đề tài quản lý nhân sự Tiểu luận Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng không dây Zigbee bằng phần mềm Ns-2

đề tài quản lý nhân sự Tiểu luận Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng không dây Zigbee bằng phần mềm Ns-2

Mục Lục

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

*****

Tiểu luận:Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng không dây

Zigbee bằng phần mềm Ns-2

QUẢN LÝ NHÂN SỰ

Tháng 10 – Năm 2021

Mục Lục

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Khái niệm về công nghệ ZigBee

Mối quan hệ giữa ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4

Cơ chế xác định mức năng lượng (ED)

Cơ chế dò tìm sóng mang (CS)

Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI)

Đánh giá độ thoáng kênh truyền

Hằng số và các thuộc tính tầng PHY

Hoạt động của chế độ cho phép đèn hiệu và cấu trúc siêu khung Không gian liên khung

Cơ chế CSMA/CA

Truyền thông broadcast

Truyền thông multicast

Hình 1-6: Truyền thông được khởi tạo bởi một thiết bị phi thành

viên

Truyền thông many to one

Cấu trúc phân cấp dạng cây

Hình 1-8: Mối quan hệ giữa nút con và nút cha trong một mạng

Các đối tượng thiết bị ZigBee

Hình 1-13: ZDO đóng vai trò như một giao diện giữa khung ứng

dụng và tầng con APS

Hình 1-14: Định dạng lệnh mô tả sơ lược thiết bị ZigBee

LỜI MỞ ĐẦU

ZigBee là một công nghệ mạng không dây ra đời năm 2003 với

đặc điểm là: mức năng lượng tiêu thụ và giá thành thấp,

đa năng và dễ dàng mở rộng ZigBee hỗ trợ việc quản lý, điều khiển cho các thiết bị gia dụng, công nghiệp, chăm sóc sức khỏe đặc biệt là cho nhu cầu cho các ngôi nhà thông minh.

Trên thế giới, công nghệ ZigBee đã trở nên phổ biến vì giá thành

rẻ, dễ triển khai và linh hoạt Rất nhiều công ty như Alliance, Freescale, Atmel, …tham gia vào việc cung cấp các thiết bị mạng để triển khai lắp đặt Các tập đoàn lớn như SamSung, Nokia, Panasonic, … đang chú ý đến ZigBee như là một mạng điều khiển quan trọng cho các sản phẩm của mình Tại Việt Nam, bước đầu đã tiếp cận với công nghệ ZigBee tại các diễn đàn về thiết bị điện tử Công ty I-Solution có trụ sở tại Hà Nội đã đề cập đến ZigBee như là một công nghệ mới cho việc tự động hóa cho các biệt thự ở Việt Nam.

Qua đó, nhu cầu về nắm bắt công nghệ ZigBee và triển khai xây

dựng hệ thống mạng quản lý nhà thông minh đang là thị trường hấp dẫn tại Việt Nam Hiện tại, là một sinh viên nên việc sở hữu một bộ kit để phát triển công nghệ này là không khả thi nên mục tiêu của đề tài là nắm được công nghệ ZigBee và từ đó áp dụng vào mô phỏng trên hai phần mềm là NS-2 và OPNET.

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là sưu tầm tài liệu trên mạng

và các dự án nghiên cứu có liên quan để tổng hợp phân tích Sau đó, từ các kiến thức tiếp thu được tiến hành mô phỏng để phân tích khả năng hoạt động của mạng không dây ZigBee.

Đóng góp của đề tài là báo cáo lý thuyết về công nghệ ZigBee và

kiến thức về hai phần mềm NS-2 và OPNET, mô phỏng hoạt động của mạng hình sao ZigBee trên hai phần mềm này với các yêu cầu mô phỏng khác nhau Từ đó, hiểu được hoạt động và phân tích, đánh giá hoạt động của mạng không dây ZigBee.

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Công nghệ ZigBee

1.1.1 Khái niệm về công nghệ ZigBee

ZigBee là một chuẩn định nghĩa một tập hợp các giao thức

truyền thông cho mạng tốc độ thấp và tầm ngắn Thiết bị ZigBee hoạt động trong tần số 868MHz, 915 MHz và 2,4 GHz Tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 250 Kb/s ZigBee nhắm đến mục tiêu chính là các ứng dụng sử dụng pin khi tốc độ dữ liệu thấp, chi phí thấp và thời gian sử dụng pin lâu dài Trong nhiều ứng dụng ZigBee, tổng thời gian các thiết bị hoạt động chủ động với nhau là rất giới hạn, thiết bị sử dụng phần lớn thời gian trong chế độ chờ, hay còn gọi là chế độ ngủ đông Kết quả là các thiết bị dạng ZigBee có thể hoạt động trong vài năm trước khi phải thay pin.

Hình 1-1: Các dịch vụ được cung cấp bởi ZigBee

1.1.2 Mối quan hệ giữa ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4

Một trong các cách thiết lập mạng truyền thông là sử dụng khái

niệm các lớp mạng, mỗi lớp có trách nhiệm và chức năng

rõ ràng trong mạng Các lớp thông thường chỉ cho qua

dữ liệu và lệnh đến tầng trên hay dưới nó.

Các lớp giao thức mạng không dây ZigBee dựa trên mô hình

tham chiếu cơ bản OSI Việc chia giao thức mạng thành các lớp có rất nhiều lợi ích, nếu giao thức thay đổi theo thời gian, nó sẽ dễ dàng hơn khi thay thế hoặc lớp mà bị ảnh hưởng thay đổi sẽ được thay đổi thay vì toàn bộ giao thức Tương tự khi phát triển một ứng dụng, lớp thấp hơn của giao thức vẫn độc lập so với ứng dụng và có thể được cung cấp từ một nhà phát hành thứ ba và mọi thứ

sẽ hoàn thành mà chỉ cần thay đổi lớp ứng dụng của giao thức.

Hình 1-2: Các tầng giao thức mạng không dây ZigBee

Trong hình 1-2 hai tầng mạng dưới cùng được định nghĩa bởi

chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn này được phát triển bởi tổ chức chuẩn IEEE 802 và phát hành đầu tiên vào năm 2003.

Chuẩn ZigBee chỉ định nghĩa cho lớp mạng, ứng dụng và bảo

mật của giao thức và thừa nhận các lớp PHY và MAC của IEEE 802.15.4 như là một phần của giao thức mạng không dây ZigBee Do đó, bất kỳ thiết bị tương tự ZigBee nào cũng tuân thủ chuẩn IEEE 802.15.4.

Chuẩn IEEE 802.15.4 được phát triển độc lập với chuẩn ZigBee,

và nó có thể xây dựng mạng không dây tầm ngắn hoàn toàn dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 và không bao gồm các lớp đặc thù của ZigBee Trong trường hợp này, người dùng phát triển giao thức lớp ứng dụng mạng của riêng

họ ở tầng trên của lớp PHY và MAC trong chuẩn IEEE 802.15.4.

Những lớp ứng dụng mạng tùy chỉnh này đơn giản hơn các lớp

giao thức ZigBee và hướng mục tiêu vào các ứng dụng đặc thù.

1.1.3 Tầng PHY

1.1.3.1 Cơ chế xác định mức năng lượng (ED)

Khi một thiết bị muốn truyền tín hiệu, ban đầu nó đi vào chế độ

nhận tín hiệu để xác định và giới hạn mức năng lượng tín hiệu trong kênh truyền mong đợi Tác vụ này được biết như là một sự xác định năng lượng (ED) Trong ED, thiết

bị nhận không cố gắng giải mã tín hiệu mà chỉ xác định mức năng lượng tín hiệu bị giới hạn Nếu có một tín hiệu

đã sẵn sàng trong dải mong đợi, ED không biết được là

nó có phải là một tín hiệu của chuẩn IEEE

802.15.4 hay là không Năng lượng tín hiệu trong băng tần mong

đợi trung bình là 8 chu kỳ ký hiệu.

Tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực hiện ED, tầng PHY trả về

một số nguyên 8 bit chỉ định mức năng lượng nằm trong kênh tần số mong đợi Mức năng lượng chính xác phải lớn hơn hoặc bằng 6 dB.

1.1.3.2 Cơ chế dò tìm sóng mang (CS)

Tương tự như cơ chế ED, cơ chế dò tìm sóng mang là một cách

kiểm tra xem kênh tần số có sẵn sàng để sử dụng hay không Trong CS, khi một thiết bị muốn truyền thông điệp, ban đầu nó đi vào chế độ nhận tín hiệu để xác định kiểu của bất kỳ tín hiệu có thể nào mà hiện tại đang nằm trong kênh tín hiệu đòi hỏi, nhưng tương phản với ED,

CS là tín hiệu được giải điều chế kiểm tra là tín hiệu điều chế hay phân bố là tuân thủ đặc tính của PHY mà hiện đang được dùng trong thiết bị Nếu tín hiệu đang chiếm giữ tuân thủ theo dạng PHY IEEE 802.15.4, thiết bị sẽ chọn xem xét là kênh bận mà không quan tâm tới mức năng lượng tín hiệu.

1.1.3.3 Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI)

Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI-Link Quality Indication) là việc

chỉ định chất lượng của gói tin dữ liệu được nhận bởi thiết bị nhận Độ mạnh tín hiệu nhận được (RSS) có thể được sử dụng như là việc tính toán chất lượng sóng RSS

là việc đo đạc tổng năng lượng của tín hiệu nhận được.

Tỷ số của năng lượng tín hiệu đòi hỏi so với tổng năng lượng nhiễu trong băng thông (tỷ số tín hiệu/nhiễu

SNR-Signal to Noise Ratio) là một cách khác để đánh giá chất lượng tín hiệu Như là một luật tổng quát, SNR cao hơn đồng nghĩa với việc lỗi trong các gói tin thấp hơn Do

đó, một tín hiệu với SNR cao được coi là một tín hiệu chất lượng cao.

Chất lượng liên kết còn có thể được ước lượng sử dụng cả mức

năng lượng tín hiệu và tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu.

Sự đánh giá LQI được thực hiện cho mỗi gói tin nhận được, LQI

phải có ít nhất 8 mức duy nhất LQI được báo cáo cho tầng MAC và sẵn sàng cho tầng NWK và APL các kiểu phân tích Ví dụ, tầng NWK có thể sử dụng mức LQI được báo cáo của thiết bị trong mạng để xem

xét con đường nào được chọn để định tuyến thông điệp Nói

chung, con đường với toàn bộ LQI cao nhất có cơ hội cao hơn trong việc chuyển thông điệp tới đích LQI chỉ là một trong các yếu tố trong việc lựa chon con đường để định tuyến Những yếu tố khác, ví dụ như xem xét tính hiệu quả của năng lượng định tuyến, cũng có thể ảnh hưởng đến sự lựa chọn định tuyến.

