công nghệ zigbee

39
Mục Lục
Lời nói đầu
Hang ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông
tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đôie\r cuộc sống con người trên thế giới.
Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi
ngõ ngách trên toàn cầu.
Trong mạng viễn thông ngàu nay, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp
tranh luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm - nghĩa là thực hiện tất cả các
loại hình hoạt động bằng cách thức mà chỉ có ICT mới có thể làm được. Mạng viễn
thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta và
đang mở rộng không ngừng đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. tuy vậy
trong một dải băng tần co hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt
được đầy đủ tiềm năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử
dụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công
nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. 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 là
can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cứng tần số hay là vấn đề xung đột giữa các
thiết bị… Một trong những công nghệ mới đang được ứng dụng trong các mạng
liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghẹ Zigbee.
Công nghệ Zigbee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống điều khiển
và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ
39
Zigbee hoạt động ở dải tần 868915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm là độ trễ
truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng
tương thích cao. Trong bài tập lớn này, em muốn trình bày về các khảo cứu của em
về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của Zigbee để có thể hiểu rõ hơn
về công nghệ này.
Hy vọng thông qua các vẫn đề được đề cập trong bài tập lớn này, bạn đọc sẽ
có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ Zigbee IEEE802.15.4
và vai trò cũng như tiềm năng cảu công nghệ này trong cuộc sống.

Chương 1:
Tổng Quan Về Giao Thức Zigbee
I. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây
Nhiều phương pháp và chuẩn kết nối không dây đã được phát triển trên toàn thế
giới dựa trên sự đa dạng về nhu cầu thương mại. Những công nghệ này có thể được
xếp loại thành 4 nhóm (PAN, LAN, MAN, WAN) dựa trên những ứng dụng đặc
trưng và phạm vi truyền của chúng. Hình
1 mô tả các nhóm này.
a. Personal Area Network (PAN)
PAN là một mạng sử dụng cho việc
kết nối giữa các thiết bị cá nhân
(gồm điện thoại và các thiết bị số
cá nhân khác). Phạm vi truyền
thông của PAN chỉ là vài mét. PAN
có thể kết nối các thiết bị với nhau
hoặc với mạng Internet.
Mạng PAN không dây (Wireless
Hình 1. Các nhóm truyền thông không
dây.
39
PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các giao thức Infrared (IrDA),
Bluetooth.
b. Local Area Network (LAN)
Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền
thông với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được
chức năng tương tự như mạng LAN nối dây. WLAN cho phép người dùng di
chuyển trong một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học )
mà vẫn kết nối được với mạng.
Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có
802.11a/b/g/n.

c. Metropolitan Area Network (MAN)
Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc
trên chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là
WiMAX). Nó được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết
bị cố định hoặc di động thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với
trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến mạng lõi.
WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương
đối rẻ trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16
km, tuy nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể.
Trong hầu hết mọi trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì
chất lượng của dịch vụ.
d. Wide Area Network (WAN)
WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN,
LAN hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ
điển hình nhất của WAN chính là mạng Internet.
WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế
người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và
máy tính trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng
cho các tổ chức đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp
dịch vụ Internet (ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào
Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ
liệu di động như GSM, GPRS và 3G
II. Giao thức ZigBee
a. Giới thiệu
39
ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn
truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá
nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không
đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời
gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được

thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và
Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm
2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ
chức ZigBee Alliance.
Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag của ong mật (honey
bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí
của hoa và nguồn nước.
b. Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) là một tổ chức phi lợi
nhuận nhằm mục đích nghiên cứu phát triển các công nghệ liên quan đến thiết bị
điện và điện tử. Trong đó, nhóm 802 chuyên nghiên cứu về các công nghệ mạng và
bộ phận 802.15 được dành riêng cho các chuẩn mạng không dây. IEEE 802.15.4
quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm vi 10 mét đến 100 mét và hoạt
động ở ba dải tần chính:
* Dải 868 - 868.8 MHz (châu Âu): chỉ một kênh tín hiệu, trong dải này tốc độ
truyền là 20kb/s.
* Dải 902 - 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc):
có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ
truyền thường là 40kb/s.v
* Dải 2.4 - 2.4835 GHz (hầu hết các nước
khác trên thế giới): 16 kênh tín hiệu từ 11
- 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.
c. Cấu trúc của giao thức ZigBee
Tương tự như các giao thức truyền thông
khác, ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn
xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và
tầng MAC (Medium Access Control)
được định nghĩa giống chuẩn IEEE
802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định
Hình 2 .Cấu trúc giao thức.

