TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4
Giới thiệu chung về ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Zigbee là một tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây, chuyên sử dụng cho khoảng cách ngắn và có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên ba dãy tần số chính là 868MHz, 915MHz và 2.4GHz.
Tên gọi ZigBee bắt nguồn từ cách mà ong mật giao tiếp thông qua những tín hiệu "Zig-Zag" để truyền đạt thông tin quan trọng trong tổ Nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc kết hợp hai chữ cái đầu, thể hiện sự kết nối giữa các thiết bị tách rời Công nghệ ZigBee ra đời nhằm giải quyết vấn đề cho phép các thiết bị này phối hợp làm việc hiệu quả để xử lý các vấn đề cụ thể.
1.1.2 Đặc điểm của công nghệ ZigBee 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 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 hợp tác để xác định các khối giao thức của công nghệ Zigbee Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung vào hai tầng thấp của giao thức, bao gồm tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu Zigbee còn thiết lập các tiêu chuẩn cho các tầng cao hơn, từ tầng mạng đến tầng ứng dụng, nhằm đảm bảo bảo mật và tính tương thích Điều này giúp khách hàng có thể sử dụng sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau mà vẫn đảm bảo hoạt động đồng bộ mà không gặp phải vấn đề tương tác.
Hiện nay, IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý (PHY) và tầng điều khiển truy cập (MAC) cho các loại mạng khác nhau như mạng hình sao, hình cây và mắt lưới Các phương pháp định tuyến được thiết kế để bảo toàn năng lượng và giảm thiểu độ trễ trong truyền tin thông qua việc sử dụng các khe thời gian bảo đảm (GTSs) Tính năng nổi bật của tầng mạng Zigbee là khả năng giảm thiểu sự hỏng hóc, giúp duy trì kết nối tại các nút mạng Nhiệm vụ chính của tầng PHY bao gồm phát hiện chất lượng đường truyền (LQI), năng lượng truyền (ED) và đánh giá kênh truyền (CCA), nâng cao khả năng tương thích với các mạng không dây khác.
1.1.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1
Zigbee là một công nghệ truyền thông không dây tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, với tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn và khả năng tiết kiệm năng lượng tốt hơn Một nốt mạng Zigbee có thể hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với hai ắc quy AA Phạm vi hoạt động của Zigbee đạt từ 10 đến 75 mét, trong khi Bluetooth chỉ tối đa 10 mét mà không có khuếch đại.
Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn Bluetooth, với tốc độ tối đa là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz, trong khi Bluetooth đạt tốc độ 1Mbps.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ với mạng hình sao tĩnh, cho phép tối đa 254 nút mạng giao tiếp qua các gói tin nhỏ Trong khi đó, Bluetooth phức tạp hơn, tập trung vào việc truyền file, hình ảnh và thoại trong các mạng ad hoc, nơi mà tổ chức mạng là tự do và bị giới hạn về không gian và thời gian Bluetooth hỗ trợ mạng scatternet, bao gồm nhiều mạng piconet không đồng bộ, nhưng chỉ cho phép tối đa 8 node slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.
Mạng sử dụng Zigbee hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép gửi và nhận các gói tin chỉ trong khoảng 15ms, trong khi thiết bị Bluetooth cần tới 3 giây để thực hiện cùng một nhiệm vụ.
Mạng ZIGBEE PWAN
Chuẩn này nổi bật với tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp và tốc độ truyền dữ liệu chậm, rất phù hợp để áp dụng trong các không gian nhỏ như nhà riêng và văn phòng.
1.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN
Hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 bao gồm nhiều thành phần, trong đó thiết bị FFD (full-function device) là phần cơ bản nhất, đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như bộ điều phối mạng PAN Bên cạnh đó, còn có các thiết bị RFD (reduced-function device) với chức năng hạn chế Để hình thành một mạng tối thiểu, cần có ít nhất một thiết bị FFD, đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối mạng PAN.