1.1.3.4 Đánh giá độ thoáng kênh truyền

Trong bước đầu tiên của cơ chế truy cập kênh truyền

CSMA/CA, tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá độ thoáng kênh truyền (CCA) để đảm bảo rằng kênh truyền không bị đang sử dụng bởi một thiết bị nào khác CCA là một phần của dịch vụ quản lý của tầng PHY Trong CCA, kết quả của ED hay CS có thể được sử dụng

để xem xét một kênh tần số có được xem là sẵn sàng hay bận Quá trình CCA phải là một chu kỳ 8 ký hiệu.

Có 3 chế độ CCA, một PHY tuân thủ IEEE 802.15.4 phải có khả

năng thực hiện bất kỳ một trong 3 chế độ này:

● Chế độ CCA 1: Chỉ xem xét kết quả của ED, nếu mức năng lượng trên ngưỡng ED, kênh được xem là bận Ngưỡng ED có thể được thiết lập bởi nhà sản xuất.

● Chế độ CCA 2: Chỉ sử dụng kết quả của CS, và kênh truyền được xem là bận chỉ khi nếu tin hiệu đang chiếm là tuân thủ với PHY của thiết bị mà thực hiện CCA.

● Chế độ CCA 3: Chế độ này là một sự kết hợp logic (AND/ OR) của chế độ 1 và 2, tầng PHY có thể sử dụng những tiêu chí sau đây để xác định là kênh có bị bận hay không.

Mức năng lượng xác định được là trên ngưỡng và sóng mang

tuân thủ chuẩn được đánh giá.

1.1.3.5 Hằng số và các thuộc tính tầng PHY

Các hằng số định nghĩa các đặc tính như kích thước tối đa của

một khung hay khoảng thời gian của một sự kiện Mỗi tầng của giao thức đều có các hằng số của chúng Tầng PHY chỉ có hai hằng số, hằng số PHY

aMaxPHYPacketSize chỉ định là đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY (PSDU) không dược phép vượt quá 127 octet Hằng

số thời gian turnaround là thời gian một thiết bị truyền

nhận cần để chuyển từ chế độ truyền (TX) sang chế độ

nhận (RX), và ngược lại với khoảng thởi gian là ít hơn 12

Thời gian quay vòng RX thành TX

và TX thanh RX tối đa được cho phép (chu kỳ ký hiệu)

12

Trong các tầng giao thức MAC và PHY, tất cả hằng số đều có

tiền tố “a”, trong tầng NWK và APL các hằng số có tiền

tố “nwkc” và “apsc” đại diện và không bị thay đổi trong

suốt khoảng thời gian hoạt động.

Bảng 1-2: Thuộc tính PHY PIB

PhyCurrentChannel Kênh tần số thực hiện

phyChannelsSupported

†

Mảng các kênh sẵn sàng và không sẵn

sàng phyTransmitPower* Nguồn ra thiết bị truyền (dBm)

PhyCCAMode Chế độ CCA thực hiện (1-3)

PhyCurrentPage Trang kênh PHY hiện tại

phyMaxFrameDuration

†

Số lượng tối đa của các biểu tượng

trong khung (55, 212, 266, 1064)

phySHRDuration † Thởi gian tồn tại của header đồng bộ

hóa (SHR) (3,7, 10, 40) phySymbolsPerOctet † Số lượng các ký hiệu trong mỗi octet

cho PHY hiện tại (0.4, 1.6, 2, 8)

Các thuộc tính là các giá trị mà có thể thay đổi trong khi hoạt

động Các thuộc tính tầng PHY chứa trong thông tin cơ

bản PAN PHY (PHY-PIB) Các thuộc tính được đòi hỏi

quản lý bởi các dịch vụ PHY và được đánh dấu bởi dấu

trâm là các thuộc tính chỉ đọc, tầng cao hơn có thể đọc

các thuộc tính chỉ đọc, nhưng chỉ tầng PHY là có thể

thay đổi chúng Các thuộc tính được đánh dấu bởi dấu

sao “*” có các bit đặc biệt mà chi đọc Các bit không

được đánh dấu chỉ đọc có thể được đọc hoặc ghi bởi tầng

trên nó Chỉ tầng PHY mới có thể thay đổi các bit chỉ

đọc.

1.1.4 Tầng MAC

1.1.4.1 Hoạt động của chế độ cho phép đèn hiệu và cấu trúc siêu

khung

Một lợi ích của mạng chế độ cho phép đèn hiệu là khả năng của

khe thời gian bảo đảm (GTS) Khung đèn hiệu là các

khung MAC chứa thông tin đèn hiệu như thời gian cự ly giữa các khung đèn hiệu và số lượng GTS.

Hình 1-3: Cấu trúc siêu khung

Khi thực hiện chế độ cho phép đèn hiệu, nó có thể sử dụng một

cấu trúc siêu khung như trong hình 1-3, được bao phủ bởi hai khung đèn hiệu Có thể có đến 3 kiểu giai đoạn trong một siêu khung: giai đoạn truy cập tranh chấp (CAP), giai đoạn tự do tranh chấp (CFP) và giai đoạn không hoạt động.

Trong giai đoạn CAP, tất cả các thiết bị muốn truyền cần sử

dụng cơ chế CSMA/CA để có khả năng truy cập đến một kênh tần số sẵn sàng một cách công bằng với tất cả các thiết bị trong cùng một mạng Thiết bị đầu tiên bắt đầu

sử dụng một kênh sẵn sàng sẽ sử dụng nó cho chính thiết

bị đó cho đến khi việc truyền hiện tại của nó hoàn thành Nếu thiết bị tìm ra kênh truyền bị bận, nó quay lại trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên và thử lại Khung lệnh MAC phải được truyền trong quá trình CAP.

Không có bảo đảm nào trong khoảng thời gian CAP cho bất kỳ

thiết bị nào có thể sử dụng một kênh tần số chính xác khi

nó cần CFP, trái ngược với CAP, bảo đảm một khe thời gian cho một thiết bị đặc biệt và do đó thiết bị không cần

sử dụng CSMA/CA để truy cập kênh truyền và

CSMA/CA cũng không được cho phép trong CFP.

Sự kết hợp của CAP và CFP được biết là giai đoạn kích hoạt và

được chia thành 16 khe thời gian bằng nhau Khung đèn hiệu luôn bắt đầu tại điểm bắt đầu của khe thời gian đầu tiên Có thể lên đến 7 GTS trong CFP Mỗi GTS có thể chiếm một hay nhiều hơn một khe thời gian Một siêu khung có thể tùy chọn là có một giai đoạn không hoạt động, cho phép thiết bị chuyển vào chế độ tiết kiệm năng lượng và bộ phối hợp có thể bật tắt mạch truyền nhận của nó để bảo toàn năng lượng pin.

Cấu trúc của siêu khung được định nghĩa bởi bộ phối hợp và

được cấu hình bởi tầng NWK sử dụng gốc

MLME-START.request Khoảng thời gian giữa hai tín hiệu đèn hiệu liên tiếp (BI) được quyết định bởi giá trị của thuộc tính macBeaconOrder (BO) và hằng số

aBaseSuperframeDuration sử dụng biểu thức:

BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO(Ký hiệu)

Thuộc tính BO có thể có bất kỳ giá trị nào từ 0–14 trong mạng

chế độ đèn hiệu, nếu giá trị của nó được đặt là 15 mạng được xem xét là mạng không cho phép chế độ đèn hiệu

và không có siêu khung nào được áp dụng.

Chiều dài của giai đoạn kích hoạt của siêu khung được hiểu là

giai đoạn siêu khung (SD), được tính toán từ phương trình sau:

SD = aBaseSuperframeDuratio * 2SO(Ký hiệu)

SO chính là thuộc tính macSuperframeOrder Giai đoạn siêu

khung không thể vượt quá các khoảng đèn hiệu liền kề,

do đó giá trị của SO thường nhỏ hơn hoặc bằng BO Trong mạng không cho phép chế độ đèn hiệu, bộ phối hợp không truyền đèn hiệu trừ khi nó nhận một lệnh yêu cầu đèn hiệu từ một thiết bị trong mạng của nó với mục đích là định vị bộ phối hợp Bộ phối hợp PAN trong mạng không cho phép chế độ đèn hiệu đặt giá trị của SO

là 15.

Hình 1-4: Hẹn giờ siêu khung vào và ra

Trong một mạng cho phép chế độ đèn hiệu, bất kỳ bộ phối hợp

nào, thêm vào các bộ phối hợp PAN, có tùy chọn để

truyền đèn hiệu và tạo ra siêu khung của nó Hình 1-4 chỉ

ra thời gian được yêu cầu khi cả bộ phối hợp PAN và một bộ phối hợp khác trong cùng một mạng đang truyền đèn hiệu Bộ phối hợp có thể bắt đầu truyền đèn hiệu của

nó chỉ trong giai đoạn không hoạt động của siêu khung

bộ phối hợp PAN Đèn hiệu bộ phối hợp PAN được ám chỉ đến một đèn hiệu được nhận Đèn hiệu của bất kỳ bộ phối hợp nào khác được biết như là

đèn hiệu được truyền Giai đoạn hoạt động cả hai siêu khung

phải có chiều dài tương đương Bộ phối hợp, khác với một bộ phối hợp PAN, chỉ truyền một đèn hiệu chỉ rõ sự bắt đầu của siêu khung của nó và kết thúc siêu khung có thể tương đồng với kết thúc của siêu khung bộ phối hợp PAN.

Nếu một thiết bị không sử dụng các GTS của nó cho một khoảng

thời gian được mở rộng, GTS của nó sẽ hết hạn và bộ phối hợp có thể phân công GTS đặc biệt cho một thiết bị khác Giai đoạn không hoạt động mà sẽ là kết quả là sự hết hạn GTS thường là một số nguyên gấp đôi chiều dài một siêu khung Giá trị của nó nhân (n) phụ thuộc vào macBeaconOrder:

n = 2(8 - macBeaconOrder) nếu 0 <= macBeaconOrder <= 8

n = 1 nếu 8 <= macBeaconOrder <= 14

1.1.4.2 Không gian liên khung

Trong khi truyền dữ liệu từ một thiết bị đến một thiết bị khác,

thiết bị truyền phải đợi trong thời gian ngắn giữa các khung được truyền liên tục của nó để cho phép thiết bị nhận xử lý khung nhận được trước khi khung tiếp theo đến được biết là khoảng cách liên khung (IFS) Chiều dài của IFS phụ thuộc vào kích thước khung được truyền Các MPDU với các kích thước nhỏ hơn hay bằng

aMaxSIFSFrameSize được xem xét là khung ngắn Một khung dài là một MPDU với kích thước vượt quá số octet của aMaxSIFSFrameSize.

