Đồ án tốt nghiệp: MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ xii DANH MỤC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 3 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 4 1.2.1. Kiến trúc giao thức mạng 7 1.2.2. Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây. 9 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 11 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội 11 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường 12 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 13 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình 13 1.4. Kiến trúc WSN và giao thức stack 14 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs. 16 1.5.1. Hạn chế phần cứng. 17 1.5.2. Khả năng chịu lỗi 17 1.5.3. Khả năng mở rộng 17 1.5.4. Chi phí sản xuất 17 1.5.5. Năng lượng tiêu thụ 18 1.5.6. Truyền thong 18 1.5.7. Cấu trúc mạng WSN (WSN Topology): 18 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 802.15.4 20 2.1. Khái niệm 20 2.2. Đặc điểm 20 2.3. Ưu điểm của ZigBeeIEEE 802.15.4 với BluetoothIEEE 802.15.1 21 2.4. Mạng ZigBee IEEE 802.15.4 LRWPAN 21 2.4.1. Thành phần của mạng LRWPAN 22 2.4.2. Kiến trúc liên kết mạng 22 2.5. Mô hình giao thức của ZigBeeIEEE 802.15.4 26 2.6. Tầng vật lý ZigBeeIEEE 802.15.4 26 2.6.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. 28 2.6.2. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 34 2.6.3. Định dạng khung tin PPDU 34 2.7. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBeeIEEE 802.15.4 MAC. 35 2.7.1. Cấu trúc siêu khung 35 2.7.2. Các mô hình truyền dữ liệu 38 2.8. Tầng mạng của ZigBeeIEEE 802.15.4 41 2.8.1. Dịch vụ mạng 41 2.8.2. Dịch vụ bảo mật 41 2.9. Tầng ứng dụng của ZigBeeIEEE 802.15.4 44 CHƯƠNG 3. CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZIGBEEIEEE 802.15.4 45 3.1. Tổng quan về định tuyến 45 3.1.1. Khái niệm 45 3.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee 47 3.2.1. Định tuyến ZigBee 47 3.2.2. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting) 49 3.2.3. Quan hệ nhiều một – Many – to – one. 50 3.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) 50 3.3.1. Tổng quan 50 3.3.2. Tìm đường Path Discovery 51 3.3.3. Thiết lập đường ngược 52 3.3.4. Thiết lập đường tiến 53 3.4. Thuật toán hình cây 54 3.4.1. Tổng quan 54 3.4.2. Cây đơn nhánh 54 3.4.3. Cây đa nhánh 58 3.5. Vấn đề tối ưu năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 62 3.6. Thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến ZigBee 65 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV 68 4.1. Công cụ mô phỏng 68 4.1.1. Ubuntu 14.04.2. 68 4.1.2. NS2 68 a) Giới thiệu về NS2 68 b) Các đặc tính của NS2 69 c) Cài đặt NS2 69 4.2. Xây dựng kịch bản và thử nghiệm 70 4.2.1. Thuật toán AODV 70 4.2.2. Thử nghiệm 71 4.3. Kết quả 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN TUẤN HOÀN

MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE

VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Hà Nội- 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN TUÂN HOÀN

MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

Mã ngành:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS HÀ MẠNH ĐÀO

Hà Nội - 2015

Lời cảm ơn

Để hoàn thành đồ ánnày, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ từ các thầy giáo, cô giáo, các tổ chức, cá nhân.

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy TS Hà Mạnh Đào -Trưởng khoa Công nghệ thong tin, Đại Học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã đặt nền móng, bồi dưỡng, khuyến khích tôi nghiên cứu và viết về đề tài Cảm biến- một lĩnh vực khá thú vị nhưng cũng nhiều khó khăn, thầy đã nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin – trường ĐH Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến, chuyên môn quan trọng để giúp đỡ tôi hoàn thành bài tiểu luận này

Lời cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp ĐH1C2, người thân và gia đình đã động viên tinh thần giúp tôi hoàn thành bài tiểu luận này.

