Đồ án tốt nghiệp Mục Lục
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 i

MỤC LỤC
Nội Dung:
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU viii
CHƢƠNG 1: 1
Giới thiệu chung về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4 1
1.1. Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15. 1
1.2. Zigbee và IEEE 802.15.4: 3
1.3. So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 : 4
1.4. Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4: 5
1.5. Các thiết bị trong mạng: 7
1.6. Cấu hình mạng: 8
1.7. Kết luận chƣơng 1: 10
CHƢƠNG 2: 11
Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 11
2.1. Tổng quan mô hình chồng giao thức Zigbee: 11
2.2. Lớp vật lý – PHY: 13
2.3. Lớp MAC: 17
2.3.1. Phƣơng thức truy nhập CSMA-CA: 18
2.3.2. Hoạt động sử dụng cột mốc(becacon-enabled) và không sử dụng cột mốc
– cấu trúc siêu khung: 19
2.3.3. Phân bố liên khung(interframe spacing): 21
Đồ án tốt nghiệp Mục Lục
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 ii
2.3.4. Truyền dữ liệu: 22

Hình 1.1. So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,
giá thành và tốc độ dữ liệu…………………………………………………. 5
Hình 1.2.Các lớp trong chồng giao thức mạng Zigbee. …………………………… 6
Hình 1.3. Một mạng hình sao. ……………………………………………………… 9
Hình 1.4. Một mạng mắt lƣới phát triển từ mạng điểm-điểm. ………………………. 9
Hình 1.5. cấu hình hình cây. ………………………………………………………… 10
Hình 2.1. Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 ………………………… 11
Hình 2.2. Khái niệm primitive dịch vụ. …………………………………………… 13
Hình 2.3. Mô hình tham chiếu PHY IEEE 802.15.4 giao diện với lớp MAC……… 14
Hình 2.4. Phân bố kênh trên các băng tần.………………………………………… 15
Hình 2.5. Mô hình tham chiếu lớp MAC ………………………………………… 17
Hình 2.6. cấu trúc siêu khung……………………………………………………… 20
Hình 2.7. IFS trong 2 kịch bản ……………………………………………………… 21
Hình 2.8. Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng sử dụng cột mốc……… 22
Hình 2.9. Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng không sử dụng cột mốc. 23
Hình 2.10. Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng có sử dụng cột mốc… 23
Hình 2.11. Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng không sử dụng cột mốc. 24
Hình 2.12. (a)định dạng của khung MAC và (b) cấu trúc trƣờng Frame Control… 25
Hình 2.13. Giao diện giữa NWK với lớp MAC và APL…………………………… 26
Hình 2.14. Các kiểu phƣơng thức truyền tin (a) Broadcast, (b) Multicast , và (c)
Unicast…………………………………………………………………… 27
Hình 2.15. Multicast đƣợc khởi tạo bởi một thiết bị không phải là thành viên của nhóm
cần đƣợc gửi……………………………………………………………… 29
Hình 2.16. Mối quan hệ cha con trong mạng hình cây………………………………. 31
Hình 2.17. Ví dụ về phƣơng thức cấp phát địa chỉ mặc định……………………… 32
Hình 2.18. định dạng chung của khung lớp mạng ………………………………… 34
Hình 2.19. Cấu trúc của lớp APL. ………………………………………………… 35
Hình 3.1. Sơ đồ chung hệ thống…………………………………………………… 39
Hình 3.2. Cấu trúc của các End Device……………………………………………… 40
Hình 3.3. Cấu trúc bộ Zigbee Coordinator………………………………………… 41
Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và Bluetooth……………………………………………… 4
Bảng 1.2. Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4……………………………….7
Bảng 1.3. Các thiết bị định nghĩa trong ZigBee…………………………………….…8
Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu…………………………………………………14
Bảng2.2. Kênh truyền và tần số …………………………………………………… 14


