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.
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tập trước hết chúng em chân thành cảm ơn Thầy Ts.Lương Khắc Định khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Kỹ thuật-Hậu cần CAND tạo điều kiện giúp đỡ, bảo chúng em hoàn thành báo cáo Tuy thân cố gắng tìm hiểu tài liệu từ nhiều nguồn thông tin khác giáo trình, sách, internet,…nhưng không tránh sai sót, kính mong đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn để hoàn thiện sở vững để sau trường làm việc Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày đại nên nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu điều khiển thiết bị từ xa,…ngày cao Và hệ thống dây cáp phức tạp lại đáp ứng tốt nhu cầu này, khu vực chật hẹp, nơi xa xôi, phương tiện vận chuyển,…Vì công nghệ không dây đời phát triển mạnh mẽ, tạo nhiều thuận lợi cho người đời sống ngày Kỹ thuật không dây phục vụ nhiều nhu cầu khác người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến nhu cầu giải trí chơi game, xem phim, nghe nhạc, v.v…Với nhu cầu đa dạng phức tạp đó, kỹ thuật không dây đưa nhiều chuẩn với đặc điểm kỹ thuật khác để phù hợp với nhu cầu, mục đích khả người sử dụng IrDA, WLAN với chuẩn 802.11, ZigBee, OpenAir, UWB, Bluetooth,… Mỗi chuẩn kỹ thuật có ưu, khuyết điểm riêng nó, Bluetooth dần lên kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm, thuận lợi cho thiết bị di động Với tổ chức nghiên cứu đông đảo, đại số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm họ ngày tăng, Bluetooth dần lan rộng khắp giới, xâm nhập vào lĩnh vực thiết bị điện tử tương lai thiết bị điện tử hỗ trợ kỹ thuật Xuất phát từ lý trên, chúng em thực đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 CHO MẠNG WPAN” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 1.1 Mạng WPAN 1.1.1 Khái niệm Mạng WPAN mạng cá nhân không dây sử dụng để phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn Không giống mạng WLAN(mạng cục không dây), mạng WPAN liên lạc hiệu mà không đòi hỏi nhiều cớ sở hạ tầng Tính cho phép có thêm hướng giải rẻ tiền, nhỏ gọn mà đem lại hiệu suất cao liên lạc băng tần eo hẹp 1.1.2 Sự phát triển mạng WPAN Trong suốt kỷ 20 mạng điện thoại có dây dử dụng rộng rãi nhu cầu tất yếu cho sống Tuy nhiên thực tế đặt xã hội ngày phát triển, nhu cầu dịch vụ mà tăng theo, thông tin liên lạc chi phí cho phát sinh mạng điện thoại có dây tăng cộng thêm nhu cầu tính động thông tin liên lạc,…Và mạng điện thoại tế bào đời xu phát triển, mở rộng tất yếu mạng điện thoại có dây Mạng điện thoại tế bào biện pháp sử dụng lại tần số phượng pháp để giải vấn đề nhiều người dùng độc lập dải tần vô tuyến hạn chế (Ví dụ chuẩn GSM, IS-136, IS- 95) Trong thời gian năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu vùng tế bào nhỏ lại có lưu lượng liệu mật độ người dùng cao Trong mà IEEE 802.11 đề cập đến thứ tốc độ truyền tin Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng liệu khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), WPAN lại tập trung giải vấn đề điều khiển liệu khoảng không gian nhỏ (bán kính 30m) Tính chuẩn mạng WPAN suy hao lượng nhỏ, tiêu tốn lượng, vận hành vùng không gian nhỏ, kích thước bé Chính mà tận dụng tốt ưu điểm kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, giải vấn đề hạn chế băng tần Nhóm chuẩn IEEE 802.15 đời để phục vụ cho chuẩn WPAN 1.2 Các tiêu chuẩn IEEE 802.15 cho mạng WPAN IEEE 802.15 tiêu chuẩn thứ 15 thuộc họ IEEE 802 Bộ tiêu chuẩn chuyên Wireless PAN (Personal Area Network) Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) – hay gọi mạng cá nhân không dây sử dụng để phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn Không giống mạng WLAN, mạng WPAN liên lạc hiệu mà không đòi hỏi nhiều sở hạ tầng Tính cho phép có thêm hướng giải rẻ tiền, nhỏ gọn mà đem lại hiệu suất cao liên lạc băng tần eo hẹp Trong thời gian khoảng năm thập kỉ 80 kỷ XX, chuẩn IEEE 802.15 đời để phục vụ cho nhóm chuẩn WPAN Nhóm chuẩn tập trung giải vấn đề điều khiển liệu khoảng không gian nhỏ (bán kính 30m) Tính chuẩn mạng WPAN suy hao lượng nhỏ, tiêu tốn lượng, vận hành vùng không gian nhỏ, kích thước bé Chính mà tận dụng tốt ưu điểm kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, giải vấn đề hạn chế băng tần IEEE 802.15 phân làm loại mạng WPAN, chúng phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao lượng chất lượng dịch vụ (QoS) WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) ứng dụng mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA có chất lượng dịch vụ QoS phù hợp cho thông tin thoại WPAN tốc độ thấp (chuẩn IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng sản phẩm công nghiệp dùng có thời hạn, ứng dụng y học đòi hỏi mức tiêu hao lượng thấp, không yêu cầu cao tốc độ truyền tin QoS Chính tốc độ truyền liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao lượng Trong chuẩn công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 ví dụ điển hình Chúng ta nói rõ thêm công nghệ ZigBee, xu hướng mạng không dây điều khiển tự động Đặc điểm công nghệ ZigBee tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, chi phí thấp giao thức mạng không dây hướng tới ứng dụng điều khiển từ xa tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp thời gian ngắn tiểu ban ZigBee tổ chức IEEE định sát nhập lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ Mục tiêu công nghệ ZigBee nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao lượng nhỏ công suất thấp cho thiết bị có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao tốc độ truyền tin Bluetooth Một điều bật ZigBee dùng mạng mắt lưới (mesh network) rộng sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee dễ dàng truyền tin khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền mức công suất phát yêu cầu với ứng dụng Tốc độ liệu 250kbps dải tần 2.4Ghz (toàn cầu), 40kbps dải tần 915Mhz (Mỹ + Nhật) 20kbps dải tần 868Mhz (ở châu Âu) Các nhóm nghiên cứu ZigBee tổ chức IEEE làm việc với để rõ toàn khối giao thức công nghệ IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu tầng thấp giao thức (tầng vật lý liên kết liệu) ZigBee thiết lập sở cho tầng cao giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) bảo mật, liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắn khách hàng dù mua sản phẩm từ hãng sản xuất khác theo chuẩn riêng để làm việc với mà không tương tác lẫn Hiện IEEE 802.15.4 tập trung vào chi tiết kỹ thuật tầng vật lý tầng MAC ứng với loại mạng khác (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến thiết kế cho lượng bảo toàn độ trễ truyền tin mức thấp cách dùng cac khe thời gian đảm bảo (GTSs_guaranteed time slots) Tính bật có công nghệ ZigBee giảm thiểu hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối nút mạng mạng mesh Nhiệm vụ đặc trưng tầng vật lý gồm có phát hiên chất lượng đường truyền (LQI) lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả chung sống với loại mạng không dây khác Với tính bật trên, hứa hẹn tương lai xuất công nghệ ZigBee với chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến rộng rãi CHƯƠNG TIÊU CHUẨN BLUETOOTH 2.1 Khái niệm Bluetooth Bluetooth công nghệ không dây cho phép thiết bị điện, điện tử giao tiếp với khoảng cách ngắn, sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM Industrial, Scientific, Medical) dãy tầng 2.40- 2.48 GHz.Đây dãy băng tầng không cần đăng ký dành riêng để dùng cho thiết bị không dây công nghiệp, khoa học, y tế Bluetooth thiết kế nhằm mục đích thay dây cable máy tính thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến thiết bị điện tử lại với cách thuận lợi với giá thành rẻ Khi kích hoạt, Bluetooth tự động định vị thiết bị khác có chung công nghệ vùng xung quanh bắt đầu kết nối với chúng Nó định hướng sử dụng cho việc truyền liệu lẫn tiếng nói 2.2 Lịch sử, hình thành phát triển Bluetooth 2.2.1 Lịch sử tên Bluetooth Bluetooth tên nhà vua Đan Mạch- Harald I Bluetooth (Danish Harald Blåtand) (910-985) Harald Bluetooth hợp Đan Mạch Norway Ngày Bluetooth biểu tượng thống Computer Telecom, công nghệ máy tính công nghệ truyền thông đa phương tiện 2.2.2 Hình thành phát triển Bluetooth Năm 1994: Lần hãng Ericsson đưa đề án nhằm hợp liên lạc loại thiết bị điện tử khác mà không cần phải dùng đến sợi cáp nối cồng kềnh, phức tạp Ðây thực chất mạng vô tuyến không dây cự ly ngắn dùng vi mạch cỡ 9mm chuyển tín hiệu sóng vô tuyến điều khiển thay cho sợi dây cáp điều khiển rối rắm Năm 1998: công ty lớn giới gồm Ericsson, Nokia, IBM, Intel Toshiba liên kết, hợp tác thiết kế triển khai phát triển chuẩn công nghệ kết nối không dây mang tên BLUETOOTH nhằm kết nối thiết bị vi điện tử lại với dùng sóng vô tuyến Đến ngày 20/5/1998: nhóm nghiên cứu Special Interest Group – SIG thức thành lập với mục đích phát triển công nghệ Bluetooth thị trường viễn thông Bất kỳ công ty có kế hoạch sử dụng công nghệ Bluetooth tham gia vào Tháng 7/1999: chuyên gia SIG đưa thuyết minh kỹ thuật Bluetooth phiên 1.0 Năm 2000 : SIG bổ sung thêm thành viên 3Com, Lucent Technologies, Microsoft Motorola Công nghệ Bluetooth cấp dấu chứng nhận kỹ thuật lần mắt Năm 2001: Bluetooth 1.1 đời với Buetooth software development kit-XTNDAccess Blue SDK, đánh dấu bước phát triển chưa có công nghệ Bluetooth nhiều lĩnh vực khác với quan tâm nhiều nhà sản xuất Bluetooth bình chọn công nghệ vô tuyến tốt năm Tháng 7/2002, Bluetooth SIG thiết lập quan đầu não toàn cầu Overland Park, Kansas, USA Năm 2002 đánh dấu đời hệ máy tính Apple hỗ trợ Bluetooth Sau không lâu Bluetooth thiết lập máy Macintosh với hệ điều hành MAC OX S Bluetooth cho phép chia sẻ tập tin máy MAC, đồng hóa chia sẻ thông tin liên lạc máy Palm, truy cập internet thông qua điện thoại di động có hỗ trợ Bluetooth (Nokia, Ericsson, Motorola…) Tháng 5/2003, CSR (Cambridge Silicon Radio) cho đời chip Bluetooth với khả tích hợp dễ dàng giá hợp lý Điều góp phần cho đời hệ Motherboard tích hợp Bluetooth, giảm chênh lệch giá mainboard cellphone có Bluetooth Tháng 11/2003 dòng sản phẩm Bluetooth 1.2 đời Năm 2004, công ty điện thoại di động tiếp tục khai thác thị trường sôi cách cho đời hệ điện thoại di động đời hỗ trợ Bluetooth (N7610, N6820, N6230) Motorola cho sản phẩm Bluetooth đầu tay Các sản phẩm Bluetooth tiếp tục đời và xúc tiến mạnh mẽ qua chương trình “Operation Blueshock” International Consumer Electronics Show (CES) Las Vegas ngày 9/1/2004 6-1-2004, hội nghị Bluetooth CES (Consumer Electronics Show) Las Vegas, tổ chức Bluetooth SIG thông báo số thành viên đạt số 3000, trở thành tổ chức có số thành viên đông đảo thuộc nhiều lĩnh vực công nghệ: từ máy móc tự động đến thiết bị y tế, PC đến điện thoại di động, tất sử dụng kỹ thuật không dây tầm ngắn sản phẩm họ Bluetooth có tốc độ phát triển nhanh với khả ứng dụng ngày đa dạng, theo tính toán công ty nghiên cứu thị trường Frost & Sulivan, năm 2001 có 4.2 triệu sản phẩm sử dụng công nghệ Bluetooth đưa thị trường, số tăng lên 1.01 tỷ vào năm 2006 Những năm gần đây, Bluetooth coi thị trường động sôi lĩnh vực truyền thông Với đời công nghệ Bluetooth ta lạc quan nói rằng, thời kỳ kết nối dây hữu tuyến thiết bị đến hồi kết thúc, thay vào khả kết nối không dây thông minh suốt, điều thực tương lai gần mà 2.3 Các đặc điểm Bluetooth Tiêu thụ lượng thấp, cho phép ứng dụng nhiều loại thiết bị, bao gồm thiết bị cầm tay điện thoại di động Giá thành hạ (Giá chip Bluetooth giảm dần, xuống mức 5$ đơn vị) Khoảng cách giao tiếp cho phép: - Khoảng cách hai thiết bị đầu cuối lên đến 10m trời, 5m tòa nhà - Khoảng cách thiết bị đầu cuối Access point lên tới 100m trời 30m tòa nhà Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz dãy băng tần ISM Tốc độ truyền liệu đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà thiết bị không cần phải thấy trực tiếp (light-of-sight requirements) Dễ dàng việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối ứng dụng với ứng dụng khác thông qua chuẩn “Bluetooth profiles”, độc lập phần cứng hệ điều hành sử dụng Bluetooth dùng giao tiếp liệu tiếng nói: có kênh để truyền tiếng nói, kênh để truyền liệu mạng cá nhân An toàn bảo mật: tích hợp với xác nhận mã hóa (build in authentication and encryption) Tính tương thích cao, nhiều nhà sản xuất phần cứng phần mềm hỗ trợ 2.4 Mục đích Bluetooth Bluetooth thiết kế nhằm mục đích thay dây cable máy tính thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến thiết bị điện tử với cách thuận lợi với giá thành rẻ 2.5 Các loại Bluetooth OBEX(Object Exchange):dùng trao đổi liệu vật lý:tập tin, hình ảnh dạng nhị phân Hình 2.5.1.a.1 Object Exchange 10 L2CAP(Logical link control and adaptation protocol): sử dụng để gửi gói liệu máy chủ máy khách Hình 2.5.1.a.2 Logical link control and adaptation protocol RFCOMM(Radio Frequency COMMunication): sử dụng cho luồng liệu đơn giản Hình 2.5.1.a.3 Radio Frequency COMMunication 11 CHƯƠNG TIÊU CHUẨN ZIGBEE VÀ UWB 3.1 ZIGBEE 3.1.1 Khái niệm Cái tên ZigBee xuất phát từ cách mà ong mật truyền thông tin quan trọng với thành viên khác tổ ong Đó kiểu liên lạc “Zig-Zag” loài ong “honeyBee” Và nguyên lý ZigBee hình thành từ việc ghép hai chữ đầu với Việc công nghệ đời giải cho vấn đề thiết bị tách rời làm việc để giải vấn đề 3.1.2 Đặc điểm Đặc điểm công nghệ ZigBee tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, chi phí thấp, giao thức mạng không dây hướng tới ứng dụng điều khiển từ xa tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp thời gian ngắn tiểu ban ZigBee tổ chức IEEE định sát nhập lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ Mục tiêu công nghệ ZigBee nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao lượng nhỏ công suất thấp cho thiết bị có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao tốc độ truyền tin Bluetooth Một điều bật ZigBee dùng mạng mắt lưới (mesh network) rộng sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee dễ dàng truyền tin khoảng cách 10-75m tùy thuộc môi trường truyền mức công suất phát yêu cầu với ứng dụng, Tốc độ liệu 250kbps dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) 20kbps dải tần 868MHz (Châu Âu) Các nhóm nghiên cứu Zigbee tổ chức IEEE làm việc để rõ toàn khối giao thức công nghệ IEEE 802.15 tập trung nghiên cứu vào tầng thấp giao thức (tầng vật lý tầng liên kết liệu) Zigbee thiết lập sở cho tầng cao giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) bảo mật, liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắn khách hang dù mua sản phẩm từ hãng sản xuất khác theo chuẩn riêng để làm việc mà không tương tác lẫn Hiện IEEE 802.15 tập trung vào chi tiết kỹ thuật tầng vật lý PHY tầng điều khiển truy cập MAC ứng với loại mạng khác (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến thiết kế cho lượng bảo toàn độ trễ truyền tin mức thấp cách dùng khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) Tính bật có tầng mạng Zigbee giảm thiểu hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối nút mạng mạng mesh Nhiệm vụ đặc trưng tầng PHY gồm có phát chất lượng đường truyền 12 (LQI) lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả chung sống với loại mạng không dây khác 3.1.3 Ưu điểm Zigbee tương tự Bluetooth đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ truyền liệu thấp hơn, tiết kiểm lượng Một nốt mạng mạng Zigbee có khả hoạt động từ tháng đến năm với nguồn hai ácqui AA Phạm vi hoạt động Zigbee 10-75m Bluetooth 10m (trong trường hợp khuếch đại) Zigbee xếp sau Bluetooth tốc độ truyền liệu Tốc độ truyền Zigbee 250kbps 2.4GHz, 40kbps 915MHz 20kbps 868MHz tốc độ Bluetooth 1Mbps Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ phù hợp với mạng hình tĩnh thiết bị giao tiếp với thông qua gói tin nhỏ Loại mạng cho phép tối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức tạp loại giao thức hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại mạng ad hoc (ad hoc loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất bị hạn chế không gian thời gian) Các thiết bị Bluetooth hỗ trợ mạng scatternet tập hợp nhiều mạng piconet không đồng Nó cho phép tối đa nút slave mạng chủtớ Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn lượng, gửi nhận gói tin khoảng 15msec thiết bị Bluetooth làm việc 3sec 3.1.4 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN Đặc điểm chuẩn tính mềm dẻo, tiêu hao lượng, chi phí nhỏ, tốc độ truyền liệu thấp khoảng không gian nhỏ, thuận tiện áp dụng khu vực nhà riêng, văn phòng a Thành phần mạng LR-WPAN Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần tạo nên mạng thiết bị có tên FFD (full-function device), thiết bị đảm nhận tất chức mạng hoạt động điều phối mạng PAN, có số thiết bị đảm nhận số chức hạn chế có tên RFD (reduced-function device) Một mạng tối thiểu phải có thiết bị FFD, thiết bị hoạt động điều phối mạng PAN FFD hoạt động ba trạng thái: điều phối viên toàn mạng PAN (personal area network), điều phối viên mạng con, đơn giản thành viên mạng RFD dùng cho ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lựợng lớn liệu Một FFD làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, RFD làm việc với FFD 13 b Kiến trúc liên kết mạng Hiện Zigbee tổ chức chuẩn IEEE đưa số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ Zigbee Các node mạng mạng Zigbee liên kết với theo cấu trúc mạng hình (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó cụm hình Sự đa rạng cấu trúc mạng cho phép công nghệ Zigbee ứng dụng cách rộng rãi Hình cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô Hình 3.1.4.b.1 Cấu trúc liên kết mạng Cấu trúc liên kết mạng hình (Star) Hình 3.1.4.b.2 Cấu trúc mạng hình Đối với loại mạng này, kết nối thành lập thiết bị với thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển gọi điều phối mạng PAN Sau FFD kích hoạt lần tạo nên mạng độc lập trở thành điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình phải có 14 số nhận dạng cá nhân riêng gọi PAN ID (PAN identifier), cho phép mạng hoạt động cách độc lập Khi FFD RFD kết nối tới điều phối mạng PAN Tất mạng nằm tầm phủ sóng phải có PAN nhất, nốt mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) điều phối mạng PAN Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) Hình 3.1.4.b.3 Cấu trúc mạng mesh Kiểu cấu trúc mạng có điều phối mạng PAN (PAN coordinator) Thực chất kết hợp kiểu cấu trúc mạng hình mạng ngang hàng, cấu trúc mạng thiết bị A tạo kết nối với thiết khác miễn thiết bị nằm phạm vi phủ sóng thiết bị A Các ứng dụng cấu trúc áp dụng đo lường điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….) 15 Cấu trúc liên kết mạng hình (cluster-tree) Hình 3.1.4.b.4 Cấu trúc mạng hình Cấu trúc dạng đặc biệt cấu trúc mắt lưới, đa số thiết bị FFDvà RFD kết nối vào mạng nốt rời rạc điểm cuối nhánh Bất kỳ FFD hoạt động coordinator cung cấp tín hiệu đồng cho thiết bị coordinator khác mà cấu trúc mạng kiểu có qui mô phủ sóng khả mở rộng cao.Trong loại cấu hình có nhiều coordinator có điều phối mạng PAN (PAN coordinator) Bộ điều phối mạng PAN coordinator tạo nhóm cách tự bầu người lãnh đạo cho mạng mình, gán cho người lãnh đạo số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là CID-0 cách tự thành lập CLH (cluster head) CID-0 (cluster identifier), chọn PAN identifier rỗi phát khung tin quảng bá nhận dạng tới thiết bị lân cận Thiết bị nhận khung tin yêu cầu kết nối vào mạng với CLH Nếu điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị kết nối ghi tên thiết bị vào danh sách Cứ thiết bị kết nối lại trở thành CLH nhánh bắt đầu phátquảng bá định kỳ để thiết bị khác kết nối vào mạng Từ hình thành CLH1, CLH2, 3.2 Ultra wide-band (UWB) 3.2.1 Giới thiệu hệ thống UWB UWB không hoàn toàn kỹ thuật phương diện khái niệm lẫn kỹ thuật xử lý tín hiệu sử dụng Với ưu tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu nhỏ… ứng dụng UWB hấp dẫn 16 tương lai với ứng dụng không dây Trước tìm hiểu truyền thông UWB trước hết trình bày định nghĩa truyền thông UWB UWB mô tả hệ thống truyền dẫn trải phổ từ 500 MHz hay tỉ số băng tần lớn 20% Trong B:=- băng tần 10dB hệ thống tần số trung tâm hệ thống UWB với = (+)/2 với tần số cao với công suất thấp 10dB so với tần số có công suất cực đại, tần số thấp với công suất thấp 10dB so với tần số có công suất cực đại Về mặt lịch sử, hệ thống rada UWB phát triển chủ yếu để phục vụ mục đích quân chúng ‘nhìn xuyên qua’ cối mặt đất Tuy nhiên, gần kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng lĩnh vực dân ứng dụng điện tử viễn thông Các đặc điểm lí tưởng hệ thống UWB công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả định vị xác gây nhiễu cực nhỏ Mặc dù hệ thống UWB phổ biến nhiều năm trước gần thực ý ngành công nghiệp vô tuyến Kỹ thuật UWB có khác biệt so với kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường thay truyền dẫn kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu dải rộng tân số Dạng truyền thông điển hình dựa sóng vô tuyến dạng sin thay chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung giây Với băng tần rộng công suất nhỏ làm tín hiệu UWB giống tạp âm 3.2.2 Lịch sử phát triển UWB Phần lớn người nghĩ UWB công nghệ mới, công nghệ cho phép thực điều trước có Đó tốc độ cao, kích cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp ứng dụng Tuy nhiên, UWB công nghệ theo ngĩa thuộc tính vật lý phát đưa vào ứng dụng Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu truyền thông vô tuyến dựa vào sóng dạng sin Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin trở nên phổ biến truyền thông vô tuyến nhiều người hệ thống truyền thông thực tế dựa vào tín hiệu dạng xung Năm 1893 Heirich Hertz sử dụng phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm ông Các sóng gọi tạp âm màu Trong 20 năm sau thí nghiệm Hertz, tạo sóng chủ yếu phát tia lửa điện điện cực cacbon Tuy nhiên, truyền thông dựa sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ yếu đến năm 1960 ứng dụng UWB khởi động lại cách nghiêm túc tập trung chủ yếu vào phát triển thiết bị rada 17 truyền thông Ứng dụng lĩnh vực rada ý nhiều đạt kết xác với hệ thống rada dựa truyền dẫn xung cực ngắn Các thành phần tần số thấp tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo sở để phát triển loại rada quan sát vật thể che khuất rada lòng đất Năm 1973 có sáng chế cho truyền thông UWB Lĩnh vực ứng dụng UWB chuyển theo hướng Các ứng dụng khác, điều khiển giao thông, hệ thống định vị, đo mực nước độ cao phát triển Phần lớn ứng dụng phát triển diễn lĩnh vực quân hay nghiên cứu tài trợ phủ Mĩ chương trình bí mật Trong quân đội, chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB rada xác hoạt động danh nghĩa chương trình nghiên cứu phát triển Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu chương trình mại hóa hệ thống thiết bị truyền thông UWB Các công ty Time Domain đặc biệt XtremeSpectrum thành lập quanh ý tưởng sử dụng tín hiệu UWB 3.2.3 Các ưu điểm UWB Tốc độ cao Giá thành thiết bị thấp Chống đa đường Đo đạc (định vị) truyền thông thời điểm Tốc độ cao cho phép đưa ứng dụng thiết bị mà chưa có Tốc độ lớn 100Mb/s đạt có khả vượt qua tốc độ khoảng cách ngắn Biểu thức Shannon biểu diễn: C=D log (1+ S/N) Trong C dung lượng tối đa kênh, với đơn vị [b/x]; B băng tần kênh [Hz]; S công suất tín hiệu [W] N công suất tạp âm Có thể thấy dung lượng kênh tuyến tính với băng tần B theo hàm loga với công suất tín hiệu S Kênh UWB có băng tần lớn thực tế nảy sinh (tăng) độ rộng băng tần để giảm công suất phát nhiễu đến nguồn công suất khác Qua biểu thức Shannon thấy hệ thống UWB có khả cung cấp tốc độ cao cho hệ thống truyền thông không dây 3.2.4 Những thách thức UWB UWB có nhiều lí làm hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến nhiều ứng dụng khác tương lai, có số thách thức phải vượt qua để trở thành kĩ thuật sử dụng phổ biến Các hệ thống vô tuyến phải tuân thủ điều kiện để tránh nhiễu người dùng khác Do UWB chiếm băng tần lớn, có nhiều người sử dụng băng tần nằm dải băng tần bị ảnh hưởng cần phải chắn UWB không gây nhiễu cho dịch vụ họ 18 Đặc biệt trường hợp người dùng độc quyền sử dụng dải băng tần họ Do giải vần đề phổ tần đặc biệt quan trọng hệ thống UWB Những thách thức khác bao gồm ả việc nhà sản xuất chập nhận tiêu chuẩn để đảm bảo tương thích thiết bị UWB Hiện chưa có trí hoàn toàn vế chuẩn khả có xung đột tiêu chuẩn thiết bị rõ ràng Giá thành thấp thêm vào phức tạp thiết bị UWB để loại bỏ nhiễu vận hành công suất thấp lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương đương với thiết bị vô tuyến 3.2.5 Vai trò xử lý tín hiệu Sử dụng kĩ thuật xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng tất hệ thống truyền thông Tương lai hệ thống truyền thông phát triển dựa vào kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu hệ thống lên giới hạn chẳng hạn thực tối ưu dung lương kênh Tăng hiệu hệ thống cần thiết để thỏa mãn nhu cầu người dùng thúc đẩy cạch tranh công nghệ thị trường Do đó, xử lý tín hiệu tốt yếu tố định thành công hệ thống truyền thông Trong trường hợp hệ thống UWB, điều Xử lý tín hiệu cho hệ thống UWB nghiên cứu, nội dung nóng bỏng hấp dẫn Một yếu tố thú vị hẹ thống UWB không sử dụng sóng mang, tín hiệu hoàn toàn băng gốc Do loại bỏ thành phần trộn sử dụng để hạ tầng tín hiệu trước lấy mẫu 3.2.6 Chuẩn hóa Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm lớp vật lý PAN hệ kế tiếp, coi UWB giải pháp tốt cho lớp vật lý Mặc dù nhiều đề xuất đưa ra, hai số DS-CDMA va MB-OFDM, chúng ứng cử viên đầy hứa hẹn tiếp tục ganh đua nhằm đạt chấp thuận từ phía ủy ban chuẩn hóa Đề xuất DS-CDMA, đưa Freescale (trước Xtreme Spectrum) kết hợp với công ty khác, chia toàn phổ tần cấp phát thành băng Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn băng tần 7.5 GHz, phiên sau vượt phổ tần Dải tần cho đề xuất từ 3.2-5.15 GHz 5.825-10.6 GHz Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ảy BiOrthogonal Keying sơ đồ mã hóa CDMA cho việc ghép kênh phân kênh 19 Hình 3.2.6.a.1 Dạng sóng miền thời gian tần số đề xuất DSCDMA Đề xuất MB-OFDM đưa nhóm công ty lớn Intel, TI…Theo đề xuất phổ tần chia thành 14 băng (mỗi băng có độ rộng 528 MHz) thiết bị phép lựa chọn băng tần động tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn Hơn nữa, OFDM sử dụng cho băng Dữ liệu điều chế cách thich hợp sử dụng băng tần Toàn phổ tần chia thành nhóm riêng biệt, nhóm A dự định cho thiết bị hệ giới hạn mặt công nghệ Các nhóm lại dự phòng cho nhu cầu sử dụng tương lại Sơ đồ mà DS-CDMA đưa nhằm đạt tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp kích thước nhỏ Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu tốc độ cao cỡ 100Mbps miền số mối quan tâm cho nhà thiết kế hệ thống Đồng thời gian, lựa chọn mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) mức độ ISI vấn đề quan trọng đề xuất Trái lại, MB-OFDM xem giải pháp thực tế như: giảm độ nhạy việc dồng thời gian dễ dàng sử dụng CMOS Tuy nhiên, câu hỏi lớn đặt cho hệ thống độ phức tạp mạch điện, MAI đồng ý FCC Trước bế tắc giải ủy ban chuẩn hóa, hai nhóm định triển khai đề xuất xác minh lại tính khả dụng 20 Hình 3.2.6.a.2 Dạng sóng miền thời gian tần số đề xuất MB-OFDM Hình 3.2.6.a.3 Kế hoạch phân chia băng tần đề xuất MB-OFDM 21 [...]... trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong 3sec 3.1.4 Mạng ZigBee/ IEEE 802. 15. 4 LR-WPAN Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng a Thành phần của mạng LR-WPAN Một hệ thống ZigBee/IEEE802 .15. 4 gồm nhiều... nhau Hiện nay thì IEEE 802. 15 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) Tính năng... phát được yêu cầu 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 (Châu Âu) Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này IEEE 802. 15 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu) Zigbee còn thiết... điểm Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802. 15 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này Mục tiêu của công nghệ ZigBee... UWB là không sử dụng sóng mang, và tín hiệu hoàn toàn là băng gốc Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộ trộn sử dụng để hạ tầng tín hiệu trước khi lấy mẫu 3.2.6 Chuẩn hóa Nhóm tác nhiệm IEEE 802. 15. 3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế hệ kế tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý Mặc dù nhiều đề xuất được đưa ra, hai trong số đó là DS-CDMA va MB-OFDM, chúng đang... bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….) 15 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) Hình 3.1.4.b.4 Cấu trúc mạng hình cây Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là FFDvà một RFD có thể kết nối... như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương trình nghiên cứu và phát triển Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu chương trình mại hóa các hệ thống và thiết bị truyền thông UWB Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrum được thành lập quanh ý tưởng sử dụng tín hiệu UWB 3.2.3 Các ưu điểm của UWB Tốc độ cao Giá thành thiết bị thấp Chống đa đường Đo đạc (định vị) và truyền thông... Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không có khuếch đại) Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền của Zigbee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin... công ty khác, chia toàn bộ phổ tần được cấp phát thành 2 băng Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhưng phiên bản sau đã vượt ra ngoài phổ tần đó Dải tần cho đề xuất này là từ 3.2-5 .15 GHz và 5.825-10.6 GHz Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ảy BiOrthogonal Keying và một sơ đồ mã hóa CDMA cho việc ghép kênh và phân kênh 19 Hình 3.2.6.a.1 Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất DSCDMA