Bài tiểu luận không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý nhiệt tình của các thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Tuấn Hoàn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập truyền

thông

FFD Full Function Device Thiết bị đầy đủ chức năng RFD Reduced Function Device Thiết bị giảm chức năng

ZDO ZigBee Device Object Đối tượng thiết bị ZigBee ZAP ZigBee Application Profile Hồ sơ ứng dụng ZigBee

HERA Hierarchical Routing Algorithm Thuật toán phân cấp định tuyến

AODV Ad hoc On Demand Distance Vector Thuật toán định tuyến theo yêu

cầuCSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/

Collision Avoidance

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột OSI Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu kết nối các

Reference Model hệ thống mở PPDU PHY protocol data unit Khối thu phát dữ liệu tầng vật lí

LỜI NÓI ĐẦU

Hàng ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệthông tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của con người trênthế giới Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộngđến mọi ngõ ngách trên toàn cầu Mạng viễn thông ngày nay đã tạo ra một cầu nốiliên kết loài người trên khắp thế giới, con người sử dụng mạng để trao đổi, quản lý,giao tiếp, mua bán Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, mạngcảm biến không dây xuất hiện ngày một phổ biến với nhiều ứng dụng trong các lĩnhvực của cuộc sống như ứng dụng giám sát và điều khiển trong sản xuất, tự động hóagia đình và điện dân dụng, ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe Một yêu cầurất quan trọng trong mạng cảm biến không dây là tiết kiệm năng lượng của pin đểđảm bảo cho mọi hoạt động mạng ổn định trong một khoảng thời gian đủ lớn Mặc

dù mạng ZigBee có mức tiêu hao năng lượng thấp nhưng việc lựa chọn giải thuậtđịnh tuyến tối ưu năng lượng cũng quyết định rất lớn đến hoạt động lâu dài củamạng

Mạng ZigBee là được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc

độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài Đối tượng mà mạng ZigBee nhắmvào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa quátrình (Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếpnhận và xử lý thông tin trong các lĩnh vực như y tế (Health Care), quản lý nănglượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)…Khi được sử dụng trong các hệ thốngnày, mạng ZigBee phát huy tất cả những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tinthấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụngpin dài Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các

ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mởrộng, khả năng tương thích cao Trong luận văn này, em muốn trình bày các khảocứu của em về công nghệ ZigBee và mô phỏng thuật toán định tuyến của ZigBee để

có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập

trong bản đồ án này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn vềcông nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng của nó trong cuộcsống.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đang đượcphát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổicủa môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việctấn công bằng các vũ khí hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóccủa máy móc, thiết bị, theo dõi và điều khiển giao thông…

Hơn nữa, với sự tiến bộ của công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống cáccông nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệmạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo ra nhữngmạch cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụthấp, làm tang khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biếnkhông dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ

có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp qua các kết nối không dây, cónhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu đểđưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên

Một mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) là một mạng PAN(Personal Area Network) nằm trong nhóm mạng cảm biến không dây, một mạng kếtnối các thiết bị tập trung trong không gian làm việc của một cá nhân mà trong đókết nối dựa trên song vô tuyến Một WPAN sử dụng các kỹ thuật cho phép truyềntin với khoảng cách ngắn

WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – là các mạng không dây sửdụng chuyển tiếp gói đa hop (multi-hopping) Do đó, chúng có khả năng hoạt động

mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng nào Các mạng không dây adhocđược hình thành bởi một số loại thiết bị , có thể là hỗn tạp với các khả năng giaotiếp không dây cho phép nó kết nối hoặc dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể

Ngay cả khi không có khả năng di động, các nút cũng có thể gia nhập hoặc rờimạng bất cứ khi nào, vì vậy các mạng này cần có khả năng tự tổ chức về truy cậpphương tiện, định tuyến và các chức năng mạng khác Các mạng adhoc không dâythường được sử dụng trong các ứng dụng di động, tính toán phân bố, truy cập diđộng tới Internet, các mạng mắt lưới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạngđáp ứng tình trạng khẩn cấp.

Những nút cảm biến nhỏ bé trong mạng cảm biến bao gồm các thànhphần:Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát khôngdây, nguồn nuôi Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấycho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:

- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

- Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyếnmultihop

- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ởcác nút

- Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tínhtoán

Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầuthay đổi trong thiết kế mạng cảm biến

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây.

Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến không dây:

Như ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớncác nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt

là năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các

mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạngcảm biến như sau:

- Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): một số các nút cảm biến có thể không hoạt

động nữa, do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng củamôi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường

- Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một số hiện tượng, số lượng các nút cảm biến

được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con

số này có thể vượt quá hang triệu Do cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng

để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này

- Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm

biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toànmạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyềnthống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy chi phí của mỗi nút phảigiữ ở mức thấp

- Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút

cảm biến cần phải có ràng buộc về phần cứng như sau: kích thước phải nhỏ, tiêu thụnăng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sảnxuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghivới môi trường

- Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết kế dày đặc, rất gần hoặc trực

tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế chúng thường làm việc mà khôngcần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc bên trong các máy móclớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng bị ô nhiễm hóa học, sinh học, ở giađình hoặc những tòa nhà lớn vv

- Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối

bằng những phưởng tiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi song

vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt độngthống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phùhợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết

kế mạch RF Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Một cách khác mà các nút trong mạng giao

tiếp với nhau là bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dung hồng ngoạithì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả 2 loại hồng ngoại và quang này đều yêu cầu bộphát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sang cho nhauđược.

- Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến hàng trăm

đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến Chúng được triển khaitrong vòng hang chục feet của mỗi nút Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3 Do

số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình

ở 3 pha sau:

1 Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc

xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằngcách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặttừng cái một

2 Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc

vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kếtnối (phụ thuộc vào nhiều, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thíchhợp, những sự cố và nhiệm vụ cụ thể

3 Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các

nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thayđổi chức năng

- Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption):

Các nút cảm biến không dây, có thể gọi là một vi thiết bị điện tử chỉ có thểđược trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5 Ah, 1,2V) Trong một sốứng dụng,việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời giansống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảmbiến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa địnhtuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổiđáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng.Vìvậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý

do vì sao hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức

để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trongtrường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanhchóng và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (dataprocessing)

1.2.1 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức trong mạng cảm biến được trình bày ở Hình 1.1

Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳngquản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất,định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nútcảm biến

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng

lượng của nó Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộthu sau khi nhận được một bản tin

Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bêncạnh thong báo rằng mwusc năng lượng của nó thấp và không thể tham gia vào quátrình định tuyến.

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiện vụ phát hiện vàđăng ký sự chuyển

động của các nút Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hang xóm của chúng

Mặt phẳng quản lý: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút

trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm

vụ cảm nhận ở cùng một thờiđiểm

Lớp vậy lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số song mang, phát hiện

tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915MHz được sử dụng rộng dãitrong mạng cảm biến

Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát

hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy cập đường truyền vàđiều khiển lỗi Vìmôi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truycập môi trường (MAC) phari xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểuhóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

Lớp mạng: Lớp mạng của cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:

- Hiệu quả năng lượng luôn được coi là vấn đề quan trọng

- Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

- Tích hợp dữ liệu chỉđược sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệuquả của các nút cảm biến

Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết kế khi hệ thống có kế hoạch được truy cập

thong qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

Lớp ứng dụng: Tùytheo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng

khác nhau có thể xây dựng và sử dụng ở lớpứng dụng

1.2.2 Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.

a Cấu trúc phẳng:

Trong cấu trúc phẳng Hình 1.2, tất cả các nút đều ngang hang và đồng nhấttrong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng cácnút ngang hang làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cốđịnh, các nút gần sink hơnsẽđảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằngtất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy nó có thể chia

sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả vớiđiều kiện là có nguồn chiasẻđơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

Hình 1.2 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây

b Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng mộtcụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào kích cỡ của các cụm ) đếnmột nútđịnh sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này, cácnúttạo thành một hệ thống cấp bậc màởđó mỗi nút một mức xác định thực hiện cácnhiệm vụđãđịnh sẵn

Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến vô tuyến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệukhông đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấpnhất thực hiện tất cả các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấptrên cũng thực hiện phân phối dữ liệu

