Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của giao thức MAC IEEE 802 11 trong các mạng di động

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Xã hội ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu truyền thông gia tăng, dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này không ngừng Mạng di động không dây mang lại tính linh hoạt và tiện lợi, khiến các chuẩn không dây trở nên phổ biến Mỗi chuẩn kỹ thuật có những ưu và nhược điểm riêng về phạm vi phủ sóng, tốc độ truyền dữ liệu và yêu cầu thời gian thực Do đó, việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể Hiện nay, hệ thống mạng cục bộ không dây IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) là một trong những công nghệ mạng không dây được triển khai rộng rãi.

Thành công của chuẩn IEEE 802.11 đến từ hiệu quả, chi phí thấp, dễ lắp đặt và tốc độ truyền dữ liệu cao Chuẩn này phụ thuộc vào khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS), kết hợp giữa tính linh hoạt và tiện lợi của mạng không dây WLAN với nhu cầu sử dụng lớn từ các ứng dụng đa phương tiện Nhu cầu về tốc độ và chất lượng đường truyền của các ứng dụng này thường vượt quá khả năng đáp ứng hiện tại, đặt ra thách thức cho việc cải thiện chất lượng dịch vụ.

Trên mạng WLAN, cơ chế truy cập lớp MAC 802.11 không hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) về tính ổn định, thời gian và độ tin cậy truyền dữ liệu Sự thiếu hụt này tạo ra một khiếm khuyết lớn trong việc triển khai các ứng dụng truyền thông hiện đại trên nền tảng mạng không dây 802.11 Để đáp ứng nhu cầu cấp thiết này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện QoS cho 802.11 WLAN Hiện tại, cộng đồng IEEE 802.11 đã đề xuất nhiều phiên bản cải tiến nhằm tăng cường khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ.

Đánh giá chất lượng dịch vụ (QoS) của giao thức MAC IEEE 802.11 đang thu hút sự quan tâm từ nhiều viện nghiên cứu, cơ quan và nhà sản xuất thiết bị không dây Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho những ai mong muốn cải thiện QoS và nâng cao hiệu suất của giao thức MAC IEEE 802.11 trong hệ thống mạng di động không dây trong tương lai Vì vậy, tôi đã quyết định chọn đề tài: “Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của giao thức MAC IEEE 802.11 trong các mạng di động”.

Giao thức MAC_IEEE 802.11 trong mạng di động cục bộ không dây đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn xung đột gói bằng cách hạn chế các nút truyền đồng thời Đánh giá chất lượng của lớp MAC_IEEE 802.11 và cải tiến QoS là cần thiết để nâng cao hiệu suất hệ thống, đặc biệt trong các kênh truyền Bài viết này tập trung vào việc đánh giá chất lượng lớp MAC_IEEE 802.11 và các biện pháp cải tiến QoS Đồng thời, tôi sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các tính năng kỹ thuật mới có khả năng cải thiện QoS của IEEE 802.11ax trong tương lai, cùng với việc phân tích ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả QoS của giao thức MAC IEEE 802.11 trên mạng di động không dây là rất quan trọng Cần phân tích các nhu cầu riêng biệt của từng loại hình để đáp ứng đúng yêu cầu về QoS của ứng dụng Đây chính là mục tiêu hướng tới trong luận văn này.

Việc nghiên cứu, đánh giá các kết quả mô phỏng tìm ra phương pháp điều khiển truy nhập ph hợp nhằm đạt đƣợc mục tiêu:

- Tiết kiệm năng lƣợng cho việc truyền lại gói.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tƣợng nghiên cứu là các cơ chế hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ của các hệ thống mạng cục bộ không dây bao gồm DCF, PCF, EDCF, Blackburst,

Giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) đóng vai trò quan trọng trong chất lượng dịch vụ của mạng cục bộ không dây Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào các cơ chế thực thi của giao thức MAC nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho hệ thống mạng này Đề tài nghiên cứu các phương pháp đảm bảo và đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng di động, thực chất là phân tích các cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên tầng con quản lý truy cập môi trường truyền (MAC) thuộc tầng liên kết dữ liệu (Data Link) Các yêu cầu cụ thể sẽ được thể hiện trong nghiên cứu này.

Giao thức MAC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu giữa các nút, giúp tránh xung đột Việc giảm thiểu xung đột không chỉ nâng cao hiệu suất truyền tải mà còn giảm thiểu tổn thất gói tin trong quá trình truyền dữ liệu.

- Tính hiệu quả của đường truyền: Lớp MAC điều khiển trực tiếp hoạt động thu phát sóng vô tuyến và đây cũng là nguồn tiêu thụ năng lƣợng chính

- Độ trễ: là sự hoãn để gửi thành công một gói tin đến nơi nhận

Thông lượng là số lượng dữ liệu được chuyển thành công từ nơi gửi đến nơi nhận trong một khoảng thời gian nhất định Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm hiệu quả của việc tránh xung đột, cách sử dụng kênh, độ trễ và xử lý thông tin điều khiển Tương tự như độ trễ, tầm quan trọng của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng đang được sử dụng.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Nhiều nghiên cứu đã phân tích chất lượng các chuẩn của IEEE, trong đó Bianchi sử dụng chuỗi Markov 2D để tính toán thông lượng bão hòa của IEEE 802.11 trong điều kiện kênh lý tưởng Alkadeki cũng áp dụng chuỗi Markov để phân tích độ trễ gói cho chuẩn này Chatzimisios đã xem xét cả thông lượng và độ trễ của giao thức, trong khi Ziouva tập trung vào việc phân tích thông lượng và độ trễ của cơ chế CSMA/CA trong điều kiện kênh truyền bận Cuối cùng, Malone đánh giá mối quan hệ giữa tải và các thông số mô hình của IEEE 802.11 trong điều kiện không bão hòa, với tốc độ gói tin đến của các loại lưu lượng khác nhau.

Mạng không dây cục bộ IEEE 802.11 (WLAN) là giải pháp hiệu quả về chi phí cho việc truy cập Internet không dây, đáp ứng hầu hết các yêu cầu truyền thông hiện tại Để cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, mạng WLAN đã liên tục phát triển với công nghệ mới Tuy nhiên, các mạng WLAN thế hệ tiếp theo đang phải đối mặt với hai thách thức lớn Để giải quyết những thách thức này, nhóm tác vụ High-E WLAN (HEW) đang phát triển bản sửa đổi IEEE 802.11ax-2019, với các cải tiến về lớp vật lý (PHY) và điều khiển truy cập trung bình (MAC) nhằm nâng cao hiệu suất mạng, tập trung vào thông lượng và thời lượng pin.

WLAN sử dụng giao thức MAC là Carrier Sense Multiple Access (CSMA/CA), đây là một trong những đặc điểm nổi bật nhất của nó Mạng WLAN trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển một chuẩn PHY/MAC mới theo IEEE 802.11 để cải tiến hiệu suất.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng dịch vụ cho các hệ thống mạng cục bộ không dây dựa trên chuẩn 802.11 Mỗi phương pháp được nêu ra sẽ bao gồm các đặc điểm, ưu nhược điểm, cùng với các tình huống áp dụng để đạt hiệu quả tối ưu nhất.

Tìm hiểu đặc điểm chuẩn IEEE 802.11 và các họ cải tiến của nó: physical layer, MAC sub-layer, cơ chế truy cập

Chuỗi Markov là một công cụ quan trọng trong việc mô hình hóa các quá trình ngẫu nhiên, và trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách áp dụng chuỗi Markov để mô hình hóa quá trình backoff trong giao thức truy cập của chuẩn IEEE 802.11 cùng với các phiên bản cải tiến của nó Bài viết cũng sẽ đánh giá chất lượng của hai phương pháp khác nhau trong việc sử dụng chuỗi Markov cho mục đích này.

Luận văn phân chia thành 5 chương

Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn, bối cảnh nghiên cứu và định hướng đế tài của luận văn

Chương 2: Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.11, hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên nền IEEE 802.11 - công nghệ wifi và mạng WLAN

Chương 3: Trình bày về những phương pháp đánh giá hiệu năng chất lượng dịch vụ của mạng không dây WLAN

Chương 4: Mô hình phân tích cải tiến QoS IEEE 802.11 và kết quả mô phỏng

Chương 5: Kết luận và đánh giá những kết quả đạt được trong quá trình thực hiện nghiên cứu và đề xuất hướng nghiên cứu phát triển cho đề tài.

IEEE 802.11 - CÔNG NGHỆ WIFI MẠNG WLAN

GIỚI THIỆU BỘ TIÊU CHUẨN IEEE 801

Chuẩn IEEE 802.11 là một tập hợp các tiêu chuẩn của tổ chức IEEE, quy định các kỹ thuật liên quan đến mạng không dây nhằm cung cấp kết nối cho các thiết bị và trạm tự động Chuẩn này cho phép triển khai nhanh chóng các trạm di động hoặc gắn trên các phương tiện di chuyển trong một không gian IEEE 802.11 sử dụng sóng vô tuyến để truyền và nhận tín hiệu giữa thiết bị không dây và điểm truy cập (AP), cũng như giữa nhiều thiết bị không dây với nhau.

CÁC CHUẨN CON TRONG CHUẨN IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 được ra mắt vào năm 1997, áp dụng phương pháp trải phổ trong băng tần ISM, với tốc độ truyền dữ liệu đạt 2 Mbps Dưới đây là danh sách các chuẩn con trong bộ chuẩn IEEE 802.11.

* IEEE 802.11 - The original 1 Mbit/s and 2 Mbit/s, 2.4 GHz RF and IR standard (1999)

* IEEE 802.11a - 54 Mbit/s, 5 GHz standard (1999, shipping products in 2001)

* IEEE 802.11b - Enhancements to 802.11 to support 5.5 and 11 Mbit/s (1999)

* IEEE 802.11c - Bridge operation procedures; included in the IEEE 802.1D standard (2001)

* IEEE 802.11d - International (country-to-country) roaming extensions (2001)

* IEEE 802.11e - Enhancements: QoS, including packet bursting (2005)

* IEEE 802.11f - Inter-Access Point Protocol (2003) Withdrawn February 2006

* IEEE 802.11g - 54 Mbit/s, 2.4 GHz standard (backwards compatible with b) (2003) *IEEE 802.11h-Spectrum Managed 802.11a (5 GHz) for European compatibility (2004)

* IEEE 802.11k - Radio resource measurement enhancements

* IEEE 802.11l - (reserved and will not be used)

* IEEE 802.11m - Maintenance of the standard; odds and ends

* IEEE 802.11o - (reserved and will not be used)

* IEEE 802.11p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment (such as ambulances and passenger cars)

* IEEE 802.11q - (reserved and will not be used, can be confused with 802.1Q VLAN trunking)

*IEEE802.11t Wireless Performance Prediction (WPP) test methods and metrics

*IEEE 802.11u - Interworking with non-802 networks (e.g., cellular)

*IEEE 802.11x - (reserved and will not be used)

Chuẩn IEEE 802.11b được phát triển dựa trên chuẩn IEEE 802.11, với kiến trúc và dịch vụ tương tự nhưng khác biệt ở tầng vật lý Chuẩn này cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, với hai mức tốc độ là 5.5 Mbps và 11 Mbps, nhờ vào việc sử dụng CCK (Complementary Code Keying) để mã hóa tín hiệu CCK sử dụng 6 bit để mã hóa một từ, và tín hiệu sau đó được điều chỉnh bằng kỹ thuật QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) kết hợp với DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 2 Mbps Tuy nhiên, chuẩn này có nhược điểm dễ bị nghẽn và chịu ảnh hưởng từ các thiết bị như lò vi sóng, điện thoại 2.4 GHz và mạng Bluetooth Mặc dù vậy, IEEE 802.11b vẫn được sử dụng rộng rãi do tính tương thích trong các môi trường mạng không dây.

Chuẩn IEEE 802.11a cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps, nhanh hơn so với chuẩn IEEE 802.11b, và hoạt động ở tần số 5GHz với tối đa 8 kênh Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được sử dụng tại lớp vật lý để kết hợp nhiều kênh có tốc độ thấp thành một kênh có tốc độ cao Chuẩn 802.11a định nghĩa 8 kênh khác nhau, mỗi kênh có độ rộng 20MHz, và mỗi kênh được chia thành 52 kênh mang thông tin với độ rộng khoảng 300KHz, cho phép truyền song song hiệu quả.

Việc chỉnh sửa lỗi trước FEC trong 802.11a giúp đạt tốc độ cao hơn cho Wireless LAN Tất cả các băng tần sử dụng cho Wireless LAN đều không cần đăng ký, dẫn đến nguy cơ xung đột và nhiễu Để giảm thiểu xung đột, cả 802.11a và 802.11b đều điều chỉnh tốc độ truyền dữ liệu Trong khi 802.11b hỗ trợ các tốc độ 5.5, 2 và 1 Mbps, 802.11a cung cấp 7 mức tốc độ truyền dữ liệu là 48, 36, 24, 18, 12, 9 và 6 Mbps.

Chuẩn 802.11g là sự cải tiến của 801.11b về tốc độ truyền và băng thông, tương thích được với chuẩn 802.11b Chuẩn 802.11g có hai đặc tính sau:

The use of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology enables the provision of services with speeds of up to 54Mbps Currently, the FCC has authorized the use of OFDM in both the 2.4GHz and 5GHz frequency bands.

• Tương thích với các hệ thống 802.11b tồn tại trước Do đó, 802.11g cũng có hỗ trợ CCK và thiết bị 802.11g cũng có thể giao tiếp với thiết bị 802.11b có sẵn

Số kênh tối đa mà 802.11g đạt đƣợc là 3 nhƣ 802.11b và do hoạt động ở tần số 2.4 GHz nhƣ 802.11b, hệ thống sử dụng 802.11g cũng dễ bị nhiễu nhƣ 802.11b

Chuẩn 802.11i đã khắc phục các vấn đề bảo mật mà các chuẩn trước đó không giải quyết được Nó mô tả phương thức mã hóa dữ liệu truyền giữa các hệ thống, bao gồm hai phương pháp chính: Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) và Advanced Encryption Standard (AES).

• IEEE 802.11h: Hướng tới việc cải tiến công suất phát và lựa chọn kênh của chuẩn IEEE 802.11a, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn của thị trường châu Âu

IEEE 802.11j represents a significant collaboration between the IEEE and the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) to create a unified standard This standard builds upon the foundations of IEEE 802.11a and HiperLAN/2, enhancing wireless communication technologies.

• IEEE 802.11k: Cung cấp khả năng đo lường mạng và sóng vô tuyến, thích hợp cho các lớp cao hơn

• IEEE 802.11n: Mở rộng thông lƣợng (>100Mbps tại MAC SAP) trên băng 2.4GHz và 5GHz

Trang web chính thức của bộ giao thức 802.11 cung cấp thông tin chi tiết về các mốc thời gian quan trọng của các chuẩn giao thức con Bạn có thể tìm thấy thông tin này tại địa chỉ http://www.ieee802.org/11/802.11_Timelines.htm.

KIẾN TRÚC CỦA CHUẨN IEEE 802.11

2.3.1 CÁC THÀNH PHẦN KIẾN TRÚC

Chuẩn IEEE 802.11 quy định tầng vật lý và tầng MAC cho mạng WLAN, với ba tầng vật lý hoạt động ở các dải tần khác nhau và tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps Kiến trúc cơ bản của 802.11 được gọi là BSS (Tập hợp Dịch vụ Cơ bản), thường bao gồm một vài máy trạm không dây và một trạm trung tâm gọi là AP (Access Point) Các máy trạm, có thể di động hoặc cố định, giao tiếp với nhau qua giao thức MAC - IEEE 802.11 không dây Nhiều AP có thể kết nối với nhau thông qua mạng Ethernet hoặc kênh không dây khác để tạo thành một hệ thống phân tán (DS - Distributed System), mà đối với các giao thức tầng cao hơn, hệ thống này hoạt động như một mạng 802 đơn.

Các máy trạm sử dụng chuẩn IEEE 802.11 có khả năng tạo thành mạng ad-hoc, không cần điều khiển trung tâm và không kết nối với bên ngoài Mạng này hình thành ngay lập tức khi các thiết bị di động gần nhau cần liên lạc mà không có hạ tầng mạng sẵn có Giống như mạng Ethernet 802.3, các máy trạm trong mạng WLAN 802.11 phải phối hợp khi sử dụng chung môi trường truyền dẫn, với giao thức MAC CSMA/CA đảm nhiệm việc điều khiển sự phối hợp này.

Mạng LAN không dây bao gồm các cell khác nhau, điểm truy cập và hệ phân phối, được phân tích qua mô hình OSI như một mạng đơn theo chuẩn IEEE 802, gọi là tập hợp dịch vụ được mở rộng (ESS) Hình 2.1 minh họa một mạng LAN IEEE 802.11 tiêu biểu.

Hình 2.1: Mạng WLAN IEEE 802.11 tiêu biểu

2.3.2 KIẾN TRÚC CÁC LỚP TRONG MÔ HÌNH OSI CHUẨN IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) cho các mạng WLAN

Chuẩn IEEE 802.11 quy định các lớp vật lý nhƣ bảng 2.1

Bảng 2.1: so sánh các lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11

Chuẩn Tần số vô tuyến (RF) Hồng ngoại

(IR) Cơ chế Tốc độ dữ liệu cực đại (Mbps)

Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS 2.4 GHz và hệ thống IR theo chuẩn IEEE 802.11 ít được sử dụng do hạn chế của lớp vật lý OFDM 5 GHz với phạm vi khoảng 15m Thay vào đó, công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) theo chuẩn IEEE 802.11b được ưa chuộng hơn, với tốc độ dữ liệu lên tới 11 Mbps nhờ vào khả năng thực hiện dễ dàng và giá thành hợp lý.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) nâng cao thông lượng và độ tin cậy của truyền dẫn bằng cách sử dụng nhiều dải tần Phương pháp này chuyển đổi mỗi bit thành một chuỗi tín hiệu nhị phân (0 và 1) và truyền song song qua một băng tần rộng Nhờ vào việc sử dụng nhiều dải tần, DSSS giúp giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ tin cậy trong quá trình truyền dẫn, ngay cả khi có hiện tượng giao thoa Mỗi bit được mã hóa thành một chuỗi tín hiệu, cho phép nhận diện bit gốc ngay cả khi một phần của chuỗi bị mất.

2.3.2.2 ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MÔI TRƯỜNG LỚP MAC

Tiêu chuẩn kỹ thuật của MAC 802.11 tương tự như MAC Ethernet chuẩn IEEE 802.3 và điều khiển liên kết Logic (LLC) chuẩn IEEE 802.2, cho phép không gian địa chỉ MAC của IEEE 802.11 tương thích với các giao thức IEEE 802 Lớp MAC Ethernet của IEEE 802.3 sử dụng CSMA/CD (đa truy cập nhạy sóng mang phát hiện xung đột), trong khi MAC IEEE 802.11 áp dụng CSMA/CA (đa truy cập nhạy sóng mang tránh xung đột) Sự khác biệt này xuất phát từ việc không có phương pháp thực tiễn để truyền và nhận đồng thời trong môi trường không dây CSMA/CA cố gắng giảm thiểu va chạm bằng cách thiết lập khoảng thời gian thông tin trong mỗi khung MAC, giúp các trạm thu xác định thời gian còn lại của khung Nếu khoảng thời gian của khung MAC đã hết và môi trường không bận, trạm truyền có thể thực hiện truyền tín hiệu bất cứ lúc nào.

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.11 không chỉ thực hiện các chức năng cơ bản mà còn đảm nhiệm các nhiệm vụ quan trọng khác liên quan đến các giao thức lớp trên, bao gồm phân đoạn, phát lại gói dữ liệu và các ghi nhận.

Lớp MAC dùng hai phương pháp truy cập khác nhau: Hàm phối hợp phân tán và Hàm phối hợp điểm.

PHƯƠNG PHÁP TRUY CẬP CƠ BẢN: CSMA/CA

Hàm phối hợp phân tán, về cơ bản là đa truy cập cảm biến sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA/CA)

Giao thức CSMA hoạt động bằng cách cho phép một trạm gửi dữ liệu từ các cảm biến môi trường Nếu môi trường đang bận, trạm sẽ tạm hoãn việc truyền tín hiệu cho đến khi có thể Khi môi trường trở nên tự do, trạm sẽ được phép tiến hành truyền dữ liệu.

