Tiểu luậnmô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng không dây zigbee bằng phần mềm ns 2 QUẢN lý NHÂN sự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Tiểu luận:Mô đánh giá hiệu mạng không dây Zigbee phần mềm Ns-2 QUẢN LÝ NHÂN SỰ GVHD: VÕ THANH TÚ SVTH: 18T1021342 - Nguyễn Văn Tuấn Nhóm lớp: Nhóm Tháng 10 - Năm 2021 BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN LỜI MỞ ĐẦU ZigBee công nghệ mạng không dây đời năm 2003 với đặc điểm là: mức lượng tiêu thụ giá thành thấp, đa dễ dàng mở rộng ZigBee hỗ trợ việc quản lý, điều khiển cho thiết bị gia dụng, cơng nghiệp, chăm sóc sức khỏe đặc biệt cho nhu cầu cho nhà thông minh Trên giới, công nghệ ZigBee trở nên phổ biến giá thành rẻ, dễ triển khai linh hoạt Rất nhiều công ty Alliance, Freescale, Atmel, .tham gia vào việc cung cấp thiết bị mạng để triển khai lắp đặt Các tập đoàn lớn SamSung, Nokia, Panasonic, ý đến ZigBee mạng điều khiển quan trọng cho sản phẩm Tại Việt Nam, bước đầu tiếp cận với công nghệ ZigBee diễn đàn thiết bị điện tử Cơng ty I-Solution có trụ sở Hà Nội đề cập đến ZigBee cơng nghệ cho việc tự động hóa cho biệt thự Việt Nam Qua đó, nhu cầu nắm bắt công nghệ ZigBee triển khai xây dựng hệ thống mạng quản lý nhà thông minh thị trường hấp dẫn Việt Nam Hiện tại, sinh viên nên việc sở hữu kit để phát triển công nghệ không khả thi nên mục tiêu đề tài nắm cơng nghệ ZigBee từ áp dụng vào mơ hai phần mềm NS-2 OPNET Phương pháp nghiên cứu chủ yếu sưu tầm tài liệu mạng dự án nghiên cứu có liên quan để tổng hợp phân tích Sau đó, từ kiến thức tiếp thu tiến hành mô để phân tích khả hoạt động mạng khơng dây ZigBee Đóng góp đề tài báo cáo lý thuyết công nghệ ZigBee kiến thức hai phần mềm NS-2 OPNET, mô hoạt động mạng hình ZigBee hai phần mềm với u cầu mơ khác Từ đó, hiểu hoạt động phân tích, đánh giá hoạt động mạng không dây ZigBee CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Công nghệ ZigBee 1.1.1 Khái niệm công nghệ ZigBee ZigBee chuẩn định nghĩa tập hợp giao thức truyền thông cho mạng tốc độ thấp tầm ngắn Thiết bị ZigBee hoạt động tần số 868MHz, 915 MHz 2,4 GHz Tốc độ truyền liệu tối đa 250 Kb/s ZigBee nhắm đến mục tiêu ứng dụng sử dụng pin tốc độ liệu thấp, chi phí thấp thời gian sử dụng pin lâu dài Trong nhiều ứng dụng ZigBee, tổng thời gian thiết bị hoạt động chủ động với giới hạn, thiết bị sử dụng phần lớn thời gian chế độ chờ, hay cịn gọi chế độ ngủ đơng Kết thiết bị dạng ZigBee hoạt động vài năm trước phải thay pin Phần mềm “Quản lý nhân Trang BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN Hình 1-1: Các dịch vụ cung cấp ZigBee 1.1.2 Mối quan hệ ZigBee chuẩn IEEE 802.15.4 Một cách thiết lập mạng truyền thông sử dụng khái niệm lớp mạng, lớp có trách nhiệm chức rõ ràng mạng Các lớp thông thường cho qua liệu lệnh đến tầng hay Các lớp giao thức mạng khơng dây ZigBee dựa mơ hình tham chiếu OSI Việc chia giao thức mạng thành lớp có nhiều lợi ích, giao thức thay đổi theo thời gian, dễ dàng thay lớp mà bị ảnh hưởng thay đổi thay đổi thay tồn giao thức Tương tự phát triển ứng dụng, lớp thấp giao thức độc lập so với ứng dụng cung cấp từ nhà phát hành thứ ba thứ hoàn thành mà cần thay đổi lớp ứng dụng giao thức Người dũng định nghĩa Được định nghĩa bới chuần ZigBee — Mạng ZigBee Được định nghĩa bơi chuần IEEE 802.15.4 Thiết bị truyền nhận sõng Hình 1-2: Cácradio tầng giao thức mạng không dây ZigBee Phần mềm “Quản lý nhân Trang Trong hình 1-2 hai tầng mạng định nghĩa chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn phát triển tổ chức chuẩn IEEE 802 phát hành vào năm 2003 Chuẩn ZigBee định nghĩa cho lớp mạng, ứng dụng bảo mật giao thức thừa nhận lớp PHY MAC IEEE 802.15.4 phần giao thức mạng khơng dây ZigBee Do đó, thiết bị tương tự ZigBee tuân thủ chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn IEEE 802.15.4 phát triển độc lập với chuẩn ZigBee, xây dựng mạng khơng dây tầm ngắn hồn tồn dựa chuẩn IEEE 802.15.4 không bao gồm lớp đặc thù ZigBee Trong trường hợp này, người dùng phát triển giao thức lớp ứng dụng mạng riêng họ tầng lớp PHY MAC chuẩn IEEE 802.15.4 Những lớp ứng dụng mạng tùy chỉnh đơn giản lớp giao thức ZigBee hướng mục tiêu vào ứng dụng đặc thù 1.1.3 Tầng PHY 1.1.3.1 Cơ chế xác định