Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của Luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật và thực hiện mô phỏng các kịch bản để đánh giá phân tích ảnh hưởng nhằm đưa đến các kết luận khoa học và hữu ích. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của Luận văn này.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN ĐỨC TRỌNG GIẢI PHÁP MỞ RỘNG DUNG LƢỢNG MẠNG WLAN TRÊN CHUẨN IEEE 802.11 Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG MINH Phản biện : Phản biện : Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng .năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thƣ viện Học viện Công nghệ Bƣu Viễn Thơng MỞ ĐẦU Kể từ đời chuẩn 802.11 vào năm 1997, số lượng thiết bị Mạng nội không dây (WLAN) tăng lên đáng kể nằm nhiều thiết bị công nghệ Với gia tăng mạnh mẽ triển khai mạng WLAN, chi phí cho hệ thống WLAN giảm tiếp tục giảm Với việc giảm giá này, người dùng có triển khai quy mơ lớn, doanh nghiệp, khuôn viên thị trường lưới thị có hội sử dụng nhiều mạng khơng dây có dây kết nối khu vực định lần lượt, tăng thông lượng chuyên dụng trung bình cho người dùng Trong hệ thống truyền thơng cổ điển, thiết bị khơng dây nhận giải mã tín hiệu thiết bị có Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) Tỷ lệ sóng mang/nhiễu (CIR) phù hợp Đối với kiến trúc tế bào, nhiễu chủ yếu từ giao thoa đồng kênh xuyên nhiễu khác kênh Lý đem đến giải pháp mở rộng mạng IEEE 802.11 không ảnh hưởng tới thông lượng đảm bảo tham số CIR mỗi thiết bị Tuy nhiên, điều ln ln tính tới chế đánh giá kênh Vì vậy, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Việc nghiên cứu mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 thực nhiều giới Việt Nam, tập trung nhiều vào giải pháp triển khai đảm bảo chất lượng mạng Các giải pháp mở rộng dung lượng dựa kỹ thuật Squelch máy thu vô tuyến đem lại hiệu định Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật thực mô kịch để đánh giá phân tích ảnh hưởng nhằm đưa đến kết luận khoa học hữu ích Luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp mở rộng dung lượng mạng WLAN dựa chuẩn 802.11 nhằm tiếp cận tốt tới mục tiêu ứng dụng mạng Luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống mạng cục không dây WLAN Chương 2: Các tiêu chuẩn kỹ thuật lớp MAC WLAN Chương 3: Giải pháp mở rộng dung lượng WLAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY WLAN 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cục Mạng cục (Local Area Network - LAN) hệ truyền thông tốc độ cao thiết kế để kết nối máy tính thiết bị xử lý liệu khác hoạt động với khu vực địa lý nhỏ tầng nhà, tồ nhà Một số mạng LAN kết nối lại với khu làm việc Các mạng LAN trở nên thơng dụng cho phép người sử dụng (users) dùng chung tài nguyên quan trọng máy in màu, ổ đĩa CD-ROM, phần mềm ứng dụng thông tin cần thiết khác Trước phát triển công nghệ LAN máy tính độc lập với nhau, bị hạn chế số lượng chương trình tiện ích, sau kết nối mạng rõ ràng hiệu chúng tăng lên gấp bội Để tận dụng hết ưu điểm mạng LAN người ta kết nối LAN riêng biệt vào mạng yếu diện rộng (WAN) Các kiểu (Topology) mạng LAN: * Mạng dạng hình (Star topology) * Mạng hình tuyến (Bus Topology) * Mạng dạng vòng (Ring Topology) * Mạng dạng luới - Mesh topology * Mạng hình mở rộng 1.2 Các tiêu chuẩn kỹ thuật WLAN 1.2.1 Các chế độ hoạt động mạng WiFi chuẩn 802.11 - Chế độ Infrastructure: sử dụng có điểm truy cập (AP - Access Point) kết nối vào mạng LAN hay mạng Internet có trạm khách hàng (client) Trạm khách hàng (laptop, máy tính bảng, điện thoại thông minh) kết nối vô tuyến vào mạng LAN hay mạng Internet thông qua điểm truy cập (AP) - Chế độ Ad-Hoc: sử dụng trạm khách hàng (clients) trực tiếp kết nối vô tuyến với mà không cần phải thông qua điểm truy cập (AP) Điều gọi chế độ chia sẻ ngang hàng (peer-to-peer) Phần lớn mạng WiFi theo chuẩn 802.11 hoạt động chế độ Infrastructure 1.2.2 Các chuẩn mạng 802.11 phổ biến - 802.11a Chuẩn giao thức 802.11a sử dụng giao thức lớp liên kết liệu (Data Link Layer) định dạng frame chuẩn ban đầu 802.11-1997, dùng kỹ thuật OFDM cho truyền dẫn lớp vật lý Dãi tần hoạt động băng tần 5GHz có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps Do dãi tần 2.4GHz trở nên tải (nhiều thiết bị dân dụng sử dụng chung dãi tần này) nên việc sử dụng chuẩn 802.11a