TÌM HIỂU về CÔNG NGHỆ KHÔNG dây ZIGBEEIEEE 802 15 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 Lời nói đầu Hàng ngày thấy ví dụ cách thức mà công nghệ thông tin viễn thông tác động làm thay đổi sống người giới Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến ngõ ngách toàn cầu Trong mạng viễn thông ngày này, người quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm trị”, mua bán thử nghiệm – nghĩa thực tất loại hình hoạt động cách thức mà có ICT làm Mạng viễn thông tạo cầu nối liên kết loài người khắp hành tinh chúnúng ta, mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng khơng chút bí ẩn Tuy vậy, dải băn g tầ n e o hẹ p vẫ n tồ n đọn g nhiề u thách thức nế u muốn đạt đầ y đủ tiềm năn g Cá c nh kho a họ c trê n th ế giớ i đ ã ngh ĩ đế n việ c s dụn g cá c băn g tầ n cao hơn, việc vấp phải nhiều trở ngại cơng nghệ điện tử chế tạo chưa theo kịp Vì giải pháp cấp bách đưa sử dụng chung kênh tần số, nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ can nhiễu lẫn thiết bị tần số, vấn đề xung đột thiết bị Một công nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu công nghệ ZigBee Côn g ngh ệ ZigBe e l côn g ngh ệ đượ c p dụn g ch o cá c h ệ thốn g điề u khiể n v cảm biế n c ó tố c đ ộ truyề n ti n thấ p nhưn g ch u k ỳ hoạ t độn g dài Côn g ngh ệ ZigBe e hoạt động dải tần 868/915 MHz 2,4 GHz, với ưu điểm độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng, khả tương thích cao Trong đề tài em xin trình bầy khái qt cơng nghệ ZigBee/IEE E 802.15.4 Hy vọng thông qua vấn đề đề cập đề tài này, bạn đọc có s ự đán h gi v hiể u biế t sâ u sắ c hơ n v ề côn g nghệ ZigBee/IEE E 802.15 va i trị tiềm g sốn Mục lục Lời nói đầu…………………………………………………………………………………… Chương Khái quát ZigBee/ IEEE 802.15.4………………………………………… 1.1 Khái niệm………………………………………………………………………………… 1.2 Đặc điểm………………………………………………………………………………… 1.3 Ưu điểm ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1…………………… CHƯƠNG CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4.……………………………………………… 2.1 Mơ hình giao thứ Chương I Khái quát ZigBee/ IEEE 802.15.4 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” lồi 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 1.2 Đặc điểm Đặc điểm công nghệ ZigBee tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, chi phí 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 cơng 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) Hiện IEEE 802.15.4 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) 1.3 Ưu điểm ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1 - 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 khơng có 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 - Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn lượng CHƯƠNG CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4 2.1 Mơ hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4 ZigBee/IEEE802.15.4 công nghệ phát triển khoảng mười năm trở lại Công nghệ xây dựng phát triển tầng ứng dụng tầng mạng tảng hai tầng PHY MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, nên thừa hưởng ưu điểm chuẩn IEEE802.15.4 Đó tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao lượng khả thích ứng cao với mơi trường mạng Dựa vào mơ hình2.1, nhà sản xuất khác chế tạo sản phẩm khác mà làm việc tương thích với Hình2.1 Mơ hình giao thức ZigBee 2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ dịch vụ liệu PHY dịch vụ quản lý PHY, hai dịch vụ có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME (physical layer management) Dịch vụ liệu PHY điều khiển việc thu phát khối liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vơ tuyến vật lý Các tính tầng PHY kích hoạt giảm kích hoạt phận nhận sóng, phát lượng, chọn kênh, số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu phát gói liệu qua mơi trường truyền Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác theo khuyến nghị Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ PHY Băng tần Điều chế Tốc độ bit (kb/s) Tốc độ ký tự (ksymbol/s) Ký tự (MHz) Tốc độ chip (kchips/s) (MHz) 868 868-868.6 300 BPSK 20 20 Nhị phân 915 902-928 600 BPSK 40 40 Nhị phân 2450 2400-2486.5 2000 O-QPSK 250 62.5 Hệ 16 Bảng 2.1 Băng tần tốc độ liệu Có tất 27 kênh truyền dải tần số khác mô tả bảng Kênh Tần số kênh trung tâm Tần số trung tâm (MHz) Số lượng kênh (N) 868 868.3 915 10 – 10 906+2(k-1) (MHz) 2450 16 11 – 26 2405+5(k-11) Bảng2.2 Kênh truyền tần số Hình2.2 Băng tần hệ thống ZigBee 2.2.1 Mơ hình điều chế tín hiệu tầng vật lý 2.2.1.1Điều chế tín hiệu tầng PHY dải số 2.4 GHz 2.2.1 1.1 Sơ đồ điều chế Việc điều chế từ bít liệu nhị phân sang dạng tín hiệu dải tần 2,4GHz mơ tả theo sơ đồ Một chuỗi số nhị phân “0000b” biến đổi sang chuỗi dải tần sở với định dạng xung Hình2.3 Sơ đồ điều chế 2.2.1.1.2 Bộ chuyển bit thành ký tự : Đây bước để mã hóa tất liệu PPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự Mỗi byte chia thành ký tự ký tự có nghĩa nhỏ phát Đối với trường đa byte byte có nghĩa nhỏ phát ngoại trừ trường hợp trường byte liên quan đến bảo mật trường byte có nghĩa lớn phát trước 2.2.1.1.3 Bộ chuyển ký tự thành chip: Đây bước thứ hai q trình mã hóa Mỗi ký tự liệu xếp chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip Chuỗi chip truyền với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ (c0) truyền trước ký tự Ký tự liệu (hệ thập phân) Giá trị Chip ( c0 c1 … c30 c31 ) 11011001110000110101001000101110 11101101100111000011010100100010 00101110110110011100001101010010 00100010111011011001110000110101 01010010001011101101100111000011 00110101001000101110110110011100 11000011010100100010111011011001 10011100001101010010001011101101 10001100100101100000011101111011 10111000110010010110000001110111 10 01111011100011001001011000000111 11 01110111101110001100100101100000 12 00000111011110111000110010010110 13 01100000011101111011100011001001 14 10010110000001110111101110001100 15 11001001011000000111011110111000 Bảng2.3 Sơ đồ biến đổi symbol to chip 2.2.1.1.4 Bộ điều chế O-QPSK : Phương pháp điều chế dùng phương pháp điều chế khóa dịch pha góc ¼ có chọn gốc dịch pha ban đầu O-QPSK (Offset-Quadrature Phase Shift Keying) Biểu thức sau cách mà O-QPSK diễn đạt: s(t) = I(t) cos 2πf c t - Q(t-Tc )sin 2πf c t (1) f c : tần số trung tâm Tc : thời gian mà Q trễ đạt tới thay đổi pha 90o Q : sóng mang vng pha I : sóng mang pha 2.2.1.2 Điều chế tín hiệu tầng PHY dải tần 868/915MHz Tốc độ truyền liệu ZigBee/IEEE802.15.4 PHY băng tần 868 MHz đạt tới 20kb/s, đạt tới 40 kb/s băng tần 915MHz 2.2.1.2.1 Sơ đồ điều chế Hinh2.5 Sơ đồ điều chế 2.2.1.2.2 Bộ mã hóa vi phân Mã hóa vi phân hay cịn 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 nghĩ chuỗi số liệu thơ Rn ta phát chuỗi số E n theo qui tắc: E n = Rn ⊕ E n−1 (3) Trong đó: 1⊕ 1=0⊕0=0 0⊕ 1=1⊕0=1 E n chuỗi bit sau mã hóa Rn chuỗi bít thơ E n−1 chuỗi bit mã hóa liền trước 2.2.1.2.3 Bộ ánh xạ bit thành chip Mỗi bít đầu vào ánh xạ sang chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) 15-chip theo bảng Trong khoảng thời gian symbol ký tự c0 truyền đầu tiên, ký tự c14 truyền sau Bit đầu vào Giá trị chip ( c0 c1 … c14 ) 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 Bảng 2.4 Biến đổi bit to chip 2.2.1.2.4 Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK Chuỗi chip điều chế sóng mang sử dụng phương pháp điều chế BPSK có dạng xung xung cosin nâng (raised cosine) Tốc độ chip 300kchip/s dải tần 868 MHz đạt 600 kchip/s dải tần 915MHz Công thức sau mô tả dạng xụng này: πt πt ) cos( ) Tc Tc p(t) = πt Tc (1 − (4t Tc )) sin( (4) 2.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý IEEE 802.15.4 2.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) Chỉ số ED đo đạc thu ED Chỉ số tầng mạng sử dụng bước thuật toán chọn kênh ED kết ước lượng cơng suất lượng tín hiệu nhận băng thơng kênh IEEE 802.15.4 Nó khơng có vai trị việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền kênh Thời gian phát xửlý ED tương đương khoảng thời gian symbol Kết phát lượng thông báo bit số nguyên khoảng từ 0x00 tới 0xff Giá trị nhỏ ED (=0) mà cơng suất nhận mức +10dB so với lý thuyết Độ lớn khoảng công suất nhận để hiển thị số ED tối thiểu 40dB sai số ± 6dB 2.2.2.2Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) Chỉ số chất lượng đừong truyền LQI đặc trưng chất lượng gói tin nhận Số đo bổ sung vào ED thu được, đánh giá tỷ số tín tạp SNR, kết hợp phương pháp Giá trị kết LQI giao cho tầng mạng tâng ứng dụng xử lý 2.2.2.3Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) CCA sử dụng để xem xem kênh truyền coi rỗi hay bận Có ba phương pháp để thực việc kiểm tra này: • CCA : “Năng lượng vượt ngưỡng” CCA thơng báo kênh truyền bận dị lượng vượt ngưỡng ED • CCA : “Cảm biến sóng mang” CCA thơng 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 dị tín hiệu có đặc tính trải phổ điều chế IEEE 802.15.4 với lượng vượt ngưỡng ED 2.2.3 Định dạng khung tin PPDU Mỗi khung tin PPDU bao gồm trường thông tin • SHR (synchronization header) : đồng thiết bị thu chốt chuỗi bit • PHR (PHY header): chứa thơng tin độ dài khung • PHY payload: chứa khung tin tầng MAC 2.4 Tầng mạng ZigBee/IEEE802.15.4 2.4.1 Dịch vụ mạng Tầng vật lý mơ hình giao thức ZigBee xây dựng tầng điều khiển liệu Tầng vật lý phải đảm nhận chức như: • Thiết lập mạng • Tham gia làm thành viên mạng hoạt tách khỏi mạng thành viên mạng • Cấu hình thiết bị hệ thống yêu cầu, gán địa cho thiết bị tham gia vào mạng • Đồng hóa thiết bị mạng để truyền tin mà khơng bị tranh chấp • Bảo mật: gán thơng tin bảo mật vào gói tin gửi xuống tầng • Định tuyến, giúp gói tin đến đích mong muốn Có thể nói thuật tốn ZigBee thuật tốn định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu áp dụng trường hợp thích hợp 2.4.2 Dịch vụ bảo mật Khi khung tin tầng MAC cần bảo mật, ZigBee sử dụng dịch vụ bảo mật tầng MAC để bảo vệ khung lệnh MAC Đối với tin phải chuyển qua bước nhảy đơn, tức truyền trực tiếp từ nốt mạng đến nốt mạng lân cận nó, ZigBee cần sử dụng khung tin bảo mật MAC để mã hóa bảo vệ thơng tin Nhưng tin phải chuyển gián tiếp qua nhiều nốt mạng tới đích cần phải nhờ vào tầng mạng để làm công việc bảo mật Tầng điều khiển liệu MAC sử dụng thuật tóan AES (chuẩn mã hóa cao cấp) Khi tầng MAC phát nhận khung tin bảo mật, kiểm tra địa đích nguồn khung tin đó, tìm khóa kết hợp với địa đích địa nguồn, sau sử dụng khóa để xử lý khung tin theo qui trình bảo mật mà khóa qui định, sau sử dụng khóa để xử lý khung tin theo qui trình bảo mật mà khóa qui định Mỗi khóa key kết hợp với qui trình bảo mật đơn lẻ Ở đầu khung tin MAC ln có bit để rõ khung tin có bảo mật hay không Khi phát khung tin, mà khung tin địi hỏi phải có độ tin cậy cao, cần bảo tồn ngun vẹn Khi phần đầu khung phần tải trọng khung MAC tính tóan cân nhắc để tạo trường mã hóa tin nguyên vẹn (MIC- Message Integrity) phù hợp, MIC gồm khoảng 4,8 16 octets MIC gán thêm vào bên phải phần tải trọng MAC Đông thời số chuỗi số khung gán thêm vào bên trái phần tải trọng khung tin MAC Hình2.13Khung tin mã hóa tầng MAC 2.5 Tầng ứng dụng ZigBee/IEEE 802.15.4 Trong ZigBee/IEEE 802.15.4 chức tầng Application Framework là: • Dị tìm nốt thiết bị khác hoạt động vùng phủ sóng thiết bị hoạt động hay khơng • Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin nốt mạng Chức tầng Application Profiles là: • Xác định vai trò thiết bị mạng (thiết bị điều phối mạng, hay thiết bị đầu cuối, FFD hay RFD….) • Thiết lập trả lời yêu cầu kết nối • Thành lập mối quan hệ thiết bị mạng Chức tầng Application thực chức nhà sản xuất qui định (giao diện…) để bổ sung thêm vào chức ZigBee qui định CHƯƠNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZigBee/IEEE 802.15.4 Trong ZigBee/ IEEE802.15.4 sử dụng thuật tốn chọn đường có phân cấp nhờ xét phương án tối ưu Khởi điểm thuật tóan định tuyến thuật tốn miền cơng cộng nghiên cứu kỹ có tên AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) dùng cho mạng có tính chất tự tổ chức thuật tốn hình Motorola 3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) đơn thuật tốn tìm đường theo yêu cầu mạng ad hoc (một mạng tự tổ chức) Có thể hiểu sau, nốt mạng mà không nằm tuyến đường truyền tin khơng trì thơng tin tuyến đường truyền khơng tham gia vào q trình định tuyến theo chu kỳ Nói kỹ nữa, nốt mạng khơng có chức tự định tuyến lưu trữ tuyến đường tới nốt mạng khác hai nốt mạng liên lạc với nhau, trừ trường hợp nốt mạng cũ đề nghị dich vụ trạm chuyển tiếp để giữ liên lạc hai nốt mạng khác Mục đích thuật toán phát quảng bá gói tin dị đường cần thiết có yêu cầu Khi nốt nguồn cần để kết nối tới nốt khác, mà nốt nguồn không chứa thông tin thơng tin tuyến đường tới nốt đó, trình tìm đường thiết lập Để thiết lập trình tìm đường nốt mạng lưu hai đếm độc lập: sequence number broadcast id Để bắt đầu trình tìm đường, nốt nguồn khởi tạo gói tin tìm đường (RREQ) phát quảng bá gói tin tới tất nốt mạng lân cận, gói tin RREQ chứa thông tin địa nguồn (source addr), số chuỗi nguồn(source sequence number), số id quảng bá (broadcast id), địa đích (dest addr), số chuỗi đích (dest sequence number), số đếm bước truyền (hop cnt) Khi nốt mạng trung gian nhận gói tin RREQ mới, đem so sánh địa nguồn số id quảng bá với gói tin RREQ trước đó, giống nốt mạng trung gian tự động xóa RREQ dư thừa dừng việc phát gói tin lại Nhưng so sánh thấy khác thí nốt mạng tự động tăng số đếm bước truyền (hop cnt) lên tiếp tục phát quảng bá gói tin RREQ tới nốt lân cận để tiếp tục trình tìm đường Trong nốt mạng lưu trữ thông tin địa IP đích, địa IP nguồn, số id quảng bá, số chuỗi nốt nguồn, thời gian thời gian hạn định cho phép gói tin mang thơng tin xác nhận gửi trả lại nơi phát Khi gói tin RREQ truyền mạng từ nguồn tới đích, tự động thiết lập đường ngựơc lại từ nốt mạng quay trở lại nốt nguồn Để thiết lập tuyến đường ngược chiều, nốt phải lưu giữ bảng địa nốt bên cạnh mà chép gói tin RREQ Tuyến đường ngược chiều lưu giữ thời gian tối thiểu để gói tin RREQ vượt qua mạng trở nơi xuất phát ban đầu 3.2 Thuật toán hình Giao thức hình giao thức tầng mạng tầng datalink Loại mạng loại mạng có tính chất tự tổ chức tự hỗ trợ để hạn chế lỗi mạng mức độ lỗi cho phép, đặc biệt loại mạng có tính chất tự tổ chức nên tự sửa chữa gặp cố nốt mạng Các nốt mạng chọn nốt làm gốc tạo nhánh cách tự Sau cách nhánh tự phát triển kết nối tới nhánh khác nhờ vào thiết bị gốc (DDDesignated Deviece) Ở thuật tốn hình có thuật tốn hình đơn nhánh thuật tốn hình đa nhánh Chương Ứng dụng công nghệ ZigBee/ 802.15.4 sống Với ưu điểm cơng nghệ ZigBee ứng dụng vào sống, nông nghiệp công nghiệp Đặc biệt nhà sản xuất hướng tới sản phẩm thông minh, giúp giải số vấn đề sống: Sản phẩm gia đình thơng minh Với hệ thống mạng LAN gia đình, người sử dụng tự động hố q trình như: tự động chuyển file nhạc từ máy tính sang dàn nhạc hifi-strereo, hay điểu khiển bật tắt,… Lướt Web qua ti-vi,… Hệ thống an ninh tự động gia đình Có thể phát khói lửa, hệ thống phu nước tự động, tăng giảm nhiệt độ phòng Đồng thời giúp người sử dụng tìm vị trí đồ vật dễ bị thất lạc hay ngồi qn khố cửa,… Người sử dụng điều khiển hoạt động mà không cần có mặt phịng cần thơng qua kết nối với điện thoại di động Trong nông nghiệp, ứng dụng ZigBee đưa vào để kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, phân bón,… để tăng suất, giảm sức lao động người Trong công nghiệp hệ thống tự động ứng dụng để có sản phẩm có độ xác cao Ngồi ZigBee cịn hướng tới sản phẩm cơng cộng thơng minh: gara ô tô thông minh,… ... Ưu điểm ZigBee/IEEE802 .15. 4 với Bluetooth/IEEE802 .15. 1…………………… CHƯƠNG CHUẨN ZigBee/IEEE 802. 15. 4. ……………………………………………… 2.1 Mơ hình giao thứ Chương I Khái quát ZigBee/ IEEE 802. 15. 4 1.1 Khái niệm Cái... tốn lượng CHƯƠNG CHUẨN ZigBee/IEEE 802. 15. 4 2.1 Mô hình giao thức ZigBee/IEEE802 .15. 4 ZigBee/IEEE802 .15. 4 cơng nghệ phát triển khoảng mười năm trở lại Công nghệ xây dựng phát triển tầng ứng dụng... trường truyền mức công suất phát yêu cầu với ứng dụng, Tốc độ liệu 250kbps dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40 kbps dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) 20kbps dải tần 868MHz(Châu Âu) Hiện IEEE 802. 15. 4 tập trung vào