Kỹ thuật radio tổng hợp

CHƯƠNG I I : MẠNG CỤC BỘ KHƠNG DÂY

2.3 Truyền dữ liệu trong mạng Wlan

2.3.2.1 Kỹ thuật radio tổng hợp

Thuật ngữ kỹ thuật radio tổng hợp đề cập đến các sản phẩm được điều khiển bằng tinh thể, yêu cầu công ty sản xuất cài một tinh thể cho mỗi tần số có thể. Kỹ thuật tổng hợp sử dụng một tần số chuẩn với mỗi loại tinh thể.Tần số của kênh truyền được tính bằng cách chia hay nhân với tần số tinh thể chuẩn. Các giải pháp dựa trên UHF được tổng hợp cung cấp khả năng cài đặt các thiết bị ch̉n mà khơng cần phải thay thế phần cứng, ít phức tạp hơn và khả năng điều chỉnh mỗi thiết bị. 2.3.2.2 Hoạt động đa tần

Các hệ thống UHF hiện đại cho phép các access point được cấu hình một cách riêng biệt cho tác vụ trên một trong những tần số được cấu hình trước. Các trạm không dây có thể được lập trình với một danh sách tất cả các tần số được sử dụng trong các access point đã được cài, cho phép chúng thay đổi tần số khi

roaming. Để tăng thông lượng(throughput), các access point có thể được cài đặt giống nhau nhưng lại sử dụng các tần sớ khác nhau.

Các ích lợi bao gồm khoảng cách xa hơn, và nó được xem như một giải pháp có chi phí thấp cho những site lớn với yêu cầu thông lượng dữ liệu từ thấp cho đến trung. Sự bất lợi gồm thông lượng thấp, và dễ bị nhiễu. Bên cạnh đó, các yêu cầu về license cho những giải tần được bảo vệ để tăng kích thước mạng cũng là một yếu tố giới hạn của giải pháp này.

2.3.3 Các kỹ thuật truyền dữ liệu

2.3.3.1 Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Trải phổ nhảy tần (FHSS) sử dụng một sóng mang băng hẹp để thay đổi tần số trong một mẫu ở cả máy phát lẫn máy thu. Được đồng bộ chính xác, hiệu ứng mạng sẽ duy trì một kênh logic đơn. Đối với máy thu không mong muốn, FHSS làm xuất hiện các nhiễu xung chu kỳ ngắn.

FHSS “nhảy” tần từ băng hẹp sang băng hẹp bên trong một băng rộng. Đặc biệt hơn, các sóng vô tuyến FHSS gửi một hoặc nhiều gói dữ liệu tại một tần số sóng mang, nhảy đến tần số khác, gửi nhiều gói dữ liệu, và tiếp tục chuỗi “nhảy - truyền” dữ liệu này. Mẫu nhảy hay chuỗi này xuất hiện ngẫu nhiên, nhưng thật ra là một chuỗi có tính chu kỳ được cả máy thu và máy phát theo dõi. Các hệ thống FHSS dễ bị ảnh hưởng của nhiễu trong khi nhảy tần, nhưng hoàn thành việc truyền dẫn trong các quá trình nhảy tần khác trong băng tần.

Hình 2.5 : Trải phổ nhảy tần

2.3.3.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum)

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) tạo ra một mẫu bit dư cho mỗi bit được truyền. Mẫu bit này được gọi một chip (hoặc chipping code). Các chip càng dài, thì xác suất mà dữ liệu gốc bị loại bỏ càng lớn (và tất nhiên, yêu cầu nhiều dải thơng). Thậm chí khi một hoặc nhiều bit trong một chip bị hư hại trong thời gian truyền, thì các kỹ thuật được nhúng trong vô tuyến khôi phục dữ liệu gốc mà không yêu cầu truyền lại. Đối với máy thu không mong muốn, DSSS làm xuất hiện nhiễu băng rộng công suất thấp và được loại bỏ bởi hầu hết các máy thu băng hẹp.

Bộ phát DSSS biến đổi luồng dữ liệu vào (luồng bit) thành luồng symbol, trong đó mỗi symbol biểu diễn một nhóm các bit. Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều biến pha thay đổi như kỹ thuật QPSK (khóa dịch pha cầu phương), bộ phát DSSS điều biến hay nhân mỗi symbol với một mã giống nhiễu gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên (PN). Nó được gọi là chuỗi “chip”. Phép nhân trong bộ phát DSSS làm tăng giả tạo dải băng được dùng phụ thuộc vào độ dài của chuỗi chip.

Hình 2.6 : Trải phổ chuỗi trực tiếp

2.4 Các thiết bị hạ tầng mạng Wlan

2.4.1 Card mạng không dây (Wireless NIC)

Card mạng không dây giao tiếp máy tính với mạng khơng dây bằng cách điều chế tín hiệu dữ liệu với chuỗi trải phở và thực hiện một giao thức truy nhập cảm ứng sóng mang. Máy tính ḿn gửi dữ liệu lên trên mạng, card mạng không dây sẽ lắng nghe các truyền dẫn khác. Nếu không thấy các truyền dẫn khác, card mạng sẽ phát ra một khung dữ liệu. Trong khi đó, các trạm khác vẫn liên tục lắng nghe dữ liệu đến, chiếm khung dữ liệu phát và kiểm tra xem địa chỉ của nó có phù hợp với địa chỉ đíc

hìnhh trong phần Header của khung phát bản tin hay không. Nếu địa chỉ đó trùng với địa chỉ của trạm, thì trạm đó sẽ nhận và xử lý khung dữ liệu được, ngược lại trạm sẽ thải hồi khung dữ liệu này.

Các card mạng không dây không khác nhiều so với các card mạng được sử dụng trong mạng LAN có dây. Card mạng không dây trao đổi thông tin với hệ điều hành mạng thông qua một bộ điều khiển chuyên dụng. Như vậy, bất kì ứng dụng nào cũng có thể sử dụng mạng không dây để truyền dữ liệu. Tuy nhiên, khác với các card mạng có dây, các card mạng không dây là không cần bất kỳ dây nối nào. Card mạng có dây có thể sử dụng khe cắm ISA (hiện nay hầu như khơng cịn sử

dụng), khe cắm PCI (sử dụng phổ biến), hoặc cổng USB trên máy tính để bàn hoặc sử dụng khe cắm PCMCIA trên các laptop. Card mạng không dây thường có một anten ngoài và có thể gắn vào tường hoặc một vị trí nào đó trong phịng.

Hình 2.7 : Wireless NIC

2.4.2 Các điểm truy cập (Access Point)

Các điểm truy cập không dây AP (Acsses Point) tạo ra các vùng phủ sóng, nối các nút di động tới các cơ sở hạ tầng LAN có dây. Vì các điểm truy cập cho phép mở rộng vùng phủ sóng nên các mạng không dây WLAN có thể triển khai trong cả một toà nhà hay một khu trường đại học, tạo ra một vùng truy cập không dây rộng lớn. Các điểm truy cập này không chỉ cung cấp trao đổi thông tin với các mạng có dây mà còn lọc lưu lượng và thực hiện chức năng cầu nối với các tiêu chuẩn khác. Chức năng lọc giúp giữ gìn dải thông trên các kênh vô tuyến nhờ loại bỏ các lưu lượng thừa.

Do băng thông ghép đôi không đối xứng giữa thông tin vô tuyến và hữu tuyến nên các điểm truy cập cần có bộ đệm thích hợp và các tài nguyên của bộ nhớ. Các bộ đệm được dùng chủ yếu để lưu các gói dữ liệu ở điểm truy cập khi một nút

di động cố gắng di chuyển khỏi vùng phủ sóng hoặc khi một nút di động hoạt động ở chế độ công suất thấp. Các điểm truy cập trao đổi với nhau qua mạng hữu tuyến để quản lý các nút di động. Một điểm truy cập không cần điều khiển truy cập từ nhiều nút di động (có nghĩa là có thể hoạt động với một giao thức ngẫu nhiên phân tán như CSMA). Tuy nhiên, một giao thức đa truy cập tập trung được điều khiển bởi một điểm truy cập có nhiều thuận lợi.

Hình 2.8 : Access Point

2.4.3 Bridge không dây( WBridge)

Các WBridge (Bridge không dây) tương tự như các điểm truy cập không dây trừ trường hợp chúng được sử dụng cho các kênh bên ngoài. Phụ thuộc vào khoảng cách và vùng mà cần dùng tới anten ngoài. WBridge được thiết kế để nối các mạng với nhau, đặc biệt trong các toà nhà có khoảng cách xa tới 32 km.

WBridge cung cấp một phương pháp nhanh chóng và rẻ tiền so với việc sử dụng cáp, hoặc đường điện thoại thuê riêng (lease-line) và thường được sử dụng khi các kết nối có dây truyền thống không thể thực hiện hoặc khó khăn như qua sông, địa hình hiểm trở, các khu vực riêng, đường cao tốc... Khác với các liên kết cáp và các mạch điện thoại chuyên dụng, WBridge có thể lọc lưu lượng và đảm bảo rằng các hệ thống mạng không dây được kết nối tốt mà không bị mất lưu lượng cần thiết.

Hình 2.9 : Wireless Bridge

2.4.2 Các router điểm truy cập (Access Point Router)

Một “AP router” là một thiết bị mà nó kết hợp các chức năng của một Access Point và một router. Khi là Access Point, nó truyền dữ liệu giữa các trạm không dây và một mạng hữu tuyến cũng như là giữa các trạm không dây. Khi là router, nó hoạt động như là điểm liên kết giữa hai hay nhiều mạng độc lập, hoặc giữa một mạng bên trong và một mạng bên ngoài.

Hình 2.10 : Access Point Router

2.5 Các chuẩn thông dụng của mạng Wlan

2.5.1 Các chuẩn IEEE 802.11

2.5.1.1 Mô tả các lớp chuẩn IEEE 802.11a/ Lớp Mac (Media Access Control ) a/ Lớp Mac (Media Access Control )

Lớp MAC 802.11 cung cấp khả năng hoạt động để cho phép sự phân phối dữ liệu có thể tin cậy cho các lớp cao hơn qua môi trường PHY vơ tún. Chính sự phân phát dữ liệu dựa trên sự phân phát không đồng bộ, không kết nối của dữ liệu lớp MAC. Không có sự đảm bảo cho các frame sẽ được phân phát thành công.

MAC 802.11 cung cấp một phương thức truy cập được điều khiển tới môi trường vô tuyến chia sẽ gọi là CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). CSMA/CA tương tự như phương thức truy cập dò tìm sự đụng độ được triển khai bởi các LAN Ethernet 802.3 .

Trước khi các thiết bị WLAN truyền gói tin, chúng phải lắng nghe hoạt động của môi trường xung quanh để xác định chúng có được phép truyền hay không. Các hoạt động vô tuyến có các thông tin điều khiển mà chúng định nghĩa khoảng thời

gian các thiết bị không được phép truyền bởi vì các thiết bị khác đang truyền hoặc sẽ truyền trong khoảng thời gian này. Nếu như thiết bị lắng nghe và không có một hoạt động trao đổi thông tin nào trong hệ thống, thì nó có thể bắt đầu truyền. Nếu như một thiết bị không nhận được sự phản hồi cho gói tin thăm dò, nó sẽ trì hoãn việc truyền tiếp theo trong một khoảng thời gian. Các thiết bị còn bị giới hạn về thời gian nó truy cập (giới hạn số lập lại) tới các thiết bị khác.

Các phương thức điều khiển truy cập tới các hệ thống WLAN có thể là ngẫu nhiên hoặc được sắp xếp. Họat động của hệ thống WLAN có thể tập trung, phân tán hoặc là kết hợp cả hai. Khi họat động của hệ thống là ngẫu nhiên, nó được gọi là DCF. Khi hoạt động của mạng được điều khiển, nó được gọi là PCF.

DCF cho phép hoạt động độc lập của các thiết bị dữ liệu vô tuyến. Trong một hệ thống dựa trên sự tranh chấp DCF, các thiết bị trao đổi thông tin yêu cầu một cách ngẫu nhiên các dịch vụ từ các kênh bên trong một hệ thống trao đổi thông tin. Bởi vì các yêu cầu trao đổi thông tin xảy ra một cách ngẫu nhiên, nên hai hay nhiều thiết bị có thể yêu cầu các dịch vụ một cách đồng thời. Điều khiển truy cập của một phiên DCF thường bao gồm việc yêu cầu các thiết bị phán đoán các hoạt động trước khi truyền và lắng nghe các dịch vụ nó yêu cầu có bị xung đột. Nếu thiết bị yêu cầu không nhận được một phản hồi cho yêu cầu của nó, nó sẽ trì hoãn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truy cập lại.

Hình 2.11 : DCF

PCF là chế độ hoạt động của các thiết bị vô tuyến được điều khiển (chế độ Infrastructure). Trong một hệ thống được điều khiển, các thiết bị trao đổi thông tin đợi cho đến khi nhận được một thông tin phản hồi trước khi chúng truyền bất kỳ một thông tin nào. Bởi vì việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị được điều khiển bởi một thiết bị trung tâm nên ít có xung đột xảy ra. Để xác nhận dữ liệu truyền đã được nhận thành cơng, thơng tin thăm dị sẽ có chứa thơng tin về trạng thái của các gói tin mà đã được nhận. Nếu thiết bị gửi không nhận một sự xác nhận của việc truyền trong gói tin thăm dò, nó sẽ truyền lại dữ liệu..

Hình 2.12 : PCF

Có thể để kết hợp các lợi ích của DCF và PCF thành một hệ thống tốt hơn. Sự kết hợp dựa trên các khoảng thời gian đặc trưng được chỉ định trong DCF và PCF. Bằng việc kết hợp các quá trình này, có thể đảm bảo việc truyền dữ liệu dịch vụ thời gian thực và cho phép truy cập ngẫu nhiên.

Để điều khiển các luồng cho gói tin, các gói tin điều khiển hệ thống 802.11 được sử dụng. Các gói tin điều khiển bao gồm yêu cầu để gửi (RTS), xóa để gửi (CTS), ACK, PS-Poll (Power save poll), CF-END (Contention free end) và CF- End+ACK.