39
nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị
ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy
biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng
kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò
của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị
d. Thành phần mạng ZigBee
Một mạng kiểu ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:
* ZC (Zigbee Coordinator): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu
mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy
nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với
các mạng khác.
* ZR (Zigbee Router): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát
hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như
nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền
thông với các thành phần khác của mạng.
* ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc
Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt
động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở
trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức"
khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó.
Các thiết bị này thường được chia làm 2 loại là FFD (Full Function Device) và
RFD (Reduced Function Device). Trong đó FFD có thể hoạt động như một
Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End
Device trong một mạng ZigBee.
e. Mô hình mạng ZigBee
Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy
vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập
mạng theo các cấu hình khác nhau:
Mạng hình sao (Star Network)

Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End
Device (ZED). Khi ZC được kích hoạt lần đầu
tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN.
Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt
động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác.
Hình 3. Cấu trúc mạng sao.
39
ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Mạng hình lưới (Mesh Network)
Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác
định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang
nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết
nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận.
Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng hình sao, song trong mạng này có thêm
sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó
cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường.
Hình 4. Cấu trúc mạng lưới Hình 5. Cấu trúc mạng cây
Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lưới, trong đó đa số thiết bị là
FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng như một nút rời rạc ở điểm cuối của
nhánh cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, cung
cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc
mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình
mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều
phối mạng PAN (PAN coordinator).
39
f. ZigBee và các giao thức truyền thông khác
Bảng so sánh ZigBee với các giao thức truyền thông không dây phổ biến như Wifi,
Bluetooth và GSM/GPRS/CDMA
Chương 2:

Chuẩn Giao Thức Zigbee / IEEE 802.15.4
2.1. mô hình giao thức của zigbee / IEEE802.15.4
Zigbee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng
dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo tiêu chuẩn
IEEE802.15.4. đó là tính tin cậy và đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng
thích ứng cao với các môi trường mạng. dựa vào mô hình như hình 2.1, các nhà
39
sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm
việc tương thichs cùng với nhau.
2.2. Tầng vật lý Zigbee/IEEE802.15.4
Tầng vật lý cungt cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý
PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tần vật lý PLME (physical
layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ
liệu PPDU (PHY protocol data unit) thong quia kênh sóng vô tuyến vật lý. Các
tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận
song, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số truyền, giải phóng kênh truyền, thu
và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền. chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3
dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản và Mỹ.
39
Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới
đây.
39
2.2.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý
2.2.1.1. Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz
Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250kb/s
2.2.1.1.1. Sơ đồ điều chế
Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần
2.4 GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây. Một chuỗi nhị phân “0000b”được biến
đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung
39

2.2.1.1.2. Bộ chuyển bít thành ký tự
Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu
trong PPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự. Mỗi byte được chia thành ký tự và ký
tự có nghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên. Đối với trường đa byte thì byte có nghĩa
nhhor nhất được phát đầu tiên ngoại trừ trường hợp trường byte đó liên quan đến
bảo mật thì trong trường đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước.
2.2.1.1.3. Bộ chuyển ký tự thành chip
Theo như sơ đồ thì đây là bước thứ 2 trong quá trình mã hóa. Mỗi ký
tự dữ liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip.
Chuỗi chip này được truyền đi với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0)
được truyền trước mọi ký tự.
39
39
2.2.1.2. Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz
Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee/IEEE 802.15.4 PHY tại bảng tần số 868MHz có
thể đạt tới 20kb/s và có thể đạt tới 40kb/s ở băng tần 915 MHz.
2.2.1.2.2. sơ đò điều chế
2.2.1.2.2. Bộ mã hóa vi phân
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 các số liệu. Có nghĩa là nếu chuỗi số dữ liệu thô là Rn
thì ta sẽ phát đi chuỗi số En theo qui tắc:
39
En: là chuỗi bit sau khi mã hóa
Rn: là chuỗi bit thô
E
n-1
: là chuỗi bit mã hóa liền trước

