Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY THEO CHUẨN IEEE 802.15 1 Tổng quan về mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đã có những quá trình phát triển vượt bậc do các nhu cầu về mặt kết nối. Mạng không dây di động cũng được phát triển theo xu hướng tương tự bởi vì các quá trình trao đổi dữ liệu gia tăng trong các lĩnh vực như: Internet, e-mail, truyền file dữ liệu, các ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, vận tải, cư trú, cảm biến y khoa. Tuy nhiên, những ứng dụng này yêu cầu việc tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các ứng dụng đang thực hiện theo các chuẩn đang tồn tại. Ví dụ các thiết bị được cấp nguồn bởi các pin dùng cho các loại ứng dụng cố định của ngành công nghiệp, cảm biến y khoa … Yêu cầu về thời gian tồn tại của thiết bị cần thiết được kéo dài từ vài tháng cho đến vài năm.
Hơn thế nữa, yêu cầu về giá thành cho các sản phẩm này lại phải thấp. Cho đến nay, các thiết bị được sử dụng hoặc là các công nghệ không dây mang tính độc quyền hoặc là quá đắt để thực hiện. Do đó sự phát triển của các giải pháp được chuẩn hoá mang tính cộng đồng là rất cần thiết. Gần đây, vào khoảng năm 1999, chuẩn IEEE 802.15 được tạo ra với mục đích là phát triển các chuẩn dành cho truyền thông không dây có khoảng cách ngắn Mạng cá nhân sử dụng công nghệ không dây “wireless personal area networks (WPANs)”.1 Các ứng dụng của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 Mạng không dây chính là kết quả của cuộc sống hiện đại, ngày nay chúng ta luôn phải di chuyển từ nơi này đến nới khác và đặc biệt trong những điều kiện khó có thể triển khai hoặc việc triển khai là không khả thi vì những lý do về mặt thực hành (địa hình, vị trí, mỹ quan …) hoặc những lý do về mặt kinh tế (chi phí cáp trong một không gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập …).
Có rất T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 14 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.15 nhiều thuận lợi đối với truyền thông không dây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ trong các lĩnh vực như điện thoại di động, máy tính xách tay và công nghệ PDA, các công nghệ không dây có thể cung cấp và tạo ra những thuận lợi, mà những thuận lợi này sẽ không thể có được bởi công nghệ có dây. Phần dưới đây sẽ giới thiệu các ứng dụng của công nghệ mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15, chuẩn đang và sẽ được ứng dụng và sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Ứng dụng trong cuộc sống gia đình và công sở Xu hướng ngày nay là hướng tới các nhân tố có hình thức nhỏ hơn, tiện lợi hơn, dễ dàng vận chuyển, lưu động. Điều này đã được thể hiện rõ đối với các sản phẩm điện tử tiêu dùng.
Nó tạo ra một thế hệ sản phẩm mới đa chức năng, có khả năng Mutimedia, và yêu cầu kết nối với các thiết bị AV khác để hiển thị, chỉnh sửa, lắng nghe, chia sẻ, và tải dữ liệu.1 - Kết nối các thiết bị trong gia đình và công sở Trước đây, các ứng dụng này đều được thực hiện qua các công nghệ sử dụng dây vừa chi phí cao, vừa không linh động, khó khăn về mặt không gian lại vừa kém phần mỹ quan. Ngày nay, với việc ứng dụng chuẩn IEEE 802.15 vào T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 15 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.15 các thiết bị đã được kết nối không dây tạo ra một bước nhảy vọt trong lĩnh vực này, Công nghệ này có thể đáp ứng được tất cả các nhu cầu của con người trong các gia đình, trong công sở như đã được thể hiện qua hình 1.2 – Các ứng dụng trong gia đình 1. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp Như ta đã biết, Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Mạng cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể.
Ví dụ: Giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm chấn động, theo dõi tài nguyên, trong những ngành và lĩnh vực nguy hiểm đến tính mạng, sức khoẻ của con người, thực hiện trinh thám trong quân đội [4]. Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung. Ngày nay, các nút mạng cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 16 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.15 trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông. Công nghệ không dây, đặc biệt là các ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 rất phù hợp và thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến do [2, 4]: - Tốc độ trao đổi dữ liệu phù hợp với tốc độ thu thập và phát dữ liệu của các sensor (20kb/s); - Yêu cầu về mức tiêu thụ năng lượng thấp; - Độ an toàn cao và dễ dàng triển khai; - Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng, các nút phải tự hình thành kết nối; - Các nút phải tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào; - Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mới được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này; Hình 1.3 – Ứng dụng của mạng không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15 trong các ngành công nghiệp, và các dịch vụ an toàn.
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 17 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802. Hội thảo Trong một cuộc hội thảo, mỗi người tham dự có một thiết bị cầm tay riêng của họ hoặc một laptop có card mạng không dây. Bình thường, nếu những người tham dự này muốn chia sẻ file hoặc tài liệu cho nhau, họ phải truy cập vào mạng nhà (home) của họ, sau đó đính kèm các file/tài liệu này vào thư vào gửi tới người nhận. Một cách khác là copy file/tài liệu vào đĩa mềm và trao đổi các đĩa này cho nhau.
Cả hai cách làm trên đều không hiệu quả. Tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó. Các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo. Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ.
Ứng dụng trong ngành y khoa Hình 1.4 - Ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 trong các quá trình xử lý trong bệnh viện T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 18 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.2 Chuẩn không dây IEEE 802.15, so sánh, đánh giá định tính giữa các chuẩn IEEE 802.15 là nhóm làm việc 15 của IEEE 802, nhóm xác định các chuẩn của mạng cá nhân sử dụng công nghệ không dây “Wireless PAN”.5 là sơ đồ tổ chức của IEEE 802.5 - Tổ chức của chuẩn IEEE 802.15 WPANs xuất hiện do nhu cầu của cuộc sống hiện đại và để khắc phục những yếu điểm của mạng cục bộ không dây (WLANs) ở một số lĩnh vực, mức tiêu thụ năng lượng, dung lượng truyền và tốc độ dữ liệu … Nhóm làm việc IEEE 802.15 đã định nghĩa ba phân lớp tương ứng với ba chuẩn của WPANs, các chuẩn này khác nhau về mặt tốc độ, công suất tiêu thụ, và chất lượng dịch vụ (QoS) [3]. - WPAN có tốc độ truyền dữ liệu cao: IEEE 802.3 (HR_WPAN) cụ thể là công nghệ USB không dây. Công nghệ này thích hợp cho các ứng dụng Multimedia có yêu cầu cao về QoS. T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 19 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.15 - WPAN có tốc độ dữ truyền dữ liệu trung bình: IEEE 802.1 (MR- WPAN) cụ thể là công nghệ Bluetooth.
Công nghệ này tương thích với mục đích điều khiển sự thay đổi của các nhiệm vụ trong các truyền thông từ điện thoại cho tới các PDA và có mức QoS phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến giọng nói. - Và lớp cuối cùng của WPAN có tốc độ truyền dữ liệu thấp: IEEE 802. Công nghệ này tương thích với các mục đích trong các ngành công nghiệp, trong lĩnh vực nhà ở, chung cư, và các ứng dụng y khoa, với mức năng lượng tiêu thụ thấp, giá thành thấp, và đáp ứng được các nhu cầu về tốc độ dữ liệu và QoS.6 mô tả tốc độ dữ liệu trong không gian hoạt động: Hình 1.6 - Tốc độ dữ liệu và không gian sử dụng Điều quan trọng hơn nữa đó là tính cộng đồng của chuẩn IEEE 802. Bởi vì chuẩn này được xây dựng trên cơ sở của tổ chức quốc tế về chuẩn liên kết các hệ thống mở OSI.
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 20 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y theo chuÈn IEEE 802.15 chỉ tập chung xây dựng và phát triển ở các tầng thấp. Cụ thể là hai tầng “Data link” và tầng “Physical” giống như hình vẽ 1.7 [6]: ISO - OSI Model IEEE 802.15 Model 7 Application 6 Presentation High Layers 5 Session 4 Transport 3 Network Logical Link Control (LLC) 2 Data link Media Access Control (MAC) – IEEE 802.15 Physical Signaling 1 Physical (PHY) – IEEE 802.7 – Mô hình bẩy tầng ISO-OSI và mô hình của chuẩn IEEE 802.15 Ta có thể hiểu mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 như là một đồ thị, trong đó các nút được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị.