ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TẠ HỮU TRUNG N
N
G
G
H
H
I
I
Ê
Ê
N
NC
C
Ứ
Ứ
U


S
S
U
U
Ấ
Ấ
T
TH
H
O
O
Ạ
Ạ
T
TĐ
Đ
Ộ
Ộ
N
N
G
G



D
D
Â
Â
Y
YT
T
H
H
E
E
O
OT
T
I
I
Ê
Ê
U
UC

1
5
5B
B
Ằ
Ằ
N
N
G
GP
P
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
GP

Á
Y
YT
T
Í
Í
N
N
H
H Ngành:
Mã số: Công nghệ thông tin
1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ


1.2 Tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.15. So sánh, đánh giá định tính giữa các chuẩn 19
1.3 Kết luận 23
Chương 2 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE
802.15.3 24
2.1 Tổng quan hệ thống mạng không dây IEEE 802.15.3 24
2.2 Tầng vật lý 24
2.3 Tầng điều khiển truy nhập MAC 28
2.3.1 Điều khiển truy nhập 30
2.3.1.1 Tổ chức kênh 31
2.3.1.2 Phương thức lựa chọn trạm điều khiển Piconet 33
2.4 Kết luận 38
Chương 3 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE
802.15.4 40
3. Tổng quan về mạng không dây IEEE 802.15.4 40
3.1 Phương thức kết nối 41
3.2 Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.4 44

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
3
3.2.1 Tầng vật lý 44
3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập 49
3.3 Điều khiển truy nhập mạng 53
3.3.1 khuôn dạng khung 53
3.3.1.1 Khuôn dạng khung “Beacon” 54
3.3.1.2 Khuôn dạng khung dữ liệu 54
3.3.1.3 Khuôn dạng khung xác nhận 55
3.3.1.4 Khuôn dạng khung lệnh MAC 56
3.3.2 Khuôn dạng của siêu khung 57

KẾT LUẬN 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK
Acknowledgement

CC
Connection Context
CCA
Clear Channel Assessment
CCM
Counter with CBC-MAC
CFP
Content Free Period
CID
Cluster Identifier
CK
Connection Key
CLH
Cluster Header
CRC
Cyclic Redundancy Check
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CTA
Channel Time Allocation
CTAP
Channel Time Allocation Period
CTR
Counter Mode
CTS
Clear to send
CW
Contention Window (Length)
DN
Data Notification

Full-Function Device
FH
Frequency Hopping
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
FS
Full Speed
FSK
Fixed Symmetric Key
GTS
Guaranteed Time Slot
IE
Information Element
IFS
Inter-frame Space or Spacing
ISM
Industrial, Scientific and Medical
ISO
Isochronous
LDS
Least Distance Square
LAN
Location Area Network
LIFS
Long Inter-frame Spacing
LLC
Logical Link Control
LQ
Link Quality
LQI

MSC
Message Sequence Chart
MS-CTA
Micro Schedule – CTA
MPDU
MAC Protocol Data Unit
MSDU
MAC Service Data Unit
MSTA
Micro Schedule Slot Time Allocation
NAK
Negative Acknowledgment
NB
Number of Backoff (Periods)
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OOB
Out of Band
O-QPSK
Offset Quadrature Phase Shift Keying
OSI
Open System Interconnection
Otcl
Object Tool Command Language
PAL
Programming Application Layer
PAN
Personal Area Network
PANPC
Personal Area Network Computer

theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
8
POS
Personal Operating Space
PPDU
PHY Protocol Data Unit
PRF
Pulse Repetition Frequency
PSC
PBC Selection Counter
PSD
Power Spectral Density
PSDU
PHY Service Data Unit
PSR
PNC selection request
PPM
Parts Per Million
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RSSI
Received Signal Strength Indication
RTS
Request to send
RX
Receive or Receiver
SAP

Universal Serial Bus
UWB
Ultra Wide Band
WLAN
Wireless Local Area Network
WPAN
Wireless Personal Area Network
WUSB
Wireless USB Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
9
DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình vẽ 1.1 – Các kết nối trong gia đình và công sở 13
Hình vẽ 1.2: Ứng dụng mạng không dây trong gia đình 16
Hình 1.3: Ứng dụng của mạng không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15 trong các
ngành công nghiệp, và các dịch vụ an toàn. 17
Hình 1.4: Ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 trong các quá trình xử lý trong bệnh
viện 18
Hình 1.5: Tổ chức của chuẩn IEEE 802.15 19
Hình 1.6: Tốc độ dữ liệu và không gian sử dụng 20
Hình 1.7: Mô hình bẩy lớp ISO-OSI và mô hình của chuẩn IEEE 802.15 21
Hình 1.8: Một mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 gồm 7 nút. Hình tròn biểu
diễn phạm vi hoạt động của nút. Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có
thể truyền thông trực tiếp được cho nhau. 22
Hình 2.1: Phương thức kết nối 24

Hình 3.15: Cấu trúc siêu khung 57
Hình 3.16: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng sử dụng “Beacon” 59
Hình 3.17: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng không sử dụng “Beacon” 60
Hình 3.18: Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc sử dụng “Beacon” 60
Hình 3.19: Truyền dữ liệu từ tràm điều khiển tới trạm làm việc không có “Beacon” 60
Hình 3.20: Thuật toán CSMA – CA 63
Hình 4.1: Kết quả thực hiện trên NAM 66
Hình 4.2: NS dưới góc nhìn của người dụng 68
Hình 4.3: Các Modul chức năng của IEEE 802.15.4 72
Hình 4.4: Kiến trúc các lớp của ZigBee 73
Hình 4.5: Trình tự quá trình liên kết mạng đơn liên cung 74
Hình 4.6: Trình tự quá trình liên kết mạng đa liên cung 74
Hình 4.7: AODV trên chuẩn IEEE 802.15.4 …77
Hình 4.8: Kết nối hình sao có sử dụng khung “Beacon” 77
Hình 4.9: Kết nối ngang hàng có cấu trúc hình cây và sử dụng khung “Beacon” 78
Hình 4.10: Phân bố các trạm 79
Hình 4.11: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 – Packet delivery ratio 80
Hình 4.12: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11: RTS/ CTS Overhead 81

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
11
Hình 4.13: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 về bước trễ 82
Bảng 3.1: Thông số của tiền tố PLME – ED.confirm 46
Bảng 3.2: Tần số kênh 47
Bảng 3.3: Bảng ánh xạ Bit – to – chip 48
Bảng 4.1 Successful Association Rate, Beaconing Cooperator Ratio 83
Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
12
MỞ ĐẦU
Mạng không dây di động là một hệ thống gồm các nút mạng không dây, di
động có thể tự tổ chức và cấu hình mạng một cách động và tự do, tạo thành một
mạng tùy ý và tạm thời, cho phép con người và các thiết bị kết nối với nhau một
cách “liền mạch” trong một vùng nào đó mà không cần có sẵn cơ sở hạ tầng về
truyền thông.
Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng ad-hoc có từ những năm 70 khi nghiên
cứu về công nghệ Mobile Packet Radio. Nhưng hiện tại vẫn còn rất nhiều vấn đề
về mạng không dây dành được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu:
- Các vấn đề về định tuyến;
- Tối ưu hóa tầng vật lý và tầng MAC (năng lượng, an ninh, QoS,…);
- Tự cấu hình (gán địa chỉ, khám phá dịch vụ);
- Các vấn đề về an ninh;
- Các ứng dụng và dịch vụ mới cho mạng không dây cùng kiến trúc của
chúng;
- …
Để đáp ứng được nhu cầu của thị trường thì truyền thông trong tương lai
với mục tiêu đạt được sự kết nối “cho bất kỳ ai, cho mọi thứ, tại bất kỳ nơi nào
và tại mọi thời điểm”. Quan điểm đầy tham vọng này giả thiết rằng: thế giới
không dây mới là kết quả của việc tích hợp đầy đủ các hệ thống không dây đang
tồn tại và hệ thống không dây trong tương lai. Hiện nay, các ứng dụng của hệ
thống điện thoại cellular, mạng diện rộng và mạng cục bộ không dây chỉ đáp ứng
được các nhu cầu kết nối cơ bản của con người ví dụ như: giọng nói, các thông
Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
14
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY THEO
CHUẨN IEEE 802.15
1 Tổng quan về mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đã có những quá trình
phát triển vượt bậc do các nhu cầu về mặt kết nối. Mạng không dây di động cũng
được phát triển theo xu hướng tương tự bởi vì các quá trình trao đổi dữ liệu gia
tăng trong các lĩnh vực như: Internet, e-mail, truyền file dữ liệu, các ứng dụng
trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, vận tải, cư trú, cảm biến y khoa.
Tuy nhiên, những ứng dụng này yêu cầu việc tiêu thụ năng lượng thấp hơn
so với các ứng dụng đang thực hiện theo các chuẩn đang tồn tại. Ví dụ các thiết
bị được cấp nguồn bởi các pin dùng cho các loại ứng dụng cố định của ngành
công nghiệp, cảm biến y khoa … Yêu cầu về thời gian tồn tại của thiết bị cần
thiết được kéo dài từ vài tháng cho đến vài năm. Hơn thế nữa, yêu cầu về giá
thành cho các sản phẩm này lại phải thấp. Cho đến nay, các thiết bị được sử
dụng hoặc là các công nghệ không dây mang tính độc quyền hoặc là quá đắt để
thực hiện. Do đó sự phát triển của các giải pháp được chuẩn hoá mang tính cộng
đồng là rất cần thiết. Gần đây, vào khoảng năm 1999, chuẩn IEEE 802.15 được
tạo ra với mục đích là phát triển các chuẩn dành cho truyền thông không dây có
khoảng cách ngắn Mạng cá nhân sử dụng công nghệ không dây “wireless
personal area networks (WPANs)”.
1.1 Các ứng dụng của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Mạng không dây chính là kết quả của cuộc sống hiện đại, ngày nay chúng
ta luôn phải di chuyển từ nơi này đến nới khác và đặc biệt trong những điều kiện
khó có thể triển khai hoặc việc triển khai là không khả thi vì những lý do về mặt

các thiết bị đã được kết nối không dây tạo ra một bước nhảy vọt trong lĩnh vực
này, Công nghệ này có thể đáp ứng được tất cả các nhu cầu của con người trong
các gia đình, trong công sở như đã được thể hiện qua hình 1.1 và hình 1.2.
Hình 1.2 – Các ứng dụng trong gia đình

1.1.2. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp
Như ta đã biết, Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết
kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Mạng
cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau
để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Ví dụ: Giám sát môi trường (không khí,
đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật,
dò tìm chấn động, theo dõi tài nguyên, trong những ngành và lĩnh vực nguy hiểm
đến tính mạng, sức khoẻ của con người, thực hiện trinh thám trong quân đội [4].
Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm biến
được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung. Ngày nay, các nút mạng cảm
biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
17
trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được
một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông.
Công nghệ không dây, đặc biệt là các ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 rất
phù hợp và thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến do [2, 4]:
- Tốc độ trao đổi dữ liệu phù hợp với tốc độ thu thập và phát dữ liệu của các
sensor (20kb/s);

1.1.4. Ứng dụng trong ngành y khoa

Hình 1.4 - Ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 trong các quá trình xử lý trong bệnh viện
Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
19
1.2 Chuẩn không dây IEEE 802.15, so sánh, đánh giá định tính giữa các
chuẩn
IEEE 802.15 là nhóm làm việc 15 của IEEE 802, nhóm xác định các
chuẩn của mạng cá nhân sử dụng công nghệ không dây “Wireless PAN”. Hình
1.5 là sơ đồ tổ chức của IEEE 802.15 [19]:


Hình 1.6 - Tốc độ dữ liệu và không gian sử dụng

Điều quan trọng hơn nữa đó là tính cộng đồng của chuẩn IEEE 802.15.
Bởi vì chuẩn này được xây dựng trên cơ sở của tổ chức quốc tế về chuẩn liên
kết các hệ thống mở OSI.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
21
Chuẩn IEEE 802.15 chỉ tập chung xây dựng và phát triển ở các tầng thấp.
Cụ thể là hai tầng “Data link” và tầng “Physical” giống như hình vẽ 1.7 [6]:

ISO - OSI Model
IEEE 802.15 Model

7

Application

High Layers

6

Presentation


Ta có thể hiểu mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 như là một đồ thị,
trong đó các nút được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị. Nếu hai nút có thể liên
kết trực tiếp với nhau thì liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút,
đồ thị biểu diễn này là một đồ thị tuỳ ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất kỳ thời
điểm nào.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
22 Hình 1.8 - Một mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 gồm 7 nút. Hình
tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của nút. Các nút nằm trong phạm vi hoạt
động của nhau có thể truyền thông trực tiếp được cho nhau.
Sự kết nối giữa các nút được kiểm soát bởi khoảng cách giữa các nút và tính
sẵn sàng hợp tác để tạo thành một mạng dính liền, mặc dù là tạm thời.
(1) Khoảng cách giữa các nút: Trong mạng không dây theo chuẩn IEEE
802.15, ngoài các nút mạng, không cần thiết phải có thêm bất cứ một cơ
sở hạ tầng mạng nào cả. Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần
nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng. Chỉ cần hai hoặc nhiều nút
chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng không
dây.
(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện đủ
để thành lập mạng không dây. Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải
sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng. Nói cách khác, tự bản thân nút quyết
định “online” hay “offline”.

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15


Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y
theo chuÈn IEEE 802.15
T¹ H÷u Trung – Líp K9T3 Khoa C«ng NghÖ Th«ng Tin
24
Chương 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA
CHUẨN IEEE 802.15.3
Giống như các công nghệ chủ đạo khác, chuẩn IEEE 802.15.3 tập chung vào
người sử dụng trong gia đình. Người sử dụng có thể kết nối mạng không dây các
thiết bị trong gia đình với giá thành rẻ, tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn, tốc
độ cao (có thể lên tới 480 Mbps trong phạm vi 3 m) và nhanh chóng hơn rất
nhiều so với những công nghệ không dây IrDA và Bluetooth (theo
www.vnexpress.net ngày 26/05/2005 và www.quantrimang.com.vn ngày
26/12/2005).
Chương này trình bày tổng quan hệ thống mạng IEEE 802.15.3. Đồng thời
nghiên cứu và trình bày chi tiết nguyên tắc hoạt động của tầng vật lý và tầng
điều khiển truy nhập mạng.
2.1. Tổng quan hệ thống mạng không dây IEEE 802.15.3
Hệ thống chuẩn IEEE 802.15.3 bao gồm 3 phần cơ bản: Trạm điều khiển,
trạm làm việc và liên kết giữa trạm điều khiển và trạm làm việc. Một trạm điều
khiển có thể hỗ trợ lên tới 128 trạm làm việc trong khoảng cách 10m (Hình vẽ
2.1) [1]. Hình 2.1: Phương thức kết nối

Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ HiÖu suÊt ho¹t ®éng cña m¹ng kh«ng d©y