LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài tập này trước hết chúng em chân thành cảm ơn Thầy
Ts.Lương Khắc Định khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Kỹ thuật-Hậu
cần CAND đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo chúng em hoàn thành báo cáo này.
Tuy bản thân đã rất cố gắng tìm hiểu tài liệu từ nhiều nguồn thông tin khác
nhau như là giáo trình, sách, internet,…nhưng không tránh được những sai sót,
kính mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để tôi có thể
hoàn thiện hơn và là cơ sở vững chắc để sau này ra trường làm việc.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1


MỤC LỤC

2


3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu
cầu về trao đổi thông tin, giải trí, nhu cầu về điều khiển thiết bị từ xa,…ngày
càng cao. Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt nhu cầu
này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện
vận chuyển,…Vì thế công nghệ không dây đã ra đời và đang phát triển mạnh
mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày. Kỹ thuật
không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làm
việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc,
v.v…Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, kỹ thuật không dây đã đưa ra

nhiều chuẩn với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau để có thể phù hợp với từng
nhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như IrDA, WLAN với chuẩn
802.11, ZigBee, OpenAir, UWB, Bluetooth,…
Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó, và
Bluetooth đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm,
rất thuận lợi cho những thiết bị di động. Với một tổ chức nghiên cứu đông đảo,
hiện đại và số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm của họ
ngày càng tăng, Bluetooth đang dần lan rộng ra khắp thế giới, xâm nhập vào mọi
lĩnh vực của thiết bị điện tử và trong tương lai mọi thiết bị điện tử đều có thể
được hỗ trợ kỹ thuật này.
Xuất phát từ các lý do trên, chúng em đã thực hiện đề tài “TÌM HIỂU VỀ
CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 CHO MẠNG WPAN”.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC TIÊU CHUẨN IEEE 802.15
1.1. Mạng WPAN
1.1.1. Khái niệm
Mạng WPAN là mạng cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền
thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như mạng
WLAN(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà
không đòi hỏi nhiều về cớ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các
hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạc
nhất là trong một băng tần eo hẹp.
1.1.2. Sự phát triển của mạng WPAN
Trong suốt giữa thế kỷ 20 mạng điện thoại có dây đã được dử dụng rộng rãi
và là một nhu cầu tất yếu cho cuộc sống. Tuy nhiên một thực tế đặt ra là khi xã
hội ngày càng phát triển, các nhu cầu dịch vụ cũng vì thế mà tăng theo, trong
thông tin liên lạc chi phí cho những phát sinh của mạng điện thoại có dây cũng

tăng cộng thêm nhu cầu về tính cơ động trong thông tin liên lạc,…Và mạng điện
thoại tế bào ra đời chính là xu phát triển, mở rộng tất yếu của mạng điện thoại có
dây. Mạng điện thoại tế bào và biện pháp sử dụng lại tần số là phượng pháp duy
nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyến
hạn chế (Ví dụ như các chuẩn GSM, IS-136, IS- 95).
Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ
cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các
vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao.
Trong khi mà IEEE 802.11 đề cập đến những thứ như là tốc độ truyền tin trong
Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa
(khoảng 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu
trong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính 30m). Tính năng của chuẩn
mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong
vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất
ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết được vấn đề hạn
chế về băng tần như hiện nay. Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho
chuẩn WPAN.
1.2. Các tiêu chuẩn IEEE 802.15 cho mạng WPAN
IEEE 802.15 là bộ tiêu chuẩn thứ 15 thuộc họ IEEE 802. Bộ tiêu chuẩn này
chuyên về Wireless PAN (Personal Area Network).
Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) – hay còn gọi là mạng cá
nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng
cách tương đối ngắn. Không giống như mạng WLAN, mạng WPAN có thể liên
lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép
có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao
trong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp.
5


Trong thời gian khoảng giữa những năm thập kỉ 80 thế kỷ XX, chuẩn IEEE

802.15 ra đời để phục vụ cho nhóm chuẩn WPAN. Nhóm chuẩn này tập trung
giải quyết các vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ
(bán kính 30m). Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ,
tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé.
Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại
kênh tần số, đó là giải quyết được các vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay.
IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt
thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ
(QoS).
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa
phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.
WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứng
dụng trong các mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có chất
lượng dịch vụ QoS phù hợp cho thông tin thoại.
WPAN tốc độ thấp (chuẩn IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản
phẩm công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu
hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Chính tốc
độ truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng. Trong chuẩn
này thì công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình.
Chúng ta sẽ nói rõ thêm về công nghệ ZigBee, một xu hướng của mạng
không dây trong điều khiển tự động. Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ
truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp và là giao thức mạng không
dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa. Tổ chức IEEE
802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu
ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho
công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin
với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị có thời
gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin
như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt
lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị

không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng
cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu
cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4Ghz (toàn cầu),
40kbps ở dải tần 915Mhz (Mỹ + Nhật) và 20kbps ở dải tần 868Mhz (ở châu
Âu).
Các nhóm nghiên cứu ZigBee và tổ chức IEEE đã làm việc với nhau để chỉ
rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung
nghiên cứu và 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và liên kết dữ liệu). ZigBee
còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến
tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng
các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn
theo một chuẩn riêng để làm việc với nhau được mà không tương tác lẫn nhau.
6


Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật
lý và tầng con MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng
hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho
năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể
bằng cách dùng cac khe thời gian đảm bảo (GTSs_guaranteed time slots). Tính
năng nổi bật chỉ có ở công nghệ ZigBee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến
gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của
tầng vật lý gồm có phát hiên chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng
truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống
với các loại mạng không dây khác.
Với các tính năng nổi bật như trên, hứa hẹn trong tương lai sẽ xuất hiện
công nghệ ZigBee mới với chuẩn IEEE 802.15.4 được phổ biến rộng rãi.

7



CHƯƠNG 2. TIÊU CHUẨN BLUETOOTH
2.1. Khái niệm Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao
tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung
ISM Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40- 2.48 GHz.Đây là dãy
băng tầng không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị không
dây trong công nghiệp, khoa học, y tế.
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và
các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại
với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ.
Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác
có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng. Nó
được định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói.
2.2. Lịch sử, hình thành và phát triển của Bluetooth
2.2.1. Lịch sử tên Bluetooth
Bluetooth là tên của nhà vua Đan Mạch- Harald I Bluetooth (Danish Harald
Blåtand) (910-985). Harald Bluetooth đã hợp nhất Đan Mạch và Norway. Ngày
nay Bluetooth là biểu tượng của sự thống nhất giữa Computer và Telecom, giữa
công nghệ máy tính và công nghệ truyền thông đa phương tiện.
2.2.2. Hình thành và phát triển của Bluetooth
Năm 1994: Lần đầu tiên hãng Ericsson đưa ra một đề án nhằm hợp nhất
liên lạc giữa các loại thiết bị điện tử khác nhau mà không cần phải dùng đến các
sợi cáp nối cồng kềnh, phức tạp. Ðây thực chất là một mạng vô tuyến không dây
cự ly ngắn chỉ dùng một vi mạch cỡ 9mm có thể chuyển các tín hiệu sóng vô
tuyến điều khiển thay thế cho các sợi dây cáp điều khiển rối rắm.
Năm 1998: 5 công ty lớn trên thế giới gồm Ericsson, Nokia, IBM, Intel và
Toshiba đã liên kết, hợp tác thiết kế và triển khai phát triển một chuẩn công
nghệ kết nối không dây mới mang tên BLUETOOTH nhằm kết nối các thiết bị
vi điện tử lại với nhau dùng sóng vô tuyến.

Đến ngày 20/5/1998: nhóm nghiên cứu Special Interest Group – SIG chính
thức được thành lập với mục đích phát triển công nghệ Bluetooth trên thị trường
viễn thông. Bất kỳ công ty nào có kế hoạch sử dụng công nghệ Bluetooth đều có
thể tham gia vào.
Tháng 7/1999: các chuyên gia trong SIG đã đưa ra thuyết minh kỹ thuật
Bluetooth phiên bản 1.0.
Năm 2000 : SIG đã bổ sung thêm 4 thành viên mới là 3Com, Lucent
Technologies, Microsoft và Motorola. Công nghệ Bluetooth đã được cấp dấu
chứng nhận kỹ thuật ngay trong lần ra mắt đầu tiên.
8


Năm 2001: Bluetooth 1.1 ra đời cùng với bộ Buetooth software
development kit-XTNDAccess Blue SDK, đánh dấu bước phát triển chưa từng
có của công nghệ Bluetooth trên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của
nhiều nhà sản xuất mới. Bluetooth được bình chọn là công nghệ vô tuyến tốt
nhất trong năm.
Tháng 7/2002, Bluetooth SIG thiết lập cơ quan đầu não toàn cầu tại
Overland Park, Kansas, USA. Năm 2002 đánh dấu sự ra đời các thế hệ máy tính
Apple hỗ trợ Bluetooth. Sau đó không lâu Bluetooth cũng được thiết lập trên
máy Macintosh với hệ điều hành MAC OX S. Bluetooth cho phép chia sẻ tập tin
giữa các máy MAC, đồng bộ hóa và chia sẻ thông tin liên lạc giữa các máy
Palm, truy cập internet thông qua điện thoại di động có hỗ trợ Bluetooth (Nokia,
Ericsson, Motorola…).
Tháng 5/2003, CSR (Cambridge Silicon Radio) cho ra đời 1 chip
Bluetooth mới với khả năng tích hợp dễ dàng và giá cả hợp lý hơn. Điều này
góp phần cho sự ra đời thế hệ Motherboard tích hợp Bluetooth, giảm sự chênh
lệch giá cả giữa những mainboard
cellphone có và không có Bluetooth. Tháng 11/2003 dòng sản phẩm
Bluetooth 1.2 ra đời.

Năm 2004, các công ty điện thoại di động tiếp tục khai thác thị trường sôi
nổi này bằng cách cho ra đời các thế hệ điện thoại di động đời mới hỗ trợ
Bluetooth (N7610, N6820, N6230). Motorola cho ra sản phẩm Bluetooth đầu tay
của mình. Các sản phẩm Bluetooth tiếp tục ra đời và được và được xúc tiến
mạnh mẽ qua chương trình “Operation Blueshock” International Consumer
Electronics Show (CES) tại Las Vegas ngày 9/1/2004.
6-1-2004, trong hội nghị Bluetooth CES (Consumer Electronics Show) ở
Las Vegas, tổ chức Bluetooth SIG thông báo số thành viên của mình đã đạt con
số 3000, trở thành tổ chức có số thành viên đông đảo thuộc nhiều lĩnh vực công
nghệ: từ máy móc tự động đến thiết bị y tế, PC đến điện thoại di động, tất cả đều
sử dụng kỹ thuật không dây tầm ngắn trong sản phẩm của họ.
Bluetooth hiện đang có tốc độ phát triển khá nhanh với khả năng ứng dụng
ngày càng đa dạng, theo tính toán của công ty nghiên cứu thị trường Frost &
Sulivan, trong năm 2001 có 4.2 triệu sản phẩm sử dụng công nghệ Bluetooth
được đưa ra thị trường, con số này sẽ tăng lên 1.01 tỷ vào năm 2006.
Những năm gần đây, Bluetooth được coi là thị trường năng động và sôi nổi
nhất trong lĩnh vực truyền thông. Với sự ra đời của công nghệ Bluetooth thì ta
có thể lạc quan nói rằng, thời kỳ kết nối bằng dây hữu tuyến giữa các thiết bị đã
đến hồi kết thúc, thay vào đó là khả năng kết nối không dây thông minh và trong
suốt, điều này sẽ là hiện thực chỉ trong một tương lai gần mà thôi.
2.3. Các đặc điểm của Bluetooth
Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết
bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.
9


Giá thành hạ (Giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống dưới
mức 5$ một đơn vị).
Khoảng cách giao tiếp cho phép:
- Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và

5m trong tòa nhà.
- Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngoài
trời và 30m trong tòa nhà.
Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM.
Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao)
mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (light-of-sight requirements).
Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng
này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có
thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa (build in
authentication and encryption).
Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần
mềm hỗ trợ.
2.4. Mục đích của Bluetooth
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các
thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau một
cách thuận lợi với giá thành rẻ.

2.5. Các loại Bluetooth
OBEX(Object Exchange):dùng trao đổi các dữ liệu vật lý:tập tin, hình ảnh
và cả các dạng nhị phân.

Hình 2.5.1.a.1. Object Exchange
10


L2CAP(Logical link control and adaptation protocol): được sử dụng để gửi
các gói dữ liệu giữa máy chủ và máy khách


Hình 2.5.1.a.2. Logical link control and adaptation protocol
RFCOMM(Radio Frequency COMMunication): được sử dụng cho luồng
dữ liệu đơn giản

Hình 2.5.1.a.3. Radio Frequency COMMunication

11


CHƯƠNG 3. TIÊU CHUẨN ZIGBEE VÀ UWB
3.1. ZIGBEE
3.1.1. Khái niệm
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những
thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc
“Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ
việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải
quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết
một vấn đề nào đó.
3.1.2. Đặc điểm
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng
điều khiển từ xa và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15 bắt đầu làm việc với
chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức
IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục
tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng
lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài
tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth.
Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh
network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử

dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy
thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng
dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần
915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để
chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15 tập trung
nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu).
Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng
mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc
chắn rằng các khách hang dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau
nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương
tác lẫn nhau.
Hiện nay thì IEEE 802.15 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý
PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng
hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định tuyến được
thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức
thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed
time slots). Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự
hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm
vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của đường truyền

12


(LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao
khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác.
3.1.3. Ưu điểm
Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ
truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiểm năng lượng hơn. Một nốt mạng trong mạng
Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai ácqui

AA.
Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là
10m (trong trường hợp không có khuếch đại).
Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của
Zigbee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong
khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh
trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này
cho phép tối đa tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại
giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad
hoc là một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn
chế về không gian và thời gian). Các thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng
scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet không đồng bộ. Nó chỉ cho phép
tối đa là 8 nút slave trong một mạng chủtớ cơ bản.
Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và
nhận các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm
việc này trong 3sec.
3.1.4. Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN
Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi
phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện
khi áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng....
a. Thành phần của mạng LR-WPAN
Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản
nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị
này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều
phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng
hạn chế có tên là RFD (reduced-function device). Một mạng tối thiểu phải có 1
thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN.
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng
PAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc

đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng. RFD được dùng cho các ứng dụng
đơn giản, không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với
nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

13


b. Kiến trúc liên kết mạng
Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết
mạng cho công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên
kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh)
cấu trúc bó cụm hình cây. Sự đa rạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ
Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi. Hình 1 cho ta thấy ba loại mạng mà
ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây.

Hình 3.1.4.b.1. Cấu trúc liên kết mạng
Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Hình 3.1.4.b.2. Cấu trúc mạng hình sao
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một
thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN.
Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và
trở thành một bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ
14


số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID (PAN identifier), nó
cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD
đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ
sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với

(PAN coordinator) bộ điều phối mạng PAN.
Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

Hình 3.1.4.b.3. Cấu trúc mạng mesh
Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN
coordinator). Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và
mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với
bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị
A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển,
mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy
rừng….).

15


Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)

Hình 3.1.4.b.4. Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số
thiết bị là FFDvà một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc
ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là
một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator
khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng
cao.Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có
duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu
ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số
nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster
head) bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát
khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được

khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng
PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị
đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh
cây mới và bắt đầu phátquảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào
mạng. Từ đó có thể hình thành được các CLH1, CLH2,...
3.2. Ultra wide-band (UWB)
3.2.1. Giới thiệu về hệ thống UWB
UWB không hoàn toàn là kỹ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn
các kỹ thuật xử lý tín hiệu được sử dụng. Với các ưu thế như tốc độ cao, công
suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu nhỏ… các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại
16


và trong tương lai với các ứng dụng không dây. Trước khi tìm hiểu về truyền
thông UWB trước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB.
UWB mô tả các hệ thống truyền dẫn trải phổ từ 500 MHz hay tỉ số băng
tần lớn hơn 20%.

Trong đó B:=- chỉ băng tần 10dB của hệ thống và tần số trung tâm hệ thống
UWB với = (+)/2 với là tần số cao với công suất thấp hơn 10dB so với tần số
có công suất cực đại, và là tần số thấp với công suất thấp hơn 10dB so với tần số
có công suất cực đại.
Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ
mục đích quân sự bởi vì chúng có thể ‘nhìn xuyên qua’ cây cối và mặt đất. Tuy
nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các
ứng dụng điện tử viễn thông. Các đặc điểm lí tưởng của hệ thống UWB là công
suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây
nhiễu cực nhỏ.
Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây
mới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến. Kỹ thuật UWB có

khác biệt so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường thay
bằng truyền dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải
rộng tân số. Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được
thay thế bởi các chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây. Với băng
tần rộng và công suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.
3.2.2. Lịch sử phát triển của UWB
Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ mới, do nó là công
nghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có. Đó là tốc độ cao,
kích cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới.
Tuy nhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo ngĩa các thuộc tính vật lý mới
của nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng.
Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện
nay dựa vào các sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã
trở nên phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết
rằng hệ thống truyền thông đầu tiên thực tế dựa vào tín hiệu dạng xung. Năm
1893 Heirich Hertz sử dụng một bộ phát xung để tạo ra sóng điện từ cho thí
nghiệm của ông. Các sóng đó hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu. Trong
20 năm sau những thí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các
bộ phát tia lửa điện giữa các điện cực cacbon.
Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông
chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại
một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và
17


truyền thông. Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt
được các kết quả chính xác với hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực
ngắn. Các thành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật
thể tạo cơ sở để phát triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như
rada lòng đất. Năm 1973 có bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB.

Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển theo hướng mới. Các ứng dụng khác, như
điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được
phát triển. Phần lớn các ứng dụng và phát triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự
hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩ dưới các chương trình bí mật.
Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB như
rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương trình nghiên cứu và phát
triển.
Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu chương trình mại hóa các hệ thống và
thiết bị truyền thông UWB. Các công ty như Time Domain và đặc biệt là
XtremeSpectrum được thành lập quanh ý tưởng sử dụng tín hiệu UWB.
3.2.3. Các ưu điểm của UWB
Tốc độ cao
Giá thành thiết bị thấp
Chống đa đường
Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm
Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà hiện tại
chưa có. Tốc độ lớn hơn 100Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua tốc độ ở
trên khoảng cách ngắn.
Biểu thức Shannon được biểu diễn:
C=D log (1+ S/N)
Trong đó C là dung lượng tối đa của kênh, với đơn vị [b/x]; B là băng tần
kênh [Hz]; S là công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm. Có thể thấy
rằng dung lượng kênh tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với
công suất tín hiệu S. Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể nảy sinh
(tăng) độ rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn công
suất khác. Qua biểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng
cung cấp tốc độ rất cao cho các hệ thống truyền thông không dây.
3.2.4. Những thách thức của UWB
UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng
như nhiều ứng dụng khác trong tương lai, nó cũng có một số thách thức phải

vượt qua để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến.
Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều kiện để tránh nhiễu giữa
các người dùng khác nhau. Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người
cũng sử dụng băng tần nằm trong dải băng tần này có thể bị ảnh hưởng và cần
phải chắc chắn rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ.
18


Đặc biệt là trong trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải
băng tần của họ. Do đó giải quyết vần đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ
thống UWB.
Những thách thức khác bao gồm ả việc các nhà sản xuất chập nhận các tiêu
chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB. Hiện nay chưa có sự
nhất trí hoàn toàn vế các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn
cũng như các thiết bị là rất rõ ràng.
Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại
bỏ nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên
tương đương với các thiết bị vô tuyến tại.
3.2.5. Vai trò của xử lý tín hiệu
Sử dụng các kĩ thuật xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong tất cả các
hệ thống truyền thông hiện nay. Tương lai của các hệ thống truyền thông phát
triển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các
giới hạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lương kênh. Tăng hiệu
năng hệ thống là cần thiết để thỏa mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự
cạch tranh về công nghệ cũng như trên thị trường. Do đó, xử lý tín hiệu tốt là
một trong những yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông.
Trong trường hợp các hệ thống UWB, điều này vẫn đúng. Xử lý tín hiệu
cho hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp
dẫn. Một trong những yếu tố thú vị của hẹ thống UWB là không sử dụng sóng
mang, và tín hiệu hoàn toàn là băng gốc. Do đó có thể loại bỏ các thành phần

như các bộ trộn sử dụng để hạ tầng tín hiệu trước khi lấy mẫu.
3.2.6. Chuẩn hóa
Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN
thế hệ kế tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý. Mặc dù
nhiều đề xuất được đưa ra, hai trong số đó là DS-CDMA va MB-OFDM, chúng
đang là những ứng cử viên đầy hứa hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt được
sự chấp thuận từ phía ủy ban chuẩn hóa.
Đề xuất DS-CDMA, được đưa ra bởi Freescale (trước kia là Xtreme
Spectrum) và kết hợp với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần được cấp phát
thành 2 băng. Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz,
nhưng phiên bản sau đã vượt ra ngoài phổ tần đó. Dải tần cho đề xuất này là từ
3.2-5.15 GHz và 5.825-10.6 GHz. Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ảy BiOrthogonal Keying và một sơ đồ mã hóa CDMA cho việc ghép kênh và phân
kênh.

19


Hình 3.2.6.a.1. Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất DSCDMA
Đề xuất MB-OFDM được đưa ra bởi một nhóm các công ty lớn như Intel,
TI…Theo đề xuất này thì phổ tần được chia thành 14 băng (mỗi băng có độ rộng
là 528 MHz) và các thiết bị được phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử
dụng cho việc truyền dẫn. Hơn nữa, OFDM được sử dụng cho từng băng một.
Dữ liệu được điều chế một cách thich hợp và sử dụng băng tần của nó. Toàn bộ
phổ tần được chia thành 4 nhóm riêng biệt, chỉ nhóm A được dự định cho các
thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiện tại. Các nhóm
còn lại được dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tương lại.
Sơ đồ mà DS-CDMA đưa ra nhằm đạt được tốc độ cao, công suất tiêu thụ
thấp, giá thành thấp và kích thước nhỏ. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ
cao cỡ 100Mbps và trong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ
thống. Đồng bộ thời gian, sự lựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và

mức độ ISI là các vấn đề quan trọng trong đề xuất này. Trái lại, MB-OFDM
được xem như một giải pháp thực tế hơn như: giảm được độ nhạy trong việc
dồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụng CMOS. Tuy nhiên, một câu hỏi lớn
đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch điện, MAI và sự đồng ý của
FCC. Trước khi sự bế tắc này có thể được giải quyết bởi ủy ban chuẩn hóa, cả
hai nhóm đã quyết định triển khai các đề xuất của mình và xác minh lại tính khả
dụng của nó.
20


Hình 3.2.6.a.2. Dạng sóng miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM

Hình 3.2.6.a.3. Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM

21