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúcphẳng do các lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị cáctài nguyên ở vị trí mà chúng hoạtđộng hiệu quả nhất

- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng

- Vềđộ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầuthỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống

- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắcphục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúcphân cấp, trong đó các nútở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanhtrạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp nàyđảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thểđạt được khidung cấu trúc tầng.Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm

địa chỉ.Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần thì phân

bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cốđịnh và phải thayđổiđịa chỉ một cách định kỳ, sự cân bằng giữa các lựa chọn này phụ thuộc vào tần

số thích hợp của chức năng cập nhật tìm kiếm Hiện nay cũng đang có rất nhiều môhình tìm kiếmđịa chỉ mạng trong cấu trúc tầng

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện

sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí vàđiều khiển cục bộ bộ phận phátđộng Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹnnhiềuứng dụng mới

1.3.1 Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiểnquân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Đặctính là triển khai nhanh, tự tổ chức kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quânđội.Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn,chi phí thấp và sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảmbiến làứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảmbiến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thámđịa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm củachiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:Những người lãnh đạo, sỹ

quan sẽtheo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn củacác thiết bị vàđạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quânđội, xe cộ trang thiết bị vàđạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để

có thể thông báo về trạng thái Những bản báo cáo này được tập hợp tại các nút sink

để gửi tới lãnh đạo trong quân đội Dữ liệu cũng có thể chuyển tiếp đến các cấp caohơn.

Giám sát hiện trường:Mạng cảm biến có thểđược triển khai ở những địa hình

then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biếnsẽnhanh chóng cập nhật các

dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về máy chủ trong vài phút trước khi quân địch pháthiện và có thể chặn lại chúng

Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:Trong

các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang phát triển, một điều quan trọng là sựphát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển khai ở nhữngvùng mà được sử dụng như một hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cungcấp thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêmtrọng

1.3.2 Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cưcủa các loài chim, các động vật nhỏ, các loài côn trùng, theo dõi điều kiện môitrường màảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bịđo đạclớn đối với việc quan sát diện tích lớn, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh hóa,quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiệncháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp

về sinh học của môi trường và nghiên cứu sựô nhiễm

Phát hiện cháy rừng:Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách

ngẫu nhiên, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người

sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảmbiến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặcquang học Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất cóhiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến có thể bị bỏ lại và chúng sẽcộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn

Phát hiện lũ lụt:Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ.

Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mựcnước, thời tiết Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống

cơ sở dữ liệu đã đượcđịnh trước

1.3.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là dám sát bệnh nhân,các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lýbên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sỹ vàbệnh nhân trong bệnh viện

Theo dõi và kiểm tra bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện:

Với ứng dụng này thì mỗi bệnh nhân sẽđược gắn một nút cảm biến nhỏ vànhẹ,mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịptim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sỹ cũng có thể mangnút cảm biếnđể cho các bác sỹ khác xác định vị trí của họ trong bệnh viện

1.3.4 Ứng dụng trong gia đình

Trong việc ứng dụng trong gia đình, thì các nút cảm biếnđượcđặt ở cácphòng đểđo nhiệt độ Không những thế, chúng được dùng để phát hiện những sựdịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trongtrường hợp không có ai ở nhà

1.4 Kiến trúc WSN và giao thức stack

Các nút cảm biến thường được phân tán trong một khu vực cảm biến nhưtrong Hình 1.4 Mỗi nút cảm biến phân tán có khả năng thu thập và truyền dữ liệu

về bộ góp (sink) và đến người dùng cuối cùng thông qua truyền thong multi-hop

Sink giao tiếp với người dùng cuối cùng thông qua Internet hoặc vệ tinh hoặc bất kỳloại mạng không dây như Wifi, mạng lưới, hệ thống di động, WiMAX, …vv cóthể kết nối trực tiếp đến người dùng.