Giai đoạn chờ đợi sau mỗi khung ngắn được ám chỉ là một IFS

ngắn (SIFS) Giá trị tối thiểu của SIFS là

macMinSIFSPeriod Tương tự một khung dài theo sau bởi một IFS dài (LIFS) với giá trị tối thiểu là chiều dài macMinLIFSPeriod Giá trị của macMinSIFSPeriod và macMinLIFSPeriod là 12 và 14 ký hiệu.

1.1.4.3 Cơ chế CSMA/CA

Cơ chế truy cập kênh truyền được hỗ trợ bởi tầng MAC trong

chuẩn IEEE 802.15.4 là CSMA/CA, khi một thiết bị

muốn truyền nó sẽ thực hiện một CCA để đảm bảo rằng

kênh truyền không bận sau đó nó sẽ truyền tín hiệu của nó.

Truy cập kênh truyền trong giai đoạn tự do xung đột (CFP).

Truyền ngay sau khi thông báo một lệnh yêu cầu dữ liệu Nói cách khác, nếu một thiết bị yêu cầu dữ liệu từ một bộ phối hợp, bộ phối hợp truyền thông báo ngay lập tức sau

đó mà không thực hiện CSMA/CA giữa 2 lần truyền, thậm chí trong giai đoạn truy cập xung đột (CAP).

Có hai kiểu CSMA/CA: có khe và không có khe CSMA/CA có

khe được ám chỉ tới việc thực thi CSMA/CA trong khi có một cấu trúc siêu khung trong đó Một siêu khung chia giai đoạn hoạt động ra thành 16 khe thời gian bằng

nhau Giai đoạn lặp lại của thuật toán CSMA/CA cần được sắp hàng thành các khe thời gian riêng biệt Thuật toán CSMA/CA không có khe được sử dụng khi không

có cấu trúc siêu khung, thông thường, không có khe lặp lại yêu cầu Một mạng không cho phép chế độ đèn hiệu thường sử dụng thuật toán CSMA/CA không có khe để truy cập kênh truyền.

Nếu CCA xác định được một kênh truyền bận, thiết bị sẽ lặp lại

trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên Khoảng thời gian lặp lại ngẫu nhiên trong cả CSMA/CA có khe và không có khe là một số nguyên là tích của đơn vị khoảng thời gian lặp lại aUnitBackoffPeriod ký hiệu.

Hình 1-5 thể hiện lưu đồ của thuật toán CSMA/CA Có 3 biến

được sử dụng trong thuật toán là: số mũ lặp lại (BE), số lần lặp lại (NB) và chiều dài cửa sổ xung đột (CW) Biến

BE quyết định khoảng cho phép cho khoảng thời gian lặp lại khi kênh truyền bận Khoảng thời gian lặp lại là một số nguyên nằm trong khoảng 0 – (2BE-1) nhân với đơn vị thời gian lặp lại:

Thời gian lặp lại = (Một số ngẫu nhiên trong khoảng 0 – (2BE

-1)) * aUnitBackoffPeriod

Giá trị khởi tạo của BE bằng với macMinBE trong một truy cập

kênh truyền CSMA/CA không có khe Trong CSMA/CA

có khe lựa chọn tùy chọn sự mở rộng tuổi thọ pin (BLE) trong cấu trúc siêu khung ảnh hưởng đến giá trị của BE Nếu tùy chọn BLE được kích hoạt, bộ phối hợp tắt bộ nhận tín hiệu của nó trong một khoảng thời gian bằng với các macBattLifeExPeriod theo sau việc truyền khung đèn hiệu, để bảo toàn năng lượng Trong trường hợp này, dải giá trị của khoảng thời gian lặp lại giới hạn trong ít hơn 2 và giá trị của macMinBe:

BE = min (2, macMinBE)

Nếu tùy chọn BLE không được lựa chọn, bộ phối hợp hoạt động

trong toàn bộ CAP và giá trị của BE bằng macMinBE Giá trị của BE được tăng mỗi khi một CCA thực hiện và kênh truyền bận, nhưng giá trị BE không thể vượt quá macMaxBE.

NB là một bộ đếm mà cập nhập số lần thiết bị lặp lại và thử lại

cơ chế truy cập kênh truyền Khi bắt đầu thuật toán giá trị của NB được đặt là 0 và giá trị tăng lên một khi thiết

bị phải lặp lại do kênh truyền bận Khi NB đạt đến giá trị macMaxCSMABackoff và kênh vẫn không được truy cập thành công, thuật toán CSMA/CA kết thúc và báo cáo truy cập kênh truyền lỗi cho tầng NWK.

