Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu về điều khiển thiết bị từ xa,…ngày càng cao. Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển,…Vì thế công nghệ không dây đã ra đời và đang phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày. Kỹ thuật không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc, v.v…Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, kỹ thuật không dây đã đưa ra nhiều chuẩn với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau để có thể phù hợp với từng nhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như IrDA, WLAN với chuẩn 802.11, ZigBee, OpenAir, UWB, Bluetooth,…Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó, và Bluetooth đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm, rất thuận lợi cho những thiết bị di động. Với một tổ chức nghiên cứu đông đảo, hiện đại và số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm của họ ngày càng tăng, Bluetooth đang dần lan rộng ra khắp thế giới, xâm nhập vào mọi lĩnh vực của thiết bị điện tử và trong tương lai mọi thiết bị điện tử đều có thể được hỗ trợ kỹ thuật này.
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài tập này trước hết chúng em chân thành cảm ơn ThầyTs.Lương Khắc Định khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Kỹ thuật-Hậucần CAND đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo chúng em hoàn thành báo cáo này.Tuy bản thân đã rất cố gắng tìm hiểu tài liệu từ nhiều nguồn thông tin khácnhau như là giáo trình, sách, internet,…nhưng không tránh được những sai sót,kính mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để tôi có thểhoàn thiện hơn và là cơ sở vững chắc để sau này ra trường làm việc
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 2MỤC LỤC
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhucầu về trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu về điều khiển thiết bị từ xa,…ngàycàng cao Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt nhu cầunày, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiệnvận chuyển,…Vì thế công nghệ không dây đã ra đời và đang phát triển mạnh
mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày Kỹ thuậtkhông dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làmviệc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc,v.v…Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, kỹ thuật không dây đã đưa ranhiều chuẩn với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau để có thể phù hợp với từngnhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như IrDA, WLAN với chuẩn802.11, ZigBee, OpenAir, UWB, Bluetooth,…
Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó, vàBluetooth đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm,rất thuận lợi cho những thiết bị di động Với một tổ chức nghiên cứu đông đảo,hiện đại và số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm của họngày càng tăng, Bluetooth đang dần lan rộng ra khắp thế giới, xâm nhập vào mọilĩnh vực của thiết bị điện tử và trong tương lai mọi thiết bị điện tử đều có thểđược hỗ trợ kỹ thuật này
Xuất phát từ các lý do trên, chúng em đã thực hiện đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 CHO MẠNG WPAN”.
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 1.1 Mạng WPAN
1.1.1 Khái niệm
Mạng WPAN là mạng cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyềnthông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn Không giống như mạngWLAN(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả màkhông đòi hỏi nhiều về cớ sở hạ tầng Tính năng này cho phép có thêm cáchướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạcnhất là trong một băng tần eo hẹp
1.1.2 Sự phát triển của mạng WPAN
Trong suốt giữa thế kỷ 20 mạng điện thoại có dây đã được dử dụng rộng rãi
và là một nhu cầu tất yếu cho cuộc sống Tuy nhiên một thực tế đặt ra là khi xãhội ngày càng phát triển, các nhu cầu dịch vụ cũng vì thế mà tăng theo, trongthông tin liên lạc chi phí cho những phát sinh của mạng điện thoại có dây cũngtăng cộng thêm nhu cầu về tính cơ động trong thông tin liên lạc,…Và mạng điệnthoại tế bào ra đời chính là xu phát triển, mở rộng tất yếu của mạng điện thoại códây Mạng điện thoại tế bào và biện pháp sử dụng lại tần số là phượng pháp duynhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyếnhạn chế (Ví dụ như các chuẩn GSM, IS-136, IS- 95)
Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụcho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của cácvùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao.Trong khi mà IEEE 802.11 đề cập đến những thứ như là tốc độ truyền tin trongEthernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa(khoảng 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệutrong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính 30m) Tính năng của chuẩnmạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trongvùng không gian nhỏ, kích thước bé Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất
ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết được vấn đề hạnchế về băng tần như hiện nay Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ chochuẩn WPAN
1.2 Các tiêu chuẩn IEEE 802.15 cho mạng WPAN
IEEE 802.15 là bộ tiêu chuẩn thứ 15 thuộc họ IEEE 802 Bộ tiêu chuẩn nàychuyên về Wireless PAN (Personal Area Network)
Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) – hay còn gọi là mạng cánhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảngcách tương đối ngắn Không giống như mạng WLAN, mạng WPAN có thể liênlạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng Tính năng này cho phép
có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất caotrong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp
Trang 6Trong thời gian khoảng giữa những năm thập kỉ 80 thế kỷ XX, chuẩn IEEE802.15 ra đời để phục vụ cho nhóm chuẩn WPAN Nhóm chuẩn này tập trunggiải quyết các vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ(bán kính 30m) Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ,tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé.Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lạikênh tần số, đó là giải quyết được các vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay.IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệtthông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ(QoS).
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đaphương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao
WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứngdụng trong các mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có chấtlượng dịch vụ QoS phù hợp cho thông tin thoại
WPAN tốc độ thấp (chuẩn IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sảnphẩm công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêuhao 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 chuẩnnày thì công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình
Chúng ta sẽ nói rõ thêm về công nghệ ZigBee, một xu hướng của mạngkhông dây trong điều khiển tự động Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độtruyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp và là giao thức mạng khôngdây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Tổ chức IEEE802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểuban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt chocông nghệ mới này Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tinvới mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị có thờigian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tinnhư Bluetooth Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắtlưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bịkhông dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảngcách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêucầu với mỗi ứng dụng Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4Ghz (toàn cầu),40kbps ở dải tần 915Mhz (Mỹ + Nhật) và 20kbps ở dải tần 868Mhz (ở châuÂu)
Các nhóm nghiên cứu ZigBee và tổ chức IEEE đã làm việc với nhau để chỉ
rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này IEEE 802.15.4 tập trungnghiên cứu và 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và liên kết dữ liệu) ZigBeecòn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đếntầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằngcác khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫntheo một chuẩn riêng để làm việc với nhau được mà không tương tác lẫn nhau
Trang 7Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật
lý và tầng con MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạnghình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao chonăng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thểbằng cách dùng cac khe thời gian đảm bảo (GTSs_guaranteed time slots) Tínhnăng nổi bật chỉ có ở công nghệ ZigBee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đếngián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh Nhiệm vụ đặc trưng củatầng vật lý gồm có phát hiên chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượngtruyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sốngvới các loại mạng không dây khác
Với các tính năng nổi bật như trên, hứa hẹn trong tương lai sẽ xuất hiệncông nghệ ZigBee mới với chuẩn IEEE 802.15.4 được phổ biến rộng rãi
Trang 8CHƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN BLUETOOTH 2.1 Khái niệm Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giaotiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chungISM Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40- 2.48 GHz.Đây là dãybăng tầng không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị khôngdây trong công nghiệp, khoa học, y tế
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính vàcác thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lạivới nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ
Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác
có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng Nóđược định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói
2.2 Lịch sử, hình thành và phát triển của Bluetooth
2.2.1 Lịch sử tên Bluetooth
Bluetooth là tên của nhà vua Đan Mạch- Harald I Bluetooth (Danish HaraldBlåtand) (910-985) Harald Bluetooth đã hợp nhất Đan Mạch và Norway Ngàynay Bluetooth là biểu tượng của sự thống nhất giữa Computer và Telecom, giữacông nghệ máy tính và công nghệ truyền thông đa phương tiện
2.2.2 Hình thành và phát triển của Bluetooth
Năm 1994: Lần đầu tiên hãng Ericsson đưa ra một đề án nhằm hợp nhất
liên lạc giữa các loại thiết bị điện tử khác nhau mà không cần phải dùng đến cácsợi cáp nối cồng kềnh, phức tạp Ðây thực chất là một mạng vô tuyến không dây
cự ly ngắn chỉ dùng một vi mạch cỡ 9mm có thể chuyển các tín hiệu sóng vôtuyến điều khiển thay thế cho các sợi dây cáp điều khiển rối rắm
Năm 1998: 5 công ty lớn trên thế giới gồm Ericsson, Nokia, IBM, Intel và
Toshiba đã liên kết, hợp tác thiết kế và triển khai phát triển một chuẩn công
nghệ kết nối không dây mới mang tên BLUETOOTH nhằm kết nối các thiết bị
vi điện tử lại với nhau dùng sóng vô tuyến
Đến ngày 20/5/1998: nhóm nghiên cứu Special Interest Group – SIG chính
thức được thành lập với mục đích phát triển công nghệ Bluetooth trên thị trườngviễn thông Bất kỳ công ty nào có kế hoạch sử dụng công nghệ Bluetooth đều cóthể tham gia vào
Tháng 7/1999: các chuyên gia trong SIG đã đưa ra thuyết minh kỹ thuật
Bluetooth phiên bản 1.0
Năm 2000 : SIG đã bổ sung thêm 4 thành viên mới là 3Com, Lucent
Technologies, Microsoft và Motorola Công nghệ Bluetooth đã được cấp dấuchứng nhận kỹ thuật ngay trong lần ra mắt đầu tiên
Trang 9Năm 2001: Bluetooth 1.1 ra đời cùng với bộ Buetooth software
development kit-XTNDAccess Blue SDK, đánh dấu bước phát triển chưa từng
có của công nghệ Bluetooth trên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm củanhiều nhà sản xuất mới Bluetooth được bình chọn là công nghệ vô tuyến tốtnhất trong năm
Tháng 7/2002, Bluetooth SIG thiết lập cơ quan đầu não toàn cầu tại
Overland Park, Kansas, USA Năm 2002 đánh dấu sự ra đời các thế hệ máy tínhApple hỗ trợ Bluetooth Sau đó không lâu Bluetooth cũng được thiết lập trênmáy Macintosh với hệ điều hành MAC OX S Bluetooth cho phép chia sẻ tập tingiữa các máy MAC, đồng bộ hóa và chia sẻ thông tin liên lạc giữa các máyPalm, truy cập internet thông qua điện thoại di động có hỗ trợ Bluetooth (Nokia,Ericsson, Motorola…)
Tháng 5/2003, CSR (Cambridge Silicon Radio) cho ra đời 1 chip
Bluetooth mới với khả năng tích hợp dễ dàng và giá cả hợp lý hơn Điều nàygóp phần cho sự ra đời thế hệ Motherboard tích hợp Bluetooth, giảm sự chênhlệch giá cả giữa những mainboard
cellphone có và không có Bluetooth Tháng 11/2003 dòng sản phẩm
Bluetooth 1.2 ra đời.
Năm 2004, các công ty điện thoại di động tiếp tục khai thác thị trường sôi
nổi này bằng cách cho ra đời các thế hệ điện thoại di động đời mới hỗ trợBluetooth (N7610, N6820, N6230) Motorola cho ra sản phẩm Bluetooth đầu taycủa mình Các sản phẩm Bluetooth tiếp tục ra đời và được và được xúc tiến
mạnh mẽ qua chương trình “Operation Blueshock” International Consumer
Electronics Show (CES) tại Las Vegas ngày 9/1/2004
6-1-2004, trong hội nghị Bluetooth CES (Consumer Electronics Show) ở
Las Vegas, tổ chức Bluetooth SIG thông báo số thành viên của mình đã đạt con
số 3000, trở thành tổ chức có số thành viên đông đảo thuộc nhiều lĩnh vực côngnghệ: từ máy móc tự động đến thiết bị y tế, PC đến điện thoại di động, tất cả đều
sử dụng kỹ thuật không dây tầm ngắn trong sản phẩm của họ
Bluetooth hiện đang có tốc độ phát triển khá nhanh với khả năng ứng dụngngày càng đa dạng, theo tính toán của công ty nghiên cứu thị trường Frost &Sulivan, trong năm 2001 có 4.2 triệu sản phẩm sử dụng công nghệ Bluetoothđược đưa ra thị trường, con số này sẽ tăng lên 1.01 tỷ vào năm 2006
Những năm gần đây, Bluetooth được coi là thị trường năng động và sôi nổinhất trong lĩnh vực truyền thông Với sự ra đời của công nghệ Bluetooth thì ta
có thể lạc quan nói rằng, thời kỳ kết nối bằng dây hữu tuyến giữa các thiết bị đãđến hồi kết thúc, thay vào đó là khả năng kết nối không dây thông minh và trongsuốt, điều này sẽ là hiện thực chỉ trong một tương lai gần mà thôi
2.3 Các đặc điểm của Bluetooth
Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết
bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động
Trang 10Giá thành hạ (Giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống dướimức 5$ một đơn vị)
Khoảng cách giao tiếp cho phép:
- Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và5m trong tòa nhà
- Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngoàitrời và 30m trong tòa nhà
Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM.Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao)
mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (light-of-sight requirements)
Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụngnày với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó cóthể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng
Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyềntiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân
An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa (build inauthentication and encryption)
Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phầnmềm hỗ trợ
2.4 Mục đích của Bluetooth
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ.
Trang 11L2CAP(Logical link control and adaptation protocol): được sử dụng để gửicác gói dữ liệu giữa máy chủ và máy khách
Hình 2.5.1.a.2 Logical link control and adaptation protocol
RFCOMM(Radio Frequency COMMunication): được sử dụng cho luồng
dữ liệu đơn giản
Hình 2.5.1.a.3 Radio Frequency COMMunication