mức lượng (ED) Khi thiết bị muốn truyền tín hiệu, ban đầu vào chế độ nhận tín hiệu để xác định giới hạn mức lượng tín hiệu kênh truyền mong đợi Tác vụ biết xác định lượng (ED) Trong ED, thiết bị nhận khơng cố gắng giải mã tín hiệu mà xác định mức lượng tín hiệu bị giới hạn Nếu có tín hiệu sẵn sàng dải mong đợi, ED khơng biết có phải tín hiệu chuẩn IEEE 802.15.4 khơng Năng lượng tín hiệu băng tần mong đợi trung bình chu kỳ ký hiệu Tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực ED, tầng PHY trả số nguyên bit định mức lượng nằm kênh tần số mong đợi Mức lượng xác phải lớn dB 1.1.3.2 Cơ chế dị tìm sóng mang (CS) Tương tự chế ED, chế dị tìm sóng mang cách kiểm tra xem kênh tần số có sẵn sàng để sử dụng hay khơng Trong CS, thiết bị muốn truyền thông điệp, ban đầu vào chế độ nhận tín hiệu để xác định kiểu tín hiệu mà nằm kênh tín hiệu địi hỏi, tương phản với ED, CS tín hiệu giải điều chế kiểm tra tín hiệu điều chế hay phân bố tuân thủ đặc tính PHY mà dùng thiết bị Nếu tín hiệu chiếm giữ tuân thủ theo dạng PHY IEEE 802.15.4, thiết bị chọn xem xét kênh bận mà không quan tâm tới mức lượng tín hiệu 1.1.3.3 Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI) Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI-Link Quality Indication) việc định chất lượng gói tin liệu nhận thiết bị nhận Độ mạnh tín hiệu nhận (RSS) sử dụng việc tính tốn chất lượng sóng RSS việc đo đạc tổng lượng tín hiệu nhận Tỷ số lượng tín hiệu địi hỏi so với tổng lượng nhiễu băng thơng (tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR-Signal to Noise Ratio) cách khác để đánh giá chất lượng tín hiệu Như luật tổng quát, SNR cao đồng nghĩa với việc lỗi gói tin thấp Do đó, tín hiệu với SNR cao coi tín hiệu chất lượng cao Chất lượng liên kết cịn ước lượng sử dụng mức lượng tín hiệu tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu Sự đánh giá LQI thực cho gói tin nhận được, LQI phải có mức LQI báo cáo cho tầng MAC sẵn sàng cho tầng NWK APL kiểu phân tích Ví dụ, tầng NWK sử dụng mức LQI báo cáo thiết bị mạng để xemxét đường chọn để định tuyến thông điệp Nói chung, đường với tồn LQI cao có hội cao việc chuyển thơng điệp tới đích LQI yếu tố việc lựa chon đường để định tuyến Những yếu tố khác, ví dụ xem xét tính hiệu lượng định tuyến, ảnh hưởng đến lựa chọn định tuyến 1.1.3.4 Đánh giá độ thoáng kênh truyền Trong bước chế truy cập kênh truyền CSMA/CA, tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực đánh giá độ thoáng kênh truyền (CCA) để đảm bảo kênh truyền không bị sử dụng thiết bị khác CCA phần dịch vụ quản lý tầng PHY Trong CCA, kết ED hay CS sử dụng để xem xét kênh tần số có xem sẵn sàng hay bận Q trình CCA phải chu kỳ ký hiệu Có chế độ CCA, PHY tuân thủ IEEE 802.15.4 phải có khả thực chế độ này: • Chế độ CCA 1: Chỉ xem xét kết ED, mức lượng ngưỡng ED, kênh xem bận Ngưỡng ED thiết lập nhà sản xuất • Chế độ CCA 2: Chỉ sử dụng kết CS, kênh truyền xem bận tín hiệu chiếm tuân thủ với PHY thiết bị mà thực CCA • Chế độ CCA 3: Chế độ kết hợp logic (AND/ OR) chế độ 2, tầng PHY sử dụng tiêu chí sau để xác định kênh có bị bận hay khơng Mức lượng xác định ngưỡng sóng mang tuân thủ chuẩn đánh giá 1.1.3.5 Hằng số thuộc tính tầng PHY Các số định nghĩa đặc tính kích thước tối đa khung hay khoảng thời gian kiện Mỗi tầng giao thức có số chúng Tầng PHY có hai số, số PHY aMaxPHYPacketSize định đơn vị liệu dịch vụ PHY (PSDU) không dược phép vượt 127 octet Hằng số thời gian turnaround thời gian thiết bị truyền nhận cần để chuyển từ chế độ truyền (TX) sang chế độ nhận (RX), ngược lại với khoảng thởi gian 12 ký hiệu Hằng số aMaxPHYPacketSize aTurnaroundTime Bảng 1-1: Hằng số PHY Nội dung Kích thước PSDU cho phép (octet) Thời gian quay vòng RX thành TX TX RX tối đa cho phép (chu kỳ ký hiệu) Giá trị 127 12 Trong tầng giao thức MAC PHY, tất số có tiền tố “a”, tầng NWK APL số có tiền tố “nwkc” “apsc” đại diện không bị thay đổi suốt khoảng thời gian hoạt động Bảng 1-2: Thuộc tính PHY PIB Thuộc tính Nội dung PhyCurrentChannel Kênh tần số thực phyChannelsSupported f Mảng kênh sẵn sàng không sẵn sàng phyTransmitPower* Nguồn thiết bị truyền (dBm) PhyCCAMode PhyCurrentPage phyMaxFrameDuration f phySHRDuration f phySymbolsPerOctet f Chế độ CCA thực (1-3) Trang kênh PHY Số lượng tối đa biểu tượng khung (55, 212, 266, 1064) Thởi gian tồn header đồng hóa (SHR) (3,7, 10, 40) Số lượng ký hiệu octet cho PHY (0.4, 1.6, 2, 8) Các thuộc tính giá trị mà thay đổi hoạt động Các thuộc tính tầng PHY chứa thơng tin PAN PHY (PHY-PIB) Các thuộc tính địi hỏi quản lý dịch vụ PHY đánh dấu dấu trâm thuộc tính đọc, tầng cao đọc thuộc tính đọc, tầng PHY thay đổi chúng Các thuộc tính đánh dấu dấu “*” có bit đặc biệt mà chi đọc Các bit khơng đánh dấu đọc đọc ghi tầng Chỉ tầng PHY thay đổi bit đọc 1.1.4 Tầng MAC 1.1.4.1 Hoạt động chế độ cho phép đèn hiệu cấu trúc siêu khung Một lợi ích mạng chế độ cho phép đèn hiệu khả khe thời gian bảo đảm (GTS) Khung đèn hiệu khung MAC chứa thông tin đèn hiệu thời gian cự ly khung đèn hiệu số lượng GTS Hình 1-3: Cấu trúc siêu khung Khi thực chế độ cho phép đèn hiệu, sử dụng cấu trúc siêu khung hình 1-3, bao phủ hai khung đèn hiệu Có thể có đến kiểu giai đoạn siêu khung: giai đoạn truy cập tranh chấp (CAP), giai đoạn tự tranh chấp (CFP) giai đoạn không hoạt động Trong giai đoạn CAP, tất thiết bị muốn truyền cần sử dụng chế CSMA/CA để có khả truy cập đến kênh tần số sẵn sàng cách công với tất thiết bị mạng Thiết bị bắt đầu sử dụng kênh sẵn sàng sử dụng cho thiết bị việc truyền hồn thành Nếu thiết bị tìm kênh truyền bị bận, quay lại khoảng thời gian ngẫu nhiên thử lại Khung lệnh MAC phải truyền trình CAP Khơng có bảo đảm khoảng thời gian CAP cho thiết bị sử dụng kênh tần số xác cần CFP, trái ngược với CAP, bảo đảm khe thời gian cho thiết bị đặc biệt thiết bị không cần sử dụng CSMA/CA để truy cập kênh truyền CSMA/CA không cho phép CFP Sự kết hợp CAP CFP biết giai đoạn kích hoạt chia thành 16 khe thời gian Khung đèn hiệu bắt đầu điểm bắt đầu khe thời gian Có thể lên đến GTS CFP Mỗi GTS chiếm hay nhiều khe thời gian Một siêu khung tùy chọn có giai đoạn khơng hoạt động, cho phép thiết bị chuyển vào chế độ tiết kiệm lượng phối hợp bật tắt mạch truyền nhận để bảo tồn lượng pin Cấu trúc siêu khung định nghĩa phối hợp cấu hình tầng NWK sử dụng gốc MLME-START.request Khoảng thời gian hai tín hiệu đèn hiệu liên tiếp (BI) định giá trị thuộc tính macBeaconOrder (BO) số aBaseSuperframeDuration sử dụng biểu thức: BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO (Ký hiệu) Thuộc tính BO có giá trị từ 0-14 mạng chế độ đèn hiệu, giá trị đặt 15 mạng xem xét mạng không cho phép chế độ đèn hiệu khơng có siêu khung áp dụng Chiều dài giai đoạn kích hoạt siêu khung hiểu giai đoạn siêu khung (SD), tính tốn từ phương trình sau: SD = aBaseSuperframeDuratio * 2SO (Ký hiệu) SO thuộc tính macSuperframeOrder Giai đoạn siêu khung vượt khoảng đèn hiệu liền kề, giá trị SO thường nhỏ BO Trong mạng không cho phép chế độ đèn hiệu, phối hợp không truyền đèn hiệu trừ nhận lệnh yêu cầu đèn hiệu từ thiết bị mạng với mục đích định vị phối hợp Bộ phối hợp PAN mạng không cho phép chế độ đèn hiệu đặt giá trị SO 15 Beacon đươc truyền từ phối hợp Beacon nhận từ phối hợp PAN khác phổi hợp PAN Beacon nhận từ phỗi hợp PAN Giai đoạn không hoạt động Siêu khung đén (Được nhận) Siêu khung (Được truyên) Giai đoạn không hoạt động Chiều dài Giai đoạn hoạt động Giai đoạn hoạt động < -nha Thời gian bắt đầu>Thời gian hoạt động Khoáng thời gian khung đèn hiệu cúa phối hợp PAN Hình 1-4: Hẹn siêu khung vào Trong mạng cho phép chế độ đèn hiệu, phối hợp nào, thêm vào phối hợp PAN, có tùy chọn để truyền đèn hiệu tạo siêu khung Hình 1-4 thời gian u cầu phối hợp PAN phối hợp khác mạng truyền đèn hiệu Bộ phối hợp bắt đầu truyền đèn hiệu giai đoạn khơng hoạt động siêu khung phối hợp PAN Đèn hiệu phối hợp PAN ám đến đèn hiệu nhận Đèn hiệu phối hợp khác biết làđèn hiệu truyền Giai đoạn hoạt động hai siêu khung phải có chiều dài tương đương Bộ phối hợp, khác với phối hợp PAN, truyền đèn hiệu rõ bắt đầu siêu khung kết thúc siêu khung tương đồng với kết thúc siêu khung phối hợp PAN Nếu thiết bị khơng sử dụng GTS cho khoảng thời gian mở rộng, GTS hết hạn phối hợp phân cơng GTS đặc biệt cho thiết bị khác Giai đoạn không hoạt động mà kết hết hạn GTS thường số nguyên gấp đôi chiều dài siêu khung Giá trị nhân (n) phụ thuộc vào macBeaconOrder: n = 2(8-macBeaconOrder) < = macBeaconOrder < = n=1 2Be-1) * giai đoạn quay lui đơn vị Thực CCA (theo chế có khe) Đ Thành Thất bại cơng ' Hình 1-5: Lưu đồ thuật toán CSMA/CA Giá trị khởi tạo BE với macMinBE truy cập kênh truyền CSMA/CA khơng có khe Trong CSMA/CA có khe lựa chọn tùy chọn mở rộng tuổi thọ pin (BLE) cấu trúc siêu khung ảnh hưởng đến giá trị BE Nếu tùy chọn BLE kích hoạt, phối hợp tắt nhận tín hiệu khoảng thời gian với macBattLifeExPeriod theo sau việc truyền khung đèn hiệu, để bảo toàn lượng Trong trường hợp này, dải giá trị khoảng thời gian lặp lại giới hạn giá trị macMinBe: BE = (2, macMinBE) Nếu tùy chọn BLE không lựa chọn, phối hợp hoạt động toàn CAP giá trị BE macMinBE Giá trị BE tăng CCA thực kênh truyền bận, giá trị BE vượt macMaxBE NB đếm mà cập nhập số lần thiết bị lặp lại thử lại chế truy cập kênh truyền Khi bắt đầu thuật toán giá trị NB đặt giá trị tăng lên thiết bị phải lặp lại kênh truyền bận Khi NB đạt đến giá trị macMaxCSMABackoff kênh không truy cập thành cơng, thuật tốn CSMA/CA kết thúc báo cáo truy cập kênh truyền lỗi cho tầng NWK Biến cửa sổ xung đột (CW) định số lượng khoảng thời gian lặp lại mà kênh truyền phải sẵn sàng trước bắt đầu truyền Ví dụ CW = 2, thiết bị bắt đầu truyền sau kết lặp lại liên tiếp kênh hữu CW sử dụng thuật tốn CSMA/CA có khe Nếu q trình truyền khơng thể hồn thành trước khoảng thời gian cho phép, tầng MAC đợi đến bắt đầu CAP thử lại thuật toán truy cập kênh truyền CSMA/CA lần 1.1.5 Tầng NWK 1.1.5.1 Truyền thông broadcast Trong truyền thông quảng bá, thông điệp có mục đích truyền thiết bị mà lắng nghe kênh tần số đặc biệt, ý địa chúng hay định danh PAN Mỗi thiết bị nhận gói, kiểm tra địa đích cung cấp gói để phê duyệt thiết bị có ý định nhận gói hay khơng Để quảng bá mạng IEEE 802.15.4 chế độ địa ngắn sử dụng địa đích đặt 0xffff Địa chấp nhận tất thiết bị mà nhận gói địa chúng Định danh PAN đặt 0xffff Thiết bị nhận chấp nhận 0xffff định danh PAN hợp lệ Địa MAC 0xffff biết địa quảng bá Một phối hợp ZigBee định tuyến ZigBee trì ghi tất thông điệp mà chúng quảng bá bảng gọi bảng giao dịch quảng bá (BTT) Bản ghi tự khơng thể biết ghi giao dịch quảng bá (BTR) chứa số hiệu chuỗi địa nguồn khung quảng bá Mỗi router ZigBee có khả đệm khung tầng NWK Khả đệm giúp cho việc truyền lại quảng bá Mỗi BTR cho phép khoảng thời gian giới hạn hết hạn sau khoảng thời gian nwkNetworkBroadcastDelivery-Time (giây) từ tạo Một BTR bị hết hạn bị ghi đè BTR tạo BTT đầy Nếu thiết bị đầu cuối ZigBee không giữ nhận chế độ ON thiết bị trạng thái chờ, thiết bị không chuyển tiếp thơng điệp quảng bá hay bảo trì BTT Nếu định tuyến ZigBee với macRxOnWhenIdle đặt FALSE nhận thơng điệp quảng bá, khơng sử dụng chế quảng bá Thay vào đó, sử dụng unicast để chuyển tiếp thông điệp mà khơng có độ trễ cho hàng xóm cách riêng rẽ Trường address chứa địa thiết bị có mục đích khơng phải địa quảng bá Trong thời gian quảng bá, thông điệp chuyển tiếp nhiều thiết bị có khả xuất xung đột nút ẩn Để giảm thiểu, tầng NWK yêu cầu trước lần truyền lại thiết bị phải đợi khoảng thời gianngẫu nhiên gọi broadcast jitter, chiều dài phải nhỏ giá trị thuộc tính nwkcMaxBroadcastJitter theo đơn vị mili giây 1.1.5.2 Truyền thông multicast Trong multicast thiết bị chuyển thơng điệp đến nhóm thiết bị mạng thay tồn mạng Trong ứng dụng điều khiển đèn, truyền khung đơn đến thiết bị hoạt động cơng tắc bật tắt nhóm đèn Mỗi nhóm định nghĩa ID nhóm địa 16 bit multicast Một thiết bị thành viên hay nhiều nhóm Mỗi thiết bị giữ danh sách thành viên nhóm multicast bảng gọi bảng multicast (nwkGroupIDTable) Một thiết bị phi thành viên nhóm multicast sử dụng multicast để đến thành viên hai chế độ chế độ thành viên chế độ phi thành viên Trong chế độ thành viên, multicast khởi tạo thiết bị thành viên gửi cho thành viên nhóm multicast Trong chế độ phi thành viên, thiết bị mà không thành viên nhóm multicast định tuyến thơng điệp đến thành viên nhóm multicast, mà từ gửi đến thành viên nhóm Khung liệu tầng NWK có trường multicast mode mà phân biệt khung truyền thiết bị thiết bị thành viên hay phi thành viên Hình 1-6: Truyền thơng khởi tạo thiết bị phi thành viên Trong hình 1-6 thiết bị phi thành viên khởi tạo multicast, tạo khung liệu NWK đặt trường multicast mode không thành viên Giả sử định tuyến khám phá thực trước truyền thiết bị nguồn biết địa hop có nghĩa thiết lập định tuyến đẫn khung đến thiêt bị thành viên cách unicast liên tiếp Thiết bị nhận khung từ thiết bị phi thành viên lại chuyển tiếp cho thiết bị sử dụng unicast khung nhận thành viên nhóm multicast Thiết bị chuyển giá trị trường multicast mode thành chế độ thành viên gửi cho thành viên cách broadcast Trong chế độ khơng có thừa nhận bị động Với broadcast thành viên không thành viên broadcast lại khung nhận BBT khơng đầy khơng broadcast trước khung Trong multicast giới hạn số lần khung multicast broadcast lại thiết bị phi thành viên Khung broadcast có trường nomember radius mà giảm khung broadcast lại thiết bị phi thành viên, khơng broadcast lại Có ngoại lệ trường đặt 007 khơng bị giới hạn Trong chuẩn ZigBee có khung liệu truyền multicast cịn khung lệnh khơng 1.1.5.3 Truyền thơng many to one Kịch truyền thông cho thiết bị nhận thông điệp từ nhiều thiết bị mạng Thiết bị nhận gọi sink thiết lập định tuyến từ tất định tuyến ZigBee phối hợp ZigBee vùng bán kính Hình 1-7: Truyền thơng n - 1.1.5.4 Cấu trúc phân cấp dạng Một mạng hình phối hợp ZigBee đóng vai trị gốc Một phối hợp ZigBee định tuyến đóng vai trị thiết bị cha chấp nhận kết hợp từ thiết bị khác mạng Một thiết bị đầu cuối ZigBee thiết bị thiếu khả định tuyến Độ sâu mạng định nghĩa số lượng tối đa hop đòi hỏi cho khung để đến phối hợp ZigBee sử dụng liên kết cha/con Độ sâu cha đến có hop độ sâu phối hợp Zigbee đến Chuẩn ZigBee cung cấp chế cấp phát địa cho thiết bị mạng cây, biết cấp phát địa phân phối mặc định Tuy nhiên nhà phát triển ứng dụng cho phép sử dụng phương thức cấp phát địa họ Khi phối hợp ZigBee bắt đầu thiết lập mạng, thuộc tính nwkUseTreeAddrAlloc đặt TRUE phối hợp sử dụng sơ đồ đánh địa phân phối mặc định Trong chế độ đánh địa phối hợp ZigBee cung cấp cho cha tiềm khối địa mạng Thiết bị cha gán địa cho thiết bị Bộ phối hợp ZigBee định số lượng tối đa thiết bị cho phép cho cha Nếu thuộc tính nwkUseTreeAddrAlloc đặt FALSE, tầng APL cung cấp việc đánh địa người dùng tự định nghĩa cho tầng NWK Hình 1-8: Mối quan hệ nút nút cha mạng hình Sự cấp phát địa mặc định sử dụng chiều sâu số lượng tối đa để cấp phát địa Các thông số ảnh hưởng đến việc cấp phát địa sau: Lm Chiều sâu mạng tối đa (nwkMaxDepth) Cm Số lượng tối đa cha chấp nhận (nwkMaxChildren) Rm Số lượng có khả định tuyến tối đa cha chấp nhận (nwkMaxRouters) d Chiều sâu thiết bị mạng Trong hình 1-9 sơ đồ cấp phát địa Lm = 3, Cm = Rm = Việc đánh địa bắt đầu với việc gán địa (addr = 0) cho phối hợp ZigBee Để định địa cho phần lại thiết bị hàm đơn giản (Cskip(d)) sử dụng: Cskip(d) = + Cm — Rììĩ — Cm X RmLm‘! , , otherwise — Rm + Cm X (Lm — d — 1) Rm = I , if Tại độ sâu, khác biệt địa thiết bị có khả định tuyến số nguyên tích giá trị Cskip cha Hình 1-9: Ví dụ cấp phát địa mặc định Cskip(d) hữu dụng thiết bị mong đợi chuyển tiếp thơng điệp đến đích thay mặt cho thiết bị khác Thiết bị chuyển tiếp cần biết thiết bị đích cháu thiết bị chuyển tiếp Nếu thiết bị chuyển tiếp độ sâu d địa A, thiết bị đích với địa đích B cháu thiết bị chuyển tiếp mối quan hệ sau đúng: A < D < A +' Cskip(d-l) Sau nhận đích cháu thiết bị, bước tính tốn địa hop tiếp theo, đích thiết bị, địa hop đơn giản địa đích Nếu đích khơng cháu địa hop tính tốn từ phương trình sau: Địa em hơp tiễp theo = A + + int ( _ ; „ * Cskip(d) Ví dụ thiết bị Y đóng vai trị định tuyến để chuyển tiếp thông điệp đến địa đích 11, địa hop 1.1.5.5 Cấu trúc hình lưới Trong mơ hình lưới, khơng có mối quan hệ phân cấp Bất kỳ thiết bị mạng lưới cho phép nỗ lực liên lạc thiết bị khác trực tiếp lợi dụng thiết bị có khả định tuyến để chuyển tiếp thông điệp nhân danh thiết bị khởi tạo thơng điệp Trong mạng hình lưới, định tuyến từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích thiết tạo có yêu cầu thay đổi môi trường thay đổi Khả mạng dạng lưới tạo thay đổi định tuyến tăng tính linh hoạt cho kết nối không dây 1.1.5.6 Định tuyến Định tuyến q trình lựa chọn đường dẫn thơng qua thơng điệp chuyển tiếp đến thiết bị đích Bộ phối hợp ZigBee định tuyến có trách nhiệm khám phá trì định tuyến mạng Một thiết bị đầu cuối ZigBee thực phát định tuyến phối hợp ZigBee hay định tuyến thực phát nhân danh thiết bị đầu cuối Chiều dài (L) đường định nghĩa số thiết bị đường Chi phí cùa liên kết diết bị (Dl) vả thiết bị (D2) Hình 1-10: Phân tích chi phí đường Các tham số chất lượng liên kết, số lượng hop xem xét bảo tồn lượng sử dụng để xem xét đường tối ưu cho kịch định tuyến, để đơn giảnhóa, liên kết gắn với chi phí liên kết Giá trị chi phí liên kết thấp xem khả chuyển gói thành cơng cao Chi phí liên kết tập giá trị C{[Di,Di+1]} hình Có hai cách khác để xem xét chi phí liên kết Chuẩn ZigBee sử dụng phương trình sau: / \ C(0 = min(7,l —4 1) Vi / C{l} chi phí liên kết l Khả thành cơng gói chuyển tiếp liên kết l Pl, giá trị chi phí thường số nguyên khoảng 0-7 Ví dụ Pl 80% chi phí liên kết Một phương pháp đơn giản để tính tốn chi phí liên kết sử dụng bảng: Bảng 1-3: Bảng định tuyến Kích Nội dung thước byte Tuyến đường dẫn đến địa đích Trạng thái tuyến đường giá trị sau: ACTIVE, bit DISCOVERY_UNDERWAY, DISCOVERY_FAILD, INACTIVE, VALIDATION UNDERWAY Nếu đích phát hành yêu cầu tuyến bit đường many to one, trường đặt Nếu cờ đặt, tuyến đường chuyển gói bit ghi lại chuyển cho thiết bị đích Cờ đặt địa đích ID bit nhóm Đây địa mạng 16 bit hop tiếp byte theo tuyến đường Tên trường Destination address Status Many-to-one Route record required Group ID flag Next-hop address Để so sánh đường khác nhau, đường gắn với chi phí đường C{P} đơn giản tổng hợp chi phí liên kết mà hình thành đường £-1 c{p} = 1-1 Df+1]} = i=l i=l Định tuyến với chi phí đường thấp có hội tốt thành cơng chuyển gói Bộ phối hợp ZigBee định tuyến tạo trì bảng định tuyến, dùng để định hop định tuyến thơng điệp đến đích cụ thể Trường status xem xét trạng thái truyến đường Một bảng khác có liên quan đến định tuyến bảng phát định tuyến sử dụng để tìm định tuyến mới, chứa chi phí đường dẫn, địa thiết bị mà yêu cầu định tuyến (thiết bị nguồn) địa thiết bị cuối mà chuyển tiếp đến thiết bị Tên trường Route request ID Bảng 1-4: Bảng phát tuyến đường Kích Nội dung thước byte Số hiệu chuỗi định danh yêu cầu tuyến đường Source address byte Sender address byte Forward cost byte Residual cost byte Expiration time byte Mỗi tuyến đường từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích có ID yêu cầu tuyến đường Địa mạng 16 bit thiết bị nguồn nơi phát yêu cầu tuyến đường Địa mạng 16 bit thiết bị gửi thiết bị gửi yêu cầu tuyến đường nhân danh thiết bị nguồn Địa dùng để gửi lệnh trả lời tuyến đường trở lại thiết bị nguồn Nếu yêu cầu tuyến đường tương tự nhận từ nhiều thiết bị gửi, địa thiết bị gửi có tổng chi phí đường thấp giữ Chi phí đường thu thập từ thiết bị nguồn đến thiết bị Trường cập nhật lệnh yêu cầu tuyến đường gửi đến thiết bị đích Chi phí đường thu thập từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích Trường cập nhật lệnh trả lời tuyến đường gửi đến thiết bị nguồn Nội dung bảng phát tuyến đường sau khoảng thời gian Giá trị khởi tạo trường nwkcRouteDiscoveryTime Nội dung bảng phát định tuyến tương phản với bảng định tuyến tạm thời hết hạn sau nwkcRouteDiscoveryTime mili giây Một thiết bị mạng không dây ZigBee trì bảng hàng xóm chứa thơng tin thiết bị dải truyền Bảng cập nhật thiết bị nhận gói từ hàng xóm hữu dụng thiết bị muốn tìm định tuyến bên cạnh hay tham gia lại vào mạng Thiết bị sử dụng bảng thiết bị hàng xóm tìm kiếm cha Bảng 1-5: Bảng hàng xóm Nội dung Địa IEEE 802.15.4 64 bit Địa mạng 16 bit Bộ phối hợp, định tuyến ZigBee thiết bị đầu cuối Device type Nếu thiết bị nhận giữ nhận ON chế RxOnWhenIdle độ chờ, trường đặt TRUE Trường xem xét mối quan hệ hàng xóm với Relationship thiết bị cha, con, anh chị em, trước, hay khơng có quan hệ Giá trị cao trường nhiều nỗ lực Transmit failure truyền trước bị kết lỗi LQI Ước lượng chất lượng liên kết Incoming beacon timestamp Thời gian đèn hiệu cuối nhận Trường xem xét hàng xóm có khả Potential parent cha hay không Tên trường Extended address Network address Cơ chế cho mạng hình gọi định tuyến phân cấp Nếu thuộc tính nwkUseTreeRouting đặt TRUE, thiết bị có khả sử dụng định tuyến phân cấp 1.1.5.7 Phát đường Tầng APL yêu cầu tầng NWK phát tuyến đường cho truyền thông unicast, multicast many to one Nếu yêu cầu phát tuyến đường chứa địa thiết bị riêng lẻ địa đích tầng NWK thực phát tuyến đường unicast Một tuyến đường unicast thường địa nguồn đơn kết thúc địa đích đơn Phát tuyến đường multicast khởi tạo địa đích ID nhóm 16 bit nhóm multicast Cuối cùng, tầng APL khơng cung cấp địa đích nào, tầng NWK giả sử tầng APL yêu cầu phát tuyến đường many to one o Thiết bị quàng bá Một thiết bị chẽ độ nhạn -+ Quãng bá yêu càu tuyến Hình 1-11: Phát tuyến đường unicast với thiết bị nguồn thiết bị đích Hình 1-11 kịch ví dụ phát tuyến đường, thiết bị A muốn tìm tuyến đường đến thiết bị F, bắt đầu phát tuyến đường cách quảng bá lệnh yêu cầu tuyến đường Khung lệnh yêu cầu tuyến đường chứa định danh yêu cầu tuyến đường, địa đích trường path-cost Trường route-request identiíier số hiệu chuỗi bit để yêu cầu tuyến đường tăng lên tầng NWK phát hành yêu cầu tuyến đường Trường path-cost sử dụng để thu thập tổng chi phí đường tuyến đường Thiết bị A đặt giá trị trường path-cost trước quảng bá lệnh yêu cầu tuyến đường Nếu thiết bị nhận lệnh yêu cầu tuyến đường thiết bị đầu cuối ZigBee, bỏ qua lệnh yêu cầu tuyến đường khơng có khả định tuyến Như hình vẽ có thiết bị bố trí thiết bị A thiết bị F phối hợp ZigBee định tuyến ZigBee Thiết bị B định tuyến ZigBee thiết bị B có khả định tuyến (bảng định tuyến khơng đầy), bổ sung chi phí đường từ thiết bị A đến thiết bị B cho trường path-cost lệnh yêu cầu tuyến đường quảng bá lệnh yêu cầu tuyến đường Nếu bảng phát tuyến đường thiết bị B không chứa định danh yêu cầu tuyến đường địa nguồn, thiết bị B cập nhật bảng phát tuyến đường tương ứng Hình 1-12: Sửa chữa tuyến đường mạng hình lưới Nếu bảng định tuyến thiết bị B đầy địa đích khơng bảng định tuyến, giả sử mạng dựa định tuyến phân cấp lệnh yêu cầu tuyến đường nhận từ đường dẫn hợp lệ, thiết bị B unicast lệnh yêu cầu tuyến đường dọc theo bảng định tuyến thiết bị B đầy yêu cầu tuyến đường không nhận dọc theo đường hợp lệ, thiết bị B đơn giản bỏ qua lệnh yêu cầu tuyến đường Thiết bị C phối hợp ZigBee đóng vai trị để thiết bị B nhận lệnh yêu cầu tuyến đường Quảng bá từ thiết bị B C đến thiết bị D E Thiết bị D E quảng bá lại yêu cầu tuyến đường lần nữa, giả sử chúng có khả định tuyến Tương tự định tuyến khác, thiết bị bắt đầu quàng bá với trễ ngẫu nhiên Thiết bị D nhận lệnh yêu cầu tuyến đường từ thiết bị chuyển tiếp khác Thiết bị D đảm bảo bảng phát tuyến đường cập nhật để chứa chi phí đường thấp từ thiết bị gửi đến thiết bị D Nó giúp thiết bị D thời gian để liên hệ lại kết phát tuyến đường thẳng đến thiết bị A Tại thời gian thiết bị D lựa chọn hop từ bảng phát tuyến đường dựa chi phí đường thấp hướng đến thiết bị A Quảng bá liên tục đươc lặp lại lệnh yêu cầu tuyến đường nhận đích có mục đích thiết bị F, sử dụng tồn chi phí đường thu thập lệnh yêu cầu tuyến đường nhận để lựa chọn đường dẫn tối ưu từ thiết bị A đến thiết bị F Thiết bị F chọn thiết bị D E hop để truyền lệnh trả lời tuyến đường trở lại thiết bị A Ví dụ thiết bị D hop sử dụng bảng phát tuyến đường để tìm hop chuyển tiếp lệnh trả lời tuyến đường lại cho thiết bị A Tuyến đường từ thiết bị nguồn A đến thiết bị đích F gọi tuyến đường phía trước Tuyến đường từ thiết bị F đến thiết bị A xem tuyến đường quay lại Định tuyến đối xứng bất đối xứng Khi định tuyến đối xứng lựa chọn việc thiết lập nwkSymLink thành TRUE tuyến đường đồng việc truyền từ A đến F sử dụng chung thiết bị để chuyển tiếp Nếu giá trị nwkSymLink đặt FALSE thiết bị F cần phát tuyến đường riêng để tìm tuyến đường đến thiết bị A Phát tuyến đường multicast tương tự sử dụng unicast, bắt đầu với lệnh yêu cầu tuyến đường thiết bị nguồn, tạo bảng tuyến đường cập nhật giá trị tồn sẵn để phản ánh thật phát tuyến đường thực Bất thiết bị nhận quảng báo mà có khả định tuyến so sánh IP nhóm multicast cung cấp khung quảng bá với địa ID nhóm bảng multicast để biết thiết bị làm thành viên nhóm multicast yêu cầu Nếu thiết bị nhận khơng thành viên nhóm multicast yêu cầu xử lý phát tuyến đường multicast tương tự phát tuyến đường unicast nhung địa đích đặt ID nhóm multicast Nếu thiết bị nhận thành viên nhóm multicast yêu cầu tạo cập nhật bảng phát tuyến đường cho yêu cầu phát tuyến đường Nếu thiết bị thành viên có bảng phát tuyến đường tương ứng với địachỉ thiết bị nguồn định danh yêu cầu tuyến đường, thiết bị thành viên giữ tuyến đường mà có chi phí đường nhỏ Thiết bị thành viên gửi lệnh tin vào tuyến đường thẳng đến thiết bị nguồn tương tự phát tuyến đường unicast 1.1.6 Tầng APL 1.1.6.1 Khung ứng dụng Chuẩn ZigBee cung cấp tùy chọn để sử dụng mô tả sơ lược ứng dụng phát triển ứng dụng cho phép hoạt động liên hợp sản phẩm phát triển nhà phát hành khác cho ứng dụng cụ thể Mỗi mô tả sơ lược ứng dụng định nghĩa giá trị 16 bit biết định danh mô tả sơ lược Một nhà phát hành phát triển mô tả u cầu định danh mơ tả từ ZigBee Alliance, họ định giá mô tả ứng dụng gợi ý phù hợp với hướng dẫn Alliance định danh cấu hình phát hành Mô tả ứng dụng đặt tên sau ứng dụng tương ứng chúng sử dụng Một phần khác ứng dụng ZigBee miêu tả thiết bị, cung cấp thơng tin có liên quan thiết bị ví dụ như: băng tần tần số hỗ trợ, kiểu logic thiết bị (bộ phối hợp, định tuyến thiết bị đầu cuối) lượng yêu cầu pin Mỗi miêu tả thiết bị định danh giá trị 16 bit Mô tả ứng dụng ZigBee sử dụng khái niệm cấu trúc liệu miêu tả Trong phương pháp thay bao gồm liệu miêu tả ứng dụng, giá trị 16 bit giữ đóng vai trị trỏ đến vị trí liệu Khi thiết bị phát diện thiết bị khác mạng mô tả thiết bị truyền để cung cấp thơng tin có liên quan đến thiết bị 1.1.6.2 Các đối tượng thiết bị ZigBee Hình 1-13 đối tượng thiết bị ZigBee giao diện tầng APS khung ứng dụng có trách nhiệm khởi tạo APS, NWK cung cấp dịch vụ an ninh (SSP) Tương tự mô tả ứng dụng định nghĩa khung ứng dụng, có mơ tả sơ lược định nghĩa cho ZDO mà biết mô tả ngắn gọn thiết bị ZigBee (ZDP) hay mô tả thiết bị đơn giản Mô tả sơ lược thiết bị chứa miêu tả thiết bị cluster cluster mô tả thiết bị không sử dụng thuộc tính ZDO tự có thuộc tính cấu hình thuộc tính khơng chứa mơ tả thiết bị Nền ứng dụng Mô tả sơ lược ứng dụng ối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) Mô tả sơ lược thiết bị ZigBee Tầng APS Hình 1-13: ZDO đóng vai trị giao diện khung ứng dụng tầng APS Điểm khác lại mô tả thiết bị mô tả ứng dụng mô tả ứng dụng tạo cho ứng dụng đặc thù đâu mô tả thiết bị định nghĩa khả hỗ trợ tất thiết bị ZigBee Mô tả sơ lược thiết bị có miêu tả thiết bị Các cluster chia thành nhóm bắt buộc tùy chọn Lệnh mơ tả thiết bị ZigBee gửi sử dụng dịch vụ liệu APS định dạng mơ tả hình 1-24 Số chuỗi giao dịch Dữ liệu giao dịch Hình 1-14: Định dạng lệnh mơ tả sơ lược thiêt bị ZigBee Phần thứ số hiệu giao dịch bit Bất kỳ đối tương ứng dụng trì đếm tăng có giao dịch truyền Nội dung đếm chép vào trường transaction sequence number lệnh ZDP Dữ liệu giao dịch chứa lệnh liệu liên hệ với lệnh Có hai nhóm lệnh dịch vụ client dịch vụ server Các lệnh ZDP nhóm chia thành nhóm: phát dịch vụ thiết bị, quản lý liên kết quản lý mạng Các lệnh nhóm từ đối tượng ZDO thiết bị đối tượng phát dịch vụ, đối tượng quản lý liên kết đối tượng quản lý mạng Lệnh phát dịch vụ thiết bị cho phép thiết bị để yêu cầu thông tin địa NWK danh sách miêu tả thiết bị khác mạng Chúng cho phép thiết bị lưu trữ miêu tả thiết bị đệm phát hay cấu hình miêu tả người dùng thiết bị khác mạng Lệnh quản lý liên kết cho phép thiết bị tạo gỡ bỏ mối quan hệ liên kết, lưu trữ bảng liên kết thiết bị bảng liên kết chính, tạo bảng liên kết dự phịng phục hồi lại bảng liên kết dự phòng lưu trữ trước Các lệnh quản lý mạng sử dụng để định danh mạng lân cận, yêu cầu nội dung bảng định tuyến hàng xóm quản lý thiết bị gia nhập rời khỏi mạng Có thêm hai đối tượng ZDO quản lý mạng quản lý an ninh Quản lý mạng chứa gốc mạng có liên hệ với giao diện với NLME Đối tượng quản lý an ninh chứa gốc an ninh có liên hệ với giao diện với thực thể quản lý tầng APS (APSME)  ... chuần ZigBee — Mạng ZigBee Được định nghĩa bơi chuần IEEE 8 02. 15.4 Thiết bị truyền nhận sõng Hình 1 -2: Cácradio tầng giao thức mạng không dây ZigBee Phần mềm ? ?Quản lý nhân Trang Trong hình 1 -2 hai... quản lý mạng sử dụng để định danh mạng lân cận, yêu cầu nội dung bảng định tuyến hàng xóm quản lý thiết bị gia nhập rời khỏi mạng Có thêm hai đối tượng ZDO quản lý mạng quản lý an ninh Quản lý. .. phân tích khả hoạt động mạng khơng dây ZigBee Đóng góp đề tài báo cáo lý thuyết công nghệ ZigBee kiến thức hai phần mềm NS- 2 OPNET, mô hoạt động mạng hình ZigBee hai phần mềm với u cầu mơ khác