APL
Application Layer
Lớp ứng dụng
APS
Application Support Sublayer
Phân lớp con hỗ trợ ứng dụng
BI
Beacon Interval
Chu kì cột mốc
BSN
Beacon Sequence Number
Số hiệu chuỗi kết tiếp cột mốc
BTR
Broadcast Transaction Record
Bản ghi giao dịch broadcast
BTT
Broadcast Transaction Table
Bảng giao dịch broadcast
CAP
Contention Access Period
Khoảng truy cập cạnh tranh
CCA
Clear Channel Assessment
Đánh giá kênh rỗi
CFP
Contention-Free Period
Chu kì truy cập không cạnh tranh
CS
Carrier Sense
Cảm ứng sóng mang

Media Access Control
Điều khiển truy cập phƣơng tiện
MAC-PIB
MAC-PAN Information Base
Cơ sở thông tin PAN lớp MAC
MFR
MAC Footer
Đoạn cuối khung MAC
MHR
MAC Header
Đoạn mào đầu khung MAC
MLME
MAC Layer Management
Entity
Thực thể quản lý lớp MAC
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 vii
MPDU
MAC Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức lớp MAC
NIB
Network Information Base
Cơ sở thông tin lớp mạng
NLDE
NWK Layer Data Entity
Thực thể dữ liệu lớp mạng
NLME
NWK Layer Management
Entity
Thực thể quản lý lớp mạng

RFD
Reduced Function Device
Thiết bị chức năng rút gọn
RSS
Received Signal Strength
Cƣơng độ tín hiệu nhận đƣợc
SAP
Service Access Point
Điểm truy cập dịch vụ
SD
Superframe Duration
Chu kỳ siêu khug
SHR
Synchronization Header
Mào đầu đồng bộ
SIFS
Short InterFrame Spacing
Phân bổ liên khung khung ngắn
ZDO
Zigbee Device Objects
Các đối tƣợng thiết bị Zigbee

