MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..............................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ......................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................8
CHƯƠNG I .........................................................................................................9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................................9
1.1 Công nghệ ZigBee........................................................................................9
1.1.1 Khái niệm về công nghệ ZigBee............................................................9
1.1.2 Mối quan hệ giữa ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4.............................10
1.1.3 Tầng PHY..............................................................................................11
1.1.4 Tầng MAC............................................................................................14
1.1.5 Tầng NWK............................................................................................21
1.1.6 Tầng APL..............................................................................................35
1.2 Phần mềm mô phỏng..................................................................................38
1.2.1 Phần mềm NS-2....................................................................................38
1.2.2 Phần mềm OPNET ...............................................................................41
CHƯƠNG II .....................................................................................................45
MÔ PHỎNG MẠNG KHÔNG DÂY ZIGBEE BẰNG PHẦN MỀM
NETWORK SIMULATOR-2...........................................................................45
2.1 Mục đích mô phỏng....................................................................................45
2.2 Thông tin cơ bản.........................................................................................46
2.2.1 Môi trường mô phỏng...........................................................................46
2.2.2 Tham số.................................................................................................46
2.2.3 Tính toán tham số ban đầu đưa vào kịch bản.......................................47
2.2.4 Mô đun phần mềm ZigBee...................................................................49
2.2.5 Cấu trúc xử lý........................................................................................52

1

2.2.6 Hoạt động tổng quát của nút mạng và định tuyến................................59
2.3 Phân tích kết quả.........................................................................................61
2.4 Kết luận.......................................................................................................62
CHƯƠNG III ....................................................................................................63
MÔ PHỎNG MẠNG KHÔNG DÂY ZIGBEE BẰNG PHẦN MỀM OPNET
14.5...................................................................................................................... 63
3.1 Mục đích mô phỏng....................................................................................63
3.2 Cấu hình mô phỏng.....................................................................................63
3.2.1 Tạo giao diện mô phỏng và cấu trúc mạng..........................................63
3.2.2 Cấu hình thiết bị....................................................................................66
3.2.3 Cấu hình thống kê.................................................................................68
3.2.4 Định trình lập lịch.................................................................................69
3.2.5 Chạy mô phỏng.....................................................................................69
3.3 Phân tích kết quả.........................................................................................70
3.3.1 Mô phỏng tình huống 1.........................................................................70
3.3.2 Mô phỏng tình huống 2.........................................................................74
3.3.3 Mô phỏng tình huống 3.........................................................................77
3.4 Kết luận.......................................................................................................78
KẾT LUẬN........................................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................81

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
APL
APS

Application Layer

Application Support

Tầng ứng dụng
Tầng con hỗ trợ ứng dụng

BRT
BTR

Sublayer
Broadcast Retry Timer
Broadcast Transaction

Bộ định thời lặp lại quảng bá
Bản ghi giao dịch quảng bá

Record
BTT
Broadcast Transaction Table
CAP
Contention Access Period
CCA
Clear Channel Assessment
CFP
Contention-Free Period
CSMA/ CA Carrier Sense Multiple

Bảng giao dịch quảng bá
Giai đoạn truy nhập có xung đột
Sự đánh giá độ thoáng kênh truyền
Giai đoạn truy nhập tự do xung đột

Đa truy cập nhận biết sóng mang

Access with Collision

tránh xung đột

ED
FFD
GTS
IFS
LQI
LR-WPAN

Avoidance
Energy Detection
Full-Function Device
Guaranteed Time Slot
Interframe Spacing
Link Quality Indicator
Low-Rate Wireless Personal

Cơ chế xác định mức năng lượng
Thiết bị đầy đủ chức năng
Khe thời gian bảo đảm
Không gian liên khung
Chỉ thị chất lượng liên kết
Mạng cá nhân không dây tốc độ

MAC


Area Network
Medium Access Control

thấp
Tầng điều khiển truy nhập phương

Network Layer
Open Systems

tiện
Tầng mạng
Mô hình liên kết các hệ thống mở

NWK
OSI

Interconnection
PHY
Physical Layer
POS
Personal Operating Space
PSDU PHY Service Data Unit
QOS
Quality of Service
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RX
Receiver

SAP
Service Access Point
SNR
Signal-to-Noise Ratio
TRX
Transceiver
TX
Transmitter
WLAN
Wireless Local Area

Tầng vật lý
Không gian hoạt động cá nhân
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
Chất lượng dịch vụ
Tần số radio
Thiết bị giảm thiểu chức năng
Thiết bị nhận
Điểm truy nhập dịch vụ
Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu
Thiết bị truyền nhận
Thiết bị truyền
Mạng cục bộ không dây

