1.4.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mô hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này.
1.4.1.1. Mô hình truyền thông Điểm - Điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Điểm xảy ra khi một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình 1.3, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau nhưng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông.
Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
1.4.1.2. Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4.
Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng. Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng để gửi một lệnh thiết lập đến các nút trong mạng. Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm - Đa điểm. Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau. Nếu yêu cầu độ tin cậy cao thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công được gói tin. Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe thì giao thức truyền thông có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào và giao thức truyền thông coi kênh truyền thông đủ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận.
Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông Điểm - Đa điểm là mạng tràn lan. Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá bản tin được gửi đi. Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó. Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến.
Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần được truyền lại. Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm - Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại chúng.
1.4.1.3. Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm
Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút trong trường cảm biến. Với mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thường được gọi là Sink. Hình 1.5 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm.
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng nhưng nó cũng được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink. Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới người quan sát bên ngoài.
Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây. Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng. Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể được gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn.
Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink. Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằng không tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lượt, các nút lân cận của chúng sẽ quảng bá thông tin là chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink. Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua được tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn.
1.4.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE). Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW. Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét. Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.2.
Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thu phát vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là: WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật lý như thế nào.
Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi. Ví dụ chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được sử dụng.
Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte. Các gói tin có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc độ dữ liệu thấp. Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng dữ liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng từ 86 đến 116 byte. Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ chế phân mảnh các phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.2.
Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao
gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN.
Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.6. Mỗi mạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng PAN. Các
gói tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng cho mạng PAN để xác định mạng PAN nào mà gói được gửi đến. Một thiết bị có thể tham gia vào một mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũng đồng thời tham gia là thành viên mạng PAN trong một mạng PAN khác.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chức năng đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN. RFDs là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn. RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs. Các FFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ là hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp trên không sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.2. Thay vào đó, chúng xây dựng những cấu trúc liên kết mạng của riêng nó ở phía trên lớp MAC 802.15.2. Vì lý do đó, chúng ta không đi vào chi tiết các cấu trúc liên kết mạng được định nghĩa bởi chuẩn IEEE 802.15.2.
1.4.2.1. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bit nhận dạng thiết bị duy nhất. Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE 802.15.4, nên độ dài 64 bit địa chỉ là không khả thi. Do đó, chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép các nút sử dụng địa chỉ với độ dài 16 bit. Các địa chỉ ngắn được gán bởi điều phối viên PAN và chỉ có giá trị trong khuôn khổ của một PAN. Các nút có thể lựa chọn để gửi gói tin bằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ.
Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit).
Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng dấu hai chấm. Một ví dụ về độ dài một địa chỉ 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd:
fb. Hình 1.7 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4 là một địa chỉ dài và một địa chỉ ngắn.
Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4 được gán một địa chỉ khi được sản xuất. Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhận dạng duy nhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ tổ chức IEEE. Các OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết bị. Còn lại 40 bit được gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị.
Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN. Một địa chỉ ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó. Tuy nhiên, một thiết bị với một địa chỉ ngắn có thể truyền thông với các thiết bị bên ngoài mạng PAN bằng cách mang thêm 16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN của thiết bị đích trong mỗi bản tin được gửi đi. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 không chỉ định bất kỳ thuật toán cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phối viên PAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi mạng PAN.
1.4.2.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa tín hiệu. Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấp phép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau. Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-982MHz. Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 868-868.8MHz. Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau. Trong mỗi băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.8. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40.000 bit/s và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.
Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11. Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11. Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng theo chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.2. Hình 1.9 cho thấy sự chồng lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11. Tất cả kênh theo chuẩn 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của chuẩn 802.11 được sử dụng thì có 2 kênh của chuẩn 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn 802.11.
có thể đang truyền dữ liệu trên một kênh cụ thể và để điều phối viên quét các kênh có sẵn trong mạng.
Cơ chế phát hiện công suất vô tuyến cũng được sử dụng để hỗ trợ cơ chế đánh giá kênh trống CCA (Clear Channel Assessment). Trong đó, lớp vật lý có thể đánh giá để biết được một nút nào đó hiện đang truyền dẫn qua kênh vô tuyến. Điều này được thực hiện bằng một trong ba cách sau: Thứ nhất là đo công suất vô tuyến và so sánh nó với một mức công suất ngưỡng được xác định trước. Thứ hai là thực hiện giải điều chế tín hiệu vô tuyến đến để xem nó có phải là một tín hiệu hợp lệ theo chuẩn 802.15.2. Thứ ba là sự kết hợp của phương pháp phát hiện công suất vô tuyến và phương pháp điều chế tín hiệu. Cơ chế CCA được sử dụng bởi lớp MAC để kiểm soát sự truy nhập kênh truyền vô tuyến.
1.4.2.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong một khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế để các nút xác định khi nào kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.
Lớp 802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy nhập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho việc đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) để truy nhập kênh truyền. Trong đó, điều phối viên PAN chỉ định các khe thời gian cho thiết bị trong mạng PAN và thực hiện việc lập lịch trình thông qua sự truyền tải các