mang lại lợi đáng kể Tuy nhiên, phạm vi phủ sóng hiệu 802.11a dãi tần GHz thấp so với chuẩn giao thức 802.11b/g/n dãi tần 2,4 GHz, tín hiệu hoạt động dãi tần cao dễ dàng bị hấp thụ vật thể rắn tường, thép, cối… Tuy nhiên, chuẩn 802.11a 802.11n lại chịu ảnh hưởng nhiễu dãi tần 5GHz, nhiều lúc chúng lại có phạm vi phủ sóng tương tự chí lớn 802.11b/g/n - 802.11b Là chuẩn mạng không dây 802.11 áp dụng rộng rãi Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps sử dụng phương thức truyền thông giống chuẩn 802.11-1997 802.11b hoạt động dãi tần số 2.4GHz, chịu ảnh hưởng nhiều từ nhiễu hoạt động tần số với thiết bị dân dụng khác thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây DECT VoIP, lị vi sóng, … - 802.11g 802.11g bước cải tiến từ 802.11b hoạt động dãi tần 2.4GHz sử dụng kỹ thuật truyền dẫn OFDM Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps tương thích ngược với phần cứng chuẩn 802.11b Đây chuẩn công nghiệp lần áp dụng rộng rãi cho ứng dụng mạng WLAN tốc độ truyền tải liệu tăng lên Tương tự 802.11b, thiết bị 802.11g bị ảnh hưởng xuyên nhiễu từ thiết bị dân dụng khác hoạt động dãi tần 2.4GHz Kỹ thuật OFDM cho phép tốc độ 20Mbps làm tăng đáng kể khả NLoS (Non-Line-of-Sight) - 802.11n Chuẩn 802.11n phiên để nhằm cải thiện chuẩn trước cách thêm vào anten công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output) hoạt động dãi tần 2.4GHz 5GHz với độ rộng kênh 40 MHz (tùy chọn) Chuẩn 802.11n tương thích ngược với chuẩn 802.11a, b g Khác với chuẩn 802.11g, kỹ thuật OFDM 802.11n cho phép hoạt động toàn dãi tốc độ truyền dẫn, nhờ đónâng cao đáng kể khả NLoS (Non-Line-ofSight) MIMO sử dụng nhiều anten thông minh để xử lý lượng liệu lớn so với xữ lý anten Bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Spatial Division Multiplexing), máy trạm (client) truyền nhiều luồng liệu độc lập lúc kênh nhờ làm tăng tốc độ truyền dẫn liệu thực tế (data rate) máy trạm (client) điểm truy cập (AP) Khả tăng gấp hai độ rộng kênh (channel size) - từ 20MHz đến 40MHz thiết bị tương thích với chuẩn 802.11n cho phép tăng gấp hai lần tốc độ truyền dẫn liệu lớp vật lý Việc hai tính kết hợp mang lại cho chuẩn 802.11n khả nâng cao tốc độ truyền dẫn liệu tối đa so sánh với 802.11g 2.4GHz 802.11a 5GHz Nó lên đến 600Mbps (trên lý thuyết) truyền đồng thời luồng liệu độ rộng kênh 40MHz Vì 802.11n trở thành tiêu chuẩn phổ biến - 802.11ac 802.11ac hoạt động tân số 5GHz sử dụng OFDM dựa vào điều chế Các đặc điểm kỹ thuật cho thấy tốc độ băng thơng WLAN 1Gbps liên kết đơn lẻ có tốc độ băng thơng 500Mbps Điều đạt khái niệm mở rộng từ chuẩn 802.11n cho kênh với băng thông rộng RF( lên đến 160MHz, 80Mhz bắt buộc), luồng liệu truyền với công nghệ đa Anten lên đến luồng liệu (Spatial streams), nhiều người dùng MIMO (multi-user MIMO) dùng cho nơi có mật độ người dùng cao(lên đến 256-QAM) 1.3 Các ứng dụng WLAN - Cung cấp khả truy cập mạng cách linh hoạt - Mở rộng mạng - Nối mạng tòa nhà cách xa - Cung cấp dịch vụ truy cập mạng không dây - Sử dụng cho văn phịng quy mơ nhỏ (SOHO – small office/home office) - Sử dụng tình cần thiết lập mạng thời gian ngắn - Sử dụng trường học - Sử dụng nhà máy, nhà kho - Sử dụng bệnh viện - Cung cấp khả truy cập mạng nơi công cộng 1.4 Các thách thức giải pháp - Mạng khơng dây có ƣu điểm vƣợt trội riêng: + Độ tin tưởng cao nối mạng doanh nghiệp tăng trưởng mạnh mẽ mạng Internet dịch vụ trực tuyến chứng mạnh mẽ lợi ích liệu tài nguyên dùng chung + + Mạng khơng dây có khả phục vụ tốt hơn, tiện nghi có lợi chi phí hẳn kết nối có dây truyền thống + Khả lưu động hỗ trợ hội hiệu suất dịch vụ mà mạng có dây khơng thể thực + Cài đặt hệ thống mạng không dây nhanh dễ dàng, giảm bớt việc phải kéo dây qua vị trí khó khăn Cơng nghệ không dây cho phép mạng đến nơi mà mạng có dây khơng thể + Phần cứng mạng khơng dây ban đầu có chi phí cao so với mạng có dây chi phí cài đặt tồn giá thành tính theo tuổi thọ thấp đáng kể + Cấu hình mạng hệ thống mạng không dây dễ thay đổi từ mạng độc lập phù hợp với số nhỏ người dùng đến mạng sở hạ tầng với hàng nghìn người sử dụng vùng rộng lớn + Mạng khơng dây cịn thể ưu điểm tính mở rộng dễ dàng đáp ứng tức có gia tăng lớn số lượng truy cập - Nhƣợc điểm: + Vấn đề bảo mật + Phạm vi hoạt động hạn chế + Nhiễu, suy hao + Tốc độ mạng Một số giải pháp cho mạng