Báo cáo chuyên đề: Mạng WPAN, các chuẩn IEEE 802.15 và các ứng dụng

Ụ

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Ẩ Ạ M NG WPAN, CÁC CHU N  IEEE 802.15  Ứ VÀ CÁC  NG D NG

ả ươ

ứ

ệ

ệ

ồ

ở

Thành Viên Nhóm 4: ấ 1. Vũ Tu n Anh – PV27 H i D ng ễ 2. Nguy n Xuân Đ c – CAH Nghĩa Đàn, Ngh  An ễ 3. Nguy n Thanh Tùng – PV11 Đi n Biên ộ ễ 4. Nguy n H ng Vinh – s  Phòng cháy Hà N i

ổ

ệ ạ

I. T ng quan công ngh  m ng  ẩ WPAN, các chu n IEEE 802.15

1. Mạng WPAN

Mạng WPAN (Wireless Personial Area Network)

là mạng không dây được sử dụng trong truyền

thông thông tin ở khoảng cách ngắn từ vài met

đến vài chục met.

Phạm vi sử dụng

- Ưu điểm: Nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, giá

thành rẻ, dễ thiết lập,không đòi hỏi về cơ sở hạ tầng.

- Do sử dụng trong không gian nhỏ nên tận dụng

triệt để ưu điểm của kỹ thuật tái sử dụng tần số.

ẩ 2. Các tiêu chu n IEEE 802.15

ượ

ề

ẩ Tiêu chu n 802.15 đ

ằ ứ

ạ

ấ c IEEE đ  xu t nh m chia  ề ụ ể

ố ộ ụ

ấ ượ

ị

ạ các lo i m ng WPAN theo t c đ  truy n, m c tiêu hao  ượ năng l

ng d ch v ... C  th  là:

ng, ch t l

ố ộ

­ Chu n IEEE 802.15.1­ Bluetooth: có t c đ  trung

ẫ ượ ử ụ

ộ

ẩ ệ bình, hi n nay v n đ

c s  d ng r ng rãi.

ố ộ

­ Chu n IEEE 802.15.3 ­ UWB: có t c đ  cao, dùng

ụ

ươ

ệ

ẩ ứ

trong các  ng d ng đa ph

ng ti n.

ẩ

ụ

ố ộ ấ ứ ỏ

ng d ng trong công nghi p, y t

­ Chu n IEEE 802.15.4 ­ ZigBee: có t c đ  th p,  ệ ; đòi h i m c tiêu  ầ ố ộ

ề

ế ấ ượ ng th p, không yêu c u t c đ  truy n và  ụ ị ng d ch v .

ứ hao năng l ấ ượ ch t l

802.15.1 Bluetooth 802.15.3 UWB 802.15.4 ZigBee 802.11 Wifi

1-10 1-100 1-100 hoạt 1-3

Tầm động(m)

4000 >64000 32 lượng 7

Số nút mạng

Web, mail sát, thế

Ứng dụng phổ biến videoHD, 4K Giám điều khiển Thay dây nối

250 500.000 4-32 1000

rộng tần

độ 720 480.000 20-250 11.000

2,4-2, 8 3,1-10,6

2,4 5

độ băng (kB) Tốc truyền (Kbps) tần Dải hoạt động (Hz) 0,868; 0,915 2,45

II. CÁC ỨNG DỤNG SỬ DỤNG WPAN

• Mạng hồng ngoại

• Bluetooth

• Băng siêu rộng UWB

• ZigBee

ồ

ạ

ạ 1. M ng H ng Ngo i

Là công nghệ kết nối không dây, nhưng có

hướng (thiết bị cần phải được “nhìn” thấy nhau) sử

dụng tia hồng ngoại truyền dữ liệu.

Đặc điểm: khoảng cách truyền sóng thấp <5m,

tiêu thụ ít năng lượng.

Hiện nay, các kết nối hồng

ngoại được sử dụng trong các

thiết bị điều khiển tivi, điều

hòa... hoặc tích hợp trong

smartphone để phục vụ chức

năng tương tự. Sử dụng

mạng hồng ngoại ngày nay ít

phổ biến hơn do sự xuất hiện

của wifi, bluetooth, do sự bất

lợi của việc truyền sóng có

hướng.