Đi kèm trong đồ án một thiết kế về một mạng thu thập dữ liệu nhiệt độ sử dụng chuẩn
Zigbee/IEEE 802.15.4 cũng đƣợc đƣa ra nhằm minh họa cho một ứng dụng thực tế của
chuẩn.
Nội dung của luận văn sẽ sẽ gồm 3 phần:
- Chương 1: giới thiệu cơ bản về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chƣơng này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về PAN, WPAN, hiệp hội ZigBee
Ailliance và cơ bản về mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 (các loại thiết bị, các dạng cấu
hình), so sánh đánh giá Zigbee/IEEE 802.15.4 với 2 chuẩn không dây phổ biến là
Bluetooth và IEEE 802.11.
- Chương 2: cấu trúc chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Chƣơng này sẽ trình bày về cấu trúc của chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, đặc
điểm hoạt động của mỗi lớp trong chồng giao thức.
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 ix
- Chương 3:Mô tả về thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ
Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chƣơng này sẽ trình bày về thiết kế hệ thống thu thập nhiệt độ sử dụng chồng giao
thức Zigbee đƣợc xây dựng dựa trên giải pháp phần cứng và phần mềm của TI.
Trong suốt thời kỳ làm đồ án, em đã nhận đƣợc sự tận tình giúp đỡ, chỉ bảo của các
thầy cô giáo và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy Nguyễn Ngọc Minh,
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án. Em cũng xin cảm ơn
tất cả các thầy cô trong khoa Viễn Thông đã nhiệt tình chỉ bảo em trong quá trình học
tập và thực hiện đồ án.
Em mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ phía thầy cô và các bạn để đề tài đƣợc
hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 6 tháng 12 năm 2009
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Nguyên
- So sánh và đánh giá Zigbee với một số chuẩn không dây phổ biến khác nhƣ
Bluetooth, IEEE 802.11.
- Sơ lƣợc về mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, các kiểu thiết bị
trong mạng và các dạng cấu hình mạng.
1.1. Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15.
Một WPAN(wireless personal area network) là một mạng PAN(personal area network)
– một mạng kết nối các thiết bị tập trung trong không gian làm việc của một cá nhân –
mà trong đó kết nối dựa trên sóng vô tuyến. Một WPAN sử dụng các kĩ thuật cho phép
truyền tin với khoảng cách ngắn, khoảng 10m.
WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – là các mạng không dây sử dụng chuyển
tiếp gói đa hop (multi-hopping), do đó, chúng có khả năng hoạt động mà không cần sự
hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng nào. Các mạng không dây adhoc đƣợc hình thành bởi một
số loại thiết bị, có thể là hỗn tạp với các khả năng giao tiếp không dây cho phép nó kết
nối hoặc dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể. Thêm nữa, các thiết bị có thể là di
động và vì vậy có thể thay đổi vị trí của nó thƣờng xuyên. Các mạng không dây adhoc
với các nút di động đƣợc gọi tắt là MANET(Mobile Ad hoc Network). Ngay cả khi
không có khả năng di động, các nút cũng có thể gia nhập hoặc rời mạng bất cứ khi
nào, vì vậy các mạng này cần có khả năng tự tổ chức về truy cập phƣơng tiện, định
tuyến, và các chức năng mạng khác. Các mạng adhoc không dây thƣờng đƣợc sử dụng
trong các ứng dụng di động, tính toán phân bổ, truy cập di động tới Internet, các mạng
mắt lƣới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạng đáp ứng tình trạng khẩn cấp,….
Thiết kế và phát triển của các mạng này đặt ra một số các thách thức:
- Khả năng tự tổ chức: bởi vì các nút mạng riêng lẻ trong một mạng adhoc không
dây có thể gia nhập, rời mạng bất cứ khi nào, và mạng không có cơ sở hạ tầng cố
định hỗ trợ nên mạng phải có khả năng tự tổ chức các chức năng trong mạng mỗi
khi có sự thay đổi. Các giao thức cần hỗ trợ và cung cấp các chức năng xây dựng
topo, cấu hình lại mạng, bảo trì mạng, cũng nhƣ định tuyến, giám sát lƣu lƣợng và
điều khiển truy nhập…
- Khả năng mở rộng: là khả năng giữ nguyên các tham số hiệu năng của mạng bất
chấp có sự thay đổi lớn về số nút đƣợc triển khai trong mạng. Khả năng này phụ

tốn công suất thấp.
- Task Group 5(Mesh Networking) : cung cấp nền kiến trúc cho phép các thiết bị
WPAN cấu tạo thành mạng mesh ổn định, khả năng mở rộng cao và khả năng
đồng hoạt động.
- Task Group 6(Body Area Network) : tập trung vào các kỹ thuật liên quan đến
BAN(Body Area Network) – mạng gồm các thiết bị trong phạm vi cơ thể một
ngƣời. Mục đích của nó là chuẩn hóa các mạng PAN khoảng cách ngắn, tần số
thấp và công suất thấp.
- Task Group 7(Visible Light Communication) : xây dựng các chuẩn PHY và MAC
cho VLC(Visible Light Communication).
Về cơ bản có thể phân chia WPAN làm 3 loại mạng WPAN theo tiêu chí tốc độ
truyền, mức độ tiêu hao năng lƣợng và chất lƣợng dịch vụ :
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 3
- WPAN tốc độ cao theo chuẩn IEEE 802.15.3 do nhóm Task Group 3 của IEEE
802.15 xây dựng, phù hợp cho các ứng dụng đa phƣơng tiện yêu cầu chất lƣợng
dịch vụ cao.
- WPAN tốc độ trung bình theo chuẩn Bluetooth/ IEEE 802.15.1 do nhóm Task
Group 1 của IEEE 802.15 xây dựng, ứng dụng trong các mạng điện thoại tế bào
đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại.
- WPAN tốc độ thấp – hay chuẩn IEEE 802.15.4/LR-WPAN, dùng trong các sản
phẩm công nghiệp với thời gian hoạt động giới hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi
hỏi mức tiêu hao năng lƣợng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và
QoS. 1 ví dụ điển hình của chuẩn này là Zigbee/ IEEE 802.15.4 đƣợc nghiên cứu
trong luận văn này.
1.2. Zigbee và IEEE 802.15.4:
Công nghệ Zigbee là chồng giao thức mạng không dây với các đặc điểm nhƣ tốc độ dữ
liệu thấp, tiêu tốn công suất thấp và chi phí xây dựng thấp đƣợc phát triển nhằm hƣớng
đến các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa. Ủy ban IEEE 802.15.4 đã bắt đầu
làm việc 1 chuẩn tốc độ dữ liệu thấp ngay sau đó. Và hiệp hội ZigBee Ailliance và

đánh giá trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assesment) nhằm cải thiện hoạt động
trong môi trƣờng có các mạng khác tồn tại.
1.3. So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 :
Bảng 1.1 so sánh các tham số, đánh giá về các mặt của mạng Zigbee và Bluetooth.
Về cơ bản, Zigbee nhìn giống với Bluetooth, tuy nhiên, nó đơn giản hơn, có tốc độ dữ
liệu thấp hơn và hầu hết thời gian hoạt động của các node là ở chế độ hoạt động công
suất thấp.
Khi không có khuyếch đại công suất đƣợc sử dụng, phạm vi vô tuyến của Zigbee là
10-75m, còn của Bluetooth là khoảng 10m.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ phù hợp cho các mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết
bị thƣờng xuyên giao tiếp với nhau thông qua các gói nhỏ. Nó cho phép có lên tới 254
nút. Giao thức của Bluetooth phức tạp hơn bởi vì nó hƣớng tới các ứng dụng truyền
file, thoại, hình ảnh trong mạng adhoc không dây.
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và Bluetooth.
Đặc trƣng so sánh
Zigbee
Bluetooth
Phạm vi truyền
Ứng dụng đặc biệt/ngoài
trời
10-75m
Lên tới 400m
10m
Khoảng 100m
Tốc độ dữ liệu
20-250kbps
1Mbps
Trễ mạng(điển hình)
30ms
20ms

tốc độ dữ liệu thấp hơn (khoảng 3Mbps) với khoảng cách trong nhà từ 2-10m. Một
ứng dụng phổ biến của Bluetooth là trong tai nghe không dây dành cho di động.
Zigbee thì có tốc độ dữ liệu thấp nhất và độ phức tạp thấp nhất so với các chuẩn kia,
tuy nhiên nó cho phép sử dụng pin hiệu quả hơn.
Do tốc độ thấp, hay nói cách khác là rất thấp nên Zigbee không phù hợp cho cung cấp
một kết nối Internet hay làm phƣơng tiện để truyền một tín hiệu âm thanh đảm bảo
chất lƣợng CD nhƣ trong tai nghe di động. Tuy nhiên, nó lại phù hợp cho truyền và
gửi, thu thập các thông tin đơn giản từ các cảm biến nhƣ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,…
Hình 1.1 cho thấy rõ hơn về sự khác nhau giữa 3 chuẩn. Tiêu chí đánh giá là về giá
thành, độ phức tạp, công suất tiêu thụ so với tốc độ dữ liệu. Ở đây, 802.11b cho tốc độ
dữ liệu cao nhất, tuy nhiên nó yêu cầu công suất tiêu thụ, cùng độ phức tạp và giá
thành lớn nhất. Ở giữa là Bluetooth và Zigbee, cho tốc độ dữ liệu thấp nhất song công
suất tiêu thụ, độ phức tạp, và giá thành là thấp nhất.
Tùy theo ứng dụng mà chúng ta sẽ sử dụng chuẩn phù hợp. Và nhƣ vậy, với các ứng
dụng truyền dữ liệu với lƣu lƣợng thấp, yêu cầu thời lƣợng sử dụng nguồn cấp từ pin
với thời gian dài thì Zigbee là một sự lựa chọn tốt nhất so với các chuẩn trên.