3


ZDO

Network

ZigBee Device Object

Đối tượng thiết bị ZigBee

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1

Các dịch vụ được cung cấp bởi ZigBee

Hình 1-2

Các tầng giao thức mạng không dây ZigBee

Hình 1-3

Cấu trúc siêu khung

Hình 1-4

Hẹn giờ siêu khung vào và ra

Hình 1-5

Lưu đồ thuật toán CSMA/CA

Hình 1-6


Truyền thông được khởi tạo bởi một thiết bị phi thành viên

Hinh 1-7

Truyền thông n - 1

Hình 1-8

Mối quan hệ giữa nút con và nút cha trong một mạng hình cây

Hình 1-9

Ví dụ về cấp phát địa chỉ mặc định

Hình 1-10

Phân tích chi phí đường đi

Hình 1-11

Phát hiện tuyến đường unicast với thiết bị nguồn và
thiết bị đích

Hình 1-12

Sửa chữa tuyến đường trong một mạng hình lưới

Hình 1-13

ZDO đóng vai trò như một giao diện giữa khung ứng dụng và tầng

con APS

Hình 1-14

Định dạng lệnh mô tả sơ lược thiết bị ZigBee

Hình 1-15

NS-2 dưới góc độ người dùng

Hình 1-16

Sự tương đồng giữa C++ và Otcl

Hình 1-17

Mô hình kiến trúc NS-2

Hình 1-18

Giao diện mô phỏng của OPNET

Hình 2-1

Màn hình mô phỏng

Hình 2-2

Cấu trúc xử lý


Hình 2-3

Hoạt động trao đổi thông tin của nút mạng

Hình 3-1

Tạo dự án mới trong OPNET

Hình 3-2

Giao diện chọn kích thước môi trường mô phỏng

Hình 3-3

Bảng lựa chọn các thiết bị mạng không dây ZigBee

Hình 3-4

Cấu trúc mạng mô phỏng

5


Hình 3-5

Giá trị các thuộc tính của một nút

Hình 3-6

Lựa chọn số liệu cần thống kê


Hình 3-7

Định trình thời gian hoạt động của các nút mạng

Hình 3-8

Cấu hình mô phỏng

Hình 3-9

Kịch bản mô phỏng tình huống 1

Hình 3-10

Kết quả thống kê số lượng gói tin đã gửi của PAN Coordinator tại
tầng APL

Hình 3-11

Kết quả thống kê số lượng gói tin nhận của PAN Coordinator tại
tầng APL

Hình 3-12

Gói tin đi từ Node 1 qua PAN Coordinator đến Node 2

Hình 3-13

Biểu đồ thống kê ETE của Node 1 so với Node 3 và Node 4


Hình 3-14

Cấu trúc mạng bổ sung với Node 5 hoạt động ở chế độ VBR

Hình 3-15

Kết quả thống kê từ Node 5 và PAN Coordinator

Hình 3-16

Kết quả phân tích độ trễ ETE của Node 5 so với Node 1 và 3

Hình 3-17

Cấu trúc mạng bổ sung với sự tham gia của nút mạng mới

Hình 3-18

Kết quả thống kê thời điểm Node 6 gửi và PAN Coordinator nhận

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1

Hằng số PHY

Bảng 1-2


Thuộc tính PHY PIB

Bảng 1-3

Bảng định tuyến

Bảng 1-4

Bảng phát hiện tuyến đường

Bảng 1-5

Bảng hàng xóm

Bảng 2-1

Môi trường mô phỏng

Bảng 2-2

Tham số nút mạng hình sao

Bảng 2-3

Tham số vật lý

Bảng 2-4

Tham số định tuyến


Bảng 2-5

Độ suy hao tín hiệu của ăng ten TwoRayGround

Bảng 3-1

Giá trị thuộc tính Application Traffic cho các nút mạng

Bảng 3-2

Lựa chọn các tầng thống kê theo các nút mạng

7


LỜI MỞ ĐẦU
ZigBee là một công nghệ mạng không dây ra đời năm 2003 với đặc điểm
là: mức năng lượng tiêu thụ và giá thành thấp, đa năng và dễ dàng mở rộng.
ZigBee hỗ trợ việc quản lý, điều khiển cho các thiết bị gia dụng, công nghiệp,
chăm sóc sức khỏe đặc biệt là cho nhu cầu cho các ngôi nhà thông minh.
Trên thế giới, công nghệ ZigBee đã trở nên phổ biến vì giá thành rẻ, dễ
triển khai và linh hoạt. Rất nhiều công ty như Alliance, Freescale, Atmel, …tham
gia vào việc cung cấp các thiết bị mạng để triển khai lắp đặt. Các tập đoàn lớn
như SamSung, Nokia, Panasonic, … đang chú ý đến ZigBee như là một mạng
điều khiển quan trọng cho các sản phẩm của mình. Tại Việt Nam, bước đầu đã
tiếp cận với công nghệ ZigBee tại các diễn đàn về thiết bị điện tử. Công ty ISolution có trụ sở tại Hà Nội đã đề cập đến ZigBee như là một công nghệ mới
cho việc tự động hóa cho các biệt thự ở Việt Nam.
Qua đó, nhu cầu về nắm bắt công nghệ ZigBee và triển khai xây dựng hệ
thống mạng quản lý nhà thông minh đang là thị trường hấp dẫn tại Việt Nam.

Hiện tại, là một sinh viên nên việc sở hữu một bộ kit để phát triển công nghệ này
là không khả thi nên mục tiêu của đề tài là nắm được công nghệ ZigBee và từ đó
áp dụng vào mô phỏng trên hai phần mềm là NS-2 và OPNET.
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là sưu tầm tài liệu trên mạng và các dự
án nghiên cứu có liên quan để tổng hợp phân tích. Sau đó, từ các kiến thức tiếp
thu được tiến hành mô phỏng để phân tích khả năng hoạt động của mạng không
dây ZigBee.
Đóng góp của đề tài là báo cáo lý thuyết về công nghệ ZigBee và kiến
thức về hai phần mềm NS-2 và OPNET, mô phỏng hoạt động của mạng hình sao
ZigBee trên hai phần mềm này với các yêu cầu mô phỏng khác nhau. Từ đó, hiểu
được hoạt động và phân tích, đánh giá hoạt động của mạng không dây ZigBee.
Bố cục của đồ án:
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG MẠNG KHÔNG DÂY ZIGBEE BẰNG PHẦN MỀM NS-2

8


CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MẠNG KHÔNG DÂY ZIGBEE BẰNG PHẦN MỀM OPNET

CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Công nghệ ZigBee
1.1.1 Khái niệm về công nghệ ZigBee
ZigBee là một chuẩn định nghĩa một tập hợp các giao thức truyền thông
cho mạng tốc độ thấp và tầm ngắn. Thiết bị ZigBee hoạt động trong tần số
868MHz, 915 MHz và 2,4 GHz. Tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 250 Kb/s. ZigBee
nhắm đến mục tiêu chính là các ứng dụng sử dụng pin khi tốc độ dữ liệu thấp, chi
phí thấp và thời gian sử dụng pin lâu dài. Trong nhiều ứng dụng ZigBee, tổng

thời gian các thiết bị hoạt động chủ động với nhau là rất giới hạn, thiết bị sử dụng
phần lớn thời gian trong chế độ chờ, hay còn gọi là chế độ ngủ đông. Kết quả là
các thiết bị dạng ZigBee có thể hoạt động trong vài năm trước khi phải thay pin.

Hình 1-1: Các dịch vụ được cung cấp bởi ZigBee

9


1.1.2 Mối quan hệ giữa ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4
Một trong các cách thiết lập mạng truyền thông là sử dụng khái niệm các
lớp mạng, mỗi lớp có trách nhiệm và chức năng rõ ràng trong mạng. Các lớp
thông thường chỉ cho qua dữ liệu và lệnh đến tầng trên hay dưới nó.
Các lớp giao thức mạng không dây ZigBee dựa trên mô hình tham chiếu
cơ bản OSI. Việc chia giao thức mạng thành các lớp có rất nhiều lợi ích, nếu giao
thức thay đổi theo thời gian, nó sẽ dễ dàng hơn khi thay thế hoặc lớp mà bị ảnh
hưởng thay đổi sẽ được thay đổi thay vì toàn bộ giao thức. Tương tự khi phát
triển một ứng dụng, lớp thấp hơn của giao thức vẫn độc lập so với ứng dụng và
có thể được cung cấp từ một nhà phát hành thứ ba và mọi thứ sẽ hoàn thành mà
chỉ cần thay đổi lớp ứng dụng của giao thức.

Hình 1-2: Các tầng giao thức mạng không dây ZigBee
Trong hình 1-2 hai tầng mạng dưới cùng được định nghĩa bởi chuẩn IEEE
802.15.4. Chuẩn này được phát triển bởi tổ chức chuẩn IEEE 802 và phát hành
đầu tiên vào năm 2003.
Chuẩn ZigBee chỉ định nghĩa cho lớp mạng, ứng dụng và bảo mật của
giao thức và thừa nhận các lớp PHY và MAC của IEEE 802.15.4 như là một
phần của giao thức mạng không dây ZigBee. Do đó, bất kỳ thiết bị tương tự
ZigBee nào cũng tuân thủ chuẩn IEEE 802.15.4.


10


Chuẩn IEEE 802.15.4 được phát triển độc lập với chuẩn ZigBee, và nó có
thể xây dựng mạng không dây tầm ngắn hoàn toàn dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4
và không bao gồm các lớp đặc thù của ZigBee. Trong trường hợp này, người
dùng phát triển giao thức lớp ứng dụng mạng của riêng họ ở tầng trên của lớp
PHY và MAC trong chuẩn IEEE 802.15.4. Những lớp ứng dụng mạng tùy chỉnh
này đơn giản hơn các lớp giao thức ZigBee và hướng mục tiêu vào các ứng dụng
đặc thù.
1.1.3 Tầng PHY
1.1.3.1 Cơ chế xác định mức năng lượng (ED)
Khi một thiết bị muốn truyền tín hiệu, ban đầu nó đi vào chế độ nhận tín
hiệu để xác định và giới hạn mức năng lượng tín hiệu trong kênh truyền mong
đợi. Tác vụ này được biết như là một sự xác định năng lượng (ED). Trong ED,
thiết bị nhận không cố gắng giải mã tín hiệu mà chỉ xác định mức năng lượng tín
hiệu bị giới hạn. Nếu có một tín hiệu đã sẵn sàng trong dải mong đợi, ED không
biết được là nó có phải là một tín hiệu của chuẩn IEEE 802.15.4 hay là không.
Năng lượng tín hiệu trong băng tần mong đợi trung bình là 8 chu kỳ ký hiệu.
Tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực hiện ED, tầng PHY trả về một số
nguyên 8 bit chỉ định mức năng lượng nằm trong kênh tần số mong đợi. Mức
năng lượng chính xác phải lớn hơn hoặc bằng 6 dB.
1.1.3.2 Cơ chế dò tìm sóng mang (CS)
Tương tự như cơ chế ED, cơ chế dò tìm sóng mang là một cách kiểm tra
xem kênh tần số có sẵn sàng để sử dụng hay không. Trong CS, khi một thiết bị
muốn truyền thông điệp, ban đầu nó đi vào chế độ nhận tín hiệu để xác định kiểu
của bất kỳ tín hiệu có thể nào mà hiện tại đang nằm trong kênh tín hiệu đòi hỏi,
nhưng tương phản với ED, CS là tín hiệu được giải điều chế kiểm tra là tín hiệu
điều chế hay phân bố là tuân thủ đặc tính của PHY mà hiện đang được dùng
trong thiết bị. Nếu tín hiệu đang chiếm giữ tuân thủ theo dạng PHY IEEE

802.15.4, thiết bị sẽ chọn xem xét là kênh bận mà không quan tâm tới mức năng
lượng tín hiệu.