Giao thức MAC hoạt động hiệu quả trong môi trường ít tải, cho phép các trạm truyền với độ trễ thấp Tuy nhiên, khi nhiều trạm phát đồng thời, xung đột xảy ra do các trạm nhận thấy môi trường tự do và quyết định truyền Để xử lý xung đột, lớp MAC phải tự truyền lại gói mà không cần đến các lớp trên, dẫn đến độ trễ lớn Giải thuật exponential random backoff, mặc dù được sử dụng trong mạng Ethernet, lại không phù hợp với mạng WLAN không dây vì yêu cầu thực thi song công và khả năng phát nhận đồng thời, làm tăng chi phí Hơn nữa, trong môi trường không dây, không phải tất cả các trạm đều có thể nghe thấy nhau, do đó việc một trạm nhận thấy môi trường tự do không đảm bảo rằng nó thực sự tự do xung quanh máy thu Để giải quyết vấn đề này, chuẩn IEEE 802.11 áp dụng cơ chế tránh xung đột tích cực (Positive Acknowledge).

Một trạm truyền dữ liệu sẽ thực hiện việc cảm biến môi trường trước khi gửi thông tin Nếu môi trường đang bận, quá trình truyền sẽ bị trì hoãn Khi môi trường rãnh và đạt thời gian quy định (gọi là DIFS - Không gian khung Inter phân tán), trạm có thể tiến hành truyền Trạm nhận sẽ kiểm tra mã CRC của gói dữ liệu và gửi lại gói chứng thực (ACK) để xác nhận không có xung đột xảy ra Nếu máy phát không nhận được ACK, nó sẽ tiếp tục truyền lại gói dữ liệu cho đến khi nhận được xác nhận hoặc đạt số lần phát lại tối đa được quy định.

CẢM BIẾN SÓNG MANG ẢO (Virtual Carrier Sense)

Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa hai trạm do chúng không thể nghe thấy nhau, chuẩn định nghĩa một cơ chế cảm biến sóng mang ảo.

Trạm truyền thông sẽ bắt đầu quá trình gửi gói bằng cách phát một gói điều khiển ngắn gọi là RTS (Request To Send), trong đó chứa thông tin về nguồn, đích đến và thời gian giao dịch dự kiến Sau khi nhận gói RTS, trạm đích sẽ phản hồi bằng gói điều khiển CTS (Clear To Send), cung cấp thông tin về khoảng thời gian giao dịch.

Tất cả các trạm nhận RTS hoặc CTS sẽ thiết lập chỉ báo Virtual Carrier Sense (NAV) với khoảng thời gian đã định Thông tin này sẽ được kết hợp với Cảm biến sóng mang vật lý khi cảm biến môi trường.

Cơ chế này giảm thiểu xung đột giữa các trạm phát và thu bằng cách rút ngắn thời gian truyền RTS Khi một trạm phát, nó sẽ nhận được CTS và giữ môi trường bận cho đến khi giao dịch hoàn tất, giúp bảo vệ máy phát khỏi xung đột trong thời gian ACK, đặc biệt là từ các trạm không nằm trong phạm vi nhận biết.

Khoảng thời gian ACK cần được chú ý vì khung RTS và CTS có kích thước ngắn ACK giúp giảm xung đột bằng cách cho phép nhận diện nhanh chóng gói tin đã được truyền, đặc biệt khi gói lớn hơn đáng kể so với RTS Chuẩn cho phép truyền các gói ngắn mà không cần giao dịch RTS/CTS, và điều này được điều khiển bởi tham số ngưỡng RTS.

Các sơ đồ sau cho thấy một giao dịch giữa hai trạm A và B, sự thiết lập NAV của các trạm gần chúng:

Hình 2.3: Giao dịch giữa hai trạm A và B, sự thiết lập NAV

Trạng thái NAV đƣợc kết hợp với cảm biến sóng mang vật lý để cho biết trạng thái bận của môi trường.

PHÂN ĐOẠN VÀ TÁI HỢP

Để giảm tỷ lệ lỗi bit BER trong truyền thông tin vô tuyến, xác suất gói hỏng tăng theo kích thước gói và số lần phát lại IEEE đã giải quyết vấn đề này bằng cách bổ sung cơ chế phân đoạn và tái hợp đơn giản tại lớp MAC Cơ chế này hoạt động theo thuật toán Send-and-Wait, trong đó trạm phát không được phép truyền một đoạn mới cho đến khi xảy ra một trong các tình huống nhất định.

1 Nhận một ACK cho đoạn

2 Quyết định đoạn đƣợc truyền lại nhiều lần và chèn vào toàn bộ khung

Chuẩn cho phép trạm truyền một địa chỉ khác trong các lần phát lại của một đoạn nhất định, điều này rất hữu ích khi một AP có nhiều gói nổi bật với các đích đến khác nhau, đặc biệt khi một trong số đó không phản hồi.

Sơ đồ sau biểu diễn một khung (MSDU) đƣợc chia thành vài đoạn (MPDUs):

CÁC KHÔNG GIAN KHUNG INTER (Inter Frame Space)

Chuẩn này định nghĩa 4 kiểu không gian khung Inter, đƣợc sử dụng để cung cấp các quyền ƣu tiên khác nhau:

SIFS (Short Inter Frame Space) là khoảng thời gian tối thiểu dùng để phân chia các truyền dẫn, đảm bảo rằng một trạm đơn có quyền ưu tiên truyền tải trước các trạm khác Giá trị SIFS được thiết lập cố định trong lớp vật lý và được tính toán dựa trên khả năng nhận và giải mã gói tin của trạm phát Trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 FH, giá trị SIFS được quy định là 28 micro giây.

PIFS (Point Coordination IFS) là một phương thức được sử dụng bởi các điểm truy cập để đảm bảo quyền truy cập vào môi trường trước các trạm khác Giá trị SIFS sẽ được cộng với một khe thời gian, ví dụ như 78 micro giây.

DIFS (Distributed IFS) là không gian khung Inter được sử dụng bởi một trạm để chuẩn bị cho việc bắt đầu một truyền dẫn mới Giá trị PIFS được cộng thêm một khe thời gian, ví dụ như 128 µs.

EIFS - Extended IFS là một giao thức IFS mở rộng, được áp dụng khi một trạm nhận gói tin không rõ ràng Mục đích của EIFS là ngăn chặn xung đột với các cuộc hội thoại đang diễn ra, giúp duy trì sự ổn định trong mạng.

GIẢI THUẬT Exponential Backoff

Backoff là một phương pháp hiệu quả để giải quyết xung đột giữa các trạm trong việc truy cập môi trường Phương pháp này yêu cầu mỗi trạm chọn một số ngẫu nhiên (n) trong khoảng từ 0 đến một giới hạn nhất định và chờ đợi số khe thời gian này trước khi cố gắng truy cập Trong quá trình này, mỗi trạm liên tục kiểm tra xem có trạm nào khác đang truy cập môi trường hay không, giúp giảm một nửa xác suất xảy ra xung đột.

Giải thuật Exponential Backoff cho phép mỗi trạm chọn một khe thời gian và tăng giá trị theo lũy thừa một cách ngẫu nhiên khi xảy ra xung đột Chuẩn IEEE 802.11 quy định việc áp dụng giải thuật này trong các tình huống cụ thể nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng.

 Nếu khi trạm cảm biến môi trường để truyền gói đầu tiên và WM đang bận

 Sau mỗi lần truyền lại

 Sau một lần truyền thành công

Cơ chế này không được áp dụng khi trạm quyết định truyền một gói mới và môi trường đã rãnh vượt quá DIFS Exponential backoff yêu cầu các nút phải chờ lâu hơn khi mức độ xung đột gia tăng.

 Bit time: thời gian truyền 1 bit

 n là số lần xung đột khi truyền một frame nào đó

 Sau n lần xung đột, nút sẽ đợi 512 x K bit time rồi truyền lại; K đƣợc chọn ngẫu nhiên trong tập {0, 1, 2, 2m – 1} với m:=min (n,10) Hình 2.5 biểu diễn sơ đồ cơ chế truy cập

Hình 2.5: Sơ đồ cơ chế truy cập

CÁC KIỂU KHUNG

Có ba kiểu khung chính:

 Khung dữ liệu: khung đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu

 Khung điều khiển: là khung được sử dụng điều khiển truy cập tới môi trường (ví dụ RTS, CTS, và ACK)

 Khung quản lý: là khung đƣợc truyền giống nhƣ các khung dữ liệu để trao đổi thông tin quản lý, nhưng không hướng tới cho các lớp trên

Kích thước của mỗi khung khác nhau, tùy thuộc vào chức năng của chúng.

KHUÔN DẠNG KHUNG

Tất cả các khung chuẩn IEEE 802.11 đều có các thành phần sau đây:

Preamble PCLP Header MAC Data CRC

Hình 2.6: Khuôn dạng khung chuẩn IEEE 802.11 a) Tiền tố (Preamble)

Nó phụ thuộc lớp vật lý, bao gồm:

Synch là một chuỗi 80 bit 0 và 1 xen kẽ, được sử dụng trong bảo mật lớp vật lý để lựa chọn anten phù hợp, đặc biệt khi áp dụng phân tập Nó cũng ảnh hưởng đến việc sửa lỗi độ dịch tần số trạng thái vững đồng bộ, liên quan đến việc định thời gian gói nhận được.

 SFD: Một bộ định ranh giới khung bắt đầu, nó gồm 16 bit nhị phân 0000 1100

Đầu mục PLCP được truyền với tốc độ 1 Mbit/s và chứa thông tin Logic cần thiết cho lớp vật lý để giải mã khung Định nghĩa định thời khung được thực hiện qua mã 1011 1101.

 Chiều dài từ PLCP - PDU: biểu diễn số byte chứa trong gói giúp cho lớp vật lý dễ phát hiện ra chính xác kết thúc gói

 Trường báo hiệu PLCP: hiện thời, chỉ chứa đựng thông tin tốc độ, được mã hóa ở tốc độ 0.5 MBps, tăng dần từ 1Mbit/s tới 4.5 Mbit/s

 Trường kiểm tra lỗi đầu mục: là trường phát hiện sai sót CRC 16 bit c) Dữ liệu MAC

Hình 2.7 cho thấy khuôn dạng khung MAC chung, các phần của trường trên các phần của các khung nhƣ mô tả sau đó

Hình 2.7: Khuôn dạng khung MAC

 Trường điều khiển khung (Frame Control)

Trường điều khiển khung chứa đựng thông tin sau:

Hình 2.8: Trường điều khiển khung (Frame Control)

Phiên bản giao thức: Trường này bao gồm 2 bit có kích thước cố định, được sắp xếp theo các phiên bản của chuẩn IEEE 802.11, nhằm nhận diện các phiên bản tương lai Trong phiên bản hiện tại của chuẩn, giá trị cố định là 0.

ToDS là tập hợp các bit 1 trong khung được đánh địa chỉ tới AP, nhằm hướng tới hệ phân phối, bao gồm cả trường hợp trạm đích đặt lại khung giống với BSS và AP Ngược lại, bit là tập hợp các bit 0 trong tất cả các khung khác.

- FromDS: Bit này là tập hợp các bit 1 khi khung truyền đến từ hệ phân phối

- More Fragments: Bit này là tập hợp các bit 1 khi có nhiều đoạn hơn thuộc c ng khung theo sau đoạn hiện thời này

Bit Retry cho biết đây là một chuyển tiếp từ đoạn trước, được sử dụng bởi trạm máy thu để nhận diện bản sao của các khung khi gói ACK bị mất.

Quản lý năng lượng là quá trình điều chỉnh trạng thái hoạt động của trạm sau khi truyền khung dữ liệu Bit này cho biết kiểu quản lý năng lượng, được sử dụng trong trường hợp các trạm chuyển đổi giữa chế độ tiết kiệm năng lượng và chế độ hoạt động.

Bit này được sử dụng để quản lý năng lượng và cung cấp thông tin cho AP về số lượng khung đã được nhớ đệm tới trạm Dựa trên dữ liệu này, trạm có thể quyết định tiếp tục kiểm tra tuần tự, thay đổi kiểu hoạt động hoặc chuyển sang chế độ khác.

- WEP: cho biết giải thuật WEP

- Order: Bit này cho biết lớp dịch vụ Strickly - Order

Trường này có hai nghĩa phụ thuộc vào kiểu khung:

- Trong các bản tin kiểm tra tuần tự tiết kiệm năng lƣợng, thì nó là ID trạm

- Trong tất cả các khung khác, nó là giá trị khoảng thời gian đƣợc d ng cho tính toán NAV

Các trường địa chỉ chứa tối đa 4 địa chỉ phụ thuộc vào các bit To DS và From DS được xác định trong trường điều khiển.

- Địa chỉ - 1: Luôn là địa chỉ nhận, nếu bit To DS đƣợc lập thì đây là địa chỉ

AP, nếu bit To DS đƣợc xóa thì nó là địa chỉ trạm kết thúc

- Địa chỉ - 2: Luôn là địa chỉ máy phát, nếu bit From DS đƣợc lập thì đây là địa chỉ AP, nếu đƣợc xóa thì nó là địa chỉ trạm

Trong hầu hết các trường hợp, nếu mất địa chỉ, địa chỉ - 3 sẽ được xác định dựa trên bit From DS Nếu khung có bit To DS được thiết lập, thì địa chỉ - 3 sẽ là địa chỉ đích.

Địa chỉ - 4: Được áp dụng khi hệ thống phân phối không dây đang hoạt động, khung dữ liệu được truyền từ một điểm truy cập đến điểm truy cập khác Trong trường hợp này, cả hai bit To DS và From DS đều được thiết lập, dẫn đến việc mất cả địa chỉ đích và địa chỉ nguồn.

Bảng 2.1: Tổng kết các cách d ng địa chỉ

To DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4

1 1 RA TA DA SA d) Điều khiển nối tiếp

Trường điều khiển nối tiếp được sử dụng để biểu diễn thứ tự các đoạn khác nhau trong khung, giúp nhận biết các gói Nó bao gồm hai trường con: trường đoạn và trường nối tiếp, định nghĩa khung và số đoạn trong khung.

CÁC KHUÔN ĐỊNH DẠNG PHỔ BIẾN

2.11.1 KHUÔN ĐỊNH DẠNG KHUNG RTS

Control Duration RA TA CRC

Hình 2.9: Khuôn dạng khung RTS

- RA là địa chỉ STA trong môi trường không dây, nó được dành để nhận dữ liệu tiếp theo hoặc khung quản lý một cách tức thời

TA là địa chỉ phát khung RTS, đại diện cho khoảng thời gian tính bằng micro-giây cần thiết để truyền dữ liệu liên tục, bao gồm khung quản lý, khung CTS, khung ACK và ba khoảng thời gian SIFS.

2.11.2 KHUÔN ĐỊNH DẠNG KHUNG CTS

Hình 2.10: Định dạng khung CTS Octets

Địa chỉ máy thu (RA) của khung CTS được sao chép từ trường địa chỉ máy phát (TA) của khung RTS trước đó Giá trị khoảng thời gian được lấy từ trường khoảng thời gian của khung RTS ngay trước đó, trừ đi thời gian cần thiết để phát khung CTS và khoảng SIFS.

2.11.3 KHUÔN ĐỊNH DẠNG KHUNG ACK

Khung ACK có định dạng như trong Hình 2.11, trong đó địa chỉ máy thu được sao chép từ trường địa chỉ-2 của khung trước đó Nếu số bit trong trường điều khiển khung trước đó nhiều hơn, giá trị khoảng thời gian sẽ là 0; ngược lại, giá trị này sẽ được lấy từ trường khoảng thời gian của khung trước đó, trừ đi thời gian phát khung ACK và khoảng SIFS.

KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG DI ĐỘNG

NHỮNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

Chất lượng tín hiệu truyền tải qua WLAN có thể bị suy giảm do nhiều yếu tố mạng, bao gồm tỷ lệ tổn thất gói tin, độ trễ mạng và sự biến động của độ trễ mạng.

Từ góc độ dịch vụ đầu cuối, tỷ lệ tổn thất gói tin tổng quát bao gồm tỷ lệ tổn thất mạng và tỷ lệ tổn thất do hủy gói tại bộ đệm tái tạo Độ trễ tổng quát, bao gồm trễ mạng và trễ bộ đệm, phát sinh từ thời gian lưu gói tin tại bộ đệm tái tạo Chất lượng tín hiệu nhận được không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ tổn thất gói tin và độ trễ tổng quát, mà còn bị ảnh hưởng bởi các chuẩn CODEC, thuật toán xử lý tổn thất gói tin, và phương thức điều khiển tái tạo gói tin của bộ đệm tại đầu thu Để đánh giá chất lượng dịch vụ của các hệ thống mạng, chúng ta cần xem xét các tiêu chí như trễ, biến thiên trễ, tổn thất gói tin và thông lượng.

Trễ mạng là khoảng thời gian chờ đợi trước khi nhận được thông tin, và nó chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như mã hóa, giải mã tín hiệu, cũng như độ trễ trong quá trình truyền tải qua các mạng thành phần Các yếu tố này cùng với lưu lượng truyền tải trên mạng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối, được tính từ thời điểm bên phát gửi tín hiệu cho đến khi bên nhận nhận được thông tin.

Trễ đường truyền là thời gian cần thiết để một bit dữ liệu được truyền từ nguồn phát đến thiết bị nhận, và thời gian này phụ thuộc vào khoảng cách vật lý cũng như phương tiện truyền dẫn được sử dụng.

Trễ truyền tải là khoảng thời gian tổng cộng để gửi gói tin từ hàng đợi ra khỏi giao diện mạng Trong các mạng diện rộng, tốc độ truyền Internet thường ảnh hưởng đến mức độ trễ này, làm cho việc tối ưu hóa hiệu suất mạng trở nên cần thiết.

622 Mb/s (STM-4), thụng thường trễ truyền tải tại mỗi chặng khoảng 20 às với gúi tin có độ dài tối đa MTU bằng 1500 Bytes

Trễ hàng đợi là khoảng thời gian mà một gói tin được lưu giữ từ khi đến cổng vào cho đến khi được xử lý Đây là nguyên nhân chính gây ra biến động trễ từ đầu cuối đến đầu cuối, phụ thuộc vào tải lưu lượng và tình trạng tắc nghẽn của mạng.

Trễ xử lý mã hóa và giải mã là khoảng thời gian cần thiết để thực hiện các thao tác này trên tín hiệu, và độ trễ này phụ thuộc vào phương pháp mã hóa được sử dụng.

Trễ đóng gói/mở gói tin là thời gian cần thiết để thêm tiêu đề vào gói tin ở phía phát hoặc để tách tiêu đề và tải trọng ở phía thu.

Trễ tái tạo là khoảng thời gian mà gói tin được lưu trữ trong bộ đệm tái tạo, bắt đầu từ khi gói tin được thu nhận cho đến khi tín hiệu được tái tạo tại điểm cuối.

Biến thiên trễ (jitter) là hiện tượng thời gian chênh lệch do sự trễ đường truyền khác nhau trên mạng Để loại bỏ jitter, cần thu thập và giữ các gói tin đủ lâu nhằm đảm bảo các gói chậm nhất được phát lại theo đúng thứ tự, điều này làm tăng thời gian trễ Trong công nghệ VoIP, biến thiên độ trễ thường xảy ra do sự biến đổi thời gian giữa các gói tin đến, chủ yếu do tắc nghẽn mạng, sai lệch về thời gian hoặc thay đổi tuyến đường.

Biến thiên trễ đồng hồ có hai tham số chính: biến thiên trễ pha và biến thiên trễ chu trình đến chu trình Biến thiên trễ pha xảy ra do sự thu hẹp hoặc kéo dài pha của tín hiệu điện, có thể là ngẫu nhiên hoặc lặp lại theo chu kỳ Độ lệch chuẩn đỉnh - đỉnh của biến thiên trễ pha được gọi là biến thiên trễ pha RMS.

Biến thiên trễ pha có thể được biểu diễn bằng độ, radian hoặc giây, và nếu sự biến thiên này là tuần hoàn, nó có thể được thể hiện bằng đơn vị hertz.

Biến thiên trễ chu kỳ là sự thay đổi giữa các chu kỳ liền kề của tín hiệu, được xác định bằng cách ghi nhận các chu kỳ liên tiếp Tình huống xấu nhất trong biến thiên trễ chu kỳ là biến thiên trễ chu kỳ đỉnh – đỉnh.

Ngăn chặn biến thiên trễ:

Mạch chống biến thiên trễ (AJCs) được thiết kế để giảm thiểu biến đổi trễ trong xung tín hiệu, đóng vai trò quan trọng trong các mạch đồng bộ và khôi phục dữ liệu trong truyền thông số Chúng cũng được ứng dụng trong hệ thống lấy mẫu của các bộ chuyển đổi tương tự-số và số-tương tự AJCs bao gồm các thành phần như mạch lặp khoá pha và mạch lặp khoá trễ, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của tín hiệu truyền tải.

Bộ đệm biến thiên trễ (jitter buffer) là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu biến thiên trễ trong truyền tải dữ liệu Bộ đệm này lưu trữ các gói tin dự phòng với kích thước bằng hoặc lớn hơn biến thiên trễ lớn nhất trên đường truyền Kích thước của bộ đệm sẽ thay đổi tùy thuộc vào độ ổn định và tốc độ của kết nối mạng.

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY CHUẨN IEEE 802.11

Hình 3.1 Ánh xạ giữa IEEE 802.11 và mô hình OSI 7 tầng

Chuẩn IEEE 802.11 cho mạng cục bộ không dây bao gồm hai tầng con là tầng PHY và tầng MAC trong mô hình tham chiếu OSI Tầng LLC (Logic Link Control) được mô tả trong chuẩn 802.2, cho phép các tầng cao hơn hoạt động mà không bị ảnh hưởng Kiến trúc phân tầng này giúp các trạm trong mạng WLAN có thể hoán chuyển với các mạng cục bộ khác Điều này cho phép giao thức TCP/IP hoạt động trên mạng IEEE 802.11 WLAN tương tự như trên mạng có dây Ethernet Hình 3.2 minh họa sự khác biệt giữa các chuẩn hoạt động dựa trên chuẩn 802.11 WLAN ở tầng PHY và tầng MAC.

In 1997, IEEE introduced various options for the PHY layer, including Infrared (IR), Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), and Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), all supporting speeds of 1 and 2 Mbps By 1999, IEEE defined two high-speed extensions corresponding to the 802.11b standard, which operates at 2.4GHz with speeds up to 11Mbps, and the 802.11a standard, functioning at 5GHz with speeds reaching 54Mbps, utilizing Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology.

Chuẩn 802.11g là một chuẩn mở rộng của chuẩn 802.11b trong đó hỗ trợ tốc độ truyền lên đến 54Mbps và vẫn hoạt động ở băng tần 2.4GHz

Chuẩn 802.11h là một phiên bản cải tiến của chuẩn 802.11a với kiểm soát về license, hoạt động ở băng tần 5GHz và đƣợc triển khai ở châu Âu

Hệ thống mạng cục bộ không dây sử dụng các giao thức dựa trên chuẩn IEEE 802.11, bao gồm tầng vật lý (PHY layer) và tầng con điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC layer) Các giao thức này đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định trong môi trường không dây.

3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY

Với sự phát triển của mạng cục bộ không dây (WLANs), nhu cầu quan trọng hiện nay là triển khai các ứng dụng thời gian thực trên mạng không dây tương tự như trên mạng cáp hữu tuyến.

Chuẩn IEEE 802.11 là tiêu chuẩn phổ biến cho mạng WLAN hiện nay Bài viết này sẽ nghiên cứu và đánh giá các mô hình chất lượng dịch vụ dành cho mạng WLAN không dây theo chuẩn IEEE 802.11.

3.3.1 CƠ CHẾ HỖ TRỢ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ MẠNG KHÔNG DÂY BAN ĐẦU CỦA BỘ CHUẨN IEEE 802.11

IEEE 802.11 sử dụng hai cơ chế truy cập môi trường lan truyền là hàm điều phối phân tán (DCF) và hàm điều phối điểm (PCF) DCF cho phép các thiết bị truy cập môi trường một cách tự do, trong khi PCF cung cấp một phương pháp truy cập có kiểm soát hơn, đảm bảo băng thông cho các ứng dụng nhạy cảm với thời gian.

Chế độ DCF được áp dụng rộng rãi trên hầu hết các thiết bị mạng không dây, trong khi PCF chỉ xuất hiện trên một số thiết bị nhất định Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ cả hai chế độ DCF (dựa trên sự tranh chấp) và PCF (không dựa trên sự tranh chấp), cùng với hai phương thức truyền dữ liệu: không đồng bộ và đồng bộ.

- Chế độ truyền không đồng bộ đƣợc cung cấp bởi DCF và đƣợc triển khai trên hầu hết các trạm sử dụng chuẩn 802.11

- Chế độ truyền đồng bộ đƣợc cung cấp bởi PCF và đƣợc triển khai dựa trên cơ chế kiểm soát vòng (polling-based access)

DCF là phương thức truy cập cơ bản của IEEE 802.11, sử dụng thuật toán CSMA/CA để điều phối truy cập trong vùng phủ sóng chia sẻ Trước khi bắt đầu truyền gói tin, một trạm phải cảm nhận môi trường truyền Hai kỹ thuật cảm nhận sóng mang được áp dụng là cảm nhận sóng mang PHY qua giao diện không dây và cảm nhận sóng mang ảo ở tầng MAC Điều này giúp mạng cục bộ không dây hoạt động hiệu quả trên các mạng sử dụng giao thức TCP/IP mà không cần thay đổi.

Cơ chế cảm nhận sóng mang PHY giúp phát hiện sự tồn tại của các STAs khác thông qua việc theo dõi tín hiệu và hoạt động của các kênh liên quan Đồng thời, cơ chế cảm nhận sóng mang ảo cho phép một STA thông báo cho các STAs khác trong cùng một BSS về thời gian chiếm dụng kênh truyền để truyền frame Để thực hiện điều này, trạm gửi có thể thiết lập trường thời gian truyền trong MAC header của frame dữ liệu hoặc sử dụng các trường RequestToSend (RTS) và ClearToSend (CTS) trong frame điều khiển.

Sau khi nhận thông báo, các STAs có thể điều chỉnh bộ đếm cục bộ theo khoảng thời gian đã chỉ định Quá trình này được gọi là vector cấp phát mạng (Network Allocation Vector - NAV), như được minh họa trong hình dưới đây.

Hình 3.3: Lƣợc đồ điều khiển truy cập cơ bản DCF của CSMA/CA

Khi một gói tin được gửi đến một hàng đợi rỗng và đường truyền đang ở trạng thái rỗi lâu hơn giá trị DIFS (Distributed InterFrame Space), trạm nguồn có thể tiến hành truyền ngay lập tức.

Trong khi một số trạm trì hoãn việc truyền và điều chỉnh NAV, quá trình backoff sẽ được khởi động Trong quá trình này, STA sẽ tính toán một chu kỳ ngẫu nhiên, được gọi là Backoff_timer, từ cửa sổ tranh chấp (Contention Window - CW).

Backoff_timer được tính bằng công thức rand [0, CW] * slot_time, trong đó CWmin < CW < CWmax và slot_time phụ thuộc vào loại tầng PHY Thời gian backoff sẽ giảm khi môi trường truyền rỗi (idle) Khi đường truyền chuyển sang trạng thái rỗi, STA sẽ chờ DIFS và liên tục giảm backoff_timer Khi backoff_timer hết hạn, STA sẽ được xác thực để truy cập môi trường truyền Xung đột có thể xảy ra nếu có từ hai STAs bắt đầu truyền đồng thời Trong mạng không dây, việc phát hiện xung đột không phụ thuộc vào mức năng lượng của quá trình truyền và nhận Một gói ACK sẽ được sử dụng để thông báo cho người gửi về việc truyền frame thành công hay không Nếu bên gửi không nhận được ACK, frame sẽ được xem là bị xung đột và bên gửi sẽ gửi lại, bắt đầu lại quá trình backoff Để giảm xung đột, sau mỗi lần thử truyền không thành công, giá trị của backoff_timer sẽ được điều chỉnh.

CW sẽ được tăng gấp đôi cho đến khi đạt giá trị tối đa CWmax Sau mỗi lần truyền thành công, CW sẽ được thiết lập lại về giá trị cố định CWmin.

Các trạm ẩn (hidden terminals) là những STAs mà người nhận có thể nghe thấy nhưng không thể phát hiện bởi người gửi, dẫn đến xung đột giữa các gói tin từ những người gửi khác nhau Để khắc phục vấn đề này, nguồn sẽ gửi một frame RTS trước khi truyền mỗi frame, và người nhận sẽ phản hồi bằng một frame CTS Hình ảnh minh họa sau đây sẽ mô tả hoạt động của lược đồ truy cập RTS/CTS.

Hình 3.4: Lƣợc đồ truy cập RTS/CTS

CÁC HẠN CHẾ VỀ HỖ TRỢ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ CỦA GIAO THỨC MAC_IEEE 802.11

Tầng quản lý truy cập môi trường truyền (MAC) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý truy cập kênh, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và cung cấp bảo mật Liên kết không dây có những đặc trưng như tốc độ mất gói tin cao, sự bùng nổ của các khung bị mất, và sự biến thiên độ trễ, không ổn định theo không gian và thời gian Sự di chuyển của người sử dụng có thể làm thay đổi đường truyền, đặc biệt khi chuyển giao giữa hai điểm truy cập (AP), gây hiện tượng roaming Trong khi người dùng mong đợi chất lượng dịch vụ ổn định, yêu cầu cho điểm truy cập mới cũng cần hỗ trợ QoS tương tự như điểm truy cập hiện tại, điều này thường không dễ dàng thực hiện Để đáp ứng được yêu cầu này, cần chú ý đến một số vấn đề quan trọng.

• Sự đa dạng của các loại AP của các hãng khác nhau

• Cơ chế hỗ trợ QoS của các AP có thể đƣợc thiết lập ở các chế độ khác nhau

• Sự di động của các AP, các thiết bị đầu cuối…

Để mô tả các đặc trưng của QoS trong mạng WLAN, chúng ta cần nhấn mạnh khả năng của thiết bị mạng trong việc đảm bảo truyền dữ liệu ổn định Tham số hoá QoS bao gồm các yếu tố như tốc độ truyền dữ liệu, giới hạn trễ và biến thiên trễ, được quy định trong đặc tả lưu lượng (TSPEC) cho dịch vụ dữ liệu MAC Việc sắp xếp ưu tiên QoS được thực hiện thông qua phân phối có ưu tiên, cho phép các tham số QoS như tốc độ dữ liệu và giới hạn trễ có thể thay đổi trong quá trình truyền khung dữ liệu mà không cần dự trữ tài nguyên Phần này sẽ đề cập đến các hạn chế về QoS của hàm MAC_IEEE 802.11.

3.4.1 HẠN CHẾ VỀ HỖ TRỢ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ CỦA DCF

DCF cung cấp dịch vụ với cam kết nỗ lực tối đa nhưng không đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Một số dịch vụ, như VoIP và hội thảo truyền thanh/truyền hình, thường có giới hạn về thời gian và yêu cầu băng thông, độ trễ cũng như biến thiên độ trễ cụ thể Tuy nhiên, có thể điều chỉnh để cân đối với một số gói dịch vụ bị mất.

Trong chế độ DCF, tất cả các trạm (STAs) trong một BSS chia sẻ tài nguyên và kênh với cùng mức ưu tiên, dẫn đến việc không có cơ chế phân loại nào để đảm bảo băng thông, độ trễ gói tin và biến thiên độ trễ cho các trạm có ưu tiên cao hoặc các luồng đa phương tiện.

3.4.2 HẠN CHẾ VỀ HỖ TRỢ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ CỦA PCF

Mặc dù PCF được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu thời gian của ứng dụng đa phương tiện, nhưng nó vẫn gặp ba vấn đề chính, dẫn đến hiệu suất chất lượng dịch vụ chỉ đạt mức thấp.

Việc kiểm soát vòng tập trung mọi truyền thông giữa hai trạm trong một BSS phải thông qua AP dẫn đến việc tăng lưu lượng số kênh, gây lãng phí băng thông.

Sự hợp tác giữa chế độ CP và CFP có thể gây ra trễ không thể dự đoán Điểm điều phối (PC) lên lịch tại TBTT cho các chu kỳ CFP, và các mốc này được truyền khi đường truyền rảnh rỗi cho một khoảng thời gian dài hơn một DIFS Do đó, tùy thuộc vào tình trạng của môi trường truyền không dây xung quanh TBTT, khung mốc có thể bị trễ Trong các chuẩn 802.11 hiện tại, các trạm có thể bắt đầu quá trình truyền ngay cả khi việc truyền khung không thể hoàn tất trước mốc TBTT tiếp theo Thời gian trì hoãn của mốc truyền sau TBTT ảnh hưởng đến hiệu suất QoS trong mỗi CFP.

Thời gian truyền của một vòng trong hệ thống kiểm soát trạm rất khó kiểm soát do kích thước khung có thể thay đổi từ 0 đến 2346 bytes, dẫn đến sự biến động trong thời gian truyền Tốc độ vật lý của vòng kiểm soát trạm cũng có thể thay đổi tùy theo trạng thái, làm cho việc dự đoán thời gian truyền của AP trở nên khó khăn Điều này gây khó khăn cho AP trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các trạm khác trong danh sách vòng trong phần còn lại của CFP Những hạn chế này ở cả DCF và PCF đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất chất lượng dịch vụ cho MAC_IEEE 802.11.

HÀM ĐIỀU PHỐI CẢI TIẾN EDCF

(Enhanced Distributed Coordination Function - EDCF)

EDCF được thiết kế nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ ưu tiên dựa trên xung đột Trong EDCF, mỗi trạm cải tiến chất lượng dịch vụ (QSTA) có 4 hàng đợi AC, hỗ trợ 8 mức ưu tiên người dùng theo định nghĩa trong IEEE 802.11d.

Hình 3.6: EDCF đề xuất bởi 802.11e

Một hoặc nhiều mức ƣu tiên đƣợc ánh xạ vào c ng một hàng đợi Xem bảng chi tiết sau

0 Best effort (BE) 0 Best effor

3 Excellent effort (EE) 1 Video probe

5 VI (video