Chuyên Đề Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZIGBEE/IEEE 802.15.4

Lời nói đầu

Hàng ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông tin và
viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của con người trên thế giới. Từ mức
độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi ngõ ngách
trên toàn cầu.
Trong mạng viễn thông ngày này, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh
luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm – nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình
hoạt động bằng cách thức mà chỉ có ICT mới có thể làm được. Mạng viễn thông đã tạo
ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang mở rộng
không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. Tuy vậy, trong một dải
băng tần eo hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm
năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao
hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo chưa
theo kịp. Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc
dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị
cùng tần số, hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị . Một trong những công nghệ mới
hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghệ
ZigBee.
Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm
biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt
động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu
hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Trong
luận văn này, em muốn trình bày các khảo cứu của em về công nghệ ZigBee và mô
phỏng thuật toán định tuyến của ZigBee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này.
Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập trong bản luận văn này, bạn đọc sẽ có được
sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai trò
cũng như tiềm năng của nó trong cuộc sống.

MỤC LỤC

Lời nói đầu 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN 6
1.1 Khái niệm mạng WPAN 6
1.2 Sự phát triển của mạng WPAN . 6
1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN . 7
1.4 Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 . 7
1.4.1 Khái niệm 7
1.4.2 Đặc điểm 7
1.4.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1 . 8
1.4 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN. . 9
1.4.2 Thành phần của mạng LR-WPAN 9
1.4.3 Kiến trúc liên kết mạng . 10
1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star) 11
1.5.2.2 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) 11
1.5.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) . 12
CHƯƠNG 2 CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4. .14
2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 14
2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 . 15
2.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. . 17
2.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz . 17
2.2.1.1.1 Sơ đồ điều chế 17
2.2.1.1.2 Bộ chuyển bit thành k ý tự : 17
2.2.1.1.3 Bộ chuyển ký tự thành chip: 17
2.2.1.1.4 Bộ điều chế O-QPSK : . 19
2.2.1.2 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz . 20
2.2.1.2.1 Sơ đồ điều chế 20
2.2.1.2.2 Bộ ma hóa vi phân . 20
2.2.1.2.3 Bộ ánh xạ bit thành chip. . 21
2.2.1.2.4 Bộ điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK . 21
2.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 . 21
2.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) . 21
2.2.2.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) 22
2.2.2.3 Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) . 22
2.2.3 Định dạng khung tin PPDU . 22
2.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC . 23
2.3.1 Cấu trúc siêu khung. 23
2.3.1.1 Khung CAP 25
2.3.1.2 Khung CFP . 25
2.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) 25
2.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang
CSMA-CA. 26
2.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu. 29
2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon . 32
2.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS. 32
2.3.6 Định dạng khung tin MAC. . 34
2.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 35
2.4.1 Dịch vụ mạng 35
2.4.2 Dịch vụ bảo mật 35
2.5 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 . 37
CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZigBee/IEEE 802.15.4. 39
3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance
Vector) . 39
3.2 Thuật toán hình cây . 42
3.2.1 Thuật tóan hình cây đơn nhánh . 42
3.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh. 45
CHƯƠNG 4 Mô phỏng thuật toán định tuyến trong mạng mesh của
ZigBee/IEEE802.15.4 bằng phần mềm MatLab và Visual C. .51
4.1 Sơ đồ thuật toán. 51
4.2 Kết quả và đánh giá 52
4.3 Kết luận 55
PHỤ LỤC .56
Mã nguồn của chương trình: 56
Tài liệu tham khảo . 69