không dây tập trung khắc phục nhược điểm Bảo mật vấn đề quan tâm hàng đầu Khi nhắc đến bảo mật mạng khơng dây có hai vấn đề thường xuyên nhắc đến là: chứng thực mã hóa 1.5 Kết luận chƣơng Chương vào giới thiệu tổng quan mạng cục bộ, kiểu tô pô, cấu trúc chế độ hoạt động mạng WLAN Đồng thời tìm hiểu tiêu chuẩn kỹ thuật, ưu điểm hạn chế mạng WLAN, làm tiền đề vào nghiên cứu kỹ thuật bên CHƢƠNG 2: CÁC TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT LỚP MAC CỦA WLAN 2.1 Các kỹ thuật lớp MAC Kiến trúc phân lớp MAC bao gồm hai khối chức năng: Khối chức DCF (Distributed Coordination Function chức phối hợp phân tán) khối chức PCF (Point Coordination Function chức phối hợp điểm) Hình Mơ hình OSI kiến trúc phân lớp MAC 2.2 Chức phối hợp phân tán (DCF) DCF phương pháp truy nhập theo chuẩn 802.11 cho phép tất trạm WLAN tranh chấp nhằm dành quyền truy nhập vào mơi trường truyền dẫn khơng dây có tính chất chia sẻ nhờ sử dụng giao thức CSMA/CA DCF thực tất trạm, thay cho việc sử dụng IBSS cấu hình mạng sở hạ tầng DCF cho phép hoạt động độc lập thiết bị liệu vô tuyến Trong hệ thống dựa tranh chấp DCF, thiết bị trao đổi thông tin yêu cầu cách ngẫu nhiên dịch vụ từ kênh bên hệ thống trao đổi thơng tin Bởi u cầu trao đổi thông tin xảy cách ngẫu nhiên, nên hai hay nhiều thiết bị yêu cầu dịch vụ cách đồng thời Điều khiển truy cập phiên DCF thường bao gồm việc yêu cầu thiết bị phán đoán hoạt động trước truyền lắng nghe dịch vụ yêu cầu có bị xung đột Nếu thiết bị yêu cầu không nhận phản hồi cho yêu cầu nó, trì hỗn khoảng thời gian ngẫu nhiên trước truy cập lại 2.3 Chức phối hợp điểm (PCF) PCF chế độ hoạt động thiết bị vô tuyến điều khiển chế độ sở hạ tầng Trong hệ thống điều khiển, thiết bị trao đổi thông tin đợi nhận thông tin phản hồi trước chúng truyền thông tin Bởi việc trao đổi thơng tin thiết bị điều khiển thiết bị trung tâm nên có xung đột xảy Để xác nhận liệu truyền nhận thành công, thơng tin thăm dị có chứa thơng tin trạng thái gói tin mà nhận Nếu thiết bị gửi không nhận xác nhận việc truyền gói tin thăm dị, truyền lại liệu 2.4 Các kiểu khung liệu giao thức lớp MAC Các mạng WLAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, tập hợp đặc tả quản lý lớp điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) lớp vật lý (PHY) cho việc triển khai mạng không dây cục WLAN dải tần 900 MHz; 2,4GHz; 3,5 GHz; GHz 60 GHz Các đặc tả chuẩn 802.11 tập trung vào lớp thấp mơ hình OSI lớp vật lý (PHY) liên kết liệu Data Link Mục tiêu chuẩn 802.11 phát triển lớp MAC lớp PHY cho thiết bị di động Lớp LLC lớp lớp Data Link định nghĩa chuẩn 802.2, LLC có trách nhiệm việc cung cấp giao tiếp lớp MAC lớp cao LLC thực nhiều chức việc hỗ trợ cho nhiều lớp tầng cao Và lớp LLC cịn có chức kiểm sốt luồng kiểm sốt lỗi Hình 2 Chuẩn 802.11 WLAN lớp PHY lớp MAC Lớp MAC nhận liệu từ lớp LLC có trách nhiệm thực chức liên quan đến việc truyền gói tin vào môi trường truyền Cấu trúc frame MAC mơ tả theo hình dưới: Hình Cấu trúc khung tin MAC 2.5 Đặc trƣng họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 2.5.1 Mơ hình mạng Mạng khơng dây bao gồm mơ hình bản: mơ hình mạng độc lập IBSSs (hay cịn gọi mạng Ad-hoc), mơ hình mạng sở (BSSs), mơ hình mạng mở rộng (ESSs) - Mơ hình mạng độc lập (Ad-hoc) Hình Mơ hình mạng độc lập - Mơ hình mạng sở: Hình Mơ hình mạng sở - Mơ hình mạng mở rộng: Hình Mơ hình mạng mở rộng 2.5.2 Phân chia kênh tần số Tại Hoa Kỳ Canada, triển khai WLAN 802.11 802.11 hoạt động hai dải tần số: 2,412 GHz đến 2,462 GHz (nghĩa là, IEEE 802.11b IEEE 802.11g ) 5,180 GHz đến 5,820 GHz (nghĩa là, IEEE 802.11a IEEE 802.11d ) Phần lớn số hệ thống triển khai thuộc băng tần thấp thực tế băng thị trường nhanh với đời cơng nghệ WLAN Tín hiệu chuẩn IEEE 802.11g b có dải thơng xấp xỉ 20 MHz, tương ứng với kênh hoạt động đồng thời băng tần thấp (mặc dù có sẵn 11 kênh chồng nhau) Các kênh có tần số trung tâm 2,412; 2,437; 2,462 GHz Bảng Phân bổ kênh cho thiết bị WLAN 802.11 802.11b IEEE 802.11g Trong băng tần GHz, có 12 kênh độc lập thuộc ba phần khác băng tần Cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia không cấp phép (UNII): UNII-1, UNII-2 UNII-3 2.5.3 Kiểu điều chế tốc độ liệu Bản chuẩn 802.11 802.11 xác định hai tốc độ bit liệu : Mbps Mbps Tín hiệu Mbps tạo Điều chế khóa Dịch pha nhị phân (BPSK) đơn