2. Bluetooth

ử ụ ệ ẩ ầ Là công ngh  chu n IEEE 802.15.1 s  d ng băng t n

chung  ISM (2,4­2,8GHz).

ụ ể ặ ượ ươ ề Đ c đi m: Tiêu th  ít năng l ng,t ớ ng thích v i  nhi u

ế ị ế ố ả ấ thi t b . Giá thành th p. Kho ng cách cho phép k t n i là 5m

(trong nhà) và 10m (ngoài tr i).ờ

Bluetooth được sử dụng rộng rãi cho đến ngay nay trên

các điện thoại di động, laptop, pc, máy ảnh, máy in, tai

nghe, chuột, bàn phím...

ậ

ố ỹ Thông s  k  thu t:

ả ầ ệ ả ử ụ ồ ổ • S  d ng công ngh  tr i ph  nh y t n nhanh FHSS g m 79

ướ ả ầ ỗ ướ ừ ầ b c nh y t n, m i b c cách nhau 1MHz. T  băng t n

ế 2,402 GHz đ n 2,8 GHz

ố ộ ướ ỗ ờ ả ầ • T c đ  nh y t n là 1600 b c / giây, th i  gian cho m i

ướ ả b c nh y là 0,626ms.

• S  d ng k  thu t song công theo th i gian và k t h p đa

ế ợ ử ụ ậ ờ ỹ

ậ ờ truy nh p phân chia theo th i gian TDMA.

• Các thi

ế ị ẫ ượ ế ế ạ ộ ở ứ ề t b  truy n d n đ c thi t k  ho t đ ng m c

ượ ứ ầ ấ ấ năng l ả ng r t th p. Trong kho ng 10cm c n m c năng

ượ ứ ượ ứ ầ l ầ ng 1mV, 10m c n m c năng l ng 2,5mV, 100, c n m c

ượ năng l ng 100mV.

Có 3 trạng thái hoạt động của các Slave và Master:

Mô hình kiến trúc Piconet

Active: trạng thái hoạt động. Các thiết bị cùng ở trạng thái hoạt động được Master phân biệt qua 1 địa chỉ AMA( Active member Address) gồm 3 bit, nên trong 1 Piconet, chỉ có tối đa 8 thiết bị hoạt động (1 Master và 7 Slave).

Stanby: trạng thái không hoạt

động của Slave

Park: trạng thái chờ. Slave ở trạng thái này thường xuyên được đồng bộ với Master và được cấp 1 địa chỉ PMA gồm 8 bit để phân biệt. Khi cần kết nối, Master sẽ chuyển Slave từ trạng thái Park sang Active thông qua báo hiệu tên Beacon.

Khi kết nối nhiều mạng Piconet với nhau ta được 1 mạng gọi là Scatternet. Khi đó, 1 Slave của Piconet này sẽ làm Master của Piconet kia.

3. Băng siêu rộng UWB

Là công nghệ chuẩn IEEE 802.15.3 hoạt động trên dải

tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz . Dải tần này được chia thành

các dải tần con nhỏ hơn có băng thông 512 MHz.

Đặc điểm: Hoạt động trên dải tần không cần phải cấp

phép. Băng thông lớn, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao. . Ít chịu ảnh hưởng nhiễu, hoạt động trong các môi trường

phức tạp. Tiêu thụ ít năng lượng, công suất thấp, hoạt động

trong môi trường hẹp.

Băng siêu rộng UWB sử dụng trong truyền thông đa

phương tiện yêu cầu tốc độ cao như video HD, HDTV hoặc

kết nối các thiết bị gia đình như TV, PC, laptop, smartphone

để chia sẻ tốc độ cao nhanh chóng dễ dàng.

Wireless UWB

• Là công

nghệ USB

không dây

hoạt động

dựa trên

UWB băng

siêu rộng

• Đặc điểm:

tốc độ lên

đến

500Mbps.