Biến cửa sổ xung đột (CW) quyết định số lượng khoảng thời

gian lặp lại mà kênh truyền phải sẵn sàng trước khi bắt đầu truyền Ví dụ CW = 2, thiết bị chỉ bắt đầu truyền sau

2 kết quả lặp lại liên tiếp trong một kênh hiện hữu CW chỉ được sử dụng trong thuật toán CSMA/CA có khe Nếu quá trình truyền không thể hoàn thành trước

khoảng thời gian được cho phép, tầng MAC sẽ đợi đến khi bắt đầu CAP tiếp theo và thử lại thuật toán truy cập kênh truyền CSMA/CA lần nữa.

1.1.5 Tầng NWK

1.1.5.1 Truyền thông broadcast

Trong truyền thông quảng bá, thông điệp có mục đích được

truyền bởi một thiết bị mà đang lắng nghe một kênh tần

số đặc biệt, chú ý địa chỉ của chúng hay định danh PAN.

Mỗi khi một thiết bị nhận một gói, nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích được cung cấp trong gói để phê duyệt là thiết bị có ý định nhận gói hay không Để quảng bá trong mạng IEEE 802.15.4 chế độ địa chỉ ngắn được sử dụng và địa chỉ đích được đặt là 0xffff Địa chỉ này được chấp nhận bởi tất cả các thiết bị mà nhận gói như địa chỉ của chúng Định danh PAN cũng có thể được đặt là 0xffff Thiết bị nhận sẽ chấp nhận 0xffff như là một định danh PAN hợp

lệ Địa chỉ MAC 0xffff được biết như là địa chỉ quảng bá Một bộ phối hợp ZigBee và các bộ định tuyến ZigBee duy trì

bản ghi của tất cả thông điệp mà chúng quảng bá trong một bảng gọi là bảng giao dịch quảng bá (BTT) Bản ghi

tự nó không thể được biết là bản ghi giao dịch quảng bá (BTR) và chứa số hiệu chuỗi và địa chỉ nguồn của khung quảng bá Mỗi router ZigBee được có khả năng đệm ít nhất một khung tại tầng NWK Khả năng đệm giúp cho việc truyền lại các quảng bá này Mỗi BTR cho phép chỉ một khoảng thời gian giới hạn và sẽ hết hạn sau khoảng thời gian là nwkNetworkBroadcastDelivery-Time (giây)

từ nó tạo ra Một BTR bị hết hạn có thể bị ghi đè nếu một BTR mới đang được tạo và BTT đầy Nếu một thiết

bị đầu cuối ZigBee không giữ bộ nhận của nó trong chế

độ ON trong khi thiết bị trong trạng thái chờ, thiết bị không chuyển tiếp thông điệp quảng bá hay bảo trì một BTT Nếu một bộ định tuyến ZigBee với

macRxOnWhenIdle được đặt là FALSE nhận một thông điệp quảng bá, nó sẽ không sử dụng cơ chế quảng bá Thay vào đó, nó sẽ sử dụng unicast để chuyển tiếp thông điệp mà không có độ trễ nào cho các hàng xóm của nó một cách riêng rẽ Trường address chứa địa chỉ của thiết

bị có mục đích và không phải địa chỉ quảng bá Trong thời gian quảng bá, thông điệp được chuyển tiếp bởi nhiều thiết bị và có khả năng xuất hiện xung đột về nút

ẩn Để giảm thiểu, tầng NWK yêu cầu là trước mỗi lần truyền lại thiết bị phải đợi trong một khoảng thời gian

ngẫu nhiên gọi là broadcast jitter, chiều dài của nó phải nhỏ hơn

giá trị của thuộc tính nwkcMaxBroadcastJitter theo đơn

vị mili giây.

1.1.5.2 Truyền thông multicast

Trong multicast một thiết bị chuyển thông điệp đến một nhóm

thiết bị trong cùng mạng thay vì toàn bộ mạng Trong ứng dụng điều khiển đèn, khi truyền một khung đơn đến một thiết bị hoạt động như một công tắc có thể bật tắt một nhóm đèn.

Mỗi nhóm được định nghĩa bởi một ID nhóm là một địa chỉ 16

bit multicast Một thiết bị có thể là thành viên của một hay nhiều nhóm Mỗi thiết bị giữ danh sách của các

thành viên nhóm multicast trong một bảng gọi là bảng multicast (nwkGroupIDTable).

Một thiết bị phi là thành viên của một nhóm multicast nào thì có

thể sử dụng multicast để đến các thành viên bằng hai chế

độ là chế độ thành viên và chế độ phi thành viên Trong chế độ thành viên, một multicast được khởi tạo bởi một thiết bị thành viên và gửi cho các thành viên của nhóm multicast Trong chế độ phi thành viên, một thiết bị mà không là thành viên của một nhóm multicast định tuyến thông điệp đến một thành viên nhóm multicast, mà từ đó

nó sẽ được gửi đến các thành viên trong nhóm của nó Khung dữ liệu tầng NWK có một trường là multicast mode mà

phân biệt là khung này đang được truyền bởi một thiết

bị là thiết bị thành viên hay phi thành viên.

Hình 1-6: Truyền thông được khởi tạo bởi một thiết bị phi thành

viên

Trong hình 1-6 là một thiết bị phi thành viên khởi tạo một

multicast, nó tạo ra một khung dữ liệu NWK và đặt

trường multicast mode là không thành viên Giả sử một

bộ định tuyến khám phá đã thực hiện trước khi truyền thì thiết bị nguồn biết được địa chỉ của hop tiếp theo có nghĩa là nó đã thiết lập định tuyến đẫn khung đến một thiêt bị thành viên bằng cách unicast liên tiếp Thiết bị tiếp theo nhận khung từ một thiết bị phi thành viên và lại chuyển tiếp cho thiết bị tiếp theo sử dụng unicast cho đến khi khung được nhận bởi một thành viên của một nhóm multicast Thiết bị này sẽ chuyển giá trị trường multicast mode thành chế độ thành viên và gửi cho các thành viên của nó bằng cách broadcast Trong chế độ này không có thừa nhận bị động.

Với broadcast cả thành viên và không thành viên sẽ broadcast

lại khung được nhận nếu BBT của nó không đầy và nó không broadcast trước đó chính khung này Trong

multicast có thể giới hạn số lần một khung multicast được broadcast lại bởi các thiết bị phi thành viên Khung broadcast có trường là nomember radius mà sẽ giảm đi mỗi khi khung được broadcast lại bởi một thiết bị phi thành viên, khi nó bằng 0 thì sẽ không được broadcast lại nữa Có một ngoại lệ là khi trường này đặt là 007 thì nó

sẽ không bị giới hạn Trong chuẩn ZigBee chỉ có khung

dữ liệu mới được truyền multicast còn khung lệnh thì không.

1.1.5.3 Truyền thông many to one

Kịch bản truyền thông cho một thiết bị nhận các thông điệp từ

nhiều thiết bị trong cùng một mạng Thiết bị nhận được gọi là sink và sẽ thiết lập các định tuyến từ tất cả các bộ định tuyến ZigBee và bộ phối hợp ZigBee trong vùng bán kính.

Hình 1-7: Truyền thông n – 1

1.1.5.4 Cấu trúc phân cấp dạng cây

Một mạng hình cây bắt đầu từ một bộ phối hợp ZigBee đóng vai

trò như là gốc của cây Một bộ phối hợp ZigBee hay là bộ định tuyến có thể đóng vai trò là các thiết bị cha và chấp nhận kết hợp từ các thiết bị con khác trong mạng Một thiết bị đầu cuối ZigBee chỉ có thể là thiết bị con bởi vì

nó thiếu khả năng định tuyến.

Độ sâu của mạng được định nghĩa như là số lượng tối đa các hop

được đòi hỏi cho một khung để đến được bộ phối hợp ZigBee nếu chỉ sử dụng liên kết cha/con Độ sâu của cha đến con của nó là 1 vì chỉ có một hop và độ sâu của bộ phối hợp Zigbee đến chính nó là 0.

Chuẩn ZigBee cung cấp một cơ chế cấp phát địa chỉ cho các

thiết bị trong một mạng cây, được biết là cấp phát địa chỉ được phân phối mặc định Tuy nhiên các nhà phát triển ứng dụng được cho phép sử dụng phương thức cấp phát địa chỉ của họ Khi bộ phối hợp ZigBee bắt đầu thiết lập

mạng, nếu thuộc tính nwkUseTreeAddrAlloc được đặt là TRUE thì bộ phối hợp sẽ sử dụng sơ đồ đánh địa chỉ được phân phối mặc định Trong chế độ đánh địa chỉ này

bộ phối hợp ZigBee cung cấp cho mỗi cha tiềm năng của

nó một khối địa chỉ mạng con Thiết bị cha sẽ gán các địa chỉ này cho các thiết bị con của nó Bộ phối hợp ZigBee quyết định số lượng tối đa của các thiết bị con được cho phép cho mỗi cha Nếu thuộc tính nwkUseTreeAddrAlloc được đặt là FALSE, tầng APL cung cấp việc đánh địa chỉ người dùng tự định nghĩa cho tầng NWK.

Hình 1-8: Mối quan hệ giữa nút con và nút cha trong một mạng

hình cây

Sự cấp phát địa chỉ mặc định sử dụng chiều sâu và số lượng tối

đa các con để cấp phát địa chỉ Các thông số ảnh hưởng đến việc cấp phát địa chỉ là như sau:

Lm Chiều sâu mạng tối đa (nwkMaxDepth)

Cm Số lượng con tối đa một cha có thể chấp nhận

(nwkMaxChildren)

Rm Số lượng con có khả năng định tuyến tối đa một cha có thể

chấp nhận (nwkMaxRouters)

d Chiều sâu của một thiết bị trong mạng

Trong hình 1-9 là sơ đồ cấp phát địa chỉ khi Lm = 3, Cm = Rm =

2 Việc đánh địa chỉ bắt đầu với việc gán địa chỉ 0 (addr

= 0) cho bộ phối hợp ZigBee Để quyết định địa chỉ cho phần còn lại của các thiết bị một hàm đơn giản

(Cskip(d)) được sử dụng:

Tại mỗi độ sâu, sự khác biệt giữa các địa chỉ trong bất kỳ 2 thiết

bị có khả năng định tuyến nào là một số nguyên tích của giá trị Cskip của cha của nó.

