Trial Printing Version.doc

Trial Printing Version

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

2.4 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

2.9.2 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

3.3.3 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

3.3.4.1 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

3.3.7.10 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 động DIFS 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 Âu

EY-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

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 ngoại

IrLMP 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 tế

ISDN 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

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 chung

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

Protocol Giao thức Internet/Giao thức điều khiển truỳen dẫn

TTLS Tunneled Transport Layer Security An ninh lớp truyền tải đường ống UNII 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 WLAN1.1 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 tin với nhau qua thư điện tử và truy nhập các chương trình ứng dụng đa người sử dụng và các cơ sở dữ liệu dùng chung Để kết nối tới một mạng LAN, thiết bị người sử dụng phải được kết nối vật lý tới một lối ra hay một khe cắm cố định, vì thế mà tạo ra một mạng có ít hoặc nhiều nút cố định Việc di chuyển từ một vị trí này đến một vị trí khác cần 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 làm cho mạng LAN hữu tuyến có chi phí cao và khó khăn khi lắp đặt, bảo dưỡng và nhất là khi sửa chữa

Các mạng WLAN đem lại lợi ích cho người sử dụng di động và cho quá trình triển 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 mất kết nối Một điểm thuận lợi của WLAN là khả năng linh hoạt trong việc cấu hình lại hoặc bổ sung nút mới vào mạng mà không phải quy hoạch lại mạng và không mất chi phí cho việc tái lắp đặt cáp, vì vậy mà làm cho việc nâng cấp trong tương lai trở nên đơn giản và không tốn kém Khả năng đối phó với các thành phần của một mạng LAN động được tạo ra bởi các người sử dụng di động và các thiết bị tính toán cầm tay là một 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 gần đây Hiện nay có khoảng 40 sản phẩm WLAN có mặt trên thị trường Người ta hy vọng là nó sẽ còn tăng hơn nữa với sự xuất hiện gần đây của các tiêu chuẩn WLAN HIPERLAN và IEEE 802.11.

Mạng WLAN khác với các mạng vô tuyến diện rộng ở chỗ quá trình truyền thông tin số bằng vô tuyến tế bào hoặc vô tuyến gói Vì các hệ thống này phủ sóng ở khoảng cách 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 mạng WLAN 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 sử dụng 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 vụ truyền từ điểm tới đa điểm mặc dù các dịch vụ này phải được bảo vệ để tránh khỏi các truy 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 cố định 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 nhóm các nút di động và có thể thực hiện chức năng trong phạm vi vài trăm mét Anten gắn với điểm truy nhập thường được đặt cao nhưng cũng có thể được đặt bất cứ chỗ nào có thể được miễn là đảm bảo được vùng phủ sóng theo yêu cầu Các thiết bị đầu cuối người 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, các card 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 cá nhân cầm tay dùng bút điều khiển) và các máy in Các bộ thích ứng WLAN cung cấp một giao diện giữa hệ điều hành mạng khách và đường kết nối vô tuyến thông qua một anten Điều này cho phép các đặc tính vật lý của kết nối vô tuyến trở nên trong suốt đối với hệ điều hành mạng Các mạng WLAN sử dụng các thiết bị máy tính di động được gọi là các mạng LAN không dây Thuật ngữ ‘không dây’ nhấn mạnh thực tế rằng các 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 giai đoạn này không phát triển mạnh.

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

 Thế hệ thứ ba: Hoạt động tại các băng tần 2,4 GHz (sử dụng các phương pháp 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 WLAN

Các tổ chức tiêu chuẩn lớn như IEEE và ETSI liên tục đưa ra và cập nhật các tiêu chuẩn cho WLAN 802.11, và HIPERLAN của mình.

- Theo chuẩn IEEE 802.11 - Tốc độ dữ liệu cao hơn

- Chi phí cho các thiết bị vô tuyến cao hơn

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

1.3 Các thành phần của mạng WLAN

Các thành phần của mạng WLAN bao gồm các card giao diện mạng vô tuyến, các điểm truy nhập vô tuyến, và các cầu nối vô tuyến từ xa.

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 sử dụng cho mạng LAN hữu tuyến Giống như các card thích ứng mạng hữu tuyến, card giao diện mạng vô tuyến trao đổi thông tin với hệ điều hành mạng thông qua một trình điều khiển dành riêng vì thế mà cho phép các ứng dụng sử dụng mạng vô tuyến cho quá trình truyền dữ liệu Tuy nhiên, không giống như các card thích ứng của mạng hữu tuyến các card này không cần bất kỳ dây cáp nào kết nối chúng tới mạng và điều này cho phép tái lắp đặt các nút mạng mà không cần chuyển đổi cáp mạng hoặc thay đổi các 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 tuyến

