Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
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 vơ 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 trị 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 thơng với FFDs. Các FFDs có thể truyền thơng 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 khơng 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 khơng 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 khn 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 thơng với các thiết bị bên ngồi 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 khố dịch pha vng 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 cơng suất vơ tuyến và so sánh nó với một mức cơng suất ngưỡng được xác định trước. Thứ hai là thực hiện giải điều chế tín hiệu vơ 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 sốt truy nhập vào các kênh truyền vơ tuyến. Bởi vì kênh truyền vơ 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 thơng qua sự truyền tải các bản tin báo hiệu. Đây là chế độ báo hiệu, tuy nhiên không được sử dụng rộng rãi bởi các giao thức chạy trên chuẩn 802.15.2.
Việc quản lý truy nhập kênh truyền thực hiện theo cơ chế CCA được hỗ trợ bởi lớp vật lý. Trước khi gửi một gói tin, lớp MAC yêu cầu lớp vật lý thực hiện một kiểm tra CCA. Nếu CCA nhận thấy rằng một nút khác hiện đang sử dụng kênh truyền thì lớp MAC sẽ khơng thực hiện việc truyền gói tin của nó. Thay vào đó, lớp MAC sẽ đợi một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tin một lần nữa.
Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việc tính tốn kiểm tra dư vịng 16 bit (CRC) của toàn bộ khung. CRC được sử dụng để kiểm tra các lỗi truyền trong khung và được tính tốn bởi nút gửi khung. Nó được thêm vào các gói tin được truyền đi. Nếu CRC được tính tốn bởi nút nhận khơng khớp CRC ở cuối khung thì nút nhận sẽ loại bỏ khung.
Lớp MAC cung cấp một cơ chế tự động xác nhận các khung dữ liệu. Nếu một khung đến có thiết lập bit xác nhận thì lớp MAC sẽ gửi đi một khung xác nhận. Khung xác nhận chỉ được gửi đi khi địa chỉ đích của khung đến giống địa chỉ của thiết bị và nếu CRC của khung đến hợp lệ. Khung xác nhận không được định địa chỉ rõ ràng đến nút gửi khung dữ liệu, mà được quảng bá đến tất cả các nút. Chính điều này dẫn đến việc nhiều giao thức lớp trên chạy trên chuẩn 802.15.4 thực hiện các cơ chế xác nhận của riêng chúng.
1.4.2.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4
Các giao thức truyền thông xác định một định dạng gói tin chung sao cho tất cả các nút biết cách để xây dựng và phân tích các gói tin từ những nút khác. Định dạng gói tin bao gồm ba phần đó là: Phần tiêu đề, phần dữ liệu và phần kết thúc khung. Phần tiêu đề bao gồm dữ liệu điều khiển như các địa chỉ, các số thứ tự và các cờ. Phần dữ liệu là dữ liệu của lớp phía trên. Do đó, cấu trúc của phần dữ liệu thơng thường khơng xác định nhưng được chuyển đến các giao thức lớp trên để xác định rõ. Phần kết thúc khung thường chứa một kiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật mã. Phần kết thúc khung này có thể được tính tốn trong khi gói tin được truyền đi. Phần kết thúc này sẽ được gửi đi sau khi phần còn lại của gói tin đã được gửi.
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các gói tin được truyền đi. Định dạng gói bao gồm một phần lớp vật lý và một phần lớp MAC. Lớp vật lý bổ sung phần tiêu đề đồng bộ hóa và lớp MAC bổ sung một phần tiêu đề và phần kết thúc khung. Định dạng phần tiêu đề được minh họa trong hình 1.10.
Phần tiêu đề được thêm vào bởi lớp vật lý bao gồm một mở đầu khung (Preamble), một bắt đầu giới hạn khung SFD (Start of Frame Delimiter) và một trường độ dài. Mở đầu khung được sử dụng để đồng bộ hóa nút gửi và nút nhận để
nút nhận có thể nhận được chính xác gói tin phía sau. Bắt đầu giới hạn khung SFD báo cho nút nhận biết được sự kết thúc phần mở đầu và bắt đầu khung. Trường độ dài 1 byte báo cho nút nhận biết có bao nhiêu byte ở phía sau. Chiều dài tối đa của gói tin là 127 byte.
Phần tiêu đề lớp MAC gán trực tiếp ngay sau phần tiêu đề lớp vật lý. Phần tiêu đề lớp MAC có hai byte điều khiển, được gọi là điều khiển khung. Phần chứa các cờ để báo cho nút nhận biết cách để phân tích được phần cịn lại của tiêu đề cũng như các cờ để xác định xem các khung có cần phải xác nhận hay khơng. Sau các byte điều khiển khung là một byte số thứ tự. Số thứ tự được sử dụng để kết hợp với các gói tin xác nhận. Gói tin xác nhận mang cùng số thứ tự với gói tin dữ liệu.
Sau các byte số thứ tự và điều khiển khung là các trường địa chỉ. Chúng chứa địa chỉ của nút gửi gói tin và nút nhận gói tin cũng như các nhận dạng mạng PAN phía gửi và phía nhận. Tất cả các trường địa chỉ này là tùy chọn. Sự có mặt của chúng được chỉ ra bởi các cờ trong trường điều khiển khung. Các trường địa chỉ được sử dụng bởi phía thu để xác định xem một gói tin nhận được có phải dành cho nó hay khơng. Theo sau các trường địa chỉ là trường bảo mật tùy chọn chứa dữ liệu cho quá trình xử lý bảo mật, chẳng hạn như trường kiểm tra tính tồn vẹn bản tin bằng mật mã MIC (Message Integrity Check).
Dữ liệu theo sau phần mào đầu lớp MAC và nó có thể dài từ 86 đến 116 byte. Độ dài của phần dữ liệu phụ thuộc vào các trường tùy chọn trong lớp MAC được sử dụng. Cấu trúc phần dữ liệu trong khung 802.15.4 không được xác định bởi chuẩn IEEE 802.15.4 nhưng được xác định bởi các giao thức hoặc các ứng dụng chạy trên chuẩn 802.15.2.
Ở phía cuối của gói 802.15.4 là chuỗi kiểm tra khung (FCS - Frame Check Sequence), nó chứa CRC mà lớp MAC sử dụng để kiểm tra nếu như các gói tin đến cần được loại bỏ khi có các bit lỗi.