Nghiên cứu đánh giá hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo tiêu chuẩn IEEE 802.15 bằng phương pháp mô phỏng máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







TẠ HỮU TRUNG


N
N
G
G
H
H
I
I
Ê
Ê
N
N


C
C
Ứ
Ứ
U

U


Đ
Đ
Á
Á
N
N
H
H


G
G
I
I
Á
Á


H
H
I
I
Ệ
Ệ
U
U

S
S
U
U
Ấ
Ấ
T
T


H
H
O
O
Ạ
Ạ
T
T


Đ
Đ
Ộ
Ộ
N
N
G
G

C
C
Ủ
Ủ
A
A


M
M
Ạ
Ạ
N
N
G
G


K
K
H
H
Ô
Ô
N
N
G
G

D
D
Â
Â
Y
Y


T
T
H
H
E
E
O
O


T
T
I
I
Ê
Ê
U
U


C

C
H
H
U
U
Ẩ
Ẩ
N
N


I
I
E
E
E
E
E
E


8
8
0
0
2
2
.
.
1

1
5
5


B
B
Ằ
Ằ
N
N
G
G


P
P
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


P

P
H
H
Á
Á
P
P


M
M
Ô
Ô


P
P
H
H
Ỏ
Ỏ
N
N
G
G


M
M
Á

Á
Y
Y


T
T
Í
Í
N
N
H
H





Ngành:
Mã số:


Công nghệ thông tin
1.01.10




LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS TS NGUYỄN VĂN TAM








Hà Nội – 2006

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
2
MỤC LỤC

MỤC LỤC 2
MỞ ĐẦU 12
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY THEO CHUẨN IEEE 802.15 14
1. Tổng quan về mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 14
1.1 Các ứng dụng của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 14
1.1.1 Ứng dụng trong gia đình và công sở 15
1.1.2 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp 16
1.1.3 Ứng dụng trong các buổi hội thảo 18
1.1.4 Ứng dụng trong Y khoa 18

1.2 Tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.15. So sánh, đánh giá định tính giữa các chuẩn 19
1.3 Kết luận 23
Chương 2 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE
802.15.3 24
2.1 Tổng quan hệ thống mạng không dây IEEE 802.15.3 24
2.2 Tầng vật lý 24
2.3 Tầng điều khiển truy nhập MAC 28
2.3.1 Điều khiển truy nhập 30
2.3.1.1 Tổ chức kênh 31
2.3.1.2 Phương thức lựa chọn trạm điều khiển Piconet 33
2.4 Kết luận 38
Chương 3 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE
802.15.4 40
3. Tổng quan về mạng không dây IEEE 802.15.4 40
3.1 Phương thức kết nối 41
3.2 Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.4 44

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
3
3.2.1 Tầng vật lý 44
3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập 49
3.3 Điều khiển truy nhập mạng 53
3.3.1 khuôn dạng khung 53
3.3.1.1 Khuôn dạng khung “Beacon” 54
3.3.1.2 Khuôn dạng khung dữ liệu 54
3.3.1.3 Khuôn dạng khung xác nhận 55
3.3.1.4 Khuôn dạng khung lệnh MAC 56
3.3.2 Khuôn dạng của siêu khung 57

3.3.3 Truyền dữ liệu 58
3.3.4 Cơ chế và các kiểu xác thực 60
3.3.4.1 Cơ chế thực hiện CSMA – CA 60
3.3.4.2 Xác nhận khung 63
3.3.4.3 Xác định dữ liệu 64
3.4 Tiêu thụ năng lượng 64
3.5 An ninh trong mạng 64
3.6 Kết luận 65
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN
IEEE 802.15.4 66
4.1 Hệ mô phỏng NS2 66
4.1.1 Kiến trúc của NS2 67
4.1.2 Môi trường mô phỏng 68
4.1.3 Ngữ cảnh mô phỏng 69
4.1.4 Mẫu lưu lượng 70
4.1.5 File trace 70
4.2 Triển khai mô phỏng và kết quả 71

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
4
4.2.1 Mục đích mô phỏng 71
4.2.2 Mô hình và các thông số mô phỏng 71
4.2.2.1 Mô hình 71
4.2.2.2 Các thông số mô phỏng 72
4.2.3 Phương pháp định tuyến Zigbee 73
4.2.4 Thiết lập mô phỏng 75
4.2.5 Kết quả mô phỏng 76
4.2.6 Kết luận 85

