Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến ZigBee Chƣơng này tìm hiểu về khái niệm và cấu trúc mạng cảm biến ZigBee Chương 2 : Thuật toán định tuyến Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán định tuyế và vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee Chương 3 : Mô phỏng thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng Chƣơng này giới thiệu về công cụ mô phỏng, cách thức cài đặt và kết quả thử nghiệm, đánh giá LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE Mạng cảm biến ZigBee đƣợc xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.4, vì vậy để có cái nhìn khái quát nhất, ta tìm hiểu qua về chuẩn IEEE 802. Tổng quan về IEEE 802.4 Chuẩn giao thức IEEE 802.4 đƣợc quy định tại tầng vật lý (Physical Layer- PHY) và tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer – DLL). Nó là chuẩn cho giao tiếp trong mạng không dây, năng lƣợng thấp. Các thiết bị trong mạng tự tổ chức thành một mạng nhỏ gọi là mạng cá nhân (Private Area Net – PAN).4 định nghĩa hai tầng con của tầng DLL – Điều khiển liên kết logic (Logical Link Control – LLC) và Điều khiển truy cập truyền thông (Media Acsess Control – MAC).
Tầng MAC định nghĩa việc truy cập tới môi trƣờng chung của nhiều thiết bị bằng cách sử dụng các giao thức thích hợp nhƣ là Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance – (CSMA/CA), trong khi đó LLC phân phát các gói dữ liệu tới dịch vụ tƣơng ứng ở tầng mạng (Network Layer – NL). Tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong chuẩn IEEE 802.4 định nghĩa đầy đủ môi trƣờng trong việc giao tiếp và các nguyên lý cho việc truy cập môi trƣờng theo các cách thích hợp. Tại tầng vật lý của mô hình OSI, ZigBee căn cứ vào chuẩn IEEE 802.4 – 2003 sử dụng công nghệ truyền sóng radio với Offset-Quadrature Phase Shift Keying (O-QPSK) và Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nâng cao tỷ lệ signal-to-noise. CSMA/CA đƣợc sử dụng tại DLL để tránh xung đột.
Việc kiểm tra sự toàn vẹn dữ liệu đƣợc thực hiện bằng cách truyền lại và sử dụng ACK tại mỗi node để giảm thiểu khả năng mất dữ liệu. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Việc đánh giá độ tin cậy của một mạng đƣợc thực hiện nhờ tính toán tỷ lệ signal-to-noise và năng lƣợng nhận đƣợc tại điểm cuối liên kết.4 định nghĩa các dải tần sử dụng khác nhau. Tiêu biểu có dải tần số 2.4 GHz đƣợc sử dụng cho các thiết bị xây dựng. Mạng cục bộ không dây – WLAN ( chuẩn IEEE 802.11) và mạng Bluetooth ( chuẩn IEEE 802.1) cũng sử dụng dải tần số này.4 định nghĩa hai loại thiết bị : Thiết bị chức năng đầy đủ (Full Function Device) – FFD Thiết bị bình thƣờng (Reduced Function Device) – RFD.
Sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại thiết bị này chính là RFD không có khả năng khởi động cho một mạng cá nhân (Private Are Network - PAN). Chính vì thế PAN luôn đƣợc khởi động bằng FFD. Hơn thế nữa, việc giao tiếp trực tiếp chỉ cho phép giữa hai thiết bị FFD hoặc giữa một FFD và một RFD, không cho phép giao tiếp giữa các RFD với nhau. Một mạng PAN là một mạng bao gồm các thiết bị trong một khoảng nhỏ.
Sự kết hợp nhiều mạng PAN là có thể, thậm chí khi các mạng PAN đó sử dụng chung một tần số. Với cấu trúc tự tổ chức, các mạng PAN rất dễ dàng bảo trì và tự sửa lỗi. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.4 cung cấp 2 cấu hình mạng cơ bản, mạng hình sao (Star) và mạng ngang hàng (Peer-to-Peer). Trong mạng hình sao, một node trung tâm là FFD.
Node trung tâm sẽ chịu trách nhiệm đảm bảo giao tiếp giữa các RFD trong mạng. Khi một RFD muốn giao tiếp với một RFD khác trong mạng, nó bắt buộc phải giao tiếp thông qua node trung tâm. Mạng cấu hình này sẽ làm quá tải node trung tâm, và khi node trung tâm bị hỏng thì mọi giao tiếp giữa các thiết bị RFD trong mạng sẽ không thực hiện đƣợc. Trong mạng ngang hàng, thiết bị FFD sẽ trực tiếp giao tiếp với các thiết bị khác.
Giao tiếp giữa các thiết bị RFD là cho phép, lúc này FFD đóng vai trò nhƣ một bộ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 chuyển tiếp. Trong mạng này, một thiết bị lỗi có thể đƣợc loại bỏ đi bằng cách tăng thêm số hàng xóm trực tiếp. Tuy nhiên, với mạng ngang hàng thì việc định tuyến dọc theo mạng là không thể, khả năng duy nhất để giao tiếp thông qua mạng đó là sử dụng quảng bá, tuy nhiên việc đó sẽ tăng đƣờng truyền trong mạng. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.
