3. Tổng quan về mạng khụng dõy IEEE 802.15.4
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 lớp MAC (MPDU).
MPDU được đi qua tầng vật lý như trường dữ liệu của khung biờn nhận ở lớp vật lý (PSDU). PSDU được cố định trước với SHR chứa thứ tự khởi đầu, trường SFD, PHR chứa độ dài của PSDU. SHR, PHR và PSDU cựng nhau hỡnh thành nờn khung xỏc thực ở tầng vật lý, PPDU.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.13 - Cấu trỳc của khung xỏc thực
3.3.1.4 Khuụn dạng khung lệnh MAC
Hỡnh 3.14 thể hiện cấu trỳc của khung lệnh MAC:
Hỡnh 3.14 - Cấu trỳc khung lệnh MAC
MSDU chứa cỏc trường về cõu lệnh và dữ liệu xỏc định cõu lệnh, được gọi là trường thụng tin về khung lệnh. MSDU được cố định với MHR và gắn với MFR. MHR chứa điều khiển khung MAC, số chuỗi dữ liệu và trường thụng tin địa chỉ. MFR là trường phỏt hiện lỗi FCS 16 bit, MHR, MSDU và MFR cựng nhau hỡnh thành nờn khung lệnh MAC, (MPDU).
MPDU sau đú được đi qua lớp vật lý giống như trường dữ liệu của khung lệnh trong lớp vật lý. PSDU được cố định trước với SHR, chứa chuỗi khởi đầu
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đạt đựơc sự đồng bộ. SHR, PHR và PSDU cựng nhau hỡnh thành nờn khung lệnh MAC ở lớp vật lý (PPDU).
3.3.2 Khuụn dạng của siờu khung
Trạm điều khiển trong PAN cú thể giới hạn thời gian của kờnh sử dụng cấu trỳc siờu khung. Siờu khung gồm hai phần: phần hoạt động và phần khụng hoạt động và được giới hạn bởi cỏc khung “beacon”. Trạm điều khiển sẽ tương tỏc với cỏc trạm làm việc trong suốt thời gian của phần hoạt động và sẽ ở trạng thỏi nghỉ (tiờu thụ ớt năng lượng) trong phần khụng hoạt động. Hỡnh 3.15 là một vớ dụ của cấu trỳc siờu khung. Độ dài của siờu khung (BI) và độ dài của phần hoạt động được định nghĩa như sau:
BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO SD = aBaseSuperframeDuration * 2SO
Trong đú:
aBaseSuperframeDuration = 960 symbols BO: Beacon order và SO super frame order
Hỡnh 3.15 - Cấu trỳc siờu khung
Giỏ trị của BO và SO được tạo ra bởi trạm điều khiển. Phần hoạt động của siờu khung được chia thành cỏc khe aNumSuperFrameSlots cú kớch cỡ bằng
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
“beacon”, khoảng truy nhập tranh chấp (CAP) và khoảng tuỳ chọn (CFP). Khoảng truy nhập tranh chấp (CAP) được bắt đầu ngay sau khung “beacon”. Quỏ trỡnh truy nhập kờnh trong CAP sử dụng cơ chế CSMA-CA và sẽ hoàn thành trước khi khoảng CAP kết thỳc. Trong trường hợp khụng thể hoàn thành trong thời gian CAP thỡ trạm làm việc sẽ hoón lại cho đến khoảng thời gian CAP của siờu khung sau. Khoảng tuỳ chọn (CFP) sẽ được bắt đầu ngay sau khoảng CAP, quỏ trỡnh truy nhập sử dụng cơ chế CSMA-CA và sẽ được hoàn thành trong khoảng CFP.
3.3.3 Truyền dữ liệu
Cú ba kiểu truyền dữ liệu:
- Kiểu thứ nhất là truyền dữ liệu từ trạm làm việc tới trạm điều khiển. - Kiểu thứ hai là truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc. - Kiểu thứ ba là truyền giữa hai thiết bị ngang hàng.
Trong phương thức kết nối hỡnh sao thỡ kiểu truyền thứ nhất và thứ hai được thực hiện, bởi vỡ dữ liệu chỉ cú thể được trao đổi giữa trạm điều khiển và trạm làm việc. Trong phương thức kết nối ngang hàng thỡ kiểu truyền thứ ba được sử dụng.
3.3.3.1 Truyền dữ liệu từ trạm làm việc tới trạm điều khiển
Trong chế độ sử dụng khung “Beacon”, trạm làm việc muốn truyền dữ liệu cho trạm điều khiển thỡ trước tiờn nú sẽ lắng nghe khung “Beacon”. Sau đú trạm làm việc sẽ đồng bộ với siờu khung và bắt đầu quỏ trỡnh truyền dữ liệu sử dụng cơ chế CSMA-CA cú sử dụng khe thời gian. Quỏ trỡnh được hoàn thành bởi bản tin xỏc nhận của trạm điều khiển hỡnh 3.16:
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 3.16 - Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng sử dụng khung beacon
Trong chế độ khụng sử dụng khung “Beacon”, trạm làm việc truyền dữ liệu tới trạm điều khiển sử dụng cơ chế CSMA – CA khụng sử dụng khe thời gian. Quỏ trỡnh được hoàn thành bởi bản tin xỏc nhận của trạm điều khiển. hỡnh 3.17 mụ tả quỏ trỡnh thực hiện này.
Hỡnh 3.17 - Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng khụng sử dụng cỏc beacon
3.3.3.2 Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc
Khi trạm điều khiển muốn truyền dữ liệu tới trạm làm việc trong mạng sử dụng khung “beacon”, nú chỉ thị trong khung “beacon” là “hàng đợi cú dữ liệu đang chờ”. Trạm làm việc sẽ lắng nghe theo chu kỳ khung “beacon” của mạng, và nếu bản tin này vẫn chưa được giải quyết thỡ nú sẽ truyền một lệnh yờu cầu dữ liệu. Sau đú trạm điều khiển sẽ truyền bản tin xỏc nhận. Khi đú khung dữ liệu trong hàng đợi sẽ được truyền đi sử dụng cơ chế CSMA-CA cú khe thời gian. Trạm làm việc xỏc nhận quỏ trỡnh nhận dữ liệu thành cụng bởi truyền bản tin xỏc
Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
nhận. Sau đú bản tin “hàng đợi cú dữ liệu đang chờ” sẽ được xoỏ khỏi danh sỏch. Trỡnh tự qỳa trỡnh truyền được mụ tả trong hỡnh 3.18:
Hỡnh 3.18 - Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc trong mạng sử dụng beacon
Quỏ trỡnh tương tự được thực hiện đối với mạng khụng sử dụng “Beacon”, nhưng sẽ khụng cú quỏ trỡnh đầu tiờn gửi “beacon” và thay vào đú là thụng bỏo trạm làm việc yờu cầu dữ liệu (Hỡnh 3.19)
Hỡnh 3.19 - Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc trong mạng khụng sử dụng beacon
3.3.3.3 Truyền dữ liệu trong mạng ngang hàng:
Trong một mạng ngang hàng, bất kỳ trạm nào cũng cú thể liờn kết với trạm khỏc trong vựng phủ súng của nú. Để làm được điều này, trạm cú nhu cầu truyền dữ liệu cần nhận liờn tục hoặc đồng bộ với cỏc trạm khỏc. Trong trường hợp thụng dụng, trạm sẽ truyền gúi dữ liệu sử dụng cụng nghệ CSMA-CA khụng sử dụng khe thời gian.
Time
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.4 Cơ chế và cỏc kiểu xỏc thực
IEEE 802.15.4 cú cỏc cơ chế như CSMA – CA, xỏc nhận khung và xỏc nhận dữ liệu để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong quỏ trỡnh truyền dữ liệu.
3.3.4.1 Cơ chế thực hiện CSMA – CA
IEEE 802.15.4 cú hai cơ chế truy nhập kờnh khỏc nhau phụ thuộc vào cấu hỡnh của mạng:
- Cơ chế truy nhập kờnh CSMA-CA khụng sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng khụng sử dụng khung “beacon”.
- Cơ chế truy nhập kờnh sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”.
Trong cả hai trường hợp thỡ thuật toỏn được thực hiện sử dụng đơn vị thời gian gọi là cỏc khoảng chờ. Mỗi trạm sẽ duy trỡ 03 biến đối với mỗi lần truyền:
NB, CW và BE. NB là số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA cú giỏ trị khởi đầu là 0. CW là khoảng thời gian mà cỏc kờnh cú thể tranh chấp, định nghĩa số khoảng chờ để xoỏ hoạt động của kờnh trước khi quỏ trỡnh truyền cú thể bắt đầu, cú giỏ trị khởi đầu là 2 và được “reset” bằng 2 khi quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị bận. CW chỉ được sử dụng trong mạng sử dụng khung “beacon”. BE là số lượng khoảng chờ mà trạm sẽ đợi để truy nhập kờnh. macMinBE là giỏ trị nhỏ nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA, là một số nguyờn cú giỏ trị trong đoạn [0,3] và cú giỏ trị mặc định là 3. aMax là giỏ trị lớn nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA cú giỏ trị mặc định là 5.
(1) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA khụng sử dụng khe thời gian:
Khi trạm làm việc cú nhu cầu truyền khung dữ liệu hoặc cỏc cõu lệnh MAC, trước tiờn nú sẽ đợi một khoảng chờ ngẫu nhiờn, sau đú yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế đỏnh giỏ kờnh rỗi (CCA). Nếu phỏt hiện kờnh rỗi thỡ quỏ trỡnh truyền
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
nhiờn khỏc. Quỏ trỡnh được lặp lại cho đến khi phỏt hiện kờnh rỗi hoặc điều kiện (NB > macMaxCSMAbackoffs) xảy ra.
(2) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA sử dụng khe thời gian:
Trong mạng sử dụng khung “beacon”, thời điểm bắt đầu chờ của bất kỳ trạm nào sẽ được bắt đầu cựng với thời điểm bắt đầu khe thời gian của siờu khung. Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 0. Sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA). Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong đoạn CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo. Trong trường hợp kờnh bận và số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA lớn hơn giỏ trị cho phộp thỡ quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị lỗi.
Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 1, thỡ sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi. Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Bộ đếm lựi chỉ được hoạt động trong 6 khoảng chờ đầu tiờn sau đoạn IFS của khung beacon. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo.
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh bận (bước 4), phõn lớp MAC sẽ tăng NB và BE lờn 1 và thiết lập CW = 2, nếu NB < macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn quay về bước 2, nếu NB > macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn CSMA-CA kết thỳc với trạng thỏi truy nhập kờnh bị lỗi.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh rỗi (bước 5), phõn lớp MAC sẽ bảo đảm rằng thời gian tranh chấp sẽ kết thỳc trước khi quỏ trỡnh truyền bắt đầu. Để làm được điều này, phõn lớp MAC sẽ giảm CW đi một. Nếu CW = 0 thỡ quỏ trỡnh truyền bắt đầu, nếu CW ≠ 0 thuật toỏn quay trở về bước 3.
Sơ đồ thuật toỏn CSMA-CA được mụ tả trong hỡnh 3.20 [10]
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.4.2 Biờn nhận khung (Frame Acknowledgment)
Nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc khung lệnh MAC thành cụng thỡ kết quả này sẽ được xỏc nhận bằng một thụng bỏo, ngược lại nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc khung lệnh trong lớp MAC khụng thành cụng thỡ sẽ khụng cú quỏ trỡnh xỏc nhận.
Nếu trạm khởi đầu khụng nhận được một xỏc nhận sau một vài chu kỳ, nú sẽ giả thiết rằng bộ truyền khụng truyền thành cụng và yờu cầu thực hiện lại. Nếu sau một vài lần yờu cầu thực hiện lại mà vẫn khụng nhận được thụng bỏo xỏc nhận thỡ cú thể nú sẽ kết thỳc quỏ trỡnh thực hiện.
