Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Cỏc trạm cú thể là trạm làm việc của nhiều Piconet. Nhưng chỉ cú thể làm trạm điều khiển của một Piconet. Cỏc trạm làm việc trong Piconet lắng nghe gúi beacon được gửi đi từ trạm điều khiển, dữ liệu và thụng tin điều khiển cú thể được truyền giữa cỏc trạm làm việc và trạm điều khiển.
Trạm điều khiển cũng phõn loại cỏc gúi nhận, cỏc gúi này được truyền từ cỏc trạm làm việc khỏc nhau và cú cỏc mức ưu tiờn khỏc nhau về thứ tự truyền. Vớ dụ, một vài gúi chứa dữ liệu cú cỏc mức ưu tiờn cao hơn để xử lý media.
Sự khỏc biệt giữa trạm điều khiển và trạm làm việc là trạm điều khiển gửi gúi Beacon theo chu kỳ. Nếu trạm điều khiển tỡm thấy cỏc trạm làm việc khỏc cú khả năng (dung lượng kờnh, cụng suất kờnh, khả năng bộ nhớ, tốc độ xử lý …) cao hơn bản thõn nú, nú sẽ chuyển giao điều khiển Piconet cho trạm làm việc này. Điều này chứng tỏ Piconet trong IEEE 802.15.3 cú cỏc thành viờn động. Vỡ vậy, nú dễ dàng thớch nghi với cỏc kiểu kết nối và mụi trường thay đổi.
2.3.1.1 Tổ chức kờnh
Tổ chức kờnh trong chuẩn IEEE 802.15.3 được chia thành cỏc siờu khung như được mụ tả trong hỡnh 2.9:
Hinh 2.9 - Kiến trỳc của siờu khung IEEE 802.15.3
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Gúi Beacon được gửi từ trạm điều khiển để điều khiển tất cả cỏc hoạt động của cỏc trạm làm việc và thiết lập cỏc thụng số Piconet. Thụng tin xỏc định CAP và CTAP được chỉ định trong gúi Beacon. Trong khoảng thời gian CAP cỏc trạm cú thể gửi cỏc cõu lệnh hoặc gúi dữ liệu riờng biệt để đảm bảo dữ liệu trờn đường truyền. Cỏc trạm truy nhập kờnh sử dụng phương phỏp đa truy nhập cảm nhận súng mang với cơ chế trỏnh xung đột (CSMA/CA). Để tối thiểu hoỏ cỏc xung đột, cỏc trạm làm việc sẽ đợi một khoảng ngẫu nhiờn tại thời điểm đầu tiờn và sau đú bắt đầu truyền. Khi trạm làm việc khụng thể nhận được một bản tin xỏc nhận sau khi nú truyền một gúi, thỡ trạm làm việc sẽ truyền lại gúi này nhiều nhất 3 lần (Hỡnh 2.10).
Hỡnh 2.10: Thủ tục truyền (trạm điều khiển truyền dữ liệu tới trạm làm việc)
Truy nhập kờnh trong CTAP được dựa trờn cơ chế đa truy nhập phõn chia theo thời gian (TDMA). CTAP được chia thành nhiều khe thời gian khỏc nhau (CTA). Mỗi khe cú thời điểm bắt đầu và khoảng thời gian cố định. Mỗi CTA này được chỉ định cho một trạm làm việc hoặc một nhúm trạm nào đú. Trạm làm việc này cú thể truy nhập vào CTA dành cho nú. Vị trớ và thời gian của mỗi CTA được xỏc định bởi gúi Beacon được gửi từ trạm điều khiển.
Data request Beacon DATA ACK PNC DEV Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
2.3.1.2 Phương thức lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet
Trong thực tế, dải phổ của tầng vật lý WPAN cú thể đó trựng lặp với cỏc mạng khụng dõy khỏc khi ỏp dụng cụng nghệ UWB vào tầng vật lý. Để tối thiểu hoỏ sự đan xen đú là một trong những vấn đề quan trọng đối với WPAN đồng thời đảm bảo đỏp ứng đầy đủ cỏc qui tắc của FCC và bảo đảm tớn hiệu cú chất lượng tốt thỡ cụng suất truyền của cỏc trạm trong WPAN là một yếu tố rất quan trọng để lựa chọn trạm điều khiển.
Mặt khỏc, chỳng ta cũng biết rừ rằng việc giảm cụng suất truyền cũng là một yếu tố quan trọng để tiết kiệm năng lượng trong mạng khụng dõy sử dụng pin. Bởi vỡ cụng suất truyền được liờn kết chặt chẽ với khoảng cỏch truyền. Do đú giảm khoảng cỏch truyền cú thể sẽ giảm cụng suất truyền.
Ký hiệu Pr(di,j), Pt(di,j) là mức cụng suất nhận và truyền giữa hai thiết bị i và j. Khi đú mối quan hệ giữa cụng suất truyền và cụng suất nhận cú thể được mụ tả bởi biểu thức sau:
(2) L G G d d P d P t r n j i j i t j i r , , , 4 ) ( ) (
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Trong đú di,j là khoảng cỏch giữa bộ truyền i và bộ nhận j, Gt và Gr là hệ số khuếch đại ăng ten của bộ truyền và bộ nhận, L là nhõn tố tổn hao trong hệ thống, n là số suy hao trờn đường truyền với giỏ trị điển hỡnh nằm giữa 2 và 4.
Về mặt chuẩn, hầu hết cỏc trạm làm việc đều cú khả năng được lựa chọn giống như là trạm điều khiển trong WPAN. Ký hiệu Ci là hàm khả năng của trạm thứ i. Hàm khả năng này phụ thuộc vào cỏc yếu tố như: tốc độ truyền, dung lượng bộ nhớ, tốc độ CPU, năng lượng suy hao, hoặc là cỏc đặc tớnh khỏc. Để giảm sự chồng chộo cỏc kết nối và tiết kiệm năng lượng tiờu thụ trong một Piconet thỡ khoảng cỏch giữa trạm điều khiển và cỏc trạm làm việc phải được xem xột vào hàm khả năng (Ci) trong phương thức lựa chọn trạm điều khiển.
Vớ dụ trong hỡnh 2.11, hỡnh vuụng định nghĩa vựng Piconet trong WPAN. Giả thiết rằng, trạm làm việc 1 được lựa chọn làm trạm điều khiển. Trong trường hợp này, để phủ tất cả cỏc trạm làm việc, trạm điều khiển phải tăng cụng suất truyền để đỏp ứng được bỏn kớnh phỏt ra d1. Nếu chọn trạm làm việc 3 là trạm điều khiển thỡ rừ ràng rằng vựng đan xen bị giảm và mức tiờu thụ năng lượng sẽ nhỏ hơn so với trạm 1. Như vậy, trạm làm việc cú thể được lựa chọn là trạm điều khiển nếu cú bỡnh phương khoảng cỏch nhỏ nhất.
Tuy nhiờn, từ quan điểm cải tiến toàn bộ vựng Piconet trong WPAN, việc lựa chọn tần số trạm điều khiển với mức năng lượng thấp sẽ dễ dàng dẫn tới sự suy giảm năng lượng trong trạm điều khiển này. Do đú, năng lượng thặng dư cũng được xem xột trong việc lựa chọn trạm điều khiển.
Chi tiết của việc lựa chọn LDS-PNC (Least Distance Square - PNC)
Bộ đếm lựa chọn trạm điều khiển (PSC – PNC selection counter) điều khiển tần số của hoạt động lựa chọn trạm điều khiển. Bộ đếm này cú giỏ trị khởi đầu là T khi trạm điều khiển được lựa chọn. Trạm điều khiển sẽ giảm giỏ trị bộ
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đếm của nú cho tới khi cú giỏ trị 0. Thủ tục lựa chọn trạm điều khiển được bắt đầu bởi một trạm điều khiển khi:
1, Khi bộ đếm PSC cú giỏ trị 0
2, Năng lượng thặng dư của trạm điều khiển nhỏ hơn EL 3, Hoặc khi trạm điều khiển cần thiết thoỏt khỏi Piconet
Để khởi động tiến trỡnh lựa chọn trạm điều khiển, Trạm điều khiển đớnh kốm yờu cầu lựa chọn (PSR – PNC seclection request) vào khung beacon và gửi yờu cầu này tới tất cả cỏc trạm làm việc tại thời điểm bắt đầu của siờu khung. Khi trạm làm việc nhận được PSR, cỏc trạm sẽ cố gắng gửi gúi xỏc nhận PSR- ACK quay lại trạm điều khiển để thụng bỏo là chấp nhận. Mỗi trạm điều khiển sẽ đớnh kốm giỏ trị năng lượng đang cú trong pin, Ei, và cỏc đặc tớnh khỏc, vớ dụ như dung lượng bộ nhớ, và tốc độ CPU vào gúi xỏc nhận PSR-ACK. Đồng thời sử dụng mức cụng suất cao nhất, Pmax, để gửi cỏc gúi trong suốt khoảng truy nhập nội dung CAP. Bởi vỡ gúi xỏc nhận PSR-ACK là một gúi nhỏ cho nờn nú cú thể truyền thành cụng bởi hầu hết cỏc trạm làm việc bờn trong khoảng truy nhập nội dung CAP. Vỡ lý do này nếu một trạm làm việc nào đú khụng truyền thành cụng gúi xỏc nhận PSR-ACK bờn trong CAP, thỡ nú sẽ khụng gửi gúi xỏc nhận PSR-ACK trong một CAPs khỏc, điều này cú nghĩa là trạm làm việc này sẽ bị bỏ qua trong việc lựa chọn trạm điều khiển.
Tất cả cỏc trạm làm việc và trạm điều khiển bờn trong Piconet đều lắng nghe gúi xỏc nhận PSR-ACK này. Vỡ vậy thuật toỏn của chỳng ta chỉ cần một giỏ trị tạm của khoảng cỏch giữa hai trạm, cường độ tớn hiệu nhận được của gúi xỏc nhận PSR-ACK được đo để xỏc định khoảng cỏch. Khi trạm làm việc i nhận gúi xỏc nhận PSR-ACK của trạm làm việc j, nú sẽ sử dụng biểu thức (2), trong đú n = 2 để tớnh toỏn khoảng cỏch giữa cỏc trạm i và j.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
/4 , max , L P G G P d i r r t j i (3)
Trong đú Pr, i là mức cụng suất nhận của trạm i. Giả thiết rằng cú N+1 trạm trong Piconet. Thiết bị thứ i sẽ ghi lại một bộ cỏc khoảng cỏch giữa cỏc trạm khỏc và bản thõn nú cú thể được miờu tả là:
Di = {di,j }; j = 0, 1, …, N-1, N. j ≠ i. (4)
Sau đú bỡnh phương khoảng cỏch trung bỡnh của thiết bị i, khi đú Di cú thể được tớnh toỏn theo biểu thức:
i j N j j i i d N D E , ... 2 , 1 , 0 2 , 2 1 (5)
Núi chung, trạm điều khiển tiờu thụ năng lượng nhiều hơn cỏc trạm làm việc thụng thường. Để trở thành trạm điều khiển thỡ trạm làm việc phải cú năng lượng đủ lớn để cú thể hoạt động giống như trạm điều khiển. Vỡ vậy, sau khi nhận tất cả cỏc gúi xỏc nhận PSR-ACK, trạm điều khiển sẽ cố gắng tỡm ra một bộ trạm làm việc, R*, trong đú năng lượng cũn lại của trạm đú phải lớn hơn EL. R* cú thể được định nghĩa:
e(DEVi) ≥ EL ( DEVi R*) (6)
Ký hiệu DEVi là một trạm làm việc thứ i trong bộ R* và e(DEVi) là phần năng lượng cũn lại của nú. Trong một vài trường hợp, cỏc tiờu chớ khỏc như QoS dung lượng bộ nhớ, tốc độ CPU, cú thể được xem xột trong việc lựa chọn làm trạm điều khiển. Khi đú hàm khả năng, C(DEVi) bao gồm cỏc đặc điểm này và cú thể được định nghĩa để tỡm ra một bộ khỏc cỏc trạm làm việc, R**, là:
C(DEVi) ≥ CL ( DEVi R** R*) (7) Nơi mà CL là biờn thấp của khả năng
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Nếu R* = hoặc R** = , một cảnh bỏo sẽ được gửi đến lớp ứng dụng để tạo ra sự nhận thức cho người sử dụng.
Tại thời điểm bắt đầu của một siờu khung tiếp theo, trạm điều khiển sẽ đớnh kốm tất cả cỏc IDs của thiết bị trong R**
và yờu cầu thụng bỏo khoảng cỏch (DRR) trong khung beacon và được truyền ở trong Piconet. Để giảm năng lượng tiờu thụ trong quỏ trỡnh truyền, chỉ những trạm là thành viờn của R** được xỏc định trong beacon, lắng nghe DRR này, và gửi cỏc gúi xỏc nhận PSR-ACK, kốm theo bỡnh phương khoảng cỏch, E(Di2
), Trạm điều khiển sẽ tỡm ra một trạm làm việc tối ưu để thay thế bản thõn nú. Nếu ma trận lựa chọn trạm điều khiển cú bỡnh phương khoảng cỏch nhỏ nhất PNC (LDS-PNC) được cung cấp thỡ trạm tối ưu DEVopt cú thể được xỏc định bởi:
2 2 ** * (8) * * min E D DEV R R D E i opt R DEV opt i
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Sau đú Trạm điều khiển hiện thời sẽ bắt đầu một thủ tục để bàn giao điều khiển của Piconet cho thiết bị tối ưu đó được lựa chọn. Khi thiết bị này trở thành trạm điều khiển, nú sẽ khởi động lại bộ đếm PSC đối với bộ thời gian lựa chọn trạm điều khiển tiếp theo. Trạm điều khiển mới sẽ truyền cỏc khung beacon và cỏc gúi điều khiển khỏc với một mức cụng suất truyền được được tớnh toỏn thụng qua biểu thức (2), với n = 2:
r t r j i t G G L d P d P 2 max * , 4 (8) Trong đú Pr*
là mức cụng suất nhận được yờu cầu đối với việc mó hoỏ chớnh xỏc, và dmax là khoảng cỏch lớn nhất giữa một trạm điều khiển mới và cỏc trạm làm việc khỏc, điều này được tỡm ra trong một bộ khoảng cỏch, Di.
Một thủ tục lựa chọn trạm điều khiển được thể hiện trong hỡnh 2.12. Khi bộ đếm PSC cú giỏ trị 0, trạm điều khiển truyền một thụng bỏo với thụng tin bộ đếm PSR được đớnh kốm. Trong suốt khoảng CAP sau, tất cả cỏc trạm làm việc sẽ đớnh kốm những đặc điểm của chỳng vào cỏc gúi xỏc nhận PSR-ACK và gửi cỏc gúi này tới trạm điều khiển. Khoảng thời gian cũn lại của siờu khung mth là đủ cho một trạm điều khiển và cỏc trạm làm việc để tớnh toỏn bộ R**
, và bỡnh phương khoảng cỏch. Trong cửa sổ thụng bỏo tiếp theo, trạm điều khiển sẽ gửi thụng tin DRR tới cỏc trạm làm việc phụ thuộc vào bộ R** thụng qua quỏ trỡnh truyền khung Beacon. Sau đú cỏc trạm (DEV-≠1 và DEV-≠2) trong bộ R** gửi DRR-ACK tới trạm điều khiển. Cuối cựng trạm điều khiển sử dụng thụng tin khoảng cỏch được đớnh kốm trong cỏc gúi DRR-ACK để lựa chọn trạm tối ưu giống như trạm điều khiển tiếp theo.
2.4 Kết luận:
Chuẩn IEEE 802.15.3 (HR-WPAN) là một chuẩn mới cho mạng cỏ nhõn khụng dõy cú tốc độ truyền dữ liệu cao, tiờu thụ năng lượng thấp, dễ dàng cấu
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
hỡnh, dễ dàng sử dụng … Những điều này đó được minh chứng trong thực tế, tiờu biểu là cụng nghệ USB khụng dõy. Đõy là một chuẩn đuợc kế thừa những ưu việt của chuẩn USB cú dõy. Chuẩn này đó được hiệp hội truyền thụng quốc tế chứng nhận vào thỏng 5 năm 2005 đỏp ứng được cỏc nhu cầu về Multimedia, về hỡnh ảnh số, kết nối cỏc thiết bị AV để hiển thị, tải dữ liệu …
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Chương 3: ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYấN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA
CHUẨN IEEE 802.15.4
Khụng giống như chuẩn IEEE 802.15.3, Chuẩn IEEE 802.15.4 tập chung vào mục đớch và cỏc ứng dụng trong cụng nghiệp. Chuẩn này hỡnh thành vào thỏng 11 năm 2000 và được hiệp hội truyền thụng quốc tế chứng nhận vào ngày 12 thỏng 5 năm 2003.
3. Tổng quan về mạng khụng dõy IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 là một chuẩn về truyền thụng cú tốc độ truyền dữ liệu thấp (LR-WPAN) nhằm đỏp ứng cỏc nhu cầu giỏ thành thấp, độ phức tạp thấp, tiờu thụ năng lượng thấp, dễ dàng di chuyển [3, 10].
Một vài đặc tớnh của IEEE 802.15.4 (LR-WPAN):
- Tốc độ truyền dữ liệu: 250 kbps, 40 kbps, và 20 kbps. - Phương thức kết nối hỡnh sao hoặc ngang hàng.
- Địa chỉ ngắn là 16 bit và địa chỉ mở rộng là 64 bit. - Phõn phối cỏc khe thời gian được bảo đảm (GTSs)
- Đa truy cập phỏt hiện súng mang với cơ chế trỏnh xung đột (CSMA-CA) - Giao thức được xỏc nhận đầy đủ để bảo đảm độ tin cậy của quỏ trỡnh
truyền
- Tiờu thụ năng lượng thấp - Dũ tỡm năng lượng (ED)
- Chỉ thị chất lượng kết nối (LQI)
- 16 kờnh trong băng thụng 2450 MHz, 10 Kờnh trong băng thụng 915 MHz, và 1 kờnh trong băng thụng 868 MHz.
Hệ thống IEEE 802.15.4 (LR-WPAN) bao gồm rất nhiều cỏc thành phần. Nhưng thành phần cơ bản nhất là cỏc trạm. Trong đú trạm cú thể là RFD (Trạm cú chức năng hạn chế) hay là FFD (Trạm cú chức năng đầy đủ). FFD cú thể hoạt
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
động ở ba chế độ: Cú thể là trạm điều khiển PAN, cú thể là một trạm điều khiển, hoặc một trạm làm việc. Một FFD cú thể trao đổi với RFDs hoặc cỏc FFD khỏc, trong khi một RFD chỉ cú thể trao đổi với một FFD. Tuy nhiờn, mạng IEEE 802.15.4 yờu cầu ớt nhất một FFD, FFD này hoạt động giống như một trạm điều