Đánh giá hiệu năng của giao thức mạng không dây cá nhân Zigbee

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN QUANG DƢƠNG






ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC
MẠNG KHÔNG DÂY CÁ NHÂN ZIGBEE






LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2014




ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN QUANG DƢƠNG




ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC
MẠNG KHÔNG DÂY CÁ NHÂN ZIGBEE


Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số:



LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Đình Việt




HÀ NỘI - 2014



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, luận văn “Đánh giá hiệu năng của giao thức mạng cá nhân
không dây Zigbee” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Đình
Việt. Các số liệu được trình bày trong luận văn do tôi tự thực hiện mô phỏng, đo đạc.


Tác giả luận văn





NGUYỄN QUANG DƢƠNG

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
MỤC LỤC
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 3
1.1. Lịch sử hình thành mạng không dây 3
1.2. Phân loại các mạng không dây phổ biến 5
1.2.1. Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 6
1.2.2. Mạng WLAN (Wireless Local Area Network) 8
1.2.3. Mạng WMAN (Wireless Metropolitian Area Network), WWAN ((Wireless
Wide Area Network) 10
1.2.4. Mạng Tế Bào (Cellular Network) 11
1.3. Chuẩn IEEE 802.11 và một số vấn đề trong mạng không dây cự li ngắn 12
1.3.1. Vấn đề trạm ẩn, trạm lộ 12
1.3.2. Cơ chế CSMA/CD và CSMA/CA với gói tin biên nhận ACK 14
1.3.3. IEEE 802.11 và cơ chế CSMA/CA+ACK+RTS/CTS 15
Chƣơng 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN THEO CHUẨN IEEE 802.15.1
VÀ IEEE 802.15.3 18
2.1. Chuẩn IEEE 802.15.1 và mạng Bluetooth 18
2.1.1. Kiến trúc mạng không dây Bluetooth (IEEE 802.15.1) 18
2.1.2. Tầng Vật lí 20
2.1.3. Tầng MAC: 21
2.2. Chuẩn IEEE 802.15.3 và mạng UWB 22
2.2.1. Kiến trúc mạng không dây UWB (IEEE 802.15.3) 22

2.2.2. Tầng vật lí 25
2.2.3. Tầng MAC 26
Chƣơng 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 31
3.1. Các thành phần của mạng WPAN 802.15.4 – Zigbee 31
3.2. Phân loại Tô-pô mạng trong WPAN 802.15.4 31



3.2.1. Tô-pô mạng hình sao 31
3.2.2. Tô-pô mạng ngang hàng 32
3.2.3. Tô-pô mạng Cây Phân Cụm (Cluster-Tree) 32
3.3. Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 và Zigbee 33
3.4. Mô hình truyền dữ liệu 36
3.4.1. Truyền dữ liệu đến Coordinator 36
3.4.2. Truyền dữ liệu từ Coordinator 37
3.4.3. Truyền dữ liệu từ các thiết bị ngang hàng 38
3.5.Tầng Vật lí của Zigbee (IEEE 802.15.4) 38
3.5.1.Tổng quan kiến trúc tầng vật lí của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 38
3.5.2. Băng tần sử dụng trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 39
3.5.3. Các chức năng của tầng vật lí 40
3.6. Tầng MAC của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 41
3.6.1. Tổng quan cấu trúc của tầng MAC trong Zigbee (IEEE 802.15.4) 41
3.6.2. Cấu trúc các khung trong tầng MAC 42
3.6.3. Cơ chế điều khiển truy nhập trong tầng MAC 45
3.6.4. Một số chức năng khác của tầng MAC 51
3.7. Tầng Mạng trong mạng Zigbee 55
3.7.1. Tổng quan tầng mạng trong Zigbee 55
3.7.2. Khuôn dạng dữ liệu tầng mạng 58
3.7.3. Chức năng định tuyến của tầng mạng 62
3.7.4. Tổng kết các chức năng của tầng mạng 72

3.8. Tầng Ứng dụng trong mạng Zigbee 72
3.8.1. Tổng quan tầng Ứng dụng trong mạng Zigbee 72
3.8.2. Lớp con nền tảng ứng dụng (App framework) 73
3.8.3. Lớp con Đối tượng thiết bị Zigbee ZDO (Zigbee Device Object) 75
3.8.4. Lớp con Hỗ trợ Ứng dụng APS (Application Support) 76
3.9. Bảo mật trong mạng Zigbee 78
3.10. Kết luận 82
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG ZIGBEE
84



4.1. Chương trình mô phỏng mạng NS2 84
4.1.1. Kiến trúc của NS2 84
4.1.2. Môi trường mô phỏng 85
4.1.3. Tệp vết (File Trace) 85
4.2. Triển khai mô phỏng và kết quả 87
4.2.1. Mục đích mô phỏng 87
4.2.2. Thí nghiệm và kết quả mô phỏng và đánh giá 87
KẾT LUẬN 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100







CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Các từ viết tắt
Nghĩa Tiếng Anh
ACK
ACKnowledgement
AES
Advanced Encryption Standard
AF
Application Framework
AODV
Ad-hoc On-demand Distance Vector
AP
Access Point
APS
Application Support Sublayer
ARPANET
Advanced Research Projects Agency Network
BE
Backoff Exponent
BER
Bit Error Rate
BLE
Battery Life Extension
BO
Beacon Order
BS
Base Station
BSS
Base Service Set
CAP
Contention Access Period