Các điểm truy nhập tạo ra các vùng phủ vô tuyến, các vùng này kết nối các nút di động tới các cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến hiện có Điều này cho phép một mạng WLAN trở thành một phần mở rộng của mạng hữu tuyến Bởi vì các điểm truy nhập cho phép khả năng mở rộng một vùng phủ sóng vô tuyến, các mạng WLAN là rất ổn định và các điểm truy nhập bổ sung có thể được triển khai trong một toà nhà hay khuôn viên trường đại học nhằm tạo ra các vùng truy nhập vô tuyến rộng lớn Các điểm truy nhập không những cho phép quá trình truyền thông với mạng hữu tuyến mà còn thực hiện lọc lưu lượng và thực hiện các chức năng cầu nối tiêu chuẩn Chức năng lọc giúp cho việc đảo băng thông trên liên kết vô tuyến bằng cách xoá bỏ lưu lượng dư thừa Do băng thông không đối xứng giữa phương tiện truyền thông vô tuyến và hữu tuyến, nên điều quan trọng đối với điểm truy nhập là cần có các tài nguyên bộ nhớ và một 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 hoặc khi 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 các nút di động Một điểm truy nhập không cần phải điều khiển truy nhập từ các nút di động khác (tức là nó có thể hoạt động với một giao thức truy nhập ngẫu nhiên phân bố như là CDMA chẳng hạn) Tuy nhiên, sẽ thuận lợi hơn khi sử dụng một giao thức đa truy nhập tập trung hoá được điều khiển bởi một điểm truy nhập Các tuỳ chọn giao diện 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 sử dụng 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 việc chúng được sử dụng chủ yếu cho các kết nối bên ngoài Tuỳ thuộc vào khoảng cách và vùng phủ có thể có thêm các anten ngoài Các cầu như vậy được thiết kế để liên kết các 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 cáp hoặc triển khai các đường điện thoại dùng riêng và thường được sử dụng khi các kết nối 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 các kết nối bằng cáp và các mạch điện thoại dành riêng, các cầu nối vô tuyến có khả năng lọc lưu lượng và đảm bảo rằng các mạng được kết nối không bị chồng lấp bởi các lưu lượng không cần thiết Các cầu nối này cũng có thể làm việc như là các thiết bị an ninh nội bộ bởi vì chúng chỉ đọc các địa chỉ đã được mã hoá vào trong các bộ thích ứng LAN (tức là các địa chỉ MAC), vì vậy mà ngăn chặn thành công các quá trình truyền thông 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 (Open System Interconnection - mô hình tham chiếu các hệ thống mở) Những khác biệt này cho phép khả năng sử dụng hai phương pháp cung cấp điểm giao diện vật lý cho các mạng WLAN Nếu điểm giao diện vật lý ở lớp điều khiển liên kết logic LLC thì phương pháp này thường yêu cầu một trình điều khiển người dùng để hỗ trợ các phần mềm mức cao hơn như là hệ điều hành mạng chẳng hạn Một giao diện như vậy cho phép các nút di động truyền thông trực tiếp với một nút khác sử dụng các card giao diện 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 chức năng cầu nối và các chức năng không định tuyến Mặc dù giao diện MAC đòi hỏi kết nối hữu tuyến, nó vẫn cho phép bất cứ một hệ điều hành mạng nào hoặc một trình điều khiển nào làm việc với mạng WLAN Một giao diện như vậy cho phép một mạng LAN hữu tuyến hiện có có thể được mở rộng dễ dàng bằng việc cho phép truy nhập đối với các thiết bị mạng vô tuyến mới Kiến trúc giao thức của một giao diện mạng WLAN điển hình được cho trên Hình 1.4 Các lớp thấp hơn của một card giao diện vô tuyến thường được thực hiện bằng phần mềm chạy trên các bộ xử lý nhúng Các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức mạng được cung cấp bởi hệ điều hành và các chương trình ứng dụng Một trình điều khiển mạng cho phép hệ điều hành giao tiếp với phần mềm lớp thấp hơn được nhúng trong các card giao diện mạng vô tuyến Ngoài ra nó còn thực thi các chức năng LLC chuẩn Đối với hệ điều hành Window, trình điều khiển nói chung chỉ tương thích với một số phiên bản của của giao diện trình điều truyền tải (TCP/IP)

Lớp điều khiển liên kết logic Lớp điều khiển truy nhập môi

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (có phân mảnh hoá, tái kết hợp, đăng ký, điều khiển tải (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 trên Hình 1.5 và Hình 1.6

Cấu hình độc lập hỗ trợ kết nối điểm tới điểm (peer-to-peer) nơi mà các nút di động truyền thông trực tiếp với nhau sử dụng các bộ thích ứng vô tuyến Bởi vì các mạng độc lập có thể được thực hiện một cách nhanh chóng và đơn giản, chúng thường được tạo ra mà không cần các công cụ hay khả năng đặc biệt nào Chúng cũng không cần thực hiện việc quản trị mạng Những cấu hình mạng kiểu như vậy là lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu trong kinh doanh hoặc trong việc thiết lập các nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải nhiều bất lợi khi vùng phủ sóng bị giới hạn Một điểm truy nhập có thể mở rộng phạm vi của hai mạng WLAN độc lập bằng cách hoạt động 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 tích hợp vào trong một mạng hữu tuyến (xem Hình 1.6) Quá trình chuyển đổi từ các phương tiện vô tuyến sang các phương tiện hữu tuyến phải thông qua một điểm truy nhập 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 tại cùng một vị trí Một điểm truy nhập được định vị ở chính giữa có thể điều khiển và phân quyền truy nhập giữa các nút đang có tranh chấp, cho phép truy nhập dễ dàng tới mạng đường trục, dễ dàng thực hiện gán địa chỉ và các mức ưu tiên, thuận lợi trong việc quản lý quá trình chuyển đi các gói dữ liệu, và theo dõi được đường đi của cấu hình mạng hiện thời Tuy nhiên, một giao thức đa truy nhập tập trung hoá không cho phép một nút truyền thông tin trực tiếp tới một nút khác mà nút này đang được định vị trong vùng phủ sóng của cùng điểm truy nhập ấy (xem Hình 1.7) Trong trường hợp này, 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 truyền dẫn và làm tăng trễ truyền sóng Tuy nhiên, các hệ thống như vậy nói chung thường cho phép năng suất truyền dữ liệu lớn hơn, các vùng phủ sóng lớn hơn, và có khả năng cung cấp lưu lượng theo thời gian bao gồm video và thoại Ngoài ra, một điểm truy nhập 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 mạng WLAN sử dụng giao thức phân bố như CSMA dùng cho đa truy nhập, các nút trong mạng cơ sở có thể truyền thông trực tiếp với các nút khác Tuy nhiên, một vài mạng WLAN cơ sở yêu cầu quá trình truyền dẫn gói phải được đánh địa chỉ duy nhất tới điểm truy nhập ngay cả khi CSMA được chấp nhận Điểm truy nhập sau đó sẽ chuyển tiếp gói tới đúng nút đích.

Điểm truy nhập

Nút di độngNút 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 LAN hồng ngoại Các mạng LAN vô tuyến có thể dựa trên quá trình truyền dẫn băng hẹp hay 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 vô tuyến 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 trải phổ đã xuất hiện hơn 50 năm và được khởi xướng từ trong quốc phòng để đảm bảo quá trình truyền thông là tin cậy và an toàn Trải phổ đề cập đến các sơ đồ tín hiệu dựa trên một số dạng mã hoá (độc lập với thông tin được phát đi) và chúng sử dụng băng thông lớn hơn nhiều so với yêu cầu để truyền tín hiệu Băng thông lớn hơn có nghĩa là nhiễu và các hiệu ứng fading đa đường chỉ ảnh hưởng một phần đến quá trình truyền dẫn 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 của tín hiệu trải phổ Các tín hiệu trải phổ có khả năng hạn chế nhiễu và gây khó khăn cho quá trình phát hiện và chặn tín hiệu trên đường truyền Có hai kỹ thuật trải phổ: Trải phổ 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 âm tương đối nhỏ DSSS trải rộng năng lượng (công suất) của tín hiệu trên một băng thông 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 thống băng 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 âm băng rộng công suất thấp và bị loại bỏ bởi hầu hết các bộ thu băng hẹp Trái lại, kỹ thuật này làm giảm bớt ảnh hưởng của các nguồn nhiễu băng hẹp bằng việc trải rộng chúng ra ở phía máy thu

DSSS kết hợp luồng số liệu với một mã số tốc độ cao hơn Mỗi bit số liệu được biến 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 của bit số liệu thật Chuỗi các chip trong một chu kỳ chip là ngẫu nhiên nhưng một chuỗi giống như vậy được lặp lại trong mỗi chu kỳ bit, vì vậy mà làm nó trở thành giả ngẫu nhiên hay là ngẫu nhiên một phần Tốc độ chip của một mã giả tạp âm n-bit cao hơn n lần tốc độ dữ liệu Tốc độ cao của chuỗi chip dẫn đến kết quả là có một băng thông rất rộng Tiêu chuẩn 802.11 sử dụng mã 11-chip, tốc độ chip nhanh hơn 11 lần tốc độ số liệu 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 Thông thường độ rộng băng thông trải phổ vào khoảng hai lần tốc độ chip Vì vậy, tốc độ chip 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 biến đổi ngược lại thành dữ liệu gốc Tuy nhiên, năng lượng của tạp âm và nhiễu có thể đã được 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 máy thu cũng phải được đồng bộ một cách chính xác với pha đúng của mã cũng như tốc độ chip của nó Vì vậy, chức năng quan trọng của cơ chế định thời trong phần mở đầu của một gói DSSS là phải cho phép máy thu đồng bộ với pha đúng của mã giả tạp âm của một gói trong thời gian ngắn nhất có thể được Vì quá trình truyền dẫn các gói là không đồng bộ, nên mỗi gói DSSS phải được khởi đầu bởi phần mở đầu dành cho các mục đích đồng bộ.

Khi mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bởi máy thu được đồng bộ chính xác với tín hiệu 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 tự tương quan thấp Tương tự như vậy, tạp âm và nhiễu có thể được thêm vào tín hiệu thu tạo ra quá trình tự tương quan thấp bởi vì chúng không tương quan với mã giả ngẫu nhiên Điều này tạo ra một đỉnh cực trị đơn lẻ giữa khoảng cách mỗi bit Khi truyền dẫn 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 vì đỉnh cực trị tự tương quan xuất hiện định kỳ các máy thu DSSS có thể khoá các đỉnh cực trị này một cách đơn giản khi mã hoá dữ liệu sau khi chúng đạt được quá trình đồng bộ hoá ban đầu Điều này ngụ ý rằng ngay cả khi một hay nhiều chip bị phá huỷ trong quá trình truyền dẫn, thuộc tính tự tương quan trong tín hiệu DSSS có thể khôi phục dữ liệu ban đầu mà không cần yêu cầu truyền dẫn lại Ngoài ra, các đỉnh cực trị của nhiễu gây ra bởi các quá trình phản xạ từ hiệu ứng đa đường hoặc là việc truyền dẫn một gói mới có thể bị loại bỏ làm cho các đỉnh cực trị này là không đồng nhất với các đỉnh cực trị yêu cầu Khả năng chống chịu các đỉnh cực trị nhiễu phụ thuộc vào quá trình phân giải thời gian của tín hiệu DSSS Một quá trình phân giải cao hơn yêu cầu độ trải phổ rộng hơn nhưng lại cho phép các đỉnh cực trị nhiễu có thể được phân giải 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 một khoảng 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 mỗi bit 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) Độ lợi 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 802.11 dùng 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 tế bào trải phổ Do vậy, khả năng khử nhiễu bị hạn chế nhưng có nhiều độ rộng băng thông 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 nhập phân chia theo mã (CDMA) Phân chia mã liên quan đến quá trình truyền dẫn các mã giả tạp âm trực giao có thể chồng lấn về thời gian nhưng ít hoặc không ảnh hưởng lẫn nhau Các nút khác nhau sử dụng các mã dành riêng khi phát tín hiệu Đối với một máy 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 hỏi các máy thu phức tạp có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả tạp âm Các mạng WLAN sử dụng chung một mã giả tạp âm và do đó không có một bộ mã khả dụng cần thiết cho hoạt động của CDMA Một mã đơn giản cho phép thông tin được quảng bá một cách đơn giản Ngoài ra, mã có thể được làm cho ngắn hơn, do vậy mà làm 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 và sau đó chuyển (nhảy) tới một kênh khác trong một khoảng thời gian ngắn theo một mẫu đã được xác định trước mà cả hai máy phát và máy thu đều được biết Không giống như DSSS dùng nhiều kênh tần số đồng thời, FHSS dùng nhiều kênh tần số một cách ngẫu nhiên Vì các kênh tần số là băng hẹp nên chúng cho phép tỷ số tín hiệu trên tạp âm rất tốt và các bộ lọc băng hẹp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu Đối với một máy thu không xác định, truyền dẫn DSSS được xem như là tạp âm xung thời gian ngắn Mẫu nhảy tần xác định các kênh tần số được chọn và thứ tự mà các kênh tần số được 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 hệ thống FHSS độ lợi xử lý được định nghĩa là tỷ số của toàn bộ độ rộng băng bị chiếm bởi 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 vì FHSS yêu cầu các kênh phải được chuyển đổi sau một khoảng thời gian nhất định Số kênh tần số trong một mẫu nhảy và thời gian cư trú bị hạn chế bởi hầu hết các cơ quan chức 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 thời gian cư trú của cả 75 kênh) Để đảm bảo rằng các kênh khả dụng được lựa chọn ngang nhau trên mức trung bình, tất cả các kênh trong một mẫu nhảy phải được sử dụng hết trước 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 độ dài lớn nhất 1518 octet hay 12144 bit Với tốc độ số liệu 2 Mbps, thời gian truyền dẫn gói có thể xấp xỉ 6 ms Vì vậy, theo lý thuyết có nhiều hơn 60 khung Ethernet độ dài cực đại có thể được gửi đi trong khoảng thời gian cư trú 400 ms Vì các ứng dụng thông thuờng sử dụng nhiều gói có kích thước ngắn hơn, nên con số này tăng rất đáng kể.

Tỷ số giữa tốc độ nhảy và tốc độ số liệu dẫn đến kết quả là có hai phương thức nhảy tần FHSS Khi tốc độ nhảy cao hơn tốc độ số liệu thì hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh Ngược lại, khi tốc độ nhảy thấp hơn (như ở trong ví dụ trên) hệ thống được gọi là nhảy tần chậm Tốc độ nhảy có ảnh hưởng mạnh đến hiệu năng của một hệ thống FHSS Không giống như các hệ thống băng hẹp được cấp phép hoạt động ở vùng phổ dành riêng và nói chung không liên quan đến nhiễu, các hệ thống nhảy tần hoạt động trong các băng tần ISM dùng chung và không được cấp phép có thể gặp nhiễu trên một số kênh Đối với các hệ thống FHSS chậm, điều này có khả năng làm mất nhiều gói số liệu Do đó nhảy tần nhanh thường thực hiện tốt hơn nhảy tần chậm ngay cả khi có cùng một độ lợi xử lý Tuy nhiên các FHSS nhanh là tốn kém hơn khi thực 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 các mẫu khác nhau hầu như không gây nhiễu với nhau Do đó xác xuất xung đột giữa các kênh 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 gián đoạn quá trình truyền số liệu trên một bước nhảy riêng biệt, thì khả năng mà nó ảnh hưởng 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 các mạng WLAN FHSS, các xung đột có thể dẫn đến một hay nhiều gói bị hỏng mà cần phải phát lại để khôi phục số liệu bị mất Không giống như các mạng WLAN DSSS sử dụng cùng một mã giả tạp âm, các mạng WLAN FHSS có thể sử dụng nhiều hơn một mẫu nhảy tần để tăng dung lượng mạng Ý tuởng sử dụng nhiều mẫu nhảy là tương đương 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 hệ thống FHSS lại dựa trên cơ sở tránh nhiễu, nên mỗi hệ thống có những điểm mạnh và điểm 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 độ cao 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 với FHSS, độ rộng băng lớn nhất được xác định là 1 MHz Mặc dù việc trải rộng độ rộng băng được yêu cầu trong các mạng WLAN DSSS nhưng những hệ thống như vậy sẵn sàng 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 Độ rộng băng rộng hơn được cấp phát cho mỗi kênh DSSS là một trở ngại vì số lượng các kênh không chồng lấn khả dụng là ít hơn Điều này giới hạn số lượng các vùng phủ vô tuyến độc lập mà chúng có thể có cùng vị trí và hoạt động mà không có nhiễu Trong băng tần ISM 2,4 GHz, tối đa chỉ có 3 vùng phủ DSSS cùng vị trí Mặt khác, do có nhiều hơn các kênh 1 MHz không chồng lấn và do vậy có nhiều mẫu nhảy hơn, các mạng WLAN FHSS 2,4 GHz có thể hỗ trợ đến 26 vùng phủ vô tuyến cùng vị trí, vì vậy 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 FHSS các kênh tần số trong một mẫu nhảy được trải ra toàn bộ băng ISM còn trong DSSS chỉ 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 định của băng tần ISM 2,4 GHz Rõ ràng là, các nguồn nhiễu băng rộng và bất biến theo thời gian có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống DSSS nghiêm trọng hơn các hệ thống FHSS nhảy tần nhanh Hơn nữa truyền dẫn FHSS có công suất cao hơn có thể khắc phục và làm giảm những tác động của nhiễu công suất thấp hơn Các hệ thống DSSS không thể tránh khỏi nhiễu và truyền dẫn công suất thấp của chúng không thể loại 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 hiệu được phát đi có thể thu được tại nhiều vị trí khác nhau Ngoài ra, khi có hai hay nhiều tín hiệu đa đường được tách biệt về thời gian nhiều hơn một chu kỳ chip thì chúng trở nên độc lập với nhau Các đường truyền độc lập này có thể được kết hợp để thực hiện phân tập tại máy thu DSSS, quá trình này thực sự làm tăng cường hiệu năng của máy thu

Nút A

Nút B

Nút C

Thời gianThời gian cư trú

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

Các xung đột

Xung đột trong hệ thống trải phổ có cùng một tác động như xung đột trong hệ thống băng hẹp Các gói liên quan đến xung đột bị loại bỏ và phải được phát lại sau đó Khác biệt quan trọng trong hệ thống trải phổ là xác suất mà khi cả hai gói xung đột với nhau thì vẫn thu được gói thứ ba (ví dụ như gói thứ ba có thể sử dụng mã giả ngẫu nhiên dịch thời gian hay mẫu nhảy tần) Vì thế, nếu truyền dẫn trải phổ được sử dụng thì các xung đột liên quan đến các gói riêng lẻ hơn là liên quan đến các khe thời gian cụ thể hay các máy thu dùng riêng.

Nói chung, các xung đột trong cả hai hệ thống DSSS và FHSS ít xảy ra thường xuyên hơn so với các hệ thống băng hẹp và khả năng truyền dẫn gói không đồng bộ chính xác về mặt thời gian là rất nhỏ Vì vậy, khi các vùng phủ khác nhau có các kênh tần số giống nhau chồng lấn, nhiều quá trình truyền dẫn trải phổ có thể dẫn tới các lỗi ngẫu nhiên nhưng không nhất thiết là các xung đột phá huỷ Ví dụ như các máy thu DSSS có khả năng thu gói dữ liệu đầu tiên ngay cả khi có truyền dẫn gói tiếp theo chồng 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 phát đến nút C sử dụng DSSS Gói B bị trễ so với gói A hơn một chu kỳ chip (xem Hình 1.8) Trong hệ thống băng hẹp, bất cứ hai gói nào chồng lấn về thời gian đều dẫn đến việc 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 bit mào đầu của gói dữ liệu Vì vậy, nếu nút C đồng bộ thành công với đỉnh cực trị tự tương quan của phần mào đầu của gói A, nó sẽ khá khó khăn trong việc tự hiệu chỉnh các đỉnh cực trị khác trong phần còn lại của gói dữ liệu bởi vì các đỉnh cực trị xuất hiện 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 không trùng 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 B cũng có thể làm hỏng gói A nếu các đỉnh cực trị tự tương quan chồng lấn nhau Nếu gói A và gói B được đánh địa chỉ tới các nút khác nhau và các đỉnh cực trị tự tương quan 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 sẽ được nối lại tương tự như cách của phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số Các xung đột sẽ chỉ xảy ra nếu có hai hay nhiều hơn các nút có cùng một mẫu nhảy tần dịch 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 hành động) tại nơi mà quá trình truyền dẫn bị trì hoãn khi phát hiện ra một quá trình truyền dẫn 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 định khả 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 hiện cảm biến sóng mang Ví dụ, trong các hệ thống DSSS, cảm biến sóng mang thường được thực hiện bằng cách giám sát mức nhiễu hay kiểm tra sự xuất hiện của các đỉnh cực trị tự tương quan của mã giả ngẫu nhiên chung Theo phương pháp này cảm biến sóng mang dẫn đến việc việc hầu như không loại bỏ được các quá trình truyền dẫn gói chồng lấn (nhưng không có nhiễu) Mặc dù có thể là cảm biến trong các hệ thống trải phổ không phục vụ cho bất kỳ mục đích nào nếu như trạng thái của đích đến xác định trước là không được biết, nó cho phép một nút truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ cao Nếu các đỉnh cực trị tự tương quan được kết hợp trong cùng một quá trình truyền dẫn, thì sau đó các vị trí của các đỉnh cực trị này có thể được sử dụng để đại diện cho nhiều bit thông tin hơn mà không yêu cầu tăng độ rộng băng thông Đối với mã giả ngẫu nhiên 11-bit, có tới 4 đỉnh cực trị dịch thời gian có thể hoạt động đồng thời, vì vậy cung cấp tốc 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 cho phép cảm biến sóng mang trong các hệ thống DSSS có thể được tiến hành nhanh chóng 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 đây khoảng chừng 20 năm Kể từ đó, một số lượng lớn các mạng LAN hồng ngoại đã xuất hiện Các hệ thống này khai thác các điểm thuận lợi do sử dụng vô tuyến hồng ngoại như là một môi trường cho truyền dẫn vô tuyến Chẳng hạn, tia hồng ngoại có băng thông không cấp phép rất dồi dào, nó loại bỏ được nhiễu vô tuyến, các thiết bị hồng ngoại nhỏ và tiêu thụ ít công suất.

Các mạng LAN hồng ngoại sử dụng phần phổ điện từ tần số ngay dưới tần số ánh sáng nhìn thấy làm môi trường truyền dẫn vô tuyến Vì gần giống nhau về chiều dài bước 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 vật tối hay các chướng ngại vật lý (có thể là bức tường, các vật cản, trần nhà) và sẽ suy hao đáng kể khi đi qua cửa sổ Các đặc tính này giúp cho việc giữ cho năng lượng sóng quang hồng ngoại tập trung trong một không gian nhất định có thể là một căn phòng, 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 các bức tường, và phản xạ xung quanh các góc giống như là ánh sáng mặt trời và ánh sáng của đèn điện trong phòng Bởi vì ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn 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 thực hiện điều chế giống như đối với các tần số vô tuyến Vì vậy, các đường truyền hồng ngoại thường dựa trên cơ sở điều chế xung bật-tắt và tách sóng tín hiệu quang Quá trình 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 chẳng hạn Theo cách này, dữ liệu được mang đi bởi cường độ (chứ không phải là pha hay tần số) của sóng ánh sáng Tách sóng trực tiếp được thực hiện bởi bộ tách quang dùng photodiode để tạo ra dòng điện tỷ lệ với công suất sóng quang tới Bề mặt của bộ tách sóng xác định độ nhạy của máy thu và vì thế xác định phạm vi thu Bộ tách sóng có bề mặt lớn có điện dung lớn, điện dung này giới hạn độ rộng băng thông khả dụng Giống như nhiều bộ phát sử dụng trong các mạng sợi quang, các bộ phát hồng ngoại sử dụng trong 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 thuộc tính của sợi quang Loại bỏ sự có mặt của sợi quang (như ở trong các hệ thống vô tuyến) và các đường truyền sóng tổn hao thấp cũng không còn, quá trình truyền ánh sáng tryền đi giữa hai nút một cách tin cậy và có thể điều khiển được trở nên khó rất khó khăn Các hệ thống hồng ngoại sử dụng hai thành phần vật lý khác nhau (các bộ phát 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 và anten thu là đối xứng nhưng điều này không thể áp dụng cho các hệ thống hồng ngoại quang.

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 (tầm nhìn thẳng) hoặc khuyếch tán (phản xạ) Trong các LAN hồng ngoại trực tiếp các máy phát và máy thu phải hướng vào nhau để thực hiện truyền thông tầm nhìn thẳng Các máy phát sử dụng các chùm tia tập trung băng hẹp trong khi các máy thu hoạt động với các góc nhìn tương đối nhỏ Do đó một LAN hồng ngoại trực tiếp dễ bị che khuất bởi các đồ vật hay con người ở giữa máy phát và máy thu Hầu hết các mạng LAN hồng ngoại trực tiếp cung cấp các kết nối Ethernet hoặc vòng thẻ bài (token ring) Các mạng khác 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 yếu được sử dụng chỉ để triển khai các mạng cố định Các mạng này không thực tế khi áp dụng cho các nút di động vì việc liên kết chính xác giữa máy phát và máy thu khá khó khăn và là không thể trong thông tin di động.

Các hệ thống LAN hồng ngoại khuyếch tán không yêu cầu tầm nhìn thẳng trực tiếp nhưng chỉ có thể được sử dụng trong nhà vì chúng phụ thuộc nhiều vào năng lượng hồng ngoại phản xạ để truyền thông Các tín hiệu hồng ngoại lấp đầy vùng phủ sóng giống như quá trình chiếu sáng trên cao sử dụng các bề mặt phản xạ (các bức tường, các vật cản, trần nhà) để phản xạ tín hiệu giữa máy phát và máy thu Điều này ngụ ý rằng có thể có được một tầm nhìn rộng bằng việc sử dụng các máy phát bao gồm nhiều bộ phát hướng đến các hướng khác nhau và sử dụng các máy thu gồm nhiều lớp photodiode Các tín hiệu hồng ngoại phát đi chiếu sáng trần nhà trong khi các máy thu được hướng về phía trần nhà để tách sóng ra năng lượng sóng hồng ngoại Ngoài ra, vì các 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 ở chỗ 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 truờng xung quanh Điểm bất lợi là ở chỗ khoảng cách và tốc độ số liệu bị giảm do tổn thất năng 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 sáng phản 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 Tuy nhiên, 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 động đến một phần nhỏ của các bộ tách sóng dùng photodiode Hiện nay tốc độ dữ liệu cao nhất mà các mạng LAN hồng ngoại khuyếch tán cho phép bị giới hạn ở 4 Mbps và các mạng 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 Nói chung, các hệ thống vô tuyến luôn tạo ra vùng phủ rộng hơn các hệ thống thông tin quang vô tuyến bởi vì công suất các máy phát yêu cầu cao hơn và các máy thu có nhiều thuận lợi khi sử dụng các kỹ thuật tạo phách cảm biến Mặt khác, tín hiệu vô tuyến luôn có độ rộng băng thông hẹp hơn các tín hiệu quang mặc dù các hệ thống thương 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, vì thế 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 xung phát.

Các nguồn nhiễu

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

An ninh mạng

Vì các tín hiệu hồng ngoại không hấp thụ qua các bức tường và suy hao lớn khi truyền qua cửa số nên chúng không được sử dụng cho truyền sóng bên ngoài.

Các quy định

Một mạng WLAN hồng ngoại có thể được sử dụng ở mọi nơi trên thế giới bởi vì không có bất cứ hạn chế nào trong các băng tần quang đang hoạt động Các tiêu chuẩn quy định áp dụng cho việc sử dụng phát xạ hồng ngoại là các quy định an toàn.

CHƯƠNG II CÁC TIÊU CHUẨN CỦA MẠNG WLAN2.1 Giới thiệu về các tiêu chuẩn

Năm 1990, Viện các kỹ sư điện và điện tử IEEE đã thành lập một uỷ ban để phát triển 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 tiêu chuẩn 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 vụ cho các ứng dụng đặc biệt trong phạm vi một toà nhà đã và đang được phát triển Khác với các chuẩn này, quá trình phát triển chuẩn IEEE 802.11 đã bị ảnh hưởng mạnh bởi các sản phẩm của mạng WLAN có mặt trên thị trường Vì vậy, mặc dù cần khá nhiều thời gian để hoàn thiện các tiêu chuẩn (do có khá nhiều đề xuất mang nặng tính cạnh tranh từ phía các nhà cung cấp thiết bị), nó vẫn là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho đến nay Phần này trình bày về các chuẩn của mạng WLAN trong đó tập trung vào chuẩn 802.11

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 IEEE 802.11 cung cấp tốc độ truyền dẫn 2 Mbps Họ tiêu chuẩn 802.11 có nhiều phần mở rộng 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 cho phép tốc độ truyền dẫn 11 Mbps (cũng có thể là 1,2 và 5,5 Mbps) trong băng tần 2,4 GHz 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 Chuẩn này có thể mở rộng tốc độ của 802.11b lên tối đa 54 Mbps trong cùng băng tần nhưng chỉ truyền trong khoảng cách ngắn Do khả năng tương thích sau này, các card vô tuyến 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 độ lên tới 54 Mbps trong băng tần 5 GHz Chuẩn 802.11a không tương thích với các mạng sử dụng 802.11b hoặc 802.11g, như vậy một người sử dụng được trang bị card giao 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 cả các mạng độc lập và các mạng có cấu hình cơ sở HIPERLAN Type I hoạt động ở băng tần 5,15 đến 5,3 GHz (băng tần được chia thành 5 kênh tần số) với mức công suất 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 1,4 m/s) Ngoài HIPERLAN Type I còn có chuẩn HIPERLAN Type II, các đặc tính của chuẩn này được cho trên Bảng 2.1.

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

Bảng 2.1 Tóm tắt các tiêu chuẩn WLAN

Chuẩn OpenAir được phát triển và hoàn thiện vào năm 1996 bởi diễn đàn tương hỗ các mạng WLAN WLIF (Wireless LAN Interoperability Forum), chuẩn này cho phép tốc độ dữ liệu vô tuyến 1,6 Mbps đối với mỗi mẫu nhảy tần Với 15 mẫu độc lập, tốc độ dữ liệu tổng cộng lên đến 24 Mbps (15x1,6 Mbps)

2.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho các mạng WLAN do Uỷ ban 802 các tiêu chuẩn cho các mạng LAN và MAN (LMSC – 802 Local and Metropolitan Area Networks Standards 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 vào năm 1997 Chuẩn 802.11 cho phép nhiều nhà cung cấp phát triển các sản phẩm mạng LAN tương hỗ với nhau sử dụng trong băng tần ISM 2,4 GHz Quá trình tiêu chuẩn hoá 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 định một giao diện giữa người dùng vô tuyến và điểm truy nhập vô tuyến cũng như giữa các người dùng vô tuyến Như ở bất cứ tiêu chuẩn IEEE 802.x nào như 802.3 (CSMA) và 802.5 (token ring), chuẩn 802.11 định nghĩa cả lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Tuy nhiên, lớp MAC 802.11 cũng thực hiện các chức năng liên 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 che khuất các đặc tính của lớp vật lý vô tuyến PHY đối với các lớp cao hơn.

Bộ dịch vụ cơ sở BSS (Basic Service Set) là một khối cơ sở của mạng WLAN và bao gồm 2 hay nhiều nút di động (gọi là các trạm hoặc STA) Hình 2.1 và 2.2 minh hoạ khái niệm của một BSS khi áp dụng vào các mạng WLAN độc lập và cơ sở

Mỗi BSS có một nhận dạng gọi là BSSID thường ứng với địa chỉ MAC của thành phần vô tuyến của card giao diện mạng Vùng phủ vô tuyến giữa các thành phần của một BSS có thể truyền thông với nhau được gọi là vùng dịch vụ cơ sở BSA Một mạng WLAN độc lập chỉ bao gồm một BSS và được gọi là BSS độc lập (IBSS) Hệ thống phân bố (DS) kết nối hai hay nhiều BSS với nhau thường sử dụng một mạng đường trục hữu tuyến, vì thế nó cho phép các nút di động có thể truy nhập vào các tài nguyên mạng cố định Một mạng WLAN bao gồm một tập hợp các BSS và DS được gọi là tập

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

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 lớp phụ thuộc môi trường vật lý PMD xử lý các thuộc tính của môi trường vô tuyến (tức là các phương pháp trải phổ DSSS, FHSS, hoặc DFIR) và xác định cách phát và thu dữ liệu 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 lớp MAC vào một khuôn dạng gói thích hợp cho phân lớp PMD Nó cũng có thể thực hiện cảm 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 kiện liên kết khác nhau và duy trì thông tin quản lý lớp vật lý cơ sở MIB Việc quản lý phân lớp MAC giải quyết các vấn đề như đồng bộ hoá, quản lý công suất, kết hợp và tái kết hợp Ngoài ra, nó duy trì phân lớp MAC MIB Việc quản lý trạm xác định các phân lớp 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 có thể được triển khai trong các vùng phủ khác nhau từ phạm vi một căn phòng cho đến phạm vi toàn khuôn viên của một trường đại học Các tuỳ chọn này bao gồm trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, trải phổ nhảy tần FHSS, và hồng ngoại khuyếch tán DFIR Tuy nhiên, để các thiết bị vô tuyến 802.11 tương thích với nhau thì chúng phải có cùng một lớp vậy lý PHY (tức là các mạng WLAN FHSS truyền thông được với nhau nhưng không truyền thông được với các mạng WLAN DSSS) Trong khi lớp vật lý PHY DFIR 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 phải được cấp phép mặc dù các nhà cung cấp thiết bị cần phải được cấp phép khi bán các sản 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 trạng thái

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 dùng thuật ngữ ‘khung’) với phần mào đầu và phần tiêu đề được ghép vào đầu mỗi gói Sau khi nút đích đồng bộ với phần mào đầu PLCP, nó thu được các thông tin về độ dài của gói 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 lớn hơn) 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 các phần mào đầu và phần tiêu đề PLCP có thể được giải mã mà không cần sử dụng các bộ cân bằng công suất thấp Các bộ cân bằng này thường phải giải quyết các vấn đề đa đường truyền ở tốc độ cao Điểm bất lợi của tốc độ 1 Mbps là ở chỗ nó làm giảm hiệu quả 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 các trường khác nhau trong phần tiêu đề PLCP được mở rộng để dễ sử dụng hơn Bên cạnh việc cho phép nút thu phát hiện các đỉnh cực trị tự tương quan của mã giả ngẫu nhiên và cố định việc định thời một gói số liệu đến, các bit đồng bộ hoá cũng cho phép khả năng lựa chọn anten thích hợp (nếu có sử dụng phân tập anten) Trường tín hiệu xác định hoặc là MPDU được điều chế sử dụng DBPSK (1 Mbps) và DQPSK (2 Mbps) hoặc là được sử dụng để xác định các quá trình mở rộng tốc độ dữ liệu Bộ xác định khung khởi đầu cho biết phần bắt đầu của gói dữ liệu Truờng độ dài xác định độ dài của MPDU trong khi phần kiểm tra lỗi tiêu đề bảo vệ ba trường nằm trong phần tiêu đề PLCP

Đơn vị dữ liệu giao thức PLCP (PPDU)

Tốc độ dữ liệu cơ sở sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha nhị phân vi sai DBPSK trong đó mỗi bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 2 pha Tốc độ 2 Mbps nâng cao tốc độ số liệu bằng cách sử dụng khoá chuyển pha cầu phương trực giao DQPSK Trong trường hợp này 2 bit số liệu được biến đổi vào 1 trong 4 pha của mã trải phổ

Bảng 2.2 đưa ra các định nghĩa về pha của DBPSK và DQPSK Với trường hợp của khoá chuyển pha vi sai thông tin được mã hoá dựa trên sự khác biệt về pha giữa các ký tự kề nhau Nói cách khác, pha được phát đi (n) của ký tự là hàm của pha trước đó (n1) và độ lệch pha () theo công thức sau: n   n1 Việc lưu độ lệch pha vi sai làm giảm đến mức thấp nhất thời gian thu Đặc điểm kỹ thuật của DSSS 802.11 cho phép đáp ứng cả hai tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps Mức tín hiệu đầu vào máy thu được xác định là -80 dBm đối với gói dữ liệu có tỷ số lỗi 8x10-2 Tỷ số lỗi gói là xác suất không giải mã được tất cả các bit trong gói dữ liệu một cách chính xác Nó được 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 có tính tự tương quan tốt Thứ hai, vì mã Baker là khá ngắn nên cho phép đồng bộ hoá nhanh Thứ ba, các đường bao sóng bị giới hạn đơn nhất, nó độc lập với cực tính và thời gian trễ của tín hiệu vào và đường bao sóng thấp ngụ ý rằng công suất tín hiệu bị tổn 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 các xung âm và xung dương khác nhau một xung (mã đối xứng có số xung dương bằng số xung âm) Vì vậy, MPDU được trộn để giới hạn sự thay đổi độ lệch dòng điện một chiều do mã Baker không đối xứng Tốc độ chip 11 Mchip/s tương ứng với chu kỳ chip 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 tập anten 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 lần tốc độ chip Vì thế, tốc độ chip 11 Mchip/s yêu cầu độ rộng băng thông nhỏ nhất là 22 MHz.

2.3.3 Lớp vật lý FHSS

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

Tốc độ dữ liệu cơ sở 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch tần số Gausse (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 dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 4 tần số Sau đó số liệu đã lọc được điều chế sử dụng độ lệch tần số tiêu chuẩn Giá trị BT=0,5 được chọn trên cơ sở 2 yếu tố đó là yêu cầu sử dụng băng thông hiệu quả và khả năng tránh được nhiễu chồng lấn ký hiệu Các giá trị lớn của BT sẽ dẫn đến xuyên nhiễu chồng lấn ký hiệu mức thấp trong khi yêu cầu chi phí cho độ rộng băng thông cao Cả GFSK 2 mức và GFSK 4 mức đều có chung độ lệch 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 cho các sơ đồ điếu chế GFSK 2 mức và GFSK 4 mức.

Hình 2.5: Khuôn dạng gói PLCP FHSS

Mỗi kênh tần số trong một mẫu nhảy tần chiếm giữ băng thông rộng khoảng 1 MHz và phải thực hiện nhảy tần ở tốc độ tối thiểu quy định bởi các cơ quan chuyên trách Chẳng hạn, ở Mỹ tốc độ nhảy tối thiểu là 2,5 bước nhảy/s (tương ứng với thời gian cư trú lớn nhất là 400 ms) Thời gian cư trú có thể được điều chỉnh thông qua các điểm truy nhập cho phù hợp với các điều kiện truyền sóng nhất định Khi được thiết lập, thời gian cư trú giữ nguyên không đổi Nút di động thu thập thông tin về thời gian nhảy tần khi nó đến kết hợp với điểm truy nhập Điều này cho phép nút di động đảm bảo đồng bộ với điểm truy nhập trong khi thực hiện nhảy tần giữa các kênh tần số Các mẫu nhảy tần đặc tả trong chuẩn 802.11 tối thiểu hoá xác suất BSS hoạt động ở cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm với một BSS khác Tính trung bình, các chuỗi của 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 được thiết 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 đường lựa chọn tần số Khoảng cách nhảy nhỏ nhất là 6 MHz ở Mỹ và Châu Âu (bao gồm Tây 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 dòng điện một chiều Quá trình tăng cấp (ramp-up) và giảm cấp (ramp-down) công suất máy phát làm giảm những thay đổi trong các kênh tần số lân cận ở các điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi gói Có thể cần đến 8s để làm cho công suất tín hiệu tăng đến mức mong 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.

2.3.4 Lớp vật lý hồng ngoại

Lớp vật lý DFIR PHY hoạt động ở dải bước sóng từ 850 đến 900 nm sử dụng phương pháp điều chế vị trí xung (PPM) với mức đỉnh công suất 2W Nói chung, một hệ thống L-PPM sẽ chia đoạn ký hiệu thành L khoảng con hay L khe thời gian Một xung phát xạ hồng ngoại hẹp được phát đi trong một trong số các khe thời gian Vì thế, giống như quá trình điều chế nhiều mức, tốc độ ký hiệu có thể bị làm chậm hơn tốc độ 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 gian lại hẹp hơn, các xung ánh sáng hẹp hơn phải vừa khớp với các khe thời gian nên yêu cầu có độ rộng băng thông lớn hơn Nhiễu bổ sung gây ra bởi băng thông bổ sung có thể làm giới hạn hiệu năng của các hệ thống L-PPM.

Hình 2.6: Khuôn dạng gói dữ liệu của mạng LAN hồng ngoại IEEE 802.11 Khuôn dạng gói dữ liệu DFIR 802.11 PLCP được cho trên Hình 2.6 Ba trường đầu tiên được phát đi sử dụng điều chế cường độ khoá bật-tắt Quá trình điều chỉnh mức dòng một chiều (DCLA) cho phép các máy thu ổn định mức tín hiệu trung bình sau 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 suất phát hiện chính xác SFD phụ thuộc vào xác suất mô phỏng SFD và xác suất lỗi của SFD Chuẩn 802.11 chọn mẫu 1001 là một trong các mẫu làm tối đa xác suất sửa lỗi của trường SFD Các trường bị khuất phát đi sử dụng L-PPM Độ dài cực đại của DFIR 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 biến đổi 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 có nghĩa là đối với 16-PPM, 4 bit thông tin được phát đi trong khoảng thời gian 4 ms (16 khe 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 gồm DSSS, 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 Các dịch 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

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 MPDU

Hình 2.9 biểu diễn khuôn dạng của đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát (MPDU) Các trường Địa chỉ 2, Địa chỉ 3, Điều khiển chuỗi, Địa chỉ 4 và dữ liệu người dùng chỉ có trong một số trường hợp nhất định MPDU được bảo vệ độc lập bởi các 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 kê trong 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 định

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 khung

Các khoảng trống liên khung độc lập với tốc độ dữ liệu IFS ngắn (SIFS) là IFS ngắn nhất và được sử dụng cho tất cả các tác động đáp ứng tức thời (ví dụ như quá trình 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 như thời gian trễ nhỏ nhất giữa các gói dữ liệu truyền dẫn liên tiếp Khe thời gian được xác định và được sử dụng cho các mục đích lùi chờ (backoff) phát Khe thời gian là tổng của thời gian ấn định kênh (cảm biến sóng mang), thời gian xoay vòng máy thu, trễ truyền sóng, và trễ xử lý lớp MAC SIFS là hàm của độ trễ thời gian, trễ xuất hiện trong quá trình giải mã phần tiêu đề/phần mào đầu PLCP, thời gian quay vòng máy thu, và thời gian trễ xử lý lớp MAC Chuẩn 802.11 xác định các giá trị khác nhau của khe thời gian và SIFS cho các lớp vật lý khác nhau Ví dụ, trong các mạng LAN DSSS, chuẩn 802.11 xác định SIFS=10svà khe thời gian TS=20s Đối với các mạng LAN FHSS, SIFS=28svà khe thời gian TS=50s DIFS được xác định bằng SIFS+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 Điều này có nghĩa là một quá trình truyền dẫn DSSS chứa ít thông tin phụ hơn do các khoảng trống thời gian liên khung Khe thời gian ở chuẩn Ethernet 10 Mbps được xác định bằng thời gian của 512 bit hay 51,2s Tuy nhiên, độ rộng khe thời gian này cũng 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 phân tán (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 biến sóng mang phát hiện xung đột (CSMA/CD) sử dụng trong các mạng Ethernet hữu tuyến Trong cả hai giao thức, tính khả dụng của môi trường truyền dẫn phát hiện nhờ cảm 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 nếu cần 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 hiện cảm biến môi trường vô tuyến xem có quá trình truyền dẫn vô tuyến nào đang xảy ra hay 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 truyền dẫn rỗi trong một khoảng thời gian lớn hơn khoảng thời gian của khoảng trống liên khung DCF (DIFS), gói sẽ được phát đi ngay lập tức Lớp MAC hoạt động kết hợp với lớp vật lý để đánh giá các điều kiện của môi trường Phương pháp dùng để xác định độ dài 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 lớp MAC được gán cho trạng thái của phép đánh giá kênh rỗi CCA đối với quá trình truyền dẫn gói Có một phương pháp khác tương quan với tín hiệu thu sử dụng mã Baker 11-chip để xác định sự xuất hiện của một tín hiệu DSSS hợp lệ Cả hai phương pháp này cũng có thể được kết hợp với nhau để đưa ra một phép đánh giá trạng thái môi trường đáng tin cậy hơn.

CSMA rất hiệu quả khi môi trường truyền dẫn ít tải truyền dẫn bởi vì giao thức này cho phép các nút truyền dữ liệu đi với độ trễ nhỏ nhất Do có trễ truyền sóng trong môi trường truyền, xác suất có hai hay nhiều nút ngay lập tức cùng cảm biến được trạng 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 nút cùng phát dữ liệu Tỷ số giữa độ rộng khe thời gian và thời gian truyền dẫn gói cũng ảnh 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) với gói Ethernet tiêu chuẩn là đủ nhỏ để đảm bảo cho thuật toán CSMA trong chuẩn 802.11 hoạt động hiệu quả Ở tốc độ cao hơn, CSMA có thể hoạt động không hiệu quả khi truyền dẫn các gói Ethernet ngắn.