CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG WPAN VÀ CHUẨN ZIGBEE. Giới thiệu về mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) 1. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây Nhiều phương pháp và chuẩn kết nối không dây đã được phát triển trên toàn thế giới dựa trên sự đa dạng về nhu cầu thương mại.
Những công nghệ này có thể được xếp loại thành 4 nhóm (PAN, LAN, MAN, WAN) dựa trên những ứng dụng đặc trưng và phạm vi truyền của chúng.1 mô tả các nhóm giao thức truyền thông này. Các giao thức truyền thông không dây. Personal Area Network (PAN) PAN là một mạng sử dụng cho việc kết nối giữa các thiết bị cá nhân (gồm điện thoại và các thiết bị số cá nhân khác). Phạm vi truyền thông của PAN chỉ là vài mét.
PAN có thể kết nối các thiết bị với nhau hoặc với mạng Internet. Mạng PAN không dây (Wireless PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các giao thức Infrared (IrDA), Bluetooth. Local Area Network (LAN) Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền thông với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được chức năng tương tự như mạng LAN có dây.
WLAN cho phép người dùng di chuyển trong một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học.) mà vẫn kết nối được với mạng. Mạng Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có 802. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 Metropolitan Area Network (MAN) Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc trên chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là WiMAX). Nó được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết bị cố định hoặc di động thông qua ăng ten.
Các trạm đăng ký kết nối với trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến mạng lõi. WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương đối rẻ trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16 km, tuy nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể. Trong hầu hết mọi trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì chất lượng của dịch vụ.
Wide Area Network (WAN) WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN, LAN hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ điển hình nhất của WAN chính là mạng Internet. WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và máy tính trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng cho các tổ chức đặc biệt.
Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ liệu di động như GSM, GPRS và 3G. Giới thiệu chung về mạng WPAN Nhằm phục vụ mục đích truyền dữ liệu không dây giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn với yêu cầu tốc độ truyền không cao và yêu cầu phần cứng tối thiếu thì khái niệm mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) đã ra đời. Mạng WPAN là một mạng không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn (bán kính từ 20-30m).
Không giống như mạng WLAN (mạng không dây cục bộ), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn mang lại hiệu suất cao trong liên lạc, nhất là trong một băng tần giới hạn. Trong thời gian giữa những năm 80, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao. Trong khi chuẩn IEEE 802.11 đề cập đến những các vấn đề như là tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn.
Ưu điểm chính của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Từ đó, nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho mạng WPAN. Phân loại mạng WPAN Chuẩn IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ (QoS: quality of service).
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao. WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.1/Bluetooth) được ứng dụng trong các máy điện thoại di động, máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại. WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.4 / LR-WPAN) dùng trong các thiết bị công nghiệp hoặc các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Chính tốc độ truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng.
Trong chuẩn này thì công nghệ ZigBee/IEEE802.4 chính là một ví dụ điển hình. Khái quát về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802. Giới thiệu ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài.
Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường Zig-zag của ong mật (honey Bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.
Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network). Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ truyền dữ liệu của chuẩn này là 250kbps ở dải tần 2.
Các nhóm nghiên cứu ZigBee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này.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 trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau. Hiện nay thì IEEE 802.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs - guaranteed time slots).
Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng ZigBee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác. Mạng ZigBee/ IEEE 802. Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí 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.
a) Thành phần của mạng LR-WPAN Một hệ thống ZigBee/IEEE802.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 mạng PAN, hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản 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 hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD. b) Kiến trúc liên kết mạng Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ ZigBee. Các node mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó cụm hình cây.
Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cách rộng rãi.2 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây.