TÌM HIỂU GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG vô TUYẾN THEO CHUẨN IEEE 802 15 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TÌM HIỂU GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN THEO CHUẨN IEEE 802.15.4 Lời nói đầu Trong sống đại, thấy điều mới, thách thức mà công nghệ thông tin viễn thông(ICT) tác động làm thay đổi sống theo nhiều cách khác Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến đường ngõ ngách toàn cầu Trong mạng viễn thông ngày nay, người quản lý,trao đổi, giao tiếp tranh luận, mua bán nghĩa tất loại hình hoạt động mà có ICT làm Mạng viễn thông tạo cầu nối liên kết loài người khắp hành tinh chúng ta, và mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng Tuy vậy, dải băng tần eo hẹp tồn đọng nhiều thách thức muốn khai thác toàn tiềm Các nhà khoa học giới nghĩ đến việc sử dụng băng tần cao hơn, việc vấp phải trở ngại công nghệ điện tử chế tạo chưa theo kịp lý thuyết, Vì giải pháp cấp bách đưa sử dụng chung kênh tần số, nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ nhiễu , xung đột thiết bị , chuẩn giao tiếp nhiều công ty viễn thông sử dụng việc truyên tin chuẩn giao tiếp vô tuyến IEEE 802.15.4 Hy vọng thông qua vấn đề đề cập viết dưới, bạn đọc có đánh giá hiểu biết sâu sắc chuẩn IEEE 802.15.4 vai trò tiềm công nghệ sống Contents I Khái niệm giao thức truyền thông vô tuyến theo chuẩn IEEE802.15.4 : Khái niệm giao thức truyền thông vô tuyển IEEE 802.15.4: IEEE802.15.4 tiêu chuẩn IEEE quy định, bao gồm đặc tả vật lý (quy định cách mà thông tin số xử lý tổ chức thành dạng sóng điện từ ngược lại, quy định cách mà thông tin thô truyền nhận theo khung định ) Và IEEE802.15.4, Zigbee xây dựng, bao gồm chuẩn hóa quy định để hình thành hệ thống mạng hoàn chỉnh Ngoài ra, IEEE802.15.4, nhiều chuẩn mạng khác, lớn có WirelessHART, 6LowPan, nhỏ có MIWI, JenNet Và chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào tầng thấp giao thức tầng vật lý(PHY) tầng điều khiển truy cập MAC Các tính tầng vật lý Các tính tầng vật lý kích hoạt hoăc giảm kích hoạt phận nhận sóng, phát lượng, chọn kênh, số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu phát gói liệu qua môi trường truyền Ứng dụng chuẩn giao tiếp IEEE 802.15.4 Khái niệm mạng WPAN:(Wireless Personal Area Network): Mang 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 WLAN liên lạc hiệu mà không đòi hỏi nhiều sở hạ tầng.Tính cho phép có thêm hương giải rẻ tiền, nhỏ gọn mà đem lại hiệu suất cao liên lạc băng tần eo hẹp Ứng dụng chuẩn IEEE 802.15.4 Nhóm chuẩn IEEE 802.15 đời để phục vụ chuẩn WPAN Chuẩn IEEE 802.15 phân thành loại mạng WPAN -WPAN tốc độ cao -WPAN tốc độ trung bình -WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN ) dùng sản phẩm công nghiệp có thời hạn ,y học tiêu hao mức 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/IEEE 802.15.4 ví dụ điển hình 4.Thành phần thiết bị chuẩn IEEE 802.15.4 Full-funtion device (FFD) thiết bị đảm nhận tất chức mạng hoạt động điều phối mạng PAN, có số thiệt bị đảm nhận số chức hạn chế tên RFD( reduced- funtion device) Một mạng tối thiểu phải có thiết bị FFD, thiêt bị hoạt động điều phối mạng FFD hoạt động ba trạng thái : Là điều phối viên toàn mạng PAN (personal area network) , điều phối viên mạng con, đơn giản thành viên mạng RFD dùng ưng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn thông tin liệu Một FFD làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, RFD làm việc với FFD II Mô hình lớp vật lý giao thức IEEE 802.15.4 Như hình trên, giao thức bao gồm hai phần thấp mô hình OSI, tầng vật lý liên kết liệu Phần đảm nhận nhiệm vụ chuyển thông tin kĩ thuật số từ tầng đưa xuống thành sóng điện từ không gian Điều có cách sử dụng kĩ thuật điều chế số bit, gồm có điều chế dịch phaBPSK/QPSK, điều chế biên độ xung ASK, dựa PSSS sử dụng Kĩ thuật sử dụng nhà sản xuất tùy thuộc vào yêu cầu tốc độ khả đáp ứng phần cứng Tần số sử dụng phụ thuộc vào băng tần rỗi quốc gia, chuẩn xây dựng ba băng tần, có tất 27 kênh: 868.0 - 868.6MHz -> channel (Europe) -> 20Kb/s-Điều chế BPSK 902.0-928.0MHz -> 10 channels (EEUU) -> 40Kb/s- Điều chế BPSK 2.40-2.48GHz -> 16 channels (Worldwide) -> 250Kb/s Điều chế O-QPSK Thực tế IC đảm nhận nhiệm vụ truyền/nhận sản xuất vài năm gần dùng băng tần 2.4GH IEEE802.15.4 sử dụng hai kĩ thuật để tránh xung đột liệu - hay tượng hai hay nhiều nút mạng phát liệu lúc, CSMA-CA GTS GTS phương pháp khe thời gian sử dụng mạng hỗ trợ beacon, vốn đa phần thư viện không hỗ trợ CSMA-CA thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang thường sử dụng 1 Các thông số kỹ thuật tầng vật lý IEEE 802.15.4 a Chỉ số ED(energy detection) - Chỉ số ED đo đạc thu ED ED tầng mạng sử dụng bước thuật toán chọn kênh ED kết ước lượng công suất lượng tín hiệu nhận - bang thông kênh IEEE 802.15.4 Thời gian phát xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8sympol b Chỉ số chất lượng đường truyền(LQI) - Chỉ số chất lượng đường truyền LQI đặc trưng chất lượng gói tin nhận - Giá trị kết LQI giao cho tầng mạng tầng ứng dụng xử lý c Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) - Nhiệm vụ CCA : kiểm tra xem kênh rỗi hay bận Có ba - phương pháp để thực việc kiểm tra này: CCA : “Năng lượng vượt ngưỡng” CCA thông báo kênh truyền bận - dò lượng vượt ngưỡng ED CCA : “Cảm biến sóng mang” CCA thông báo kênh truyền bận nhận tín hiệu có đặc tính trải phổ điều chế IEEE802.15.4 Tín hiệu - thấp cao ngưỡng ED CCA : “Cảm biến sóng mang kết hợp với lượng vựơt ngưỡng” CCA báo kênh truyền bận dò tín hiệu có đặc tính trải phổ điều chế IEEE 802.15.4 với lượng vượt ngưỡng ED Định dạng khung tin PPDU: Mỗi khung tin bao gồm trường thông tin - SHR (synchronization header): đồng thiết bị thu chốt chuỗi bit - PHR ( PHY header) : chứa thông tin độ dài khung - PHY payload : chứa khung tin tầng MAC Lớp MAC ( Medium access control): Lớp MAC tầng điều khiển truy nhập.Lớp MAC cho phép truyền khung MAC thông qua việc sử dụng kênh vật lý Bên cạnh dịch vụ liệu, cung cấp giao diện quản lý tự quản lý quyền truy cập vào kênh vật lý dẫn tín hiệu mạng Nó điều khiển khung hình chuẩn, đảm bảo khe thời gian xử lý nút Cuối cùng, cung cấp điểm mốc cho dịch vụ an toàn - Lớp MAC cung cấp ghép nối SSCS PHY - Lớp MAC quản lý tất kênh truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ sau + Phát báo hiệu mạng thiết bị coordinator + Đồng báo hiệu + Hỗ trợ liên kết phân tách + Hỗ trợ bảo mật + Điều khiển chế CSMA-CA cho truy nhập kênh + Quản lý trì chế GTS + Cung cấp mối liên kết tin cậy kênh MAC tương đương III Mô hình điều chế giao thức truyền thông IEEE 802.15.4 Điều chế BPSK tín hiệu PHY dải tần 868/915 MHz Tốc độ truyền liệu IEEE 802.15.4 PHY băng tần 868 MHz đạt tới 20kb/s, đạt tới 40kb/s băng tần 915MHz Sơ đồ điều chế Mã hóa vi phân hay gọi mã hóa trước Khi cho tín hiệu nhị phân vào mã hóa bit có giá trị chuyển tiếp, có nghĩa số tách số số liền trước số ngược lại Nếu số tách xung sai, lỗi có xu hướng lan truyền đi, để loại trừ việc Lender đề nghị việc mã hóa trước số liệu Có nghĩa chuỗi số liệu thô Rn ta phát chuỗi số En theo quy tắc - Bộ ánh xạ bit thành chip Mỗi bit đầu vào ánh xạ sang chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) 15-chip theo bảng Trong khoảng thời gian symbol ký tự Co truyền , ký tự C14 truyền cuối -Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phần BPSK Chuỗi chip điều chế sóng mang sử dụng phương pháp điều chế BPSK có dạng xung xung cosin nâng ( raised cosin) Tốc độ chip 300kchip/s dải tần 868MHz đạt 600 kchip/s dải tần 915MHz Công thức sau mô tả dạng xung này: Điều chế tín hiệu tầng PHY dải tần 2.4GHz Tốc độ truyền liệu PHY 2405MHz đạt tới 250kb/s Một chuỗi nhị phân biến đổi sang chuỗi dải tần sở với định dạng xung Theo sơ đồ bước để mã hóa tất liệu PPDU(PHY protocol data unit) từ mã nhị phân sang dạng ký tự Mỗi byte chia thành ký tự ký tự nhỏ truyền Đối với trường hợp đa byte byte có nghĩa nhỏ truyền Bộ chuyển ký tự thành chip Đây bước thứ trình mã hóa Mỗi ký tự liệu xếp chuỗi giả ngẫu nhiên 32-chip Chuỗi chip truyền với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ (c0) truyền trước ký tự Bộ điều chế O-QPSK:Phương pháp điều chế phương pháp khóa điều chế dịch pha góc ¼ có chọn gốc dịch pha ban đầu O-QPSK ( Offset-Quadrature Phase Shift Keying) tương đương với phương pháp điều chế khóa dịch pha tối thiểu MSK QPSK phương pháp hiệu dải tần hạn chế Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn cho bit Bằng việc sử dụng độ dịch O-QPSK, thay đổi pha tín hiệu tổng tối đa 90 độ Biểu thức sau cách mà O-QPSK diễn đạt: Công thức mô tả dạng xung nửa sin KẾT LUẬN Cùng với yêu cầu ngày tăng chất lượng đa dạng dịch vụ ngày trở lên rõ ràng nhằm cung cấp dịch vụ tốt nhất, thuận tiện cho khách hàng Nhu cầu sử dụng dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao cho thiết bị di động ngày phát triển Vì nghiên cứu IEEE802.15.4 đòi hỏi thiết yếu, làm sở cho nghiên cứu, triển khai dự án, đề tài sau Trong khuôn khổ môn học này, chúng em mong muốn đưa vấn đề khái niệm, cấu trúc, nguyên lý, ứng dụng cải tiến IEEE802.15.4 so với hệ thống 3G LTE, để thấy IEEE802.15.4 bước phát triển tương lai hệ thống thông tin di động giới Việt Nam Đây kết trình học tập việc tìm hiểu vấn đề quanh tài liệu có liên quan từ nhiều nguồn tư liệu tổng hợp lại Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn, báo cáo không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý thầy cô giáo để hoàn thiện thêm kiến thức Chúng em xin chân thành cảm ơn [...]... cứu về IEEE8 02 .15. 4 sẽ là một đòi hỏi thiết yếu, cơ bản và làm cơ sở cho các nghiên cứu, triển khai các dự án, đề tài sau này Trong khuôn khổ của môn học này, chúng em chỉ mong muốn đưa ra những vấn đề cơ bản về khái niệm, cấu trúc, nguyên lý, ứng dụng và sự cải tiến của IEEE8 02 .15. 4 so với hệ thống 3G hiện tại và LTE, để thấy được IEEE8 02 .15. 4 là bước phát triển trong tương lai đối với hệ thống thông. .. (PN) 15- chip theo như bảng dưới đây Trong khoảng thời gian mỗi symbol thì ký tự Co được truyền đầu tiên , ký tự C 14 được truyền cuối cùng -Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phần BPSK Chuỗi chip được điều chế trên sóng mang sử dụng phương pháp điều chế BPSK có dạng xung là xung cosin nâng ( raised cosin) Tốc độ chip là 300kchip/s trong dải tần 868MHz và đạt 600 kchip/s trong dải tần 915MHz Công thức sau... tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 2.4GHz Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 240 5MHz có thể đạt tới 250kb/s Một chuỗi nhị phân được biến đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trong PPDU(PHY protocol data unit) từ mã nhị phân sang dạng ký tự Mỗi byte được chia thành ký tự và ký tự nhỏ nhất được truyền đi đầu tiên Đối với trường... Offset-Quadrature Phase Shift Keying) tương đương với phương pháp điều chế khóa dịch pha tối thiểu MSK QPSK là phương pháp hiệu quả đối với dải tần hạn chế Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn cho 2 bit Bằng việc sử dụng độ dịch trong O-QPSK, thay đổi pha tín hiệu tổng tối đa là 90 độ Biểu thức sau đây chỉ cách mà O-QPSK có thể diễn đạt: Công thức mô tả dạng xung nửa sin KẾT LUẬN Cùng với những yêu cầu ngày càng tăng về... được truyền đi đầu tiên Đối với trường hợp đa byte thì byte có nghĩa nhỏ nhất được truyền đi đầu tiên Bộ chuyển ký tự thành chip Đây là bước thứ 2 trong quá trình mã hóa Mỗi ký tự dữ liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên 32-chip Chuỗi chip này được truyền với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0) được truyền trước mọi ký tự Bộ điều chế O-QPSK:Phương pháp điều chế ơ đây là phương... giới cũng như ở Việt Nam Đây là kết quả của quá trình học tập và việc tìm hiểu vấn đề quanh những tài liệu có liên quan từ nhiều nguồn tư liệu được tổng hợp lại Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn, bản báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo để có thể hoàn thiện thêm kiến thức của mình Chúng em xin chân thành cảm ơn