Báo cáo Chuyên đề mạng wpan, các chuẩn ieee 802.15 và các ứng dụng

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀMẠNG WPAN, CÁC CHUẨN IEEE 802.15 VÀ CÁC ỨNG DỤNG Thành Viên Nhóm 4: 1. Vũ Tuấn Anh – PV27 Hải Dương 2. Nguyễn Xuân Đức – CAH Nghĩa Đàn, Nghệ An 3. Nguyễn Thanh Tùng – PV11 Điện Biên 4. Nguyễn Hồng Vinh – sở Phòng cháy Hà NộiI. Tổng quan công nghệ mạng WPAN, các chuẩn IEEE 802.15Mạng 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.2. Các tiêu chuẩn IEEE 802.15 Tiêu chuẩn 802.15 được IEEE đề xuất nhằm chia các loại mạng WPAN theo tốc độ truyền, mức tiêu hao năng lượng, chất lượng dịch vụ... Cụ thể là: - Chuẩn IEEE 802.15.1- Bluetooth: có tốc độ trung bình, hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi. - Chuẩn IEEE 802.15.3 - UWB: có tốc độ cao, dùng trong các ứng dụng đa phương tiện. - Chuẩn IEEE 802.15.4 - ZigBee: có tốc độ thấp, ứng dụng trong công nghiệp, y tế; đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu tốc độ truyền và chất lượng dịch vụ. 802.15.1Bluetooth802.15.3UWB802.15.4ZigBee802.11WifiTầm hoạt động(m)1-31-101-1001-100Số lượng nút mạng74000>6400032Ứng dụng phổ biếnWeb, mailvideoHD, 4KGiám sát, điều khiểnThay thế dây nối độ rộng băng tần (kB)250500.0004-321000Tốc độ truyền(Kbps)720480.00020-25011.000Dải tần hoạt động (Hz)2,4-2, 83,1-10,60,868; 0,9152,452,4 5Mạng hồng ngoạiBluetooth Băng siêu rộng UWBZigBeeII. CÁC ỨNG DỤNG SỬ DỤNG WPANMạng Hồng Ngoại 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 Là công nghệ chuẩn IEEE 802.15.1 sử dụng băng tần chung ISM (2,4-2,8GHz). Đặc điểm: Tiêu thụ ít năng lượng,tương thích với nhiều thiết bị. Giá thành thấp. Khoảng cách cho phép kết nối là 5m (trong nhà) và 10m (ngoài trời). 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...Thông số kỹ thuật:Sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần nhanh FHSS gồm 79 bước nhảy tần, mỗi bước cách nhau 1MHz. Từ băng tần 2,402 GHz đến 2,8 GHzTốc độ nhảy tần là 1600 bước / giây, thời gian cho mỗi bước nhảy là 0,626ms.Sử dụng kỹ thuật song công theo thời gian và kết hợp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.Các thiết bị truyền dẫn được thiết kế hoạt động ở mức năng lượng rất thấp. Trong khoảng 10cm cần mức năng lượng 1mV, 10m cần mức năng lượng 2,5mV, 100, cần mức năng lượng 100mV.Mô hình kiến trúc Piconet 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.Có 3 trạng thái hoạt động của các Slave và Master: 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 Slave3. 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. Một mạng ZigBee gồm nhiều thành phần tạo nên, trong đó mỗi thành phần đảm nhiệm các chức năng khác nhau, được chia làm 3 thành phần chính:- Thiết bị điều phối mạng ZC: hình thành và duy trì kiến trúc tổng thể mạng, giám sát điều khiển, lưu trữ thông tin. Các ZC có dung lượng lớn, tốc độ tính toán cao.- Thiết bị định tuyến ZR: định tuyến, truyền dữ liệu trong mạng.- Thiết bị cuối ZED: thường là các cảm biến có chức năng thu thập thông tin từ môi trường. Các ZED thì không kết nối trực tiếp với nhau.Có 3 kiểu kiến trúc mạng ZigBee là: Kiến trúc hình sao Kiến trúc hình lưới Kiến trúc hình cây.- Kiến trúc mạng hình sao: Có 1 thiết bị ZC, các thiết bị khác đóng vai trò ZED. Các ZED giao tiếp với nhau thông qua ZC. Kiến trúc này ưu điềm là đơn giản, nhưng tàm phủ sóng nhỏ( tầm 100m). Được ứng dụng trong nhà thông minh, hoặc kết nối máy tính với các thiết bị ngoại 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.-Kiến trúc mạng hình cây: gần giống như kiến trúc mạng hình sao, nhưng các ZR sẽ kết nối trực tiếp với ZC.Mạng ZigBee được chia 4 lớp: Lớp Vật lý Lớp điều khiển truy cập Lớp Mạng Lớp ứng dụng. 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.Lớp điều kiển truy cập MAC Có chức năng chính là cung cấp 2 dịch vụ: dịch vụ dữ liệu MAC (Media Access Control) và dịch vụ quản lý MAC. Trong đó, dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối MPDU (MAC Protocol Data Unit) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY. Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian bảo đảm GTS (Guaranteed Time Slots), điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack. Lớp mạng Trong mô hình giao thức Zigbee, Lớp mạng được xây dựng dựa trên tầng điều khiển dữ liệu đảm nhận các chức năng là: -Thiết lập 1 mạng mới. -Tham gia làm thành viên của 1 mạng đang hoạt động hoặc là tách ra khỏi mạng khi đang là thành viên của 1 mạng nào đó. -Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới tham gia vào mạng. -Đồng bộ hóa các thiết bị trong -Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới. -Định tuyếnLớp Ứng dụng Các chức năng của lớp này là: -Dò tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng phủ sóng của thiết bị đang hoạt động hay không. -Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng. -Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng. -Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối. -Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị trong mạng -Thực hiện các chức năng do nhà sản xuất qui định để bổ sung thêm vào các chức năng do Zigbee qui định.KẾT LUẬN Mạng WPAN là mô hình mạng khá phổ biến trong hệ thống mạng không dây! Sự xuất hiện của Bluetooth, UWB, ZigBee đã kết nối vô tuyến các thiết bị ngoại vi như tai nghe, đồng hồ, bàn phím, chuột, điện thoại, máy tính... Qua đó dần lấp đầy một cách hiệu quả các khoảng trống kết nối dữ liệu mà các mạng không dây khác để lại. Sự phát triển của các công nghệ chuẩn 802.15 giúp sự kết nối các thiết bị dễ dàng hơn, tiến gần đến thời đại IoT( Internet of Things)!HẾT