Cỏc node gần nhau cần động bộ lịch làm việc theo chu kỳ để căn lệch nhịp. Việc đồng bộ được thực hiện bằng cỏch gửi 1 gúi SYNC. Để 1 node nhận 1 gúi SYNC và 1 gúi dữ liệu, khoảng thời gian lắng nghe được chia làm 2 khoảng nhỏ hỡnh 3.5 mụ tả 3 trường hợp nhõn tớn hiệu:
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Hỡnh 3.5. Đồng bộ giữa mỏy thu và mỏy phỏt.
Trường hợp 1: Node chỉ gửi 1 gúi SYNC.
Trường hợp 2: Node chỉ gửi gúi tớn hiệu.
Trường hợp 3: Node gửi cả gúi SYNC và gúi tớn hiệu.
Trong khoảng thời gian cỏc node sử dụng kờnh truyền, những khoảng phụ này được điều chỉnh sử dụng cửa sổ đụng độ nhiều khe. Khoảng phụ đầu tiờn để gửi gúi SYNC, khoảng phụ thứ 2 để gửi gúi dữ liệu. Trong cả 2 khoảng này, trạm đụng độ sẽ chọn ngẫu nhiờn 1 khe thời gian, cảm biến súng mang và bắt đầu gửi gúi nếu nú thấy kờnh truyền rỗi. Dựng phương phỏp bắt tay RTS/CTS để đảm bảo cú duy nhất 1 truy cập được thực hiện tại thời điểm đú. Thủ tục này đảm bảo thiết bị nhận cả gúi đồng bộ và gúi dữ liệu.
3.4.4 Lắng nghe thớch ứng
Mụ hỡnh listen & sleep cú thể làm tăng trễ, do cỏc node phải lưu trữ và truyền thụng điệp gữa cỏc node mạng. Nếu cỏc node tuõn thủ lịch làm việc 1 cỏch khắt khe, cỏc gúi dữ liệu cú thể bị trễ tại mỗi node. Để khắc phục tỡnh tạng này, chỳng ta sử dụng phương phỏp lắng nghe thớch ứng (adaptive listening).
Một node đang trong trạng thỏi lắng nghe, giả sử node này là node kế tiếp trờn con đường định tuyến của gúi RTS/CTS (node này cú thế được chọn), node sẽ kộo dài thời gian lắng nghe để trỏnh nguy cơ gõy ra trễ gúi dữ liệu nếu nú được chọn. Node này sẽ xỏc định thời gian cần thiết để truyền gúi từ trường thời gian trong gúi RTS/CTS mà nú nhận được. Ngay khi nhận được dữ liệu, node phỏt ra gúi RTS để bắt đầu thủ tục bắt tay RTS/CTS với node lắng nghe, nếu node lắng nghe khụng nhận được gúi RTS trong quỏ trỡnh lắng nghe thớch ứng, node trở lại trạng thỏi ngủ.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Kỹ thuật này làm giảm trễ gúi bằng cỏch kộo dài thời gian lắng nghe của node nếu như node cú khả năng được chọn làm node kế tiếp trờn đường định tuyến của node từ nguồn đến đớch.
3.4.5 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu
Để điều tiết truy cập kờnh truyền cho nhiều node cảm biến cựng tranh chấp, S- MAC dựng thủ tục dựa trờn CSMA/CA, gồm cảm biến súng mang vật lý và cảm biến súng mang ảo, dựng hỡnh thức bắt tay RTS/CTS để giảm vấn đề node ẩn, node hiện. Cảm biến súng mang ảo dựng vector phõn phối mạng NAV (Network Allocaton Vector), là một biến cú giỏ trị là thời gian cũn lại cho đến khi kết thỳ truyền gúi dữ liệu cũn lại. Đầu tiờn, NAV được đặt bằng giỏ trị trong trường thời gian của gúi được phỏt, sau đú giảm dần về 0. Cảm biến súng mang vật lý lắng nghe kờnh truyền để phỏt hiện quỏ trỡnh truyền dữ liệu. Cảm biến súng mang ngẫu nhiờn trong cửa sổ tranh chấp để trỏnh xung đột. Một node được phộp phỏt dữ liệu nếu cả cảm biến súng mang thật và ảo để cho thấy kờnh truyền rỗi.
Để thực thi cảm biến song mang ảo, cỏc node phải lắng nghe tất cả cỏc quỏ trỡnh truyền dữ liệu, kể cả cỏc gúi dữ liệu khụng dành cho nú. Việc này dẫn đến sự tiờu hao năng lượng đỏng kể. Để trỏnh tỡnh trạng này, S-MAC cho phộp cỏc node chuyển sang chế độ ngủ sau khi đó nghe thấy cỏc gúi RTS hay CTS giữa 2 node khỏc. Trong gúi RTS/CTS cú chứa thời gian truyền tối đa cho gúi dữ liệu tuỳ theo độ dài gúi dữ liệu. Node sẽ khởi tạo biến NAV bằng giỏ trị trong trường thời gian của cỏc gúi RTS/CTS và sẽ chuyển sang chế độ ngủ nếu giỏ trị này về 0. Vỡ thời gian gúi dữ liệu thường dài hơn gúi RTS/CTS nờn thủ tục trỏnh nghe lộn cú thể tiết kiệm đỏng kể năng lượng.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Một node muốn phỏt 1 gúi dữ liệu trước tiờn phải cảm nhận kờnh truyền. Nếu kờnh truyền bận, node chuyển sang trạng thỏi ngủ và sẽ thức dậy khi kờnh truyền rảnh..
Nếu kờnh truyền rảnh, node phỏt đi gúi RTS và chờ nhận lại gúi CTS từ mỏy thu. Khi nhận gúi CTS, node gửi gúi dữ liệu của nú. Quỏ trỡnh chuyển gúi kết thỳc khi node nhận được gúi xỏc định đỳng ACK từ phớa thu… Sau đú node chuyển sang trạng thỏi ngủ cho đến khi cú nhu cầu chuyển cỏc gúi dữ liệu tiếp theo.
3.4.6 Chuyển thụng điệp
S-MAC đưa ra khỏi niệm message passing, thụng điệp là dữ liệu cú nghĩa mà node phải xử lý. Thụng điệp được chia thành nhiều phần nhỏ và được phỏt đi thành từng chựm đơn. Cỏc mẩu thụng điệp được phỏt đi bằng gúi RTS/CTS trao đổi giữa node phỏt và node thu. Khi hoàn tất gúi RTS/CTS, node dành dủ thời gian cần thiết để chuyển gúi thụng điệp kốm gúi xỏc nhận ACK dựa vào thời gian trong trường của gúi RTS hay CTS.
Hỡnh 3.7. Quỏ trỡnh truyền thụng điệp trong S–MAC.
Sau khi phỏt xong 1 mẫu, node phỏt chờ nhận gúi xỏc định đỳng ACK từ node thu. Nếu nhận gúi ACK, nú tiếp tục phỏt mẫu tiếp theo. Nếu khụng nhận được gúi ẠCK, node tăng thời gian yờu cầu để hoàn thành quỏ trỡnh truyền thụng điệp và truyền lại mẫu đú, chờ nhận ACK tương ứng. Cỏc node khỏc dựa vào thụng tin trong gúi RTS hay CTS để định thời gian cảm biến súng mang ảo và chuyển sang chế độ ngủ cho đến khi hết thời gian truyền thụng điệp.
S-MAC cú khả năng giảm tiờu hao năng lượng đỏng kể, thớch hợp cho cỏc ứng dụng trong đú sự cụng bằng khụng phải là tiờu chớ quan trọng và độ trễ gúi cú thể chấp nhận được.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
3.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs
Tiờu chuẩn IEEE 802.15.4 LE-WPANs bổ sung vào họ tiờu chuẩn IEEE 802, đấy là tiờu chuẩn dung hoà giữa yờu cầu tốc độ cao và cụng suất tiờu thụ thấp, giỏ thành thấp.
IEEE 802.15.4 LR-WPANs được thụng qua bởi tổ chức ZigBee Alliance cho kỹ thuật mạng khụng dõy cỏ nhõn. Hỡnh sau mụ tả quan kệ giữa chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs và ZigBee Alliance trong lớp kiến trỳc mạng khụng dõy cỏ nhõn:
Hỡnh 3.8. Mụ hỡnh tham khảo IEEE 802.15.4 và ZigBee
Cỏc lớp tạo nờn đặc điểm nổi bật của ZigBee là giỏ thành thấp, tiờu thụ cụng suất thấp, tin cậy trong truyền tải dữ liệu và dễ dàng lắp đặt. .Dựng cỏc thụng số của IEEE 802.15.4, ZigBee tập trung vào lớp mạng, bảo mật và lớp ứng dụng, cung cấp cỏc thụng số cơ bản cho khả năng tương thớch.
Hỡnh 3.10 chỉ ra mụ hỡnh tham khảo giữa ZigBee với cỏc chức năng cơ bản của mỗi lớp.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Lớp vật lý (PYH) trong mụ hỡn tham khảo phõn biệt cỏc thành phần giao diện
mạng, cỏc thụng số và hoạt động của chỳng. Lớp vật lý cũng cung cấp hoạt động cho lớp MAC như phỏt hiện năng lượng thiết bị nhận (RED), đỏnh giỏ chất lượng liờn kết (LQI), và ước định kờnh truyền trống (CCA). Lớp PYH cũng phõn biệt dóy rộng cỏc đặc điểm hoạt động cụng suất thấp bao gồm chu kỳ nhiệm vụ thấp, quản lý cụng suất thấp và overhead truyền thấp.
Lớp MAC điều khiển mạng liờn kết và khụng liờn kết, điều tiết truy cõp mụi
trường… Thụng qua 2 chế độ: beaconing và nonbeaconning (cú mốc bỏo hiệu và khụng cú mốc bỏo hiệu). Chế độ beaconning được dựng ở mụi trường mà việc điều khiển và truyền dữ liệu được thực thi bởi 1 thiết bị luụn ở trạng thỏi tớch cực. Chế độ nonbeaconing dựng giao thức CMSA khụng phõn biệt khe thời gian (unslotted), khụng kiờn trỡ (monpersistent).
Lớp LLC liờn kết với lớp Mạng để xỏc định loại địa chỉ logic đang dựng là gỡ
và sẽ đúng gúi frame theo kiểu tương ứng. Đồng thời điều khiển sự đồng bộ khung và cung cấp một mức kiểm tra lỗi. Lớp LLC cú thể lệ thuộc vào cỏc lớp thấp hơn trong việc cung cấp truy cập đường truyền.
Lớp mạng cung cõp cỏc chức năng đũi hỏi định hỡnh mạng và phỏt hiện
thiết bị, liờn kết hay phõn chia, quản lý cấu hỡnh, quản lý lớp MAC, định tuyến. Ba cấu hỡnh mạng là: hỡnh sao (star), măt lưới (mesh) và hỡnh cõy (tree).
Lớp bảo mật gồm cỏc dịch vụ bảo mật cơ bản, đảm bảo sự an toàn dữ liệu
và hạ tầng mạng. Loại đầu tiờn là mụ hỡnh bảo mật IEEE 802.15.4 điều khiển truy cập. Loại thứ 2 là bảo vệ sự nguyờn vẹn của thụng điệp trỏnh làm sai lệch dữ liệu do tỏc đụng bờn ngoài. Loại thứ ba là đảm bảo dữ liệu mang đầy đủ cỏc thụng tin bảo mật, trỏnh sự truy cập trỏi phộp.
Lớp ứng dụng gồm cú lớp phụ (APS), đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) và
đối tượng ứng dụng được định nghĩa bởi nhà sỏn xuất .
Chỳng ta sẽ tỡm hiểu cụ thể 2 lớp vật lý (PYH) và lớp MAC :
Lớp vật lý
Theo IEEE 802.14.5, đường truyền khụng dõy cú thể hoạt động ở 3 tần số khụng chớnh thức sau: 868MHz, 902-928 MHz và 2,4 GHz. Dựa trờn cỏc dải tần đú, tiờu chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dạng lớp vật lý sau:
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Trải phổ chuỗi trực tiếp dựng BPSK hoạt động tại dải tần số 868 MHz, tốc độ dữ liệu 20kbps.
Trải phổ chuỗi trực tiếp dựng BPKS hoạt động tại dải tần số 915 MHz, tốc độ dữ liệu 40kbps.
Trải phổ chuỗi trực tiếp dựng Q-QPKS hoạt động tại dải tần số 2,4 GHz, tốc độ dữ liệu 140kbps.
Hỡnh 3.10. Băng tần hoạt động của lớp PYH IEEE 802.15.4.
Bảng 3.1. Kờnh truyền và tần số
Điều chế dữ liệu lớp PHY tại dải tần 2,4 GHz là điều chế trực giao (M=16). Tốc độ dữ liệu là 250 kbps, dựng điều chế Q-QPSK dạng nửa xung, tương đương với minimum shift keying (MSK). Do đú tốc độ chip là 2 megachips/sec.
Bảng 3.2. Băng tần và tốc độ dữ liệu.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Hỡnh 3.11. Cấu trỳc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.14.5
Hỡnh 3.11 cho thấy, trường đầu tiờn của khung gồm 32 bit preamble dựng cho đồng bộ ký tự. Trường tiếp theo cú độ dài 1 byte bắt đầu của phõn giải gúi. Trường 8 bits kế tiếp xỏc định chiều dài của đơn vị dữ liệu trong lớp PYH (PSDU). Trường PSDU mang tối đa 127 bytes dữ liệu.
Lớp MAC
Cỏc thụng số lớp MAC theo tiờu chuẩn IEEE 802.14.5 được thiết kế cho cỏc ứng dụng yờu cầu tốc độ dữ liệu thấp và độ trễ vừa phải. Cỏc thụng số MAC - layer 802.14.5 cú nhiều điểm đỏp ứng cho yờu cầu về khả năng phõn bố mạng một cỏch mềm dẻo và cụng suất thấp. Một số đặc điểm như sau:
Cung cấp thiết bị mạng và cấu hỡnh mạng đa dạng.
Cấu thỳc siờu khung thay đổi được phự hợp cho điểu khiển chu kỳ nhiệm vụ cỏc thiết bị mạng.
Truyền dữ liệu trực tiếp hoặc giỏn tiếp.
Giao thức điều khiển truy cập mụi trường dựa trờn lập lịch và đụng độ.
Quản lý hiệu quả năng lượng để tăng tuổi thọ của mạng.
Dễ dàng triển khai cho mạng cỡ lớn.
Cỏc thiết bị và cấu hỡnh mạng:
Chuẩn IEEE 802.14.5 cú 2 dạng định nghĩa thiết bị vật lý: Thiết bị chức năng đầy đủ (FFP) và thiết bị chức năng hạn chế (RFD). FFD cú nguồn cung cấp và dung lượng bộ nhớ đủ cho tất cả cỏc chức năng xử lý trong mạng, cú khả năng thụng tin, giao tiếp với cỏc thiết bị khỏc cả trong và ngoài mạng. RFD đơn giản hơn nờn cũng cú chức năng xử lý hạn chế, cụng suất tiờu thụ thấp và ớt phức tạp, FFD cú thể làm việc với nhiều RFD hay FFD khỏc, nhưng một RFD chỉ cú thể làm việc với một FFD.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Bảng 3.3. Cỏc dạng thiết bị trong mạng ZigBee.
Cú 3 nhúm thiết bị logic (theo chức năng):
Thiết bị điều phối mạng (Coodirnator).
Bộ định tuyến (Router).
Thiết bị đầu cuối.
Dựa trờn cỏc thiết bị logic, Zigbee đưa ra 3 dạng cấu trỳc mạng: Hỡnh sao, hỡnh mắt lưới và hỡnh cõy như sau:
Hỡnh 3.12. Cấu trỳc liờn kết mạng
Cấu trỳc siờu khung:
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một cấu trỳc siờu khung theo yờu cấu : Siờu khung bắt đầu bằng beacon (bỏo hiệu) và được chia thành 16 khe như nhau. Khe thời gian đấu tiờn của siờu khung dung để phỏt beacon. Cỏc khe cũn lại được dựng bởi cỏc thiết bị trang chấp để trụng tin trong thời gian truy cập tranh chấp (Contention Access Period – CAP). Cỏc thiết bị dựng giao thức CSMA/CA phõn khe thời gian để tranh chấp truy cập với cỏc thiết bị khỏc. Việc thụng tin giữa cỏc thiết bị phải hoàn thành trước khi kết thỳc CAP của siờu khung hiện tại và bắt đầu phỏt beacon của siờu khung kế tiếp.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Hỡnh 3.13. Cấu trỳc siờu khung.
Cỏc dạng khung
Tiờu chuẩn IEE 802.14.5 quy định khung MAC gồm 3 thành phần: MAC header, MAC payload và MAC footer. MAC header gồm trường điểu khiển frame và trường địa chỉ. MAC payload chứa dữ liệu cần trao đổi, và MAC footer chứa cỏc trường kiểm tra frame.
Hỡnh 3.14. Khung dữ liệu và xỏc nhận ACK.
IEEE 802.14.5 cũng định nghĩa 4 dạng khung cơ bản: khung beacon, khung dữ liệu, khung xỏc nhận ACK và khung lệnh MAC.
Khung beacon: Được bộ điều phối mạng phỏt theo chu kỳ để xỏc nhận mạng và cấu trỳc mạng, đỏnh thức cỏc thiết bị từ trạng thỏi ngủ và đồng bộ hoạt động mạng. Khung beacon rất quan trọng trong cấu hỡnh mạng mắt lưới và mạng hỡnh cõy. Chỳng tự cho tất cả cỏc node mạng đồng bộ mà khụng cần cỏc node phải hoạt dộng ở chế độ tớch cực trong thời gian dài.
Khung dữ liệu: Cú thể dài hơn 104 octets (1 octet = 1byte). Mỗi khung dữ liệu mang một chuỗi xỏc nhận khung. Chuỗi số đảm bảo tất cả cỏc khung được đếm và nhận hợp lệ. Trường FCS dung để phỏt hiện lỗi khung.
Khung xỏc nhận đỳng ACK: Thiết bị thu gửi khung ACK tương ứng cho phớa phỏt để thụng bỏo khung dữ liệu nhận được là hợp lệ và khụng cú lỗi.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Khung lệnh MAC: Được dung để thụng bỏo và thụng tin. Phục vụ mục đớch quản lý mạng tập trung để điều khiển và cấu hỡnh thiết bị từ xa. Nhúm lệnh bao gồm phối hợp thiết bị, yờu cầu dữ liệu, thụng bỏo PAN ID, yờu cầu beacon, GTS, tổ chức lại coordinator.
Khi nhận được một frame, node phải xử lý frame nhận được. Để cung cấp đủ thời gian cho lớp MAC xử lý frame, IEEE 802.15.14 yờu cầu cần cú một khoảng thời gian trống giữa 2 frame (Interframe Spacing – IFS). Khoảng thời gian IFS phụ thuộc vào quy ước cú gúi xỏc nhận đỳng hay khụng.
Nếu cần cú gúi xỏc nhận đỳng, IFS ngay sau gúi ACK. Chiều dài khung tối đa gọi là aMaxSIFSFramSize, khoảng thời gian trống cần thiết gọi là long IFS (LIFS). Khoảng LIFS tối thiểu là aMaxLIFSPeriod, thường dài khoảng 40 ký tự. Nếu khung chưa đạt đến chiều dài ngưỡng aMaxSIFSFrameSize thỡ thời gian trống cần thiết gọi là short IFS (SIFS). Khoảng SIFS tối thiểu là aMinSIFSPeriod, thường dài 12 ký tự.
Thiết kế lớp giao thức MAC rất quan trọng trong mạng WSNs, nú đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng để kộo dài thời gian sống của mạng, tạo nờn khả năng mở rộng phự hơp kớch thước mạng, mật độ node và cấu hỡnh mạng. Cỏc thuộc tớnh quan trong khỏc cần lưu ý của thiết kế giao thức MAC là sự cụng bằng giữa cỏc node, giảm độ trễ, hạn chế lưu lượng cao của băng thụng ,….
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CẢM BIẾN KHễNG DÂY