Hình 1.1. So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,
giá thành và tốc độ dữ liệu.
1.4. Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4:
Một cách chung để thiết lập một mạng là sử dụng nguyên lý các lớp mạng. Mỗi một
lớp chịu trách nhiệm cho một chức năng nào đó trong mạng. Các lớp thƣờng chỉ
truyền dữ liệu và các lệnh tới các lớp trên hoặc dƣới trực tiếp của nó. Sơ đồ phân lớp
của chồng giao thức Zigbee nhƣ trong hình 1.2, nó dựa trên mô hình tham chiếu OSI.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 6
Việc chia một giao thức mạng thành các lớp có một số các ƣu điểm. Ví dụ, khi giao
thức thay đổi theo thời gian, thì dễ dàng hơn để thay đổi hoặc thay thế lớp mà bị ảnh
hƣởng bởi sự thay đổi hơn là so với việc thay đổi toàn bộ chồng giao thức. Cũng nhƣ
vậy, trong phát triển một ứng dụng, các lớp dƣới hơn của chồng giao thức sẽ độc lập

Có 2 loại thiết bị trong một mạng không dây IEEE 802.15.4 : FFD(Full Function
Device) và RFD (Reduced Function Device). Một FFD có khả năng thực hiện tất cả
các chức năng đƣợc mô tả trong IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhiệm bất cứ một vai
trò nào trong mạng Zigbee. Một RFD có khả năng giới hạn hơn so với FFD. Ví dụ :
một FFD có khả năng giao tiếp với bất cứ một loại thiết bị nào khác trong mạng nhƣng
một RFD chỉ có thể giao tiếp duy nhất với 1 FFD. Các thiết bị RFD nhắm vào những
ứng dụng đơn giản nhƣ bật tắt một bóng đèn, thu thập dữ liệu từ một cảm biến… Khả
năng xử lý và kích thƣớc bộ nhớ của một RFD thƣờng nhỏ hơn các FFD.
Bảng 1.2. Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4.
Loại thiết bị
Dịch vụ cung cấp
Nguồn điện
Cấu hình chức
năng nhận điển
hình
Full Function
Device (FFD)
Hầu hết hoặc đầy
đủ
Nguồn điện chính
Hoạt động trong
trạng thái idle
Reduced Function
Device(RFD)
Giới hạn
Pin
Tắt trong trạng thái
idle
Trong một mạng IEEE 802.15.4 , một FFD có thể đảm nhiệm 3 vai trò khác nhau: một
bộ điều phối – Coordinator, một bộ điều phối PAN – PAN Coordinator – và một thiết

lý của mạng. Cho phép có nhiều nút tham gia
vào mạng. Thực hiện chức năng định tuyến.
Có thể thực hiện các chức năng điều khiển và
giám sát.
Thiết bị đầu
cuối(End Device)
RFD hoặc FFD
Thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát,
thu thập dữ liệu theo chức năng của mạng
đƣợc xây dựng.
1.6. Cấu hình mạng:
Quá trình hình thành mạng đƣợc quản lý bởi lớp mạng Zigbee. Mạng sẽ có một trong
hai cấu hình nhƣ đƣợc chỉ trong IEEE 802.15.4 là cấu hình hình sao và cấu hình điểm-
điểm.
Trong cấu hình hình sao nhƣ trong ví dụ hình 1.3, mỗi thiết bị trong mạng có thể kết
nối với chỉ duy nhất một bộ điều phối PAN – hay bộ điều phối Zigbee. Một kịch bản
điển hình trong quá trình hình thành một mạng hình sao đó là, một FFD đƣợc lập trình
để đảm nhiệm chức năng bộ điều phối PAN sẽ đƣợc kích hoạt và khởi tạo quá trình
thiết lập mạng của nó. Tác vụ đầu tiên bộ điều phối PAN thực hiện là chọn lựa một
PAN ID(dùng để nhận diện PAN) duy nhất mà chƣa đƣợc sử dụng bởi bất kỳ một
mạng khác nằm trong phạm vi vô tuyến của nó – vùng nằm quanh thiết bị mà nó có
thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị khác nằm trong đó – để đảm bảo rằng PAN ID chƣa
đƣợc sử dụng bởi bất cứ một mạng nào khác liền kề.
Trong cấu hình điểm-điểm nhƣ hình 1.4, mỗi thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với bất
cứ một thiết bị nào khác nằm gần nó để thiết lập một liên kết trực tiếp. Bất cứ FFD nào
trong mạng điểm-điểm có thể đóng vai trò làm bộ điều phối PAN. Một giải pháp để
chọn thiết bị nào sẽ là bộ điều phối PAN đó là chọn thiết bị FFD đầu tiên mà bắt đầu
giao tiếp. Trong một mạng điểm-điểm, tất cả các thiết bị mà tham gia vào chuyển tiếp
bản tin là các FFD bởi vì RFD không có khả năng chuyển tiếp. Tuy nhiên một RFD có
thể là một phần của mạng nhƣng nó chỉ có thể giao tiếp với duy nhất một thiết bị đặc

thể giao tiếp với các thiết bị khác qua các mạng độc lập.
Chỉ có duy nhất một bộ điều phối trên mạng, nó thƣờng có chu kỳ hoạt động dài nên
thƣờng đƣợc kết nối đến nguồn điện chính.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 10

Hình 1.5. cấu hình hình cây.
1.7. Kết luận chƣơng 1:
Chƣơng này đã giới thiệu khái niệm cơ bản về WPAN, các nhóm chuẩn hóa WPAN
của IEEE 802.15.4, Zigbee/IEEE 802.15.4 là gì và so sánh Zigbee với hai chuẩn mạng
không dây phổ biến là Bluetooth và IEEE 802.15.4 .
Chƣơng cũng đã mô tả về mối quan hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4, mối quan hệ
giữa các loại thiết bị và vai trò của nó trong mạng cùng các cấu hình mạng phổ biến
đƣợc sử dụng trong chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chi tiết hơn về hoạt động của mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 sẽ đƣơc trình bày chi tiết
trong chƣơng 2.
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 12
đƣợc chuẩn hóa bởi Zigbee. Trong trƣờng hợp này, ngƣời sử dụng sẽ phát triển các lớp
là lớp mạng và lớp ứng dụng riêng cho mình dựa trên lớp PHY và MAC của IEEE
802.15.4 nhƣ hình dƣới. Những lớp do ngƣời dùng tự định nghĩa này sẽ thƣờng đơn
giản hơn Zigbee và hƣớng đến các ứng dụng chuyên dụng. Ƣu điểm của phƣơng pháp
này là sẽ kích thƣớc bộ nhớ đƣợc yêu cầu để xây dựng chồng giao thức sẽ nhỏ hơn,
dẫn đến giảm giá thành. Tuy nhiên, việc thực thi giao chồng giao thức Zigbee đầy đủ
sẽ đảm bảo việc đồng hoạt động giữa các giải pháp không dây của những nhà cung cấp
khác và đảm bảo độ tin cậy hoạt động với khả năng xây dựng mạng mắt lƣới đƣợc hỗ
trợ trong Zigbee. Quyết định sử dụng toàn bộ giao thức Zigbee hay chỉ các lớp MAC
và PHY của IEEE 802.15.4 tùy thuộc vào ứng dụng và kế hoạch dài hạn của sản phẩm.
Các chức năng bảo mật đƣợc xây dựng trong cả 2 chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee. Nó
đƣợc cung cấp bởi khối cung cấp dịch vụ bảo mật SSP(Security Service Provider).
Chuẩn Zigbee cung cấp các dịch vụ bảo mật tùy chọn sau:
- Mã hóa cho bảo mật dữ liệu.
- Nhận thực thiết bị và dữ liệu.
- Bảo vệ chuyển tiếp lại khung(các khung trùng lặp).
Một mạng thực thi tất cả các lớp nhƣ hình 2.1 đƣợc xem là một mạng không dây
Zigbee. Chi tiết về từng lớp sẽ đƣợc mô tả trong phần tiếp theo của chƣơng.
Khái niệm về các primitive dịch vụ :
IEEE 802.15.4 và Zigbee sử dụng khái niệm primitive để chỉ những dịch vụ mà một
lớp cung cấp cho những thành phần sử dụng dịch vụ ở lớp cao hơn liền kề. Giao tiếp
giữa các lớp giao thức kế cận đƣợc quản lý bằng việc gọi các hàm hoặc truyền các bản
tin – đƣợc gọi là các primitive – giữa các lớp.
Mặc dù mỗi lớp có các vai trò khác nhau đối với toàn bộ hệ thống xong cách mỗi lớp
hoạt động có những điểm chung. Ví dụ, lớp vật lý PHY, lớp điều khiển truy cập
phƣơng tiện MAC và mạng NWK cung cấp dịch vụ dữ liệu đến lớp cao hơn. Trong cả
ba lớp này, phƣơng thức để yêu cầu truyền một đơn vị dữ liệu là tƣơng tự: lớp cao hơn
sử dụng điểm truy cập dịch vụ dữ liệu Data-SAP(Data-Service Access Point) của lớp
bên dƣới để yêu cầu truyền dữ liệu. Nếu truyền dữ liệu thành công, lớp bên dƣới gửi

N+1 xuống lớp N. Các lớp PHY và NWK không có primitive Response . Lớp MAC và
lớp ứng dụng APL chứa các primitive Response.

Hình 2.2. Khái niệm primitive dịch vụ.
2.2. Lớp vật lý – PHY:
Là lớp thấp nhất trong chồng giao thức, lớp PHY chịu trách nhiệm kích hoạt chức
năng vô tuyến để truyền và gửi các gói tin. PHY cũng chọn kênh tần số và đảm bảo
kênh này hiện không đƣợc sử dụng bởi bất cứ thiết bị nào trong mạng.
Chức năng của PHY là :
- Kích hoạt và vô hiệu hóa hoạt động của khối thu phát vô tuyến.
- Giám sát năng lƣợng ED(Enery Dectection) của kênh.
- Chỉ thị chất lƣợng liên kết LQI(Link Quality Indication).
- Chọn lựa kênh.
- Giám sát trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assessment) đối với CSMA-CA.
- Truyền và nhận dữ liệu.
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 14
PHY cung cấp 2 loại dịch vụ: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY. Dịch vụ
dữ liệu PHY cho phép truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp PHY
PPDU(PHY Protocol Data Unit) qua một kênh vô tuyến. PHY chứa một thực thể quản
lý đƣợc gọi là Thực thể quản lý lớp vật lý PLME(Physical Layer Management Entity)
nhƣ trong hình 2.3. Các chức năng quản lý PHY đƣợc gọi từ PLME. Dịch vụ dữ liệu
PHY đƣợc truy cập qua cổng truy cập dịch vụ dịch vụ dữ liệu PHY PD-SAP(PHY
Data-Service Access Point). Dịch vụ quản lý dữ liệu PHY đƣợc truy cập qua cổng truy
cập dịch vụ thực thể quản lý lớp PHY PLME-SAP. PLME cũng duy trì cơ sở thông tin
PAN của PHY là PHY-PIB(PHY-PAN Information Base).
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu
Âu, Nhật Bản, Mỹ.

Hình 2.3. Mô hình tham chiếu PHY IEEE 802.15.4 giao diện với lớp MAC.

phân
2450
2400-
2486.5
2000
O-QPSK
250
62.5
Hệ 16

Bảng2.2 Kênh truyền và tần số
Tần số trung tâm
(MHz)
Số lƣợng kênh
(N)
Kênh(k)
Tần số kênh trung
tâm
(MHz)
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 15
868
1
0
868.3
915
10
1 – 10
906+2(k-1)
2450

- Cảm ứng sóng mang CS(carrier sense):
Tƣơng tự với ED, CS là một phƣơng thức để kiểm tra một kênh tần số có rỗi hay
không. Trong CS, khi một thiết bị muốn truyền một bản tin, đầu tiên nó sẽ đi vào chế
độ thu để phát hiện loại tín hiệu có thể mà đang chiếm kênh. Trái với ED, trong CS, tín
hiệu sẽ đƣợc giải điều chế để xác định loại tín hiệu. Ngay cả khi tín hiệu đang chiếm
kênh tuân theo chuẩn PHY IEEE 802.15.4, thiết bị sẽ có thể xem nhƣ rằng kênh đang
hay không dựa trên mức năng lƣợng tín hiệu.
- Chỉ thị chất lƣợng đƣờng truyền LQI(Link Quality Indication):
LQI là một dạng chỉ thị chất lƣợng của gói dữ liệu nhận đƣợc bởi bộ thu. Cƣờng độ tín
hiệu nhận đƣợc RSS(Received Signal Strength) đƣợc sử dụng để tín toán chất lƣợng
tín hiệu. RSS đƣợc tính bằng tổng năng lƣợng của tín hiệu nhận đƣợc. SNR cũng là
một phƣơng pháp để đánh giá chất lƣợng tín hiệu. Ngoài ra cũng có thể đánh ra chất
lƣợng liên kết dựa vào cả năng lƣợng tín hiệu lẫn tỉ số SNR.
Việc tính toán LQI đƣợc thực hiện trên mỗi gói tin nhận đƣợc. LQI sẽ phải có ít nhất 8
mức. LQI đƣợc truyền về cho lớp MAC và đƣợc dùng cho NWK và lớp APL trong
phân tích sau này. Ví dụ, NWK có thể sử dụng các mức LQI trong các thiết bị của
mạng để quyết định đƣờng nào đƣợc sử dụng để định tuyến một gói tin.
- Đánh giá kênh rỗi CCA(Clear Channel Assessment):
Trong bƣớc đầu tiên của phƣơng thức đa truy nhập CSMA-CA, MAC yêu cầu PHY
thực hiện CCA để đảm bảo rằng kênh hiện tại chƣa đƣợc sử dụng bởi các thiết bị khác.
CCA là một phần của dịch vụ quản lý PHY. Trong một CCA, kết quả của ED hoặc CS
đƣợc sử dụng làm tiêu chí để đánh giá kênh tần số đó đang rỗi hay bận. Độ dài của
CCA phải bằng độ dài của 8 ký hiệu.
Có 3 mode hoạt động của CCA trong IEEE 802.15.4 :
o CCA mode 1: trong mode này, CCA dựa trên ED, nếu mức năng lƣợng vƣợt
ngƣỡng, kênh đƣợc xem nhƣ bận. Ngƣỡng đƣợc thiết lập bởi nhà sản xuất.
o CCA mode 2: sử dụng CS để đánh giá, và kênh đƣợc xem nhƣ bận nếu tín hiệu
chiếm kênh là tƣơng thích với PHY của thiết bị mà thực hiện CCA.
o CCA mode 3: Mode này là kết hợp giữa mode 1 và mode 2. PHY sẽ sử dụng
một trong những điều kiện sau để chỉ thị rằng một kênh đang bận: