IEEE 802.15.4 là một chuẩn về truyền thông k h ô n g d â y có tốc độ truyền dữ liệu thấp (LR-WPAN) nhằm đáp ứng các nhu cầu giá thành thấp, độ phức tạp thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ dàng di chuyển.
Một vài đặc tính của IEEE 802.15.4 (LR-WPAN):
- Tốc độ truyền dữ liệu: 250 kbps, 40 kbps, và 20 kbps. - Phương thức kết nối hình sao hoặc ngang hàng.
- Địa chỉ ngắn là 16 bit và địa chỉ mở rộng là 64 bit. - Phân phối các khe thời gian được bảo đảm (GTSs)
- Đa truy cập phát hiện sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA-CA) - Giao thức được xác nhận đầy đủ để bảo đảm độ tin cậy của quá trình
truyền.
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
- Dò tìm năng lượng trên kênh truyền (ED). - Chỉ thị chất lượng kết nối (LQI).
- 16 kênh trong băng thông 2450 MHz, 10 Kênh trong băng thông 915 MHz, và 1 kênh trong băng thông 868 MHz.
Hệ thống IEEE 802.15.4 (LR-WPAN) bao gồm rất nhiều các thành phần. Nhưng thành phần cơ bản nhất là các trạm. Trong đó trạm có thể là RFD (Trạm có chức năng hạn chế) hay là FFD (Trạm có chức năng đầy đủ). FFD có thể hoạt động ở ba chế độ: Có thể là trạm điều khiển PAN, có thể là một trạm điều khiển, hoặc một trạm làm việc. Một FFD có thể trao đổi với RFDs hoặc các FFD khác, trong khi một RFD chỉ có thể trao đổi với một FFD. Tuy nhiên, mạng IEEE 802.15.4 yêu cầu ít nhất một FFD, FFD này hoạt động giống như một trạm điều khiển PAN.
Có hai phương thức kết nối được sử dụng trong IEEE 802.15.4 là kết nối hình sao và kết nối ngang hàng (Hình 8).
Hình 8 – kết nối hình sao và ngang hàng
Hình 9– Kết hợp giữa kết nối ngang hàng và kết nối hình sao
2.3.2 Giao thức và các kiểu xác thực
IEEE 802.15.4 có các giao thức như CSMA/CA như đã được giới thiệu tại mục 2.2.1 bên trên, giao thức xác nhận khung và xác nhận dữ liệu để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong quá trình truyền dữ liệu.
IEEE 802.15.4 có hai giao thức truy nhập kênh khác nhau phụ thuộc vào cấu hình của mạng:
- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA không sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng không sử dụng khung “beacon”.
- Gói tin “beacon” là gói đặc biệt chứa các thông tin về thời gian, chất lượng dịch vụ, tiêu thụ năng lượng và điều khiển truy nhập
- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”.
2.3.3 An ninh
Do các dải ứng dụng khác nhau mà việc thực hiện kiểm tra quyền sẽ có các mức ranh giới khác nhau trong tầng MAC, mức danh giới này bao gồm các khả năng để duy trì danh sách điều khiển truy nhập (ACL) và sử dụng mật mã đối xứng để bảo vệ khung được truyền. Các tầng ở tầng trên sẽ xác định khi nào việc kiểm tra được thực hiện tại tầng MAC và cung cấp tất cả các khoá cần thiết để thực hiện việc kiểm tra quyền này. Một vài kiểu kiểm tra được sử dụng trong chuẩn này là: khoá đối xứng được tạo bởi các tầng cao, điều khiển truy nhập (cung cấp khả năng để thiết bị có khả năng phát hiện các thiết bị khác), mã hoá dữ liệu (mật mã đối xứng), tính toàn vẹn khung tin, làm tươi chuỗi.
Ngoài ra chúng ta còn có chuẩn 802.15.3, là phần trọng tâm của luận văn nghiên cứu, do đó tôi sẽ trình bày trong chương tiếp theo.
CHƢƠNG 3: MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3 3.1 Giới thiệu chuẩn 802.15.3
3.1.1. Sự ra đời của chuẩn 802.15.3
Chuẩn IEEE 802.15.3 (HR-WPAN) là một chuẩn mới cho mạng cá nhân không dây có tốc độ truyền dữ liệu cao, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ dàng cấu hình, dễ dàng sử dụng. Một điều quan trọng đối với chuẩn IEEE 802.15.3 đó là hệ thống hoạt động được và tương thích với các mạng không dây hiện tại, ví dụ như IEEE 802.11 WLAN, và các mạng WPANs khác.…
Chuẩn 802.15.3 đã được hiệp hội truyền thông quốc tế chứng nhận vào tháng 5 năm 2005, đáp ứng được các nhu cầu về truyền thông Multimedia, kết nối các thiết bị AV để hiển thị, tải dữ liệu… Những điều này đã được minh chứng trong thực tế, tiêu biểu là công nghệ USB không dây. Đây là một chuẩn kế thừa những ưu việt của chuẩn USB có dây. Trước đây, các ứng dụng này đều được thực hiện qua các công nghệ sử dụng dây vừa chi phí cao, vừa không linh động, khó khăn về mặt không gian lại vừa kém phần mỹ quan. Ngày nay, với việc ứng dụng Certified wireless USB (CWUSB) các thiết bị đã được kết nối không dây tạo ra một bước nhảy vọt trong lĩnh vực này, Công nghệ này có thể đáp ứng được tất cả các nhu cầu của con người trong các gia đình, trong công sở như đã được thể hiện trong hình vẽ 10:
Hình 10 : Kết nối các thiết bị trong gia đình bằng WUSB
Công nghệ USB không dây (WUSB) của chuẩn 802.15.3 được thiết kế là công nghệ thay thế cáp (dây) được gắn vào trong PC, thiết bị ngoại vi và mobile. Mục đích nhằm cung cấp tốc độ cao cho kết nối không dây trong phạm vi gần. Các công cụ chính trong gia đình như: Máy quay kỹ thuật số, Thiết bị nghe nhạc cầm tay MP3, máy in, máy quét, ổ cứng ngoài, PDA, máy để bàn PC và loa không dây, âm ly, HDTV, camera (hình vẽ 11). Mục tiêu trong ứng dụng doanh nghiệp bao gồm: Backup dữ liệu, kết nối máy in, kết nối máy scan và đồng bộ thiết bị mobile (giống như PDA với cellphone hoặc máy tính xách tay).
Chuẩn IEEE 802.15.3 – mạng không dây cá nhân - WPAN (Wireless Personnal Area Network), có tầng vật lý sử dụng công nghệ băng siêu rộng - UWB (Ultra-Wide Band). WPAN là một chuẩn rất quan trọng đối với rất nhiều ngành công nghiệp. Hãy so sánh WPAN với các mạng không dây khác,
ví dụ như WLAN và mạng tế bào không dây, thì WPAN hoạt động trong khoảng không gian gia đình nhỏ hơn, khoảng cách của nó là nhỏ hơn 10m, có tốc độ truyền dữ liệu cao, nó có thể đạt được tốc độ lên tới 500 Mbps trong khoảng cách là 3m. Mức năng lượng tiêu thụ thấp và tương thích với các thiết bị được thiết kế theo chuẩn CMOS. Điều này cho phép các thiết bị sử dụng theo chuẩn này có giá thành thấp. Chúng ta có thể xem bảng thống kê và so sánh về tốc độ dữ liệu của các chuẩn không dây sau [27]:
Hình 11: Tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi không gian sử dụng Nhìn vào hình biểu đồ trên ta thấy chuẩn 802.15.3 thuộc nhóm có tốc độ cao nhất cho tới nay và dành cho mạng cá nhân WPAN bởi vậy nó rất được đón nhận bởi người sử dụng.
Sau khi thiết lập kế hoạch dải phổ mang tính chiến lược và các qui định tương ứng cho truyền thông có băng thông cực rộng bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang của nước Mỹ - FCC, UWB được mong đợi giống như một công nghệ đầy triển vọng đối với các ứng dụng truyền thông có khoảng cách ngắn trong mạng cá nhân không dây WPAN.
băng thông lớn hơn 500Mhz. Hệ số băng thông này là kết quả của phân số được so sánh giữa truyền thông có băng thông cực rộng (UWB) và truyền thông có băng thông hẹp thông thường. Phân số này được định nghĩa là (fH – fL)/fC, trong đó fH là tần số cao, fL là tần số thấp tại điểm 10 dB và fC là tần số trung tâm của dải phổ.
Đồng thời, tổ chức FCC cũng chứng minh được băng thông dùng cho UWB nằm trong dải từ (3.1 10.6) GHz, dải tần số theo FCC dùng cho hệ thống “indoor” của UWB được chỉ ra trong biểu đồ dưới đây [28].
Hình 12– FCC mask for indoor communications
Hiện nay có hai công nghệ UWB khác nhau: thứ nhất là DS-UWB(Direct Sequence UWB -UWB trải phổ trực tiếp) do diễn đàn UWB đề xuất và thứ hai là multiband OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) do MBOA (Multiband OFDM Alliance – Liên minh OFDM) đề xuất. Trong đó DS-UWB sử dụng toàn bộ dải phổ mà FCC đề xuất. Có hai dải băng thông:
Low Bandwidth: 1.75 GHz = (3.1 4.85) GHz (dải được đề xuất)
High Bandwidth: 3.5 GHz = (6.2 9.7) GHz (dải tuỳ chọn)
Không giống như DS-UWB, multiband OFDM chia dải phổ (3.1 – 10.6) GHz thành nhiều dải khác nhau, mỗi dải có độ rộng băng thông là 528 MHz (được mô tả chi tiết trong tầng vật lý bên dưới).
3.1.2. Kiến trúc giao thức
Đối với chuẩn 802.15.3 yêu cầu thiết kế các kiến trúc giao thức nhằm đạt được các yếu tố như: Tối ưu hóa quản lý điện năng và QoS, giá thấp và ít phức tạp, kích cỡ nhỏ và dễ tích hợp với các thiết bị khác và mang tính phổ dụng liên quan nhiều đến tầng vật lý và liên kết dữ liệu. Bởi vậy, nhóm chuẩn IEEE 802.15 chỉ tập chung xây dựng và phát triển ở các tầng thấp. Cụ thể là hai tầng “Data link” và tầng “Physical”, được thể hiện như sau:
ISO - OSI Model IEEE 802.15 Model
1 Application High Layers 2 Presentation 3 Session 4 Transport 5 Network 6 Data link
Logical Link Control(LLC) Media Access Control (MAC) – IEEE 802.15
7 Physical Physical
(PHY) – IEEE 802.15.3
Hình 13: Mô hình OSI và IEEE 802.15
Đặc biệt kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.3 được thể hiện chi tiết hơn như trên hình vẽ 14 sau:
Hình 14 - Kiến trúc của IEEE 802.15.3 Trong đó, các tầng như sau:
- Tầng vật lý (IEEE 802.15.3 PHY): Truyền tải và tiếp nhận kênh vô tuyến điện (sóng vô tuyến điện) về mặt vật lý.
- Tầng MAC (IEEE 802.15.3 MAC): Truy cập kênh truyền, duy trì PAN và vận chuyển dữ liệu được tin cậy.
- Tầng thứ 3 (NWK): Quản lý cấu hình, quản lý MAC, định tuyến, phát hiện giao thức, quản lý an ninh.
- Tầng thứ 4 (API): Giao diện lập trình ứng dụng
- Tầng thứ 5: Các ứng dụng được các nhà phát triển đầu cuối xây dựng, được thiết kế sử dụng các chính sách dành cho ứng dụng.
Với kiến trúc của 802.15.3 nhằm giải quyết các vấn đề sau: - Tối ưu hóa đối với vấn đề Multimedia.
- Cung cấp các giải pháp kết nối có hướng xác định với hằng số băng thông. - Hỗ trợ cho luồng lưu lượng với độ tin cậy rất cao và độ trễ thấp.
- Có khả năng hình thành mạng ad-hoc.
Trong các tầng kể trên, luận văn sẽ đi sâu vào 2 tầng được quan tâm và tạo nên tất cả giá trị của chuẩn 802.15.3 đó là tầng vật lý và tầng MAC, chúng sẽ được trình bày kỹ trong các mục 3.2.1 và 3.2.2 của luận văn.
3.1.3 Các thành phần của mạng
Hệ thống chuẩn IEEE 802.15.3 bao gồm 3 phần cơ bản: Trạm điều khiển, trạm làm việc và liên kết giữa trạm điều khiển và trạm làm việc. Một trạm điều khiển có thể hỗ trợ lên tới 128 trạm làm việc trong khoảng cách 10m (Hình vẽ 15).
Hình 15: Phương thức kết nối
Trong hình vẽ trên thành phần quan trọng nhất đó là trạm điều khiển WUSB, nó được thiết kế là một trạm tốc độ cao (thí dụ là một PC) để kết nối các thiết bị khác, như Camera, PDA, …. nhằm điều khiển liên kết của các thiết bị ngoại vi này. Bằng việc sử dụng kiến trúc phân bổ tập trung nên WUSB bao gồm bộ lưu trữ đệm cho các trạm, cho phép mạng backbone phân phát nội dung đến nhiềm trạm. Trong kiến trúc này, WUSB là nơi khởi tạo lưu lượng dữ liệu đến tất các các thiết bị liên kết với nó và gán (phân bổ) các khe thời gian và băng thông cho mỗi thiết bị. Mô hình này thường được biết đến là mô hình “cụm”. Tất cả các kết nối giữa WUSB và các thiết bị ngoại vi của nó theo kiểu điểm – điểm (Point – to - point). WUSB có thể kết nối tối đa 127 thiết bị và và có thể chia thành nhiều cụm. Giới hạn của kiến trúc này là nó không thể kết nối ngang hàng (Peer to peer) giữa 2 PC hoặc giữa 2 thiết bị (ví như: Camera, PDA,…).
3.2 Chức năng của các tầng của chuẩn 802.15.3
Trong phần này, tôi xin trình bày chi tiết về tầng vật lý và tầng MAC của chuẩn 802.15.3.
3.2.1. Tầng vật lý
Theo các nghiên cứu cho thấy, các sản phẩm có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao với công nghệ siêu băng rộng UWB của chuẩn 802.15.3 được như hôm nay là dựa trên nền tảng sóng vô tuyến WiMedia (xem hình 16).
Hình 16: Nền tảng sóng vô tuyến WiMedia
Hình vẽ 16 thể hiện sự bố trí của tầng PHY trong mô hình WiMedia’s Common Radio Platform (nền tảng sóng vô tuyến của WiMedia). Thuật ngữ PHY được nói đến là sự kết hợp của lập trình phần cứng và phần mềm để định nghĩa các chi tiết kỹ thuật điện, cơ khí và chức năng để cho phép kích hoạt, duy trì và ngừng tiến trình trao đổi (hoặc liên kết) giữa các hệ thống giao tiếp. Về cơ bản, công việc của PHY là truyền tải bit dữ liệu trên phương tiện truyền thông kỹ thuật số hoặc tương tự. Nó như người đại diện cho bit; PHY hoạt động cùng một cách đối với các loại dữ liệu. Đặc điểm kỹ thuật của tầng PHY được biết đến là: mức điện áp, thời gian thay đổi điện áp, tốc độ dữ liệu, khoảng cách truyền dẫn tối đa và kết nối vật lý. Chúng quyết định cách chuyển dữ liệu được xử lý trên giao diện, truyền dẫn hoặc mang tần số vô tuyến điện.
Đây cũng là đặc điểm xác định đối với Wimedia PHY. Các đặc điểm kỹ thuật của Wimedia PHY được mô tả trong chuẩn ECMA-368, phát hành đầu tiên vào 12/2005 bởi ECMA (European association for standardizing information and communication systems) là Hiệp hội Châu Âu để tiêu chuẩn hóa các hệ thống thông tin và truyền thông.
Tiêu chuẩn ECMA xác định rằng UWB PHY cho WPAN của chuẩn 802.15.3 sử dụng băng tần không cần cấp phép 3100-10600MHz. Nó hỗ trợ các tốc độ W ir eles s USB B luetooth 3. 0 W im edia laye r two pr otocl W ir eles s 1394
Medium Access Control (MAC) layer
Protocol stacks
Physical (PHY) layer
WiMedia’s Common radio platform
truyền dữ liệu 53.3Mb/s, 80MB/s, 106.7Mb/s, 160MB/s, 200MB/s, 320MB/s, 400Mb/s và 480Mb/s. Phổ tần của UWB được phân chia làm 14 dải tần số, trong đó có băng thông 528MHz. 12 băng thông đầu được chia thành 4 nhóm, mỗi nhóm có 3 băng thông và 2 băng thông cuối được nhóm thành nhóm thứ 5, như hình 17 và hình 18.
Hình 17: Phân chia phổ tần UWB trong các băng thông và nhóm băng thông
Hình 18 - Dải phổ của tầng vật lý theo đề xuất của MB-OFDM Dưới đây là các thông số của Multi band – OFDM:
Bảng 19 – Thông số của MB – OFDM
Ví dụ về một sơ đồ khối của bộ dồn kênh phân chia theo tần số trực giao nhiều kênh MB-OFDM của bên nhận như hình 20.
LNA
Pre-select
Filter LPF VGA ADC
LPF VGA ADC cos(2pfct) I Q sin(2pfct) Time-frequency kernel S y n c h ro n iz a ti o n O v e rl a p -a n d -a d d F F T F E Q re m o v e p ilo ts D e - in te rl e a v e r V it e rb i d e c o d e r D e - s c ra m b e r AGC O u tp u t D a ta Carrier Phase And Time tracking
Hình 20: Sơ đồ khối MB-OFDM
Trên hình vẽ 20, Các tín hiệu nhận được khuyếch đại bằng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low-Noise Amplifier) và được hạ thấp tần số mang. Tín hiệu tổ hợp dải tần cơ sở được lọc để loại bỏ các tín hiệu ngoài vùng băng tần. Sau đó, nó được lấy mẫu và lượng tử hóa thông qua bộ chuyển từ tín hiệu tương tự 528MHz thành tín hiệu số - ADC (Analogue-to-Digital Converter) để có được các tín hiệu số tổ hợp thuộc dải tần cơ sở. Tiến trình thu tín hiệu thuộc dải tần cơ sở bắt đầu với việc dò tìm các gói tin được
truyền trong không khí qua bộ lọc được chọn trước của bên nhận PSF (Pre- Select Filter). Bộ AGC (Automatic Gain Control) sẽ thực hiện điều khiển một cách tự động các bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại biến thiên được