Chương 1 Tổng quan về mạng WPAN 1.1 Khái niệm về mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) Mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) ra đời 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 không đòi hỏi nhiều cơ sở hạ tầng không giống như mạng WLAN (mạng không dây cục bộ). Nhờ đó đưa ra các giải pháp then chốt quyết định giá thành thấp, kích thước thiết bị nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạc với băng tần eo hẹp.2 Sự phát triển của mạng không dây WPAN Trước đây, vào giữa thập niên những năm 80 chuẩn IEEE 802.11 ra đời là để phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng lớn hơn. 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 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn. Tính năng ưu việt 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.3 Phân loại mạng WPAN Chuẩn IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN trong chuẩn IEEE 802.15 nhờ vào 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) được sử dụng nhiều với yêu cầu chất lượng dịch vụ cao phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện. 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.4 Khái quát về ZigBee/IEEE 802.1 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 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 vô tuyến 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 được lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường “Zig-zag” của ong mật (honey Bee), điệu nhảy này được loài ong khi chúng sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước.2 Đặc điểm của công nghệ Zigbee Có ba băng tần sử dụng cho công nghệ Zigbee IEEE 802.4GHz) Công nghệ ZigBee sử dụng tốc độ truyền dữ liệu của chuẩn này là 250kbps ở dải tần 2. Giao thức mạng không dây được ứng dụng nhiều điều khiển từ xa và tự động hóa với mục đích chính là 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, giá thành chi phí lại rẻ.
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. Một điều nổi bật mà ZigBee có thể hơn hẳn công nghệ khác là có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network). Ở công nghệ ZigBee, các nhóm nghiên cứu và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. Họ chủ yếu tập trung vào nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu).
Ngoài ra, 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 chung để cùng làm việc được với nhau 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. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Ưu điểm của Zigbee/ IEE802. So sánh giữa ZigBee - Wifi - Bluetooth ZigbeeTM Wifi Bluetooth Tần số 868 Mhz/ 915 Mhz/ 2.4 Ghz/ 5 Ghz Data Rate 20-250Kbps 1-100Mbps 1-3Mbps Khoảng cách 10-100m 30-100m 2-10m Nhìn vào bảng so sánh ta có thể nhận thấy được rằng Zigbee cũng gần tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn. Zigbee có tốc độ truyền thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
Một nốt mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai pin AA. Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không có khuếch đại). Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của Zigbee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế về không gian và thời gian). Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15ms trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong 3s.4 Kiến trúc liên kết mạng trong Zigbee Hiện nay tổ chức ZigBee Alliance và tổ chức IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ ZigBee.
Các nút mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star), cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) hoặc 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. Hình 1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cấu trúc liên kết mạng. Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star) Hình 2. Cấu trúc mạng hình sao. Đối với loại mạng này, một kết nối được thiết lập giữa các thiết bị với một thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN (Hình 2).
Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một 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 mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều phối mạng PAN.
13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) Hình 3. Cấu trúc mạng mắt lưới. Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là kết hợp của hai kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng ( hình 3).
Ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng…). Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một bộ điều phối và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các bộ điều phối khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.
Cấu trúc mạng hình cây 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều bộ điều phối nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).