Tiếp cận các ứng dụng giao thức truyền thông không dây MiWi PRO : Luận văn Ths. Công nghệ Điện tử Viễn thông: 60 52 70

Trong tất cả các cấu hình mạng thì đều bao gồm tối thiểu 2 bộ phận chính là: - Một nút điều phối - Một thiết bị cuối Nút điều phối giao thức Zigbee là một dạng biến đổi đặc biệt của thiế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

-o0o -

ĐỖ HỮU ĐĨNH

TIẾP CẬN CÁC ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY MIWI PRO

Ngành: Công nghệ Điện tử-Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ DIÊN TẬP

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả của Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 20 tháng 7 năm 2014

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đỗ Hữu Đĩnh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Ngô Diên Tập, người Thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và có những ý kiến đóng góp quý báu giúp em hoàn thành khóa luận này, đặc biệt là trong phương pháp và tác phong làm việc Em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, Cô trong Khoa Điển tử-Viễn thông, Trường

ĐH Công nghệ, ĐH Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cả về kiến thức lẫn trang thiết bị cần thiết để cho em có thể hoàn thành khóa luận của mình Đồng thời cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện công việc

Với sự hiểu biết và kinh nghiệm làm việc ít ỏi trong lĩnh vực mạng – truyền thông nên bản luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được

sự đóng góp ý kiến quý báu từ Thầy, Cô và bạn bè

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 7 năm 2014

Học viên

Đỗ Hữu Đĩnh

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ và cả các điều kiện về kinh

tế - xã hội đã thúc đẩy và thực sự làm bùng nổ nhu cầu sử dụng máy móc thay thế các công việc của con người Sẽ không quá nếu nói máy móc đang thay thế con người ở khắp mọi nơi trên quả đất này, từ các nhà máy, công trường sản xuất đến các cửa hàng, trung tâm mua sắm - vui chơi giải trí, từ các cơ quan công sở đến nhà riêng và thậm chí cả trong phòng ngủ của bạn Tuy nhiên, dường như đã trở thành quy luật, khả năng đáp ứng luôn thấp hơn so với nhu cầu và tham vọng của con người, khi người ta có một thì gần như ngay lập tức họ sẽ nghĩ đến hai hoặc nhiều hơn Với các thiết bị máy móc cũng không là ngoại lệ Máy móc thiết bị làm việc thay con người là tốt rồi nhưng dây rựa lằng nhằng, vướng và rối nhiều lúc làm người ta điên tiết lên và muốn vứt nó

đi Thế nên người ta nghĩ nhiều hơn đến việc làm cho các máy móc đó vẫn làm việc được mà không cần dây Đó là một trong những nguyên nhân và động lực quan trọng

để các ứng dụng không dây ra đời và phát triển mạnh mẽ như những năm gần đây Việc triển khai các ứng dụng với mạng không dây đã trở nên thực sự phổ biến

Từ các thiết bị gia dụng đến các ứng dụng công nghiệp Đặc biệt là trong lĩnh vực thiết

bị gia dụng khi người ta đang ngày càng tỏ ra lười biếng hơn nhưng lại đòi hỏi tiện dụng hơn, an toàn hơn khi ở nhà Từ đó thuật ngữ “Nhà thông minh” hay “nhà tự động” cũng ra đời để mô tả những ngôi nhà với các thiết bị được tự động hóa và thông minh

Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại thì các giải pháp và thiết bị cho nhà thông minh đang là vấn đề kỹ thuật khá mới và khó, đặc biệt là ở Việt Nam Thêm vào đó, các sản phẩm thương mại đang có trên thị trường, bao gồm cả giải pháp mạng không dây và các loại thiết bị không dây, đều rất đắt đỏ so với mặt bằng kinh tế của người Việt Nam

Có thể lấy ví dụ ngay là các sản phẩm SmartHome của BKAV đang chào bán ở các khu dành cho người giàu như Time City, Vincom, v.v Sự ham thích được sử dụng các thiết bị tự động và giá thị trường đắt đỏ đã khiến tôi bắt tay vào nghiên cứu và sau đó quyết định thực hiện đề tài về ứng dụng không dây này, với một giải pháp mạng không dây còn tương đối mới là MiWi PRO của Microchip Mục tiêu của đề tài là tìm ra một giải pháp mạng không dây dễ tiếp cận và dễ làm, giá rẻ, nhưng vẫn tốt và sau đó tiến hành chế tạo, thực thi thành công một vài ý tưởng tự động hóa thiết bị gia đình dựa trên giải pháp được chọn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

Chương 1 1

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY ZIGBEE 1

1.1 Tổng quan về Zigbee 1

1.2 Tìm hiểu giao thức Zigbee 2

1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ Zigbee 12

Chương 2 15

CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY MIWI 15

2.1 Tổng quan về MIWI 15

2.2 Tìm hiểu về giao thức MiWi PRO 18

Chương 3 37

GIAO DIỆN LẬP TRÌNH CHO GIAO THỨC MIWI PRO 37

3.1 Tìm hiểu chung về cấu hình giải pháp không dây của Microchip 37

3.2 Giới thiệu giao diện chuẩn hóa MiMAC 38

3.3 Giới thiệu giao diện chuẩn hóa MiApp 48

Phần 2: THỰC NGHIỆM 58

Chương 4 58

TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY MIWI PRO 58

4.1 Ý tưởng thiết kế mạng không dây MiWi PRO 58

4.2 Sơ đồ khối hệ thống mạng MiWi PRO thử nghiệm 58

4.3 Sơ đồ giải thuật điều khiển và thông báo trạng thái trong mạng 59

4.4 Sơ đồ chi tiết và hoạt động của các nút trong mạng 60

4.5 Chương trình chi tiết trên các nút mạng MiWi PRO 71

Chương 5 74

KẾT QUẢ VÀ MỞ RỘNG ĐỂ TÀI 74

5.1 Kết quả thực hiện đề tài 74

5.2 Hướng phát triển đề tài 79

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Loại thiết bị chuẩn IEEE 802.15.4-2003

Bảng 1.2: Loại thiết bị giao thức Zigbee

Bảng 1.3: So sánh giữa các công nghệ không dây

Bảng 2.1: Định dạng bit của trường điều khiển khung

Bảng 2.2: Định dạng trường địa chỉ rút gọn

Bảng 2.3: Địa chỉ truyền đa hướng, quảng bá

Bảng 2.4: Bảng cây gia phả trong giao thức MiWi PRO

Bảng 2.5: Các dịch vụ giao thức mới của giao thức MiWi PRO

Bảng 2.6: Các dịch vụ giao thức mới cho tần số linh hoạt của MiWi PRO Bảng 2.7: Định dạng dịch vụ báo cáo điều phối

Bảng 2.8: Định dạng dịch vụ giao thức đáp ứng điều phối

Bảng 2.9: Định dạng của dịch vụ giao thức báo cáo cây gia phả

Bảng 2.10: Định dạng dịch vụ giao thức Yêu cầu cây gia phả

Bảng 2.11: Định dạng của dịch vụ giao thức Báo cáo bảng định tuyến Bảng 2.12: Định dạng dịch vụ giao thức Yêu cầu linh hoạt tần số

Bảng 2.13: Định dạng dịch vụ giao thức Yêu cầu quét năng lượng

Bảng 2.14: Định dạng dịch vụ giao thức Đề xuất kênh linh hoạt tần số Bảng 2.15: Định dạng dịch vụ giao thức Bác bỏ kênh linh hoạt tần số Bảng 2.16: Định dạng dịch vụ giao thức Thay đổi kênh linh hoạt tần số Bảng 2.17: Yêu cầu ROM và RAM cho thiết bị điều hành mạng MiWi PRO Bảng 2.18: Yêu cầu ROM và RAM cho thiết bị cuối trong mạng MiWi PRO Bảng 4.1: Bảng thông số của vi xử lý PIC18F46J50

Hình 1-6: Cấu trúc ngăn xếp của giao thức Zigbee

Hình 2-1: Sơ đồ phát triển ứng dụng MiWi

Hình 2-2: Topo mạng hình sao của giao thức MiWi P2P

Hình 2-3: Topo mạng dạng lưới của giao thức MiWi

Hình 2-4: Topo mạng dạng lưới của giao thức MiWi PRO

Hình 2-5: Định dạng khung của giao thức MiWi PRO

Hình 2-6: Cơ chế định tuyến của giao thức MiWi PRO

Hình 2-7: Quy trình gia nhập mạng MiWi PRO

Hình 2-8: Sơ đồ quy trình thực hiện linh hoạt tần số

Hình 3-1: Sơ đồ khối giải pháp không dây của Microchip

Hình 4-1: Sơ đồ khối hệ thống mạng MiWi PRO

Hình 4-2: Sơ đồ giải thuật trong mạng MiWi PRO

Hình 4-3: Sơ đồ khối nút mạng chủ Miwi PRO

Hình 4-4: Sơ đồ nguyền lý nguồn nuôi và ổn áp cho nút mạng Miwi PRO Hình 4-5: Sơ đồ nguyên lý nút mạng chủ Miwi PRO

Hình 4-6: Sơ đồ nguyên lý nút mạng chủ Miwi PRO (tiếp)

Hình 4-12: Sơ đồ nguyên lý nút chấp hành Miwi PRO

Hình 4-13: Sơ đồ mạch in nút mạng Miwi PRO

Hình 4-14: Sơ đồ khố module điều khiển tải và đo dòng

Hình 4-15: Sơ đồ nguyên lý mạch đóng mở tải xoay chiều

Hình 4-16: Sơ đồ nguyên lý module đọc phím cảm ứng điện dung

Hình 4-17: Mạch PCB module phím bấm cảm ứng sử dụng IC TTP229 Hình 4-18: Chương trình cho nút chủ mạng MiWi PRO

Hình 4-19: Chương trình cho nút con

Hình 4-20: Chương trình cho nút đọc phím bấm cảm ứng

Hình 5-1: Hệ thống mạng và thiết bị chấp hành khi chưa hoạt động Hình 5-2: Điều khiển bật đèn số 1 qua mạng không dây MiWi PRO Hình 5-3: Điều khiển bật đèn số 2 qua mạng không dây MiWi PRO Hình 5-4: Điều khiển bật đèn cả 2 đèn qua mạng không dây MiWi PRO

-

có thể được sử dụng để vận hành mạng

Zigbee được nhắm đến dành cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp, công suất nhỏ và mạng được bảo mật Zigbee có một tốc độ định nghĩa 250 kbit/s, phù hợp nhất cho việc truyền nhận tín hiệu cả định kỳ lẫn đứt đoạn, hoặc một tín hiệu đơn hướng từ các cảm biến hoặc thiết bị đầu vào Các ứng dụng này có thể bao gồm các công tắc đèn không dây, các đồng hồ điện tử hiển thị trong nhà, các hệ thống quản lý giao thông và cả các ứng dụng công nghiệp yêu cầu việc truyền phát dữ liệu không dây trong phạm vi nhỏ và ở tốc độ tương đối thấp