2.2.1.2.3. Bộ ánh xạ bit thành chip
Mỗi bit đầu vào có thể ánh xạ sang chuỗi giá ngẫu nhiên (PN) 15-chip
theo như bảng dưới đây. Trong khoảng thời gian mỗi symbol thì ký tự c
0
được
truyền đầu tiên, ký tự c
14
được truyền sau cùng
2.2.2. các thong số kỹ thuật trong tâng vật lý của IEEE 802.15.4
2.2.2.1. Chỉ số ED (energy detection)
Chỉ số ED đo đạc được bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử
dụng như là một bước trong thuật toán chọn kênh. ED là kết quả của sự chọn lựa
ước lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của
kênh trong IEEE 802.15.4. Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng
tín hiệu truyền trong kênh này. Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương
khoảng thời gian 8 symbol. Kết quả phát hiện năng lượng sẽ được thống báo bằng
8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới 0xff. Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà
công suất nhận được ít hơn mức +10dB so với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công
suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là 40dB và sai số là .
39
2.2.2.2. chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)
Chỉ số chất lượng đường truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được. số
đo này có thể bổ sung vào ED thu được, đánh giá chỉ số tín trên tạp SNR, hoặc một
sự kết hợp của những phương pháp này. Giá trị kết quả LQI được giao cho tầng
mạng và tầng ứng dụng xử lý
2.2.2.3. chỉ số dánh giá kênh truyền (CCA)
CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay bận.
có 3 phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này.
• CCA1: “năng lượng vượt ngưỡng” CCA sẽ thông báo kênh truyền bận trong
khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED.

• CCA2: “cảm biến sóng mang”. CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi
nhận ra tín hiệu có đặc tính trái phổ và điều chế của IEEE 802.15.4. tín hiệu
này có thể thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED.
• CCA3: “cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt ngưỡng:. CCA sẽ
báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trái phổ và điều chế
của IEEE802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.
2.3. Tầng mạng của Zigbee /IEEE 802.15.4:
Dịch vụ mạng:
Tầng vật lý trong mô hình giao thức Zigbee được xây dựng dựa trên tầng
điều khiển dữ liệu. Một mạng có thể họat động cùng các mạng khác hoặc
riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng là:
- Thiết lập 1 mạng mới.
- Tham gia làm thành viên của 1 mạng đang hoạt động hoặc là tách ra khỏi
mạng khi đang là thành viên của 1 mạng nào đó.
- Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới
tham gia vào mạng.
- Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà không bị
tranh chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thông báo beacon.
39
- Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới.
- Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng tin mong muốn. Có thể nói
rằng thuật toán Zigbee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng
định tuyến phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp.
2.4 Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4:
Chức năng của tầng ứng dụng application Framework của Zigbee là:
- Dò tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng
phủ sóng của thiết bị đang hoạt động hay không.
- Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng.
Chức năng của application Profiles là:
- Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng.

- Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.
- Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị trong mạng
2.5.Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC:
Cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC.
Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối MPDU
(giao thức dữ liệu MAC) 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 GTS, điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát
khung Ack.
2.5.1 Cấu trúc siêu khung:
LR-WPAN cho phép sử dụng cấu trúc siêu khung. Mỗi siêu khung được
giới hạn bởi từng mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc
báo hiệu dò đường beacon được gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu
khung, nếu 1 PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung thì nó phải
dừng việc phát mốc beacon. Mốc này có nhiệm vụ đồng bộ các thiết
bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc siêu khung.
39
Siêu khung có 2 phần:
- Phần “nghỉ”: PAN coordinator không giao tiếp với các thiết bị
trong mạng PAN, và làm việc ở các node công suất thấp.
- Phần “hoạt động”: gồm 2 giai đọan là giai đoạn tranh chấp truy
cập (CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP), giai đoạn tranh chấp
trong mạng chính là khoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ
hội dùng 1 kênh truyền.
Bất kỳ 1 thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh
tranh với các thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA. Ngược
lại, CFD gồm có các GTSs, các khe thời gian GTS này thường xuất hiện
ở cuối siêu khung tích cực mà siêu khung này được bắt đầu ở khe sát
ngay sau CAP. PAN coordinator có thể định vị được 7 trong số các GTSs,

và mỗi 1 GTS chiếm nhiều hơn 1 khe thời gian.
• Khung CAP:
CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP.
Nếu độ dài của phần CFP=0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung.
Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay
sau khung Ack trong lệnh yêu cầu mà chúng được phát trong CAP sẽ
được sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh. Khung chứa lệnh
điều khiển MAC sẽ được phát trong phần CAP.
• Khung CFP:
Phần CFP sẽ được phát ngay sau CAP và kết thúc trước khi phát beacon
của xung kế tiếp. Kích thước của CFP do tổng độ dài các khe GTSs được
39
cấp phát bởi bộ điều phối mạng PAN quyết định.
CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh
Khoảng cách giữa 2 khung(IFS)
Là khoảng thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý 1 gói tin nhận được. Độ
dài của nó phụ thuộc vào kích thước của khung vừa được truyền đi.
2.5.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang
CSMA-CA:
Đây là phương pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng.
Các node mạng sẽ lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền. Nó
tránh xung đột bằng cách mỗi node sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền
trước rồi mới truyền thật sự.
39
Lưu đồ thuật toán
39
2.5.3 Các mô hình truyền dữ liệu:
Có 3 mô hình :từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị
thường, ngược lại, và giữa các thiết bị cùng loại.
2.5.4 Định dạng khung tin MAC:

Mỗi khung gồm các thành phần:
. Đầu khung MHR (MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiển
khung tin, số chuỗi, và trường địa chỉ.
. Tải trọng khung (MAC payload): chứa thông tin chi tiết về kiểu khung.
Khung tin của bản tin xác nhận Ack không có phần này.
. Cuối khung MFR(MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS.
2.6. Tầng mạng của Zigbee /IEEE 802.15.4:
Dịch vụ mạng:
Tầng vật lý trong mô hình giao thức Zigbee được xây dựng dựa trên tầng
điều khiển dữ liệu. Một mạng có thể họat động cùng các mạng khác hoặc
riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng là:
- Thiết lập 1 mạng mới.
- Tham gia làm thành viên của 1 mạng đang hoạt động hoặc là tách ra khỏi
mạng khi đang là thành viên của 1 mạng nào đó.
- Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới
tham gia vào mạng.
- Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà không bị
tranh chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thông báo beacon.
- Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới.
- Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng tin mong muốn. Có thể nói
39
rằng thuật toán Zigbee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng
định tuyến phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp.
2.7. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4:
Chức năng của tầng ứng dụng application Framework của Zigbee là:
- Dò tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng
phủ sóng của thiết bị đang hoạt động hay không.
- Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng.
Chức năng của application Profiles là:
- Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng.

- Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.
- Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị trong mạng
39
Chương 3:
Cấu Trúc Khung Tin Của Giao Thức Zigbee
3.1. Cấu trúc khung
Các cấu trúc khung được thiết kế để giữ sự phức tạp đến mức tối thiểu, trong
khi cùng một lúc làm cho chúng đủ mạnh để truyền trên một kênh ồn ào.
Mỗi lớp giao thức tiếp thêm vào các cấu trúc với đầu và cuối trang lớp cụ
thể.
IEEE 802.15.4 MAC định nghĩa bốn cấu trúc khung:
• Một khung đèn hiệu, được sử dụng bởi một điều phối viên để truyền cảnh
báo.
• Một khung dữ liệu, sử dụng cho tất cả các chuyển dữ liệu.
• Một khung thừa nhận, được sử dụng để xác nhận tiếp nhận khung thành.
• Một khung lệnh MAC, được sử dụng để xử lý tất cả các bạn bè MAC
chuyển kiểm soát thực thể.
Khung dữ liệu được minh họa dưới đây
Đơn vị dữ liệu vật lý Nghị định thư là thông tin tổng gửi qua không khí. Như
thể hiện trong hình minh họa ở trên lớp vật lý cho biết thêm các chi phí sau:
Trình tự mở đầu 4 octet
Bắt đầu Khung Delimiter 1 Octet
Khung dài 1 octet
MAC cho biết thêm các chi phí sau:
Khung điều khiển 2 octet
Trình tự dữ liệu số 1 Octet
39
Địa chỉ Thông tin 4-20 octet
Chuỗi kiểm tra khung 2 octet
Tóm lại tổng chi phí cho một gói duy nhất do đó là 15 -31 octet (120 bit);

tùy thuộc vào lược đồ địa chỉ sử dụng (ngắn hoặc địa chỉ 64 bit). Xin lưu ý
rằng những con số này không bao gồm bất kỳ chi phí an ninh
3.2. An ninh
Khi an ninh của khung lớp MAC là mong muốn, ZigBee sử dụng bảo mật
lớp MAC để đảm bảo lệnh MAC, đèn hiệu , và khung thừa nhận . ZigBee có
thể đảm bảo thông điệp truyền qua một bước nhảy duy nhất sử dụng bảo
đảm khung dữ liệu MAC, nhưng để nhắn tin đa -hop ZigBee dựa vào các lớp
trên ( chẳng hạn như các lớp nwk ) để bảo mật. Lớp MAC sử dụng các tiêu
chuẩn mã hóa nâng cao (AES) [10] như thuật toán mã hóa cốt lõi của nó và
mô tả một loạt các dãy phòng an ninh có sử dụng các thuật toán AES .
Những dãy phòng có thể bảo vệ tính bí mật, tính toàn vẹn, và tính xác thực
của khung MAC . Lớp MAC làm việc xử lý bảo mật, nhưng các tầng trên ,
trong đó thiết lập các phím và xác định mức độ bảo mật sử dụng, kiểm soát
quá trình này . Khi đã truyền lớp MAC ( nhận ) một khung với an ninh được
kích hoạt, nó nhìn vào điểm đến (source) của khung hình, lấy chìa khóa liên
kết với điểm đến (source) , và sau đó sử dụng phím này để xử lý theo khung
an ninh bộ định cho phím được sử dụng. Mỗi phím được kết hợp với một
phần mềm bảo mật duy nhất và các tiêu đề khung MAC có một chút mà xác
định cho dù an ninh cho một khung được kích hoạt hay vô hiệu hóa .
Khi truyền một khung hình, nếu tính toàn vẹn là cần thiết, tiêu đề và tải
trọng dữ liệu MAC được sử dụng trong tính toán để tạo ra một tin nhắn
Liêm Mã ( MIC) bao gồm 4, 8, hoặc 16 bits. MIC là hợp nối vào tải trọng
MAC . Nếu bảo mật là cần thiết, khung tải trọng MAC cũng được trái nối
với khung và trình tự tính ( dữ liệu được sử dụng để tạo thành một nonce ) .
Nonce được sử dụng khi mã hóa các tải trọng và cũng đảm bảo sự tươi mát
để ngăn chặn cuộc tấn công replay . Sau khi nhận được một khung hình, nếu
một MIC là hiện nay, nó được xác minh và nếu tải trọng được mã hóa, nó
được giải mã . Gửi các thiết bị sẽ làm tăng số lượng khung hình với tất cả
39
các tin nhắn được gửi và nhận các thiết bị sẽ theo dõi các số cuối cùng nhận

được từ mỗi thiết bị gửi . Nếu một tin nhắn với một số cũ được phát hiện, nó
được gắn cờ với một lỗi bảo mật . Các bộ bảo mật lớp MAC dựa trên ba
phương thức hoạt động . Mã hóa ở lớp MAC được thực hiện bằng cách sử
dụng AES trong Counter (CTR) chế độ và toàn vẹn được thực hiện bằng
cách sử dụng AES trong Cipher Khối Chaining ( CBC- MAC ) chế độ [16].
Một sự kết hợp của mã hóa và toàn vẹn được thực hiện bằng cách sử dụng
một hỗn hợp của CTR và CBC- MAC chế độ được gọi là chế độ CCM .
Lớp nwk cũng làm cho việc sử dụng Advanced Encryption Standard (AES) .
Tuy nhiên , không giống như các lớp MAC, các bộ bảo mật tất cả đều dựa
trên CCM * phương thức hoạt động . CCM * phương thức hoạt động là một
thay đổi nhỏ của chế độ CCM được sử dụng bởi các lớp MAC . Nó bao gồm
tất cả các khả năng của CCM và cung cấp thêm mã hóa chỉ và khả năng toàn
vẹn chỉ . Những khả năng đơn giản hóa thêm các lớp bảo mật nwk bằng cách
loại bỏ sự cần thiết cho CTR và Chế độ CBC-MAC. Ngoài ra, việc sử dụng
CCM * trong tất cả các bộ bảo mật cho phép một chìa khóa duy nhất để
được sử dụng cho các bộ khác nhau. Từ khóa không bị ràng buộc chặt chẽ
với một phần mềm bảo mật duy nhất, một ứng dụng có tính linh hoạt để xác
định phần mềm bảo mật thực tế để áp dụng cho mỗi khung nwk, không chỉ
cho dù an ninh được kích hoạt hay vô hiệu hóa
Khi lớp đã truyền nwk (nhận) một khung sử dụng một phần mềm bảo mật
đặc biệt nó sử dụng các nhà cung cấp dịch vụ bảo vệ (SSP) để xử lý khung.
SSP nhìn vào điểm đến (source) của khung hình, lấy chìa khóa liên kết với
điểm đến (source), và sau đó áp dụng các phần mềm bảo mật vào khung.
39
SSP cung cấp các lớp nwk với một nguyên thủy để áp dụng bảo mật cho
khung đi và một nguyên thủy để xác minh và loại bỏ an ninh từ các khung
hình đến. Lớp nwk chịu trách nhiệm cho việc xử lý bảo mật, nhưng các tầng
trên kiểm soát quá trình xử lý bằng cách thiết lập các phím và xác định đó bộ
CCM * an ninh để sử dụng cho mỗi khung hình.
Tương tự như định dạng khung lớp MAC, một số chuỗi khung và MIC có

thể được thêm vào để bảo đảm một khung nwk.