KẾT LUẬN 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87




















Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK
Acknowledgement

ACL
Access control list
AES
Advanced encryption standard
ASN.1
Abstract Syntax Notation Number 1
AWGN
Additive White Gaussian Noise
AV
Audio-Video
BE
Backoff exponent
BER
Bit Error Rate
BI
Beacon Interval
BO
Beacon Order
BOS
Binary Object Score
BP
Beacon Period
BPSK
Binary Phase Shift Key
BSN
Beacon Sequence Number
BBST
Beacon Period Start Time
CAP
Contention Access Period

CC
Connection Context
CCA
Clear Channel Assessment
CCM
Counter with CBC-MAC
CFP
Content Free Period
CID
Cluster Identifier
CK
Connection Key
CLH
Cluster Header
CRC
Cyclic Redundancy Check
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CTA
Channel Time Allocation
CTAP
Channel Time Allocation Period
CTR
Counter Mode
CTS
Clear to send
CW
Contention Window (Length)
DN
Data Notification

DNTS
Data Notification Time Slot

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
6
DRD
Dual Role Device
DRR
Distance Report Request
DSN
Data Sequence Number
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
ED
Energy Detection
EIRP
Effective Isotropic Radiated Power
EMC
Electromagnetic Compatibility
ERP
Effective Radiated Power
EVM
Error Vector Magnitude
FCC
Federal Communication Commission
FCS
Frame Check Sequence
FFD

Full-Function Device
FH
Frequency Hopping
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
FS
Full Speed
FSK
Fixed Symmetric Key
GTS
Guaranteed Time Slot
IE
Information Element
IFS
Inter-frame Space or Spacing
ISM
Industrial, Scientific and Medical
ISO
Isochronous
LDS
Least Distance Square
LAN
Location Area Network
LIFS
Long Inter-frame Spacing
LLC
Logical Link Control
LQ
Link Quality
LQI

Link Quality Indication
LPDU
LLC Protocol Data Unit
LR-WPAN
Low Rate-Wireless Personal Area Network
LSB
Least Significant Bit
MAC
Medium Access Control
MCPS
MAC Common Part Sublayer
MCPS-SAP
MCPS-Sublayer Access Point
MFR
Mac Footer

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
7
MHR
Mac Header
MIC
Message Integrity Code
MLME
MAC Sublayer Management Entity
MLME-SAP
MLME-Sublayer Access Point
MSB
Most Significant Bit

MSC
Message Sequence Chart
MS-CTA
Micro Schedule – CTA
MPDU
MAC Protocol Data Unit
MSDU
MAC Service Data Unit
MSTA
Micro Schedule Slot Time Allocation
NAK
Negative Acknowledgment
NB
Number of Backoff (Periods)
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OOB
Out of Band
O-QPSK
Offset Quadrature Phase Shift Keying
OSI
Open System Interconnection
Otcl
Object Tool Command Language
PAL
Programming Application Layer
PAN
Personal Area Network
PANPC
Personal Area Network Computer

PC
Personal Computer
PCA
Prioritized Contention Access
PD-SAP
PHY Data Service Access Point
PDU
Protocol Data Unit
PER
Packet Error Rate
PHR
PHY Header
PHY
Physical Layer
PK
Public Key Cryptography
PIB
PAN Information Base
PICS
Protocol Implementation Conformance Statement
PLME
Physical Layer Management Entity
PLME-SAP
PLME-Service Access Point
PN
Pseudo Random Noise
PNC
Piconet coordinator

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y

theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
8
POS
Personal Operating Space
PPDU
PHY Protocol Data Unit
PRF
Pulse Repetition Frequency
PSC
PBC Selection Counter
PSD
Power Spectral Density
PSDU
PHY Service Data Unit
PSR
PNC selection request
PPM
Parts Per Million
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RSSI
Received Signal Strength Indication
RTS
Request to send
RX
Receive or Receiver
SAP

Service Access Point
SD
Superframe Duration
SDL
Specification and Description Language
SNR
Signal to Noise Ratio
SDU
Service Data Unit
SFD
Start of Frame Delimiter
SHR
Synchronization Header
SIFS
Short Interframe Spacing
SO
Superframe Order
SPDU
SSCS Protocol Data Unit
SRD
Short Range Device
SSCS
Service Specific Convergence Sublayer
TDMA
Time Division Multi Access
TRX
Transceiver
TX
Transmit or Transmitter
USB

Universal Serial Bus
UWB
Ultra Wide Band
WLAN
Wireless Local Area Network
WPAN
Wireless Personal Area Network
WUSB
Wireless USB


Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
9
DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình vẽ 1.1 – Các kết nối trong gia đình và công sở 13
Hình vẽ 1.2: Ứng dụng mạng không dây trong gia đình 16
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. 17
Hình 1.4: Ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 trong các quá trình xử lý trong bệnh
viện 18
Hình 1.5: Tổ chức của chuẩn IEEE 802.15 19
Hình 1.6: Tốc độ dữ liệu và không gian sử dụng 20
Hình 1.7: Mô hình bẩy lớp ISO-OSI và mô hình của chuẩn IEEE 802.15 21
Hình 1.8: Một mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 gồm 7 nút. Hình tròn biểu
diễn phạm vi hoạt động của nút. Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có
thể truyền thông trực tiếp được cho nhau. 22
Hình 2.1: Phương thức kết nối 24

Hình 2.2: Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.3 25
Hình 2.3: FCC mask for indoor and outdoor communications 27
Hình 2.4: Mỗi ký hiệu là tập các xung 25
Hình 2.5: Thứ tự của các xung: 12 xung bằng 1 ký hiệu 28
Hình 2.6: Dải phổ của lớp vật lý theo đề xuất của MB-OFDM 28
Hình 2.7: Trao đổi dữ liệu và bản tin giữa trạm điều khiển và trạm làm việc 30
Hình 2.8: Truyền thông giữa 2 Piconet 30
Hình 2.9: Kiến trúc của siêu khung 31
Hình 2.10: Thủ tục truyền 32
Hình 2.11: Không gian Piconet trong IEEE 802.15.3 33
Hình 2.12: Thủ tục lựa chọn PNC 37
Hình 3.1: Phương thức kết nối theo kiểu hình sao và ngang hàng 37
Hình 3.2: Kết hợp phương thức kết nối hình sao và ngang hàng 41
Hình 3.3: Mạng có kiến trúc hình cây 42
Hình 3.4: Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.4 44

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
10
Hình 3.5: Các thành phần và kết nối của chuẩn IEEE 802.15.4 45
Hình 3.6: Chức năng trải phổ chuỗi trực tiếp 47
Hình 3.7: Các thành phần và giao diện của phân lớp MAC 49
Hình 3.8: Trình tự các bản tin 50
Hình 3.9: Quá trình liên kết với PAN 51
Hình 3.10: Quá trình phân tách khỏi PAN 52
Hình 3.11: Cấu trúc khung “Beacon” 53
Hình 3.12: Cấu trúc khung dữ liệu 55
Hình 3.13: Cấu trúc khung lệnh MAC 56
Hình 3.14: Cấu trúc khung xác nhận 56

Hình 3.15: Cấu trúc siêu khung 57
Hình 3.16: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng sử dụng “Beacon” 59
Hình 3.17: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng không sử dụng “Beacon” 60
Hình 3.18: Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc sử dụng “Beacon” 60
Hình 3.19: Truyền dữ liệu từ tràm điều khiển tới trạm làm việc không có “Beacon” 60
Hình 3.20: Thuật toán CSMA – CA 63
Hình 4.1: Kết quả thực hiện trên NAM 66
Hình 4.2: NS dưới góc nhìn của người dụng 68
Hình 4.3: Các Modul chức năng của IEEE 802.15.4 72
Hình 4.4: Kiến trúc các lớp của ZigBee 73
Hình 4.5: Trình tự quá trình liên kết mạng đơn liên cung 74
Hình 4.6: Trình tự quá trình liên kết mạng đa liên cung 74
Hình 4.7: AODV trên chuẩn IEEE 802.15.4 …77
Hình 4.8: Kết nối hình sao có sử dụng khung “Beacon” 77
Hình 4.9: Kết nối ngang hàng có cấu trúc hình cây và sử dụng khung “Beacon” 78
Hình 4.10: Phân bố các trạm 79
Hình 4.11: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 – Packet delivery ratio 80
Hình 4.12: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11: RTS/ CTS Overhead 81

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
11
Hình 4.13: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 về bước trễ 82
Bảng 3.1: Thông số của tiền tố PLME – ED.confirm 46
Bảng 3.2: Tần số kênh 47
Bảng 3.3: Bảng ánh xạ Bit – to – chip 48
Bảng 4.1 Successful Association Rate, Beaconing Cooperator Ratio 83