Zigbee cung cấp cho các nhà phát triển một cách tổ chức mạng không dây đơn giản hơn và rẻ tiền hơn so với các loại mạng không dây cá nhân (Wireless Personal Area Network – WPAN) trước nó như Blue-tooth và Wi-Fi Nó hoạt động trong các băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical) bao gồm 868MHz ở Châu Âu, 915MHz ở Mỹ và 2.4GHz hầu như trên toàn thế giới Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng Zigbee thay đổi từ 20kbit/s ở tần số 868MHz đến 250kbit/s ở tần số 2.4GHz Nói tóm lại, Giao thức ZigBee là một giao thức mạng không dây được phát triển đặc biệt cho các mạng cảm biến và điều khiển dữ liệu tốc độ thấp, giá thành rẻ và công suất tiêu thụ thấp Rất nhiều các ứng dụng không dây được hưởng lợi từ ZigBee có thể

kể đến như điều khiển công nghiệp, ưng dụng tự động trong các gia đình và tòa nhà, ngoại vi máy tính, các ứng dụng cảm biến y tế, các mạng bảo mật và không chỉ dừng lại ở đó Để tìm kiếm một giải pháp thay thế cho các công nghệ điều khiển mạng hiện

có như RS-422, RS-485 hoặc các giao thức không dây trả phí, ZigBee có lẽ sẽ là giải pháp chúng ta cần đến

1.2 Tìm hiểu giao thức Zigbee

Như đã nói ở trên, Zigbee là một giao thức mạng không dây tiêu chuẩn dành cho các mạng điều khiển dữ liệu tốc độ thấp Zigbee được phân lớp ở trên đỉnh của bộ tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 và cung cấp phương pháp học tiêu chuẩn cho việc thực thi các chức năng trong mạng như thiết lập mạng, cấp phát địa chỉ cho các thiết bị, định tuyến, truyền tải bản tin và dò tìm thiết bị trong mạng

1.2.1 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4-2003

Giao thức Zigbee sử dụng đặc tả của chuẩn IEEE 802.15.4-2003 như lớp điều khiển truy cập (Medium Access Layer – MAC) và lớp vật lý (Physical Layer – PHY) của nó Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4-2003 định nghĩa 3 dải tần hoạt động là 2.4GHz, 915 MHZ và 868 MHz Mỗi dải tần chứa một số lượng kênh nhất định, ví dụ dải tần 2.4 GHz có 16 kênh (từ kênh 11-26), dải tần 915 MHz có 10 kênh (từ 1-10) và dải tần 868 MHz có duy nhất 1 kênh (kênh 0) Tốc độ bit (bit rate) của giao thức phụ thuộc vào tần

số hoạt động của nó Ở tần số 2.4 GHz, tốc độ bit có thể lên tới 240 kbps, tần số 915 MHz cho tốc độ 40 kbps và tần số 868 MHz cho tốc độ dữ liệu 20 kbps Tuy nhiên, tốc

độ dữ liệu thực sẽ nhỏ hơn tốc độ bit tối đa quy định do thất thoát gói tin và trễ xử lý

Độ dài tối đa của 1 gói MAC chuẩn IEEE 802.15.4-2003 là 127 bytes, trong đó

có 16 bit mã dư thừa CRC Giá trị của 16 bit mã CRC sẽ kiểm tra tính toàn vẹn của khung dữ liệu Thêm vào đó, IEEE 802.15.4-2003 có thể sử dụng một cơ chế truyền

dữ liệu có nhận biết Có nghĩa là tất cả các khung dữ liệu có gắn một cờ đặc biệt yêu cầu xác nhận được xác nhận bởi bên nhận của khung dữ liệu đó Nó đảm bảo là khung

dữ liệu đã thực sự được truyền đến bên nhận Nếu một khung dữ liệu được truyền đi có gắn cờ yêu cầu xác nhận mà không nhận được xác nhận trong một khoảng thời gian nhất định thì bên phát sẽ thử truyền lại một số lần nhất định trước khi đưa ra bản tin lỗi Cũng cần phải chú ý là việc nhận được tín hiệu xác nhận chỉ đơn giản nói lên là khung dữ liệu đã được nhận đúng cách bởi lớp MAC Tuy nhiên nó không đảm bảo là khung dữ liệu được xử lý đúng Có thể lớp MAC của nút nhận nhận và xác nhận khung dữ liệu đúng nhưng do thiếu tài nguyên để xử lý nên khung dữ liệu đó có thể bị hủy bỏ ở các lớp cao hơn Như thế, các lớp cao hơn sẽ yêu cầu có thêm trả lời xác nhận từ bên nhận

1.2.2 Loại thiết bị

Về loại thiết bị, chuẩn IEEE 802.15.4-2003 quy định 2 loại thiết bị chính đó là thiết bị tính năng đầy đủ (Full Function Device – FFD) và thiết bị tính năng rút gọn (Reduced Function Device – RFD) Các tính năng của 2 loại thiết bị này như sau:

Bảng 1.1: Loại thiết bị chuẩn IEEE 802.15.4-2003

Loại Thiết bị Tính năng cung cấp Nguồn điện

điển hình

Cấu hình bộ thu điển hinh

FFD Đầy đủ Nguồn điện chính Bật khi rảnh

Với Giao thức Zigbee thì có 3 loại thiết bị điển hình bắt nguồn từ các kiểu thiết bị của chuẩn IEEE 802.15.4-2003, 3 loại thiết bị và tính năng của chúng như sau:

Bảng 1.2: Loại thiết bị giao thức Zigbee

Thiết bị Zigbee Loại thiết bị IEEE Tính năng điển hình

Coordinator (điều phối) FFD Mỗi mạng chỉ có 1 Tạo lập mạng, cấp phát địa

chỉ, cho phép thiết bị khác gia nhập mạng Router (định tuyến) FFD Tùy chọn Mở rộng phạm vi vật lý của mạng

Cho phép thêm nhiều nút gia nhập mạng Cũng

có thể thực hiện các chức năng kiểm soát và điều phối

End (thiết bị cuối) FFD hoặc RFD Thực hiện các tính năng điều phối và/hoặc kiểm

soát

1.2.3 Cấu hình mạng

Mạng không dây giao thức Zigbee có thể chấp nhận nhiều kiểu cấu hình mạng khác nhau Trong tất cả các cấu hình mạng thì đều bao gồm tối thiểu 2 bộ phận chính là:

- Một nút điều phối

- Một thiết bị cuối

Nút điều phối giao thức Zigbee là một dạng biến đổi đặc biệt của thiết bị tính năng đầy đủ (FFD) mà nó triển khai một tập lớn hơn các dịch vụ của giao thức Zigbee Một thiết bị cuối có thể là một thiết bị tính năng đầy đủ (FFD), như 1 Router, hoặc một thiết bị tính năng rút gọn (RFD) Thiết bị RFD là nút nhỏ nhất và đơn giản nhất trong giao thức Zigbee Nó thực thi chỉ 1 lượng tối thiểu các dịch vụ của giao thức Zigbee Một bộ phận thứ 3 (không bắt buộc) đó là bộ định tuyến giao thức Zigbee, có mặt trong một số cấu hình mạng

1.2.3.1 Mạng hình sao

Mạng hình sao (Star Network) bao gồm một nút điều phối giao thức Zigbee và một hoặc nhiều thiết bị cuối Trong mạng hình sao, tất cả các thiết bị cuối chỉ giao tiếp với nút điều phối Nếu một thiết bị cuối cần truyền dữ liệu tới một thiết bị cuối khác thì nó phải gửi dữ liệu tới nút điều phối Nút điều phối sau đó sẽ chuyển tiếp dữ liệu tới thiết bị cuối mong muốn

Hình 1-1: Cấu hình mạng hình sao

1.2.3.2 Mạng hình khóm cây

Một cấu hình mạng khác là mạng hình khóm cây (Cluster Tree Topology, hình

1-2) Trong cấu hình này, các thiết bị cuối tham gia hoặc cùng với nút điều phối giao

thức Zigbee hoặc cùng với bộ định tuyến giao thức Zigbee Bộ định tuyến thực hiện 2 chức năng Một là tăng số lượng nút có thể tham gia vào mạng Hai là mở rộng phạm

vi vật lý của mạng Với một bộ định tuyến được them vào, thiết bị cuối không cần nằm trong vùng phủ sóng của nút điều phối mạng Tất cả các bản tin trong mạng hình khóm cây được định tuyến dọc theo cây

Hình 1-2: Cấu hình mạng hình khóm cây

1.2.3.3 Mạng hình lưới

Một mạng hình lưới (Mesh network, hình 1-3) tương tự như mạng hình khóm

cây, ngoại trừ việc các thiết bị FFD có thể định tuyến bản tin trực tiếp đến các thiết bị FFD khác thay vì theo cấu trúc của cây Tuy nhiên các bản tin tới các thiết bị cuối RFD vẫn phải đi qua thiết bị cha của nó Ưu điểm của kiểu bố trí mạng này là trễ bản tin có thể giảm bớt và độ tin cậy cao

Hình 1-3: Mạng hình lưới

Mạng hình lưới và mạng hình khóm cây đều được biết đến là các mạng đa bước nhảy

vì chúng có khả năng định tuyến các gói tin qua nhiều thiết bị Trong khi mạng hình sao là mạng đơn bước Một mạng theo giao thức Zigbee là mạng đa truy cập, có nghĩa

là tất cả các nút trong mạng đều có quyền truy cập ngang nhau tới kênh giao tiếp

1.2.4 Cơ chế truy cập

Có 2 kiểu cơ chế đa truy cập: định hướng và không định hướng Trong một mạng không định hướng, tất cả các nút được phép truyền tải dữ liệu ở bất kỳ thời điểm nào kênh rỗi Trong khi đó ở một mạng định hướng, các nút được phép truyền chỉ trong một khoảng thời gian định trước Nút điều phối sẽ truyền định kỳ một siêu khung (superframe) được xác định như một khung định hướng và tất cả các nút trong mạng được yêu cầu đồng bộ với khung này Mỗi nút được cung cấp một khe thời gian nhất định trong superframe mà trong khoảng thời gian đó cho phép nó truyền và nhận tín hiệu của nó Một superframe có thể bao gồm một khe thời gian chung trong đó tất cả các nút cạnh tranh để truy cập kênh Tuy nhiên phiên bản hiện tại của Microchip Zigbee stack chỉ hỗ trợ các mạng không định hướng

1.2.4.1 Cơ chế giao tiếp bằng bản tin

Các thiết bị trong mạng giao tiếp với nhau sử dụng các bản tin Nếu một thiết bị biết địa chỉ mạng của một thiết bị khác mà nó muốn giao tiếp, nó sẽ gửi đi một bản tin

sử dụng địa chỉ mạng của thiết bị đích Kiểu giao tiếp qua bản tin này được gọi là định địa chỉ trực tiếp Mặc dù kiểu định địa chỉ trực tiếp này dễ hiểu và dễ sử dụng nhưng

nó cũng đi cùng với một số những phát sinh Đầu tiên mỗi thiết bị được yêu cầu dò tìm

và lưu trữ thông tin về địa chỉ của các thiết bị đích nó quan tâm

Giao thức Zigbee cũng cung cấp một cách nữa để gửi bản tin thông qua một cơ chế gọi là liên kết Khi một thiết bị hỗ trợ việc liên kết, nó nắm giữ một bảng liên kết

mà trong đó mỗi một dòng sẽ chứa địa chỉ đích và điểm cuối ứng dụng đích của một

thiết khác mà thiết bị nguồn được kết nối tới Hình 1-4 mô tả các loại thông tin được

lưu giữ trong bảng liên kết

Hình 1-4: Ví dụ 1 dòng trong bảng liên kết [5]

Bất cứ khi nào một thiết bị nguồn muốn giao tiếp với một thiết bị mà nó liên kết, đơn giản nó chỉ cần tạo ra các bản tin mà không cần chỉ định địa chỉ đích nữa Trong nội bộ của ngăn xếp (Stack) và là rõ ràng với ứng dụng, bảng liên kết được tìm kiếm

và nếu một kết quả trùng khớp được tìm thấy chứa địa chỉ đích và điểm cuối ứng dụng thì sau đó địa chỉ đích sẽ được trích xuất từ bảng này và ghi thêm vào cuối của bản tin trước khi bản tin được truyền đi

1.2.4.2 Định dạng bản tin của giao thức Zigbee

Bản tin của giao thức Zigbee có thể lên tới 127 bytes bao gồm các trường sau:

- Tiêu đề MAC (MAC Header): Tiêu đề MAC chứa các trường điều khiển khung

MAC, số chuỗi định hướng và thông tin định địa chỉ bản tin khi nó được truyền đi Chú ý là nó không cho biết địa chỉ nguồn thực và đích đến cuối cùng của bản tin nếu bản tin đang được định tuyến Việc tạo lập và sử dụng tiêu đề này là rõ ràng

với ứng dụng

- Tiêu đề lớp mạng (Network Layer (NWK) Header): Tiêu đề này chứa thông tin

về địa chỉ nguồn và đích thực sự của bản tin cùng với 1 số thông tin khác Việc tạo

lập và sử dụng tiêu đề này là rõ ràng với ứng dụng

- Tiêu đề lớp phụ hỗ trợ ứng dụng ( Application Support (APS) sub-layer Header): Tiêu đề này chứa đựng mã căn cước của đặc tả ứng dụng, mã khóm

thuộc tính và điểm cuối ứng dụng đích của bản tin hiện tại Việc tạo lập và sử dụng

tiêu đề này là rõ ràng với ứng dụng

- Tải của lớp hỗ trợ ứng dụng (APS Payload): Trường này chứa khung giao thức

Zigbee để ứng dụng xử lý Chương trình của ứng dụng chịu trách nhiệm điền các

giá trị vào trường tải APS này

1.2.4.3 Định dạng khung giao thức Zigbee

Mỗi đặc tả ứng dụng chịu trách nhiệm định nghĩa định dạng khung cho mỗi loại bản tin nó hỗ trợ

đó 64 bit địa chỉ này là duy nhất với mỗi thiết bị trên thế giới

Địa chỉ mạng là địa chỉ mở rộng để thiết bị giao tiếp trong quá trình tham gia vào một mạng nào đó Sau khi thiết bị gia nhập thành công một mạng Zigbee, nó được cấp một địa chỉ mạng 16 bit bởi nút cha của nó từ kho các địa chỉ có sẵn Từ đó trở đi, thiết

bị sẽ sử dụng địa chỉ này để giao tiếp với các thiết bị khác trong mạng

1.2.4.5 Phương thức truyền tin

Có 3 phương thức truyền có thể được sử dụng trong mạng Zigbee là truyền đơn hướng, truyền đa hướng và truyền quảng bá

- Truyền đơn hướng (Unicast): Trong một bản tin truyền đơn hướng, địa chỉ đích

được cung cấp trong tiêu đề lớp MAC của gói tin Chỉ thiết bị có địa chỉ đích đó

mới nhận bản tin Các thiết bị khác sẽ lọc bỏ những bản tin không dành cho chúng

- Truyền đa hướng (Multicast): Một ứng dụng có thể chọn cách thiết kế một tập

các thiết bị và các điểm cuối ứng dụng trên các thiết bị đó để tạo thành một nhóm Sau đó thì tập các thiết bị này có thể được định địa chỉ đồng thời bằng một địa chỉ

nhóm hoặc mã nhóm như ví dụ trong Hình 1-5 dưới đây:

Hình 1-5: Ví dụ 1 dòng của bảng liên kết nhóm [5]

Khi một thiết bị hỗ trợ truyền đa hướng, nó lưu giữ một bảng liên kết nhóm trong

đó mỗi dòng chứa địa chỉ nhóm và danh sách các ứng dụng cuối nhận bản tin được chuyển hướng nếu địa chỉ nhóm trùng khớp với địa chỉ đích của bản tin

Được thực hiện trong nội bộ ngăn xếp và rõ ràng với ứng dụng, bảng liên kết nhóm được tìm kiếm bất cứ khi nào một bản tin đa hướng được nhận, và nếu địa chỉ nhóm được tìm thấy trùng khớp trong bảng thì sau đó bản tin sẽ được chuyển hướng tới tất cả các ứng dụng cuối được liệt kê trong bảng liên kết của nhóm đó

- Truyền quảng bá (Broadcast): Trong một gói tin quảng bá, địa chỉ đích lớp MAC

là 0xFFFF, khi đó tất cả các bộ nhận đang hoạt động sẽ thu nhận bản tin Kiểu đánh địa chỉ này được sử dụng khi thiết bị đang cố tham gia vào mạng, dò tìm kết nối trong mạng và thực hiện các dò tìm khác của giao thức Zigbee Giao thức Zigbee triển khai một cơ chế chủ động nhận biết một gói tin quảng bá Chủ động nhận biết

có nghĩa là khi một thiết bị phát đi hoặc gửi lại một gói tin quảng bá, nó sẽ lắng nghe xem tất cả các nút lân cận của nó đã gửi lại gói tin chưa Nếu sau một khoảng thời gian nhất định (nwkPassiveAckTimeout) mà tất cả các nút lân cận chưa tái tạo được bản tin, nó sẽ gửi lại gói tin cho đến khi nghe thấy tất cả các nút lân cận gửi

lại hoặc hết thời gian nhận bản tin quảng bá (nwkBroadcastDeliveryTime)

1.2.4.6 Cơ chế truyền dữ liệu

Trong một mạng không định hướng, khi một thiết bị muốn gửi một khung dữ liệu, nó chỉ đơn giản là chờ cho đến khi kênh rỗi Khi phát hiện kênh rỗi, nó sẽ gửi đi khung dữ liệu muốn gửi

Nếu thiết bị đích là một thiết bị đầy đủ tính năng (FFD), bộ thu phát của nó luôn bật và các thiết bị khác có thể truyền tới nó ở bất kỳ thời điểm nào Khả năng này cho phép với mạng hình lưới Tuy nhiên nếu thiết bị đích là một thiết bị tính năng rút gọn (RFD), bộ thu phát bị tắt khi rỗi để tiết kiệm năng lượng Thiết bị đích RFD khi đó sẽ không thể nhận bản tin ở trạng thái này Tình huống này được xử lý bằng việc yêu cầu tất cả các bản tin tới thiết bị RFD phải đi qua thiết bị cha của nó Khi thiết bị RFD bật

bộ thu phát của nó lên, nó yêu cầu các bản tin từ nút cha Nếu nút cha đã lưu giữ một bản tin cho thiết bị RFD, nó sẽ chuyển tiếp lại cho nút con RFD đó Cơ chế này cho phép nút con RFD tiết kiệm năng lượng nhưng yêu cầu nút cha cần phải có đủ RAM

để lưu trữ các bản tin cho nút con Nếu nút con RFD không yêu cầu bản tin trong một khoảng thời gian (macTransactionPersistenceTime), bản tin sẽ bị quá hạn và bị hủy bỏ

ở nút cha

1.2.4.7 Định tuyến

Ngăn xếp Microchip Zigbee có khả năng định tuyến cho các bản tin Việc định tuyến được thực hiện tự động bởi ngăn xếp mà không cần có sự can thiệp của ứng dụng cuối Việc định tuyến này cho phép mở rộng phạm vi của mạng bằng cách cho phép một thiết bị cuối ở ngoài vùng phủ sóng của nút điều phối mạng được gia nhập mạng thông qua một bộ định tuyến giao thức Zigbee

Khi một bản tin được gửi đi, nó sẽ chỉ định loại định tuyến mong muốn Có 3 kiểu định tuyến có thể lựa chọn là:

- Ngăn chặn: Nếu kết nối mạng hình lưới được tìm thấy, bản tin sẽ được định tuyến

theo kết nối mạng lưới đó Ngược lại, bản tin sẽ được định tuyến dọc theo cấu trúc của cây

- Cho phép: Nếu kết nối mạng hình lưới được tìm thấy, bản tin sẽ được định tuyến

theo kết nối mạng lưới đó Nếu kết nối mạng hình lưới không được xác định, bộ định tuyến sẽ bắt đầu dò tìm kết nối Khi việc dò tìm kết thúc thì bản tin sẽ được gửi đi theo các kết nối đã được tính toán Nếu bộ định tuyến không định tuyến được, nó sẽ gửi bản tin đi theo cấu trúc của cây

- Bắt buộc: Nếu bộ định tuyến có khả năng định tuyến, bộ định tuyến sẽ bắt đầu dò

tìm kết nối, ngay cả khi kết nối đã tồn tại Khi việc dò tìm kết thúc thì bản tin sẽ được gửi đi theo các kết nối đã được tính toán Nếu bộ định tuyến không định tuyến được, nó sẽ gửi bản tin đi theo cấu trúc của cây Lựa chọn định tuyến này nên được sử dụng có chừng mực, bởi nó tạo ra một lưu lượng lớn trên mạng Nó được sử dụng chủ yếu cho việc sửa chữa các kết nối bị hư hỏng

1.2.5 Thiết lập và gia nhập mạng

1.2.5.1 Thiết lập mạng

Một mạng giao thức Zigbee mới đầu tiên phải được thành lập bởi nút điều phối mạng Ở bước khởi đầu, nút điều phối mạng Zigbee tìm xem có nút điều phối nào khác đang hoạt động trên các kênh được phép của nó hay không Dựa trên năng lượng kênh

và số mạng tìm thấy trên mỗi kênh được phép, nó thành lập mạng riêng của mình và chọn một địa chỉ mạng (Personal Area Network – PAN ID) 16 bit duy nhất Khi mạng mới đã được thiết lập, các bộ định tuyến Zigbee và thiết bị cuối được phép gia nhập mạng mới này

Khi một mạng được thành lập, có thể xảy ra tình trạng có nhiều hơn một mạng chồng lấn lên nhau hay có xung đột địa chỉ mạng (PAN ID) Trong trường hợp này,

một nút điều phối mạng sẽ khởi chạy chương trình giải quyết xung đột địa chỉ mạng và một trong số các nút điều phối sẽ thay đổi địa chỉ mạng của nó hoặc thay đổi kênh hoạt động Nút điều phối bị ảnh hưởng sẽ hướng dẫn tất cả các thiết bị con của nó thực hiện những thay đổi cần thiết Tuy nhiên, phiên bản hiện tại của Microchip Stack vẫn chưa

hỗ trợ chương trình giải quyết xung đột địa chỉ mạng này

1.2.5.2 Liên kết mạng

Quan hệ nút cha – nút con được thành lập khi một thiết bị đã là thành viên của mạng cho phép một thiết bị mới gia nhập mạng Trong trường hợp này, thiết bị mới trở thành nút con và thiết bị cũ đầu tiên trở thành nút cha Một cách để thiết bị mới liên kết với thiết bị đầu tiên là sử dụng chu trình liên kết của giao thức Zigbee

Thiết bị con khởi chạy chu trình liên kết bằng việc thực hiện một lượt quét chủ động trên các kênh nó được phép Thời gian thiết bị dành cho việc xác định năng lượng kênh và các mạng đang tồn tại trên mỗi kênh được biểu diễn bởi tham số “thời

lượng quét (ScanDuration)” Ở băng tần 2.4 GHz và với Microchip Stack thì

ScanDuration thường nằm trong khoảng từ 1 đến 14 và như thế thời gian quét thường

từ 0.031 giây đến 4.2 phút Như vậy nếu thiết bị quét tất cả 16 kênh và ScanDuration

là 8 thì sẽ mất hơn 1 phút để thực hiện một lần quét Trong khi các bộ định tuyến và thiết bị cuối của giao thức Zigbee thực hiện một lần quét để xác định các mạng đang tồn tại, thì nút điều phối mạng phải mất 2 lần quét, một lần để lấy mẫu năng lượng

kênh, một lần để dò tìm các mạng sẵn có Giá trị ScanDuration được cho cần cân đối

thời gian cần thiết để thực hiện quét đầy đủ trên kênh được chỉ định với số lần khởi động hệ thống được cho phép

Các nút cha tiềm năng sẽ lắng nghe trên kênh đang được quét bởi nút con, sau đó đáp ứng lại với một khung định hướng Khung định hướng bao gồm thông tin nếu thiết

bị đang trả lời có thể tiếp nhận liên kết thiết bị mới hay không Tập hợp các thông tin của khung định hướng mà thiết bị mới nhận được sẽ được lưu trữ tại bảng các nút lân cận của chính nó Vào cuối chu trình quét, bảng các nút lân cận được kiểm tra và nút cha tiềm năng tốt nhất sẽ được chọn Sau đó thiết bị mới sẽ gửi một yêu cầu gia nhập tới nút cha tiềm năng Nếu nhận được xác nhận yêu cầu gia nhập thành công từ nút cha, thiết bị mới sẽ trở thành liên kết với thiết bị đầu tiên theo kiểu quan hệ nút cha – nút con Nút cha khi đó chịu trách nhiệm cấp phát cho nút con 1 địa chỉ mạng 16 bit duy nhất Các thông tin liên quan đến địa chỉ mạng nút cha, địa chỉ mạng nút con, độ sâu mạng mà thiết bị vừa gia nhập đều được lưu lại ở bảng các nút lân cận của cả nút cha và nút con Bảng các nút lân cận này là không bay hơi

1.2.5.3 Rời bỏ mạng

Các thiết bị Zigbee lưu trữ thông tin về các nút khác trong mạng, bao gồm nút cha và nút con, ở một vùng bộ nhớ không bay hơi gọi là bảng các nút lân cận Khi khởi động, nếu một thiết bị con xác định được qua bảng các nút lân cận của nó rằng nó

đã từng là một phần của một mạng nào đó, nó sẽ chạy một chương trình thông báo

“mồ côi” để xác định lại mạng liên kết trước đó của nó Các thiết bị nhận được thông báo sẽ kiểm tra trong bảng các nút lân cận của nó xem thiết bị đó có phải là một trong các thiết bị con của nó hay không Nếu đúng, thiết bị cha sẽ thông báo cho thiết bị con

vị trí của nó trong mạng Còn ngược lại, tức không có nút cha nào thì thiết bị đó sẽ cố gắng gia nhập mạng như một thiết bị mới Nó sẽ ghi nhận một danh sách các nút cha tiềm năng và sau đó chọn gia nhập một mạng đang tồn tại ở một độ sâu tối ưu

1.2.5.4 Quay trở lại mạng

Khi một thiết bị cuối mất liên lạc với thiết bị cha của nó, hoặc nó bị buộc phải rời mạng với bit “gia nhập lại” được set, nó sẽ tự động khởi chạy lại chương trình gia nhập lại mạng Không giống như trường hợp “mồ côi”, khi thiết bị con cố gắng liên kết với nút cha cũ của nó, chương trình gia nhập lại bắt đầu bằng một lượt quét chủ động và nút cha tiềm năng được lấy từ danh sách các định hướng mà nút con nhận được Sau khi chọn được nút cha tiềm năng, một yêu cầu gia nhập lại được gửi đơn hướng ở mức mạng tới nút cha tiềm năng được chọn Sau khi nhận được đáp ứng gia nhập lại thành công, nút con bây giờ đã quay trở lại mạng với một nút cha mới và một địa chỉ mạng mới Đây là cách hiệu quả để sắp xếp lại vị trí cho thiết bị chỉ đơn giản với yêu cầu rời mạng và sau đó gia nhập lại Thêm vào đó, việc gia nhập lại được khởi tạo và thực hiện dễ dàng với ứng dụng Đây là một cách hiệu quả để các thiết bị cuối

có thể quay trở lại mạng khi nó mất kết nối với nút cha của nó vì bất cứ lý do gì

1.2.6 Cấu trúc ngăn xếp

Ngăn xếp của Microchip được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và được thiết kế để chạy trên dòng vi điều khiển PIC của Microchip Ngăn xếp Microchip có thể được sử dụng hoặc ở bộ nhớ trong hoặc ở bộ nhớ ngoài không bay hơi (Non-volatile Memory - NVM) để lưu trữ một lượng các tham số ngăn xếp thường trực qua các lần khởi động lại của một thiết bị Các nhà thiết kế có thể lựa chọn loại bộ nhớ không bay hơi để sử dụng, bộ nhớ trong hay bộ nhớ ngoài tùy họ

Ngăn xếp Microchip được thiết kế theo giao thức Zigbee và bộ tiêu chuẩn IEEE

802.15.4-2003, với mỗi lớp nằm ở trong chính source file của nó Hình 1-6 dưới đây

minh họa cho ngăn xếp của giao thức Zigbee

Hình 1-6: Cấu trúc ngăn xếp của giao thức Zigbee [5]

1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ Zigbee

1.3.1 Ưu điểm của Zigbee

Như đã tìm hiểu ở trên, công nghệ không dây Zigbee được thiết kế cho các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp, giá thành rẻ và bảo mật Mang Zigbee có khả năng mở rộng, tự tổ chức và tự sửa chữa mà vẫn có thể quản lý nhiều kiểu truyền dữ liệu khác nhau Nói chung, so với các công nghệ không dây đang tồn tại hiện nay như Bluetooth hay wifi, tuy được thiết kế cho những mục đích sử dụng khác nhau và những lĩnh vực khác nhau, nhưng Zigbee vẫn chứng tỏ được những ưu thế của mình về nhiều mặt

Bảng 1.3 dưới đây minh họa so sánh giữa Zigbee và các công nghệ không dây phổ

biến hiện nay dựa trên một vài tiêu chí cơ bản nhất

Bảng 1.3: So sánh giữa các công nghệ không dây

Số kênh RF 79 (1-15) 1/10; 16 14 (2.4GHz)

Cấu hình mạng Piconet, scatternet Piconet, P2P Star, Cluster

Tree, Mesh BSS/ESS

- Ưu điểm lớn thứ 2 của Zigbee là giá thành rẻ Giá thành bao gồm giá thiết bị rẻ do giao thức Zigbee chỉ yêu cầu rất ít tài nguyên phần cứng Ví dụ, chỉ cần một vi xử

lý 8 bit có bộ nhớ Flash khoảng 32KB là đủ để cài đặt Zigbee stack Giá thành rẻ ở đây còn đến từ việc tiết kiệm được chi phí năng lượng, lắp đặt và bảo trì các thiết bị trong mạng bởi các thiết bị Zigbee rất dễ lắp đặt và bảo trì

- Ưu điểm thứ 3 là số lượng thiết bị cho phép rất lớn: Mạng Zigbee theo lý thuyết có thể cho phép 65535 thiết bị được kết nối Điều đó cho phép mạng Zigbee có thể vận hành và điều khiển cùng lúc nhiều thiết bị hơn rất nhiều so với Wifi hay Bluetooth Vì thế với nhiều ứng dụng thì việc lựa chọn sử dụng Zigbee là tất yếu

- Ưu điểm thứ 4 là giao thức Zigbee đơn giản và gọn nhẹ hơn rất nhiều so với các giao thức không dây khác Đặc điểm này khiến giao thức Zigbee dễ triển khai và bảo trì hơn rất nhiều

Nói chung, Zigbee là một tiêu chuẩn mạng không dây giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp và thường được tổ chức theo dạng lưới (mesh) cho phép mạng có thể mở rộng Giá thành thấp cho phép công nghệ này được sử dụng rộng dãi trong điều khiển không dây và quản lý ứng dụng Điện năng tiêu thụ thấp cho thời gian sử dụng lâu hơn với những cục Pin nhỏ hơn Mạng hình lưới cho độ tin cậy cao và khả năng mở rộng mạng dễ dàng

1.3.2 Nhược điểm của công nghệ Zigbee

Như đã so sánh ở trên, công nghệ Zigbee thực sự mang nhiều ưu điểm vượt trội

về mặt triển khai, sử dụng và duy trì so với các công nghệ không dây khác Tuy nhiên, Zigbee cũng có những điểm tỏ ra không phù hợp trong một số trường hợp, thậm chí là điểm trừ lớn đối với các nhà phát triển Đó là:

- Đầu tiên và lớn nhất là vấn đề tương thích giữa các thiết bị Zigbee, cả về phần cứng lẫn phần mềm Hiện tại có rất nhiều nhà sản xuất thiết bị Zigbee, các thiết bị này đi kèm với Zigbee stack nhưng nhà sản xuất không cho biết điều đó mà chỉ gói gọn thiết bị và phần mềm trong một hệ thống khép kín Điều đó có nghĩa là người

sử dụng sẽ gặp khó khăn trong việc tìm những thiết bị tương thích với thiết bị Zigbee họ đang có Hay thậm chí nếu họ có sẵn 2 thiết bị Zigbee, chưa chắc chúng

đã có thể kết nối được với nhau Để khắc phục nhược điểm này, Hội đồng Zigbee

đã đề ra quy tắc bắt buộc chặt chẽ cho các nhà sản xuất thành viên về loại thiết bị, IDs, phương thức bảo mật, liên kết cũng như các tính năng hoạt động khác của thiết bị Zigbee được sản xuất nhằm đảm bảo thiết bị của hãng này có thể kết nối tương thích với thiết bị của hãng khác

- Cũng từ những quy định bắt buộc về thiết bị như ở trên dẫn đến việc giao thức Zigbee và các thiết bị Zigbee nhiều khi phức tạp và cồng kềnh hơn mức cần thiết Điều này thể hiện rõ trong trường hợp nhà phát triển muốn tùy biến một vài chức năng và/hoặc hoạt động của thiết bị

- Cuối cùng, để có thể phát triển một sản phẩm thương mại với công nghệ Zigbee thì nhà phát triển phải tham gia vào Hội đồng Zigbee với một khoản phí thường niên rất lớn, khoảng vài nghìn USD Điều này là khó chấp nhận được với các nhà phát triển tự do và khiến cho không ít trong số họ từ bỏ việc phát triển sản phẩm, ứng dụng Zigbee

Xuất phát từ chính những nhược điểm trên đây của Zigbee, Microchip đã cho ra đời một giao thức tương tự như Zigbee về mặt mục đích sử dụng, kế thừa những ưu điểm của Zigbee nhưng đơn giản hóa về cấu trúc và quan trọng nhất là loại bỏ hoàn toàn vấn đề tương thích giữa các thiết bị do không bị quy định về phương thức liên kết

và các tính năng hoạt động mức cao như Zigbee nữa Đó chính là giao thức MIWI (Microchip Wireless) Có thể nói, MIWI chính là một sự thay thế giá trị cho Zigbee đối với các nhà phát triển, đặc biệt với các những người yêu thích Microchip

Chương 2

CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY MIWI

Về cơ bản, công nghệ không dây MIWI là một phiên bản đơn giản hóa của công nghệ Zigbee Nó kế thừa rất nhiều đặc điểm của Zigbee, đặc biệt là những ưu điểm của Zigbee Vì thế trong chương này, tôi xin chủ yếu đề cập đến những điểm mới của công nghệ không dây MIWI so với Zigbee và đồng thời mô tả chi tiết về hoạt động, cấu trúc của giao thức MIWI

2.1 Tổng quan về MIWI

Giao thức mạng không dây MIWI là một giao thức đơn giản của Microchip được thiết kế cho các mạng tốc độ thấp, khoảng cách ngắn và giá thành thấp Cũng giống như Zigbee, MIWI về cơ bản dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 cho mạng không dây cá nhân và sau đó được mở rộng để hỗ trợ các bộ thu phát sóng vô tuyến của Microchip MIWI cung cấp một phương thức thay thế dễ sử dụng cho việc giao tiếp không dây Đặc biệt, nó hướng đến các ứng dụng nhỏ hơn, có kích thước mạng tương đối nhỏ trong đó chỉ chứa vài bước nhảy Giao thức MiWi là một trong các giao thức không dây hiện nay được hỗ trợ bởi bộ công cụ môi trường phát triển MiWi Nó sử dụng giao diện MiMAC để giao tiếp với bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) của Microchip và sử dụng giao diện MiApp để tương tác với lớp ứng dụng Mô hình phát triển ứng dụng

MiWi được minh họa như Hình 2-1 dưới đây cho thấy khả năng có thể dễ dàng thay

đổi giữa tất cả các thiết bị thu phát sóng vô tuyến cũng như giao thức không dây được

hỗ trợ mà gần như không phải thay đổi gì ở lớp ứng dụng

Hình 2-1: Sơ đồ phát triển ứng dụng MiWi.[8]

Giao thức MiWi hiện tại hỗ trợ tất cả các bộ thu phát của Microchip ở các dải tần khác nhau Cũng có thể được nhúng vào nhiều dòng vi xử lý khác nhau của Microchip Đồng thời nó hỗ trợ cả hệ điều phối thời gian thực và các ứng dụng một cách độc lập với một bộ giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản Tất cả các tính năng trên làm cho giao thức MiWi trở nên đơn giản, dễ sử dụng và có tiềm năng phát triển ứng dụng cũng như thiết bị sử dụng MiWi

Về giao thức, hiện nay MiWi có 3 phiên bản giao thức là:

- MiWi P2P (Peer to Peer)

- MiWi

- MiWi PRO

Cả 3 giao thức MiWi này đều có thể truyền các bản tin từ một nút nguồn đến một nút đích Chỉ khác nhau ở chỗ là khoảng cách mà gói tin có thể được truyền đi trên mạng trước khi đến nút đích:

- Với MiWi P2P: Đây là giao thức không dây đơn giản nhất của MiWi trong đó các

nút chỉ kết nối với nhau theo dạng mạng hình sao hoặc ngang hàng (P2P) và không cần dùng đến khả năng định tuyến trong mạng Sự đơn giản này vừa là ưu điểm nhưng cũng là hạn chế của MiWi P2P vì mạng không có khả năng mở rộng và bản

tin chỉ có thể truyền đi trong vùng phủ sóng của nút nguồn Hình 2-2 dưới đây

minh họa kết nối đơn giản trong mạng MiWi P2P

Hình 2-2: Topo mạng hình sao của giao thức MiWi P2P

- Với MiWi: Giao thức này được thiết kế có thể mở rộng mạng bằng khả năng định

tuyến cho các mạng cỡ nhỏ Nó hỗ trợ tối đa 8 nút điều phối (bao gồm cả nút chủ mạng PAN Coordinator), mỗi nút điều phối có thể có tối đa 127 nút con và như vậy một mạng sử dụng giao thức MiWi có khả năng chứa tối đa 1024 nút trong một

mạng Gói tin có thể được gửi qua tối đa 4 bước nhảy trong mạng và 2 bước tính từ nút chủ mạng (PAN coordinator) Để đơn giản hóa cơ chế định tuyến trong mạng thì MiWi quy định các nút điều phối chỉ có thể kết nối được với nút chủ mạng mà không thể tự kết nối với nhau Khi một nút có khả năng điều phối không thể kết nối với nút chủ mạng hoặc trong mạng đã có đủ 8 nút điều phối, thiết bị có khả năng điều phối đó sẽ tự “hạ thấp mình” và gia nhập mạng như một thiết bị cuối Đây chính là hạn chế của giao thức MiWi khi chỉ có thể hỗ trợ các mạng cỡ nhỏ và giới hạn khoàng cách truyền được của bản tin trong 4 bước nhảy giữa các thiết bị cuối

của mạng Hình 2-3 minh họa cho topo mạng dạng lưới đơn giản của giao thức

MiWi

Hình 2-3: Topo mạng dạng lưới của giao thức MiWi

- Và cuối cùng là giao thức MiWi PRO: Giao thức MiWi PRO được tăng cường

khả năng định tuyến để hỗ trợ tối đa 64 nút điều phối và một nút điều phối có thể kết nối với bất cứ nút điều phối nào khác Mỗi nút điều phối có thể có 127 nút con

và như thế mạng MiWi PRO có thể có hơn 8000 thiết bị được kết nối Đồng thời, một bản tin trong mạng có thể được truyền đi qua 65 bước nhảy từ thiết bị nguồn

đến thiết bị đích hoặc 64 bước từ nút chủ mạng Hình 2-4 mô tả topo mạng dạng

lưới đầy đủ sử dụng trong giao thức MiWi PRO

Hình 2-4: Topo mạng dạng lưới của giao thức MiWi PRO

So sánh những ưu điểm và hạn chế của 3 giao thức MiWi hiện có, tôi lựa chọn nghiên cứu và sử dụng giao thức MiWi PRO cho đề tài của mình nhằm hướng đến các khả năng mở rộng mạng và các ứng dụng của nó Vì thế sau đây đề tài sẽ tập trung vào tìm hiểu kỹ hơn về các định dạng, phương thức hoạt động của giao thức MiWi PRO làm cơ sở lý thuyết cho việc triển khai đề tài

2.2 Tìm hiểu về giao thức MiWi PRO

2.2.1 Thông tin chung về MiWi PRO

Giao thức MiWi PRO được cấu hình để hỗ trợ tới 64 nút điều phối bao gồm cả nút chủ mạng (PAN Coordinator) khởi tạo mạng Mỗi nút điều phối có thể hỗ trợ tới

127 thiết bị con Các nút điều phối có thể kết nối được với tất cả các nút điều phối khác Do đó, mạng MiWi PRO có thể hỗ trợ tới hơn 8000 thiết bị và bước nhảy của bản tin trong mạng có thể lên tới 65

Giao thức MiWi PRO cũng được thiết kế cung cấp khả năng định tuyến được tăng cường mà chỉ cần tài nguyên hệ thống vừa phải Ngăn xếp MiWi PRO đầy đủ tính năng cho nút điều phối chỉ sử dụng khoảng 25 KB bộ nhớ chương trình, trong khi với thiết bị cuối chỉ cần 16 KB bộ nhớ Tuy nhiên yêu cầu về RAM cao hơn đối với thiết

bị điều phối do yêu cầu cao cho việc định tuyến của giao thức MiWi PRO Do sự phức tạp của việc lưu giữ các thông tin định tuyến của mạng, tính năng đóng băng mạng

(Network Freezer) là bắt buộc với giao thức MiWi PRO để có thể khôi phục lại mạng trong trường hợp mất điện nguồn Tính năng đóng băng mạng này lưu giữ các thông tin quan trọng của mạng vào một vùng nhớ không bay hơi và khôi phục lại cấu hình mạng từ vùng nhớ đó sau khi bật nguồn điện

Một mục đích thiết kế nữa của MiWi PRO là khả năng tương thích ngược Giao thức MiWi PRO được thiết kể đảm bảo cho các thiết bị sử dụng giao thức MiWi thông thường có thể gia nhập mạng MiWi PRO và thực hiện các thao tác mạng tương tự như trong mạng MiWi thông thường mà không gặp phải vấn đề nào Đồng thời, thiết bị MiWi PRO có thể gia nhập mạng MiWi thông thường và hoạt động bình thường Khả năng này cho phép các nhà phát triển chi việc cập nhật phần mềm lõi (firmware) cho nút điều phối trong trường hợp việc thay đổi giao thức mạng là cần thiết Trong hầu hết các ứng dụng thì gần như tất cả các thiết bị trong mạng đều là thiết bị cuối và khả năng các thiết bị cuối này có thể hoạt động được trong cả 2 giao thức mạng sẽ giúp tiết kiệm chi phí để bảo trì, cập nhật giao thức mạng

Nói tóm lại, giao thức mạng không dây MiWi PRO cung cấp một giải pháp thay thế rẻ hơn cho các mạng lớn hơn trên thị trường thay vì sử dụng giao thức Zigbee trong những trường hợp mà khả năng tương tác giữa các mạng là không cần thiết

2.2.2 Các tính năng chính của MiWi PRO

Phiên bản hiện tại của giao thức MiWi PRO có những tính năng chính sau đây:

- Yên cầu bộ nhớ chương trình nhỏ: dưới 25 KB đối với thiết bị điều phối mạng và dưới 13 KB với thiết bị cuối

- Giao diện MiMAC để kết nối giao thức MiWi PRO với thiết bị thu phát cho phép

thay thế dễ dàng thiết bị thu phát sóng vô tuyến (xem Hình 2-1)

- Giao diện MiApp giữa tầng ứng dụng và giao thức mạng cho phép dễ dàng thay

đổi giữa các giao thức không dây của Microchip (xem Hình 2-1)

- Hỗ trợ lên tới 64 nút điều phối mạng, 65 bước nhảy và 8000 thiết bị cho một mạng lớn

- Thiết bị cuối có khả năng tương thích với giao thức MiWi

- Hỗ trợ đầy đủ trên các nhiều dòng chip PIC và dsPIC của Microchip (PIC18/PIC24/PIC32/dsPIC33)

2.2.3 Định dạng bản tin của giao thức MiWi PRO

MiWi PRO định nghĩa lớp mạng ở ngay trên lớp MAC tương tự như giao thức MiWi để hỗ trợ định tuyến đa bước (Multi-hop routing)

Định dạng khung của MiWi PRO như sau:

Hình 2-5: Định dạng khung của giao thức MiWi PRO.[10]

Các trường của định dạng bao gồm:

- Hops: Bước nhảy – trường 8 bit (1 byte) - quy định số bước nhảy mà gói tin được

phép phát lại (0x00 có nghĩa là không được phép phát lại gói tin

- Frame Control: Trường điều khiển khung – 1 byte – định nghĩa cách thức hoạt

động của gói tin Các bit trong trường điều khiển khung bao gồm bit 2 là bit yêu cầu nhận biết ACKREQ nghĩa là thiết bị gửi yêu cầu xác thực việc nhận được bản tin của phía thiết bị nhận; Các bit còn lại của trường đều là bit dự phòng và giữ giá trị mặc định của chúng (bit 7-3 luôn = 0, bit 1 = 1, bit 0 không được quy định)

Bảng 2.1: Định dạng bit của trường điều khiển khung [10]

- Destination PANID: Trường PAN ID của nút đích – 2 byte

- Destination short address: Trường địa chỉ rút gọn của nút đích – 2 byte

- Source PANID: Trường PAN ID của nút nguồn – 2 byte

- Source short address: Trường địa chỉ rút gọn của nút nguồn – 2 byte

- Sequence number: Trường dùng để theo dõi trạng thái của gói tin khi nó di

chuyển trên mạng – 1 byte

- Report type và Report ID: 2 byte - quy định loại và chức năng của gói tin được truyền đi giữa các thiết bị

PAN Identifier (PANID) là một địa chỉ 16 bit xác định một nhóm các nút Tất cả

các nút trong mạng PAN đều có chung một PANID Khi một thiết bị chọn gia nhập một mạng, nó sẽ mang PANID của mạng PAN đó

Giao thức MiWi PRO sử dụng 2 byte địa chỉ rút gọn để chỉ định các nút trong

mạng khi thực hiện định tuyến Trong đó byte thấp được dùng để xác định thiết bị cuối, 6 bit của byte cao được dùng để xác định các nút điều phối (do đó đủ để định vị

26 = 64 nút điều phối) Bảng 2.2 dưới đây sẽ minh họa chi tiết định dạng trường địa chỉ

rút gọn

Bảng 2.2: Định dạng trường địa chỉ rút gọn [10]

Bit 7 – RxOnWhenIdle của địa chỉ rút gọn được mô tả ngược với mô tả của IEEE

802.15.4 Khi bit được đặt (RxOnWhenIdle =1), thiết bị sẽ tắt bộ thu phát của nó đi khi rảnh và sẽ không thể nhận gói tin nào nữa Bất kể thiết bị nào, trừ thiết bị cha của

nó sẽ định tuyến gói tin có bit này được đặt tới thiết bị cha của nó Nút cha của thiết bị đích sẽ lưu tạm bản tin cho thiết bị con cho đến khi nó thức dậy và yêu cầu dữ liệu đó Nếu bit này không được đặt trong địa chỉ thiết bị thì thiết bị luôn có khả năng nhận các gói tin

2.2.4 Những điểm mới của giao thức MiWi PRO

Có 3 điểm mới được tăng cường cho giao thức MiWi PRO nhằm đạt được hiệu suất làm việc tốt với những mạng lớn hơn đó là:

- Tăng cường ở phương thức truyền quảng bá

- Khả năng định tuyến theo mạng lưới

- Sự linh hoạt tần số

2.2.4.1 Tăng cường phương thức truyền quảng bá

Truyền quảng bá là phương pháp giao tiếp mà đích đến của gói tin là một nhóm các thiết bị Thông thường thì các đích đến của truyền quảng bá được phân biệt bởi vai trò của chúng trong mạng Ví dụ, đích đến của truyền quảng bá có thể là tất cả các nút điều phối, hay tất cả các thiết bị đầy đủ tính năng trong mạng Để đạt được mục đích này, một địa chỉ rút gọn đặc biệt sẽ được cấp phát để biểu diễn kiểu truyền đa hướng Địa chỉ đích của lượt truyền đa hướng sẽ chỉ được truyền trong tiêu đề của MiWi PRO Trong tiêu đề MAC, lượt truyền vẫn là quảng bá Vai trò của ngăn xếp MiWi PRO là lọc ra các gói tin nhắm đến các loại thiết bị khác nhau, do đó các lượt truyền đa hướng không hướng đến nút hiện tại sẽ không được chuyển đến lớp ứng dụng

Bảng 2.3: Địa chỉ truyền đa hướng, quảng bá [10]

Từ lớp ứng dụng, khi một địa chỉ truyền đa hướng được cấp phát như là địa chỉ

đích trong giao diện MiApp (MiApp_UnicastAddress), bản tin sẽ được gửi đi như một

bản tin đa hướng nhắm đến một nhóm các thiết bị nhất định

2.2.4.2 Định tuyến theo mạng lưới trong những mạng lớn hơn

Trước khi mô tả chi tiết việc định tuyến theo mạng lưới của giao thức MiWi PRO, sẽ tốt hơn nếu xem qua cách tiếp cận chung trong công nghiệp để hỗ trợ các mạng hình lưới Để hỗ trợ định tuyến theo mạng lưới, Zigbee sử dụng một thuật toán đặc biệt gọi là Cskip để tính toán vị trí nút theo địa chỉ rút gọn Còn Zigbee PRO sử dụng phương pháp cấp phát ngẫu nhiên địa chỉ rút gọn Kết quả là thiết bị Zigbee PRO không có cách nào để theo dõi cấu hình mạng và phụ thuộc vào mạng lưới chỉ cho mục đích truyền các gói tin Tất cả các giải pháp của giao thức Zigbee yêu cầu nhiều hơn tài nguyên hệ thống và cũng phức tạp cho việc triển khai Do đó, dung lượng cần thiết cho ngăn xếp của tất cả các giao thức Zigbee đều vượt xa đáng kể so với MiWi PRO Thêm vào đó, do đường đi của bản tin từ nguồn đến đích được tìm ra trong khi truyền gói tin theo đường quảng bá liên quan đến các dịch vụ của giao thức, trễ của gói tin đầu tiên đến được đích là rất cao

Họ giao thức MiWi sử dụng một cách khác để giải quyết vấn đề định tuyến Giao thức MiWi P2P chỉ giao tiếp trong vùng phủ sóng của bộ thu phát và không cần đến việc định tuyến

Trong khi giao thức MiWi thì chọn một cách đơn giản để bỏ qua vấn đề định tuyến nó chỉ cho phép nút chủ mạng chấp nhận kết nối từ các nút điều phối Do đó cấu hình mạng MiWi luôn là mạng hình sao mở rộng cố định Thiết kế này trong giao thức MiWi cung cấp khả năng định tuyến mạng lưới, đồng thời đơn giản hóa hiệu quả

cơ chế định tuyến Tuy nhiên nó bộc lộ rõ hạn chế ở số bước nhảy tối đa trong mạng chỉ là 4 giữa các thiết bị cuối và 2 từ nút chủ mạng đến thiết bị cuối

Giao thức MiWi PRO đi theo con đường tương tự để phân phối địa chỉ rút gọn giống như MiWi, ngoại trừ việc mở rộng căn cước của nút điều phối lên 6 bit, cho phép xác định 64 nút điều phối Một bản tin luôn có thể được phân phối tới thiết bị cuối qua nút cha của nó Cơ chế định tuyến tập trung vào việc định tuyến gói tin đến đích nếu đích là một nút điều phối hoặc cha của nút đích nếu đích là một thiết bị cuối

Để định tuyến đến đích, có 2 cách phổ biến:

- Định tuyến dọc theo cây

- Định tuyến theo mạng lưới

 Định tuyến dọc theo cây:

Là cơ chế định tuyến mà ở đó bản tin chuyển đến qua quan hệ nút cha – nút con

Để sử dụng định tuyến theo cây, tất cả các nút tham gia định tuyến đều phải biết cấu hình mạng Giao thức MiWi PRO giữ thông tin cấu hình mạng bằng cách cho phép chỉ nút chủ mạng được cấp phát địa chỉ rút gọn cho một nút điều phối Kết quả là nút chủ mạng thu thập tất cả thông tin về cấu hình mạng trong khi thực hiện cấp phát địa chỉ rút gọn cho một nút điều phối Sau đó, nút chủ mạng sẽ phân phối thông tin cấu hình mạng tới tất cả nút điều phối, là những nút có khả năng định tuyến trong mạng Bằng cách này, cấu hình mạng không còn bị cố định và bất cứ một nút điều phối nào cũng

có thể kết nối với một nút điều phối khác Số bước nhảy tối đa cũng không còn bị giới hạn bởi cấu hình mạng mà bởi số nút điều phối được cho phép trong mạng Bước nhảy tối đa trong giao thức MiWi PRO có thể được tính bằng: (số nút điều phối tối đa + 1)

Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống và cho phép truyền cấu hình mạng dễ dàng, MiWi

PRO sử dụng bảng “cây gia phả” để biểu diễn cấu hình mạng như Bảng 2.4 dưới đây

Bảng 2.4: Bảng cây gia phả trong giao thức MiWi PRO [10]

Mỗi lần một nút điều phối cố gắng gia nhập mạng, trách nhiệm của nút điều phối cha là báo cáo nút chủ mạng và lấy địa chỉ rút gọn cho nút đang gia nhập từ nút chủ mạng Trách nhiệm của nút chủ mạng sau đó là cập nhật bảng cây gia phả và phân phối bảng cây gia phả mới tới tất cả các nút có khả năng định tuyến trong mạng Vì tất

cả các nút tham gia định tuyến đều có một bản sao của bảng cây gia phả nên chúng đều có thể định tuyến bản tin qua mạng theo quan hệ nút cha – nút con trong mạng

 Định tuyến theo mạng lưới:

Trong đa số các trường hợp, định tuyến theo mạng lưới được dùng để định tuyến các gói tin Tuy nhiên, định tuyến theo cây là phương án dự phòng để định tuyến các

gói tin qua mạng Định tuyến theo cây chỉ được dùng khi mà định tuyến theo mạng lưới không thể tìm ra được đường đi tốt hơn Không giống như định tuyến theo cây phụ thuộc vào việc tham gia vào cấu trúc cây để thực hiện định tuyến, định tuyến theo mạng lưới cố gắng tìm ra một đường đi ngắn nhất giữa nguồn và đích mà không cần quan tâm đến quan hệ cha – con giữa các nút Khả năng định tuyến theo mạng lưới cho phép giao thức MiWi PRO chuyển gói tin từ nguồn tới đích theo nhiều đường đi khác nhau Nếu có một vài nút bị hỏng, định tuyến theo mạng lưới có thể dễ dàng bỏ qua các nút bị hỏng đó và tiếp tục truyền gói tin đi theo các đường thay thế Nói cách khác, khả năng định tuyến theo mạng lưới có thể tránh được những điểm hỏng hóc có thể xảy ra Mạng có khả năng định tuyến theo mạng lưới có thể linh động điều chỉnh đường đi của gói tin Do đó, định tuyến theo mạng lưới mạnh mẽ và ổn định hơn

Để sử dụng định tuyến theo mạng lưới, tất cả các nút tham gia định tuyến đều phải biết được các nút lân cận của nó và cả các nút lân cận của nút lân cận nó Để làm được điều này, tất cả các nút điều phối phải trao đổi thông tin bảng các nút lân cận với các nút lân cận của nó sau khi gia nhập mạng Bảng các nút lân cận cho mỗi nút điều phối

sử dụng một bit để chỉ khả năng nó có thể giao tiếp trực tiếp với một nút điều phối khác hay không Thứ tự bit biểu diễn byte cao của địa chỉ rút gọn của nút lân cận nút điều phối Như vậy, nó sẽ có thể nhìn thấy ít nhất 2 bước trước khi thực hiện định tuyến Bảng các nút lân cận có thể được bảo trì linh hoạt bằng cách trao đổi thông tin bảng lân cận với các nút lân cận một cách định kỳ trong khi làm việc bình thường

Cơ chế định tuyến của giao thức MiWi PRO là sự kết hợp của định tuyến theo mạng lưới và định tuyến theo cây Về cơ bản, một nút điều phối có thể nhìn xa 2 bước trước mặt nó để xem việc định tuyến theo mạng lưới có thể thực hiện được đến nút đích hoặc cây của nút đích hay không Nếu không thể, nó sẽ gửi một bản tin dọc theo cây gia phả của nó xem có nút nào trong cây của nó có thể cung cấp định tuyến mạng lưới đến đích hay không Giao thức MiWi PRO sử dụng một bảng tìm kiếm đơn giản

để tìm đường đi theo mạng lưới đang có thay vì sử dụng phương pháp định tuyến yêu cầu / trả lời đắt đỏ mà Zigbee sử dụng Do đó giảm bớt yêu cầu về tài nguyên hệ thống

cũng như giảm bớt trễ khi gói tin đầu tiên được truyền đi Hình 2-6 minh họa đầy đủ

cơ chế định tuyến của giao thức MiWi PRO

Hình 2-6: Cơ chế định tuyến của giao thức MiWi PRO [10]

Để cho phép MiWi PRO hỗ trợ nhiều hơn 4 bước nhảy và thực hiện định tuyến mạng lưới, giao thức MiWi PRO đã giới thiệu một loạt các dịch vụ giao thức mới Tất

cả các dịch vụ giao thức đều tuân thủ cùng một định dạng báo cáo giống của giao thức MiWi Các dịch vụ của giao thức sử dụng loại báo cáo 0x00 Với các dịch vụ giao thức

khác nhau, chúng sẽ sử dụng các mã căn cước của báo cáo khác nhau như được chỉ ra

trong Bảng 2.5 dưới đây

Bảng 2.5: Các dịch vụ giao thức mới của giao thức MiWi PRO [10]

Quy trình để một thiết bị cuối gia nhập mạng cũng giống như giao thức MiWi Mặt khác, là kết quả của tất cả những thay đổi ở trên, quy trình để một nút điều phối gia nhập mạng cũng thay đổi theo Tương tự như với giao thức MiWi, nút điều phối con tiềm năng sẽ thực hiện một lượt quét chủ động với yêu cầu có định hướng sử dụng lệnh MAC Nút con tiềm năng này sẽ chọn một trong các nút điều phối cha tiềm năng

và yêu cầu được gia nhập mạng bằng cách gửi một yêu cầu gia nhập sử dụng lệnh MAC đơn hướng tới nút cha tiềm năng được chọn Cho tới bước này thì quy trình là giống hệt với giao thức MiWi Các bước sau của quy trình gia nhập mạng giao thức MiWi PRO sẽ khác với giao thức MiWi để đảm bảo việc nhận được thông tin cấu hình mạng và định tuyến nhằm hỗ trợ cho các mạng lớn hơn so với MiWi Khi một nút có khả năng điều phối muốn kết nút với một nút điều phối, nút điều phối cha sẽ sử dụng dịch vụ giao thức COORDINATOR REPORT để báo cáo yêu cầu này tới nút chủ mạng Sau khi nhận dịch vụ giao thức COORDINATOR REPORT, nếu một nút điều phối vẫn còn trống trong mạng, nút chủ mạng sẽ cấp phát một địa chỉ rút gọn mới và thông báo cho nút điều phối cha bằng dịch vụ giao thức COORDINATOR RESPONSE Sau khi nút cha tiềm năng nhận được COORDINATOR REPORT từ nút chủ mạng, tùy vào địa chỉ rút gọn được cấp phát thì nút cha này sẽ cấp phát địa chỉ thiết bị cuối hoặc địa chỉ nút điều phối cho nút điều phối đang xin gia nhập

Khi một nút điều phối gia nhập mạng, trách nhiệm của nút chủ mạng là chuyển tiếp cấu hình mạng mới cho tất cả các nút điều phối của mạng Bằng việc sử dụng dịch

vụ giao thức FAMIlY TREE REPORT để truyền đa hướng tới tất cả các nút điều phối nhiều lần, nút chủ mạng đã truyền đi thông tin thay đổi cấu hình mạng Đồng thời,

trách nhiệm của nút điều phối vừa gia nhập mạng là cập nhật thông tin định tuyến với các nút điều phối lân cận Việc này đạt được bằng cách gửi đi vài lần một bản tin đa hướng tới tất cả các nút điều phối trong vùng phủ sóng của nó dịch vụ giao thức ROUTING TABLE REPORT và trả lời dịch vụ ROUTING TABLE REPORT từ các nút khác với cùng một dịch vu giao thức Thông tin bảng các nút lân cận nằm ở phần tải (Payload) của dịch vụ giao thức ROUTING TABLE REPORT và được lưu giữ bởi các nút điều phối nhận chúng

Quy trình gia nhập mạng được thay đổi đảm bảo rằng mọi nút điều phối khi gia nhập mạng có thể lấy được thông tin về cây gia phả mạng cũng như bảng các nút lân cận nó Những thông tin này là nền tảng của định tuyến theo cây và định tuyến theo

mạng lưới Hình 2-7 dưới đây sẽ phác họa chi tiết quy trình đã được thay đổi

Hình 2-7: Quy trình gia nhập mạng MiWi PRO [10]

2.2.4.3 Tăng cường sự linh hoạt tần số

Tương tự như các giao thức MiWi P2P và MiWi, giao thức MiWi PRO cũng hỗ trợ tính năng linh hoạt tần số MiWi P2P và MiWi dùng cho các mạng tương đối nhỏ nên chúng ta có thể giả thiết là nhiễu trong một khu vực địa hình nhỏ như thế là ổn

định Với giả thiết như vậy thì nút chủ mạng có thể tự ra quyết định nhảy đến kênh nào dựa trên kết quả quét năng lượng kênh Tuy nhiên, giao thức MiWi PRO gặp phải vấn

đề phức tạp hơn nhiều khi triển khai tính năng linh hoạt tần số bởi kích thước mạng lớn của nó Phân bố nhiễu giữa nút chủ mạng và các nút điều phối không còn giống nhau nữa, do đó việc quét năng lượng cho nút chủ mạng không thể là yếu tố duy nhất

để ra quyết định sử dụng kênh nào Thay vào đó kết quả quét năng lượng của tất cả các nút điều phối là cần thiết