Trong WSNs các nút cảm biến có chức năng kép được khởi tạo cả dữ liệu và

dữ liệu định tuyến Do đó, truyền thông được thực hiện vì hai lý do:

- Chức năng nguồn: Các nút nguồn có chức năng truyền thông để truyền tải

gói dữ liệu của chúng đến sink

- Chức năng định tuyến: Bộ cảm biến cũng tham gia vào các nút chuyển tiếp

các gói tin nhận được từ các nút khác đếnđịađiểm tiếptheo trong đường dẫn

đa bước nhảyđến sink

Hình 1.4 Các nút cảm biến phân tán trong vùng cảm biến

Giao thức ngăn xếp được sử dụng bởi bộthu phát và tất cả các nút cảm biếntrong Hình 1.5, giao thức ngăn xếp này là sự kết hợp giữa:

 Năng lượng và sự nhận thức vềđịnh tuyến

 Tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng

 Năng lượng truyền thong hiệu quả thông qua các phương tiệnkhông dây

 Thúc đẩy nỗ lực hợp tác trong nút cảm biến

Giao thức ngăn xếp bao gồm:

Lớp vật lý thực hiện trách nhiệm:

- Lựa chọn tần số

- Phát tần số song mang

- Phát hiện tín hiệu

- Điều chế và mã hóa dữ liệu

Tạo hiệu ứnglan truyền tín hiệu, hiệu quả năng lượng, và phương án điều chếcho cảm biến mạng

Lớp liên kết dữ liệu:

- Ghép các dòng dữ liệu

- Phát hiện khung dữ liệu

- Truy cập môi trường và kiểm soát lỗi

Lớp mạng:

- Định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi tầng giao vận

- Cung cấp liên kết mạng với các mạng bên ngoài như các mạngcảm biến khác, lệnh và kiểm soát hệ thống

Lớp vận chuyển: Giúp duy trì lưu lượng của dữ liệu nếuứng dụng là mạng cảm

Hình 1.5 Giao thức ngăn xếp mạng cảm biến 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs.

Thiết kếWSNs đòi hỏi phải có kiến thức phong phú về các lĩnh vực nghiêncứu đó là: mạng truyền thông không dây, hệ thống nhúng, công nghệ tín hiệu số vàcông nghệ phần mềm

chếđiện, đó là thời gian tốiđa mạng lưới hoạt động Do kích thước và hạn chế về chiphí của các nút cảm biến, thìđiện là nguồn tài nguyên khan hiếm trong WSNs.

1.5.2 Khả năng chịu lỗi

Các hạn chế phần cứng làm các nút cảm biến thường xuyên bị lỗi hoặc bịblock trong một khoảng thời gian nhất định

Những lỗi có thể xảy ra do:

1.5.5 Năng lượng tiêu thụ

- Được trang bị với nguồn năng lượng hạn chế (0.5Ah < 1,2V) với hạn chế vềphần cứng

- Đối với hầu hết các ứng dụng, các nguồn năng lượng bổ sung là không thể,

do đó phải phụ thuộc vào pin là chủ yếu

- Các hoạt động liên quan ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng trong mộtnút cảm biến

- Lỗi của một vài nút có thể gây rat hay đổi topođáng kể và có thể phải yêu cầuđịnh tuyến lại các gói dữ liệu và tổ chức lại mạng

1.5.7 Cấu trúc mạng WSN (WSN Topology):

- Số lượng lớn các nút cảm biến không thể truy cập và giám sátđược thường bịlỗi thường xuyên làm việc duy trì cấu trúc lien kết là một công việc đầy thửthách

- Thách thức chính là việc triển khai của các nút cảm biến trong vùng có cáchiện tượng cần theo dõi sao cho có thể giám sát một cách hiệu quả

- Mật độ triển khai một số lượng lớn các nútđòi hỏi phải xử lý cẩn thận để duytrì cấu trúc liên kết

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 802.15.4

2.1 Khái niệm

Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền nhữngthông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”.Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghéphai chữ cái đầu với nhau.Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn

đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó

Công nghệ ZiggBee là chồng giao thức mạng không dây với các đặc điểmnhư tốc độ dữ liệu thấp, tiêu tốn công suất thấp và chi phí xây dựng thấp được pháttriển nhằm hướng đến các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.Và hiệp hộiZigBee Ailliance và ủy ban IEEE đã quyết định kết hợp với nhau cho ra đời côngnghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 gọi tắt là ZigBee