FFD hoạt động trong ba trạng thái: làm điều phối viên cho toàn mạng PAN, điều phối viên cho một mạng con, hoặc chỉ là thành viên trong mạng RFD được sử dụng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu truyền tải lượng lớn dữ liệu Một FFD có thể kết nối với nhiều RFD hoặc nhiều FFD, trong khi RFD chỉ có thể làm việc với FFD.
1.2.2 Kiến trúc liên kết mạng [2]
Hiện nay, công nghệ Zigbee đã được tổ chức chuẩn IEEE phát triển với nhiều cấu trúc liên kết mạng khác nhau, bao gồm mạng hình sao, mạng hình lưới và mạng bó cụm hình cây Sự đa dạng này giúp Zigbee có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hình 1.1 minh họa ba loại mạng mà Zigbee cung cấp: tô pô sao, tô pô mắt lưới và tô pô cây.
Hình 1.1 Cấu trúc liên kết mạng
Hình mắt lưới Hình sao a Cấu trúc liên kết mạng hình sao (star)
Thiết bị điều phối mạng là trung tâm điều khiển trong mạng hình sao, nơi các thiết bị kết nối với bộ điều phối mạng PAN Khi FFD được kích hoạt lần đầu, nó có khả năng tạo ra một mạng độc lập và trở thành bộ điều phối mạng PAN với chỉ số nhận dạng cá nhân (PAN ID) riêng, cho phép hoạt động độc lập Tất cả các thiết bị, bao gồm cả FFD và RFD, đều có thể kết nối với bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng trong phạm vi phủ sóng cần có một PAN duy nhất, và các nút trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều phối mạng này.
Router Zigbee (FFD) Thiết bị điều phối Zigbee (FFD) Thiết bị đầu cuối Zigbee (FFD,
Hình 1.3.Cấu trúc mạng mesh
Cấu trúc mạng này bao gồm một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator), kết hợp giữa mạng hình sao và mạng ngang hàng, cho phép thiết bị A kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác trong phạm vi phủ sóng của nó Ứng dụng của cấu trúc này rất đa dạng, bao gồm đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, cũng như theo dõi cảnh báo và kiểm kê, như cảnh báo cháy rừng.
Hình 1.4 Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc mạng này là một dạng đặc biệt của mắt lưới, trong đó phần lớn thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối nhánh cây Mỗi FFD có thể đóng vai trò là coordinator, cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và coordinator khác, tạo nên mạng có khả năng mở rộng và phủ sóng cao Trong cấu hình này, chỉ có một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) duy nhất, tự bầu ra người lãnh đạo mạng và gán cho họ chỉ số CID-0 Bộ điều phối này chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá tới các thiết bị lân cận; thiết bị nào nhận được khung tin có thể yêu cầu kết nối vào mạng Nếu bộ điều phối đồng ý, thiết bị sẽ được ghi vào danh sách và trở thành CLH của nhánh cây mới, từ đó phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối, hình thành các CLH1, CLH2,
Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4
Tầng ứng dụng Tầng quản lý ứng dụng
Tầng ứng dụng cơ sở
Tầng hòa mạng và bảo mật
Tầng điều khiển dữ liệu
Zigbee hoặc OEM qui định
Hình 1.5.Mô hình giao thức của ZigBee [5]
ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ phát triển các tầng ứng dụng và mạng dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, mang lại tính tin cậy, đơn giản, tiết kiệm năng lượng và khả năng thích ứng cao Nhờ vào mô hình này, các nhà sản xuất có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau nhưng vẫn đảm bảo tính tương thích lẫn nhau.
1.3.1 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4
Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ chính: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, cả hai đều giao tiếp với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) qua kênh sóng vô tuyến Các tính năng nổi bật của tầng PHY bao gồm kích hoạt và giảm kích hoạt bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, cũng như thu và phát các gói dữ liệu trong môi trường truyền Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản và Mỹ.
Bảng 1.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu
Tốc độ chip (kchips/s) Điều chế
Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau như bảng 1.2
Bảng 1.2 Kênh truyền và tần số
Số lượng kênh (N) Kênh Tần số trung tâm
Hình 1.6 Băng tần hệ thống của Zingbee
1.3.1.1 Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 a Chỉ số ED (energy detection)
Chỉ số ED, được đo bởi bộ thu ED, là một yếu tố quan trọng trong thuật toán chọn kênh của tầng mạng Chỉ số này phản ánh ước lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 Tuy nhiên, ED không tham gia vào quá trình giải mã hay nhận dạng tín hiệu trong kênh Thời gian phát hiện và xử lý chỉ số ED tương đương với thời gian cần thiết để thực hiện các tác vụ này.
Kết quả phát hiện năng lượng sẽ được thông báo bằng 8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới 0xff Giá trị nhỏ nhất của chỉ số ED là 0, xảy ra khi công suất nhận được thấp hơn +10dB so với lý thuyết Để hiển thị chỉ số ED tối thiểu, độ lớn của khoảng công suất nhận được cần đạt 40dB với sai số ± 6dB.
Chỉ số chất lượng đừong truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được
Số đo này có thể bổ sung vào ED thu được để đánh giá tỷ số tín hiệu trên tạp SNR, hoặc kết hợp các phương pháp này Giá trị LQI sẽ được chuyển giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng để xử lý Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) cũng được xem xét trong quá trình này.
CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay bận Có ba phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này:
- CCA 1 : “Năng lượng vượt ngưỡng” CCA sẽ thông báo kênh truyền bận trong khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED
CCA 2, hay còn gọi là “Cảm biến sóng mang”, sẽ thông báo kênh truyền bận khi nhận diện tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế theo tiêu chuẩn IEEE802.15.4 Tín hiệu này có thể nằm ở mức thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED.
CCA 3: "Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt ngưỡng" sẽ chỉ báo kênh truyền bận khi phát hiện tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE với năng lượng vượt ngưỡng ED.
1.3.1.2 Định dạng khung tin PPDU
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin
- SHR (synchronization header) : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit
- PHR (PHY header): chứa thông tin độ dài khung
- PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC
Bảng 1.3 Định dạng khung PPDU
Octets : 4 1 1 Variable Đầu khung SFD (bắt đầu phân định khung) Độ dài khung (7bits)
1.3.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC
Tầng điều khiển môi trường truy cập MAC (media access control) cung cấp hai dịch vụ chính: dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC Nó giao tiếp với điểm truy cập thông qua dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC (MLMESAP) Dịch vụ dữ liệu MAC chịu trách nhiệm quản lý quá trình thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.
Tầng MAC có nhiệm vụ quản lý phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền trong mạng, điều khiển truy cập kênh, quản lý khe thời gian GTS, cũng như điều khiển và giải phóng kết nối, và phát khung Ack.
LR-WPAN cho phép cấu trúc siêu khung theo nhu cầu, với định dạng được xác định bởi PAN coordinator Mỗi siêu khung giới hạn trong từng mạng và chia thành 16 khe bằng nhau Beacon được phát trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung để đồng bộ các thiết bị, nhận diện PAN và mô tả cấu trúc siêu khung Nếu PAN coordinator không sử dụng siêu khung, cần dừng phát beacon.
Hình 1.7 Cấu trúc siêu khung a Khung CAP
CAP bắt đầu ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi CFP được phát Nếu độ dài của CFP bằng 0, CAP sẽ kết thúc ở cuối siêu khung CAP có tối thiểu aMinCAP Length symbols, trừ khi không gian bổ sung được sử dụng để điều chỉnh độ dài của khung beacon nhằm duy trì GTS và linh hoạt điều chỉnh kích thước của CFP.
Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau khung Ack trong lệnh yêu cầu sẽ sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh Một thiết bị phát sẽ chờ khoảng thời gian IFS sau khi phần CAP kết thúc trước khi phát Nếu không thể hoàn thành việc phát, thiết bị sẽ trì hoãn cho đến khi CAP của khung tiếp theo được phát Khung chứa lệnh điều khiển MAC sẽ được phát trong phần CAP.
Phần CFP sẽ diễn ra ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beacon của khung kế tiếp Nếu có bất kỳ GTS nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng PAN, chúng sẽ được đặt trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau CFP không áp dụng thuật toán CSMA-CA để truy nhập kênh, và một thiết bị phát trong CFP sẽ kết thúc trong khoảng một IFS trước khi kết thúc GTS.
1.3.2.2 Các mô hình truyền dữ liệu
Dựa trên cấu trúc mạng WPAN, có ba mô hình truyền dữ liệu chính: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, từ thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng, và giữa các thiết bị cùng loại Mỗi cơ chế truyền phụ thuộc vào việc mạng có hỗ trợ phát thông tin beacon hay không Trong trường hợp mạng không hỗ trợ beacon, thiết bị sẽ truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng thuật toán không gán khe thời gian, và thiết bị điều phối sẽ phản hồi bằng khung Ack.
Hình 1.8 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon
Khi một thiết bị cần truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng hỗ trợ beacon, nó sẽ chờ nhận tín hiệu beacon để đồng bộ các siêu khung Sau khi nhận được tín hiệu này, thiết bị sử dụng phương pháp CSMA-CA để phát dữ liệu trong khe thời gian đã được gán, và kết thúc quá trình truyền tin bằng khung tin xác nhận Ack.
Các thuật toán định tuyến của Zigbee/IEEE802.15.4
Trong ZigBee/IEEE802.15.4, thuật toán chọn đường có phân cấp được áp dụng để tối ưu hóa các phương án định tuyến Thuật toán này khởi nguồn từ AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector), một thuật toán đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong lĩnh vực định tuyến mạng.
On-Demand Distance Vector (AODV) is utilized in self-organizing networks, employing Motorola's tree algorithm and the CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) method for wave sensor conflict avoidance.
1.4.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector)
AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) là một thuật toán định tuyến theo yêu cầu trong mạng ad hoc, nơi các nút mạng không duy trì thông tin về tuyến đường truyền khi không tham gia vào quá trình truyền dữ liệu Các nút mạng chỉ thực hiện chức năng định tuyến và lưu trữ thông tin về tuyến đường đến các nút khác khi có sự liên lạc giữa chúng Ngoài ra, các nút mạng cũ có thể hoạt động như trạm chuyển tiếp để duy trì kết nối giữa các nút khác trong mạng.
Thuật toán này nhằm mục đích chỉ phát quảng bá các gói tin dò đường khi cần thiết, giúp phân biệt giữa quản lý liên lạc cục bộ và bảo quản giao thức liên lạc chung Nó cũng phát thông tin về sự thay đổi trong liên kết cục bộ tới các nốt di động lân cận cần cập nhật Khi một nốt nguồn cần kết nối tới nốt khác mà không có thông tin về tuyến đường, một quá trình tìm đường được thiết lập Mỗi nốt mạng lưu hai bộ đếm: sequence number và broadcast id Để bắt đầu quá trình tìm đường, nốt nguồn khởi tạo gói tin tìm đường (RREQ) và phát quảng bá tới các nốt lân cận, gói tin này chứa thông tin về địa chỉ nguồn, số chuỗi nguồn, số id quảng bá, địa chỉ đích, số chuỗi đích và số đếm bước truyền.
Mỗi khi nốt mạng phát ra gói tin RREQ mới, số ID quảng bá sẽ tăng lên, đảm bảo cặp địa chỉ nguồn và ID quảng bá luôn duy nhất Khi nốt mạng trung gian nhận gói tin RREQ mới, nó so sánh với gói tin trước đó; nếu giống nhau, nó sẽ xóa gói tin dư thừa và ngừng phát Ngược lại, nếu khác nhau, nốt mạng sẽ tăng số đếm bước truyền và tiếp tục phát gói tin tới các nốt lân cận để tìm đường Mỗi nốt mạng lưu trữ thông tin về địa chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn, ID quảng bá, số chuỗi nốt nguồn và thời gian hạn định cho phép gói tin xác nhận được gửi lại Khi gói tin RREQ được truyền từ nguồn đến đích, nó thiết lập con đường ngược lại từ các nốt mạng trở về nốt nguồn, với mỗi nốt lưu giữ bảng địa chỉ của các nốt bên cạnh từ gói tin RREQ đầu tiên Tuyến đường ngược chiều được lưu giữ tối thiểu để gói tin RREQ có thể vượt qua mạng và trở về nơi xuất phát.
Khi một nốt mạng nhận gói tin RREQ, nó sẽ kiểm tra kết nối hai chiều để xác định xem nó có phải là đích đến hay không Nếu không phải là nốt đích nhưng lưu giữ tuyến đường tới nốt đích, nốt này sẽ so sánh số chuỗi nguồn trong gói RREQ với bảng định tuyến của nó Nếu số chuỗi đích trong gói RREQ lớn hơn số chuỗi trong các nốt trung gian, nốt đó không nằm trên tuyến đường truyền của gói tin RREQ.
Nếu một tuyến đường có số chuỗi đích lớn hơn hoặc bằng số chuỗi đích trong RREQ nhưng có số bước truyền nhỏ hơn, nó có thể phát gói tin RREP (gói trả lời tuyến đường) trở lại nốt mạng đã phát RREQ Gói tin RREP bao gồm các trường thông tin như địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, số chuỗi đích, số đếm bước truyền và thời gian sống Khi gói tin RREP quay trở lại nốt nguồn, các nốt mạng dọc theo tuyến đường sẽ thiết lập con chỏ hướng tới nốt mạng RREP vừa đến, cập nhật thông tin timeout cho bảng định tuyến đến nguồn và đích, đồng thời sao lưu số chuỗi đích cuối của nốt đích cần tới.
Các nốt mạng dọc theo tuyến đường xác định bởi RREP sẽ ngừng hoạt động khi hết thời gian yêu cầu định tuyến, và con trỏ đảo sẽ bị xóa khi không còn nằm trên tuyến đường truyền từ nguồn đến đích Thời gian "chết" này phụ thuộc vào kích cỡ của mạng.
S Hình 1.14 Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV
Nút nguồn có khả năng phát dữ liệu ngay khi nhận được gói tin RREP đầu tiên và liên tục cập nhật thông tin về tuyến đường nếu phát hiện tuyến đường tối ưu hơn Bảng định tuyến bao gồm các trường thông tin như đích đến, bước truyền kế tiếp, số bước truyền, số chuỗi đích, nút lân cận tích cực, và thời gian chết cho nhập liệu Để duy trì đường truyền, mỗi nút mạng cần có địa chỉ của các nút mạng tích cực lân cận, được xác định qua khả năng khởi phát hoặc chuyển tiếp ít nhất một gói tin trong thời gian cho phép Khi bước truyền kế tiếp không thực hiện được, quá trình tìm kiếm đường sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả các nút nguồn tích cực được thông báo Nhờ vào các thông báo về gián đoạn đường truyền, các nút nguồn có thể khởi động lại quá trình tìm đường nếu cần thiết Nếu nút nguồn quyết định xây dựng lại tuyến đường mới, nó sẽ phát một gói tin RREQ mới với số chuỗi đích lớn hơn số chuỗi đích cũ.
Giao thức hình cây là một giao thức hoạt động ở tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu, sử dụng gói tin "trạng thái kết nối" để định dạng mạng hình cây đơn và mạng hình cây mở rộng Mạng này có tính chất tự tổ chức và tự hỗ trợ, giúp hạn chế lỗi mạng trong một mức độ cho phép Đặc biệt, nhờ vào khả năng tự tổ chức, mạng có thể tự sửa chữa khi gặp sự cố ở một nút nào đó Các nút mạng sẽ chọn một nút làm gốc cây và tự do tạo các nhánh, sau đó các nhánh này sẽ phát triển và kết nối với nhau thông qua thiết bị gốc (DD - Designated Device).
Quá trình hình thành nhánh cây bắt đầu từ việc lựa chọn gốc cây, và sau khi một nốt gốc được chọn, nó sẽ mở rộng kết nối với các nốt khác để hình thành một nhóm.
Khi một nốt được kích hoạt, nó sẽ tìm kiếm các thông điệp HELLO từ các nốt khác, tương tự như beacon trong tầng MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4 Nếu trong một khoảng thời gian nhất định nó không nhận được bất kỳ thông điệp HELLO nào, nốt này sẽ trở thành nốt gốc và gửi thông điệp HELLO tới các nốt lân cận Nốt gốc mới sẽ chờ nhận gói tin yêu cầu kết nối từ các nốt lân cận trong một khoảng thời gian nhất định; nếu không nhận được yêu cầu nào, nó sẽ quay lại trạng thái nốt bình thường và tiếp tục dò tìm thông điệp HELLO Ngoài ra, nốt gốc cũng có thể được chọn dựa trên các tham số của từng nốt mạng như phạm vi truyền, công suất, vị trí và khả năng tính toán.
Sau khi trở thành nốt gốc, nốt này sẽ định kỳ phát gói tin HELLO_MESSAGE, trong đó bao gồm địa chỉ MAC và địa chỉ.
ID của nốt gốc là điểm khởi đầu trong quá trình kết nối Khi nhận được gói tin từ nốt gốc, các nốt mạng sẽ phản hồi bằng gói tin yêu cầu kết nối (REQ) gửi trở lại nốt gốc Ngay khi nốt gốc nhận gói tin REQ, nó sẽ gửi gói tin CONNECTION_RESPONSE, trong đó chứa địa chỉ ID của nốt thành viên (nốt B) mà nốt gốc đã chỉ định Để xác nhận thông tin, nốt thành viên B sẽ gửi lại gói tin Ack cho nốt gốc Quá trình này được minh họa trong hình 1.16.
Quá trình kích hoạt và thăm dò
Quá trình kích hoạt và dò tìm HELLO_MESSAGE
HELLO_MESSAGE Yêu cầu kết nối
Quá trình thiết lập kêu nối
Hình 1.15.Quá trình chọn nốt gốc(CH)
NỐT B (Nốt thành viên) HELLO_MESSAGE
Yêu cầu kết nối (REQ) Đáp ứng kết nối(RES)
Coi nốt B là nốt “con” Coi nốt A là nốt “gốc”
Hình 1.16.Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên
Nếu tất cả các nút nằm trong phạm vi phủ sóng của nút gốc, kiến trúc mạng sẽ có dạng hình sao, với tất cả các nút thành viên liên lạc trực tiếp với nút gốc qua một bước truyền (one-hop) Ngược lại, nếu một nhánh phát triển, cấu trúc mạng có thể chuyển sang hình thức liên lạc qua nhiều bước truyền (multi-hop).
Kết luận
Chương này tổng quan về công nghệ ZigBee, bao gồm khái niệm, thành phần và kiến trúc mạng, mô hình giao thức, cùng với các thuật toán định tuyến của chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC.
Chương này phân tích ưu nhược điểm của công nghệ ZigBee so với các công nghệ khác như Bluetooth ZigBee nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng và phạm vi hoạt động từ 10-75m, trong khi Bluetooth chỉ đạt 10m mà không có khuếch đại Mặc dù ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn Bluetooth, nhưng nó sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản, phù hợp với mạng hình sao tĩnh, cho phép tối đa 254 nút mạng, trong khi giao thức Bluetooth phức tạp hơn.