CBR
Constant Bit Rate
CCA
Clear Channel Assessment
CCM
Counter with CBC-MAC
CFP
Contention-Free Period
CH
Cluster Head
CRC
Cyclic Redundancy Check
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CTA
Channel Time Allocation
CTAP
Channel TimeAllocation Period
CTS
Clear To Send
CW
Congestion Window
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
DCF
Distributed Coordination Function
DEV
Device

ED
Energy Detection
ESS
Extended Service Set
FCS
Frame Check Sequence
FFD
Full-Function Device
FH
Frequency Hopping
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
GTS
Guaranteed Time Slot
HR-WPAN
High-rate Wireless Personal Area Network
IB
Information Base
IB
Integrity Check Value



IFS
Interframe Spacing
IEEE
The Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFS
Interframe Space
INTELSAT

The International Telecommunications Satellite Consortium
IP
Internet Protocol
LAN
Local Area Network
LLC
Logical Link Control
LQI
Link Quality Indicator
LR-WPAN
Low-rate Wireless Personal Area Network
MAC
Medium Access Control
MIC
Message Integrity Code
MLME
MAC Layer Management Entity
MPDU
MAC Protocol Data Unit
MSDU
MAC Service Data Unit
NLDE
Network Layer Data Entity
NWK
Network Layer
NS
Network Simutator
PAN
Network Simutator
PIB

PAN Information Base
PLME
Physical Layer Management Entity
PPDU
PHY Protocol Data Unit
PHY
Physical layer
PLME
Physical Layer Management Entity
PNC
Piconet Coordinator
PS
Power Save
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced-Function Device
RREP
Route Reply
RTS
Request To Send
RREQ
Route Request
SAP
Service Access Point
SHR
Synchronization Header
SNR
Signal-to-Noise Ratio
SO

Superframe Order
SSCS
Service-Specific Convergence Sublayer
TCP/IP
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TRX
Transceiver
TX
Transmitter
WLAN
Wireless Local Area Network
WMAN
Wireless Metropolitian Area Network
WPAN
Wireless Personal Area Network
WWAN
Wireless Wide Area Network



DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1: So sánh các chuẩn Bluetooth 6
Bảng 1. 2: Bảng so sánh các chuẩn Wifi - IEEE 802.11 10
Bảng 3. 1: Các thuộc tính được cung cấp ở lớp vật lí Zigbee (IEEE 802.15.4) 39
Bảng 3. 2: Định nghĩa các lệnh MAC - Zigbee (IEEE 802.15.4)…………………. 45
Bảng 3. 3: Các dạng lệnh trong tầng mạng Zigbee……………………………… 61
Bảng 3. 4: Bảng định tuyến trong tầng mạng Zigbee…………………………… 63
Bảng 3. 5: Bảng khám phá định tuyến trong tầng mạng Zigbee………………… 63
Bảng 3. 6: Bảng hàng xóm trong tầng mạng Zigbee……………………………… 64

Bảng 3. 8: So sánh giữa các mạng không dây cá nhân và Wifi………………… 83




DANH MỤC HÌNH VẼ


Hình 1. 1: Doanh nghiệp dùng mạng có kết nối có dây và không dây 3
Hình 1. 2: Phân loại các mạng không dây phổ biến 6
Hình 1. 3: Mô hình mạng WLAN có hạ tầng 9
Hình 1. 4: Mô hình mạng WLAN Ad-hoc 9
Hình 1. 5: Mô hình mạng WiMAX cố định 11
Hình 1. 6: Mô hình mạng tế bào – mạng di động 12
Hình 1. 7: Phân loại mạng không dây cự li ngắn 12
Hình 1. 8: Vấn đề trạm ẩn 13
Hình 1. 9: Vấn đề trạm lộ 13
Hình 1. 10: Cơ chế CSMA/CA + ACK 15
Hình 1. 11: Cơ chế CSMA/CA + ACK với gói tin RTS/CTS 16

Hình 2. 1: Tổng quan kiến trúc của mạng Bluetooth 18
Hình 2. 2: Kiến trúc tổng quan của mạng Bluetooth 20
Hình 2. 3: Các bước nhảy tần số trong mạng Bluetooth 20
Hình 2. 4: Kiến trúc mạng dữ liệu UWB 23
Hình 2. 5: Mô hình Piconet của mạng UWB (IEEE 802.15.3) 23
Hình 2. 6: : Cấu trúc siêu khung trong mạng UWB (IEEE 802.15.3) 24
Hình 2. 7: Mô hình tổng quan kiên trúc của UWB (IEEE 802.15.3) 25
Hình 2. 8: Dải phổ tần số của công nghệ DS-UWB 26
Hình 2. 9: Dải phổ tần số của công nghệ MB-OFDM 26
Hình 2. 10: Cấu trúc gói tin của tầng MAC trong chuẩn IEEE 802.15.3 26

Hình 2. 11: Cấu trúc tiêu Frame Control của tầng MAC IEEE 802.15.3 27
Hình 2. 12: : Cấu trúc Fragmentation Control tầng MAC - IEEE 802.15.3 27
Hình 2. 13: Cấu trúc siêu khung của tầng MAC trong chuẩn IEEE 802.15.3 28
Hình 2. 14: Thủ tục truyền trong UWB (IEEE 802.15.3) 28
Hình 2. 15: : Các khoảng Interframe trong mạng UWB 29

Hình 3. 1: Tô-pô mạng hình sao của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 32
Hình 3. 2: Tô-pô mạng ngang hàng của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 32
Hình 3. 3: Tô-pô mạng Cây phân cụm của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 33
Hình 3. 4: Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 33
Hình 3. 5: Kiến trúc mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 34
Hình 3. 6: Khái niệm nguyên hàm trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 35
Hình 3. 7: Việc truyền dữ liệu trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 36
Hình 3. 8: Truyền dữ liệu đến Coordinator 37