Ngay cả với kết quả quét năng lượng từ mọi nút điều phối, đó vẫn là vấn đề phức tạp để chọn một kênh hoạt động tối ưu Bởi kích thước mạng lớn hơn phủ sóng một vùng diện tích lớn hơn, nhiễu phân bố ở những khu vực khác nhau của mạng sẽ khác

xa nhau Một kênh có thể rất yên tĩnh ở chỗ này trong mạng nhưng có thể rất ồn ở một chỗ khác ở cùng mạng ấy Sự đồng thuận về một kênh tốt nhất cho toàn mạng có lẽ rất khó đạt được Giao thức MiWi PRO chọn cơ chế bỏ phiếu để cho phép tất cả các nút điều phối tham gia vào quá trình lựa chọn kênh hoạt động tối ưu, trong khi vẫn giữ quá trình ra quyết định tương đối đơn giản

Trong cơ chế bỏ phiếu, bất kể một nút điều phối nào gặp phải một giao tiếp không tin cậy sẽ gửi một dịch vụ giao thức Frequency Agility Request tới nút chủ mạng để yêu cầu khởi động tần số linh hoạt (Frequency Agility) Nút chủ mạng sau đó

sẽ gửi đa hướng tới tất cả các nút điều phối một dịch vụ giao thức Frequency Agility Energy Scan Request Ngay khi nhận được yêu cầu dịch vụ giao thức Frequency Agility Energy Scan Request, tất cả các nút điều phối, bao gồm cả nút chủ mạng, sẽ thực hiện quét năng lượng và lưu trữ kết quả quét Sau khi tất cả các lượt quét đã hoàn tất, nút chủ mạng sẽ gửi đa hướng tới tất cả các nút điều phối một dịch vụ giao thức Frequency Agility Suggest Channel để hỏi xem kênh tần số nào là ổn cho tất cả các nút điều phối Tất cả các nút điều phối sẽ so sánh kết quả quét năng lượng của kênh được đề xuất với những mức độ nhiễu được xác định trước Chỉ khi nhiễu quét năng lượng trên kênh được đề xuất cao hơn mức độ nhiễu xác định trước thì nút điều phối sẽ gửi lại một dịch vụ giao thức Frequency Agility Against Channel tới nút chủ mạng Sau khi nhận được dịch vụ giao thức Frequency Agility Against Channel từ ít nhất một nút điều phối thì nút chủ mạng sẽ đề xuất một kênh khác cho đến khi nào không còn nút điều phối nào phản đối kênh được đề xuất nữa Thứ tự kênh được đề xuất sẽ bắt đầu từ kênh ít nhiễu nhất ở vị trí của nút chủ mạng Khi một kênh được đề xuất bị bác

bỏ bởi ít nhất một nút điều phối thì mức nhiễu của kênh đó sẽ được đặt lên mức tối đa

và như thế sẽ kênh đó sẽ không được đề xuất lại trong tương lai Nếu tất cả các kênh

có nhiễu thấp hơn mức quy định tại vị trí nút chủ mạng đều bị bác bỏ bởi ít nhất một nút điều phối thì hoạt động linh hoạt tần số thất bại và dừng lại

Sau khi kênh được đề xuất được chấp thuận bởi tất cả các nút điều phối, nghĩa là nút chủ mạng không nhận được dịch vụ Frequency Agility Against Channel trong một khoảng thời gian quy định thì nút chủ mạng sẽ gửi đi dịch vụ giao thức Frequency Agility Change Channel, các thiết bị khi đó sẽ đổi kênh theo kênh ghi trong tải của dịch vụ giao thức Frequency Agility Change Channel

Đối với các thiết bị đang ngủ hoặc không nhận được gói dịch vụ giao thức Frequency Agility Change Channel, nó cần đồng bộ lại để tìm ra kênh mà mạng mới chuyển tới Thông thường thì việc chuyển gói thất bại liên tiếp tới một nút điều phối sẽ khởi động quá trình đồng bộ lại Việc đồng bộ lại sẽ sử dụng các dịch vụ giao thức mới như Resynchronization Request và Resynchronization Response để tìm kết nối bị mất Để hỗ trợ cho tính năng linh hoạt tần số, những dịch vụ giao thức mới sau đây đã được giới thiệu:

Bảng 2.6: Các dịch vụ giao thức mới cho tần số linh hoạt của MiWi PRO [10]

Quy trình thực hiện linh hoạt tần số như mô tả ở trên được phác họa bằng sơ đồ

như Hình 2-8 dưới đây:

Hình 2-8: Sơ đồ quy trình thực hiện linh hoạt tần số [10]

2.2.5 Các dịch vụ giao thức mới của giao thức MiWi PRO

Giao thức MiWi PRO hỗ trợ tất cả các dịch vụ giao thức của MiWi Khi các dịch

vụ giao thức được sử dụng, chúng được cung cấp dưới dạng mã căn cước của báo cáo (Report ID) với điều kiện là kiểu báo cáo được đặt là kiểu báo cáo của MiWi (Report type 0x00) Để thực hiện các chức năng mới của giao thức MiWi PRO so với giao thức MiWi, như định tuyến phức tạp và linh hoạt tần số, thì các dịch vụ giao thức mới cũng được định nghĩa dưới dạng mã căn cước của báo cáo MiWi Sau đây tôi xin trình bày chi tiết về định nghĩa, định dạng và cách sử dụng các dịch vụ giao thức mới này

2.2.5.1 Báo cáo điều phối

Báo cáo điều phối (Coordinator Report) là dịch vụ giao thức được sử dụng bởi các nút điều phối để báo cho nút chủ mạng biết là có một nút điều phối mới xin gia nhập mạng Như đã nói ở các phần trước, một nút điều phối thông thường không có khả năng cấp phát địa chỉ rút gọn cho một nút điều phối muốn gia nhập mạng Chỉ có

nút chủ mạng mới có khả năng cấp phát địa chỉ rút gọn cho một nút điều phối, và do

đó kiểm soát được cấu hình mạng Trong trường hợp nút điều phối cha không phải nút chủ mạng, nút điều phối cha này sẽ sử dụng dịch vụ giao thức Coordinator Report để thông báo cho nút chủ mạng biết là có một nút điều phối mới đang chờ gia nhập mạng Nút chủ mạng sẽ trả lời nút điều phối cha bằng dịch vụ giao thức Coordinator Response với địa chỉ rút gọn được cấp cho nút điều phối xin gia nhập Trong trường hợp mạng không thể cho phép thêm nút điều phối gia nhập, byte cao của địa chỉ rút gọn cấp cho nút xin gia nhập sẽ được đặt là 0xFF, để giáng cấp nút điều phối xin gia nhập thành một thiết bị cuối trong mạng Sau khi nhận được dịch vụ giao thức Coordinator Response, nút điều phối cha có thể trả lời nút điều phối xin gia nhập bằng một lệnh MAC Association Respond – đáp ứng gia nhập Nếu nút điều phối cha là nút chủ mạng, nó sẽ cấp phát địa chỉ rút gọn trực tiếp cho nút xin gia nhập và do đó dịch

vụ giao thức Coordinator Report không còn cần thiết nữa

Dịch vụ giao thức Báo cáo điều phối cũng có thể được sử dụng bởi một nút điều phối cha để thông báo tới nút chủ mạng rằng một nút điều phối con đang rời khỏi mạng Nút chủ mạng sẽ cập nhật lại cấu trúc cây gia phả và thông báo sự thay đổi tới tất cả các nút điều phối Khi dịch vụ giao thức Báo cáo điều phối được dùng để báo cáo nút điều phối con đang rời khỏi mạng thì nút chủ mạng không cần phải gửi dịch vụ đáp ứng điều phối Coordinator Response Chỉ có nút chủ mạng mới nhận được dịch vụ báo cáo điều phối Định dạng của dịch vụ này như sau:

Bảng 2.7: Định dạng dịch vụ báo cáo điều phối [10]

2.2.5.2 Đáp ứng điều phối

Dịch vụ giao thức đáp ứng điều phối (Coordinator Response) được sử dụng bởi nút chủ mạng để đáp ứng dịch vụ báo cáo điều phối Nút chủ mạng sử dụng dịch vụ giao thức này để thông báo cho nút điều phối cha của nút điều phối xin gia nhập byte cao của địa chỉ rút gọn cấp phát cho nút điều phối đang gia nhập Trong trường hợp mạng không còn chỗ cho một nút điều phối mới, nút chủ mạng sẽ đáp ứng với một địa chỉ rút gọn không hợp lệ là 0xFF và theo đó nút điều phối xin gia nhập sẽ gia nhập mạng như là một thiết bị cuối FFD Định dạng của dịch vụ như sau:

Bảng 2.8: Định dạng dịch vụ giao thức đáp ứng điều phối [10]

2.2.5.3 Báo cáo cây gia phả

Báo cáo cây gia phả (Family Tree Report) là dịch vụ giao thức để cập nhật cho các nút điều phối thông tin cấu hình mạng mới nhất Dịch vụ giao thức này sẽ được gửi đa hướng tới tất cả các nút điều phối bởi nút chủ mạng trong trường hợp có một nút điều phối mới gia nhập mạng Nó cũng được sử dụng để báo cáo thông tin cập nhật

về cấu hình mạng để đáp ứng cho dịch vụ giao thức Yêu cầu cây gia phả (Family Tree Request) Sau khi nhận được dịch vụ giao thức Báo cáo cây gia phả, các nút điều hành

sẽ cập nhật cấu hình mạng của nó theo cấu hình mạng mới được gắn vào gói dịch vụ Cấu hình mạng đã cập nhật được lưu lại vào vùng nhớ không bay hơi và sử dụng cho

việc định tuyến gói tin Bảng 2.9 dưới đây mô tả định dạng của dich vụ:

Bảng 2.9: Định dạng của dịch vụ giao thức báo cáo cây gia phả [10]

2.2.5.4 Yêu cầu cây gia phả

Dịch vụ giao thức Yêu cầu cây gia phả (Family Tree Request) được dùng để yêu cầu cấu hình mạng mới nhất Trong nhiều trường hợp, cấu hình mạng mới được gửi đa hướng tới tất cả các nút điều phối khi nút chủ mạng chấp nhận một nút điều phối mới gia nhập mạng Tuy nhiên trong một vài tình huống thì thông tin cấu hình mạng cần được gửi lại Nếu nút điều phối kết nối lại với cùng một nút cha vì bất kỳ lý do nào, nút cha sẽ không thông báo cho nút chủ mạng, thay vào đó nút cha sẽ cấp lại địa chỉ rút gọn cũ cho nút điều phối đang gia nhập lại Trong trường hợp này, thông tin cấu hình mạng sẽ không được gửi đi bởi nút chủ mạng Nút điều phối đang gia nhập sẽ sử dụng dịch vụ giao thức Yêu cầu cây gia phả để yêu cầu thông tin cấu hình mạng từ nút cha của nó Nếu một nút điều phối nghi ngờ là thông tin cấu hình mạng không được cập nhật vì lý do nào đó, nó có thể sử dụng dịch vụ giao thức Yêu cầu cây gia phả để