Các mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.15.4

1.   Giới thiệu về IEEE 802.15.4

Nhóm làm việc IEEE 802.15.4 tập trung vào phát triển chuẩn cho mạng cá nhân – không dây – tốc độ thấp LR-WPAN (Low Rate – Wireless Presonal Area Network). Vào năm 2003, nhóm 802.15.4 cho ra đời bản mô tả kĩ thuật đầu tiên dày 680 trang, miêu tả hoạt động của hai lớp vật lý (Physical) và lớp điều khiển truy cập kênh truyền – MAC (Medium Access Control) (tham khảo [1]).

Có một điều cần nhấn mạnh rằng 802.15.4 và Zigbee là hoàn toàn khác nhau, tuy nhiên nhiều người vẫn lầm tưởng hai tên này là một. Thực ra Zigbee là nhóm hoạt động không thuộc quyền kiểm soát của IEEE (nhưng có mối liên hệ chặt chẽ, người đứng đầu nhóm 802.15.4 cũng là tổng thư kí của nhóm Zigbee), và đưa ra giải pháp mạng không dây tổng thể dựa trên nền tảng 802.15.4; một ví dụ tương đương là Wi-Fi với 802.11.

Cũng như những nhóm làm việc IEEE 802 khác, nhóm 802.15.4 tiếp tục phát triển những phiên bản mới dựa trên phiên bản 2003 với mục tiêu nâng cao tốc độ truyền lên hơn (từ 250bps hiện tại lên 1Mbps), khoảng cách truyền xa hơn (20m hiện tại lên khoảng hơn 100m) với độ tin cậy cao hơn.  Có hai nhóm riêng biệt, 802.15.4a tiến hành định nghĩa lại lớp vật lý trong khi 802.15.4b cải tiến lớp MAC. Phiên bản thứ hai được trình làng vào năm 2006, nhưng đến thời điểm tôi viết bài này IEEE vẫn chưa cho tải về miễn phí bản miêu tả kĩ thuật của phiên bản mới 2006 này. Và theo dự đoán phải đến năm 2010 mới xuất hiện rộng rãi trên thị trường phần cứng của phiên bản mới 2006.

Suy cho cùng, 802.15.4 hay Zigbee phiên bản 2003 vẫn còn mới với đa số mọi người, và vẫn có nhiều điểm chung. Bảng 1 tóm tắt một số đặc tính của 802.15.4

Bảng 1. Một số đặc tính của 802.15.4 (tóm tắt từ [1])

Đặc tính Tầm biến đổi
Tốc độ truyền Châu Âu – 868 Mhz : 20kb/s; Mĩ – 915 Mhz: 40 kb/s; Những nơi khác – 2.4 Mhz: 250kp/s
Tầm hoạt động 10 – 100 mét, một số module có thể cho kết quả lên đến 1.2 km
Độ trễ Thấp nhất là 15.36 ms
Số kênh Tổng cộng 16: 868 Mhz có 1 kênh; 915 Mhz có 10 kênh; 2.4 Ghz có 16 kênh
Địa chỉ 16 bít – ngắn, dùng trong nút mạng, hoặc 64 bit – dài của IEEE, mỗi thiết bị 802.15.4 bán ra chỉ có duy nhất một địa chỉ dài này.
Truy cập kênh truyền CSMA-CA, CSMA-CA có chia khe, hoặc TDMA.

 

2.   Mối quan hệ giữa 802.15.4 với các mạng không dây khác.

Vị trí của 802.15.4 trong họ hàng các chuẩn không dây hiện nay:


Hình 1. Vị trí của các mạng không dây (lấy từ [2])

Bảng 2. So sánh một số đặc tính của Zigbee, Bluetooth và Wi-Fi

Nhóm làm việc

IEEE 802.11 WLAN – mạng không dây cục bộ

IEEE 802.15 WPAN – mạng không dây cá nhân

Thành quả 802.11a/b/g 802.15.1 WPAN/Bluetooth 802.15.3a WPAN High Rate/UWB – mạng cá nhân không dây tốc độ rất cao 802.15.4 WPAN Low Rate/ Zigbee – mạng khôn dây cá nhân tốc độ thấp
Nhà tài trợ/Liên minh công nghiệp Wi-Fi: Cisco, 3Com, Agere, Intersil, Compaq, Dell, Sony, Nokia, Symbol, v.v… Bluetooth SIG: Ericsson, 3Com, IBM, Intel, Motorola, Nokia, Agere, Toshiba, v.v… Wi-Media: Appairent, HP, Motorola, Philips, Samsung, Sharp, XtremeSpectrum Zigbee Alliance: Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, v.v…

Các bạn có thể tự hỏi vì sao phải sinh ra 802.15.4/Zigbee để làm gì? Một chuẩn khi ra đời để có được chỗ đứng thì phải giải quyết những vấn đề mà những chuẩn tiền nhiệm không thể giải quyết hoặc không làm tốt. Mục tiêu nhắm tới của 802.15.4 là tốc độ thấp, ít tiêu hao năng lượng, nhỏ gọn, và giá thành thấp (như miêu tả ơ bảng 3)

Bảng 3. So sánh một số đặc điểm của Zigbee, Bluetooth, và Wifi (bảng này với đặc điểm của các chuẩn nguyên thủy – chưa cải tiến)

Chuẩn 802.15.4/Zigbee 802.15.1/Bluetooth 802.11/Wi-Fi
Tầm hoạt động (mét) 1 – 100 1 – 10 1 – 100
Thời gian sống nuôi bằng pin (ngày) 100 – 1000 1 – 7 0.5 – 5.0
Số lượng các nút trong mạng > 64000 7 32
Ứng dụng Giám sát và điều khiển (Monitoring & Control) Web, Email, Video Thay thế dây nối trong giao tiếp máy tính – thiết bị ngoại vi
Kích thước stack (kb) 4 – 32 250 1000
Tốc độ truyền (kb/s) 20 – 250 720 11000

 

3.   Mối quan hệ giữa 802.15.4 và Zigbee.

Như đã đề cập ở trên 802.15.4 và Zigbee hoàn toàn khác nhau, cho dù trên thực tế nhiều người nhầm tưởng hai cái tên này là một. Nguyên nhân có lẽ là chiến lược quảng cáo của Zigbee Alliance, và mối quan hệ gần gũi giữa hai nhóm này. Thực tế Zigbee được xây dựng trên nền tảng của IEEE 802.15.4


Hình 2. Định nghĩa các lớp của 802.15.4 và Zigbee. (tham khảo từ [3])

Cũng như các nhóm IEEE 802 khác, 802.15.4 chỉ định nghĩa lớp vật lý – Physical và lớp MAC. Dựa trên nền tảng đó, Zigbee Alliance định nghĩa tiếp hai lớp còn lại là lớp mạng – Network và lớp ứng dụng – Application Layer, đồng thời có những bổ xung vào lớp vật lý và lớp MAC.

Như vậy Zigbee miêu tả đủ các lớp để tạo thành một nền tảng cho mạng không dây. Bạn có thể dùng miêu tả của Zigbee để viết chương trình cho các lớp, tuy nhiên đây không phải là công việc dễ dàng và thường tốn rất nhiều thời gian.

Những người sử dụng thông thường như chúng ta có thể sẽ thích sử dụng những chương trình của các nhà sản xuất chip hơn. Ví dụ Texas Instruments với Z-Stack (tương thích với mô tả 2006 của Zigbee Alliance) hỗ trợ nhiều nền tảng như CC2430 SoC, CC2420 và MSP430. Atmel với AVR Z-Link là thư viện Zigbee cho các chip AVR, viết bằng C. Microchip cũng có thư viện tương ứng với Zigbee 2006. Cả 3 nhà sản xuất chip trên đều cung cấp thư viện miễn phí, đương nhiên là chỉ đi kèm với các phần cứng mà họ bán ra. Và vì là thư viện – lib – nên hầu như chúng ta chẳng thể thay đổi được gì, và những thư viện này còn rất hạn chế về chức năng (tham khảo [4]).

Cũng có những nhóm nghiên cứu cho ra mã nguồn mở của Zigbee như của đại học Bách Khoa Porto – Bồ Đào Nha, được viết trên hệ điều hành TinyOS. Đi kèm là rất nhiều bài báo có giá trị của nhóm CISTER/IPP-HURRAY http://www.open-zb.net/research.php. Vì là mã nguồn mở hoàn toàn nên chúng ta có thể tải về, chỉnh sửa theo những mục đích riêng.

 

4.   Còn các chuẩn không dây nào nằm sau 802.15.4 nữa không?

Câu trả lời là có. Zigbee không phải là duy nhất. Có thể kể đến như WirelessHART, hay 6LoWPAN.

WirelessHART là sản phẩm của tổ chức HART để đưa chuẩn giao tiếp HART lên mạng không dây. Người ta đánh giá rất cao WirelessHART ở những ứng dụng thời gian thực (như trong điều khiển, công nghiệp) đồng thời cung cấp sự tin cậy trong giao tiếp – QoS (Quality of Service) so với Zigbee.

Wireless HART chỉ sử dụng lớp vật lý của 802.15.4, 3 lớp còn lại do tổ chức HART đề nghị (tổng cộng có tất cả 5 lớp). Sự tin cậy của Wireless HART được minh chứng bằng một số sản phẩm công nghiệp dựa trên nền tảng này; trong khi với nền tảng Zigbee, tuy có thời gian sống lâu hơn, vẫn chưa cho ra đời sản phẩm cho công nghiệp hay điều khiển nào cả.

6LoWPAN là một nỗ lực của IETF trong việc định nghĩa ngắn gọn lại IPv6 để chuẩn giao tiếp thế hệ mới của internet này có thể chạy trên nền tảng 802.15.4. Mục tiêu nhắm tới của 6LoWPAN là các ứng dụng cần kết nối internet không dây với tốc độ thấp cho những thiết bị hạn chế khả năng phần cứng.

6LoWPAN sử dụng cả hai lớp vật lý và MAC của 802.15.4 và định nghĩa 4 lớp còn lại (tổng cộng có 6 lớp như mô hình OSI)

Tham khảo

[1] “Standard for part 15.4: Wireless MAC and PHY specifications for low rate WPAN,” IEEE, New York, NY, IEEE Std 802.15.4, Oct. 2003.

[2] Bob Heile, “Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New Opportunities with ZigBee”, 2006.

[3] Trang web www.zigbee.org.

[4] Ricardo Augusto Rodrigues da Silva Severino, “On the use of IEEE 802.15.4/ZigBee for Time-Sensitive Wireless Sensor Network Applications”, Luận văn thạc sĩ.

One thought on “Các mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.15.4”

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s