BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MẠNG WPAN, CÁC CHUẨN IEEE 802.15 VÀ CÁC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
MẠNG WPAN, CÁC CHUẨN
IEEE 802.15
VÀ CÁC ỨNG DỤNG
Thành Viên Nhóm 4:
1. Vũ Tuấn Anh – PV27 Hải Dương
2. Nguyễn Xuân Đức – CAH Nghĩa Đàn, Nghệ An
3. Nguyễn Thanh Tùng – PV11 Điện Biên
4. Nguyễn Hồng Vinh – sở Phòng cháy Hà Nội


I. Tổng quan công nghệ mạng
WPAN, các chuẩn IEEE 802.15
1. Mạng WPAN
Mạng WPAN (Wireless Personial Area Network) là
mạng không dây được sử dụng trong truyền thông
thông tin ở khoảng cách ngắn từ vài met đến vài chục
met.


Phạm vi sử dụng


- Ưu điểm: Nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, giá thành
rẻ, dễ thiết lập,không đòi hỏi về cơ sở hạ tầng.
- Do sử dụng trong không gian nhỏ nên tận dụng triệt
để ưu điểm của kỹ thuật tái sử dụng tần số.


2. Các tiêu chuẩn IEEE 802.15
Tiêu chuẩn 802.15 được IEEE đề xuất nhằm chia các

loại mạng WPAN theo tốc độ truyền, mức tiêu hao năng
lượng, chất lượng dịch vụ... Cụ thể là:
- Chuẩn IEEE 802.15.1- Bluetooth: có tốc độ trung
bình, hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi.
- Chuẩn IEEE 802.15.3 - UWB: có tốc độ cao, dùng
trong các ứng dụng đa phương tiện.
- Chuẩn IEEE 802.15.4 - ZigBee: có tốc độ thấp, ứng
dụng trong công nghiệp, y tế; đòi hỏi mức tiêu hao năng
lượng thấp, không yêu cầu tốc độ truyền và chất lượng
dịch vụ.


802.15.1

802.15.3

802.15.4

802.11

Bluetooth

UWB

ZigBee

Wif

Tầm
hoạt 1-3

động(m)

1-10

1-100

1-100

Số
lượng 7
nút mạng

4000

>64000

32

Ứng
dụng Web, mail
phổ biến

videoHD, 4K Giám
sát, Thay thế dây
điều khiển nối

độ
rộng 250
băng
tần

(kB)
Tốc
độ 720
truyền

500.000

4-32

1000

480.000

20-250

11.000

3,1-10,6

0,868; 0,915 2,4

 

(Kbps)
Dải tần hoạt 2,4-2, 8
động (Hz)

2,45

5

II. CÁC ỨNG DỤNG SỬ DỤNG WPAN
• Mạng hồng ngoại
• Bluetooth
• Băng siêu rộng UWB
• ZigBee


1. Mạng Hồng Ngoại
Là công nghệ kết nối không dây, nhưng có hướng
(thiết bị cần phải được “nhìn” thấy nhau) sử dụng tia hồng
ngoại truyền dữ liệu.
Đặc điểm: khoảng cách truyền sóng thấp <5m, tiêu
thụ ít năng lượng.


Hiện nay, các kết nối hồng
ngoại được sử dụng trong các
thiết bị điều khiển tivi, điều
hòa...

hoặc

tích

hợp

trong

smartphone để phục vụ chức
năng tương tự. Sử dụng mạng
hồng ngoại ngày nay ít phổ biến
hơn do sự xuất hiện của wifi,
bluetooth, do sự bất lợi của việc
truyền sóng có hướng.


2. Bluetooth
Là công nghệ chuẩn IEEE 802.15.1 sử dụng băng tần chung
ISM (2,4-2,8GHz).
Đặc điểm: Tiêu thụ ít năng lượng,tương thích với nhiều
thiết bị. Giá thành thấp. Khoảng cách cho phép kết nối là 5m
(trong nhà) và 10m (ngoài trời).


Bluetooth được sử dụng rộng rãi cho đến ngay nay trên các
điện thoại di động, laptop, pc, máy ảnh, máy in, tai nghe, chuột,
bàn phím...


Thông số kỹ thuật:
• Sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần nhanh FHSS gồm 79
bước nhảy tần, mỗi bước cách nhau 1MHz. Từ băng tần 2,402
GHz đến 2,8 GHz
• Tốc độ nhảy tần là 1600 bước / giây, thời gian cho mỗi bước
nhảy là 0,626ms.
• Sử dụng kỹ thuật song công theo thời gian và kết hợp đa truy
nhập phân chia theo thời gian TDMA.
• Các thiết bị truyền dẫn được thiết kế hoạt động ở mức năng

lượng rất thấp. Trong khoảng 10cm cần mức năng lượng 1mV,
10m cần mức năng lượng 2,5mV, 100, cần mức năng lượng


Mô hình kiến trúc Piconet
Có 3 trạng thái hoạt động của các
Slave và Master:
Active: trạng thái hoạt động. Các
thiết bị cùng ở trạng thái hoạt động
được Master phân biệt qua 1 địa chỉ
AMA( Active member Address) gồm 3
bit, nên trong 1 Piconet, chỉ có tối đa
8 thiết bị hoạt động (1 Master và 7
Slave).
Stanby: trạng thái không hoạt
động của Slave
Park: trạng thái chờ. Slave ở trạng thái này thường xuyên được đồng bộ
với Master và được cấp 1 địa chỉ PMA gồm 8 bit để phân biệt. Khi cần kết
nối, Master sẽ chuyển Slave từ trạng thái Park sang Active thông qua báo
hiệu tên Beacon.
Khi kết nối nhiều mạng Piconet với nhau ta được 1 mạng gọi là
Scatternet. Khi đó, 1 Slave của Piconet này sẽ làm Master của Piconet kia.


3. Băng siêu rộng UWB
Là công nghệ chuẩn IEEE 802.15.3 hoạt động trên dải tần từ
3,1 GHz đến 10,6 GHz . Dải tần này được chia thành các dải tần
con nhỏ hơn có băng thông 512 MHz.

Đặc điểm: Hoạt động trên dải tần không cần phải cấp phép.

Băng thông lớn, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao. Ít chịu ảnh

.

hưởng nhiễu, hoạt động trong các môi trường phức tạp. Tiêu thụ
ít năng lượng, công suất thấp, hoạt động trong môi trường hẹp.


Băng siêu rộng UWB sử dụng trong truyền thông đa phương
tiện yêu cầu tốc độ cao như video HD, HDTV hoặc kết nối các
thiết bị gia đình như TV, PC, laptop, smartphone để chia sẻ tốc
độ cao nhanh chóng dễ dàng.


Wireless UWB
Là công nghệ USB không dây hoạt động dựa
trên UWB băng siêu rộng
Đặc điểm: tốc độ lên đến 500Mbps.


4. ZigBee
Là công nghệ được xây dựng trên nền tảng IEEE 802.15.4
sử dụng tín hiệu radio có tần số ngắn.


Một mạng ZigBee gồm nhiều thành phần tạo nên, trong đó
mỗi thành phần đảm nhiệm các chức năng khác nhau, được chia
làm 3 thành phần chính:
- Thiết bị điều phối mạng ZC: hình thành và duy trì kiến trúc
tổng thể mạng, giám sát điều khiển, lưu trữ thông tin. Các ZC có

dung lượng lớn, tốc độ tính toán cao.
- Thiết bị định tuyến ZR: định tuyến, truyền dữ liệu trong
mạng.
- Thiết bị cuối ZED: thường là các cảm biến có chức năng thu
thập thông tin từ môi trường. Các ZED thì không kết nối trực tiếp
với nhau.


Có 3 kiểu kiến trúc mạng ZigBee là:
Kiến trúc hình sao
Kiến trúc hình lưới
Kiến trúc hình cây.


- Kiến trúc mạng hình sao: Có 1 thiết bị ZC, các thiết bị khác
đóng vai trò ZED. Các ZED giao tiếp với nhau thông qua ZC. Kiến
trúc này ưu điềm là đơn giản, nhưng tàm phủ sóng nhỏ( tầm
100m). Được ứng dụng trong nhà thông minh, hoặc kết nối máy
tính với các thiết bị ngoại vi.


-Kiến trúc mạng lưới: Là sự kết hợp của kiến trúc mạng
sao và kiến trúc mạng ngang hàng. Gồm 1 ZC, nhiều ZR và nhiều
ZED. Các ZED giao tiếp với nhau qua nhiều chặng thông qua các
điểm trung gian ZR. Trong kiến trúc mạng này, phạm vi hoạt
động được mở rộng đáng kể, tuy nhiên vấn đề định tuyến
vàđiều khiển mạng sẽ phức tạp hơn do có các ZR. Được ứng
dụng trong các thiết bị cảm biến không dây, điều khiển công
nghiệp, các mạng đo lường.

-Kiến trúc mạng hình cây: gần giống như kiến trúc mạng hình
sao, nhưng các ZR sẽ kết nối trực tiếp với ZC.


Mạng ZigBee được chia 4 lớp:
Lớp Vật lý
Lớp điều khiển truy cập
Lớp Mạng
Lớp ứng dụng.


Lớp Vật lý:
Cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch
vụ quản lý PHY. Các tính năng của lớp vật lý là: Sự kích
hoạt hoặc 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.


Lớp điều kiển truy cập MAC
Có chức năng chính là cung cấp 2 dịch vụ: dịch vụ dữ liệu
MAC (Media Access Control) và dịch vụ quản lý MAC. Trong
đó, dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của
khối MPDU (MAC Protocol Data Unit) thông qua dịch vụ dữ
liệu PHY. Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin
báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng,
điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian bảo đảm GTS
(Guaranteed Time Slots), điều khiển kết nối và giải phóng kết

nối, phát khung Ack.