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
Bluetooth

802.15.3
UWB

802.15.4
ZigBee

802.11
Wifi

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
điều khiển dây nối

độ
rộng 250
băng
tần
(kB)

Tốc
độ 720
truyền
(Kbps)
Dải
tần 2,4-2, 8
hoạt động
(Hz)

500.000

4-32

1000

480.000

20-250

11.000

3,1-10,6

0,868;
0,915
2,45

2,4
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 (2,4­2,8GHz).
 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 


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

•


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


­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.