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
12
MỞ ĐẦU
Mạng không dây di động là một hệ thống gồm các nút mạng không dây, di
động có thể tự tổ chức và cấu hình mạng một cách động và tự do, tạo thành một
mạng tùy ý và tạm thời, cho phép con người và các thiết bị kết nối với nhau một
cách “liền mạch” trong một vùng nào đó mà không cần có sẵn cơ sở hạ tầng về
truyền thông.
Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng ad-hoc có từ những năm 70 khi nghiên
cứu về công nghệ Mobile Packet Radio. Nhưng hiện tại vẫn còn rất nhiều vấn đề
về mạng không dây dành được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu:
- Các vấn đề về định tuyến;
- Tối ưu hóa tầng vật lý và tầng MAC (năng lượng, an ninh, QoS,…);
- Tự cấu hình (gán địa chỉ, khám phá dịch vụ);
- Các vấn đề về an ninh;
- Các ứng dụng và dịch vụ mới cho mạng không dây cùng kiến trúc của
chúng;
- …
Để đáp ứng được nhu cầu của thị trường thì truyền thông trong tương lai
với mục tiêu đạt được sự kết nối “cho bất kỳ ai, cho mọi thứ, tại bất kỳ nơi nào
và tại mọi thời điểm”. Quan điểm đầy tham vọng này giả thiết rằng: thế giới
không dây mới là kết quả của việc tích hợp đầy đủ các hệ thống không dây đang
tồn tại và hệ thống không dây trong tương lai. Hiện nay, các ứng dụng của hệ
thống điện thoại cellular, mạng diện rộng và mạng cục bộ không dây chỉ đáp ứng
được các nhu cầu kết nối cơ bản của con người ví dụ như: giọng nói, các thông

báo tức thì hoặc việc trao đổi dữ liệu tốc độ thấp. Tuy nhiên để thực hiện được
việc trao đổi dữ liệu có tốc độ cao, một công nghệ mới cho quá trình truyền
thông không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu cao được yêu cầu và

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
13
trở thành một chức năng quan trọng trong tương lai. Mạng cá nhân không dây
mới dựa trên băng thông cực rộng được mong đợi là đáp ứng đầy đủ các đặc tính
như: tốc độ dữ liệu cao, đáp ứng được nhu cầu Multimedia, về hình ảnh số, tiêu
thụ năng lượng thấp, đơn giản hoá quá trình truyền, nhận và khả năng an toàn
QoS cao.
Để đáp ứng được nhu cầu đó, chuẩn IEEE 802.15 đã được hình thành và
ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Do đó, mục đích của luận văn
này là nghiên cứu đặc tả công nghệ của chuẩn IEEE 802.15. Đồng thời đánh giá
hiệu suất hoạt động của IEEE 802.15 (IEEE 802.15.4). Trên cơ sở đó có thể lựa
chọn các giải pháp kỹ thuật sao cho phù hợp với các tiêu chí của các ứng dụng
trong thực tế.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục
như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng không dây theo chuẩn IEEE802.15 và
những vấn đề đang được quan tâm trong lĩnh vực này.
Chương 2: Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động của chuẩn IEEE 802.15.3.
Chương 3: Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động của chuẩn IEEE 802.15.4
Chương 4: Giới thiệu về phần mềm mô phỏng NS2 chạy trên nền Linux
và đánh giá hiệu suất thuật toán truy nhập mạng theo tiêu
chuẩn IEEE 802.15.4.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
14
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)”.
1.1 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

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
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.
1.1.1. 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.


Hình 1.1 - 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

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
16

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 1.1 và hình 1.2.



Hình 1.2 – Các ứng dụng trong gia đình

1.1.2. 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

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
17
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.


Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
18
1.1.3. 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.

1.1.4. 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






Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
19
1.2 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”. Hình
1.5 là sơ đồ tổ chức của IEEE 802.15 [19]:

Hình 1.5 - 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 802.15.3 (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.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
20
- WPAN có tốc độ dữ truyền dữ liệu trung bình: IEEE 802.15.1 (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
802.15.4 (LR-WPAN). 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.
Hình 1.6 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 802.15.
Bởi vì chuẩn này được xây dựng trên cơ sở của tổ chức quốc tế về chuẩn liên
kết các hệ thống mở OSI.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
21
Chuẩn 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




High Layers

6

Presentation

5

Session

4

Transport

3

Network


2



Data link
Logical Link Control
(LLC)
Media Access Control
(MAC) – IEEE 802.15

1

Physical
Physical Signaling
(PHY) – IEEE 802.15

Hình 1.7 – 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. Nếu hai nút có thể liên
kết trực tiếp với nhau thì liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút,
đồ thị biểu diễn này là một đồ thị tuỳ ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất kỳ thời
điểm nào.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
22


Hình 1.8 - Một mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 gồm 7 nút. Hình
tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của nút. Các nút nằm trong phạm vi hoạt
động của nhau có thể truyền thông trực tiếp được cho nhau.
Sự kết nối giữa các nút được kiểm soát bởi khoảng cách giữa các nút và tính
sẵn sàng hợp tác để tạo thành một mạng dính liền, mặc dù là tạm thời.
(1) Khoảng cách giữa các nút: Trong mạng không dây theo chuẩn IEEE
802.15, ngoài các nút mạng, không cần thiết phải có thêm bất cứ một cơ
sở hạ tầng mạng nào cả. Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần
nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng. Chỉ cần hai hoặc nhiều nút
chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng không
dây.
(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện đủ
để thành lập mạng không dây. Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải
sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng. Nói cách khác, tự bản thân nút quyết
định “online” hay “offline”.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15

T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
23
(3) Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng không
dây được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách
nhất định. Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng.
Do đó, mạng được coi là tạm thời. Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ
tầng mạng cho trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu
ngang hàng (peer-to-peer).
1.3 Kết luận
Có thể nói rằng mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 là mạng được tạo
thành, hủy bỏ, và thay đổi mà không hề có sự can thiệp của người dùng. Một đặc
điểm riêng biệt nhất của mạng không dây là khả năng đa chặng của nó: các nút
chuyển tiếp các gói tin thay mặt lẫn nhau để tạo thành một mạng không dây có
phạm vi trải rộng trên một vùng, vượt xa phạm vi của các công nghệ không dây
cơ bản dựa trên các topo hình sao hoặc ngang hàng.
Lợi ích của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 thể hiện rõ nhất trong
các ngữ cảnh mà mạng truyền thống không khả thi do những lý do về kinh tế
hoặc những lý do triển khai trong thực tế. Có thể kể tên các ngữ cảnh này như:
Trong cuộc sống hàng ngày và trong công sở, trong các ngành công nghiệp,
thảm họa, hội thảo, mạng cảm biến, và trong lĩnh vực y khoa.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
24
Chương 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA
CHUẨN IEEE 802.15.3
Giống như các công nghệ chủ đạo khác, chuẩn IEEE 802.15.3 tập chung vào
người sử dụng trong gia đình. Người sử dụng có thể kết nối mạng không dây các
thiết bị trong gia đình với giá thành rẻ, tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn, tốc
độ cao (có thể lên tới 480 Mbps trong phạm vi 3 m) và nhanh chóng hơn rất
nhiều so với những công nghệ không dây IrDA và Bluetooth (theo
www.vnexpress.net ngày 26/05/2005 và www.quantrimang.com.vn ngày
26/12/2005).
Chương này trình bày tổng quan hệ thống mạng IEEE 802.15.3. Đồng thời
nghiên cứu và trình bày chi tiết nguyên tắc hoạt động của tầng vật lý và tầng
điều khiển truy nhập mạng.
2.1. Tổng quan hệ thống mạng không dây IEEE 802.15.3
Hệ thống chuẩn IEEE 802.15.3 bao gồm 3 phần cơ bản: Trạm điều khiển,
trạm làm việc và liên kết giữa trạm điều khiển và trạm làm việc. Một trạm điều
khiển có thể hỗ trợ lên tới 128 trạm làm việc trong khoảng cách 10m (Hình vẽ
2.1) [1].





Hình 2.1: Phương thức kết nối

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y

theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
25
Hình 2.2 là kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.3 [18]:



Hình 2.2 - Kiến trúc của IEEE 802.15.3
Để lý giải tại sao chuẩn IEEE 802.15.3 là chuẩn đầy triển vọng trong tương
lai, luận văn sẽ trình bày tầng vật lý và tầng điều khiển truy cập MAC của chuẩn
này:
2.2. Tầng vật lý
Chuẩn IEEE 802.15.3 được xây dựng theo chuẩn WPAN, có tầng vật lý sử
dụng công nghệ UWB. WPAN là một chuẩn rất quan trọng đối với rất nhiều nền
công nghiệp. Hãy so sánh WPAN với các mạng không dây khác, ví dụ như
WLAN và mạng tế bào không dây, thì WPAN được hoạt động trong khoảng
không gian gia đình nhỏ hơn, khoảng cách của nó là nhỏ hơn 10m, có tốc độ
truyền dữ liệu cao, nó có thể đạt được tốc độ lên tới 500 Mbps trong khoảng
cách là 3m. Mức năng lượng tiêu thụ thấp và tương thích với các thiết bị được
thiết kế theo chuẩn CMOS. Điều này cho phép các thiết bị sử dụng theo chuẩn
này có giá thành thấp [7, 21, 23].