TÌM HIỂU GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG vô TUYẾN THEO CHUẨN IEEE 802 15 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÌM HIỂU GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN
THEO CHUẨN IEEE 802.15.4


Lời nói đầu
Trong cuộc sống hiện đại, chúng ta luôn thấy những điều mới, những thách thức mới mà
công nghệ thông tin và viễn thông(ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của chúng ta
theo nhiều cách khác nhau. Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số
đã lan rộng đến mọi con đường ngõ ngách trên toàn cầu.
Trong mạng viễn thông ngày nay, con người đang quản lý,trao đổi, giao tiếp tranh luận,
mua bán nghĩa là tất cả các loại hình hoạt động mà chỉ có ICT mới làm được. Mạng viễn
thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang
và sẽ luôn mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng. Tuy vậy, trong một dải băng tần
eo hẹp vẫn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn khai thác toàn bộ những tiềm năng đó.
Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng những băng tần cao hơn, nhưng
việc này đang vấp phải nhưng trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo vẫn chưa theo kịp
được những lý thuyết, Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh
tần số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như nhiễu , xung đột giữa các thiết
bị ,.. vì vậy một trong những chuẩn giao tiếp được nhiều công ty viễn thông sử dụng
trong việc truyên tin là chuẩn giao tiếp vô tuyến IEEE 802.15.4
Hy vọng thông qua vấn đề được đề cập trong bài viết dưới, bạn đọc sẽ có được sự đánh
giá và hiểu biết sâu sắc hơn về chuẩn IEEE 802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng của
công nghệ này trong cuộc sống .


Contents


I.

Khái niệm giao thức truyền thông vô tuyến theo chuẩn IEEE802.15.4 :

1. Khái niệm giao thức truyền thông vô tuyển IEEE 802.15.4:
IEEE802.15.4 là một bộ tiêu chuẩn do IEEE quy định, nó bao gồm các đặc tả vật
lý (quy định cách mà thông tin số sẽ được xử lý và tổ chức thành dạng sóng điện
từ và ngược lại, quy định cách mà thông tin thô sẽ được truyền và nhận theo một
khung nhất định...). Và trên nền IEEE802.15.4, Zigbee được xây dựng, nó bao
gồm một bộ chuẩn hóa các quy định để hình thành một hệ thống mạng hoàn chỉnh.
Ngoài ra, trên nền IEEE802.15.4, còn rất nhiều các chuẩn mạng khác, lớn thì có
WirelessHART, 6LowPan, nhỏ thì có MIWI, JenNet...
Và chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức tầng
vật lý(PHY) và tầng điều khiển truy cập MAC.
2. Các tính năng của tầng vật lý
Các tính năng của tầng vật lý là sự kích hoạt hoăc giảm kích hoạt của bộ phận
nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh
truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền

3. Ứng dụng của chuẩn giao tiếp IEEE 802.15.4
1. Khái niệm mạng WPAN:(Wireless Personal Area Network):

Mang cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng
cách tương đối ngắn. Không giống như mạng WLAN( mạng cục bộ không dây) , mạng
WLAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng.Tính năng này
cho phép có thêm các hương giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao
trong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp.

2. Ứng dụng chuẩn IEEE 802.15.4

Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ chuẩn WPAN
Chuẩn IEEE 802.15 phân thành 3 loại mạng WPAN
-WPAN tốc độ cao
-WPAN tốc độ trung bình
-WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN ) dùng trong sản phẩm công
nghiệp có thời hạn ,y học tiêu hao mức 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/IEEE 802.15.4 chính là một ví dụ điển
hình.
4.Thành phần cơ bản thiết bị trong chuẩn IEEE 802.15.4
Full-funtion device (FFD) là thiết bị 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 thiệt bị đảm nhận
một số chức năng hạn chế tên là RFD( reduced- funtion device). Một mạng tối thiểu phải
có 1 thiết bị FFD, thiêt bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng.
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái : Là điều phối viên của toàn mạng PAN
(personal area network) , hay là điều phối viên của mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một
thành viên trong mạng. RFD được dùng trong các ưng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi
lượng lớn thông tin 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.

II.