Hình 3. 9: Truyền dữ liệu từ Coordinator 37
Hình 3. 10: Các thành phần của tầng vật lí Zigbee (IEEE 802.15.4) 38
Hình 3. 11: Khuông dạng dữ liệu PPDU (IEEE 802.15.4) 39
Hình 3. 12: Dải tần số trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 40
Hình 3. 13: Sơ đồ nguyên lí của bộ điều chế trong Zigbee (IEEE 802.15.4) 41
Hình 3. 14: Cấu trúc chung của khung MAC mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 42
Hình 3. 15: Cấu trúc khung Beacon của Zigbee (IEEE 802.15.4) 43
Hình 3. 16: Cấu trúc khung dữ liệu của Zigbee (IEEE 802.15.4) 44
Hình 3. 17: Khung báo nhận ACK trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 44
Hình 3. 18: Cấu trúc của khung lệnh MAC trong Zigbee (IEEE 802.15.4) 44
Hình 3. 19: Cấu trúc của Siêu khung trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 46
Hình 3. 20: Cấu trúc siêu khung với khoảng chủ động và bị động 47
Hình 3. 21: Phương pháp Slotted CSMA/CA và Unslotted CSMA/CA 50

Hình 3. 22: Sơ đồ quá trình liên kết với trạm điều phối PAN 53
Hình 3. 23: Sơ đồ quá trình phân tách với trạm điều phối PAN 54
Hình 3. 24: Cấu trúc các tầng được thiết kế bởi Zigbee Alliance 55
Hình 3. 25: Các loại tô-pô của mạng theo chuẩn Zigbee Alliance 56
Hình 3. 26: Tổng quan tầng mạng trong mạng Zigbee 57
Hình 3. 27: Cách thức truyền thông trong Zigbee 58
Hình 3. 28: Cấu trúc khung dữ liệu tầng Mạng Zigbee 60
Hình 3. 29: Cấu trúc khung của lệnh ở tầng MAC trong mạng Zigbee 61
Hình 3. 30: Định tuyến AODV và hình thành định tuyến ngược 67
Hình 3. 31: Độ sâu của mạng trong mô hình Cây phân cấp 69
Hình 3. 32: Ví dụ về mạng cây phân cấp được đánh địa chỉ 70
Hình 3. 33: Mô hình tầng ứng dụng trong mạng Zigbee 73
Hình 3. 34: Mô hình các loại hồ sơ ứng dụng trong Zigbee 74
Hình 3. 35: Mô hình ZDO trong mạng Zigbee 75
Hình 3. 36: Khuông dạng gói tin của lớp con APS 77
Hình 3. 37: Khuôn dạng trường FrameControl trong lớp con APS 77
Hình 3. 38: Mô hình mã hóa và giải mã trong mạng Zigbee 79
Hình 3. 39: Ứng dụng MIC trong xác thực dữ liệu của mạng Zigbee 80
Hình 3. 40: Cấu trúc Auxiliary Security Header và CCM* Nonce 81
Hình 3. 41: Trường MIC trong các tầng trong mạng Zigbee 82

Hình 4. 1: Tổng quan kiến trúc của NS2 được đơn giản hóa 84
Hình 4. 2: Định dạng của tệp vết mạng không dây trong NS2 86
Hình 4. 3: Mô hình mô phỏng mạng không dây tĩnh 88
Hình 4. 4: So sánh tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tầng MAC của chuẩn IEEE
802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4) 90



Hình 4. 5: So sánh chi phí RTS/CTS tầng MAC của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee

(IEEE 802.15.4) 91
Hình 4. 6: So sánh mức tiêu thụ năng lượng của mạng giữa chuẩn IEEE 802.11 và
Zigbee (IEEE 802.15.4) 92
Hình 4. 7: So sánh tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tầng ứng dụng của chuẩn
IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4) 94
Hình 4. 8: So sánh độ trễ trung bình của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE
802.15.4) 95
Hình 4. 9: So sánh tỉ lệ mất gói tin của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE
802.15.4) 96
Hình 4. 10: So sánh tải định tuyến của mạng giữa chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee
(IEEE 802.15.4) 97














1
LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ mạng không dây đang trở nên phổ biến do tính linh
hoạt, thuận tiện cho sử dụng, đồng thời độ tin cậy và tốc độ không ngừng được cải