4. ZigBee

Là công nghệ được xây dựng trên nền tảng IEEE

802.15.4 sử dụng tín hiệu radio có tần số ngắn.

ầ ạ ề ạ ộ ồ M t m ng ZigBee g m nhi u thành ph n t o nên, trong đó

ứ ệ ầ ả ỗ ượ m i thành ph n đ m nhi m các ch c năng khác nhau, đ c chia

ầ làm 3 thành ph n chính:

ế ị ề ế ạ ố ­  Thi t  b   đi u  ph i  m ng    ZC:  hình  thành  và  duy  trì  ki n

ể ạ ữ ư ể ổ ề trúc t ng th  m ng, giám sát đi u khi n, l u tr  thông tin. Các

ượ ố ộ ớ ZC có dung l ng l n, t c đ  tính toán cao.

ế ị ữ ệ ế ế ề ị ị ­  Thi t  b   đ nh  tuy n  ZR:  đ nh  tuy n,  truy n  d   li u  trong

m ng.ạ

ế ị ố ườ ứ ả ­ Thi t b  cu i ZED: th ế ng là các c m bi n có ch c năng

ậ ừ ườ ế ố thu  th p  thông  tin  t môi  tr ng.  Các  ZED  thì  không    k t  n i

ự ế ớ tr c ti p v i nhau.

ể

ế

ạ

Có 3 ki u ki n trúc m ng ZigBee là:

Ki n trúc hình sao

ế

ế ướ Ki n trúc hình l i

ế Ki n trúc hình cây.

ế ạ ế ị :  Có  1  thi t  b   ZC,  các  thi ế ị t  b ­  Ki n  trúc  m ng  hình  sao

ế ớ khác đóng vai trò ZED. Các ZED giao ti p v i nhau thông qua ZC.

ư ư ủ ế ề ả ơ Ki n  trúc  này  u  đi m  là  đ n  gi n,  nh ng  tàm  ph   sóng

ượ ứ ặ ế ỏ ầ ụ nh ( t m 100m). Đ c  ng d ng trong nhà thông minh, ho c k t

ớ ế ị ạ ố n i máy tính v i các thi t b  ngo i vi.

-Kiến trúc mạng lưới: Là sự kết hợp của kiến trúc

mạng sao và kiến trúc mạng ngang hàng. Gồm 1 ZC,

nhiều ZR và nhiều ZED. Các ZED giao tiếp với nhau qua

nhiều chặng thông qua các điểm trung gian ZR. Trong kiến

trúc mạng này, phạm vi hoạt động được mở rộng đáng kể,

tuy nhiên vấn đề định tuyến vàđiều khiển mạng sẽ phức

tạp hơn do có các ZR. Được ứng dụng trong các thiết bị

cảm biến không dây, điều khiển công nghiệp, các mạng đo

lường.

ế ạ ầ ố ư ế :  g n  gi ng  nh   ki n  trúc  m ng ạ ­Ki n  trúc  m ng  hình  cây

ẽ ế ố ự ế ư ớ hình sao, nh ng các ZR s  k t n i tr c ti p v i ZC.

ạ ượ ớ : M ng ZigBee đ c chia 4 l p

ậ ớ L p V t lý

ề ể ớ ậ L p đi u khi n truy c p

ạ ớ L p M ng

ớ ứ ụ L p  ng d ng.

Lớp Vật lý:

Cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và

dịch vụ quản lý PHY. Các tính năng của lớp vật lý

là: Sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận

nhận sóng , phát hiện năng lượng , chọn kênh , chỉ

số đường truyền , giải phóng kênh truyền, thu và

phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền.