Hình 1-9: Ví dụ về cấp phát địa chỉ mặc định

Cskip(d) có thể hữu dụng khi một thiết bị được mong đợi

chuyển tiếp một thông điệp đến một đích thay mặt cho một thiết bị khác Thiết bị chuyển tiếp cần biết khi nào thiết bị đích là một con cháu của thiết bị chuyển tiếp Nếu thiết bị chuyển tiếp tại độ sâu d và địa chỉ của nó là

A, thiết bị đích với một địa chỉ đích là B là một con cháu của thiết bị chuyển tiếp nếu mối quan hệ sau là đúng:

A < D < A + Cskip(d-1)

Sau khi nhận ra đích là con cháu của thiết bị, bước tiếp theo là

tính toán địa chỉ hop tiếp theo, nếu đích là một trong các con thiết bị, địa chỉ của hop tiếp theo đơn giản là bằng địa chỉ đích Nếu đích không là con nhưng là một con cháu thì địa chỉ của hop tiếp theo được tính toán từ phương trình sau:

* Cskip(d)

Ví dụ khi thiết bị Y đóng vai trò như là một bộ định tuyến để

chuyển tiếp thông điệp đến địa chỉ đích 11, địa chỉ hop tiếp theo sẽ là 9.

1.1.5.5 Cấu trúc hình lưới

Trong mô hình lưới, không có mối quan hệ phân cấp Bất kỳ

thiết bị nào trong mạng lưới được cho phép nỗ lực liên lạc bất kỳ thiết bị nào khác trực tiếp hoặc lợi dụng các thiết bị có khả năng định tuyến để chuyển tiếp thông điệp nhân danh thiết bị khởi tạo thông điệp.

Trong mạng hình lưới, định tuyến từ thiết bị nguồn đến thiết bị

đích được thiết tạo ra khi có yêu cầu và có thể được thay đổi nếu môi trường thay đổi Khả năng của mạng dạng lưới là tạo ra và thay đổi định tuyến ngay lập tức tăng tính linh hoạt cho các kết nối không dây.

1.1.5.6 Định tuyến

Định tuyến là một quá trình lựa chọn đường dẫn thông qua các

thông điệp được chuyển tiếp đến thiết bị đích Bộ phối

hợp ZigBee và các bộ định tuyến có trách nhiệm khám phá và duy trì các định tuyến trong một mạng Một thiết

bị đầu cuối ZigBee không thể thực hiện phát hiện định tuyến và bộ phối hợp ZigBee hay một bộ định tuyến sẽ thực hiện phát hiện nhân danh thiết bị đầu cuối.

Chiều dài (L) của một con đường được định nghĩa là số thiết bị

trong con đường đó.

Hình 1-10: Phân tích chi phí đường đi

Các tham số như chất lượng liên kết, số lượng hop và sự xem xét

bảo tồn năng lượng có thể được sử dụng để xem xét con đường tối ưu cho mỗi kịch bản định tuyến, để đơn giản

hóa, mỗi liên kết gắn với một chi phí liên kết Giá trị chi phí liên

kết thấp hơn được xem là khả năng chuyển gói thành

công cao hơn.

Chi phí của mỗi liên kết là tập giá trị C{[Di,Di+1]} như trong

hình Có hai cách khác nhau để xem xét chi phí liên kết.

Chuẩn ZigBee sử dụng phương trình sau:

C{l} là chi phí của liên kết l Khả năng thành công của gói

chuyển tiếp trên liên kết l là Pl, giá trị chi phí thường là

số nguyên trong khoảng 0-7 Ví dụ nếu Pllà 80% thì chi

Trạng thái của tuyến đường có thể

là một trong các giá trị sau: ACTIVE,

DISCOVERY_UNDERWA

Y, DISCOVERY_FAILD, INACTIVE,

VALIDATION_UNDERWA Y.

Many-to-one 1 bit Nếu đích đã phát hành một yêu cầu

tuyến đường many to one, trường này được đặt là 1 Route record

required

1 bit Nếu cờ này được đặt, tuyến đường

chuyển gói sẽ được ghi lại chuyển cho thiết bị đích.

Group ID flag 1 bit Cờ này được đặt nếu địa chỉ đích là

một ID nhóm.

Next-hop

address

2 byte Đây là một địa chỉ mạng 16 bit của

hop tiếp theo trong tuyến đường này.

Để so sánh các con đường khác nhau, mỗi đường được gắn với

một chi phí đường đi C{P} đơn giản là sự tổng hợp các

chi phí của các liên kết mà hình thành con đường đó.

gói.

Định tuyến với chi phí đường

đi thấp nhất sẽ có cơ hội tốt nhất thành công của chuyển

Bộ phối hợp ZigBee và các bộ

định tuyến tạo ra và duy trì các bảng định tuyến, dùng

để quyết định hop tiếp theo khi định tuyến một thông điệp đến

một đích cụ thể Trường status xem xét trạng thái của

truyến đường.

Một bảng khác cũng có liên quan đến định tuyến là bảng phát

hiện định tuyến và được sử dụng để tìm ra các bộ định

tuyến mới, chứa các chi phí đường dẫn, địa chỉ của thiết

bị mà được yêu cầu định tuyến (thiết bị nguồn) và địa chỉ

của thiết bị cuối mà đã chuyển tiếp đến thiết bị hiện tại.

Bảng 1-4: Bảng phát hiện tuyến đường

Tên trường Kích Nội dung

Route 1 Số hiệu chuỗi định danh một yêu cầu