thiện , ngoài ra các chi phí thiết bị cũng đã giảm rất đáng kể so với thời kỳ đầu mới
xuất hiện trên thị trường. Công nghệ không dây đã ngày càng thể hiện sự ưu việt so
với mạng cáp hữu tuyến và một số chuẩn mạng không dây đã ngày càng trở nên
phổ biến hơn như: Wifi, Bluetooth, GSM … Công nghệ không dây cũng thể hiện
tốt vai trò của mình trong việc ứng dụng không chỉ cho người dùng cá nhân được
tích hợp rộng rãi trong các ngành công nghiệp, ngày càng phổ biến trong nhiều mặt
của xã hội.
Trong các dạng mạng không dây, dựa vào khoảng cách phủ sóng người ta
chia mạng không dây thành các loại mạng khác nhau như mạng không dây diện
rộng, mạng không dây cục bộ hay mạng không dây cá nhân. Dựa vào nhu cầu của
người sử dụng về tốc độ của mạng cá nhân, người ta lại chia mạng không dây cá
nhân ra thành mạng tốc độ thấp và mạng tốc độ cao. Mạng không dây cá nhân tốc
độ cao phù hợp với các ứng dụng cần băng thông lớn như nhu cầu giải trí, xem hình
ảnh âm thanh độ nét cao, hay đơn giản cần chia sẻ dữ liệu. Mạng với mạng có tốc
độ thấp, với các nút mạng hoạt động dựa trên năng lượng pin, cần có thời gian hoạt
động càng dài càng tốt để thực hiện các mục đích như truyền các tín hiệu điều
khiển, thu thập các thông tin trong một quá trình lâu dài.
Zigbee là một chuẩn mạng không dây cá nhân WPAN (Wireless Personal
Area Network), được thiết kế dựa trên chuẩn fIEEE 802.15.4, hay còn gọi là mạng
không dây cá nhân tốc độ thấp LR-WPAN (Low-Rate WPAN). Mục đích của mạng
Zigbee là truyền tải các tín hiệu cần băng thông nhỏ, nhưng lại có thời gian sống
của các nút trong mạng rất lâu (có thể lên đến vài tháng), hỗ trợ các tô-pô mạng có
nhiều đến rất nhiều nút mạng (tối đa là 65536 nút). Zigbee được ứng dụng rất nhiều
trong các ngành công nghiệp, các công việc cần sự thu thập dữ liệu có dung lượng
nhỏ nhưng số lượng lớn (ví dụ: tín hiệu điều khiển trong các ngôi nhà thông minh,
các thông tin sức khỏe cần theo dõi, mạng cảm biến không dây …).
Đề tài này tập trung nghiên cứu về mạng Zigbee, cũng như kiến trúc mạng
theo chuẩn IEEE 802.15.4 và so sánh hiệu năng của mạng Zigbee với một số mạng
không dây khác. Luận văn được xây dựng theo mẫu quy định của trường Đại Học
Công Nghệ - ĐHQGHN gồm 4 chương chính, ngoài ra còn có các phần mở đầu, kết

luận và tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các
chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên
cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chương được tóm tắt như sau:
Chương I: Tổng quan về các mạng không dây


2
Chương II: Tập trung nghiên cứu về mạng IEEE 802.15.4 và Zigbee
Chương III: Tìm hiểu các mạng không dây khác cần so sánh hiệu năng
Chương IV: Mô phỏng mạng IEEE 802.15.4 – Zigbee và đánh giá kết quả
một số độ đo hiệu năng
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã cố gắng hết
sức để hoàn thiện các nội dung kiến thức và số liệu trong luận văn, song luận văn
chắc chắn vẫn còn những hạn chế nhất định, tác giả mong nhận được các ý kiến
đóng góp để vấn đề nghiên cứu này có thể phát triển hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đình Việt, thầy đã gợi ý đề
tài, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo đồng thời cung cấp các tài liệu quý liên quan trong
quá trình tác giả thực hiện luận văn. Đồng thời, tác giả xin chân thành cảm ơn các
thầy, cô giáo đã chỉ dạy kiến thức, phương pháp và truyền cảm hứng nghiên cứu
khoa học cho tác giả trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ, Đại học
Quốc gia Hà Nội.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả



NGUYỄN QUANG DƢƠNG

3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY

1.1. Lịch sử hình thành mạng không dây [11]
Mạng không dây là một dạng của mạng máy tính, mà việc kết nối được sử
dụng là các giao thức kết nối không dây cho các nút mạng.
Mạng kết nối không dây là một phương thức kết nối được dùng ở các hộ gia
đình, các mạng viễn thông và các mạng doanh nghiệp triển khai để giảm bớt giá
thành của việc triển khai mạng lưới cáp trong các tòa nhà, hoặc kết nối giữa các
thiết bị trong cùng một khu vực. Các mạng không dây thường được triển khai và
quản lí bởi sóng vô tuyến thay vì thông qua hệ thống đường truyền bằng dây dẫn
(hữu tuyến). Hệ thống mạng không dây là một hệ thống mạng linh hoạt cho phép
các nút mạng trong cùng một mạng có thể vừa di chuyển (thay đổi vị trí) liên tục và
vừa kết nối và truyền dữ liệu cho nhau, các nút mạng cũng có thể ra vào hệ thống

mạng dễ dàng nếu như nằm trong vùng có khả năng kết nối.
Ngày nay các mạng kết nối không dây cũng đang dần trở nên quen thuộc, ở một
số nơi khi việc thực hiện mạng hữu tuyến là không khả thi, người ta thường nghĩ đến
triển khai các mạng không dây trên diện rộng để đáp ứng nhu cầu số lượng nút mạng
lớn. Các loại mạng không dây quen thuộc có thể kế đến là mạng Bluetooth (chuẩn kết
nối truyền dữ liệu dành cho các thiết bị di động), mạng Wifi (chuẩn kết nối phổ thông
dành cho các thiết bị văn phòng) hay mạng di động GSM (dành cho các thiết bị điện
thoại cầm tay) đang được sử dụng rộng rãi và phổ biến bởi sự tiện lợi to lớn của nó
mang lại so với việc triển khai hệ thống mạng dây hữu tuyến.