ớ ề ể ậ L p đi u ki n truy c p MAC

ụ ữ ệ ụ ị ứ ị ấ Có ch c năng chính là cung c p 2 d ch v : d ch v  d  li u

ụ ả ị MAC (Media Access Control) và d ch v  qu n lý MAC. Trong

ụ ữ ệ ụ ệ ệ ả ị đó,  d ch  v   d   li u  MAC  có  nhi m  v   qu n  lý  vi c  thu  phát

ố ị ụ ủ c a kh i MPDU  (MAC Protocol  Data  Unit)  thông qua d ch v

ụ ủ ầ ệ ệ ả ữ ệ d   li u  PHY.  Nhi m  v   c a  t ng  MAC  là  qu n  lý  vi c  phát

ệ ể ề ạ ị thông  tin  báo  hi u  beacon,  đ nh  d ng  khung  tin  đ   truy n  đi

ể ề ả ạ ờ ậ trong m ng, đi u khi n truy nh p kênh, qu n lý khe th i gian

ế ố ể ề ả ả b o đ m GTS (Guaranteed Time Slots),  đi u khi n k t n i và

ả ế ố gi i phóng k t n i, phát khung Ack.

ớ

ạ

L p m ng

ạ

ớ

ượ

ự

ầ

ự c xây d ng d a trên t ng

ứ Trong mô hình giao th c Zigbee, L p m ng đ

ể ữ ệ

ứ

ề

ả

ậ

đi u khi n d  li u đ m nh n các ch c năng là:

ế ậ

ớ

­Thi

ạ t l p 1 m ng m i.

ạ ộ

ủ

ặ

ạ ­Tham  gia  làm  thành  viên  c a  1  m ng  đang  ho t  đ ng  ho c  là  tách  ra

ủ

ạ

ạ

ỏ

kh i m ng khi đang là thành viên c a 1 m ng nào đó.

ấ

ế ị ớ

ư ệ ố

ầ

ị

ỉ

ế ị ớ

­C u hình thi

t b  m i nh  h  th ng yêu c u, gán đ a ch  cho thi

t b  m i

tham gia vào m ng.ạ

ộ

ồ

ế ị

­Đ ng b  hóa các thi

t b  trong

ử

ầ

ả

ậ

ả

ố

ướ

ậ ­B o m t: gán các thông tin b o m t vào gói tin và g i xu ng t ng d

i.

ế

ị

­Đ nh tuy n

ớ Ứ ụ L p  ng d ng

ủ ớ ứ Các ch c năng c a l p này là:

ặ ố ế ị ạ ộ ­Dò tìm ra xem có n t ho c thi t b  nào khác đang ho t đ ng trong

ủ ủ ế ị vùng ph  sóng c a thi ạ ộ t b  đang ho t đ ng hay không.

ế ố ữ ể ế ạ ố ­Duy trì k t n i, chuy n ti p thông tin gi a các n t m ng.

ủ ị ế ị ạ ­Xác đ nh vai trò c a các thi t b  trong m ng.

ế ậ ả ờ ế ố ầ ­Thi ặ t l p ho c tr  l i yêu c u k t n i.

ệ ữ ậ ố ế ị ạ ­Thành l p các m i quan h  gi a các thi t b  trong m ng

ể ổ ứ ự ệ ả ấ ị ­Th c  hi n  các  ch c  năng  do  nhà  s n  xu t  qui  đ nh  đ   b   sung

ứ ị thêm vào các ch c năng do Zigbee qui đ nh.

Ậ

Ế

K T LU N

ệ ố ổ ế ạ ạ ạ M ng WPAN là mô hình m ng khá ph  bi n trong h  th ng m ng

ế ố ủ ự ệ ấ không dây! S  xu t hi n c a Bluetooth, UWB, ZigBee  đã k t n i vô

ế ế ị ư ạ ồ ồ ộ tuy n  các  thi t  b   ngo i  vi  nh   tai  nghe,  đ ng  h ,  bàn  phím,  chu t,

ệ ệ ạ ầ ả ộ ầ ấ đi n  tho i,  máy  tính...  Qua  đó  d n  l p  đ y  m t  cách  hi u  qu   các

ế ố ữ ệ ể ạ ả ạ ố kho ng tr ng k t n i d  li u mà các m ng không dây khác đ  l ự i. S

ự ế ố ể ủ ệ ẩ phát tri n c a các công ngh  chu n 802.15 giúp s  k t n i các thi ế ị t b

ờ ạ ễ ế ế ầ ơ d  dàng h n, ti n g n đ n th i đ i IoT( Internet of Things)!

H TẾ