giản tốc độ ký hiệu Mbps Tín hiệu Mbps đạt hai lần tốc độ bit cách sử dụng tín hiệu đồng pha (I) trực giao (Q), sử dụng điều chế khóa dịch pha trực giao (QPSK) Cả chuẩn 802.11 802.11b xác định dải tần ISM 2,4 GHz Băng tần dùng lị vi sóng, điện thoại không dây, Bluetooth Để tránh nghẽn mạng tăng tần số cấp phát, 802.11a xác định băng tần GHz Để tăng khoảng tần tăng kênh có sẵn đồng kênh (từ kênh băng 2,4 GHz lên 12 kênh băng GHz), chuẩn bổ sung tốc độ liệu từ đến 54 Mbps, sử dụng điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 802.11a sử dụng OFDM cung cấp tốc độ liệu: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 MHz Với tổng cộng 52 sóng mang phụ (4 tone dị đường 48 sóng mang liệu), tốc độ liệu khác mã sửa lỗi hướng khác (FEC) 11 2.6 Kết luận chƣơng Chương vào trình bày vấn đề kiến trúc phân lớp MAC hệ thống WLAN, chức phối hợp phân tán DCF, chức phối hợp điểm PCF, cấu trúc khung tin liệu giao thức lớp MAC Nội dung trọng tâm chương vào đặc trung họ tiêu chuẩn 802.11 áp dụng cho hệ thống WLAN Từ mơ hình tổ chức mạng, phân chia kênh tần số, kiểu điều chế tốc độ liệu, phương pháp truy nhập kênh đến tỷ số SNR, độ nhạy thu, thông lượng… giới thiệu chi tiết, làm tiền đề cho việc nghiên cứu suy giảm thông lượng liên quan đến đặc trưng chương sau 12 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP MỞ RỘNG DUNG LƢỢNG WLAN 3.1 Một số lý thuyết liên quan cell mạng WLAN 3.1.1 Mơ hình cell Để tạo điều kiện dễ dàng mơ hình hóa hệ thống tế bào, tế bào thể hình dạng hình học, điển hình hình lục giác Trung tâm tế bào nơi đặt trạm gốc đặt giao tiếp với thiết bị di động phạm vi nó, giới hạn đường viền hình lục giác Nếu ảnh hưởng tổn hao đường truyền nghiêm trọng vật cản che khuất tín hiệu mơ hình khơng xác, ln điểm khởi đầu lý thuyết tốt Các tế bào nhóm lại với thành xếp cụ thể gọi cụm Mỗi cụm phải tạo theo cách cung cấp khả mở rộng ngăn ngừa khoảng trống vùng phủ sóng Để trì yêu cầu này, cụm phải chứa N ô xác định bởi: N = i2 + ij + j2 (3.1) Với i, j số nguyên không âm 3.1.2 Nhiễu dùng lại tần số Ở cấp độ hệ thống, nhiễu chia thành hai loại: đồng kênh khác kênh Xảy nhiễu đồng kênh tín hiệu gây nhiễu truyền tần số với tín hiệu mong muốn Nhiễu sóng ngồi kênh xảy có tín hiệu bật tần số khác chảy vào kênh mong muốn, thường hạn chế thực tế lọc mạch phát thu Tất loại nhiễu gây suy giảm hệ thống mức độ đủ lớn để ảnh hưởng đến CIR tín hiệu thu Một cách giúp giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh đặt ô có tần số khoảng cách mà công suất nhận chúng thấp có tần số khác Khoảng cách gọi khoảng cách tái sử dụng tần số thích hợp Khoảng cách tái sử dụng phù hợp sau tính tỷ lệ khoảng cách cell đồng kênh D bán kính cell theo kế hoạch R Tỷ lệ D/R thích hợp, cịn gọi tỷ lệ tái sử dụng đồng kênh Q, phụ thuộc vào số lượng kênh có sẵn N: D Q 3N R (3.2) Nếu xem xét bán kính đồng tâm đồng kênh, kết CIR cho máy khách cell tính xấp xỉ bởi: CIR ( 3N )n i (3.3) Trong i số lượng đồng kênh lân cận n số mũ trung bình yếu tố tổn hao đường truyên cho môi trường định Trong trường hợp máy khách Client nằm rìa thiết bị tế bào, trường hợp xấu CIR tính bởi: CIR 2(Q 1) 2(Q 1) n 2Q n n (3.4) 3.1.3 Mô hình tổn hao đường truyền cường độ tín hiệu Tất thiết bị không dây hoạt động cách truyền sóng vơ tuyến qua mơi trường mở Khi sóng vơ tuyến lan truyền, cường độ tín hiệu giảm dần 13 chất theo cấp số nhân Sự giảm biên độ tín hiệu mơ hình hóa đại lượng trung bình: (3.5) PL(d ) 10log10 ( ) 4 d Trong λ bước sóng tín hiệu PL(d) tổn hao đường truyền khoảng cách d Khi xem xét ảnh hưởng công suất máy phát mức tăng anten, cơng suất tín hiệu nhận khoảng cách d cho bởi: Pt.Gt.Gr (3.6) PL(d ) 10log10 ( ) (4 )2 d n Trong Pt cơng suất phát, Pr cơng suất nhận được, Gt độ tăng ích anten phát Gr độ tăng ích anten thu Cơng suất nhận được tính tương điểm khác không gian Nếu đo tổn thất đường truyền khoảng cách biết d từ thiết bị truyền, công suất thu điểm khác d, cho bởi: Pr(d ) Pt PL(d0 ) 10 nlog( d ) d0 (3.7) 3.1.4 Kích thước cell a Cell quy hoạch Cell quy hoạch triển khai mạng WLAN khu vực vật lý mà AP thiết kế để phủ sóng Khu vực lớn sử dụng hướng triển khai với mục đích phủ sóng, nhỏ có mục đích nâng cao dung lượng b Cell tranh chấp vật lý Kích thước cell tạo mức ngưỡng CCA vật lý gọi kích thước cell tranh chấp vật lý Cell tranh chấp vật lý khu vực mà thiết bị cạnh tranh tranh chấp kết nối với thiết bị trung tâm theo chế đánh giá kênh rỗi vật lý Do đó, tất thiết bị cell tranh chấp vật lý chia sẻ kênh theo khoảng thời gian khác nhau, dẫn đến thông lượng suy giảm tỷ lệ thuận với số lượng thiết bị bên vật lý tế bào tranh chấp Nếu công suất thu đặt với ngưỡng CCA, cell tranh chấp bán kính tính sau: r (thresh) d010 Thresh Pt PL ( d0 ) 10 n (3.8) Trong Thresh giá trị ngưỡng tính theo dB, Pt công suất máy phát, P L (d0) tổn hao đường truyền khoảng cách biết d0 n hệ số tổn hao đường truyền theo hàm mũ Kích thước vật lý phụ thuộc vào ngưỡng CCA máy thu, n, Pt Chúng ta giả định Pt cho tất thiết bị (máy khách AP), đó, kích thước cell tranh chấp vật lý giống cho toàn triển khai với ngưỡng ngưỡng CCA N cho trước Giả sử máy vô tuyến hoạt động mức Pt 11 dBm với n 3, ngưỡng CCA -82 dBm bán kính cell tranh chấp vật lý là: 14 r (82) 1x10 821130 10 x 125 ft (3.9) c Cell tranh chấp ảo Cell tranh chấp ảo phạm vi mà thiết bị trung tâm cell nhận tín hiệu IEEE 802.11 khác giải mã chúng Phạm vi đặt theo độ nhạy tốc độ liệu thấp có thiết bị Với radio DSSS, đặt độ nhạy tốc độ liệu Mb/giây với thiết bị có khả tín hiệu OFDM, độ nhạy tốc độ liệu Mbps Cell tranh chấp ảo không đặt theo độ nhạy tốc độ liệu mà thiết bị vô tuyến hoạt động, mà với tốc độ liệu thấp thiết bị hoạt động Cell tranh chấp ảo khiến cell bán kính phải chờ gửi gói tin “cạnh tranh ảo” để truy cập vào kênh thời gian “Cạnh tranh ảo” hiểu thiết bị muốn truyền gói phải chờ, chế CCA ảo (đặt giá trị NAV thành giá trị trường độ dài gói tìm thấy thiết bị khác), theo chế CCA vật lý (đo vật lý việc sử dụng kênh) Cell tranh chấp ảo gây suy giảm thông lượng theo cách tương tự cell tranh chấp vật lý Vì tất thiết bị cell tranh chấp ảo ngừng truyền thiết bị khác, tất thiết bị cell chia sẻ thông lượng thời gian chia sẻ 3.2 Các yếu tố hạn chế thông lƣợng mạng WLAN 3.2.1 Mặt hạn chế hệ thống WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 a Hạn chế chế đánh giá kênh rỗi vật lý Việc thu nhỏ kích thước vùng phủ sóng mặt lý thuyết giúp thơng lượng tốt cho người dùng Tuy nhiên, giao thức IEEE 802.11, giao thức truy cập kênh CSMA/CA, trạm có chế vật lý chế ảo để phát có máy khách khác sử dụng kênh trì hỗn truyền kênh sử dụng Ngưỡng công suất mà ngưỡng trạm hoãn truyền vật lý bị giới hạn mức tối đa -82 dBm giao thức IEEE 802.11a Mức chọn độ nhạy yêu cầu tối thiểu tốc độ thấp 802.11a, Mb/giây 15 AP1 CL1 AP2 CCA VẬT LÝ CCA ẢO Hình Mơ hình cơng suất khoảng cách gồm AP đồng kênh máy khách Máy khách (CL1) liên lạc với AP1, AP2 nhiễu đồng kênh Nếu bán kính cell R 10 ft, khoảng cách sử dụng lại tần số D 30 ft theo công thức (3.2) CL1 nằm cách AP1 ft, nằm bán kính vùng phủ tốt Cơng suất khoảng cách mơ hình hóa cơng thức (3.7) Rõ ràng Client có đủ CIR để giải mã giao tiếp với AP1 Nhưng cơng suất tín hiệu CL1 thu từ AP2 ngưỡng CCA CL1, CL1 hỗn truyền phát đường truyền từ AP2 Mặc dù CL1 không với AP2, khơng truyền chế CCA vật lý chia sẻ kênh theo kiểu TDMA với AP2 Nếu giả định liên kết AP1 AP2 hoạt động tối đa dung lượng, thông lượng dành riêng cung cấp cho CL1 chia nửa chia sẻ liên kết AP1-CL1 liên kết AP2 (không hiển thị), dẫn đến không hiệu băng thông Việc chia sẻ kênh xảy Cơ chế CCA vật lý thiết bị, thực tế CL1 có đủ CIR để giải mã tín hiệu từ AP1 b Hạn chế chế đánh giá kênh rỗi ảo Một tình tương tự mơ tả tồn chế đánh giá kênh ảo Vì CL1 phần giải mã tín hiệu ngồi cell hoạt động (bất tín hiệu -92 dBm cao với giả sử Mb/giây tốc độ liệu thấp hoạt động tại), ngừng truyền nhận gói từ AP2 Nếu gói đến trạm lớn độ nhạy máy thu, giải mã gói khơng phải để gửi cụ thể cho Client Bởi máy khách giải mã trường độ dài gói này, đặt NAV để hỗn truyền suốt thời gian gói nhận Điều dẫn 16 đến không hiệu kênh, CL1 dành thời gian chờ đợi gói khơng nằm cell hoạt động riêng khơng ảnh hưởng đến khả nhận gói từ AP1 từ quan điểm CIR 3.2.2 Yếu tố ảnh hưởng thông lượng mạng WLAN a CIR không đủ Để giải mã tín hiệu định, thiết bị phải nhận cơng suất tín hiệu mong muốn mức lớn công suất nhiễu Sự chênh lệch công suất CIR cần thiết để giải mã tín hiệu Các yếu tố làm CIR không đủ Pt, n vị trí tương đối tín hiệu mong muốn tín hiệu gây nhiễu Các thiết bị khơng đủ CIR chịu hiệu ứng suy giảm thông lượng cải thiện điều chỉnh cell tranh chấp vật lý ảo, giảm thiểu cách lập cell quy hoạch thích hợp b Nút lộ Nút lộ xảy máy khách giải mã gói từ thiết bị khác hoạt động bên ngồi cell quy hoạch nó, AP quy hoạch cho lại khơng thể Nếu AP mong muốn truyền gói cho khách hàng cell nó, bị gói Client giải mã tín hiệu từ thiết bị tế bào khác giải mã tín hiệu từ thiết bị tế bào riêng Việc gói CIR khơng đủ máy khách Nếu thiết bị khách có đủ CIR AP liên kết truyền qua gói mà nhận từ cell khác, Client bỏ lỡ gói khơng thể phản ứng đủ nhanh để đồng lại tín hiệu mong muốn Hình Ví dụ minh họa nút lộ Trong hình, CL1 nằm tranh chấp ảo vật lý AP2 CL2 cell bên phải Trong tình này, CL1 giải mã gói từ AP2 CL2 Nếu 17 AP1 thử truyền gói đến CL1 CL1 giải mã gói từ CL2 AP2, gói tin gửi từ AP1 bị bỏ lỡ Do AP2, CL2 nút lộ CL1 Vấn đề nút lộ tạo kích thước cell tranh chấp lớn Một thiết bị giải mã gói mà có thể, gói từ AP khác Ngăn chặn thiết bị giải mã gói khơng gửi đến chúng giảm gói bị bỏ lỡ gửi đến chúng tăng thơng lượng hệ thống c Nút ẩn Hình 3 Ví dụ minh họa nút ẩn Tình nút ẩn xảy hai máy khách tranh sử dụng AP gói chúng va chạm AP Hình cho thấy tình này, hai trạm (CL1 CL2) phạm vi bán kính cell tranh chấp vật lý ảo AP1, chúng không tranh chấp phạm vi Nếu khách hàng cố gắng gửi gói người truyền, khơng phát trạm khác phạm vi cell tranh chấp gói gửi va chạm AP Nút ẩn máy khách khơng có đủ kích thước cell tranh chấp vật lý ảo để cảm nhận tất thiết bị tế bào, gây va chạm gói suy giảm thơng lượng xảy d Sự hỗn truyền khơng cần thiết Một hạn chế khác tồn IEEE 802.11 xảy thiết bị có gói để gửi, hỗn truyền cách khơng cần thiết lý tranh chấp Khi kích thước cell quy hoạch nhỏ sử dụng so với cell tranh chấp vật lý ảo kích thước, máy khách AP thường giữ gói truyền, có CIR thích hợp có sẵn hai đầu liên kết để giải mã tín hiệu Trong hệ thống tại, việc hỗn truyền xảy thiết bị có đủ CIR để giải mã xác gói Các điều kiện hỗn truyền khơng cần thiết gây thiết bị có kích thước cell vật lý ảo lớn Nếu cell 18 tranh chấp thiết bị lớn, phủ ln cell quy hoạch khác, tạo tình thiết bị hỗn truyền Giữ cho thiết bị cell khác trường hợp thiết bị có đủ CIR để giải mã gây suy giảm thông lượng không cần thiết 3.3 Giải pháp cải thiện dung lƣợng mạng WLAN Bốn hạn chế mô tả giới hạn thông lượng triển khai IEEE 802.11 mức cơng suất tín hiệu thiết bị lân cận Nếu thiết bị có khả điều chỉnh kích thước cell tranh chấp vật lý ảo, hạn chế mà nút lộ, nút ẩn hỗn khơng cần thiết áp đặt cho hệ thống IEEE 802.11, cải thiện Phương pháp giảm kích thước ô tranh chấp tương tự khái niệm “Triệt rào máy thu” hay “SQUELCH” máy vô tuyến điện truyền thống “Squelch” kỹ thuật cho phép thiết bị vơ tuyến bỏ qua tín hiệu ngưỡng công suất đặt Kỹ thuật sử dụng máy thu để ngăn chặn nhận tín hiệu nhiễu, tạp có mức tín hiệu nhỏ Và điều tương tự phương pháp đề xuất để cải thiện nâng cao thông lượng tiêu chuẩn IEEE 802.11 Một danh sách hạn chế, nguyên nhân chúng liệu chúng khắc phục phương pháp “Squelch” hay khơng tóm tắt Bảng Bảng Sự cố hệ thống biện pháp khắc phục Hạn chế thông lượng Nguyên nhân Giảm thiểu Squelch? Nút lộ Cell tranh chấp lơn Có Nút ẩn Cell tranh chấp q nhỏ Có Hỗn truyền khơng cần Cell tranh chấp q lớn Có thiết Liên quan đến vị trí CIR khơng đủ Khơng thiết bị Các phương pháp để điều chỉnh kích thước cell tranh chấp thực phần 3.3.1 Điều chỉnh ngưỡng CCA Một cách để điều chỉnh kích thước cell tranh chấp vật lý điều chỉnh ngưỡng CCA máy thu công suất máy phát Ngưỡng CCA (được định lượng theo mức công suất tín hiệu) đặt phạm vi cơng suất nhận khiến máy phát bị tắt Nếu AP Client muốn truyền mà nhận tín hiệu mức này, hỗn truyền thử thời điểm khác Hoãn truyền CCA vật lý so sánh sóng mang (CS) phát lượng (ED) Khi mức CCA nâng lên, bán kính cell tranh chấp vật lý giảm với Pt cố định Nếu hạ xuống, bán kính cell tranh chấp tăng lên Nếu Pt tăng lên, bán kính cell tranh chấp tăng với mức CCA khơng đổi Nếu Pt bị giảm, bán kính cell tranh chấp giảm theo công thức (3.7) 3.3.2 Điều chỉnh mức Start of Package (SOP) Một phương pháp tương tự để điều chỉnh kích thước cell tranh chấp ảo thực cách điều chỉnh mức Bắt đầu gói (SOP) máy thu để đặt độ nhạy tối thiểu thiết bị Cấp độ SOP thiết lập phạm vi cơng suất bên nhận định tham gia việc giải mã gói tin Nếu gói nhận 19 mức cơng suất thấp mức này, thiết bị bỏ qua gói Trong thực tế, mức SOP thiết lập độ nhạy thiết bị Khi mức SOP nâng lên, bán kính cell tranh chấp ảo giảm cho Pt cố định Nếu hạ xuống, bán kính tế bào tranh chấp ảo tăng lên Nếu Pt tăng, bán kính cell tranh chấp ảo tăng với mức SOP khơng đổi Nếu Pt giảm, bán kính cell tranh chấp ảo giảm Điều chỉnh cấp độ CCA SOP phương pháp kỹ thuật “Squelch”, mức squelch đặt mức tín hiệu tối thiểu mà máy vô tuyến nhận giải mã Một danh sách tóm tắt điều chỉnh đưa Bảng sau: Bảng Hiệu việc điều chỉnh CCA, SOP công suất máy phát ô tranh chấp Điều Mức Cell tranh chấp vật lý Cell tranh chấp ảo chỉnh CCA Tăng Thu hẹp Không đổi CCA Giảm Mở rộng Không đổi SOP Tăng Không đổi Thu hẹp SOP Giảm Không đổi Mở rộng Pt Tăng Mở rộng Mở rộng Pt Giảm Thu hẹp Thu hẹp Một nhược điểm việc sử dụng ngưỡng SOP để điều chỉnh ô tranh chấp ảo rủi ro cắt khu vực tế bào theo kế hoạch Vì mơi trường truyền, tín hiệu nhận khoảng cách định thay đổi lớn tùy thuộc vào loại môi trường che khuất tín hiệu Khi thiết lập mức SOP hữu hạn, người ta cần tính đến thay đổi để tránh “cắt bỏ”các thiết bị bên cell quy hoạch 3.4 Mô đánh giá cải thiện dung lƣợng ứng dụng giải pháp Với hiệu ứng tranh chấp, thiết bị BSS khác tranh chấp với chia sẻ kênh vô tuyến Điều dẫn đến suy giảm thông lượng dành riêng tỷ lệ nghịch với số lượng kênh chia sẻ kênh Trong luận văn, ta vào cải thiện thông lượng cách thay đổi kích thước cell tranh chấp vật lý ảo Nếu cell tranh chấp thay đổi kích thước hợp lý (tức thay đổi mức CCA SOP hợp lý) để tránh việc chia sẻ kênh Chúng ta tập trung vào cải thiện suy giảm thông lượng chia sẻ đồng kênh Nhiễu đồng kênh nguồn gây tranh chấp suy giảm thông lượng triển khai 802.11 3.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chia sẻ đồng kênh Kích thước cell tranh chấp vật lý ảo phụ thuộc vào công suất máy phát, CCA mức SOP tổn hao đường truyền trung bình thiết bị hệ thống theo công thức (3.8) Tổn hao đường truyền hệ thống phụ thuộc vào vị trí thiết bị chất mơi trường truyền Tùy thuộc vào số lượng thiết bị vị trí tương đối chúng, suy giảm thơng lượng hệ thống tranh chấp khác Vị trí tương đối AP phụ thuộc vào kích thước quy hoạch số lượng tần số có sẵn hệ thống Bên cạnh Pt, mức CCA mức SOP, biến số ảnh hưởng đến số lượng việc thiết bị hoãn truyền phụ thuộc vào n, N kích thước cell quy hoạch 20 Để dự đốn xác mức độ suy giảm thông lượng tác động này, cần triển khai số lượng lớn AP xung quanh AP cho trước Số lượng AP xem xét nên đưa vào rìa cell tranh chấp vật lý ảo để tạo trường hợp chia sẻ đồng kênh xấu Đánh giá cho thấy có AP đồng kênh cell tranh chấp AP cụ thể Điều thực với giá trị khác hệ số tổn hao đường truyền theo hàm mũ (n), kích thước cell quy hoạch R số lượng kênh có sẵn N, để xem biến ảnh hưởng đến số lượng thiết bị chia sẻ kênh Số lượng thiết bị chia sẻ kênh gây suy giảm thơng lượng Nói chung, kích thước tế bào theo kế hoạch tăng lên, hội kênh tần số có khả chia sẻ kênh giảm Trong triển khai theo định hướng dung lượng, yêu cầu tăng số lượng AP, tức giảm kích thước cell quy hoạch, dẫn đến giảm thơng lượng Cell tranh chấp ảo Khoảng cách (ft) Cell tranh chấp vật lý Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Hình Vị trí đặt AP đồng kênh kích thước cell tranh chấp cell quy hoạch 15 ft 21 Cell tranh chấp ảo Khoảng cách (ft) Cell tranh chấp vật lý Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Hình Vị trí đặt AP đồng kênh kích thước cell tranh chấp cell quy hoạch 50 ft Ngoài ra, việc tăng, giảm n, N ảnh hưởng đến số lượng AP đồng kênh chia sẻ kênh (cùng nằm bán kính cell tranh chấp vật lý ảo AP quan tâm) Số liệu tính tốn bảng 3.5 Bảng 3 Số lượng AP chia sẻ đồng kênh theo n, N bán kính cell quy hoạch Bán kính cell quy n N Số lượng AP chia sẻ đồng kênh hoạch (ft) 2.8 15 69 2.8 50 230 2.8 100 458 2.8 50 150 2.8 50 230 2.8 50 19 378 2.2 50 253 2.8 50 7 3.4 50 3.4.2 Đánh giá chia sẻ đồng kênh mở rộng Nếu biết Pt, n, SOP CCA, bán kính cell tranh chấp tính (3.1) Nếu biết N kích thước cell quy hoạch, khoảng cách sử dụng lại tần số tính từ (2.2) Số lượng lớp đồng kênh đồng tâm ước tính lấy phần nguyên tỷ số bán kính cell tranh chấp khoảng cách sử dụng lại tần số: 22 Pt PL ( d0 ) min(CCA,SOP) fCoChTiers [ 10 n 10 R 3N ] (3.11) Với min(CCA, SOP) giá trị nhỏ số ngưỡng CCA SOP cài đặt Do mơ hình lặp lại 6n cell cho khoảng cách sử dụng lại, tổng số cell chia sẻ đồng kênh tính: [fCoChTier ] fCoChTiers 6i + 6a +1 (3.12) i 1 Với i phân nguyên a phần lẻ biểu thức (3.11), phần [.] lấy phần nguyên (3.12) Dựa (3.12) số lượng AP đồng kênh chia sẻ kênh tính phạm vi ngưỡng CCA SOP cho giá trị khác n, Pt, N bán kính cell quy hoạch Các phân tích cho thấy có giá trị n N lớn hơn, Pt thấp bán kính cell quy hoạch lớn làm giảm số lượng cell đồng kênh chia sẻ kênh, với mức CCA SOP định Nó cho thấy số lượng cell đồng kênh chia sẻ kênh tăng nhanh ngưỡng CCA SOP hạ xuống Với thay đổi nhỏ mức ngưỡng, số lượng chia sẻ đồng kênh thay đổi đáng kể Bảng 3.6 trình bày ảnh hưởng n, N, Pt bán kính cell quy hoạch đến số lượng chia sẻ đồng kênh Bảng Ảnh hưởng yếu tố đến số lượng chia sẻ đồng kênh Tăng giá trị Số lượng AP chia sẻ đồng kênh n Giảm N Giảm Kích thước cell Giảm quy hoạch Pt Tăng 3.4.3 Giảm thiểu chia sẻ đồng kênh sử dụng kỹ thuật “Squelch” Để mô cải thiện thông lượng mạng WLAN, ta xét trường hợp giảm thiểu tình chia sẻ đồng kênh Sự thay đổi số lượng chia sẻ đồng kênh mạng liên quan đến khoảng cách sử dụng lại tần số bán kính cell tranh chấp (hay liên quan đến ngưỡng CCA SOP nói phần trước Trong phần CCA SOP giữ nhau, phép thay đổi để cải thiện hiệu suất hệ thống Kết phân tích cấu trúc liên kết đồ cho thấy có AP đồng kênh bên cell tranh chấp Khi ngưỡng CCA SOP cài đặt -85 dBm, ta có mơ hình triển khai hình dưới: 23 Khoảng cách (ft) Cell tranh chấp Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Hình Mơ hình triển khai mạng ngưỡng tín hiệu -85 dBm Tăng mức độ SOP CCA lên -75 dBm thu nhỏ ô tranh chấp dẫn đến việc AP chia sẻ kênh hiển thị hình dưới: Khoảng cách (ft) Cell tranh chấp Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Hình 7.Mơ hình triển khai mạng ngưỡng tín hiệu -75 dBm 24 Khoảng cách (ft) Bằng cách tăng ngưỡng nữa, loại bỏ việc chia sẻ đồng kênh tất AP thể hình dưới: Cell tranh chấp Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Hình Cấu trúc biểu đồ hịa hợp (tuned) Trong hình, mức SOP CCA AP trung tâm đặt để loại bỏ chia sẻ kênh với AP kênh khác (không có X nằm cell tranh chấp) cung cấp thông lượng tối đa bên cell quy hoạch Trung tâm AP coi “hịa hợp” khơng chia sẻ kênh với AP đồng kênh khác toàn cell quy hoạch cịn che Tại vị trí hịa hợp, thơng lượng dành riêng AP hệ thống hoàn toàn CIR vị trí thiết bị triển khai khơng phải chia sẻ AP đồng kênh Trong Hình 3.19, ngưỡng SOP CCA nâng lên điểm mà phạm vi tranh chấp đủ nhỏ để không bao gồm AP đồng kênh khác, đủ lớn để bao gồm tất vùng phủ sóng ô lên kế hoạch Nếu SOP CCA cài đặt nâng lên cao, cạnh cell quy hoạch bị cắt cell tranh chấp nằm lọt hẳn bên cell quy hoạch hình dưới: 25 Cell quy hoạch Khoảng cách (ft) Cell tranh chấp Vùng cắt Khoảng cách (ft) Hình Cấu trúc biểu đồ bị cắt Khu vực không phủ thực tế cell tranh chấp thiết lập độ nhạy tối thiểu radio, nhỏ cơng suất nhận rìa cell quy hoạch Như trước đó, thiết bị bỏ qua tín hiệu nhận bên ngưỡng SOP AP trung tâm nhận tín hiệu từ khách hàng khu vực chưa phủ sóng Có điểm chết khơng gian phủ sóng AP điều khơng mong muốn xảy kích thước tế bào tranh chấp ảo giảm nhiều 3.5 Kết luận chƣơng Chương tập trung vào vấn đề nghiên cứu suy giảm thơng lượng mạng WLAN giải pháp cản thiện điều Muốn làm điều trước hết phải hiểu lý thuyết liên quan đến chế truy nhập kênh mạng WLAN theo chuẩn 802.11, chương trình bày lý thuyết liên quan đến cell, kích thước cell quy hoạch, cell tranh chấp vật lý ảo Đây sở lý thuyết chủ yếu cho việc phân tích suy giảm thơng lượng, thay đổi mức ngưỡng tín hiệu dẫn đến thay đổi kích thước cell Việc thay đổi ngưỡng giải pháp kỹ thuật “Squelch ... Việc nghiên cứu mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 thực nhiều giới Việt Nam, tập trung nhiều vào giải pháp triển khai đảm bảo chất lượng mạng Các giải pháp mở rộng dung lượng dựa kỹ thuật Squelch... vậy, luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật thực mô kịch để đánh giá phân tích ảnh hưởng nhằm đưa đến kết luận khoa học hữu ích Luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp mở rộng dung lượng mạng WLAN. .. tiêu chuẩn IEEE 802.11 2.5.1 Mơ hình mạng Mạng khơng dây bao gồm mơ hình bản: mơ hình mạng độc lập IBSSs (hay cịn gọi mạng Ad-hoc), mơ hình mạng sở (BSSs), mơ hình mạng mở rộng (ESSs) - Mơ hình mạng