Hình 1. 1: Doanh nghiệp dùng mạng có kết nối có dây và không dây[13]
Hệ thống mạng không dây đơn sơ đầu tiên phải kể đến là hệ thống mạng
truyền sóng vô tuyến của nhà phát minh người Ý Guglielmo Marconi (1874-1937).
Năm 1894, Marconi đã bắt đầu đưa ra các cuộc thử nghiệm về việc truyền tín hiệu
giữa hai địa điểm và đến năm 1897 ông đã thành công khi truyền tín hiệu điện báo
đi xa được 14km qua kênh đào của Anh mà không cần sử dụng đến bất kì loại dây


4
nào. Ông đã chứng minh sóng radio có thể truyền trong khí quyển, mở đầu cho việc
tìm ra một kết nối không dây thích hợp để tạo lập các mạng truyền tín hiệu.
Năm 1962, vệ tinh truyền thông đầu tiên mang tên Telstar được đưa lên quỹ
đạo của Trái Đất. Năm 1968, mạng APARNET ra đời dựa trên yêu cầu về một
mạng nội bộ bảo mật của quân đội Mỹ, là tiền thân của mạng Internet sau này,
mạng là sự kết hợp của vô số các thiết bị, các máy chủ cung cấp dịch vụ, các máy
trạm khai thác thông tin và các hệ thống truyền thông, đánh dấu một bước phát triển
hạ tầng quan trọng cho phát triển hệ thống mạng lưới thông tin đa quốc gia nói
chung và mạng không dây nói riêng.
Năm 1989, cơ quan quản lí viễn thông liên bang FCC (Federal
Communication Commission)cũng quyết định đồng ý mở cửa cho một số băng tần

của dải sóng không dây được phép sử dụng mà không cần giấy phép của chính phủ,
gọi là các “băng tần rác” (900MHz, 2.4GHz và 5.8GHz) trước đây được sử dụng
cho các vật dụng với mục đích ngoài liên lạc. Vào những năm 1990, viện Kỹ thuật
Điện và Điện Tử (IEEE) bắt đầu làm việc để tạo ra các tiêu chuẩn mạng không dây
dựa trên dải tần không cần giấy phép, để phục vụ cho các mục đích công nghiệp,
khoa học và y tế.
Năm 1997, IEEE phê chuẩn chuẩn không dây 802.11(hiện tại được biết đến
với tên gọi Wifi), được gọi là chuẩn “giao tiếp trong không khí” – “Over the air”
giữa các trạm thu phát không dây và các trạm cơ sở, nhưng chưa xác nhận các khả
năng tương tác . Sau đó 2 năm, các chuẩn 802.11a và 802.11b lần lượt được phê
chuẩn, và tổ chức WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) cũng xác
nhận khả năng tương thích của 802.11, mở ra khả năng phổ biến toàn cầu của mạng
không dây này. Đến năm 2003, IEEE tiếp tục ra thêm tiêu chuẩn 802.11g và 2009
là 802.11n.
Song song với việc phát hành mạng Wifi (802.11), tổ chức IEEE cũng phát
triển thêm các chuẩn không dây khác để đáp ứng nhu cầu trong nhiều lĩnh vực có
thông tin truyền nhận, gộp chung lại là họ các chuẩn IEEE 802, các chuẩn IEEE
802 được giới hạn cho các mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng. Các dịch
vụ và giao thức được đặc tả trong IEEE 802 ánh xạ tới hai tầng thấp nhất trong mô
hình ISO 7 tầng. Họ chuẩn IEEE 802 được bảo trì bởi Ban Tiêu chuẩn LAN/MAN
IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC)). Các chuẩn lần lượt
như dưới đây [14]:
IEEE 802.1– Các giao thức LAN tầng cao
IEEE 802.1D – Spanning Tree Protocol
IEEE 802.1Q – Virtual Local Area Networks (Virtual LAN)
IEEE 802.1aq - Shortest Path Bridging (SPB)
IEEE 802.2 điều khiển liên kết lôgic


5

IEEE 802.3 Ethernet
IEEE 802.4 Token bus (đã được rút bỏ)
IEEE 802.5 Token Ring
IEEE 802.6 Metropolitan Area Network (đã được rút bỏ)
IEEE 802.7 Broadband LAN using Coaxial Cable (đã được rút bỏ)
IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (đã được rút bỏ)
IEEE 802.9 Integrated Services LAN (đã được rút bỏ)
IEEE 802.10 Interoperable LAN Security (đã được rút bỏ)
IEEE 802.11 Wireless LAN (Wi-Fi certification)
IEEE 802.12 công nghệ 100 Mbit/s plus
IEEE 802.13 (không sử dụng)
IEEE 802.14 modem cáp (đã được rút bỏ)
IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth certification)
IEEE 802.15.4 (ZigBee certification)
IEEE 802.16 Broadband Wireless Access (WiMAX certification)
IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access
IEEE 802.17 Resilient packet ring
IEEE 802.18 Radio Regulatory TAG
IEEE 802.19 Coexistence TAG
IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access
IEEE 802.21 Media Independent Handoff
IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network

1.2. Phân loại các mạng không dây phổ biến[13]
Để phân loại mạng không dây, người ta có thể dựa trên phạm vi phủ sóng.
Theo cách phân loại này có các loại mạng chính sau:
Mạng không dây cá nhân – WPAN (Wireless Personal Area Network)
Mạng không dây cục bộ – WLAN (Wireless Local Area Network)
Mạng không dây đô thị – WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

Mạng không dây diện rộng – WWAN (Wireless Wide Area Network)
Mạng không di động – WWAN (Wireless Wide Area Network)