2.2 Đặc điểm

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít nănglượng, chi phí thấp và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điềukhiển từ xa và tự động hóa Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyềntin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ cóthời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tinnhư Bluetooth Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắtlưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị khôngdây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75mtùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứngdụng, tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu)

IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật

lý và tầng liên kết dữ liệu) Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn tronggiao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển đểđảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuấtkhác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà khôngtương tác lẫn nhau

2.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE 802.15.4 với Bluetooth/IEEE 802.15.1

- Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ truyền

dữ liệu thấp hơn, tiết kiểm năng lượng hơn Một nốt mạng trong mạng Zigbee cókhả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai ácqui AA

- Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trongtrường hợp không có khuếch đại)

- Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền của Zigbee là250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độnày của Bluetooth là 1Mbps

- Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đócác thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phéptối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao thức nàyhướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là một loạimạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế về không gian

và thời gian) Các thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng scatternet là tập hợp củanhiều mạng piconet không đồng bộ Nó chỉ cho phép tối đa là 8 nút slave trong mộtmạng chủ-tớ cơ bản

- Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các góitin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong3sec

2.4 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chiphí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi

áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng

2.4.1 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần cơ bảnnhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị nàyđảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phốimạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế cótên là RFD (reduced-function device) Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD,thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạngPAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơngiản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản,không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD haynhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD

Hình 2.1 Cấu trúc liên kết mạng

a Cấu trúc liên kết mạng hình sao

Hình 2.2 Cấu trúc mạng hình sao

Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với mộtthiết bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN Saukhi được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thànhmột bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng

cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID(PAN identifier), nó cho phép mạngnày có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nốitới bộ điều phối mạng PAN Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có mộtPAN duy nhất,các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điềuphối mạng PAN

b Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

Hình 2.3 Cấu trúc mạng mắt lưới

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PANcoordinator) Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạngngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳthiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A Cácứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảmbiến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….).

Hình 2.4 Cấu trúc mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết

bị là FFDvà một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểmcuối của nhánh cây.Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là mộtcoordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vìthế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao

Bộ điều phối mạng PAN coordinator tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu rangười lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhậndạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head)

bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tinquảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nào nhận được khung tin này

có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH.Nếu bộ điều phối mạng PAN (PANcoordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danhsách Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắtđầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng Từ

đó có thể hình thành được các CLH1,CLH2, (như hình 2.4 )

Chỉ có duy nhất 1 Zigbee Coordinator(ZC) – thiết bị điều phối toàn mạng PAN trong bất kỳ mạng Zigbee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp.

- Zigbee Router (ZR): Là một thành phần của hệ thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong mạng Nó thực hiện các bảng kết nối cũng như định vị địa chỉ cho các ZED của nó.

- Zigbee End Device (ZED): Là một thành phần của hệ thống mạng nhưng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin Nó có được tối ưu sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật

"sleep".

Quá trình thiết lập trong một mạng Zigbee như sau:

- Quét mạng (Network Scan):Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tín hiệu, ví

dụ nếu dùng dải tần 2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị sẽ chọn kênh phù hợp nhất để giao tiếp trong mạng

- Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênh hoặc gia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn.

- Phát hiện thiết bị: Thiết bị sẽ yêu cầu mạng phát hiện ra địa chỉ của mình trên các kênh được kích hoạt.

- Phát hiện dịch vụ: Thiết bị quét các dịch vụ được hỗ trợ trên thiết bị trong phạm

vi mạng.

- Liên kết: Thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các lệnh và các tin nhắn điều khiển.

2.5 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4

Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng

và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4,chính vì thế nên nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE 802.15.4 Đó là tínhtin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môitrường mạng

Hình 2.5 Mô hình giao thức của ZigBee 2.6 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4

Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụquản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lýPLME(physical layer management) Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu vàphát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyếnvật lý.

Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phậnnhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóngkênh

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghịcủa Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ Truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trườngtruyền

PHY

(MHz)

Băng tần (MHz)

Tốc độ chip (kchip/s) Điều chế

Tốc độ bit (kb/s)

Tốc độ ký tự (ksymbol/s) Ký tự

(MHz) Số lượng kênh (N) Kênh

Tần số kênh trung tâm (MHz)

nh 2.6 Băng tần hệ thống của ZigBee

2.6.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý.

a Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz

Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250 kb/s

 Sơ đồ điều chế

Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần 2,4GHzđược mô tả theo sơ đồ dưới đây Một chuỗi số nhị phân “0000b” được biến đổi sangchuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung

Hình 2.7 Sơ đồ điều chế

 Bộ chuyển bit thành ký tự

Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trongPPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự Mỗi byte được chia thành ký tự và ký tự cónghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên.Đối với trường đa byte thì byte có nghĩa nhỏ nhấtđược phát đầu tiên ngoại trừ trường hợp trường byte đó liên quan đến bảo mật thìtrong trường đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước

 Bộ chuyển ký tự thành chip

Theo như sơ đồ thì đây là bước thứ hai trong quá trình mã hóa Mỗi ký tự dữliệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip Chuỗichip này được truyền đi với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0) đượctruyền trước mọi ký tự

Bảng 2.3 Sơ đồ biến đổi symbol to chip

 Bộ điều chế O-QPSK

Phương pháp điều chế được dùng ở đây là phương pháp điều chế khóa dịchpha góc ¼ có chọn gốc dịch pha ban đầu O-QPSK (Offset-Quadrature Phase ShiftKeying) tương đương với phương pháp điều chế khóa dịch pha tối thiểu MSK(Minimum Shift Keying) QPSK là phương pháp hiệu quả đối với dải tần hạnchế.Mỗi phần tử tín hiệu biễu diễn cho 2 bit Bằng việc sử dụng độ dịch offset trongO-QPSK, thay đổi pha trong tín hiệu tổng hợp tối đa là 90, cũng trong trường hợpnày mà dùng QPSK thì độ lệch pha tối đa là 180

Hình 2.8 Pha của sóng mang

Như vậy O-QPSK cung cấp một phương pháp tốt hơn QPSK khi kênh truyền

: là thời gian mà Q trễ đạt tới thay đổi độ pha 900

Q : là sóng mang vuông pha

I : là sóng mang cùng pha

Việc sử dụng dạng xung nửa sin để khử đi những biến thiên biên độ.Côngthức sau mô tả dạng xung nửa sin.

b Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915 MHz

Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee/IEEE802.15.4 PHY tại băng tần 868 MHz

có thể đạt tới 20kb/s, và có thể đạt tới 40 kb/s ở băng tần 915MHz

 Sơ đồ điều chế :

Hình 2.9 Sơ đồ điều chế

 Bộ mã hóa vi phân

Mã hóa vi phân hay còn gọi là mã hóa trước Khi cho tín hiệu nhị phân vào

bộ mã hóa này thì bit có giá trị 0 sẽ được chuyển tiếp, có nghĩa là số được tách là số

1 nếu số liền trước nó là số 0 và ngược lại Nếu một số đƣợc tách xung sai, lỗi này

sẽ có xu hướng lan truyền đi, và để loại trừ việc này thì Lender đã đề nghị việc mãhóa trước số các dữ liệu Có nghĩ là nếu chuỗi số dữ liệu thô là Rn thì ta sẽ phát đichuỗi số En theo qui tắc:

là chuỗi bit sau khi mã hóa

là chuỗi bit thô

là chuỗi bit mã hóa liền trước

 Bộ ánh xạ bit thành chip

Mỗi bít đầu vào có thể ánh xạ sang chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) 15-chip theonhư bảng dưới đây Trong khoảng thời gian mỗi symbol thì ký tự có được truyềnđầu tiên, ký tự 14c được chuyển sau cùng

Bảng 2.4 Biến đổi bit thành chip

 Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK

Chuỗi chip được điều chế trên sóng mang sử dụng phương pháp điều chếBPSK có dạng xung là xung cosin nâng (raised cosine) Tốc độ chip là 300kchip/strong dải tần 868 MHz và đạt được 600 kchip/s trong dải tần 915MHz Công thứcsau mô tả dạng xung này: