Sử dụng phương thức đa truy cập cảm nhận súng mang với cơ chế trỏnh xung đột:
Tương tự như hầu hết cỏc giao thức khỏc được thiết kế cho cỏc mạng khụng dõy, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng cơ chế CSMA-CA trong truy nhập kờnh. Tuy nhiờn chuẩn này khụng sử dụng cơ chế yờu cầu gửi (RTS) và bản tin sẵn sàng nhận (CTS – Clear to send) (Chi tiết được xem 3.3.4)
Điều khiển và duy trỡ cơ chế khe thời gian được bảo đảm (GTS – Guaranted Time Slots):
Khi làm việc trong chế độ sử dụng “beacon”, trạm điều khiển cú thể chia siờu khung thành cỏc khe thời gian cho từng trạm làm việc. Những khe này được gọi là GTS. Cỏc khe này chỉ được sử dụng để truyền thụng giữa trạm điều khiển và cỏc trạm làm việc. Chỳng hoạt động theo phương thức “First – Come – First Served”. Cỏc khe thời gian này cú thể được xỏc định lại tại bất
Originator next higer layer Originator MLME Recipient MLME Recipient next higer layer MLME-DISASSOCIATE.Request Acknowlegment Disassociation notification MLME-DISASSOCIATE.Indication MLME-DISASSOCIATE.Confirm Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
ngắn hơn thời gian yờu cầu. Trạm điều khiển quản lý khe thời gian bằng cỏch lưu tất cả cỏc thụng tin cần thiết như thời điểm bắt đầu, độ dài của khe, cỏc thụng tin điều khiển và địa chỉ của trạm trong PAN.
Bảo đảm sự kết nối tin cậy giữa hai thực thể MAC ngang hàng:
Lớp MAC cú nhiều cơ chế khỏc nhau để tăng độ tin cậy giữa hai thực thể ngang hàng. Giữa chỳng là cỏc quỏ trỡnh xỏc nhận truyền, yờu cầu truyền lại và xỏc nhận dữ liệu thụng qua phương thức kiểm tra mó vũng dư CRC 16 bit, cũng như là cơ chế CSMA – CA.
3.3 Điều khiển truy nhập
Phần này giới thiệu về cấu trỳc khung, cấu trỳc siờu khung, cỏc kiểu truyền số liệu, cỏc cơ chế và phương thức xỏc thực, xem xột vấn đề tiờu thụ năng lượng và an ninh của chuẩn IEEE 802.15.4.
3.3.1 Cấu trỳc khung
Cấu trỳc khung được thiết kế để làm giảm độ phức tạp tới mức thấp nhất, trong khi vẫn tạo ra cho hệ thống đầy đủ khả năng như khả năng truyền trờn cỏc kờnh bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Mỗi lớp sẽ được thờm vào cấu trỳc phần header và footer để xỏc định lớp. IEEE 802.15.4 định nghĩa bốn loại cấu trỳc như sau: - Khung “beacon” được sử dụng bởi trạm điều khiển để truyền cỏc gúi điều
khiển “beacon”.
- Khung dữ liệu, được sử dụng cho tất cả cỏc quỏ trỡnh truyền dữ liệu.
- Khung xỏc nhận được sử dụng để chứng thực cỏc quỏ trỡnh tiếp nhận thành cụng.
- Khung lệnh MAC được sử dụng để điều khiển tất cả cỏc quỏ trỡnh truyền điều khiển giữa cỏc thực thể ngang hàng MAC.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.1.1 Khuụn dạng khung điều khiển “Beacon”
Hỡnh 3.11 thể hiện cấu trỳc của khung “Beacon”, nú được khởi đầu từ lớp MAC. Một trạm điều khiển cú thể truyền khung “Beacon” khi mạng ở chế độ sử dụng khung “Beacon”. Đơn vị dữ liệu phục vụ MAC (MSDU – MAC) chứa cỏc đặc tớnh về siờu khung, trường địa chỉ của cỏc bản tin trong bộ đệm (chưa được thực hiện), trường số liệu. MSDU sẽ cố định thanh tiờu đề MAC (MHR) và chốn footer vào (MFR). MHR chứa cỏc trường điều khiển khung MAC, số thứ tự cỏc “Beacon”, cỏc trường thụng tin địa chỉ. MFR chứa thứ tự kiểm tra khung cú độ dài 16 bit (FCS).
Hỡnh 3.11 - Cấu trỳc của khung “Beacon”
MHR, MSDU, và MFR cựng nhau hỡnh thành nờn khung “Beacon” của lớp MAC (MPDU).
3.3.1.2 Khuụn dạng khung dữ liệu
Hỡnh 3.12 chỉ ra cấu trỳc của khung dữ liệu. Khung này được khởi đầu từ cỏc lớp cao. Dữ liệu đi qua phõn lớp MAC và được xem xột như là đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC (MSDU). Trường này được cố định trước với MHR và MFR. MHR chứa thụng tin về điều khiển khung, số chuỗi và trường thụng tin địa chỉ. MFR sử dụng cơ chế phỏt hiện lỗi FCS cú độ dài 16 bit. MHR, MSDU, và MFR
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.12 - Cấu trỳc của khung dữ liệu
MPDU được đi qua tầng vật lý như trường dữ liệu vật lý. PSDU được cố định trước với SHR, chứa chuỗi khởi đầu và trường SFD, PHR chứa độ dài của PSDU. Chuỗi khởi đầu (Preamble Squence) và SFD cho phộp bộ nhận đạt được sự đồng bộ. SHR, PHR và PSDU cựng nhau hỡnh thành nờn gúi dữ liệu vật lý (PPDU).
3.3.1.3 Khuụn dạng khung biờn nhận
Hỡnh 3.13 thể hiện cấu trỳc của khung biờn nhận, khung này được khởi đầu từ tầng MAC. Khung này được cấu thành từ MHR và MFR. MHR chứa điều khiển khung MAC và cỏc trường về số chuỗi dữ liệu. MFR là trường phỏt hiện lỗi FCS 16 bit. MFR và MHR cựng nhau hỡnh thành nờn khung xỏc thực trong lớp MAC (MPDU).
MPDU được đi qua tầng vật lý như trường dữ liệu của khung biờn nhận ở lớp vật lý (PSDU). PSDU được cố định trước với SHR chứa thứ tự khởi đầu, trường SFD, PHR chứa độ dài của PSDU. SHR, PHR và PSDU cựng nhau hỡnh thành nờn khung xỏc thực ở tầng vật lý, PPDU.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.13 - Cấu trỳc của khung xỏc thực
3.3.1.4 Khuụn dạng khung lệnh MAC
Hỡnh 3.14 thể hiện cấu trỳc của khung lệnh MAC:
Hỡnh 3.14 - Cấu trỳc khung lệnh MAC
MSDU chứa cỏc trường về cõu lệnh và dữ liệu xỏc định cõu lệnh, được gọi là trường thụng tin về khung lệnh. MSDU được cố định với MHR và gắn với MFR. MHR chứa điều khiển khung MAC, số chuỗi dữ liệu và trường thụng tin địa chỉ. MFR là trường phỏt hiện lỗi FCS 16 bit, MHR, MSDU và MFR cựng nhau hỡnh thành nờn khung lệnh MAC, (MPDU).
MPDU sau đú được đi qua lớp vật lý giống như trường dữ liệu của khung lệnh trong lớp vật lý. PSDU được cố định trước với SHR, chứa chuỗi khởi đầu
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đạt đựơc sự đồng bộ. SHR, PHR và PSDU cựng nhau hỡnh thành nờn khung lệnh MAC ở lớp vật lý (PPDU).
3.3.2 Khuụn dạng của siờu khung
Trạm điều khiển trong PAN cú thể giới hạn thời gian của kờnh sử dụng cấu trỳc siờu khung. Siờu khung gồm hai phần: phần hoạt động và phần khụng hoạt động và được giới hạn bởi cỏc khung “beacon”. Trạm điều khiển sẽ tương tỏc với cỏc trạm làm việc trong suốt thời gian của phần hoạt động và sẽ ở trạng thỏi nghỉ (tiờu thụ ớt năng lượng) trong phần khụng hoạt động. Hỡnh 3.15 là một vớ dụ của cấu trỳc siờu khung. Độ dài của siờu khung (BI) và độ dài của phần hoạt động được định nghĩa như sau:
BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO SD = aBaseSuperframeDuration * 2SO
Trong đú:
aBaseSuperframeDuration = 960 symbols BO: Beacon order và SO super frame order
Hỡnh 3.15 - Cấu trỳc siờu khung
Giỏ trị của BO và SO được tạo ra bởi trạm điều khiển. Phần hoạt động của siờu khung được chia thành cỏc khe aNumSuperFrameSlots cú kớch cỡ bằng
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
“beacon”, khoảng truy nhập tranh chấp (CAP) và khoảng tuỳ chọn (CFP). Khoảng truy nhập tranh chấp (CAP) được bắt đầu ngay sau khung “beacon”. Quỏ trỡnh truy nhập kờnh trong CAP sử dụng cơ chế CSMA-CA và sẽ hoàn thành trước khi khoảng CAP kết thỳc. Trong trường hợp khụng thể hoàn thành trong thời gian CAP thỡ trạm làm việc sẽ hoón lại cho đến khoảng thời gian CAP của siờu khung sau. Khoảng tuỳ chọn (CFP) sẽ được bắt đầu ngay sau khoảng CAP, quỏ trỡnh truy nhập sử dụng cơ chế CSMA-CA và sẽ được hoàn thành trong khoảng CFP.
3.3.3 Truyền dữ liệu
Cú ba kiểu truyền dữ liệu:
- Kiểu thứ nhất là truyền dữ liệu từ trạm làm việc tới trạm điều khiển. - Kiểu thứ hai là truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc. - Kiểu thứ ba là truyền giữa hai thiết bị ngang hàng.
Trong phương thức kết nối hỡnh sao thỡ kiểu truyền thứ nhất và thứ hai được thực hiện, bởi vỡ dữ liệu chỉ cú thể được trao đổi giữa trạm điều khiển và trạm làm việc. Trong phương thức kết nối ngang hàng thỡ kiểu truyền thứ ba được sử dụng.
3.3.3.1 Truyền dữ liệu từ trạm làm việc tới trạm điều khiển
Trong chế độ sử dụng khung “Beacon”, trạm làm việc muốn truyền dữ liệu cho trạm điều khiển thỡ trước tiờn nú sẽ lắng nghe khung “Beacon”. Sau đú trạm làm việc sẽ đồng bộ với siờu khung và bắt đầu quỏ trỡnh truyền dữ liệu sử dụng cơ chế CSMA-CA cú sử dụng khe thời gian. Quỏ trỡnh được hoàn thành bởi bản tin xỏc nhận của trạm điều khiển hỡnh 3.16:
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.16 - Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng sử dụng khung beacon
Trong chế độ khụng sử dụng khung “Beacon”, trạm làm việc truyền dữ liệu tới trạm điều khiển sử dụng cơ chế CSMA – CA khụng sử dụng khe thời gian. Quỏ trỡnh được hoàn thành bởi bản tin xỏc nhận của trạm điều khiển. hỡnh 3.17 mụ tả quỏ trỡnh thực hiện này.
Hỡnh 3.17 - Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng khụng sử dụng cỏc beacon
3.3.3.2 Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc
Khi trạm điều khiển muốn truyền dữ liệu tới trạm làm việc trong mạng sử dụng khung “beacon”, nú chỉ thị trong khung “beacon” là “hàng đợi cú dữ liệu đang chờ”. Trạm làm việc sẽ lắng nghe theo chu kỳ khung “beacon” của mạng, và nếu bản tin này vẫn chưa được giải quyết thỡ nú sẽ truyền một lệnh yờu cầu dữ liệu. Sau đú trạm điều khiển sẽ truyền bản tin xỏc nhận. Khi đú khung dữ liệu trong hàng đợi sẽ được truyền đi sử dụng cơ chế CSMA-CA cú khe thời gian. Trạm làm việc xỏc nhận quỏ trỡnh nhận dữ liệu thành cụng bởi truyền bản tin xỏc
Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
nhận. Sau đú bản tin “hàng đợi cú dữ liệu đang chờ” sẽ được xoỏ khỏi danh sỏch. Trỡnh tự qỳa trỡnh truyền được mụ tả trong hỡnh 3.18:
Hỡnh 3.18 - Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc trong mạng sử dụng beacon
Quỏ trỡnh tương tự được thực hiện đối với mạng khụng sử dụng “Beacon”, nhưng sẽ khụng cú quỏ trỡnh đầu tiờn gửi “beacon” và thay vào đú là thụng bỏo trạm làm việc yờu cầu dữ liệu (Hỡnh 3.19)
Hỡnh 3.19 - Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc trong mạng khụng sử dụng beacon
3.3.3.3 Truyền dữ liệu trong mạng ngang hàng:
Trong một mạng ngang hàng, bất kỳ trạm nào cũng cú thể liờn kết với trạm khỏc trong vựng phủ súng của nú. Để làm được điều này, trạm cú nhu cầu truyền dữ liệu cần nhận liờn tục hoặc đồng bộ với cỏc trạm khỏc. Trong trường hợp thụng dụng, trạm sẽ truyền gúi dữ liệu sử dụng cụng nghệ CSMA-CA khụng sử dụng khe thời gian.
Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.4 Cơ chế và cỏc kiểu xỏc thực
IEEE 802.15.4 cú cỏc cơ chế như CSMA – CA, xỏc nhận khung và xỏc nhận dữ liệu để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong quỏ trỡnh truyền dữ liệu.
3.3.4.1 Cơ chế thực hiện CSMA – CA
IEEE 802.15.4 cú hai cơ chế truy nhập kờnh khỏc nhau phụ thuộc vào cấu hỡnh của mạng:
- Cơ chế truy nhập kờnh CSMA-CA khụng sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng khụng sử dụng khung “beacon”.
- Cơ chế truy nhập kờnh sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”.
Trong cả hai trường hợp thỡ thuật toỏn được thực hiện sử dụng đơn vị thời gian gọi là cỏc khoảng chờ. Mỗi trạm sẽ duy trỡ 03 biến đối với mỗi lần truyền:
NB, CW và BE. NB là số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA cú giỏ trị khởi đầu là 0. CW là khoảng thời gian mà cỏc kờnh cú thể tranh chấp, định nghĩa số khoảng chờ để xoỏ hoạt động của kờnh trước khi quỏ trỡnh truyền cú thể bắt đầu, cú giỏ trị khởi đầu là 2 và được “reset” bằng 2 khi quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị bận. CW chỉ được sử dụng trong mạng sử dụng khung “beacon”. BE là số lượng khoảng chờ mà trạm sẽ đợi để truy nhập kờnh. macMinBE là giỏ trị nhỏ nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA, là một số nguyờn cú giỏ trị trong đoạn [0,3] và cú giỏ trị mặc định là 3. aMax là giỏ trị lớn nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA cú giỏ trị mặc định là 5.
(1) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA khụng sử dụng khe thời gian:
Khi trạm làm việc cú nhu cầu truyền khung dữ liệu hoặc cỏc cõu lệnh MAC, trước tiờn nú sẽ đợi một khoảng chờ ngẫu nhiờn, sau đú yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế đỏnh giỏ kờnh rỗi (CCA). Nếu phỏt hiện kờnh rỗi thỡ quỏ trỡnh truyền
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
nhiờn khỏc. Quỏ trỡnh được lặp lại cho đến khi phỏt hiện kờnh rỗi hoặc điều kiện (NB > macMaxCSMAbackoffs) xảy ra.
(2) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA sử dụng khe thời gian:
Trong mạng sử dụng khung “beacon”, thời điểm bắt đầu chờ của bất kỳ trạm nào sẽ được bắt đầu cựng với thời điểm bắt đầu khe thời gian của siờu khung. Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 0. Sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA). Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong đoạn CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo. Trong trường hợp kờnh bận và số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA lớn hơn giỏ trị cho phộp thỡ quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị lỗi.
Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 1, thỡ sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi. Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Bộ đếm lựi chỉ được hoạt động trong 6 khoảng chờ đầu tiờn sau đoạn IFS của khung beacon. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo.
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh bận (bước 4), phõn lớp MAC sẽ tăng NB và BE lờn 1 và thiết lập CW = 2, nếu NB < macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn quay về bước 2, nếu NB > macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn CSMA-CA kết thỳc với trạng thỏi truy nhập kờnh bị lỗi.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh rỗi (bước 5), phõn lớp MAC sẽ bảo đảm rằng thời gian tranh chấp sẽ kết thỳc trước khi quỏ trỡnh truyền bắt đầu. Để làm được điều này, phõn lớp MAC sẽ giảm CW đi một. Nếu CW = 0 thỡ quỏ trỡnh truyền bắt đầu, nếu CW ≠ 0 thuật toỏn quay trở về bước 3.
Sơ đồ thuật toỏn CSMA-CA được mụ tả trong hỡnh 3.20 [10]
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.4.2 Biờn nhận khung (Frame Acknowledgment)
Nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc khung lệnh MAC thành cụng thỡ kết quả này sẽ được xỏc nhận bằng một thụng bỏo, ngược lại nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc