Tổng quan viễn thông và mạng truy nhập Công nghệ VDSL

Mạng truy nhập ngày nay là một thực thể phức tạp, nó là mạng phối hợp của nhiều môi trường truyền dẫn và công nghệ

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN 1

1.1 Sự cần thiết của mạng WLAN 1

1.2 Quá trình phát triển của mạng WLAN 3

1.3 Các thành phần của mạng WLAN 4

1.3.1 Các card giao diện mạng vô tuyến 4

1.3.2 Các điểm truy nhập vô tuyến 4

1.3.3 Các cầu nối vô tuyến từ xa 5

1.4 Kiến trúc giao thức WLAN 5

1.5 Cấu hình WLAN 7

1.6 Phân loại mạng WLAN 9

1.6.1 Các LAN vô tuyến 9

1.6.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 9

1.6.1.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS) 11

1.6.1.3 So sánh các mạng WLAN DSSS và FHSS 13

1.6.1.4 Cảm biến sóng mang 15

1.6.2 Các mạng LAN hồng ngoại 16

1.6.3 Các mạng LAN trực tiếp và khuyếch tán 17

1.6.4 Các đặc tính của các mạng LAN hồng ngoại 18

CHƯƠNG II CÁC TIÊU CHUẨN CỦA MẠNG WLAN 19

2.1 Giới thiệu về các tiêu chuẩn 19

2.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 21

2.2.1 Kiến trúc mạng IEEE 802.11 21

2.2.2 Mô hình tham chiếu IEEE 802.11 cơ sở 22

2.3 Lớp vật lý IEEE 802.11 23

2.3.1 Các khuôn dạng gói dữ liệu chung 23

2.3.2 Lớp vật lý DSSS 24

2.3.3 Lớp vật lý FHSS 25

2.3.4 Lớp vật lý hồng ngoại 27

2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11 29

2.4.1 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát 29

2.4.2 Các khoảng trống liên khung 30

2.4.3 Chức năng phối hợp phân tán 31

2.4.4 Chức năng phối hợp điểm 37

2.4.5 Kết hợp và tái kết hợp 39

2.4.6 Nhận thực và bảo mật 39

2.4.7 Đồng bộ hoá 40

2.4.8 Quản lý công suất 41

2.4.9 Quá trình phân mảnh gói 42

2.5 Tiêu chuẩn HIPERLAN Type I 43

2.5.1 Lớp vật lý 43

2.5.2 So sánh các đặc tính kỹ thuật giữa IEEE 802.11 và HIPERLAN 45

2.5.3 Lớp điều khiển truy nhập môi trường HIPERLAN Type I 45

2.5.4 Chuyển tiếp nội bộ 47

2.5.5 Nút ẩn 49

2.5.6 Chất lượng dịch vụ 49

2.5.7 Quản lý công suất 49

2.5.8 An ninh 50

2.6 Chuẩn WLIF OpenAir 50

2.7 Chuẩn HomeRF SWAP 50

2.7.1 Cấu hình mạng 51

2.7.2 Ứng dụng 52

2.8 Chuẩn Bluetooth 52

2.8.1 Tính cần thiết của chuẩn Bluetooth 52

2.8.2 Các đặc tả kỹ thuật Bluetooth 53

2.8.3 Các kiểu kết nối 53

2.8.4 Nhận thực và bảo mật 54

2.8.5 Tiêu thụ công suất 54

2.8.6 Sửa lỗi 54

2.8.7 Các phát triển trong tương lai 55

2.9 Các chuẩn W3C và WAP 55

2.9.1 W3C 55

2.9.2 Diễn đàn WAP-WAP Forum 56

2.10 Chuẩn kết hợp dữ liệu hồng ngoại 56

2.11 Tổng kết 58

CHƯƠNG III CÁC VẤN ĐỀ CỦA MẠNG WLAN 59

3.1 Các vấn đề khi triển khai WLAN 59

3.1.1 Nút ẩn 59

3.1.2 Theo dõi công suất 61

3.1.3 Các vật cản LAN truyền tín hiệu 62

3.1.4 Các nguồn nhiễu vô tuyến 63

3.2 Các phương pháp nâng cao chất lượng WLAN 63

3.2.1 Cấu hình đa kênh 63

3.2.2 Hoạt động đa kênh đối với các WLAN DSSS 2.4 GHz 64

3.2.3 Hoạt động đa kênh đối với WLAN FHSS 2.4 GHZ 64

3.2.4 Lọc lưu lượng mạng 65

3.2.5 Giảm tốc độ dữ liệu (Fall back) 66

3.2.6 Chuyển vùng và chuyển giao 66

3.2.7 Cân bằng tải 67

3.2.8 Đảm bảo truy nhập vô tuyến 67

3.2.9 Quản lý công suất 68

3.3 An ninh mạng WLAN 68

3.3.1 Giới thiệu 68

3.3.2 Các tập giải pháp an ninh mạng cho WLAN 69

3.3.2.1 Mã hoá 69

3.3.2.2 Giao thức WEP 70

3.3.2.3 Các tiêu chuẩn mã hoá dữ liệu 70

3.3.2.4 Nhận thực 71

3.3.2.5 Lớp khe cắm an ninh SSL 71

3.3.2.6 Lọc địa chỉ MAC (hay danh sách điều khiển truy nhập) 72

3.3.2.7 Giao thức nhận thực mở rộng (EAP) 72

3.3.2.8 802.1x 72

3.3.2.9 Nhận thực 73

3.3.2.10 Mạng riêng ảo 73

3.3.3 Các kiểu tấn công an ninh vô tuyến điển hình 73

3.3.3.1 WEP Cracking - bẻ gãy WEP 74

3.3.3.2 Tấn công địa chỉ MAC 74

3.3.3.3 Các tấn công gây ra bởi một người ở vị trí trung gian 74

3.3.3.4 Các tấn công dạng từ điển 75

3.3.3.5 Tấn công phiên 75

3.3.3.6 Từ chối dịch vụ (DoS) 75

3.3.3.7 Các giải pháp tương lai ngăn chặn các tấn công vào mạng WLAN 76

3.3.4 An ninh trong thực tế 76

3.3.4.1 Khu vực nhà ở và văn phòng nhỏ – Yêu cầu an ninh thấp 77

3.3.4.2 Văn phòng nhỏ và người dùng ở xa – Yêu cầu an ninh trung bình 78

3.3.4.3 Người sử dụng của các tổ chức/tập đoàn – Yêu cầu an ninh cao 78

3.3.4.4 An ninh truy nhập công cộng 80

3.3.5 Các hướng phát triển trong tương lai 80

3.3.6 Kết luận 81

3.3.7 Phụ lục: Các công nghệ và các sáng kiến an ninh 81

3.3.7.1 Nhận thực 81

3.3.7.2 Kiểm tra dư chu trình CRC 81

3.3.7.3 Chữ ký số/ chứng chỉ số 81

3.3.7.4 Tường lửa 82

3.3.7.5 Kerberos 82

3.3.7.6 Tính toàn vẹn 82

3.3.7.7 Chuyển đổi khoá Internet (IKE) 83

3.3.7.8 IPSec 83

3.3.7.9 LEAP 83

3.3.7.10 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 83

3.3.7.11 Giao thức nhận thực mở rộng được bảo vệ (PEAP) 83

3.3.7.12 Hạ tầng khoá chung (PKI) 84

3.3.7.13 Dịch vụ người sử dụng quay số nhận thực từ xa (RADIUS) 84

3.3.7.14 Bộ nhận dạng tập dịch vụ (SSID) 84

3.3.7.15 An ninh lớp truyền tải (TLS) 84

3.3.7.16 An ninh lớp truyền tải đường ống (TTLS) 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số không đối

xứng

DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân vi sai

DECT Digital Enhanced Cordless Telephone Điện thoại vô tuyến số tiên tiến

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình host độngDIFS Distributed Coordination Function IFS IFS phối hợp phân bố

DQPSK Differential Quadrature Phase Shift

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực mở rộng

Standard Institute Viện các tiêu chuẩn và viễn thông Châu ÂuEY-

NPMA Elimination Yield Non Pre – emptive Multiple Access Đa truy nhập không ưu tiên loại trừ độ lợi

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần

FIPS Federal Information Processing

HIPERL

IEEE Institute of Electrical and Electronic

IETF Internet Engineering Task Force Uỷ ban chuyên trách về Internet

IrLAP Infrared Link Access Protocol Giao thức truy nhập kết nối hồng

ngoạiIrLMP Infrared Link Management Protocol Giao thức quản lý kết nối hồng

ngoại

ISM Industrial, Scientific, and Medical Băng tần công nghiệp, khoa học và

y tếISDN Integrated Subcriber Digital Network Mạng tích hợp thuê bao số

ISO International Standards Organization Tổ chức chuẩn hoá quốc tế

ITU-T International Telecommunication

Union - Telecommunications Sector Liên minh viễn thông thế giới-Ban viễn thông

LDAP Lightweight Directory Access Protocol Giao thức truy nhập danh bạ mức

thấpLEAP Lightweight Extensible Authentication

Protocol

Giao thức nhận thực mở rộng mức thấp

MAN

NIST National Institute of Standards and

OFDM Orthorgonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tàn số trực giao

PCI Peripheral Component Interconnect Kết nối thành phần ngoại vi

PEAP Protected Extensible Authentication

PLCP Physical Layer Convergence Protocol Giao thức hội tụ lớp vật lý

PPTP Point – to – Point Tunneling Protocol Giao thức tạo đường ống điểm đến

điểm

RADIUS Remote Authentication Dial – In User

Service

Dịch vụ người sử dụng quay số nhận thực từ xa

SSL Sercure Socket Layer Lớp khe cắm an ninh

SWAP Shared Wireless Access Protocol Giao thức truy nhập vô tuyến dùng

chungSWAP-

MM Shared Wireless Access Protocol Multimedia Đa phương tiện giao thức truy nhậpvô tuyến dùng chungTCP/IP Transmission Control Protocol/Internet

Protocol Giao thức Internet/Giao thức điều khiển truỳen dẫn

gian

TTLS Tunneled Transport Layer Security An ninh lớp truyền tải đường ốngUNII Unlicensed National Information

WLIF Wireless LAN Interoperability Forum Diễn đàn tương thích mạng LAN

vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN

1.1 Sự cần thiết của mạng WLAN

Các mạng LAN sử dụng cáp để kết nối các máy tính, các file server, các máy in

và các thiết bị mạng khác Các mạng này cho phép người sử dụng trao đổi thông tinvới nhau qua thư điện tử và truy nhập các chương trình ứng dụng đa người sử dụng vàcác cơ sở dữ liệu dùng chung Để kết nối tới một mạng LAN, thiết bị người sử dụngphải được kết nối vật lý tới một lối ra hay một khe cắm cố định, vì thế mà tạo ra mộtmạng có ít hoặc nhiều nút cố định Việc di chuyển từ một vị trí này đến một vị trí kháccần phải ngắt kết nối khỏi mạng LAN và thực hiện tái kết nối ở một vị trí mới Việc

mở rộng mạng LAN bắt buộc phải lắp đặt thêm cáp, quá trình này tốn nhiều thời gian,chiếm nhiều không gian hơn và làm tăng đáng kể chi phí ban đầu Các yếu tố này làmcho mạng LAN hữu tuyến có chi phí cao và khó khăn khi lắp đặt, bảo dưỡng và nhất làkhi sửa chữa

Các mạng WLAN đem lại lợi ích cho người sử dụng di động và cho quá trìnhtriển khai mạng linh hoạt trong các mạng tính toán nội hạt Khi di động, người sử dụng

di chuyển giữa các vị trí khác nhau trong môi trường mạng LAN mà không làm mấtkết nối Một điểm thuận lợi của WLAN là khả năng linh hoạt trong việc cấu hình lạihoặc bổ sung nút mới vào mạng mà không phải quy hoạch lại mạng và không mất chiphí cho việc tái lắp đặt cáp, vì vậy mà làm cho việc nâng cấp trong tương lai trở nênđơn giản và không tốn kém Khả năng đối phó với các thành phần của một mạng LANđộng được tạo ra bởi các người sử dụng di động và các thiết bị tính toán cầm tay làmột yếu tố quan trọng khác cần xem xét đến khi lựa chọn một mạng WLAN Vì thế,việc sử dụng rộng rãi các máy tính xách tay và các thiết bị kỹ thuật số cá nhân cầm tay

đã dẫn tới mức độ phụ thuộc càng tăng lên vào các mạng WLAN trong những năm gầnđây Hiện nay có khoảng 40 sản phẩm WLAN có mặt trên thị trường Người ta hyvọng là nó sẽ còn tăng hơn nữa với sự xuất hiện gần đây của các tiêu chuẩn WLANHIPERLAN và IEEE 802.11

Mạng WLAN khác với các mạng vô tuyến diện rộng ở chỗ quá trình truyền thôngtin số bằng vô tuyến tế bào hoặc vô tuyến gói Vì các hệ thống này phủ sóng ở khoảngcách lớn, chúng đòi hỏi cơ sở hạ tầng đắt tiền, chúng cho phép các tốc độ dữ lỉệu thấp

và yêu cầu người sử dụng trả tiền theo thời gian sử dụng độ rộng băng thông hoặc việc

sử dụng cơ sở Tuy nhiên ở trong nhà hoặc khu vực địa lý bị giới hạn các mạngWLAN không yêu cầu chi phí sử dụng và cho phép tốc độ số liệu cao hơn

Các mạng WLAN cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn 1Mbps và thường được sửdụng để truyền dữ liệu giữa các máy tính trong một toà nhà Với khả năng quảng bá,các mạng WLAN cũng cho phép thực hiện các dịch vụ phát quảng bá và dịch vụtruyền từ điểm tới đa điểm mặc dù các dịch vụ này phải được bảo vệ để tránh khỏi cáctruy nhập trái phép

Trong cấu hình của một mạng WLAN điển hình (Hình 1.1), một thiết bị phát/thu(bộ thu phát) gọi là điểm truy nhập kết nối tới một mạng hữu tuyến từ một vị trí cốđịnh Điểm truy cập thực hiện thu, lưu đệm và phát các gói số liệu giữa mạng WLAN

và cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến Một điểm truy cập riêng lẻ có thể hỗ trợ một nhómcác nút di động và có thể thực hiện chức năng trong phạm vi vài trăm mét Anten gắnvới điểm truy nhập thường được đặt cao nhưng cũng có thể được đặt bất cứ chỗ nào cóthể được miễn là đảm bảo được vùng phủ sóng theo yêu cầu Các thiết bị đầu cuốingười sử dụng trao đổi thông tin với điểm truy nhập qua các bộ thích ứng WLAN, các

bộ thích ứng này được thực hiện như là các card PC trong các máy tính xách tay, cáccard PCI hoặc các card ISA trong các máy tính để bàn hoặc các thiết bị tích hợp toàn

bộ trong các máy tính cầm tay (các thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật số, các máy tính cánhân cầm tay dùng bút điều khiển) và các máy in Các bộ thích ứng WLAN cung cấpmột giao diện giữa hệ điều hành mạng khách và đường kết nối vô tuyến thông qua mộtanten Điều này cho phép các đặc tính vật lý của kết nối vô tuyến trở nên trong suốtđối với hệ điều hành mạng Các mạng WLAN sử dụng các thiết bị máy tính di độngđược gọi là các mạng LAN không dây Thuật ngữ ‘không dây’ nhấn mạnh thực tế rằngcác mạng LAN này bỏ đi dây nguồn cũng như cáp mạng

1.2 Quá trình phát triển của mạng WLAN

Lịch sử phát triển của các mạng WLAN được sơ lược qua 3 thế hệ:

 Thế hệ đầu: Hoạt động tại các băng tần 900-928 MHz (băng tần ISM),với tốc độ thấp hơn 860Kbps Do hạn chế về băng tần (nhiều ứng dụng

vô tuyến khác từng chạy trên băng tần này) nên các công nghệ ở giaiđoạn này không phát triển mạnh

 Thế hệ thứ hai: Hoạt động tại băng tần 2,4-2,483 GHz, tốc độ đạt 2Mbps, sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh nhưng cũng bị hạn chế vềbăng tần

 Thế hệ thứ ba: Hoạt động tại các băng tần 2,4 GHz (sử dụng các phươngpháp điều chế phức tạp hơn) đạt tốc độ 11 Mbps, 5 GHz và 17 GHz, tốc

độ lên tới 54 Mbps

Hình 1.2: Quá trình phát triển của mạng WLANCác tổ chức tiêu chuẩn lớn như IEEE và ETSI liên tục đưa ra và cập nhật các tiêuchuẩn cho WLAN 802.11, và HIPERLAN của mình

Ưu điểm Vùng phủ sóng rộng

hơn, sử dụng cho cácmạng LAN trong nhà

- Được sử dụng rộng rãihiện nay

- Theo chuẩn IEEE 802.11

- Tốc độ dữ liệu cao hơn(khoảng 10 Mbps)

- Đã có trên thịtrường

- Theo chuẩn IEEE802.11

- Tốc độ dữ liệu cao(khoảng 20 Mbps)Nhược

- Chi phí cho các thiết

bị vô tuyến cao hơn

Bảng 1: So sánh các dải băng tần đang hoạt động

1.3.1 Các card giao diện mạng vô tuyến

Các card giao diện mạng vô tuyến không khác nhiều so với các card thích ứng sửdụng cho mạng LAN hữu tuyến Giống như các card thích ứng mạng hữu tuyến, cardgiao diện mạng vô tuyến trao đổi thông tin với hệ điều hành mạng thông qua một trìnhđiều khiển dành riêng vì thế mà cho phép các ứng dụng sử dụng mạng vô tuyến choquá trình truyền dữ liệu Tuy nhiên, không giống như các card thích ứng của mạng hữutuyến các card này không cần bất kỳ dây cáp nào kết nối chúng tới mạng và điều nàycho phép tái lắp đặt các nút mạng mà không cần chuyển đổi cáp mạng hoặc thay đổicác kết nối tới các bảng mạch hoặc các bộ tập trung (hub)

1.3.2 Các điểm truy nhập vô tuyến

Điểm truy nhập

Hình 1.3: Điểm truy nhập vô tuyếnCác điểm truy nhập tạo ra các vùng phủ vô tuyến, các vùng này kết nối các nút diđộng tới các cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến hiện có Điều này cho phép một mạngWLAN trở thành một phần mở rộng của mạng hữu tuyến Bởi vì các điểm truy nhậpcho phép khả năng mở rộng một vùng phủ sóng vô tuyến, các mạng WLAN là rất ổnđịnh và các điểm truy nhập bổ sung có thể được triển khai trong một toà nhà haykhuôn viên trường đại học nhằm tạo ra các vùng truy nhập vô tuyến rộng lớn Cácđiểm truy nhập không những cho phép quá trình truyền thông với mạng hữu tuyến màcòn thực hiện lọc lưu lượng và thực hiện các chức năng cầu nối tiêu chuẩn Chức nănglọc giúp cho việc đảo băng thông trên liên kết vô tuyến bằng cách xoá bỏ lưu lượng dưthừa Do băng thông không đối xứng giữa phương tiện truyền thông vô tuyến và hữutuyến, nên điều quan trọng đối với điểm truy nhập là cần có các tài nguyên bộ nhớ vàmột bộ đệm thích hợp Các bộ đệm cần thiết cho việc lưu trữ các gói dữ liệu tại điểm

truy nhập khi một nút di động tạm thời di chuyển ra khỏi một vùng phủ vô tuyến hoặckhi một nút di động hoạt động ở chế độ công suất thấp

Các điểm truy nhập truyền thông với nhau qua mạng hữu tuyến để quản lý cácnút di động Một điểm truy nhập không cần phải điều khiển truy nhập từ các nút diđộng khác (tức là nó có thể hoạt động với một giao thức truy nhập ngẫu nhiên phân bốnhư là CDMA chẳng hạn) Tuy nhiên, sẽ thuận lợi hơn khi sử dụng một giao thức đatruy nhập tập trung hoá được điều khiển bởi một điểm truy nhập Các tuỳ chọn giaodiện mạng hữu tuyến nói chung tới một điểm truy nhập bao gồm 10Base2, 10BaseT,modem cáp, modem ADSL và ISDN Một số card giao diện mạng vô tuyến có thể sửdụng kết hợp với các điểm truy nhập vô tuyến

1.3.3 Các cầu nối vô tuyến từ xa

Các cầu nối vô tuyến từ xa tương tự như các điểm truy nhập ngoại trừ việcchúng được sử dụng chủ yếu cho các kết nối bên ngoài Tuỳ thuộc vào khoảng cách vàvùng phủ có thể có thêm các anten ngoài Các cầu như vậy được thiết kế để liên kếtcác mạng với nhau, đặc biệt là trong các toà nhà và ở khoảng cách xa khoảng 32 km.Chúng cho phép khả năng lựa chọn nhanh chóng và kinh tế so với việc lắp đặt cáphoặc triển khai các đường điện thoại dùng riêng và thường được sử dụng khi các kếtnối hữu tuyến truyền thống là không khả thi (chẳng hạn khi triển khai qua sông suối,qua địa hình gồ ghề, qua các khu vực riêng, qua đường cao tốc) Không giống như cáckết nối bằng cáp và các mạch điện thoại dành riêng, các cầu nối vô tuyến có khả nănglọc lưu lượng và đảm bảo rằng các mạng được kết nối không bị chồng lấp bởi các lưulượng không cần thiết Các cầu nối này cũng có thể làm việc như là các thiết bị an ninhnội bộ bởi vì chúng chỉ đọc các địa chỉ đã được mã hoá vào trong các bộ thích ứngLAN (tức là các địa chỉ MAC), vì vậy mà ngăn chặn thành công các quá trình truyềnthông giả mạo

1.4 Kiến trúc giao thức WLAN

Các mạng WLAN khác với các mạng hữu tuyến truyền thống cơ bản ở lớp vật

lý và ở phân lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) trong mô hình OSI (OpenSystem Interconnection - mô hình tham chiếu các hệ thống mở) Những khác biệt nàycho phép khả năng sử dụng hai phương pháp cung cấp điểm giao diện vật lý cho cácmạng WLAN Nếu điểm giao diện vật lý ở lớp điều khiển liên kết logic LLC thìphương pháp này thường yêu cầu một trình điều khiển người dùng để hỗ trợ các phầnmềm mức cao hơn như là hệ điều hành mạng chẳng hạn Một giao diện như vậy chophép các nút di động truyền thông trực tiếp với một nút khác sử dụng các card giaodiện mạng vô tuyến Điểm giao diện logic khác ở phân lớp MAC và được sử dụng bởi

các kết nối vô tuyến Vì lý do này, các điểm truy nhập vô tuyến thực hiện các chứcnăng cầu nối và các chức năng không định tuyến Mặc dù giao diện MAC đòi hỏi kếtnối hữu tuyến, nó vẫn cho phép bất cứ một hệ điều hành mạng nào hoặc một trình điềukhiển nào làm việc với mạng WLAN Một giao diện như vậy cho phép một mạngLAN hữu tuyến hiện có có thể được mở rộng dễ dàng bằng việc cho phép truy nhậpđối với các thiết bị mạng vô tuyến mới Kiến trúc giao thức của một giao diện mạngWLAN điển hình được cho trên Hình 1.4 Các lớp thấp hơn của một card giao diện vôtuyến thường được thực hiện bằng phần mềm chạy trên các bộ xử lý nhúng Các lớpcao hơn của ngăn xếp giao thức mạng được cung cấp bởi hệ điều hành và các chươngtrình ứng dụng Một trình điều khiển mạng cho phép hệ điều hành giao tiếp với phầnmềm lớp thấp hơn được nhúng trong các card giao diện mạng vô tuyến Ngoài ra nócòn thực thi các chức năng LLC chuẩn Đối với hệ điều hành Window, trình điềukhiển nói chung chỉ tương thích với một số phiên bản của của giao diện trình điềukhiển mạng (NDIS).

Ngăn xếp giao thức vô tuyến

Lớp các ứng dụng

Lớp vận hành mạng/ hệ thống

truyền tải (TCP/IP)

Lớp điều khiển liên kết logic

Lớp điều khiển truy nhập môi

trường

Lớp vật lý vô tuyến

Card giao diện mạng

Ngăn xếp giaothức hữu tuyến

Ngăn xếp giaothức vô tuyếnLớp điều khiển

truy nhập môitrường (802.3,802.5)

Lớp điều khiển truy nhập môitrường (có phân mảnh hoá, táikết hợp, đăng ký, điều khiểnlỗi)

Lớp vật lý hữutuyến Lớp vật lý vô tuyến

Điểm truy nhập

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức của các thành phần WLANTrong Hình 1.4, các lớp gồm: lớp ứng dụng lớp vận hành mạng/ hệ thống truyềntải (TCP/IP), lớp điều khiển liên kết logic thuộc về hệ điều hành và trình điều khiển;các lớp điều khiển truy nhập môi trường, lớp vật lý logic thuộc về phần mềm máy tính

1.5 Cấu hình WLAN

Các mạng WLAN thường có hai kiểu cấu hình mạng hay còn gọi là topo mạng,chúng bao gồm cấu hình độc lập và cấu hình cơ sở như được miêu tả tương ứng trênHình 1.5 và Hình 1.6

Hình 1.6: Mạng WLAN cơ sởCấu hình độc lập hỗ trợ kết nối điểm tới điểm (peer-to-peer) nơi mà các nút diđộng truyền thông trực tiếp với nhau sử dụng các bộ thích ứng vô tuyến Bởi vì cácmạng độc lập có thể được thực hiện một cách nhanh chóng và đơn giản, chúng thườngđược tạo ra mà không cần các công cụ hay khả năng đặc biệt nào Chúng cũng khôngcần thực hiện việc quản trị mạng Những cấu hình mạng kiểu như vậy là lý tưởng đểđáp ứng các yêu cầu trong kinh doanh hoặc trong việc thiết lập các nhóm làm việc tạmthời Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải nhiều bất lợi khi vùng phủ sóng bị giới hạn Mộtđiểm truy nhập có thể mở rộng phạm vi của hai mạng WLAN độc lập bằng cách hoạtđộng như một bộ lặp, nhân đôi một cách hiệu quả khoảng cách giữa các nút di động Các mạng WLAN có cấu hình cơ sở cho phép các nút di động có thể được tíchhợp vào trong một mạng hữu tuyến (xem Hình 1.6) Quá trình chuyển đổi từ cácphương tiện vô tuyến sang các phương tiện hữu tuyến phải thông qua một điểm truynhập Việc thiết kế một mạng WLAN có thể được đơn giản hoá một cách đáng kể nếu

các thông tin về mạng và các hiểu biết cần thiết để quản lý mạng được thu thập tạicùng một vị trí Một điểm truy nhập được định vị ở chính giữa có thể điều khiển vàphân quyền truy nhập giữa các nút đang có tranh chấp, cho phép truy nhập dễ dàng tớimạng đường trục, dễ dàng thực hiện gán địa chỉ và các mức ưu tiên, thuận lợi trongviệc quản lý quá trình chuyển đi các gói dữ liệu, và theo dõi được đường đi của cấuhình mạng hiện thời Tuy nhiên, một giao thức đa truy nhập tập trung hoá không chophép một nút truyền thông tin trực tiếp tới một nút khác mà nút này đang được định vịtrong vùng phủ sóng của cùng điểm truy nhập ấy (xem Hình 1.7) Trong trường hợpnày, một gói dữ liệu sẽ phải được truyền đi hai lần (lần đầu từ nút nguồn và lần sau là

từ điểm truy nhập) trước khi nó đi tới nút đích, quá trình này làm giảm hiệu quả truyềndẫn và làm tăng trễ truyền sóng Tuy nhiên, các hệ thống như vậy nói chung thườngcho phép năng suất truyền dữ liệu lớn hơn, các vùng phủ sóng lớn hơn, và có khả năngcung cấp lưu lượng theo thời gian bao gồm video và thoại Ngoài ra, một điểm truynhập được định vị trước theo kế hoạch cũng có thể tối thiểu hoá công suất truyền dẫn

và giải quyết các vấn đề về nút ẩn một cách hiệu quả Lưu ý rằng hầu hết các mạngWLAN sử dụng giao thức phân bố như CSMA dùng cho đa truy nhập, các nút trongmạng cơ sở có thể truyền thông trực tiếp với các nút khác Tuy nhiên, một vài mạngWLAN cơ sở yêu cầu quá trình truyền dẫn gói phải được đánh địa chỉ duy nhất tớiđiểm truy nhập ngay cả khi CSMA được chấp nhận Điểm truy nhập sau đó sẽ chuyểntiếp gói tới đúng nút đích

Điểm truy nhập

Nút di động Nút di động

Hình 1.7: Mạng WLAN cơ sở được điều khiển tập trung

1.6 Phân loại mạng WLAN

Các mạng WLAN có thể được phân loại thành mạng LAN vô tuyến và LANhồng ngoại Các mạng LAN vô tuyến có thể dựa trên quá trình truyền dẫn băng hẹphay truyền dẫn trải phổ trong khi đó đối với các LAN hồng ngoại có thể là khuyếch tán

hay được định hướng Dưới đây đề cập đến các loại cơ bản của các mạng LAN vôtuyến và hồng ngoại có đánh giá điểm mạnh cũng như điểm yếu của mỗi loại.

1.6.1 Các LAN vô tuyến

Đa số các hệ thống mạng WLAN sử dụng công nghệ trải phổ Khái niệm về trảiphổ đã xuất hiện hơn 50 năm và được khởi xướng từ trong quốc phòng để đảm bảoquá trình truyền thông là tin cậy và an toàn Trải phổ đề cập đến các sơ đồ tín hiệu dựatrên một số dạng mã hoá (độc lập với thông tin được phát đi) và chúng sử dụng băngthông lớn hơn nhiều so với yêu cầu để truyền tín hiệu Băng thông lớn hơn có nghĩa lànhiễu và các hiệu ứng fading đa đường chỉ ảnh hưởng một phần đến quá trình truyềndẫn trải phổ Vì vậy mà năng lượng tín hiệu thu hầu như không đổi theo thời gian.Điều này cho phép tách sóng dễ dàng khi máy thu được đồng bộ với các tham số củatín hiệu trải phổ Các tín hiệu trải phổ có khả năng hạn chế nhiễu và gây khó khăn choquá trình phát hiện và chặn tín hiệu trên đường truyền Có hai kỹ thuật trải phổ: Trảiphổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS)

1.6.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Các hệ thống DSSS cho phép truyền dẫn tin cậy với tỷ số tín hiệu trên tạp âmtương đối nhỏ DSSS trải rộng năng lượng (công suất) của tín hiệu trên một băngthông lớn Năng lượng trên mỗi đơn vị tần số giảm đi một cách tương ứng Vì vậy,nhiễu tạo ra bởi các hệ thống DSSS nhỏ hơn đáng kể khi so sánh với các hệ thốngbăng hẹp Điều này cho phép các tín hiệu DSSS có thể sử dụng chung một băng tần.Đối với một máy thu không xác định trước, các tín hiệu DSSS xuất hiện như là tạp âmbăng rộng công suất thấp và bị loại bỏ bởi hầu hết các bộ thu băng hẹp Trái lại, kỹthuật này làm giảm bớt ảnh hưởng của các nguồn nhiễu băng hẹp bằng việc trải rộngchúng ra ở phía máy thu

DSSS kết hợp luồng số liệu với một mã số tốc độ cao hơn Mỗi bit số liệu đượcbiến đổi thành một mẫu bit chung mà chỉ có máy phát và máy thu chủ định được biết.Mẫu bit gọi là mã giả tạp âm và mỗi bit trong mã gọi là ‘chip’ Thuật ngữ ‘chip’ được

sử dụng để nhấn mạnh rằng một bit trong một mã giả tạp âm tạo thành một phần củabit số liệu thật Chuỗi các chip trong một chu kỳ chip là ngẫu nhiên nhưng một chuỗigiống như vậy được lặp lại trong mỗi chu kỳ bit, vì vậy mà làm nó trở thành giả ngẫunhiên hay là ngẫu nhiên một phần Tốc độ chip của một mã giả tạp âm n-bit cao hơn nlần tốc độ dữ liệu Tốc độ cao của chuỗi chip dẫn đến kết quả là có một băng thông rấtrộng Tiêu chuẩn 802.11 sử dụng mã 11-chip, tốc độ chip nhanh hơn 11 lần tốc độ sốliệu Mã giả tạp âm càng dài, xác suất khôi phục được tín hiệu ban đầu càng lớn,nhưng khi đó sẽ cần băng thông lớn hơn vì yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn Thôngthường độ rộng băng thông trải phổ vào khoảng hai lần tốc độ chip Vì vậy, tốc độchip 11 Mchip/s chuyển thành độ rộng băng thông trải phổ 22 MHz

Ở máy thu các chip được giải trải phổ bởi cùng một mã giả tạp âm và được biếnđổi ngược lại thành dữ liệu gốc Tuy nhiên, năng lượng của tạp âm và nhiễu có thể đãđược bổ sung thêm trong lúc quá trình truyền dẫn bị trải rộng và do đó bị khử bỏ bởi

mã giả tạp âm Ngoài việc biết được mã giả tạp âm được dùng bởi máy phát thì máythu cũng phải được đồng bộ một cách chính xác với pha đúng của mã cũng như tốc độchip của nó Vì vậy, chức năng quan trọng của cơ chế định thời trong phần mở đầu củamột gói DSSS là phải cho phép máy thu đồng bộ với pha đúng của mã giả tạp âm củamột gói trong thời gian ngắn nhất có thể được Vì quá trình truyền dẫn các gói làkhông đồng bộ, nên mỗi gói DSSS phải được khởi đầu bởi phần mở đầu dành cho cácmục đích đồng bộ

Khi mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bởi máy thu được đồng bộ chính xác với tínhiệu thu quá trình giải trải phổ tạo ra đỉnh cực trị của quá trình tự tương quan cao Nếu

mã giả ngẫu nhiên được dịch đi một hay nhiều khoảng cách chip, ta có quá trình tựtương quan thấp Tương tự như vậy, tạp âm và nhiễu có thể được thêm vào tín hiệu thutạo ra quá trình tự tương quan thấp bởi vì chúng không tương quan với mã giả ngẫunhiên Điều này tạo ra một đỉnh cực trị đơn lẻ giữa khoảng cách mỗi bit Khi truyềndẫn qua đường truyền vô tuyến có rất ít trải trễ, đường bao sóng của tín hiệu thu hoặc

là được tăng cường hoặc là bị giảm đi nhưng đỉnh cực trị không bị ảnh hưởng Bởi vìđỉnh cực trị tự tương quan xuất hiện định kỳ các máy thu DSSS có thể khoá các đỉnhcực trị này một cách đơn giản khi mã hoá dữ liệu sau khi chúng đạt được quá trìnhđồng bộ hoá ban đầu Điều này ngụ ý rằng ngay cả khi một hay nhiều chip bị phá huỷtrong quá trình truyền dẫn, thuộc tính tự tương quan trong tín hiệu DSSS có thể khôiphục dữ liệu ban đầu mà không cần yêu cầu truyền dẫn lại Ngoài ra, các đỉnh cực trịcủa nhiễu gây ra bởi các quá trình phản xạ từ hiệu ứng đa đường hoặc là việc truyềndẫn một gói mới có thể bị loại bỏ làm cho các đỉnh cực trị này là không đồng nhất vớicác đỉnh cực trị yêu cầu Khả năng chống chịu các đỉnh cực trị nhiễu phụ thuộc vàoquá trình phân giải thời gian của tín hiệu DSSS Một quá trình phân giải cao hơn yêucầu độ trải phổ rộng hơn nhưng lại cho phép các đỉnh cực trị nhiễu có thể được phângiải dễ dàng hơn Một máy thu DSSS đồng bộ với một trong số các quá trình phản xạ

từ hiệu ứng đa đường thu được Các quá trình phản xạ khác bị trễ đi lâu hơn mộtkhoảng thời gian của một chip bị suy giảm đáng kể

Một tham số quan trọng đối với các hệ thống DSSS là số lượng các chip trên mỗibit được gọi là độ lợi xử lý hay tỷ số trải phổ Độ lợi xử lý cao làm tăng khả năng loại

bỏ nhiễu của tín hiệu (bởi vì nhiễu được trải với cùng một hệ số như độ lợi xử lý) Độlợi xử lý thấp làm tăng độ rộng băng thông cần thiết cho quá trình truyền dẫn tín hiệu

Ở Mỹ, FCC xác định độ lợi xử lý cực tiểu là 10 cho các băng ISM Giới hạn trên của

độ lợi xử lý được xác định bởi độ rộng băng thông khả dụng Tiêu chuẩn IEEE 802.11dùng một mã giả tạp âm 11-chip trải rộng dữ liệu 11 lần trước khi trưyền dẫn, do đó

đạt được độ lợi xử lý 10,4 dB Độ lợi này là khá nhỏ khi so sánh với các hệ thống tếbào trải phổ Do vậy, khả năng khử nhiễu bị hạn chế nhưng có nhiều độ rộng băngthông khả dụng hơn cho quá trình truyền dẫn dữ liệu người dùng với tốc độ cao.

Phương pháp DSSS được sử dụng trong các mạng WLAN khác với đa truy nhậpphân chia theo mã (CDMA) Phân chia mã liên quan đến quá trình truyền dẫn các mãgiả tạp âm trực giao có thể chồng lấn về thời gian nhưng ít hoặc không ảnh hưởng lẫnnhau Các nút khác nhau sử dụng các mã dành riêng khi phát tín hiệu Đối với mộtmáy thu đã được điều chỉnh theo mã của một quá trình truyền dẫn, các tín hiệu khác(sử dụng các mã khác) xuất hiện như là tạp âm nền Trong quá trình giải trải phổ tạp

âm này bị loại bỏ bởi độ lợi xử lý Một hệ thống CDMA truy cập ngẫu nhiên đòi hỏicác máy thu phức tạp có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả tạp âm Cácmạng WLAN sử dụng chung một mã giả tạp âm và do đó không có một bộ mã khảdụng cần thiết cho hoạt động của CDMA Một mã đơn giản cho phép thông tin đượcquảng bá một cách đơn giản Ngoài ra, mã có thể được làm cho ngắn hơn, do vậy màlàm tăng độ rộng băng thông cho quá trình truyền dẫn số liệu

1.6.1.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS)

FHSS trải phổ tín hiệu bằng cách phát đi một cụm ngắn trên một kênh tần số vàsau đó chuyển (nhảy) tới một kênh khác trong một khoảng thời gian ngắn theo mộtmẫu đã được xác định trước mà cả hai máy phát và máy thu đều được biết Khônggiống như DSSS dùng nhiều kênh tần số đồng thời, FHSS dùng nhiều kênh tần số mộtcách ngẫu nhiên Vì các kênh tần số là băng hẹp nên chúng cho phép tỷ số tín hiệu trêntạp âm rất tốt và các bộ lọc băng hẹp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu Đối vớimột máy thu không xác định, truyền dẫn DSSS được xem như là tạp âm xung thời gianngắn Mẫu nhảy tần xác định các kênh tần số được chọn và thứ tự mà các kênh tần sốđược sử dụng Đồng bộ giữa máy phát và máy thu phải được thực hiện và được duy trì

để chúng có thể nhảy vào cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm Đối với các hệthống FHSS độ lợi xử lý được định nghĩa là tỷ số của toàn bộ độ rộng băng bị chiếmbởi các kênh tần số trên độ rộng băng tần tín hiệu

Thời gian cư trú (tức là thời gian ở mỗi kênh tần số) phải được xác định rõ vìFHSS yêu cầu các kênh phải được chuyển đổi sau một khoảng thời gian nhất định Sốkênh tần số trong một mẫu nhảy và thời gian cư trú bị hạn chế bởi hầu hết các cơ quanchức năng Ví dụ như trong băng 2,4 GHz, FCC yêu cầu sử dụng nhiều hơn hoặc bằng

75 kênh trong mỗi mẫu và thời gian cư trú lớn nhất là 400 ms (tức là hết 30s cho thờigian cư trú của cả 75 kênh) Để đảm bảo rằng các kênh khả dụng được lựa chọn ngangnhau trên mức trung bình, tất cả các kênh trong một mẫu nhảy phải được sử dụng hếttrước khi các kênh trong mẫu nhảy đó được sử dụng lại, vì vậy mà tỷ số nhảy nhỏ nhất

là 75/30 hay 2,5 bước nhảy/s Điều này có nghĩa là trong hầu hết thời gian, nhiều gói

dữ liệu có thể được phát đi trong khoảng thời gian cư trú của của một kênh tần số

trong một mẫu nhảy Xem xét quá trình truyền dẫn của một gói dữ liệu Ethernet có độdài lớn nhất 1518 octet hay 12144 bit Với tốc độ số liệu 2 Mbps, thời gian truyền dẫngói có thể xấp xỉ 6 ms Vì vậy, theo lý thuyết có nhiều hơn 60 khung Ethernet độ dàicực đại có thể được gửi đi trong khoảng thời gian cư trú 400 ms Vì các ứng dụngthông thuờng sử dụng nhiều gói có kích thước ngắn hơn, nên con số này tăng rất đángkể.

Tỷ số giữa tốc độ nhảy và tốc độ số liệu dẫn đến kết quả là có hai phương thứcnhảy tần FHSS Khi tốc độ nhảy cao hơn tốc độ số liệu thì hệ thống được gọi là nhảytần nhanh Ngược lại, khi tốc độ nhảy thấp hơn (như ở trong ví dụ trên) hệ thống đượcgọi là nhảy tần chậm Tốc độ nhảy có ảnh hưởng mạnh đến hiệu năng của một hệthống FHSS Không giống như các hệ thống băng hẹp được cấp phép hoạt động ởvùng phổ dành riêng và nói chung không liên quan đến nhiễu, các hệ thống nhảy tầnhoạt động trong các băng tần ISM dùng chung và không được cấp phép có thể gặpnhiễu trên một số kênh Đối với các hệ thống FHSS chậm, điều này có khả năng làmmất nhiều gói số liệu Do đó nhảy tần nhanh thường thực hiện tốt hơn nhảy tần chậmngay cả khi có cùng một độ lợi xử lý Tuy nhiên các FHSS nhanh là tốn kém hơn khithực hiện vì chúng yêu cầu các bộ tổng hợp tần số rất nhanh

Các mẫu nhảy được thiết kế hầu như là trực giao để các kênh tần số trong cácmẫu khác nhau hầu như không gây nhiễu với nhau Do đó xác xuất xung đột giữa cáckênh là nhỏ, điển hình là khoảng 1% Các bước nhảy kế tiếp (giữa các kênh tần số)thường vượt quá độ rộng băng kết hợp của đường truyền Do đó, nếu nhiễu làm giánđoạn quá trình truyền số liệu trên một bước nhảy riêng biệt, thì khả năng mà nó ảnhhưởng đến bước nhảy kế tiếp trong mẫu đó là nhỏ Đối với các FHSS nhảy tần nhanh,những xung đột như vậy thường tạo ra các lỗi ngẫu nhiên có thể sửa được bởi máy thu

mà không cần phát lại Tuy nhiên, đối với tỷ số nhảy tần chậm cho trước trong cácmạng WLAN FHSS, các xung đột có thể dẫn đến một hay nhiều gói bị hỏng mà cầnphải phát lại để khôi phục số liệu bị mất Không giống như các mạng WLAN DSSS sửdụng cùng một mã giả tạp âm, các mạng WLAN FHSS có thể sử dụng nhiều hơn mộtmẫu nhảy tần để tăng dung lượng mạng Ý tuởng sử dụng nhiều mẫu nhảy là tươngđương với sử dụng các mã giả tạp âm khác nhau

1.6.1.3 So sánh các mạng WLAN DSSS và FHSS

Vì các hệ thống DSSS là các hệ thống làm trung bình nhiễu trong khi các hệthống FHSS lại dựa trên cơ sở tránh nhiễu, nên mỗi hệ thống có những điểm mạnh vàđiểm yếu của riêng nó

Dung lượng toàn mạng

Nếu so sánh các kênh tần số riêng lẻ thì các DSSS có tiềm năng truyền dẫn tốc độcao hơn bởi vì các kênh DSSS rộng hơn các kênh FHSS Ví dụ như trong băng ISM

2,4 GHz, mỗi kênh DSSS chiếm một độ rộng băng khoảng 22 MHz trong khi vớiFHSS, độ rộng băng lớn nhất được xác định là 1 MHz Mặc dù việc trải rộng độ rộngbăng được yêu cầu trong các mạng WLAN DSSS nhưng những hệ thống như vậy sẵnsàng cung cấp các tốc độ số liệu vô tuyến lên đến 11 Mbps trên mỗi kênh trong khi tốc

độ số liệu cao nhất hiện nay của các kênh FHSS ở mức 3 Mbps trên mỗi kênh

Tuy nhiên, các hệ thống DSSS là không phân cấp như ở các hệ thống FHSS Độrộng băng rộng hơn được cấp phát cho mỗi kênh DSSS là một trở ngại vì số lượng cáckênh không chồng lấn khả dụng là ít hơn Điều này giới hạn số lượng các vùng phủ vôtuyến độc lập mà chúng có thể có cùng vị trí và hoạt động mà không có nhiễu Trongbăng tần ISM 2,4 GHz, tối đa chỉ có 3 vùng phủ DSSS cùng vị trí Mặt khác, do cónhiều hơn các kênh 1 MHz không chồng lấn và do vậy có nhiều mẫu nhảy hơn, cácmạng WLAN FHSS 2,4 GHz có thể hỗ trợ đến 26 vùng phủ vô tuyến cùng vị trí, vìvậy mà cho phép dung lượng toàn mạng lớn hơn Tuy nhiên, lựa chọn này là tốn kém

vì yêu cầu phải có nhiều điểm truy cập hơn

Sự loại bỏ nhiễu

Khác biệt chính giữa các mạng WLAN DSSS và FHSS 2,4 GHz là trong FHSScác kênh tần số trong một mẫu nhảy được trải ra toàn bộ băng ISM còn trong DSSSchỉ có một phần của độ rộng băng ISM được sử dụng Do đó các mạng WLAN FHSS

ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu mà nhiễu này có thể chiếm giữ ngẫu nhiên một phần cố địnhcủa băng tần ISM 2,4 GHz Rõ ràng là, các nguồn nhiễu băng rộng và bất biến theothời gian có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống DSSS nghiêm trọng hơn các hệthống FHSS nhảy tần nhanh Hơn nữa truyền dẫn FHSS có công suất cao hơn có thểkhắc phục và làm giảm những tác động của nhiễu công suất thấp hơn Các hệ thốngDSSS không thể tránh khỏi nhiễu và truyền dẫn công suất thấp của chúng không thểloại bỏ nhiễu Tuy nhiên, bởi vì thời gian rỗi là khá dài nên một số gói FHSS rất có thể

bị mất do nhiễu

DSSS có thể được cải thiện nếu thực hiện phân tập thời gian nhờ đó mà tín hiệuđược phát đi có thể thu được tại nhiều vị trí khác nhau Ngoài ra, khi có hai hay nhiềutín hiệu đa đường được tách biệt về thời gian nhiều hơn một chu kỳ chip thì chúng trởnên độc lập với nhau Các đường truyền độc lập này có thể được kết hợp để thực hiệnphân tập tại máy thu DSSS, quá trình này thực sự làm tăng cường hiệu năng của máythu

Nút A

Nút B

Nút C

Thời gian Thời gian cư trú

Hình 1.8: Truyền dẫn FHSS chồng lấn sử dụng một mẫu nhảy chung

cụ thể hay các máy thu dùng riêng

Nói chung, các xung đột trong cả hai hệ thống DSSS và FHSS ít xảy ra thườngxuyên hơn so với các hệ thống băng hẹp và khả năng truyền dẫn gói không đồng bộchính xác về mặt thời gian là rất nhỏ Vì vậy, khi các vùng phủ khác nhau có các kênhtần số giống nhau chồng lấn, nhiều quá trình truyền dẫn trải phổ có thể dẫn tới các lỗingẫu nhiên nhưng không nhất thiết là các xung đột phá huỷ Ví dụ như các máy thuDSSS có khả năng thu gói dữ liệu đầu tiên ngay cả khi có truyền dẫn gói tiếp theochồng lấn về mặt thời gian có cùng một mã giả tạp âm Đó là bởi vì các gói đến sau tạo

ra các xê dịch thời gian khác nhau (các pha) của cùng một mã, khi đó các đỉnh cực trị

tự tương quan của chúng bị lệch về thời gian Giả sử rằng các gói A và B được phátđến nút C sử dụng DSSS Gói B bị trễ so với gói A hơn một chu kỳ chip (xem Hình1.8) Trong hệ thống băng hẹp, bất cứ hai gói nào chồng lấn về thời gian đều dẫn đếnviệc phá huỷ cả hai Thời gian xung đột nguy hiểm là toàn bộ độ dài của gói dữ liệu.Khi trải phổ, thời gian nguy hiểm là khá ngắn điển hình là ở vào trong khoảng các bitmào đầu của gói dữ liệu Vì vậy, nếu nút C đồng bộ thành công với đỉnh cực trị tựtương quan của phần mào đầu của gói A, nó sẽ khá khó khăn trong việc tự hiệu chỉnhcác đỉnh cực trị khác trong phần còn lại của gói dữ liệu bởi vì các đỉnh cực trị xuấthiện một cách định kỳ Các đỉnh cực trị nhiễu ở gói B có thể được bỏ qua Vì vậy, gói

B có thể được coi là bị mất trong quá trình truyền nhưng không có xung đột nào xảy

ra Ở đây ngầm giả sử rằng các đỉnh cực trị tự tương quan của các gói A và B là khôngtrùng khớp nhau Bởi vì ở đây yêu cầu mã giả ngẫu nhiên đủ dài để bao trùm toàn bộ

độ dài của gói A nhằm đảm bảo rằng xung đột được giải phóng một khi máy thu đồng

bộ với phần mào đầu của nó Nếu mã này lặp lại trong thời gian sống của gói A, gói Bcũng có thể làm hỏng gói A nếu các đỉnh cực trị tự tương quan chồng lấn nhau Nếugói A và gói B được đánh địa chỉ tới các nút khác nhau và các đỉnh cực trị tự tươngquan của các gói này không chồng lấn nhau, có thể giải mã cả hai gói mà không bị lỗi Giống như các hệ thống DSSS, các hệ thống FHSS cho phép truyền dẫn đa phiên

sử dụng các thành phần trễ của cùng một mẫu nhảy tần Sau đó quá trình truyền dẫn sẽđược nối lại tương tự như cách của phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số Cácxung đột sẽ chỉ xảy ra nếu có hai hay nhiều hơn các nút có cùng một mẫu nhảy tầndịch thời gian

1.6.1.4 Cảm biến sóng mang

Hầu hết các mạng WLAN sử dụng cùng một dạng cảm biến sóng mang (hay hànhđộng) tại nơi mà quá trình truyền dẫn bị trì hoãn khi phát hiện ra một quá trình truyềndẫn gói số liệu đến Đối với các mạng trải phổ, mục tiêu của việc cảm biến sóng mang

là để xác định một bộ thu xác định có bận hay không chứ không phải là để xác địnhkhả năng có các gói số liệu khác nào khác được phát đi trong phạm vi của máy thu.Việc này đòi hỏi địa chỉ của một gói phải được giải mã để xác định đích đến chính xác.Bất lợi là ở chỗ các mạng WLAN trải phổ không giải mã địa chỉ của gói khi thực hiệncảm biến sóng mang Ví dụ, trong các hệ thống DSSS, cảm biến sóng mang thườngđược thực hiện bằng cách giám sát mức nhiễu hay kiểm tra sự xuất hiện của các đỉnhcực trị tự tương quan của mã giả ngẫu nhiên chung Theo phương pháp này cảm biếnsóng mang dẫn đến việc việc hầu như không loại bỏ được các quá trình truyền dẫn góichồng lấn (nhưng không có nhiễu) Mặc dù có thể là cảm biến trong các hệ thống trảiphổ không phục vụ cho bất kỳ mục đích nào nếu như trạng thái của đích đến xác địnhtrước là không được biết, nó cho phép một nút truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ cao Nếucác đỉnh cực trị tự tương quan được kết hợp trong cùng một quá trình truyền dẫn, thìsau đó các vị trí của các đỉnh cực trị này có thể được sử dụng để đại diện cho nhiều bitthông tin hơn mà không yêu cầu tăng độ rộng băng thông Đối với mã giả ngẫu nhiên11-bit, có tới 4 đỉnh cực trị dịch thời gian có thể hoạt động đồng thời, vì vậy cung cấptốc độ dữ liệu tăng gấp 4 lần đối với một nút đơn có đường bao sóng được tăng cường.Các mã giả ngẫu nhên ngắn được sử dụng lặp đi lặp lại trong khi truyền dẫn gói chophép cảm biến sóng mang trong các hệ thống DSSS có thể được tiến hành nhanhchóng hơn và tại bất kỳ điểm nào trong gói

1.6.2 Các mạng LAN hồng ngoại

Mạng WLAN đầu tiên được phát triển sử dụng truyền dẫn hồng ngoại cách đâykhoảng chừng 20 năm Kể từ đó, một số lượng lớn các mạng LAN hồng ngoại đã xuấthiện Các hệ thống này khai thác các điểm thuận lợi do sử dụng vô tuyến hồng ngoạinhư là một môi trường cho truyền dẫn vô tuyến Chẳng hạn, tia hồng ngoại có băngthông không cấp phép rất dồi dào, nó loại bỏ được nhiễu vô tuyến, các thiết bị hồngngoại nhỏ và tiêu thụ ít công suất

Các mạng LAN hồng ngoại sử dụng phần phổ điện từ tần số ngay dưới tần số ánhsáng nhìn thấy làm môi trường truyền dẫn vô tuyến Vì gần giống nhau về chiều dàibước sóng, ánh sáng hồng ngoại có tất cả các đặc tính vật lý của ánh sáng nhìn thấy.Giống như ánh sáng nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại hoạt động ở các tần số rất cao.Điều này có nghĩa là nó truyền theo đường thẳng và không thể bị hấp thụ bởi các vậttối hay các chướng ngại vật lý (có thể là bức tường, các vật cản, trần nhà) và sẽ suyhao đáng kể khi đi qua cửa sổ Các đặc tính này giúp cho việc giữ cho năng lượngsóng quang hồng ngoại tập trung trong một không gian nhất định có thể là một cănphòng, và hầu như không loại bỏ được các vấn đề về nhiễu và nghe trộm trái phép.Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại sẽ vượt qua các ô cửa, phản xạ trở lại khi đập vào cácbức tường, và phản xạ xung quanh các góc giống như là ánh sáng mặt trời và ánh sángcủa đèn điện trong phòng Bởi vì ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sángnhìn thấy và không thể quan sát được bằng mắt thường trong mọi trường hợp

Không giống như các sóng vô tuyến, các tần số hồng ngoại là quá cao để thựchiện điều chế giống như đối với các tần số vô tuyến Vì vậy, các đường truyền hồngngoại thường dựa trên cơ sở điều chế xung bật-tắt và tách sóng tín hiệu quang Quátrình truyền dẫn xung bật-tắt được thực hiện bằng cách biến đổi cường độ (biên độ)dòng điện trong máy phát hồng ngoại như là laser diode hay diode phát quang chẳnghạn Theo cách này, dữ liệu được mang đi bởi cường độ (chứ không phải là pha haytần số) của sóng ánh sáng Tách sóng trực tiếp được thực hiện bởi bộ tách quang dùngphotodiode để tạo ra dòng điện tỷ lệ với công suất sóng quang tới Bề mặt của bộ táchsóng xác định độ nhạy của máy thu và vì thế xác định phạm vi thu Bộ tách sóng có bềmặt lớn có điện dung lớn, điện dung này giới hạn độ rộng băng thông khả dụng Giốngnhư nhiều bộ phát sử dụng trong các mạng sợi quang, các bộ phát hồng ngoại sử dụngtrong các mạng LAN hồng ngoại hoạt động xung quanh bước sóng 850 nm (khoảng

350 THz) Tuy nhiên, các mạng sợi quang có hiệu năng lớn chủ yếu là do các thuộctính của sợi quang Loại bỏ sự có mặt của sợi quang (như ở trong các hệ thống vôtuyến) và các đường truyền sóng tổn hao thấp cũng không còn, quá trình truyền ánhsáng tryền đi giữa hai nút một cách tin cậy và có thể điều khiển được trở nên khó rấtkhó khăn Các hệ thống hồng ngoại sử dụng hai thành phần vật lý khác nhau (các bộphát và các bộ tách) để phát và thu tín hiệu sóng quang Điều này trái ngược với các hệ

thống vô tuyến vì ở đó sử dụng một anten chung để phát và thu tín hiệu Vì thế, miễn

là cùng một kênh tần số được sử dụng, các đặc tính truyền sóng ở giữa anten phát vàanten thu là đối xứng nhưng điều này không thể áp dụng cho các hệ thống hồng ngoạiquang

1.6.3 Các mạng LAN trực tiếp và khuyếch tán

Quá trình truyền dẫn hồng ngoại trong các mạng WLAN có thể là trực tiếp (tầmnhìn thẳng) hoặc khuyếch tán (phản xạ) Trong các LAN hồng ngoại trực tiếp các máyphát và máy thu phải hướng vào nhau để thực hiện truyền thông tầm nhìn thẳng Cácmáy phát sử dụng các chùm tia tập trung băng hẹp trong khi các máy thu hoạt động vớicác góc nhìn tương đối nhỏ Do đó một LAN hồng ngoại trực tiếp dễ bị che khuất bởicác đồ vật hay con người ở giữa máy phát và máy thu Hầu hết các mạng LAN hồngngoại trực tiếp cung cấp các kết nối Ethernet hoặc vòng thẻ bài (token ring) Các mạngkhác sử dụng các chùm laser công suất cao được định hướng để truyền số liệu, thoại

và video tốc độ cao giữa các toà nhà Tốc độ số liệu thay đổi từ 1 đến 155 Mbps ở cự

ly khoảng 1 đến 5 km Các mạng LAN hồng ngoại trực tiếp hiệu năng cao chủ yếuđược sử dụng chỉ để triển khai các mạng cố định Các mạng này không thực tế khi ápdụng cho các nút di động vì việc liên kết chính xác giữa máy phát và máy thu khá khókhăn và là không thể trong thông tin di động

Các hệ thống LAN hồng ngoại khuyếch tán không yêu cầu tầm nhìn thẳng trựctiếp nhưng chỉ có thể được sử dụng trong nhà vì chúng phụ thuộc nhiều vào nănglượng hồng ngoại phản xạ để truyền thông Các tín hiệu hồng ngoại lấp đầy vùng phủsóng giống như quá trình chiếu sáng trên cao sử dụng các bề mặt phản xạ (các bứctường, các vật cản, trần nhà) để phản xạ tín hiệu giữa máy phát và máy thu Điều nàyngụ ý rằng có thể có được một tầm nhìn rộng bằng việc sử dụng các máy phát bao gồmnhiều bộ phát hướng đến các hướng khác nhau và sử dụng các máy thu gồm nhiều lớpphotodiode Các tín hiệu hồng ngoại phát đi chiếu sáng trần nhà trong khi các máy thuđược hướng về phía trần nhà để tách sóng ra năng lượng sóng hồng ngoại Ngoài ra, vìcác tín hiệu phát đi theo nhiều đường nên cho phép truyền thông đẳng hướng độc lập

về vị trí và việc định hướng anten nút di động Thuận lợi của phương pháp này là ởchỗ máy phát có thể truyền thông với nhiều máy thu Hiện tượng che khuất không phải

là vấn đề lớn vì ánh sáng chỉ đi đến máy thu nhờ quá trình phản xạ bởi môi truờngxung quanh Điểm bất lợi là ở chỗ khoảng cách và tốc độ số liệu bị giảm do tổn thấtnăng lượng hồng ngoại Các hệ thống khuyếch tán thường là tán sắc theo thời gian gây

ra bởi truyền sóng đa đường hơn các hệ thống trực tiếp vì tầm nhìn rộng hơn có nghĩa

là có nhiều hơn ánh sáng đập vào các bề mặt phản xạ và có nhiều hơn các ánh sángphản xạ được thực hiện tách sóng Trong cùng một vùng, nhiễu chồng lấn giữa các ký

tự gây ra bởi các đường là như nhau, bất chấp tín hiệu vô tuyến hay hồng ngoại Tuynhiên, fading phẳng (hay fading Rayleigh) nói chung không làm suy yếu nhiều đối với

tia hồng ngoại độ dài bước sóng rất ngắn tạo ra một vùng không gian nhỏ chỉ tác độngđến một phần nhỏ của các bộ tách sóng dùng photodiode Hiện nay tốc độ dữ liệu caonhất mà các mạng LAN hồng ngoại khuyếch tán cho phép bị giới hạn ở 4 Mbps và cácmạng LAN này hoạt động trong vùng từ 10 đến 20 m.

1.6.4 Các đặc tính của các mạng LAN hồng ngoại

Các mạng LAN hồng ngoại khác với các mạng LAN vô tuyến ở nhiều điểm Nóichung, các hệ thống vô tuyến luôn tạo ra vùng phủ rộng hơn các hệ thống thông tinquang vô tuyến bởi vì công suất các máy phát yêu cầu cao hơn và các máy thu cónhiều thuận lợi khi sử dụng các kỹ thuật tạo phách cảm biến Mặt khác, tín hiệu vôtuyến luôn có độ rộng băng thông hẹp hơn các tín hiệu quang mặc dù các hệ thốngthương mại vẫn chưa khai thác được hết băng thông tín hiệu quang

Sự tiêu thụ công suất

Bởi vì các mạng LAN hồng ngoại phát tín hiệu sử dụng các xung bật-tắt nên các

bộ phát hồng ngoại được điều chỉnh để hoạt động trong một khoảng thời gian nhỏ, vìthế chúng tiêu thụ công suất thấp Nếu yêu cầu cường độ bức xạ lớn để mở rộng phạm

vi tín hiệu thì công suất trung bình có thể giữ không đổi bằng việc giảm độ rộng xungphát

Các nguồn nhiễu

Truyền thông hồng ngoại loại bỏ được các nguồn nhiễu sóng điện từ và cácnguồn nhiễu tần số vô tuyến Trái lại, ánh sáng hồng ngoại không gây nhiễu với bất cứmột phương tiện truyền thông nào khác Mặc dù các thiết bị sử dụng phổ biến như bộđiều khiển từ xa dùng hồng ngoại cũng hoạt động ở cùng băng tần quang giống nhưcác mạng LAN hồng ngoại, các thiết bị này thường phát tín hiệu ngắt quãng và do đókhông gây nhiễu đáng kể đối với hoạt động của các mạng WLAN Nói chung đối vớicác tốc độ số liệu từ thấp đến trung bình, các nguồn nhiễu nền phát xạ ở cùng mộtbước sóng như ánh sáng hồng ngoại (như ánh sáng mặt trời và ánh sáng nhân tạo tạobởi các bóng đèn sợi đốt và bóng đèn huỳnh quang) là những nhân tố chính làm giảmhiệu năng của các đường truyền hồng ngoại

CHƯƠNG II CÁC TIÊU CHUẨN CỦA MẠNG WLAN

2.1 Giới thiệu về các tiêu chuẩn

Năm 1990, Viện các kỹ sư điện và điện tử IEEE đã thành lập một uỷ ban để pháttriển tiêu chuẩn cho các mạng WLAN hoạt động ở tốc độ từ 1 đến 2 Mbps Năm 1992,Viện các tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu thành lập một hiệp hội để xây dựng tiêuchuẩn WLAN dùng cho các mạng LAN vô tuyến (HIPERLAN) hoạt động trong phạm

vi tốc độ khoảng 20 Mbps Gần đây các chuẩn xây dựng cho mạng WLAN phục vụcho các ứng dụng đặc biệt trong phạm vi một toà nhà đã và đang được phát triển Khácvới các chuẩn này, quá trình phát triển chuẩn IEEE 802.11 đã bị ảnh hưởng mạnh bởicác sản phẩm của mạng WLAN có mặt trên thị trường Vì vậy, mặc dù cần khá nhiềuthời gian để hoàn thiện các tiêu chuẩn (do có khá nhiều đề xuất mang nặng tính cạnhtranh từ phía các nhà cung cấp thiết bị), nó vẫn là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho đếnnay Phần này trình bày về các chuẩn của mạng WLAN trong đó tập trung vào chuẩn802.11

Họ tiêu chuẩn 802.11 do IEEE phát triển định nghĩa giao diện vô tuyến giữa trạm

vô tuyến và trạm gốc hay giữa hai trạm vô tuyến với nhau Các tiêu chuẩn IEEE802.11 cung cấp tốc độ truyền dẫn 2 Mbps Họ tiêu chuẩn 802.11 có nhiều phần mởrộng trong đó ba tiêu chuẩn 802.11b, 802.11a, 802.11g là quan trọng nhất

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b hay Wi-Fi là phần mở rộng của tiêu chuẩn 802.11 chophép tốc độ truyền dẫn 11 Mbps (cũng có thể là 1,2 và 5,5 Mbps) trong băng tần 2,4GHz IEEE 802.11b sử dụng phương pháp trải phổ trực tiếp DSSS

IEEE 802.11g cung cấp tốc độ lớn hơn 20 Mbps trong băng tần 2,4 GHz Chuẩnnày có thể mở rộng tốc độ của 802.11b lên tối đa 54 Mbps trong cùng băng tần nhưngchỉ truyền trong khoảng cách ngắn Do khả năng tương thích sau này, các card vôtuyến 802.11 giao tiếp trực tiếp với một điểm truy nhập 802.11g (và ngược lại) với tốc

độ 11 Mbps hoặc thấp hơn tuỳ thuộc vào dải truyền sóng

Chuẩn IEEE 802.11a áp dụng cho các mạng LAN vô tuyến và cung cấp tốc độlên tới 54 Mbps trong băng tần 5 GHz Chuẩn 802.11a không tương thích với cácmạng sử dụng 802.11b hoặc 802.11g, như vậy một người sử dụng được trang bị cardgiao diện vô tuyến 802.11b hoặc 802.11g không thể giao tiếp được với điểm truy nhập

sử dụng chuẩn 802.11a

Chuẩn HIPERLAN Type I giống như chuẩn 802.11, chuẩn này phục vụ cho cảcác mạng độc lập và các mạng có cấu hình cơ sở HIPERLAN Type I hoạt động ởbăng tần 5,15 đến 5,3 GHz (băng tần được chia thành 5 kênh tần số) với mức côngsuất đỉnh thấp khoảng 1W Tốc độ dữ liệu vô tuyến tối đa có thể hỗ trợ là khoảng 23,5

Mbps và chuẩn này cũng hỗ trợ cho các người dùng di động ở tốc độ thấp (khoảng 1,4m/s) Ngoài HIPERLAN Type I còn có chuẩn HIPERLAN Type II, các đặc tính củachuẩn này được cho trên Bảng 2.1.

HIPERLAN 5,15-5,3 GHz 23,5 Mbps GMSK

ETSI

HIPERLAN 2 17,1-17,3 GHz 54 Mbps Dùng cho voice/video

SIG Bluetooth 2,4 GHz 1 Mbps FHSS Dùng cho mạng cá nhân

(PAN)Home RF 2,4 GHz 10 Mbps FHSS QoS, mật mã tốt

2.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho các mạng WLAN do Uỷ ban 802 các tiêu chuẩn chocác mạng LAN và MAN (LMSC – 802 Local and Metropolitan Area NetworksStandards Comittee) trực thuộc Hội đồng chuyên ban về máy tính trong IEEE đưa ra

Chuẩn này phát triển từ 6 phiên bản phác thảo và bản cuối cùng được phê chuẩn vàonăm 1997 Chuẩn 802.11 cho phép nhiều nhà cung cấp phát triển các sản phẩm mạngLAN tương hỗ với nhau sử dụng trong băng tần ISM 2,4 GHz Quá trình tiêu chuẩnhoá vẫn đang tiếp tục để đạt được chứng chỉ tiêu chuẩn ISO/IEC và tiêu chuẩn IEEE.Tiêu chuẩn IEEE 802.11 xác định kết nối vô tuyến cho các nút cố định, cầm tay,

và các nút di động trong một khu vực địa lý nhất định Đặc biệt, chuẩn này xác địnhmột giao diện giữa người dùng vô tuyến và điểm truy nhập vô tuyến cũng như giữa cácngười dùng vô tuyến Như ở bất cứ tiêu chuẩn IEEE 802.x nào như 802.3 (CSMA) và802.5 (token ring), chuẩn 802.11 định nghĩa cả lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truynhập môi trường (MAC) Tuy nhiên, lớp MAC 802.11 cũng thực hiện các chức năngliên quan đến các giao thức lớp cao hơn (ví dụ như quá trình phân mảnh, sửa lỗi, quản

lý di động, và bảo vệ công suất) Các chức năng này cho phép lớp MAC 802.11 chekhuất các đặc tính của lớp vật lý vô tuyến PHY đối với các lớp cao hơn

dịch vụ mở rộng ESS Giống như BSS, ESS cũng có một nhận dạng duy nhất gọi làESSID Việc xác định một ESSID chung cho phép nút di động được chuyển mạng từBSS này tới BSS khác

Điểm truy nhập Điểm truy nhập

Quản lý phân lớp MAC

Quản lý phân lớp vật lý PHY

Hình 2.3: Mô hình tham chiếu cơ sở IEEE 802.11

2.2.2 Mô hình tham chiếu IEEE 802.11 cơ sở

Như ở trong Hình 2.3, lớp vật lý PHY được chia thành hai phân lớp Phân lớpphụ thuộc môi trường vật lý PMD xử lý các thuộc tính của môi trường vô tuyến (tức làcác phương pháp trải phổ DSSS, FHSS, hoặc DFIR) và xác định cách phát và thu dữliệu thông qua môi trường (ví dụ như điều chế và mã hoá) Phân lớp hàm hội tụ lớp vật

lý PLCP xác định phương pháp chuyển đổi các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớpMAC vào một khuôn dạng gói thích hợp cho phân lớp PMD Nó cũng có thể thực hiệncảm biến sóng mang (ấn định kênh) cho phân lớp MAC Phân lớp MAC xác định cơ

chế truy nhập cơ sở (dựa trên CSMA) cho các nút di động để truy nhập vào môi trường

vô tuyến (xem phần 2.5) Nó cũng có thể thực hiện quá trình phân mảnh và mã hoá gói

dữ liệu Việc quản lý phân lớp vật lý PHY liên quan đến quá trình nhận các điều kiệnliên kết khác nhau và duy trì thông tin quản lý lớp vật lý cơ sở MIB Việc quản lý phânlớp MAC giải quyết các vấn đề như đồng bộ hoá, quản lý công suất, kết hợp và tái kếthợp Ngoài ra, nó duy trì phân lớp MAC MIB Việc quản lý trạm xác định các phânlớp quản lý lớp vật lý PHY và lớp MAC tương tác với nhau như thế nào

2.3 Lớp vật lý IEEE 802.11

Lớp vật lý PHY cho phép ba tuỳ chọn truyền dẫn đảm bảo các mạng WLAN cóthể được triển khai trong các vùng phủ khác nhau từ phạm vi một căn phòng cho đếnphạm vi toàn khuôn viên của một trường đại học Các tuỳ chọn này bao gồm trải phổchuỗi trực tiếp DSSS, trải phổ nhảy tần FHSS, và hồng ngoại khuyếch tán DFIR Tuynhiên, để các thiết bị vô tuyến 802.11 tương thích với nhau thì chúng phải có cùng mộtlớp vậy lý PHY (tức là các mạng WLAN FHSS truyền thông được với nhau nhưngkhông truyền thông được với các mạng WLAN DSSS) Trong khi lớp vật lý PHYDFIR hoạt động ở băng tần gốc, hai tuỳ chọn tần số vô tuyến (tức là DSSS và FHSS)hoạt động ở băng tần ISM 2,4 GHz Băng tần này không yêu cầu người sử dụng phảiđược cấp phép mặc dù các nhà cung cấp thiết bị cần phải được cấp phép khi bán cácsản phẩm của họ ở một quốc gia DSSS 802.11 hỗ trợ tốc độ dữ liệu bắt buộc 1 Mbps

và 2 Mbps Đối với FHSS và DFIR, tốc độ dữ liệu 1 Mbps là bắt buộc trong khi tốc độ

2 Mbps là tuỳ chọn Mỗi lớp vật lý PHY thường được miêu tả bằng các sơ đồ trạngthái

2.3.1 Các khuôn dạng gói dữ liệu chung

Thông tin người dùng được phân mảnh vào trong các gói dữ liệu (802.11 dùngthuật ngữ ‘khung’) với phần mào đầu và phần tiêu đề được ghép vào đầu mỗi gói Saukhi nút đích đồng bộ với phần mào đầu PLCP, nó thu được các thông tin về độ dài củagói dữ liệu, tốc độ số liệu (1 hay 2 Mbps) và các thông tin khác từ phần tiêu đề PLCP.Điểm quan trọng ở đây là các phần mào đầu và phần tiêu đề PLCP được phát đi ở tốc

độ 1 Mbps (có ngoại lệ khi áp dụng cho một một số phần của tiêu đề PLCP DFIR).Điều này cho phép mạng WLAN hoạt động ở tốc độ thấp hơn (nhưng vùng phủ lại lớnhơn) nhằm tương thích với hoạt động của các phần tương ứng khác có tốc độ cao hơn(nhưng vùng phủ hẹp hơn) Trong khi đó, tốc độ dữ liệu thấp 1 Mbps cho phép cácphần mào đầu và phần tiêu đề PLCP có thể được giải mã mà không cần sử dụng các bộcân bằng công suất thấp Các bộ cân bằng này thường phải giải quyết các vấn đề đađường truyền ở tốc độ cao Điểm bất lợi của tốc độ 1 Mbps là ở chỗ nó làm giảm hiệuquả truyền dẫn khi MPDU được phát đi ở tốc độ cao

2.3.2 Lớp vật lý DSSS

Hình 2.4 minh hoạ khuôn dạng gói DSSS 802.11 Một vài giới hạn của cáctrường khác nhau trong phần tiêu đề PLCP được mở rộng để dễ sử dụng hơn Bêncạnh việc cho phép nút thu phát hiện các đỉnh cực trị tự tương quan của mã giả ngẫunhiên và cố định việc định thời một gói số liệu đến, các bit đồng bộ hoá cũng cho phépkhả năng lựa chọn anten thích hợp (nếu có sử dụng phân tập anten) Trường tín hiệuxác định hoặc là MPDU được điều chế sử dụng DBPSK (1 Mbps) và DQPSK (2Mbps) hoặc là được sử dụng để xác định các quá trình mở rộng tốc độ dữ liệu Bộ xácđịnh khung khởi đầu cho biết phần bắt đầu của gói dữ liệu Truờng độ dài xác định độdài của MPDU trong khi phần kiểm tra lỗi tiêu đề bảo vệ ba trường nằm trong phầntiêu đề PLCP

Đơn vị dữ liệu giao thức PLCP (PPDU)

Tiền tố DSSS PLCP (18

octet)

Tiêu đề DSSS PLCP (6 octet) MPDU (từ 1 đến 2048 octet)

Đồng bộ

(128 bit)

Phân định khung bắt đầu (16 bit)

Tốc độ tín hiệu dữ liệu (8 bit)

Dịch vụ cho tương lai (8 bit)

Độ dài MPDU (16 bit)

Kiểm tra lỗi tiêu đề (16 bit)

Hình 2.4: Khuôn dạng gói PLCP DSSSTốc độ dữ liệu cơ sở sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha nhị phân visai DBPSK trong đó mỗi bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 2 pha Tốc độ 2 Mbpsnâng cao tốc độ số liệu bằng cách sử dụng khoá chuyển pha cầu phương trực giaoDQPSK Trong trường hợp này 2 bit số liệu được biến đổi vào 1 trong 4 pha của mãtrải phổ

Bảng 2.2 đưa ra các định nghĩa về pha của DBPSK và DQPSK Với trường hợpcủa khoá chuyển pha vi sai thông tin được mã hoá dựa trên sự khác biệt về pha giữacác ký tự kề nhau Nói cách khác, pha được phát đi (n) của ký tự là hàm của phatrước đó (n1) và độ lệch pha () theo công thức sau: n   n1 Việc lưu độ lệchpha vi sai làm giảm đến mức thấp nhất thời gian thu Đặc điểm kỹ thuật của DSSS802.11 cho phép đáp ứng cả hai tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps Mức tín hiệu đầu vào máythu được xác định là -80 dBm đối với gói dữ liệu có tỷ số lỗi 8x10-2 Tỷ số lỗi gói làxác suất không giải mã được tất cả các bit trong gói dữ liệu một cách chính xác Nóđược xác định bằng tích số của tỷ số lỗi bit và độ dài gói dữ liệu

Điều chế Dữ liệu Thay đổi pha

Bảng 2.2: Định nghĩa pha của DBPSK và DQPSK

Mã Baker 11-chip được chọn làm mã giả tạp âm vì nhiều lý do Trước tiên, nó cótính tự tương quan tốt Thứ hai, vì mã Baker là khá ngắn nên cho phép đồng bộ hoánhanh Thứ ba, các đường bao sóng bị giới hạn đơn nhất, nó độc lập với cực tính vàthời gian trễ của tín hiệu vào và đường bao sóng thấp ngụ ý rằng công suất tín hiệu bịtổn thất chỉ khi đường bao chính được chấp nhận Khi mỗi ký tự dữ liệu được truyền đi

mã Baker 11-chip thay đổi pha 6 lần Điều này là không đối xứng bởi vì số lượng cácxung âm và xung dương khác nhau một xung (mã đối xứng có số xung dương bằng sốxung âm) Vì vậy, MPDU được trộn để giới hạn sự thay đổi độ lệch dòng điện mộtchiều do mã Baker không đối xứng Tốc độ chip 11 Mchip/s tương ứng với chu kỳchip 90,9 ns Điều này ngầm định rằng quá trình truyền sóng đa đường vẫn sẽ là vấn

đề nếu độ trải trễ trung bình bình phương bậc hai nhỏ hơn 90,9 ns Vì thế, phân tậpanten vẫn có thể được sử dụng để chống lại các ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường.Quy tắc chung đối với các hệ thống DSSS là độ rộng băng thông ít nhất bằng hai lầntốc độ chip Vì thế, tốc độ chip 11 Mchip/s yêu cầu độ rộng băng thông nhỏ nhất là 22MHz

2.3.3 Lớp vật lý FHSS

Hình 2.5 minh hoạ khuôn dạng gói dữ liệu FHSS 802.11 Khi so sánh các khuôndạng gói tin PLCP DSSS và FHSS, có thể thấy rằng FHSS yêu cầu số bit ít hơn đểđồng bộ hoá Tuy nhiên, độ dài lớn nhất của MPDU đối với FHSS ngắn hơn so vớiDSSS

Tốc độ dữ liệu cơ sở 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch tần sốGausse (GFSK) 2 mức trong đó mỗi bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 2 tần số Tốc

độ nâng cao 2 Mbps sử dụng điều chế GFSK 4 mức Trong trường hợp này, 2 bit dữliệu được biến đổi vào 1 trong 4 tần số Sau đó số liệu đã lọc được điều chế sử dụng độlệch tần số tiêu chuẩn Giá trị BT=0,5 được chọn trên cơ sở 2 yếu tố đó là yêu cầu sửdụng băng thông hiệu quả và khả năng tránh được nhiễu chồng lấn ký hiệu Các giá trịlớn của BT sẽ dẫn đến xuyên nhiễu chồng lấn ký hiệu mức thấp trong khi yêu cầu chiphí cho độ rộng băng thông cao Cả GFSK 2 mức và GFSK 4 mức đều có chung độlệch tần số sóng mang trung bình bình phương Trước hết số liệu nhị phân được lọc

trong dải băng gốc sử dụng bộ lọc Gausse thông thấp (độ rộng băng 500 KHz) với tích

số băng thông-thời gian BT=0,5 Bảng 2.3 biểu diễn các độ lệch tần số sóng mang chocác sơ đồ điếu chế GFSK 2 mức và GFSK 4 mức

Hình 2.5: Khuôn dạng gói PLCP FHSSMỗi kênh tần số trong một mẫu nhảy tần chiếm giữ băng thông rộng khoảng 1MHz và phải thực hiện nhảy tần ở tốc độ tối thiểu quy định bởi các cơ quan chuyêntrách Chẳng hạn, ở Mỹ tốc độ nhảy tối thiểu là 2,5 bước nhảy/s (tương ứng với thờigian cư trú lớn nhất là 400 ms) Thời gian cư trú có thể được điều chỉnh thông qua cácđiểm truy nhập cho phù hợp với các điều kiện truyền sóng nhất định Khi được thiếtlập, thời gian cư trú giữ nguyên không đổi Nút di động thu thập thông tin về thời giannhảy tần khi nó đến kết hợp với điểm truy nhập Điều này cho phép nút di động đảmbảo đồng bộ với điểm truy nhập trong khi thực hiện nhảy tần giữa các kênh tần số Cácmẫu nhảy tần đặc tả trong chuẩn 802.11 tối thiểu hoá xác suất BSS hoạt động ở cùngmột kênh tần số tại cùng một thời điểm với một BSS khác Tính trung bình, các chuỗicủa cùng một tập xung đột với nhau 3 lần (trong trường hợp xấu nhất có tới 5 lần xảy

ra xung đột) trong một chu kỳ của mẫu nhảy tần Ngoài ra, các mẫu nhảy tần đượcthiết kế để đảm bảo sự tách biệt là nhỏ nhất trong các kênh tần số giữa các mẫu nhảy

kề nhau Sự tách biệt gây ra một vài mức phân tập chống lại hiệu ứng fading đa đườnglựa chọn tần số Khoảng cách nhảy nhỏ nhất là 6 MHz ở Mỹ và Châu Âu (bao gồmTây Ban Nha và Pháp) và là 5 MHz ở Nhật Bản

MPDU được trộn và định dạng nhằm làm hạn chế các thay đổi về độ lệch dòngđiện một chiều Quá trình tăng cấp (ramp-up) và giảm cấp (ramp-down) công suất máyphát làm giảm những thay đổi trong các kênh tần số lân cận ở các điểm bắt đầu và kếtthúc của mỗi gói Có thể cần đến 8s để làm cho công suất tín hiệu tăng đến mứcmong muốn Ở đây có chú ý rằng đối với truyền dẫn DSSS cần ít thời gian hơn (2s)

để làm tăng công suất tới mức mong muốn do công suất phát thấp hơn

số liệu Tuy nhiên, không giống như ở điều chế nhiều mức, độ rộng băng thông ở các

hệ thống L-PPM tăng lên theo hệ số L/log2L tương tự như ở quá trình điều chế cường

độ xung bật-tắt Vì vậy, mặc dù cần phát đi nhiều bit hơn trong khi các khe thời gianlại hẹp hơn, các xung ánh sáng hẹp hơn phải vừa khớp với các khe thời gian nên yêucầu có độ rộng băng thông lớn hơn Nhiễu bổ sung gây ra bởi băng thông bổ sung cóthể làm giới hạn hiệu năng của các hệ thống L-PPM

MPDU (từ 1 đến 2500 octet)

Đồng bộ

(57-73 khe)

Phân định khung bắt đầu (4 khe)

Tốc độ dữ liệu (3 khe)

Điều chỉnh mức dòng trực tiếp (32 khe)

Độ dài MPDU (2 octet)

Kiểm tra lỗi tiêu đề (2 octet)

Truyền dẫn 1 hoặc 2 Mbps

Hình 2.6: Khuôn dạng gói dữ liệu của mạng LAN hồng ngoại IEEE 802.11Khuôn dạng gói dữ liệu DFIR 802.11 PLCP được cho trên Hình 2.6 Ba trườngđầu tiên được phát đi sử dụng điều chế cường độ khoá bật-tắt Quá trình điều chỉnhmức dòng một chiều (DCLA) cho phép các máy thu ổn định mức tín hiệu trung bìnhsau khi phát xong ba trường số liệu đầu tiên Mẫu của bộ xác định khung khởi đầu(SFD) phải được lựa chọn cẩn thận vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tỷ số lỗi gói Xác suấtphát hiện chính xác SFD phụ thuộc vào xác suất mô phỏng SFD và xác suất lỗi củaSFD Chuẩn 802.11 chọn mẫu 1001 là một trong các mẫu làm tối đa xác suất sửa lỗicủa trường SFD Các trường bị khuất phát đi sử dụng L-PPM Độ dài cực đại củaDFIR MPDU là ngắn nhất trong số DSSS và FHSS

Chuẩn DFIR 1 Mbps sử dụng PPM 16 vị trí (16-PPM) trong đó 4 bit dữ liệu biếnđổi vào 1 trong số 16 xung (Hình 2.7) Chuẩn 2 Mbps sử dụng 4-PPM trong đó 2 bit

dữ liệu được biến đổi vào 1 số trong 4 xung (Hình 2.8) Bất chấp khả năng hỗ trợ tốc

độ dữ liệu, độ rộng của mỗi khe thời gian L-PPM được xác định là 4 ms Điều này cónghĩa là đối với 16-PPM, 4 bit thông tin được phát đi trong khoảng thời gian 4 ms (16khe x 250 ns/khe), vì vậy cho phép tốc độ dữ liệu vô tuyến 1 Mbps Tương tự như vậy,mạng LAN 4-PPM phát đi 8 bit dữ liệu trong khoảng thời gian 4 ms và cho phép tốc

Hình 2.8: Tín hiệu điều chế vị trí xung ở tốc độ 2 Mbps

2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11

Lớp MAC 802.11 liên quan chủ yếu đến các quy tắc để truy nhập vào môi trường

vô tuyến dùng chung Có hai phương pháp truy nhập khác nhau đã được xác định.Chức năng của giao thức MAC là chung cho cả ba tuỳ chọn của lớp vật lý (bao gồmDSSS, FHSS, DFIR) và độc lập với tốc độ dữ liệu Chuẩn này bao gồm đặc tả chính

thức của giao thức MAC sử dụng phương pháp SDL được chuẩn hoá bởi ITU-T Cácdịch vụ chính do lớp MAC cung cấp được diễn tả trong các phần sau.

2.4.1 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát

Tiêu đề MPDU

(30 octet)

Dữ liệu người dùng (0-2312 octet)

Chuỗi kiểm tra khung (4 octet)

Điều khiển

khung

(2 octet)

Nhận dạng khoảng thời gian (2 octet)

Địa chỉ 1 (6 octet)

Địa chỉ 2 (6 octet)

Địa chỉ 3 (6 octet)

Chuỗi điều khiển (2 octet)

Địa chỉ 4 (6 octet) Truyền dẫn 1 hoặc 2 Mbps

Hình 2.9: Khuôn dạng đơn vị dữ liệu giao thức MAC tổng quát

Điều khiển khung Phiên bản hiện tại của tiêu chuẩn, các gói được nhận

hoặc gửi đi tới hệ thống phân phối, quản lý nguồn, phân mảnh, gói mã hoá và nhận thực

Khoảng thời gian/Nhận dạng Khoảng thời gian của vector phân phối mạng, nhận dạng

nút đang hoạt động ở chế độ bảo vệ nguồn

Các trường địa chỉ 1-4 Các địa chỉ của BSSID, đích, nguồn, bộ phát, và bộ thu.Chuỗi điều khiển Chuỗi số của gói và phân đoạn gói

Bảng 2.3: Thông tin cho bởi các trường dữ liệu khác nhau trong phần tiêu đề

MPDUHình 2.9 biểu diễn khuôn dạng của đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổngquát (MPDU) Các trường Địa chỉ 2, Địa chỉ 3, Điều khiển chuỗi, Địa chỉ 4 và dữ liệungười dùng chỉ có trong một số trường hợp nhất định MPDU được bảo vệ độc lập bởicác bit kiểm tra lỗi Có ba kiểu gói:

 Các gói dữ liệu;

 Các gói điều khiển (ví dụ như các gói RTS, CTS, ACK);

 Các gói quản lý (ví dụ như đèn hiệu)

Thông tin cho bởi các trường khác nhau trong phần tiêu đề MPDU được liệt kêtrong Bảng 2.3

2.4.2 Các khoảng trống liên khung

Ba khoảng trống thời gian hay khoảng trống liên khung (IFS) khác nhau xác địnhtrên Hình 2.10

D PD CCA M Rx/Tx

DIFS PIFS

SIFS Khe thời gian

Rx/Tx

D PD CCA M

Hình 2.10: Các định nghĩa khoảng trống liên khung

Khoảng trống liên khung DSSS FHSS DFIR

Bảng 2.4: Các đặc tả khoảng trống liên khungCác khoảng trống liên khung độc lập với tốc độ dữ liệu IFS ngắn (SIFS) là IFSngắn nhất và được sử dụng cho tất cả các tác động đáp ứng tức thời (ví dụ như quátrình truyền dẫn các gói ACK, RTS, CTS) IFS thực hiện chức năng phối hợp điểm(PIFS) có độ dài trung bình sử dụng để dò tìm các nút trong khoảng thời gian giới hạn.IFS thực hiện chức năng phối hợp phân bố (DIFS) là IFS dài nhất được sử dụng nhưthời gian trễ nhỏ nhất giữa các gói dữ liệu truyền dẫn liên tiếp Khe thời gian được xácđịnh và được sử dụng cho các mục đích lùi chờ (backoff) phát Khe thời gian là tổngcủa thời gian ấn định kênh (cảm biến sóng mang), thời gian xoay vòng máy thu, trễtruyền sóng, và trễ xử lý lớp MAC SIFS là hàm của độ trễ thời gian, trễ xuất hiệntrong quá trình giải mã phần tiêu đề/phần mào đầu PLCP, thời gian quay vòng máythu, và thời gian trễ xử lý lớp MAC Chuẩn 802.11 xác định các giá trị khác nhau củakhe thời gian và SIFS cho các lớp vật lý khác nhau Ví dụ, trong các mạng LANDSSS, chuẩn 802.11 xác định SIFS=10svà khe thời gian TS=20s Đối với cácmạng LAN FHSS, SIFS=28svà khe thời gian TS=50s DIFS được xác định bằngSIFS+2xTS trong khi PIFS được xác định bằng SIFS+TS Như ở trong Bảng 2.4, IFS

ở các hệ thống DSSS nhỏ hơn ít nhất hai lần so với IFS ở các hệ thống FHSS Điềunày có nghĩa là một quá trình truyền dẫn DSSS chứa ít thông tin phụ hơn do cáckhoảng trống thời gian liên khung Khe thời gian ở chuẩn Ethernet 10 Mbps được xácđịnh bằng thời gian của 512 bit hay 51,2s Tuy nhiên, độ rộng khe thời gian nàycũng tính đến thời gian cần thiết cho quá trình phát hiện xung đột

2.4.3 Chức năng phối hợp phân tán

Phương pháp truy nhập cơ sở trong chuẩn 802.11 gọi là chức năng phối hợp phântán (DCF) cần thiết cho quá trình đa truy nhập cảm biến sóng mang tránh xung đột(CSMA/CA) CSMA/CA hoạt động tương tự như giao thức đa truy nhập cảm biếnsóng mang phát hiện xung đột (CSMA/CD) sử dụng trong các mạng Ethernet hữutuyến Trong cả hai giao thức, tính khả dụng của môi trường truyền dẫn phát hiện nhờcảm biến sóng mang và vấn đề tranh chấp môi trường truyền dẫn được giải quyết bằng

việc sử dụng thuật toán lùi chờ theo hàm mũ Vì thế, các nút có thể phát dữ liệu nếucần miễn là chúng tuân thủ các quy tắc giao thức.

Đa truy nhập cảm biến sóng mang

Trong các hệ thống CSMA, một nút có gói tin cần truyền trước tiên thực hiệncảm biến môi trường vô tuyến xem có quá trình truyền dẫn vô tuyến nào đang xảy rahay không Nếu đường truyền vô tuyến bận (tức là một nút nào đó đang phát dữ liệu),nút này hoãn quá trình truyền dẫn của nó đến thời điểm sau đó Nếu môi trường truyềndẫn rỗi trong một khoảng thời gian lớn hơn khoảng thời gian của khoảng trống liênkhung DCF (DIFS), gói sẽ được phát đi ngay lập tức Lớp MAC hoạt động kết hợp vớilớp vật lý để đánh giá các điều kiện của môi trường Phương pháp dùng để xác định độdài tín hiệu thu được có liên quan đến việc đo năng lượng của tín hiệu vô tuyến Nếu

độ dài tín hiệu thu nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, môi trường được xem là rỗi và lớpMAC được gán cho trạng thái của phép đánh giá kênh rỗi CCA đối với quá trìnhtruyền dẫn gói Có một phương pháp khác tương quan với tín hiệu thu sử dụng mãBaker 11-chip để xác định sự xuất hiện của một tín hiệu DSSS hợp lệ Cả hai phươngpháp này cũng có thể được kết hợp với nhau để đưa ra một phép đánh giá trạng tháimôi trường đáng tin cậy hơn

CSMA rất hiệu quả khi môi trường truyền dẫn ít tải truyền dẫn bởi vì giao thứcnày cho phép các nút truyền dữ liệu đi với độ trễ nhỏ nhất Do có trễ truyền sóng trongmôi trường truyền, xác suất có hai hay nhiều nút ngay lập tức cùng cảm biến đượctrạng thái rỗi của môi trường và phát dữ liệu đồng thời là do có sự xung đột Rõ ràng

là, các miền xung đột như vậy thường xuyên xảy ra khi mạng bị quá tải với nhiều nútcùng phát dữ liệu Tỷ số giữa độ rộng khe thời gian và thời gian truyền dẫn gói cũngảnh hưởng đến hiệu năng của CSMA

Gói Ethernet DSSS FHSS DFIR

Độ dài (octet) 1 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 2 Mbps

1518 0,0016 0,0033 0,004 0,008 0,0007 0,0013

512 0,005 0,010 0,012 0,024 0,002 0,004

Bảng 2.5: Tỷ số giữa thời gian của một khe với các độ dài khác nhau của gói

Ethernet (bỏ qua phần mào đầu vô tuyến) Trong Bảng 2.5, tỷ số giữa độ rộng khe thời gian (xác định trong Bảng 2.4) vớigói Ethernet tiêu chuẩn là đủ nhỏ để đảm bảo cho thuật toán CSMA trong chuẩn802.11 hoạt động hiệu quả Ở tốc độ cao hơn, CSMA có thể hoạt động không hiệu quảkhi truyền dẫn các gói Ethernet ngắn