6

Hình 1. 2: Phân loại các mạng không dây phổ biến [9, tr6]
1.2.1. Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)[14,15,16]
Mạng WPAN : Mạng cá nhân không dây, là mạng mà khu vực kết nối không
dây của các thiết bị tương đối nhỏ. Các mạng điển hình của mạng WPAN có thể kể
đến là mạng Bluetooth theo chuẩn IEEE 802.15.1, mạng UWB (Ultra Wide Band)
theo chuẩn IEEE 802.15.3 và mạng Zigbee theo chuẩn IEEE 802.15.4.
Mạng Bluetooth:
Được hãng Ericsson sáng lập và phát triển vào năm 1994 với nhu cầu cần
một chuẩn không dây kết nối giữa các thiết bị di động với các thiết bị điện tử khác
hoặc các thiết bị di động với nhau. Năm 1998, 6 công ty nổi tiếng thế giới là
Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Sony và Toshiba cùng nhau thành lập 1 nhóm đặc biệt
quan tâm đến Bluetooth có tên là SIG (Special Interest Group) và đến tháng 7 năm
1999 chuẩn Bluetooth 1.0 ra đời. Bluetooth sử dụng sóng ngắn với dải tần từ 2.4
đến 2.485GHz, tốc độ truyền dữ liệu trên lý thuyết là 1Mbps, phạm vi hoạt động từ
10-100m.
Đến nay, tổ chức SIG đã có hơn 20.000 công ty thành viên trong lĩnh vực
truyền thông, tính toán, mạng lưới và điện dân dụng. Chuẩn Bluetooth dựa trên
chuẩn 802.15.1của tổ chức IEEE nhưng chuẩn này cũng không còn được bảo trì
nâng cấp, mọi hoạt động nghiên cứu, phát triển cũng như cấp chứng chỉ của
Bluetooth hiện tại nằm dưới quyền của tổ chức SIG. Từ năm 1997 cho đến năm
2010, rất nhiều chuẩn Bluetooth mới ra đời :
Bảng 1. 1: So sánh các chuẩn Bluetooth

7
Tham số
Bluetooth
1.x
Bluetooth
2.x +EDR
Bluetooth
3.0 HS
Bluetooth 4.0
Low Energy
Tốc độ truyền dữ liệu
721Kbit/s
2.1Mbit/s
24 Mbit/s
24 Mbit/s
Năm
2002
2004
2009
2010
Tương thích ngược

Có
Có
Có
Bảo mật

Có
Có

Có
Khoảng cách

10-100m
10-100m
10-100m

Chuẩn Bluetooth hiện tại đang được ứng dụng vào rất nhiều thiết bị và các
môi trường làm việc, như điều khiển giao tiếp không dây giữa một điện thoại di
động và tai nghe, giữa các thiết bị điện thoại di động, giao tiếp giữa máy tính và các
thiết bị ngoại vi (như chuột, bàn phím…), thay thế các điều khiển dùng tia hồng
ngoại, ứng dụng vào các thiết bị trò chơi …
Mạng UWB: (Ultra Wide Band)
Mạng UWB, hay còn gọi là mạng không dây siêu băng rộng, có tên gọi khác
là High Rate-WPAN (HR-WPAN) là mạng WPAN sử dụng các tần số cao để
truyền dữ liệu không dây, với tốc độ truyền lên đến hàng trăm Mbit/s trong phạm vi
0-10m. Mạng UWB dựa trên chuẩn 802.15.3 của IEEE, dùng dải tần rộng tới 7
GHz từ 3.1GHz đến 10.6GHz để truyền dữ liệu với các tốc độ 53.3, 80, 106.7, 160,
200, 320, 400 và 480Mb/s. Dải phổ được chia thành 14 băng tần và mỗi băng tần là
528MHz. Khi cho phép dùng băng tần lớn như vậy, tổ chức Cơ quan quản lí viễn
thông liên bang FCC (Federal Communication Commission) cũng đồng thời đưa ra
các quy định nghiêm ngặt về năng lượng phát sóng của các thiết bị UWB phải đảm
bảo nằm trong ngưỡng cho phép để tránh gây nhiễu với các thiết bị sử dụng kết nối
băng tần hẹp. Đó cũng là lí do mạng UWB buộc phải thu hẹp bán kính kết nối.
Nhìn chung mạng UWB cũng là một mạng cá nhân có tính cạnh tranh cao về
tốc độ trong các mạng không dây cá nhân.
Mạng Zigbee:
Zigbee là mạng không dây truyền thông tin tốc độ thấp (Low Rate – WPAN),
tên gọi Zigbee được xuất phát từ cách mà các con ong mật (honey Bee) truyền đi
các tín hiệu quan trọng tới các thành viên trong tổ của mình, kiểu liên lạc Zig-Zag

của các con ong.


8
Zigbee dựa theo chuẩn 802.15.4 của IEEE, mục đích của mạng là truyền
thông tin tốc độ thấp, chu kì truyền dữ liệu thấp và tiêu hao ít năng lượng. Một nút
mạng của Zigbee có thể duy trì hoạt động từ vài ngày cho tới vài tháng với nguồn
năng lượng tương đương một cục pin AAA thông thường. ZigBee hướng tới các
ứng dụng cần thu thập nguồn dữ liệu định kì, các ứng dụng điều khiển từ xa và tự
động hóa, các ứng dụng không yêu cầu tốc độ truyền tin cao như của mạng
Bluetooth hay UWB. Một điều khác nữa của Zigbee là khả năng có thể hoạt động
được với tần suất các nút mạng lớn, tạo thành 1 mạng lưới (mesh network). Các
thiết bị không dây dùng chuẩn này có thể dễ dàng truyền thông tin trong khoảng
cách từ 10-100m tùy vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu
đối với mỗi ứng dụng. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Zigbee là 250Kb/s ở dải tần
2.4GHz, 40Kb/s ở dải tần 915MHz và 20Kbps ở dải tần 868MHz. Việc bảo mật
cũng được Zigbee triển khai với mã hóa lên tới 128bit.
Mạng Zigbee hỗ trợ cả mô hình tô-pô mạng hình sao (Star), hình cây (Tree)
và mạng lưới (Mesh). Trong mỗi loại tô-pô, sẽ có ít nhất một thiết bị làm chức năng
điều phối viên (coordinator) với nhiệm vụ là tạo ra, quản lí và vận hành các thông
số trong mạng. Trong mạng hình sao, nút điều phối viên phải là nút trung tâm, trong
mạng hình cây và mạng lưới, việc điều phối và mở rộng lại dựa trên các nút được
gán chức năng định tuyến (Zigbee router) để mở rộng thông tin liên lạc ở cấp mạng.
Nhìn chung mô hình mạng của Zigbee khá linh hoạt với khả năng hỗ trợ kết nối đến
tối đa 65536 nút mạng.
1.2.2. Mạng WLAN (Wireless Local Area Network)
WLAN, hay còn gọi là mạng Wifi là mạng không dây băng rộng được xây
dựng theo chuẩn của 802.11 của IEEE, mạng được phát triển với mục đích ban đầu
là một sản phẩm phục vụ gia đình và văn phòng để kết nối các máy tính cá nhân mà
không cần dây, nó cho phép trao đổi dữ liệu qua sóng radio với tốc độ rất nhanh.

Tới nay, Wifi là mạng chính ở nhiều công ty, cơ quan, nhà máy, địa điểm công
cộng như sân bay, cửa hàng cafe, nhà ga, các trung tâm thương mại hay trung tâm
báo chí để chia sẻ dịch vụ đường truy cập Internet.
Tất cả các thành phần kết nối trong mạng không dây WLAN được gọi là
trạm (station), tất cả các trạm này đều được trang bị bộ điều khiển không dây
WNIC (Wireless Network Interface Controller). Các trạm được chia thành hai loại:
các điểm truy cập không dây AP (Access Point) và các trạm khách. Các điểm truy
cập không dây chính là các bộ định tuyến trong mạng, có nhiệm vụ truyền – nhận
các sóng tín hiệu không dây cho phép các thiết bị kết nối vào. Các trạm khách có
thể là thiết bị có tính di động như laptop, PDA hoặc thập chí cả máy tính để bàn
hoặc máy trạm nếu có trang bị WNIC.
Thành phần cơ bản của mạng WLAN là các tế bào (cell) với tên gọi là BSS


9
(Basic Service Set- bộ dịch vụ cơ bản), chính là các trạm trong mạng. Mỗi BSS này
sẽ có một số ID riêng (BSSID) kết nối đến một trạm trung tâm được gọi là điểm
truy cập AP (Access point) . Các máy trạm, có thể di động hoặc cố định, liên lạc
với trạm trung tâm bằng giao thức không dây chuẩn IEEE 802.11 và kết nối giữa
các trạm AP có thể mở rộng bằng mạng cáp hữu tuyết Ethernet hoặc bằng một
kênh không dây khác. Có 2 dạng BSS là BSS độc lập (Independent BSS-IBSS) và
BSS hạ tầng, tương ứng với hai mô mình mạng mà chuẩn WLAN hỗ trợ là mô hình
mạng Ad-hoc (mô hình không có trạm AP) và mô hình mạng có hạ tầng (có trạm
AP). Tập hợp các trạm AP hay chính xác hơn là tập hợp của các BSS được gọi là
ESS (Extended Service Set) , mỗi ESS có một ID riêng gọi là SSID.

Hình 1. 3: Mô hình mạng WLAN có hạ tầng
Trong chế độ Ad-hoc, các trạm trao đổi trực tiếp ngang hàng với nhau (peer-
to-peer) mà không cần tới AP. Ngược lại trong mạng hạ tầng, mọi giao tiếp giữa
các thiết bị đều thông qua AP. Trong mạng có hạ tầng, các AP có thể liên kết với

nhau bằng mạng cáp hữu tuyến kết nối các AP hoặc có thể dùng luôn chuẩn không
dây, khi đó hệ thống được gọi là hệ thống không dây phân tán WDS (Wireless
Distribution System).

Hình 1. 4: Mô hình mạng WLAN Ad-hoc
Các chuẩn mạng WLAN theo IEEE 802.11:


10
Bảng 1. 2: Bảng so sánh các chuẩn Wifi - IEEE 802.11
Chuẩn
Tốc độ truyền
(lý thuyết)
Tốc độ truyền
(thực tế)
Phạm vi
Dải tần
IEEE 802.11
2Mbps
0.9Mbps


IEEE 802.11a
54Mbps
23Mbps
35m
5GHz
IEEE 802.11b
11Mbps
4.5Mbps

35m
2.4GHz
IEEE 802.11g
54Mbps
23Mbps
35m
2.4GHz
IEEE 802.11n
300Mbps
74Mbps
70m
2.4 hoặc 5GHz

1.2.3. Mạng WMAN (Wireless Metropolitian Area Network), WWAN
((Wireless Wide Area Network)[13]
WMAN:
Mạng không dây đô thị WMAN là tập hợp của các mạng không dây cục bộ
WLAN trong môi trường lớn cỡ đô thị. Mô hình mạng điển hình của WMAN là
mạng WiMAX theo chuẩn IEEE802.16.
Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là hệ thống truy
nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE
802.16. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban
tiêu chuẩn IEEE 802, và diễn đàn WiMAX. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế
định ra tiêu chuẩn; còn Diễn đàn WiMAX là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn
IEEE 802.16. WiMax hoạt động gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khá
nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbit/s với phạm vi hoạt động
2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh.
Sự ra đời của Wimax khắc phục được những nhược điểm của Wifi, Wimax
cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả các
đường truyền DSL hay cáp, thích hợp với các dịch vụ như Internet tốc độ cao, thoại

qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng cộng thêm cho
doanh nghiệp như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng ảo bảo mật.
WiMax có hai mô hình ứng dụng chính là mô hình cố định và mô hình di
động. Trong mô hình cố định, các thiết bị cần trao đổi thông tin giao tiếp với các
ăn-ten đặt cố định tại các nhà cung cấp dịch vụ.



11

Hình 1. 5: Mô hình mạng WiMAX cố định
Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX được đưa ra trên hình vẽ 1.5. Trong mô hình
này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS (làm việc với anten đặt trên
tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm WiMAX BS nối với mạng đô
thị MAN hoặc mạng PSTN. Mô hình di động của WiMax được bổ sung thêm các
thiết bị theo chuẩn IEEE802.16e-2005, hướng tới những người sử dụng di động,
làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN,
mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng.
WWAN:
Mạng diện rộng không dây thường có khả năng phủ sóng cao hơn so với
mạng WMAN, chẳng hạn như giữa các vùng lân cận, các thành phố, các thành phố
và vùng ngoại ô. Mạng WWAN có thể được dùng để kết nối các chi nhánh của các
doanh nghiệp lớn hoặc phục vụ cho việc chia sẻ Internet công cộng.
1.2.4. Mạng Tế Bào (Cellular Network) [13]
Mạng tế bào, hay còn gọi là mạng di động (Mobile Network) là mạng vô
tuyến được phân bố trên diện tích mặt đất, có ít nhất một trạm thu phát cố định vị
trí, được biết đến như một vị trí tế bào (cell site) hoặc trạm gốc (base station).
Trong một mạng di động, mỗi tế bào được đặc trưng bởi việc sử dụng một bộ các
tần số khác với bộ tần số của tất cả các tế bào lân cận với mình để tránh bất kì sự
gây nhiễu nào.

Mạng lưới các tế bào, cung cấp một vùng phủ sóng trên một khu vực địa lí
rộng lớn. Điều này cho phép một số lượng lớn các thiết bị cầm tay, như điện thoại
di động, máy nhắn tin trong khi di động vẫn có thể giao tiếp với nhau và giao tiếp
với các trạm thu phát cố định ở bất kì nơi nào trong mạng, thông qua các trạm cơ
sở.
Mặc dù ban đầu mạng được phát triển để phục vụ nhu cầu nghe gọi qua di
động (dịch vụ thoại), mà ngày nay mạng tế bào (hay mạng di động) không chỉ
truyền các tín hiệu của dịch vụ thoại mà còn hỗ trợ truyền cả dữ liệu của các dịch


12
vụ trên Internet (ví dụ: 2G EGDE, 3G hay LTE 4G ).


Hình 1. 6: Mô hình mạng tế bào – mạng di động [13]

1.3. Chuẩn IEEE 802.11 và một số vấn đề trong mạng không dây cự li ngắn
[4,tr 55 -60]
Cả mạng không dây cá nhân và mạng không dây cục bộ đều được xếp vào mạng
không dây cự li ngắn (Short-Range Wireless Network). Các mạng này đều có một
số đặc điểm chung về cách thiết lập kết nối, truyền dữ liệu.

Hình 1. 7: Phân loại mạng không dây cự li ngắn [4,tr9]
1.3.1. Vấn đề trạm ẩn, trạm lộ
Trong mạng không dây cự li ngắn, có xảy ra một số vấn đề về việc thu phát
sóng giữa các trạm, điển hình là vấn đề trạm ẩn và trạm lộ.
Trạm ẩn (Hidden Station): là hiện tượng xảy ra khi hai trạm cùng muốn gửi
thông tin đến một trạm thứ ba nhưng hai trạm này lại nằm ngoài vùng phủ sóng của
nhau nên không biết là đang cùng truyền dữ liệu, gây ra xung đột. Ví dụ được nêu
rõ ở hình 1.7.

13

Hình 1. 8: Vấn đề trạm ẩn
Chúng ta sẽ thấy, để truyền dữ liệu đến trạm B, trạm A và C đều lắng nghe
đường truyền trước khi truyền đến trạm B. Tuy nhiên do trạm A và trạm C đều
không nằm trong vùng phủ sóng của nhau nên đều không phát hiện trạng thái kênh
truyền tới B là rỗi và bắt đầu truyền dữ liệu dẫn đến tại B sẽ có xung đột do có hai
nguồn cùng gửi tới một lúc. Khi đó trạm A là trạm ẩn đối với trạm C và ngược lại.
Trạm lộ (Exposed Station): đây là hiện tượng một trạm tưởng nhầm đường
truyền đang bận và không tiếp tục truyền dữ liệu nữa mặc dù việc tạm dừng này là
hoàn toàn không cần thiết. Hiện tượng trạm lộ được giải thích như hình 1.8.

Hình 1. 9: Vấn đề trạm lộ
Trạm B muốn truyền tin cho trạm A và trạm C, một trạm nằm trong vùng
phủ sóng của A và B, muốn truyền tin cho trạm D, trạm hoàn toàn nằm ngoài vùng
phủ sóng của hai trạm A và B. Tuy nhiên, do trạm C nằm trong vùng phủ sóng của
trạm B, khi trạm B bắt đầu phát tín hiệu truyền cho trạm A, trạm C cũng nhận được
tín hiệu này và tưởng nhầm là đường truyền đang bận, nên sẽ không gửi gói tin đến