3.3.4.3 Xỏc nhận dữ liệu (Data verification)
Để phỏt hiện lỗi bớt, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng cơ chế phỏt hiện lỗi FCS cú độ dài 16 bit và thực hiện theo phương phỏp kiểm tra mó vũng dư (CRC) để kiểm tra bất kỳ khung nào.
3.4 Tiết kiệm năng lượng
Để giảm tiờu thụ năng lượng thỡ hầu hết cỏc trạm sẽ ở trạng thỏi nghỉ khi khụng làm việc. Tuy nhiờn mỗi trạm sẽ lắng nghe theo chu kỳ từ kờnh RF để xỏc định xem cú thụng bỏo nào chưa thực hiện khụng. Cơ chế này sẽ cho phộp người thiết kế ứng dụng cõn đối việc tiờu thụ năng lượng và thụng bỏo.
3.5 An ninh
Do cỏc dải ứng dụng khỏc nhau mà việc thực hiện kiểm tra sẽ cú cỏc mức danh giới khỏc nhau trong lớp MAC, mức danh giới này bao gồm cỏc khả năng để duy trỡ danh sỏch điều khiển truy nhập (ACL) và sử dụng mật mó đối xứng để bảo vệ khung được truyền. Cỏc lớp ở tầng trờn sẽ xỏc định khi nào việc kiểm tra được thực hiện tại lớp MAC và cung cấp tất cả cỏc khoỏ cần thiết để thực hiện việc kiểm tra này. Một vài kiểu kiểm tra được sử dụng trong chuẩn này là: khoỏ
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đối xứng được tạo bởi cỏc lớp cao, điều khiển truy nhập (cung cấp khả năng để thiết bị cú khả năng phỏt hiện cỏc thiết bị khỏc), mó hoỏ dữ liệu (mật mó đối xứng), tớnh toàn vẹn khung tin, làm tươi chuỗi.
3.6 Kết luận
Chương này trỡnh bày về chuẩn cụng nghệ khụng dõy cú tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiờu thụ năng lượng thấp, giỏ thành thưc hiện thấp … Đú là chuẩn IEEE 802.15.4 (LR-WPAN). Vỡ những đặc tớnh đú mà nú đó và đang được sử dụng rộng rói trong lĩnh vực cụng nghiệp (tiờu biểu là mạng sensor), và cho cỏc mục đớch điều khiển cỏc thiết bị thụng minh trong gia đỡnh …
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Chương 4: Mễ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE 802.15.4
Phần này sẽ giới thiệu về bộ mụ phỏng mạng NS-2 trờn hệ điều hành Linux và sau đú sử dụng bộ mụ phỏng này để phõn tớch mạng khụng dõy theo chuẩn IEEE 802.15
4.1 Hệ mụ phỏng NS2
Hiện tại, cú 3 bộ mụ phỏng cú khả năng mụ phỏng mạng ad-hoc, đú là GloMoSim, OpNet, và NS-2 [18, 20, 22]. Hai sản phẩm đầu tiờn đều là hai sản phẩm thương mại, trong khi đú sản phẩm thứ ba hoàn toàn miễn phớ và ở dạng mó nguồn mở. NS-2 là một cụng cụ mụ phỏng thường được sử dụng nhiều trong cỏc nghiờn cứu và ngược lại những nhà nghiờn cứu cũng cú những đúng gúp quan trọng để mở rộng NS-2. Chớnh vỡ thế, đõy là một bộ mụ phỏng tốt và việc lựa chọn NS-2 làm cụng cụ mụ phỏng trong luận văn này là hiển nhiờn.
NS-2 được viết tắt từ Network Simulator 2 – là phiờn bản tiếp theo của phiờn bản NS đầu tiờn. NS được phỏt triển bởi rất nhiều người, cỏc cụng ty, cỏc tổ chức và cỏc trường đại học khỏc nhau, vớ dụ như SUN Microsystems, Xeror PARC, DARPA, National Science Foundation, Đại học Berkeley (Mỹ), Đại học