Este padrão é estruturado de acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnection) e define suas duas camadas mais baixas, a Camada Física (PHY - Physical Layer) e a Camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC - Medium Access Control). O PHY define a freqüência, a energia, a modulação e outras condições sem fio do link. O MAC define o formato do tratamento de dados. As camadas restantes definem outras medidas para entregar os dados e aprimoramentos de protocolo relacionados, incluindo a aplicação final.
As frequências definidas no padrão estão espalhadas entre 27 canais diferentes divididos em três bandas principais:
Enquanto três atribuições de frequência estão disponíveis, a banda de 2,4 GHz é, de longe, a mais utilizada. A maioria dos chips e módulos disponíveis usa essa banda ISM (Industrial, Scientifical and Medical) popular.
O padrão 802.15.4 utiliza a técnica Direct Sequence Spread Spectrum ( DSSS ) para evitar ruídos, de modo a modular as informações antes de serem enviadas para a camada física. Basicamente, cada bit de informação a ser transmitida é modulada em 4 sinais diferentes (outros alfabetos de bits), esse processo faz com que a informação total seja transmitida para ocupar uma largura de banda maior, mas usa uma densidade de potência espectral menor para cada sinal.
Isso causa menos interferência nas bandas de frequência usadas e melhora a Relação Sinal a Ruído (SNR) no receptor devido ao fato de que é mais fácil detectar e decodificar a mensagem que está sendo enviada pelo transmissor.
O DSSS é altamente tolerante ao ruído e à interferência e oferece ganho de codificação para melhorar a confiabilidade do link. A codificação de mudança de fase binária padrão (BPSK) é usada nas duas versões de baixa velocidade, enquanto a conversão de deslocamento de fase em quadratura offset (O-QPSK) é usada para a versão de taxa de dados mais alta. O-QPSK tem um envelope de onda constante, o que significa que técnicas de amplificação de potência não-lineares mais eficientes podem ser usadas para minimizar o consumo de energia.
| Regiões Geográficas | Europa | Américas | No mundo todo |
|---|---|---|---|
| Intervalo de Frequência | 868 a 868.6 MHz | 902 a 928 MHZ | 2.4 a 2.4835 GHz |
| Número de Canais | 1 | 10 | 16 |
| Largura de banda do canal | 600 kHz | 2 MHz | 5 MHz |
| Taxa de símbolos | 20 ksymbols/s | 40 ksymbols/s | 62.5 ksymbols/s |
| Taxa de dados | 20 kbits/s | 40 kbits/s | 250 kbits/s |
| Modulação | BPSK | BPSK | Q-QPSK |
No que diz respeito ao acesso ao canal, o 802.15.4 usa duas técnicas para evitar que todos os nós comecem a emitir ao mesmo tempo: CSMA-CA e GTS.
O mais comum é o Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance (CSMA-CA). Este método é descrito da seguinte forma: cada nó escuta o meio antes de transmitir. Se a energia encontrada for maior do que um nível específico, o nó transceptor espera durante um tempo aleatório e tenta novamente.
O segundo é o Guarantee Time Slots (GTS). Esses sistemas usam um nó centralizado (coordenador PAN) que fornece slots de tempo para cada nó para que qualquer um saiba quando eles precisam transmitir. Há 16 slots possíveis de tempo. Como um primeiro passo, um nó deve enviar ao coordenador PAN uma mensagem de solicitação GTS, como resposta, o coordenador enviará uma mensagem "beacon" contendo o slot alocado e o número de slots atribuídos.
Uma das funcionalidades implementadas em 802.15.4 é a varredura de energia do canal (PLME-ED request). A idéia é saber quanta energia (atividade/ruído/interferências) existe em um ou vários canais antes de começar a usá-los. Desta forma, podemos economizar energia escolhendo canais livres ao configurar a rede. Existem três comportamentos diferentes quando se enfrenta a questão da detecção de energia:
O protocolo 802.15.4 é um protocolo de baixo consumo por estar pronto para trabalhar com ciclos de baixa qualidade. Isso significa que o transceptor pode dormir a maior parte do tempo (até 99% em média) enquanto as tarefas de recebimento e envio podem ser definidas para levar apenas uma pequena parte da energia dos dispositivos. Esta percentagem depende do tipo de modelo de comunicação utilizado. Se o beacon mode for usado (estrela ou redes PAN), a quantidade mínima de tempo usada para transmitir / receber esses quadros aumentará o tempo total que o transceptor usará.
Como o 802.15.4 usa o acesso múltiplo de detecção de portador com evasão de colisão (CSMA-CA), vários usuários ou nós podem acessar o mesmo canal em momentos diferentes sem interferência. A maioria das transmissões são pacotes pequenos que ocorrem com pouca frequência para um ciclo de trabalho muito baixo (<1%), minimizando o consumo de energia.O objetivo do padrão é fornecer um formato de base para o qual outros protocolos e recursos podem ser adicionados por meio das camadas superiores. Existem vários protocolos que usam 802.15.4 como sua camada MAC. O mais conhecido é ZigBee , embora existam muitos deles: