3. Tổng quan về mạng khụng dõy IEEE 802.15.4
3.2Kiến trỳc của chuẩn IEEE 802.15.4
Hỡnh 3.4 là sơ đồ kiến trỳc của chuẩn LR-WPAN hay IEEE 802.15.4:
Hỡnh 3.4 - Kiến trỳc của chuẩn IEEE 802.15.4
Như vậy ta thấy mụ hỡnh kiến trỳc của IEEE 802.15.4 dựa trờn mụ hỡnh OSI chỉ khỏc ở lớp điều khiển truy nhập và lớp vật lý.
3.2.1 Lớp vật lý [10]
Lớp vật lý thực hiện việc liờn kết giữa phõn lớp điều khiển truy nhập và cỏc kờnh vật lý. Lớp vật lý bao gồm một thực thể quản lý lớp vật lý (PLME). Thực thể này cú nhiệm vụ duy trỡ cơ sở dữ liệu của cỏc đối tượng được quản lý. Đồng thời tầng vật lý cũng xử lý dữ liệu ở lớp vật lý thụng qua điểm truy nhập dịch vụ dữ liệu ở tầng vật lý (PD-SAP) và quản lý lớp vật lý thụng qua điểm truy nhập dịch vụ của thực thể quản lý lớp vật lý PLME-SAP. Hỡnh 3.5 mụ tả cỏc thành phần và giao diện của tầng vật lý:
IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY IEEE 802.15.4 2400 MHz PHY IEEE 802.15.4 MAC SSCS IEEE 802.2 LLC UPPER LAYERS
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.5 – Cỏc thành phần và interface của tầng vật lý
Nhiệm vụ của tầng vật lý:
- Cài đặt, thiết lập bộ truyền nhận súng radio; - Dũ tỡm năng lượng (ED);
- Chỉ chị chất lượng kết nối (LQI); - Cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA); - Lựa chọn tần số kờnh;
- Truyền và nhận dữ liệu;
Cài đặt, thiết lập bộ truyền nhận súng radio:
Cài đặt bộ truyền nhận súng radio vào một trong ba trạng thỏi, đú là trạng thỏi truyền, trạng thỏi nhận, và trạng thỏi nghỉ theo yờu cầu từ phõn lớp điều khiển truy nhập. Thời gian từ lỳc truyền đến lỳc nhận hoặc ngược lại khụng quỏ 12 chu kỳ ký hiệu.
Dũ tỡm năng lượng (ED):
Đõy chớnh là quỏ trỡnh đỏnh giỏ cụng suất tớn hiệu nhận được bờn trong băng thụng của kờnh IEEE 802.15.4. Trong quỏ trỡnh này thỡ lớp vật lý khụng tạo ra bất kỳ định danh hoặc là tớn hiệu mó hoỏ nào trờn kờnh này. Thời gian để phỏt hiện năng lượng bằng 8 lần chu kỳ ký hiệu. Kết quả dũ tỡm năng lượng là một số nguyờn nằm trong giải 0x00 tới 0xff và được thụng bỏo cho
PD-SAP PLME-SAP PHY PIB PLME RF-SAP PHY Layer
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
thực thể quản lý phõn lớp MAC (MLME) sử dụng PLME-ED. Bảng 3.1 là thụng số tiền tố của PLME-ED.
Name Type Valid range Description
Status Enumeration
SUCCESS, TRX_OFF or TX_ON
Result of the request to perform an ED measurement Energy
level Integer 0 x 00 – 0 x ff
ED level for the current channel
bảng 3.1 – Thụng số của tiền tố PLME – ED.confirm
Nếu kết quả dũ tỡm thành cụng thỡ thụng số trạng thỏi được thiết lập là SUCCESS, cỏc trường hợp khỏc là error. Kết quả này cú thể được sử dụng bởi lớp mạng và được dựng trong thuật toỏn lựa chọn kờnh.
Chỉ thị chất lượng kết nối (LQI):
Chỉ thị chất lượng kết nối thể hiện đặc tớnh về chất lượng của mỗi gúi nhận được. Lớp vật lý sử dụng kết quả dũ tỡm năng lượng của bộ nhận (ED), giữa tỉ lệ tớn hiệu và nhiễu, hoặc sự kết hợp của hai phương phỏp này để đo LQI của một gúi nhận được. Kết quả của LQI sẽ được thụng bỏo cho phõn lớp MAC sử dụng chỉ thị PD-DATA. Giỏ trị của chỉ thị này là một số nguyờn và nằm trong khoảng (0x00 tới 0xff).
Cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA ):
Lớp vật lý của IEEE 802.15.4 cung cấp khả năng biểu diễn cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA) theo ớt nhất một trong ba phương phỏp sau: Dũ tỡm năng lượng, đa truy cập cảm nhận súng mang, hoặc là sự kết hợp của hai phương phỏp này. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trong chế độ dũ tỡm năng lượng: CCA sẽ thụng bỏo mụi trường truyền thụng được coi là bận nếu bất kỳ giỏ trị nào vượt qua ngưỡng năng lượng
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
- Trong chế độ cảm nhận súng mang: CCA thụng bỏo mụi trường truyền thụng bận nếu tớn hiệu cú cỏc đặc tớnh phõn bố và điều chế lớn hơn mức ngưỡng trờn ED hoặc thấp hơn mức ngưỡng dưới ED. Trong chế độ kết hợp, mụi trường truyền thụng đựơc xem là bận nếu cả hai điều kiện trờn xảy ra. Lựa chọn tần số của kờnh:
Cỏc kết nối khụng dõy hoạt động theo chuẩn IEEE 802.15.4 được đề nghị hoạt động ở một trong ba dải tần số, tương ứng với 27 kờnh khỏc nhau, được đỏnh số từ 0 tới 26. Trong đú 16 kờnh hoạt động ở băng thụng 2450 MHz, 10 kờnh ở băng thụng 915 MHz, và một kờnh ở băng thụng 868 MHz. Tần số trung tõm của cỏc kờnh này được định nghĩa như sau:
Fc = 868.3 MHz, khi k = 0 Fc = 906 + 2(k – 1), khi k = 1, 2 …, 10 Fc = 2405 + 5(k – 11), khi k = 11, 12 …, 26 Trong đú k là số lượng kờnh. Bảng 3.2: Tần số kờnh Truyền và nhận dữ liệu:
Đõy là nhiệm vụ chớnh của tầng vật lý. Kỹ thuật điều chế và kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) được thực hiện trong phần này.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.6 – Cỏc chức năng trải phổ chuỗi trực tiếp
Mỗi bit trong PPDU được xử lý thụng qua bộ mó hoỏ vi phõn, ỏnh xạ Bit – to – chip, và chức năng điều chế.
- Bộ mó hoỏ vi phõn: Mó hoỏ vi phõn được thực hiện bởi bộ truyền và nú được biểu diễn bởi biểu thức:
En = Rn En-1
Trong đú: Rn là bit dữ liệu thụ đang được mó hoỏ En là bit được mó hoỏ vi phõn tương ứng En-1 là bit được mó hoỏ vi phõn ở lần trước
Đối với mỗi gúi được truyền thỡ, R1 là bit dữ liệu thụ đầu tiờn được mó húa và E0 được giả thiết bằng 0.
Ngược lại, quỏ trỡnh giải mó được thực hiện bởi bộ nhận và nú được biểu diễn bởi biểu thức:
Rn = En En-1
Đối với mỗi gúi được nhận thỡ E1 là bit đầu tiờn được mó hoỏ, E0 được giả thiết bằng 0.
- Bit – to – chip: Mỗi bit sẽ được ỏnh xạ vào một giỏ trị đó được định sẵn theo bảng 3.3: Bảng 3.3 - Bảng ỏnh xạ Bit – to - chip Differential Encoder Bit – To - Chip BPSK Modulator Binary Data From PPDU Modulated Signal
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
- Điều chế BPSK: Gớa trị “chip” được điều chế theo phương phỏp BPSK cú dạng cosin. Tốc độ của chip là 300 kchip/s đối với dải băng thụng 868 MHz và 600 kchip/s đối với dải băng thụng 915 MHz. Trong đú: C0 là bớt cú trọng số nhỏ nhất, C14 cú trọng số lớn nhất.
- Hỡnh dạng của xung: được xỏc định bởi biểu thức
3.2.2 Phõn lớp điều khiển truy nhập [3, 10, 11, 13]
Phõn lớp điều khiển truy nhập cung cấp giao diện giữa phõn lớp hội tụ xỏc định cỏc dịch vụ (SSCS) và lớp vật lý. Phõn lớp MAC bao gồm thực thể quản lý phõn lớp MAC (MLME). Thực thể này cung cấp cỏc giao diện dịch vụ thụng qua cỏc chức năng quản lý. Đồng thời MLME cũng duy trỡ cơ sở dữ liệu của cỏc đối tượng được quản lý gắn liền với phõn lớp MAC.
Hỡnh 3.7 – Cỏc thành phần và giao diện của phõn lớp MAC
Tương tự như lớp vật lý, phõn lớp MAC cung cấp hai loại dịch vụ được xử lý thụng qua hai điểm truy nhập dịch vụ (SAP) đú là: Dịch vụ dữ liệu ở phõn lớp MAC và dịch vụ quản lý phõn lớp MAC.
MCPS-SAP MLME-SAP MAC PIB MLME MAC Common Part Sublayer PD-SAP PLME-SAP
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
(1) Dịch vụ dữ liệu ở phõn lớp MAC:
MCPS-SAP hỗ trợ truyền cỏc đơn vị dữ liệu giữa hai thực thể của phõn lớp phụ hội tụ xỏc định dịch vụ (SSCS). Hỡnh 3.8 là thứ tự cỏc bản tin mụ tả dịch vụ dữ liệu ở phõn lớp MAC
Hỡnh 3.8: Trỡnh tự của cỏc bản tin
(2) Dịch vụ quản lý phõn lớp MAC cú cỏc nhiệm vụ sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tạo ra cỏc gúi đặc biệt gọi là “beacon” nếu thiết bị là trạm điều khiển; - Hỗ trợ đồng bộ với trạm điều khiển;
- Hỗ trợ liờn kết và phõn tỏch PAN;
- Đa truy nhập phỏt hiện súng mang với cơ chế trỏnh xung đột trong quỏ trỡnh truy nhập kờnh;
- Điều khiển và duy trỡ cơ chế GTS;
- Cung cấp kết nối tin cậy giữa hai thực thể MAC ngang hàng; Tạo ra gúi đặc biệt “beacon” nếu thiết bị là trạm điều khiển:
Trạm điều khiển PAN cú thể xỏc định được mạng làm việc ở chế độ sử dụng “beacon” hay khụng, trong chế độ này cấu trỳc siờu khung được sử dụng. Cỏc siờu khung được giới hạn bởi cỏc “beacon” và được chia thành cỏc
Originator next higer layer Originator MAC Recipient MAC Recipient next higer layer MCPS-DATA.Request Data frame
Acknowlegment (if requested)
MCPS-DATA.Indication MCPS-DATA.Confirm
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
khe cú kớch cỡ bằng nhau aNumberSuperframeSlots cú giỏ trị mặc định là 16. Trạm điều khiển sẽ gửi đi cỏc “beacon” để đồng bộ với cỏc trạm khỏc …. Đồng bộ:
Trong chế độ sử dụng “beacon”, trạm điều khiển sẽ tạo ra cỏc gúi đặc biệt “beacon” để đồng bộ. Cỏc trạm trong PAN sẽ nhận cỏc gúi “beacon” và mó hoỏ nú. Sự đồng bộ này là rất quan trọng trong việc kiểm soỏt vũng dữ liệu, tiết kiệm năng lượng và phỏt hiện đứt quóng. Trong chế độ khụng sử dụng “beacon” thỡ đồng bộ được thực hiện bởi quỏ trỡnh hỏi vũng dữ liệu của trạm điều khiển.
Hỗ trợ PAN trong việc liờn kết và phõn tỏch:
Đõy là một chức năng quan trọng để PAN cú thể tự cấu hỡnh được. Chuẩn IEEE 802.15.4 đó nhỳng cỏc chức năng liờn kết và phõn tỏch ở trong lớp MAC. Chức năng này khụng những hỗ trợ quỏ trỡnh tự thiết lập mạng hỡnh sao mà cũn cho phộp tự tạo ra cỏc cấu hỡnh trong mạng ngang hàng. Quỏ trỡnh liờn kết được thực hiện sau khi thực hiện việc quột kờnh. Kết quả của quỏ trỡnh này được sử dụng để lựa chọn PAN sao cho phự hợp. Hỡnh 3.9 là trỡnh tự của quỏ trỡnh liờn kết:
Device next higer layer Device MLME Coordinator MLME MLME-ASSOCIATE.Request Associate request Acknowlegment MLME-ASSOCIATE.Indication MLME-ASSOCIATE.Response aResponseWaitTime Data request Acknowlegment Association Response Acknowlegment MLME-ASSOCIATE.Confirm MLME-COMM-STATUS.Indication Coordinator next higer layer Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Quỏ trỡnh phõn tỏch được tạo ra từ lớp cao của trạm làm việc và trạm điều khiển trong PAN, đồng thời thụng bỏo cho thực thể quản lý phõn lớp MAC để yờu cầu và hướng dẫn cho trạm phõn tỏch khỏi PAN. Hỡnh 3.10 là trỡnh tự của quỏ trỡnh phõn tỏch khỏi PAN.
Hỡnh 3.10 – Quỏ trỡnh phõn tỏch khỏi PAN
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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