Truy nhập kênh truyền trong CAP (CSMA/CA):
Trạm làm việc DEV muốn truyền sẽ cảm nhận môi trường truyền trong khoảng thời gian ngẫu nhiên, khi đó tầng MAC sẽ sử dụng các khả năng cảm nhận của tầng vật lí để phát hiện xem kênh đang bận hay rỗi, nếu rỗi DEV sẽ truyền.
Truy nhập kênh truyền trong CTAP (TDMA)
PNC chia khoảng CTAP thành MCTA và CTA. MCTA được dùng cho các lệnh còn CTA được dùng cho các kết nối truyền dữ liệu. Các thiết bị DEV sẽ sử dụng lệnh yêu cầu khe thời gian gửi đến PNC khi có yêu cầu truyền dữ liệu hoặc thay đổi CTA của chúng và PNC sẽ phân phối các khe CTA dựa trên các yêu cầu này.
2.2.3.3. Các tính năng của tầng MAC:
Quét kênh: các thiết bị sẽ sử dụng kĩ thuật quét kênh bị động để phát hiện ra
piconet đang hoạt động. Ngồi ra các thiết bị cũng có thể qt kênh mở dựa vào thơng tin được gửi của các gói beacon. Việc qt kênh sẽ được duyệt qua từng kênh với thứ tự bất kì để tìm ra được Piconet hợp lệ.
Khởi tạo Piconet: để khởi tạo một Piconet, thiết bị được chọn làm bộ điều
phối PNC (Piconet Coordinator) sẽ quét tất cả các kênh để tìm ra kênh chưa sử dụng. Khi tìm thấy kênh rỗi, nó sẽ khởi tạo một Piconet bằng cách gửi các gói beacon để quảng bá nó cho các thiết bị có thể tham gia vào Piconet của mình. Khi một thiết bị được tham gia vào Piconet mà PNC khởi tạo, thiết bị sẽ được PNC cung cấp cho một định danh, gửi các gói beacon để đồng bộ và bắt đầu phân chia các khe thời gian để phục vụ mục đích truyền dữ liệu.
Nếu một PNC quét kênh và phát hiện ra kênh đang có một PNC khác hoạt động, nó sẽ thực hiện chuyển kênh, hoặc trở thành Piconet con hay Piconet hàng xóm của PNC vừa tìm thấy.
Chuyển vùng PNC: khi một thiết bị muốn tham gia vào một Piconet đã tồn
tại, PNC sẽ kiểm tra xem thiết bị có khả năng trở thành PNC mới của Piconet không. Nếu thiết bị mới tham gia có đủ năng lực làm một PNC mới cho Piconet, quá trình chuyển vùng PNC bắt đầu.
Các thiết bị trong vùng Piconet cũ có thể chấp nhận hoặc từ chối việc chuyển vùng Piconet. Nếu từ chối, thiết bị sẽ gửi gói tin phản hồi chuyển vùng với yêu cầu từ chối lên PNC mới và dừng kết nối với Piconet mới.
Dừng Piconet: nếu PNC muốn dừng tồn bộ Piconet hoặc khi khơng tìm ra
được PNC nào có khả năng thay thế, nó sẽ gửi tín hiệu dừng (shutdown) đi kèm trong các gói beacon để thơng báo cho tồn bộ thiết bị trong Piconet và các Piconet liên quan (cha, con, hàng xóm) biết rằng Piconet của nó sẽ tạm dừng. Nếu Piconet này là Piconet con của một Piconet khác và có nhiều Piconet phụ thuộc vào, Piconet cha cũng sẽ cố gắng chọn được một Piconet có thể thay thế Piconet vừa tạm dừng để đảm bảo tính truyền dữ liệu của mạng.
Chƣơng 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4
3.1. Các thành phần của mạng WPAN 802.15.4 – Zigbee [3, tr2]
Mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) là mạng không dây cá nhân tốc độ thấp (LR_WPAN) với tốc độ truyền dữ liệu từ 20Kbps đến 250 Kbps. Mạng được sử dụng cho các yêu cầu cần thơng lượng thấp, mức độ duy trì năng lượng ở các nút mạng cao (thời gian nút hoạt động để truyền tin ít hơn nhiều thời gian nghỉ để duy trì năng lượng pin có thể lên đến vài tháng) và phạm vi hoạt động vừa phải (từ 10 đến 100m).
Mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) có rất nhiều thành phần, thành phần cơ bản nhất của mạng là các thiết bị và được chia ra làm hai loại chính: Thiết bị đầy đủ chức năng FFD (Full Function Device) và các thiết bị giản lược chức năng RFD (Reduced Function Device). FFD hoạt động dưới ba dạng chính : Bộ điều phối PAN (PAN Coordinator), bộ điều phối riêng rẽ (Coordinator) hoặc đơn thuần là một thiết bị trong mạng (device –DEV).
Trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4), FFD là các thiết bị có thể giao tiếp với thiết bị RFD hoặc với các thiết bị FFD khác, trong khi thiết bị RFD chỉ có thể giao tiếp với FFD. Thiết bị RFD được thiết kế và chế tạo hướng đến các ứng dụng cần sự đơn giản trong việc sử dụng tài nguyên, năng lượng và truyền tải dữ liệu.
3.2. Phân loại Tô-pô mạng trong WPAN 802.15.4 [3, tr4-5]
Mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) có thể hoạt động với các kiểu tô-pô mạng khác nhau, tùy thuộc vào số lượng thiết bị và yêu cầu của ứng dụng, dưới đây, là các kiểu tô-pô mạng phổ biến của Zigbee (IEEE 802.15.4).
3.2.1. Tơ-pơ mạng hình sao
Trong tơ-pơ mạng hình sao, kết nối được thiết lập giữa các thiết bị và một bộ điều phối, được gọi là PAN Coordinator. Khi đó trong tơ-pơ mạng hình sao, PAN Coordinator đóng vai trị là nguồn phát năng lượng chính, các thiết bị cịn lại là nguồn thu với năng lượng chủ yếu là năng lượng pin.
Sau khi thiết bị FFD được kích hoạt lần đầu, nó có thể sẽ thiết lập mạng lưới riêng của nó và trở thành PAN Coordinator. Mỗi lần kích hoạt, mạng hình sao sẽ lựa chọn định danh PAN duy nhất không trùng với các mạng lưới khác trong vùng phủ sóng, điều này sẽ giúp mạng hoạt động một cách độc lập.
Hình 3. 1: Tơ-pơ mạng hình sao của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4)
3.2.2. Tô-pô mạng ngang hàng
Trong tơ-pơ mạng ngang hàng, cũng có một PAN Coordinator, tuy nhiên đối lập với mạng hình sao, các thiết bị trong mạng ngang hàng có thể giao tiếp với các thiết bị bất kì khác miễn là chúng nằm trong cùng vùng phủ sóng của thiết bị đó. Mạng ngang hàng này có thể là mạng Ad-hoc, hoặc mạng tự tổ chức (self- organizing), hoặc tự liên kết (self-healing). Tô-pô mạng này được ứng dụng cho việc điều khiển và quản lí trong cơng nghiệp, tơ-pơ này cũng cho phép cung cấp định tuyến nhiều chặng tin cậy trong mạng.
Hình 3. 2: Tơ-pơ mạng ngang hàng của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4)
3.2.3. Tô-pô mạng Cây Phân Cụm (Cluster-Tree)
Cây phân cụm là một trường hợp đặc biệt của mạng ngang hàng, với đa số các thiết bị đều là FFD, và thiết bị RFD có mặt ở trong mạng với vai trị là nốt lá của mỗi nhánh.
Trạm điều phối PAN đầu tiên thiết lập một cụm của riêng nó được gọi là cụm trưởng CH (Cluster Head) cùng với số định danh cụm CID (cluster ID) có giá trị là 0, lựa chọn một định danh khơng sử dụng và quảng bá gói Beacon tới các thiết bị láng giềng. Thiết bị láng giềng, sau khi nhận được thơng điệp beacon, có thể u cầu gia nhập vào mạng của cụm trưởng CH. Nếu trạm điều phối PAN đồng ý cho gia nhập, nó sẽ thêm thiết bị mới như là thiết bị con của nó trong danh sách láng giềng và bắt đầu truyền định kì các gói tin beacon và thiết bị được đồng ý gia nhập cụm chính sẽ thêm CH thành cụm cha. Việc thêm các thiết bị khác cũng diễn ra
tương tự, và khi mạng phát triển đến một giới hạn nhất định, trạm điều phối PAN sẽ chọn một thiết bị có khả năng xử lí để tạo ra thêm một CH mới, với số CID mới. Vì vậy, mạng hình cây sẽ có vùng phủ sóng được tăng rất nhanh nhưng đồng thời đi kèm là độ trễ cũng sẽ tăng hơn nếu mạng phát triển lớn hơn.
Hình 3. 3: Tơ-pơ mạng Cây phân cụm của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4)
3.3. Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 và Zigbee [4, tr5-6] [4, tr5-6]
Kiến trúc của mạng LR-WPAN được định nghĩa vào năm 2003 do nhóm 802.15.4 của tổ chức IEEE thực hiện, kiến trúc tổng quan được đưa ra như hình 3.4:
Hình 3. 4: Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 [5, tr6]
Trong mơ hình này, lớp vật lí sẽ đảm nhiệm việc thu phát sóng radio ở mức thấp, lớp MAC sẽ cung cấp các dịch vụ truy cập đến kênh vật lí cho các lớp trên, lớp điều khiển liên kết logic (LLC) sẽ truy cập lớp MAC thông qua các dịch vụ của lớp con hội tụ dịch vụ riêng SSCS (Service Specific Convergence Sublayer).
IEEE 802.15.4, được tổ chức Zigbee Alliance đưa ra kiến trúc phiên bản 1.0 vào năm 2004, và thống nhất vào năm 2006. Một năm sau, tổ chức Zigbee Alliance đưa ra phiên bản Zigbee PRO với nhiều cải tiến và tương thích ngược với các phiên bản trước (phiên bản này chủ yếu cải tiến phần định tuyến). Kiến trúc của mạng Zigbee có các tầng MAC và vật lí thừa hưởng hồn tồn chuẩn IEEE 802.15.4, và chỉ khác nhau bắt đầu từ tầng Mạng với một số các cải tiến được đưa ra về định tuyến, về anh ninh bảo mật và tầng Ứng dụng được tối ưu cho các ứng dụng đặc biệt chạy trên Zigbee bằng cách cung cấp các hàm API cũng như các đối tượng thiết bị Zigbee ZDO (Zigbee Device Object). Các đối tượng ZDO này sẽ định nghĩa các hồ sơ (profile) cho các kiểu ứng dụng và cũng đóng vai trị quan trọng trong việc cấu hình và duy trì mạng Zigbee.
Hình 3. 5: Kiến trúc mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) [4, tr5]
Trong mơ hình mạng Zigbee, các tầng cấu thành mạng (tầng vật lí, tầng MAC, tầng mạng, tầng ứng dụng) giao tiếp với nhau qua các điểm truy nhập dịch vụ SAP (Service Access Point), nhiệm vụ của các SAP này là cung cấp các giao diện phù hợp để các tầng trên có thể lấy thơng tin cần thiết của các tầng dưới phục vụ cho quá trình từ lúc bắt đầu hình thành mạng cho đến lúc mạng đi vào ổn định để truyền phát tín hiệu và bảo trì hoạt động của mạng. Các thơng tin cần thiết này sẽ được các tầng lưu lại tại một cơ sở dữ liệu IB (Information Base) của mỗi tầng và các tầng trên sẽ truy nhập để lấy thông tin trong IB của các tầng dưới thông qua các nguyên hàm (primitive) và các thuộc tính (attribute) của tầng dưới.
Các nguyên hàm sẽ được các tầng trên sử dụng khi cần yêu cầu tầng dưới cung cấp thông tin cần thiết phục vụ hoạt động của tầng trên, cũng như được tầng dưới sử dụng để thông báo với tầng trên việc hồn thành những cơng việc liên quan tuần tự đến hoạt động của tầng trên. Mơ hình hoạt động của các ngun hàm có thể giải thích như trong hình 3.6:
Hình 3. 6: Khái niệm nguyên hàm trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4)[4, tr43]
Tầng thứ N+1 sẽ dùng các nguyên hàm để “nói chuyện” với tầng thứ N thơng qua khuông dạng:
<primitive>.request: tầng trên yêu cầu các tầng dưới chuẩn bị để hoạt động, yêu cầu tầng dưới trả về <primitive>.confirm.
<primitive>. indicator : chỉ ra hoạt động cần làm cho tầng dưới. Nguyên hàm dạng này yêu cầu tầng dưới trả về <primitive>.response.
<primitive>.response: tầng dưới trả về kết quả cho indicator.
<primitive>.confirm : tầng dưới trả kết quả đã hoàn thành hành động cho request.
Mỗi tầng của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) cung cấp nhất hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lí. Dịch vụ dữ liệu trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) có nhiệm vụ quản lí các gói dữ liệu DU (Data Unit) được truyền từ thiết bị này sang thiết bị khác trong mạng. Mỗi gói tin khi đi qua các tầng trong mạng lần lượt được các tầng thêm vào những phần tiêu đề và phần cuối để bổ sung các thông tin cần thiết phục vụ cho mục đich của từng tầng. Trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) có các dạng gói tin như sau:
- Gói tin tầng ứng dụng APDU (Application Protocol Data Unit). - Gói tin tầng mạng NPDU (Network Protocol Data Unit).
- Gói tin tầng vật lý PPDU (Physical Protocol Data Unit).
Hình 3. 7: Việc truyền dữ liệu trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4)
3.4. Mơ hình truyền dữ liệu [4, tr14]
Mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) cũng dùng cơ chế gói tin Beacon để thăm dị và phục vụ cho phục đích truyền dữ liệu. Trong mạng, có 3 mơ hình truyền dữ liệu được sử dụng như sau:
- Truyền dữ liệu đến Coordinator. - Truyền dữ liệu từ Coordinator.
- Truyền dữ liệu đến các thiết bị ngang hàng.
Trong tơ-pơ mạng hình sao (Star), chỉ hai mơ hình truyền dữ liệu đầu được sử dụng do các thiết bị trong mạng hình sao chỉ giao tiếp với Coordinator.
3.4.1. Truyền dữ liệu đến Coordinator
Có hai dạng truyền dữ liệu đến Coordinator trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4), đó là dạng truyền với gói beacon thăm dị và khơng sử dụng beacon. Nếu sử dụng gói beacon, thiết bị muốn truyền đến Coordinator sẽ phải lắng nghe khung beacon của mạng. Khi nhận được khung này, nó sẽ đồng bộ với cấu trúc siêu khung để tìm ra thời điểm thích hợp truyền dữ liệu của nó đến Coordinator sử dụng phương thức slotted CSMA/CA. Sau khi Coordinator nhận được dữ liệu từ thiết bị, nó sẽ xác nhận lại việc nhận thành công bằng một khung báo nhận và kết thúc truyền dữ liệu.