Khái niệm Chúng ta đã từng biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến nhƣ :Wimax, 3G, Bluetooth.Với các ứng dụng video không dây, dữ liệu không dây, mạng không dây, cảm biến không dây….1 : Các ứng dụng không dây Trong những năm gần đây xuất hiện một chuẩn giao tiếp mới đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đó là mạng ZigBee (đƣợc công bố lần đầu tiên vào năm 2002 bởi liên minh ZigBee). Mạng ZigBee đƣợc tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhƣng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Mạng ZigBee đƣợc phát triển và xúc tiến bởi hãng ZigBee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200 công ty trên thế giới nhƣ: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON. Về bản chất mạng ZigBee cũng là một chuẩn giao tiếp không dây nhƣ những chuẩn không dây khác (UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth.) nhƣng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng dụng nhất định.
Theo nhƣ hình trên có thể thấy rằng mạng ZigBee có đặc điểm là phạm vi hoạt động hẹp, tốc độ truyền trong mạng ZigBee thích hợp cho các cảm biến không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển. Ưu và nhược điểm của ZigBee Để thấy đƣợc ƣu điểm và nhƣợc điểm của mạng ZigBee có thể theo dõi bảng dƣới đây.1 : Bảng ƣu, nhƣợc điểm của ZigBee Ƣu điểm Nhƣợc điểm * Giá thành thấp * Lỗi ở một điểm chính có thể * Tiêu thụ công suất nhỏ gây lỗi hệ thống. * Kiến trúc mạng linh hoạt * Tốc độ truyền thấp * Đƣợc hỗ trợ bởi nhiều công ty * Chƣa có đầy đủ các thiết bị * Số lƣợng các node lớn (65k) để phát triển Để cho rõ ràng hơn, ta hãy làm một phép so sánh giữa Mạng ZigBee và một chuẩn không dây cũng khá phổ biến khác. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: So sánh ZigBee và Bluetooth Đặc tính ZigBee Bluetooth Tiêu thụ công suất 10W 100W Giá thành ( đầu 2005) 1,1 $ 3$ Độ nhạy -92dbm(0,63pW) -62dbm(6,2pW) 65536 node 7 node Độ linh hoạt (trong sơ đồ sao) (trong sơ đồ sao) Độ an toàn 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa Vùng làm việc Hiệu quả ở 10 - 75m Hiệu quả ở < 10m Có thể thấy rằng với những ứng dụng cho nhiều phần tử, yêu cầu độ linh hoạt cao, giá thành thấp, tiêu thụ công suất nhỏ thì dùng Mạng ZigBee là rất phù hợp.
Dải tần trong mạng ZigBee Tín hiệu truyền trong mạng ZigBee thực chất là tín hiệu radio và đƣợc hỗ trợ trong các dải tần số sau: Hình 1.2: Dải Tần ZigBee LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu .Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s. Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thƣờng là 0kb/s. Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s. Trong nhiều ứng dụng, ngƣời ta hay dùng dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz.
Đây là dải tần phổ biến và đƣợc hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với mạng ZigBee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s. Nhƣ vậy ta có thể thấy rằng mạng ZigBee đã thừa hƣởng những ƣu điểm của mạng cảm biến không dây nhƣ: Độ linh động cao Mức tiêu thụ năng lƣợng thấp Bảo mật cao Sử dụng nhƣ một chuẩn mở Sở dĩ có thể nói nhƣ vậy là do: Mạng không dây bản chất là không tin cậy, nguyên nhân là do đặc tính vật lý của nó. Kim loại, nƣớc, thậm chí cả cơ thể con ngƣời cũng có thể là vật cản sóng hoặc ảnh hƣởng tới sóng truyền trong mạng không dây.
Tránh một thiết bị không dây để nhận sóng truyền từ một thiết bị là hết sức dễ dàng. Chính vì thế, các thiết bị trong mạng ZigBee sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để làm tăng độ tin cậy của mạng không dây. Bảo mật trong mạng ZigBee dựa trên thuật toán chuẩn mã hóa cao cấp – AES 128. Sự chứng thực và tính toàn vẹn của thông điệp đƣợc cung cấp bởi 1 bộ mã hóa để đảm bảo độ tin cậy giao tiếp giữa hai node trong mạng.
Ý tƣởng của việc này dựa trên một trung tâm xác thực. Điển hình cho kiểu thiết kế này chính là thiết bị ZC (ZigBee Coordinator), nó đƣợc thiết kế nhƣ một trung tâm xác thực thông tin. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Khi mà khái niệm về trung tâm xác thực đƣợc sử dụng, tất cả khóa cho việc mã hóa thông tin giữa hai thiết bị đều đƣợc cung cấp bới trung tâm xác thực. Mạng ZigBee đƣợc thiết kế và phân phối giống nhƣ một chuẩn mở toàn cầu.
Nó cung cấp mọi khả năng cho các nhà sản xuất có thể sản xuất các thiết bị dựa trên các đặc tả ZigBee cung cấp với giả rẻ. Hơn thế nữa, sự tƣơng thích giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau là rất tốt, miễn sao các nhà sản xuất tuân thủ đúng các chuẩn do mạng ZigBee cung cấp. Đây là một điều có lợi cho ngƣời tiêu dùng, ngƣời tiêu dùng có thể mua giá rẻ, đƣợc lựa chọn các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau mà không cần lo lắng vấn đề tƣơng thích giữa các thiết bị ZigBee của các nhà sản xuất khác nhau. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee 1.
Tổng quan Trong truyền thông, khi thực hiện một giao thức, ngƣời ta thƣờng dựa trên một mô hình kiến trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của kiến trúc tƣơng ứng. Trong truyền thông ta đã biết đến mô hình qui chiếu OSI 7 lớp.