11


1.1.3.3 Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI)
Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI-Link Quality Indication) là việc chỉ định
chất lượng của gói tin dữ liệu được nhận bởi thiết bị nhận. Độ mạnh tín hiệu
nhận được (RSS) có thể được sử dụng như là việc tính toán chất lượng sóng. RSS
là việc đo đạc tổng năng lượng của tín hiệu nhận được. Tỷ số của năng lượng tín
hiệu đòi hỏi so với tổng năng lượng nhiễu trong băng thông (tỷ số tín hiệu/nhiễu
SNR-Signal to Noise Ratio) là một cách khác để đánh giá chất lượng tín hiệu.
Như là một luật tổng quát, SNR cao hơn đồng nghĩa với việc lỗi trong các gói tin
thấp hơn. Do đó, một tín hiệu với SNR cao được coi là một tín hiệu chất lượng
cao. Chất lượng liên kết còn có thể được ước lượng sử dụng cả mức năng lượng
tín hiệu và tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu.
Sự đánh giá LQI được thực hiện cho mỗi gói tin nhận được, LQI phải có ít
nhất 8 mức duy nhất. LQI được báo cáo cho tầng MAC và sẵn sàng cho tầng
NWK và APL các kiểu phân tích. Ví dụ, tầng NWK có thể sử dụng mức LQI
được báo cáo của thiết bị trong mạng để xem xét con đường nào được chọn để
định tuyến thông điệp. Nói chung, con đường với toàn bộ LQI cao nhất có cơ hội
cao hơn trong việc chuyển thông điệp tới đích. LQI chỉ là một trong các yếu tố
trong việc lựa chon con đường để định tuyến. Những yếu tố khác, ví dụ như xem
xét tính hiệu quả của năng lượng định tuyến, cũng có thể ảnh hưởng đến sự lựa
chọn định tuyến.
1.1.3.4 Đánh giá độ thoáng kênh truyền
Trong bước đầu tiên của cơ chế truy cập kênh truyền CSMA/CA, tầng
MAC yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá độ thoáng kênh truyền (CCA) để
đảm bảo rằng kênh truyền không bị đang sử dụng bởi một thiết bị nào khác. CCA

là một phần của dịch vụ quản lý của tầng PHY. Trong CCA, kết quả của ED hay
CS có thể được sử dụng để xem xét một kênh tần số có được xem là sẵn sàng hay
bận. Quá trình CCA phải là một chu kỳ 8 ký hiệu.
Có 3 chế độ CCA, một PHY tuân thủ IEEE 802.15.4 phải có khả năng
thực hiện bất kỳ một trong 3 chế độ này:

12


• Chế độ CCA 1: Chỉ xem xét kết quả của ED, nếu mức năng lượng trên
ngưỡng ED, kênh được xem là bận. Ngưỡng ED có thể được thiết lập bởi nhà sản
xuất.
• Chế độ CCA 2: Chỉ sử dụng kết quả của CS, và kênh truyền được xem là
bận chỉ khi nếu tín hiệu đang chiếm là tuân thủ với PHY của thiết bị mà thực
hiện CCA.
• Chế độ CCA 3: Chế độ này là một sự kết hợp logic (AND/ OR) của chế
độ 1 và 2, tầng PHY có thể sử dụng những tiêu chí sau đây để xác định là kênh
có bị bận hay không.
Mức năng lượng xác định được là trên ngưỡng và sóng mang tuân thủ
chuẩn được đánh giá.
1.1.3.5 Hằng số và các thuộc tính tầng PHY
Các hằng số định nghĩa các đặc tính như kích thước tối đa của một khung
hay khoảng thời gian của một sự kiện. Mỗi tầng của giao thức đều có các hằng số
của chúng. Tầng PHY chỉ có hai hằng số, hằng số PHY aMaxPHYPacketSize chỉ
định là đơn vị dữ liệu dịch vụ PHY (PSDU) không dược phép vượt quá 127
octet. Hằng số thời gian turnaround là thời gian một thiết bị truyền nhận cần để
chuyển từ chế độ truyền (TX) sang chế độ nhận (RX), và ngược lại với khoảng
thởi gian là ít hơn 12 ký hiệu.
Bảng 1-1: Hằng số PHY
Hằng số

aMaxPHYPacketSize

Nội dung
Kích thước PSDU được cho phép (octet)
Thời gian quay vòng RX thành TX và TX

Giá trị
127

aTurnaroundTime

thanh RX tối đa được cho phép (chu kỳ ký

12

hiệu)
Trong các tầng giao thức MAC và PHY, tất cả hằng số đều có tiền tố “a”,
trong tầng NWK và APL các hằng số có tiền tố “nwkc” và “apsc” đại diện và
không bị thay đổi trong suốt khoảng thời gian hoạt động.
Bảng 1-2: Thuộc tính PHY PIB
Thuộc tính

Nội dung
13


PhyCurrentChannel
phyChannelsSupported †
phyTransmitPower*
PhyCCAMode

PhyCurrentPage
phyMaxFrameDuration †
phySHRDuration †
phySymbolsPerOctet †

Kênh tần số thực hiện
Mảng các kênh sẵn sàng và không sẵn sàng
Nguồn ra thiết bị truyền (dBm)
Chế độ CCA thực hiện (1-3)
Trang kênh PHY hiện tại
Số lượng tối đa của các biểu tượng trong
khung (55, 212, 266, 1064)
Thởi gian tồn tại của header đồng bộ hóa
(SHR) (3,7, 10, 40)
Số lượng các ký hiệu trong mỗi octet cho
PHY hiện tại (0.4, 1.6, 2, 8)

Các thuộc tính là các giá trị mà có thể thay đổi trong khi hoạt động. Các
thuộc tính tầng PHY chứa trong thông tin cơ bản PAN PHY (PHY-PIB). Các
thuộc tính được đòi hỏi quản lý bởi các dịch vụ PHY và được đánh dấu bởi dấu
trâm là các thuộc tính chỉ đọc, tầng cao hơn có thể đọc các thuộc tính chỉ đọc,
nhưng chỉ tầng PHY là có thể thay đổi chúng. Các thuộc tính được đánh dấu bởi
dấu sao “*” có các bit đặc biệt mà chi đọc. Các bit không được đánh dấu chỉ đọc có
thể được đọc hoặc ghi bởi tầng trên nó. Chỉ tầng PHY mới có thể thay đổi các bit chỉ
đọc.
1.1.4 Tầng MAC
1.1.4.1 Hoạt động của chế độ cho phép đèn hiệu và cấu trúc siêu khung
Một lợi ích của mạng chế độ cho phép đèn hiệu là khả năng của khe thời
gian bảo đảm (GTS). Khung đèn hiệu là các khung MAC chứa thông tin đèn hiệu
như thời gian cự ly giữa các khung đèn hiệu và số lượng GTS.


14


Hình 1-3: Cấu trúc siêu khung
Khi thực hiện chế độ cho phép đèn hiệu, nó có thể sử dụng một cấu trúc
siêu khung như trong hình 1-3, được bao phủ bởi hai khung đèn hiệu. Có thể có
đến 3 kiểu giai đoạn trong một siêu khung: giai đoạn truy cập tranh chấp (CAP),
giai đoạn tự do tranh chấp (CFP) và giai đoạn không hoạt động.
Trong giai đoạn CAP, tất cả các thiết bị muốn truyền cần sử dụng cơ chế
CSMA/CA để có khả năng truy cập đến một kênh tần số sẵn sàng một cách công
bằng với tất cả các thiết bị trong cùng một mạng. Thiết bị đầu tiên bắt đầu sử
dụng một kênh sẵn sàng sẽ sử dụng nó cho chính thiết bị đó cho đến khi việc
truyền hiện tại của nó hoàn thành. Nếu thiết bị tìm ra kênh truyền bị bận, nó quay
lại trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên và thử lại. Khung lệnh MAC phải
được truyền trong quá trình CAP.
Không có bảo đảm nào trong khoảng thời gian CAP cho bất kỳ thiết bị
nào có thể sử dụng một kênh tần số chính xác khi nó cần. CFP, trái ngược với
CAP, bảo đảm một khe thời gian cho một thiết bị đặc biệt và do đó thiết bị không
cần sử dụng CSMA/CA để truy cập kênh truyền và CSMA/CA cũng không được
cho phép trong CFP.
Sự kết hợp của CAP và CFP được biết là giai đoạn kích hoạt và được chia
thành 16 khe thời gian bằng nhau. Khung đèn hiệu luôn bắt đầu tại điểm bắt đầu
của khe thời gian đầu tiên. Có thể lên đến 7 GTS trong CFP. Mỗi GTS có thể
chiếm một hay nhiều hơn một khe thời gian. Một siêu khung có thể tùy chọn là
có một giai đoạn không hoạt động, cho phép thiết bị chuyển vào chế độ tiết kiệm
15


năng lượng và bộ phối hợp có thể bật tắt mạch truyền nhận của nó để bảo toàn

năng lượng pin.
Cấu trúc của siêu khung được định nghĩa bởi bộ phối hợp và được cấu
hình bởi tầng NWK sử dụng gốc MLME-START.request. Khoảng thời gian giữa
hai tín hiệu đèn hiệu liên tiếp (BI) được quyết định bởi giá trị của thuộc tính
macBeaconOrder (BO) và hằng số aBaseSuperframeDuration sử dụng biểu thức:
BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO (Ký hiệu)
Thuộc tính BO có thể có bất kỳ giá trị nào từ 0–14 trong mạng chế độ đèn
hiệu, nếu giá trị của nó được đặt là 15 mạng được xem xét là mạng không cho
phép chế độ đèn hiệu và không có siêu khung nào được áp dụng.
Chiều dài của giai đoạn kích hoạt của siêu khung được hiểu là giai đoạn
siêu khung (SD), được tính toán từ phương trình sau:
SD = aBaseSuperframeDuratio * 2SO (Ký hiệu)
SO chính là thuộc tính macSuperframeOrder. Giai đoạn siêu khung không
thể vượt quá các khoảng đèn hiệu liền kề, do đó giá trị của SO thường nhỏ hơn
hoặc bằng BO. Trong mạng không cho phép chế độ đèn hiệu, bộ phối hợp không
truyền đèn hiệu trừ khi nó nhận một lệnh yêu cầu đèn hiệu từ một thiết bị trong
mạng của nó với mục đích là định vị bộ phối hợp. Bộ phối hợp PAN trong mạng
không cho phép chế độ đèn hiệu đặt giá trị của SO là 15.

Hình 1-4: Hẹn giờ siêu khung vào và ra
16


Trong một mạng cho phép chế độ đèn hiệu, bất kỳ bộ phối hợp nào, thêm
vào các bộ phối hợp PAN, có tùy chọn để truyền đèn hiệu và tạo ra siêu khung
của nó. Hình 1-4 chỉ ra thời gian được yêu cầu khi cả bộ phối hợp PAN và một
bộ phối hợp khác trong cùng một mạng đang truyền đèn hiệu. Bộ phối hợp có thể
bắt đầu truyền đèn hiệu của nó chỉ trong giai đoạn không hoạt động của siêu
khung bộ phối hợp PAN. Đèn hiệu bộ phối hợp PAN được ám chỉ đến một đèn
hiệu được nhận. Đèn hiệu của bất kỳ bộ phối hợp nào khác được biết như là đèn

hiệu được truyền. Giai đoạn hoạt động cả hai siêu khung phải có chiều dài tương
đương. Bộ phối hợp, khác với một bộ phối hợp PAN, chỉ truyền một đèn hiệu chỉ
rõ sự bắt đầu của siêu khung của nó và kết thúc siêu khung có thể tương đồng với
kết thúc của siêu khung bộ phối hợp PAN.
Nếu một thiết bị không sử dụng các GTS của nó cho một khoảng thời gian
được mở rộng, GTS của nó sẽ hết hạn và bộ phối hợp có thể phân công GTS đặc
biệt cho một thiết bị khác. Giai đoạn không hoạt động mà sẽ là kết quả là sự hết
hạn GTS thường là một số nguyên gấp đôi chiều dài một siêu khung. Giá trị của
nó nhân (n) phụ thuộc vào macBeaconOrder:
n = 2(8 - macBeaconOrder) nếu 0 <= macBeaconOrder <= 8
n=1

nếu 8 <= macBeaconOrder <= 14

1.1.4.2 Không gian liên khung
Trong khi truyền dữ liệu từ một thiết bị đến một thiết bị khác, thiết bị
truyền phải đợi trong thời gian ngắn giữa các khung được truyền liên tục của nó
để cho phép thiết bị nhận xử lý khung nhận được trước khi khung tiếp theo đến
được biết là khoảng cách liên khung (IFS). Chiều dài của IFS phụ thuộc vào kích
thước khung được truyền. Các MPDU với các kích thước nhỏ hơn hay bằng
aMaxSIFSFrameSize được xem xét là khung ngắn. Một khung dài là một MPDU
với kích thước vượt quá số octet của aMaxSIFSFrameSize.
Giai đoạn chờ đợi sau mỗi khung ngắn được ám chỉ là một IFS ngắn
(SIFS). Giá trị tối thiểu của SIFS là macMinSIFSPeriod. Tương tự một khung dài
theo sau bởi một IFS dài (LIFS) với giá trị tối thiểu là chiều dài

17


macMinLIFSPeriod. Giá trị của macMinSIFSPeriod và macMinLIFSPeriod là 12

và 14 ký hiệu.
1.1.4.3 Cơ chế CSMA/CA
Cơ chế truy cập kênh truyền được hỗ trợ bởi tầng MAC trong chuẩn IEEE
802.15.4 là CSMA/CA, khi một thiết bị muốn truyền nó sẽ thực hiện một CCA
để đảm bảo rằng kênh truyền không bận sau đó nó sẽ truyền tín hiệu của nó.
Truy cập kênh truyền trong giai đoạn tự do xung đột (CFP). Truyền ngay
sau khi thông báo một lệnh yêu cầu dữ liệu. Nói cách khác, nếu một thiết bị yêu
cầu dữ liệu từ một bộ phối hợp, bộ phối hợp truyền thông báo ngay lập tức sau
đó mà không thực hiện CSMA/CA giữa 2 lần truyền, thậm chí trong giai đoạn
truy cập xung đột (CAP).
Có hai kiểu CSMA/CA: có khe và không có khe. CSMA/CA có khe được
ám chỉ tới việc thực thi CSMA/CA trong khi có một cấu trúc siêu khung trong
đó. Một siêu khung chia giai đoạn hoạt động ra thành 16 khe thời gian bằng
nhau. Giai đoạn lặp lại của thuật toán CSMA/CA cần được sắp hàng thành các
khe thời gian riêng biệt. Thuật toán CSMA/CA không có khe được sử dụng khi
không có cấu trúc siêu khung, thông thường, không có khe lặp lại yêu cầu. Một
mạng không cho phép chế độ đèn hiệu thường sử dụng thuật toán CSMA/CA
không có khe để truy cập kênh truyền.
Nếu CCA xác định được một kênh truyền bận, thiết bị sẽ lặp lại trong một
khoảng thời gian ngẫu nhiên. Khoảng thời gian lặp lại ngẫu nhiên trong cả
CSMA/CA có khe và không có khe là một số nguyên là tích của đơn vị khoảng
thời gian lặp lại aUnitBackoffPeriod ký hiệu.
Hình 1-5 thể hiện lưu đồ của thuật toán CSMA/CA. Có 3 biến được sử
dụng trong thuật toán là: số mũ lặp lại (BE), số lần lặp lại (NB) và chiều dài cửa
sổ xung đột (CW). Biến BE quyết định khoảng cho phép cho khoảng thời gian
lặp lại khi kênh truyền bận. Khoảng thời gian lặp lại là một số nguyên nằm trong
khoảng 0 – (2BE-1) nhân với đơn vị thời gian lặp lại:
Thời gian lặp lại = (Một số ngẫu nhiên trong khoảng 0 – (2 BE - 1)) *
aUnitBackoffPeriod


18


19


Bắt đầu

S
Có
khe?

Đ
NB=0, CW=2

NB=0, BE=macMinBE
Đ

Năng
lượng
pin?

BE=min(2, macMinBE)

S
BE = macMinBE
Xác định giới hạn giai đoạn
quay lui
Đợi trong khoảng thời gian
ngẫu nhiên: (0->2Be-1) * giai

đoạn quay lui đơn vị

Đợi trong khoảng thời gian
ngẫu nhiên: (0->2Be-1) * giai
đoạn quay lui đơn vị

Thực hiện CCA
(theo cơ chế có khe)

Thực hiện CCA

Đ

Kênh

Đ

Kênh
rỗi?

rỗi?
S
CW=2, NB=NB+1,
BE=min(BE+1, macMaxBE)

S

S
NB>macMax
CSMSBacko

ff?

Đ
Thất bại

NB=NB+1,
BE=min(BE+1, macMaxBE)

CW=CW-1

S

CW=
0?

Đ

Thành
công

S
NB>macMax
CSMSBackof
fs?

Đ
Thất bại

Thành công


Hình 1-5: Lưu đồ thuật toán CSMA/CA
20


Giá trị khởi tạo của BE bằng với macMinBE trong một truy cập kênh
truyền CSMA/CA không có khe. Trong CSMA/CA có khe lựa chọn tùy chọn sự
mở rộng tuổi thọ pin (BLE) trong cấu trúc siêu khung ảnh hưởng đến giá trị của
BE. Nếu tùy chọn BLE được kích hoạt, bộ phối hợp tắt bộ nhận tín hiệu của nó
trong một khoảng thời gian bằng với các macBattLifeExPeriod theo sau việc
truyền khung đèn hiệu, để bảo toàn năng lượng. Trong trường hợp này, dải giá trị
của khoảng thời gian lặp lại giới hạn trong ít hơn 2 và giá trị của macMinBe:
BE = min (2, macMinBE)
Nếu tùy chọn BLE không được lựa chọn, bộ phối hợp hoạt động trong
toàn bộ CAP và giá trị của BE bằng macMinBE. Giá trị của BE được tăng mỗi
khi một CCA thực hiện và kênh truyền bận, nhưng giá trị BE không thể vượt quá
macMaxBE.
NB là một bộ đếm mà cập nhập số lần thiết bị lặp lại và thử lại cơ chế truy
cập kênh truyền. Khi bắt đầu thuật toán giá trị của NB được đặt là 0 và giá trị
tăng lên một khi thiết bị phải lặp lại do kênh truyền bận. Khi NB đạt đến giá trị
macMaxCSMABackoff và kênh vẫn không được truy cập thành công, thuật toán
CSMA/CA kết thúc và báo cáo truy cập kênh truyền lỗi cho tầng NWK.
Biến cửa sổ xung đột (CW) quyết định số lượng khoảng thời gian lặp lại
mà kênh truyền phải sẵn sàng trước khi bắt đầu truyền. Ví dụ CW = 2, thiết bị chỉ
bắt đầu truyền sau 2 kết quả lặp lại liên tiếp trong một kênh hiện hữu. CW chỉ
được sử dụng trong thuật toán CSMA/CA có khe. Nếu quá trình truyền không
thể hoàn thành trước khoảng thời gian được cho phép, tầng MAC sẽ đợi đến khi
bắt đầu CAP tiếp theo và thử lại thuật toán truy cập kênh truyền CSMA/CA lần
nữa.
1.1.5 Tầng NWK
1.1.5.1 Truyền thông broadcast

Trong truyền thông quảng bá, thông điệp có mục đích được truyền bởi
một thiết bị mà đang lắng nghe một kênh tần số đặc biệt, chú ý địa chỉ của chúng
hay định danh PAN. Mỗi khi một thiết bị nhận một gói, nó sẽ kiểm tra địa chỉ
đích được cung cấp trong gói để phê duyệt là thiết bị có ý định nhận gói hay
21


không. Để quảng bá trong mạng IEEE 802.15.4 chế độ địa chỉ ngắn được sử
dụng và địa chỉ đích được đặt là 0xffff. Địa chỉ này được chấp nhận bởi tất cả các
thiết bị mà nhận gói như địa chỉ của chúng. Định danh PAN cũng có thể được đặt
là 0xffff. Thiết bị nhận sẽ chấp nhận 0xffff như là một định danh PAN hợp lệ.
Địa chỉ MAC 0xffff được biết như là địa chỉ quảng bá.
Một bộ phối hợp ZigBee và các bộ định tuyến ZigBee duy trì bản ghi của
tất cả thông điệp mà chúng quảng bá trong một bảng gọi là bảng giao dịch quảng
bá (BTT). Bản ghi tự nó không thể được biết là bản ghi giao dịch quảng bá
(BTR) và chứa số hiệu chuỗi và địa chỉ nguồn của khung quảng bá. Mỗi router
ZigBee được có khả năng đệm ít nhất một khung tại tầng NWK. Khả năng đệm
giúp cho việc truyền lại các quảng bá này. Mỗi BTR cho phép chỉ một khoảng
thời

gian

giới

hạn

và

sẽ


hết

hạn

sau

khoảng

thời

gian

là

nwkNetworkBroadcastDelivery-Time (giây) từ nó tạo ra. Một BTR bị hết hạn có
thể bị ghi đè nếu một BTR mới đang được tạo và BTT đầy. Nếu một thiết bị đầu
cuối ZigBee không giữ bộ nhận của nó trong chế độ ON trong khi thiết bị trong
trạng thái chờ, thiết bị không chuyển tiếp thông điệp quảng bá hay bảo trì một
BTT. Nếu một bộ định tuyến ZigBee với macRxOnWhenIdle được đặt là FALSE
nhận một thông điệp quảng bá, nó sẽ không sử dụng cơ chế quảng bá. Thay vào
đó, nó sẽ sử dụng unicast để chuyển tiếp thông điệp mà không có độ trễ nào cho
các hàng xóm của nó một cách riêng rẽ. Trường address chứa địa chỉ của thiết bị
có mục đích và không phải địa chỉ quảng bá. Trong thời gian quảng bá, thông
điệp được chuyển tiếp bởi nhiều thiết bị và có khả năng xuất hiện xung đột về nút
ẩn. Để giảm thiểu, tầng NWK yêu cầu là trước mỗi lần truyền lại thiết bị phải đợi
trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên gọi là broadcast jitter, chiều dài của nó
phải nhỏ hơn giá trị của thuộc tính nwkcMaxBroadcastJitter theo đơn vị mili
giây.
1.1.5.2 Truyền thông multicast
Trong multicast một thiết bị chuyển thông điệp đến một nhóm thiết bị

trong cùng mạng thay vì toàn bộ mạng. Trong ứng dụng điều khiển đèn, khi

22


truyền một khung đơn đến một thiết bị hoạt động như một công tắc có thể bật tắt
một nhóm đèn.
Mỗi nhóm được định nghĩa bởi một ID nhóm là một địa chỉ 16 bit
multicast. Một thiết bị có thể là thành viên của một hay nhiều nhóm. Mỗi thiết bị
giữ danh sách của các thành viên nhóm multicast trong một bảng gọi là bảng
multicast (nwkGroupIDTable).
Một thiết bị phi là thành viên của một nhóm multicast nào thì có thể sử
dụng multicast để đến các thành viên bằng hai chế độ là chế độ thành viên và chế
độ phi thành viên. Trong chế độ thành viên, một multicast được khởi tạo bởi một
thiết bị thành viên và gửi cho các thành viên của nhóm multicast. Trong chế độ
phi thành viên, một thiết bị mà không là thành viên của một nhóm multicast định
tuyến thông điệp đến một thành viên nhóm multicast, mà từ đó nó sẽ được gửi
đến các thành viên trong nhóm của nó.
Khung dữ liệu tầng NWK có một trường là multicast mode mà phân biệt
là khung này đang được truyền bởi một thiết bị là thiết bị thành viên hay phi
thành viên.

Hình 1-6: Truyền thông được khởi tạo bởi một thiết bị phi thành viên
Trong hình 1-6 là một thiết bị phi thành viên khởi tạo một multicast, nó
tạo ra một khung dữ liệu NWK và đặt trường multicast mode là không thành
viên. Giả sử một bộ định tuyến khám phá đã thực hiện trước khi truyền thì thiết
bị nguồn biết được địa chỉ của hop tiếp theo có nghĩa là nó đã thiết lập định tuyến
đẫn khung đến một thiêt bị thành viên bằng cách unicast liên tiếp. Thiết bị tiếp
theo nhận khung từ một thiết bị phi thành viên và lại chuyển tiếp cho thiết bị tiếp
23



theo sử dụng unicast cho đến khi khung được nhận bởi một thành viên của một
nhóm multicast. Thiết bị này sẽ chuyển giá trị trường multicast mode thành chế
độ thành viên và gửi cho các thành viên của nó bằng cách broadcast. Trong chế
độ này không có thừa nhận bị động.
Với broadcast cả thành viên và không thành viên sẽ broadcast lại khung
được nhận nếu BBT của nó không đầy và nó không broadcast trước đó chính
khung này. Trong multicast có thể giới hạn số lần một khung multicast được
broadcast lại bởi các thiết bị phi thành viên. Khung broadcast có trường là
nomember radius mà sẽ giảm đi mỗi khi khung được broadcast lại bởi một thiết
bị phi thành viên, khi nó bằng 0 thì sẽ không được broadcast lại nữa. Có một
ngoại lệ là khi trường này đặt là 007 thì nó sẽ không bị giới hạn. Trong chuẩn
ZigBee chỉ có khung dữ liệu mới được truyền multicast còn khung lệnh thì
không.
1.1.5.3 Truyền thông many to one
Kịch bản truyền thông cho một thiết bị nhận các thông điệp từ nhiều thiết
bị trong cùng một mạng. Thiết bị nhận được gọi là sink và sẽ thiết lập các định
tuyến từ tất cả các bộ định tuyến ZigBee và bộ phối hợp ZigBee trong vùng bán
kính.

Hình 1-7: Truyền thông n – 1

24


1.1.5.4 Cấu trúc phân cấp dạng cây
Một mạng hình cây bắt đầu từ một bộ phối hợp ZigBee đóng vai trò như
là gốc của cây. Một bộ phối hợp ZigBee hay là bộ định tuyến có thể đóng vai trò
là các thiết bị cha và chấp nhận kết hợp từ các thiết bị con khác trong mạng. Một

thiết bị đầu cuối ZigBee chỉ có thể là thiết bị con bởi vì nó thiếu khả năng định
tuyến.
Độ sâu của mạng được định nghĩa như là số lượng tối đa các hop được đòi
hỏi cho một khung để đến được bộ phối hợp ZigBee nếu chỉ sử dụng liên kết
cha/con. Độ sâu của cha đến con của nó là 1 vì chỉ có một hop và độ sâu của bộ
phối hợp Zigbee đến chính nó là 0.
Chuẩn ZigBee cung cấp một cơ chế cấp phát địa chỉ cho các thiết bị trong
một mạng cây, được biết là cấp phát địa chỉ được phân phối mặc định. Tuy nhiên
các nhà phát triển ứng dụng được cho phép sử dụng phương thức cấp phát địa chỉ
của họ. Khi bộ phối hợp ZigBee bắt đầu thiết lập mạng, nếu thuộc tính
nwkUseTreeAddrAlloc được đặt là TRUE thì bộ phối hợp sẽ sử dụng sơ đồ đánh
địa chỉ được phân phối mặc định. Trong chế độ đánh địa chỉ này bộ phối hợp
ZigBee cung cấp cho mỗi cha tiềm năng của nó một khối địa chỉ mạng con. Thiết
bị cha sẽ gán các địa chỉ này cho các thiết bị con của nó. Bộ phối hợp ZigBee
quyết định số lượng tối đa của các thiết bị con được cho phép cho mỗi cha. Nếu
thuộc tính nwkUseTreeAddrAlloc được đặt là FALSE, tầng APL cung cấp việc
đánh địa chỉ người dùng tự định nghĩa cho tầng NWK.

25