Mô hình lớp vật lý của giao thức IEEE 802.15.4


Như hình trên, giao thức này bao gồm hai phần thấp nhất của mô hình OSI, tầng
vật lý và liên kết dữ liệu. Phần này đảm nhận nhiệm vụ chuyển thông tin kĩ thuật
số từ tầng trên đưa xuống thành sóng điện từ trong không gian. Điều này có được
bằng cách sử dụng kĩ thuật điều chế số trên bit, gồm có điều chế dịch phaBPSK/QPSK, ngoài ra điều chế biên độ xung ASK, dựa trên PSSS cũng được sử
dụng. Kĩ thuật nào sẽ được sử dụng bởi nhà sản xuất tùy thuộc vào yêu cầu tốc độ

và khả năng đáp ứng phần cứng. Tần số được sử dụng phụ thuộc vào băng tần rỗi
ở từng quốc gia, và chuẩn này xây dựng trên ba băng tần, có tất cả 27 kênh:


868.0 - 868.6MHz -> 1 channel (Europe) -> 20Kb/s-Điều chế BPSK
902.0-928.0MHz -> 10 channels (EEUU) -> 40Kb/s- Điều chế BPSK
2.40-2.48GHz -> 16 channels (Worldwide) -> 250Kb/s Điều chế O-QPSK

Thực tế thì các IC đảm nhận nhiệm vụ truyền/nhận được sản xuất vài năm gần đây

chỉ dùng băng tần 2.4GH. IEEE802.15.4 sử dụng hai kĩ thuật để tránh xung đột dữ
liệu - hay hiện tượng hai hay nhiều nút mạng phát dữ liệu cùng lúc, là CSMA-CA
và GTS. GTS là phương pháp khe thời gian được sử dụng trong mạng hỗ trợ
beacon, vốn đa phần thư viện không hỗ trợ. CSMA-CA là thuật toán tránh xung
đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang thường được sử dụng hơn cả.


1 Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4
a. Chỉ số ED(energy detection)
-

Chỉ số ED đo đạc bởi bộ thu ED
ED được tầng mạng sử dụng như một bước trong thuật toán chọn kênh
ED là kết quả của sự ước lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận

-

được trong bang thông của kênh trong IEEE 802.15.4
Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8sympol

b. Chỉ số chất lượng đường truyền(LQI)
-

Chỉ số chất lượng đường truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận

-

được
Giá trị kết quả LQI được giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng xử lý .

c. Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)
-

Nhiệm vụ của CCA : kiểm tra xem khi nào 1 kênh rỗi hay bận Có ba

-

phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này:
CCA 1 : “Năng lượng vượt ngưỡng”. CCA sẽ thông báo kênh truyền bận

-

trong khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED.
CCA 2 : “Cảm biến sóng mang”. CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi
nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE802.15.4. Tín hiệu

-

này có thể thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED.
CCA 3 : “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vựơt ngưỡng”.

CCA sẽ báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và
điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.

2 Định dạng khung tin PPDU:

Mỗi khung tin bao gồm các trường thông tin.


- SHR (synchronization header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit
- PHR ( PHY header) : chứa các thông tin độ dài khung
- PHY payload : chứa khung tin của tầng MAC
3 Lớp MAC ( Medium access control):
Lớp MAC là tầng điều khiển truy nhập.Lớp MAC cho phép truyền các khung
MAC thông qua việc sử dụng các kênh vật lý. Bên cạnh các dịch vụ dữ liệu, nó cung cấp
một giao diện quản lý và tự quản lý quyền truy cập vào các kênh vật lý và chỉ dẫn tín
hiệu mạng. Nó cũng điều khiển khung hình chuẩn, đảm bảo khe thời gian và xử lý các
nút. Cuối cùng, nó cung cấp các điểm mốc cho các dịch vụ an toàn.
-

Lớp con MAC cung cấp ghép nối giữa SSCS và PHY.

-

Lớp con MAC quản lý tất cả các kênh truy nhập vô tuyến và có nhiệm vụ

sau
+ Phát ra báo hiệu mạng nếu thiết bị là một coordinator
+ Đồng bộ báo hiệu
+ Hỗ trợ sự liên kết và phân tách
+ Hỗ trợ bảo mật

+ Điều khiển cơ chế CSMA-CA cho truy nhập kênh
+ Quản lý duy trì cơ chế GTS
+ Cung cấp mối liên kết tin cậy giữa 2 kênh MAC tương đương

III.

Mô hình điều chế giao thức truyền thông IEEE

802.15.4
1.

Điều chế BPSK của tín hiệu PHY tại dải tần 868/915 MHz

Tốc độ truyền dữ liệu của IEEE 802.15.4 PHY tại băng tần 868 MHz có thể đạt tới
20kb/s, và có thể đạt tới 40kb/s ở băng tần 915MHz.


Sơ đồ điều chế

Mã hóa vi phân hay còn gọi là mã hóa trước. Khi cho tín hiệu nhị phân vào bộ mã hóa
này thì bit có giá trị 0 sẽ được chuyển tiếp, có nghĩa là số được tách là số 1 nếu số liền
trước nó là số 0 và ngược lại . Nếu một số được tách xung sai, lỗi này sẽ có xu hướng lan
truyền đi, và để loại trừ việc này thì Lender đã đề nghị việc mã hóa trước số các dữ liệu.
Có nghĩa là nếu chuỗi số dữ liệu thô là Rn thì ta sẽ phát đi chuỗi số En theo quy tắc

- Bộ ánh xạ bit thành chip


Mỗi bit đầu vào có thể ánh xạ sang chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) 15-chip theo như bảng
dưới đây. Trong khoảng thời gian mỗi symbol thì ký tự Co được truyền đầu tiên , ký tự

C14 được truyền cuối cùng .

-Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phần BPSK
Chuỗi chip được điều chế trên sóng mang sử dụng phương pháp điều chế BPSK có dạng
xung là xung cosin nâng ( raised cosin) . Tốc độ chip là 300kchip/s trong dải tần 868MHz
và đạt 600 kchip/s trong dải tần 915MHz .Công thức sau mô tả dạng xung này:

2.

Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 2.4GHz

Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250kb/s


Một chuỗi nhị phân được biến đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung
Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trong PPDU(PHY
protocol data unit) từ mã nhị phân sang dạng ký tự. Mỗi byte được chia thành ký tự và ký
tự nhỏ nhất được truyền đi đầu tiên. Đối với trường hợp đa byte thì byte có nghĩa nhỏ
nhất được truyền đi đầu tiên.
Bộ chuyển ký tự thành chip. Đây là bước thứ 2 trong quá trình mã hóa. Mỗi ký tự dữ liệu
được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên 32-chip. Chuỗi chip này được truyền với
tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0) được truyền trước mọi ký tự.


Bộ điều chế O-QPSK:Phương pháp điều chế ơ đây là phương pháp khóa điều chế dịch
pha góc ¼ có chọn gốc dịch pha ban đầu O-QPSK ( Offset-Quadrature Phase Shift
Keying) tương đương với phương pháp điều chế khóa dịch pha tối thiểu MSK . QPSK là
phương pháp hiệu quả đối với dải tần hạn chế. Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn cho 2 bit.
Bằng việc sử dụng độ dịch trong O-QPSK, thay đổi pha tín hiệu tổng tối đa là 90 độ

Biểu thức sau đây chỉ cách mà O-QPSK có thể diễn đạt:

Công thức mô tả dạng xung nửa sin.


KẾT LUẬN
Cùng với những yêu cầu ngày càng tăng về chất lượng và sự đa dạng dịch vụ ngày
càng trở lên rõ ràng nhằm cung cấp những dịch vụ tốt nhất, thuận tiện nhất cho khách
hàng. Nhu cầu sử dụng các dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao cho các thiết bị di động sẽ
ngày càng phát triển. Vì vậy nghiên cứu về IEEE802.15.4 sẽ là một đòi hỏi thiết yếu, cơ
bản và làm cơ sở cho các nghiên cứu, triển khai các dự án, đề tài sau này.
Trong khuôn khổ của môn học này, chúng em chỉ mong muốn đưa ra những vấn đề
cơ bản về khái niệm, cấu trúc, nguyên lý, ứng dụng và sự cải tiến của IEEE802.15.4 so
với hệ thống 3G hiện tại và LTE, để thấy được IEEE802.15.4 là bước phát triển trong
tương lai đối với hệ thống thông tin di động trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Đây là
kết quả của quá trình học tập và việc tìm hiểu vấn đề quanh những tài liệu có liên quan từ
nhiều nguồn tư liệu được tổng hợp lại. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn, bản
báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của
thầy cô giáo để có thể hoàn thiện thêm kiến thức của mình. Chúng em xin chân thành
cảm ơn.