 상호운용 할 수 있는 센서네트워크에 적합한 신기술로 전망된다.

이와 같은  ZigBee 특징들을 나열해보자.

• 무선통신(Wireless)
• 근거리 통신(75m)
• 저속통신(최대 250Kbps)
• 국제표준기반(ZigBee 연합)
• 저가격(하나의 가격이 $1 미만)
• 저전력(배터리 하나로 수년 지속)
• ZigBee 는 IEEE 무선표준 중에서 전력소모가 최소
• 프로토콜 구조가 단순함
• 쉽게 설치 및 설정
• 시스템 제작 및 구성비용이 적게듬
• 안정성 보장
• 보안성 보장
• 대량노드를 지원함
• 많은 네트워크 노드를 수용함
• 광범위하게 센서네트워크 설치가능
• Mesh 네트워크 형태 지원
• Mesh 네트워크 형태에서 자기치료기능
• 최적적용조건: 가끔씩 저속 전송하는 경우
• 초기 칩 동작에는 30mA 정도의 낮은 전력
• 주파수는 2.4GHz, 868MHz, 915MHz
• IEEE 802.15.4 의 PHY 와 MAC 계층 위에 NWK 와 APS 계층으로 구성
• ZigBee 기기는 전기능기기(FFD)와 축소기능기기(RFD)로 나눔
• 무선 감지와 제어 분야에서 많이 활용될 전망
  

ZigBee 는 여러 가지 기능을 가진 팔방 미인 격인 Bluetooth 와는 대조적으로 오직 원격 감지, 감시, 제어, 모니터링의 응용에 초점을 맞추고 가격을 최대한 낮추고, 전력소모를 최소화 하는 방향으로 설계되었다. ZigBee 는 저전력을 위한 여러 가지 기술들을 제공하고 있다. 기기를 사용하지 않을 때는 쉽게 휴면 상태에
들어갈 수 있고, 필요한 경우 빠르게 깨어나 네트워크에 연결된다. ZigBee 는 표준화된 규격이어서 자료제공이 원활하며 설계하기 쉽고, 따라서 개발기간도 단축할 수 있고, 개발비용 역시 다른 표준보다 적게 요구되고 네트워크의 형태도 다양할 뿐만 아니라 최대 6 만개 이상을 연결할 수 있다.

ZigBee 네트워크는 Mesh 망이 지원되어 두루 넓게 센서노드를 설치하는 경우에 적합하다. 현재로서는 이 같은 특징을 갖는 유일한 솔루션이다. ZigBee 계층구조는 다음 그림처럼 IEEE 802.15.4 는 물리 계층인 PHY 계층과 데이터의 충돌방지 기술이 적용된 MAC 계층으로 구성된다. 이들 계층 위에 ZigBee 는 네트워크(NWK) 계층과 응용지원(APS)계층을 추가하였다.


참고 : 네이버 Zigbee 카페