Gói tin RTS được sử dụng để khai báo cho các trạm tránh đụng độ. Gói tin CTS được truyền từ trạm khai báo trong gói tin RTS để các trạm khác biết được một gói tin sắp được truyền. Gói tin ACK được sử dụng để xác nhận gói tin đã được nhận thành công. Gói tin PS-Poll được sử dụng để yêu cầu việc truyền các gói tin

được giữ trong chế độ tiết kiệm năng lượng. Gói tin CF-END và CF-END+ACK được sử dụng để mở khóa việc hạn chế truyền

Chức năng thứ ba của MAC 802.11 là để bảo vệ dữ liệu đang được phân phối bằng việc cung cấp các chức năng an toàn và bảo mật. Sự bảo mật được cung cấp bởi các dịch vụ thẩm định quyền

b/ Lớp vật lý (Physical Layer )

Lớp vật lý 802.11 là trung gian giữa MAC và môi trường vô tuyến nơi mà các frame được truyền và nhận. PHY cung cấp ba chức năng.

Đầu tiên, PHY cung cấp một giao diện để trao đổi các frame với lớp MAC ở trên cho việc truyền và nhận dữ liệu.

Thứ hai, PHY sử dụng điều chế sóng mang tín hiệu và phở trải rộng để truyền các frame dữ liệu qua môi trường vô tuyến.

Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu cảm ứng sóng mang trở lại MAC để kiểm tra hoạt động trên môi trường.

802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: cả FHSS và DSSS hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps. Một sự mở rộng của kiến trúc 802.11 (802.11a) định nghĩa các kỹ thuật đa thành phần có thể đạt được tốc độ dữ lịêu tới 54 Mbps. Một sự mở rộng khác (802.11b) định nghĩa tốc độ dữ liệu 11 Mbps và 5.5 Mbps tận dụng một sự mở rộng tới DSSS được gọi là High Rate DSSS (HR/DSSS). 802.11b còn định nghĩa một kỹ thuật thay đổi tốc độ mà từ mạng 11 Mbps x́ng cịn 5.5 Mbps, 2 Mbps, hoặc 1 Mbps dưới các điều kiện nhiễu hoặc để hoạt đông với các lớp PHY 802.11 thừa kế.

2.5.1.2 Nguồn gốc ra đời chuẩn 802.11

Viện kỹ thuật điện– điện tử Mỹ (IEEE- Institute of Electrical and Electronic Enginrneers) là tổ chức nghiên cứu, phát triển và cho ra đời nhiều chuẩn khác nhau liên qua đến mạng LAN như: 802.3 cho Ethernet, 802.5 Token Ring, 802.3z 100BASE - T . IEEE được chia thành các nhóm phát triển khác nhau : 802.1, 802..2, …..Mỗi nhóm đảm nhận nghiên cứu về một lĩnh vực riêng.

Cuối những năm 1980, khi mà mạng không dây bắt đầu được phát triển, nhóm 802.4 của IEEE nhận thấy phương thức truy cập token của chuẩn LAN không

có hiệu quả khi áp dụng cho mạng không dây. Nhóm này đề nghị xây dựng một chuẩn khác để áp dụng cho mạng không dây. Kết quả là IEEE đã quyết định thành lập nhóm 802.11 có nhiệm vụ định nghĩa tiêu chuẩn lớp vật lý (PHY – Physical ) và lớp MAC (Medium Access Control) cho WirelessLAN.

Chuẩn đầu tiên mà IEEE cho ra đời là IEEE 802.11 vào năm 1997.Tốc độ đạt được là 2Mbps sử dụng phương pháp trải phổ trong băng tần ISM không quản lý ( băng tần dành cho công nghiệp, khoa học và y học). Tiếp sau đó là các chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Và mới đây là sự ra đời của chuẩn IEEE 802.11i và IEEE 802.11n

2.5.1.3 IEEE 802.11b

Kiến trúc , đặc trưng, và các dịch vụ cung cấp cơ bản của 802.11b giống với chuẩn ban đầu 802.11. Nó chỉ khác so với chuẩn ban đầu ở tầng vật lý. 802.11b cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu cao hơn và kết nối hiệu quả hơn.

Kỹ thuật mã hoá cho chuẩn 802.11 cung cấp tốc độ từ 1-2Mbps, thấp hơn tốc độ của chuẩn 802.3. Kỹ thuật duy nhất có khả năng cung cấp tốc độ cao hơn là DSSS, được lựa chọn như là một chuẩn vật lý hỗ trợ tốc độ 1-2 Mbps và hai tốc độ mới là 5.5 và 11Mbps.

Để tăng tốc độ truyền lên cho chuẩn 802.11b, vào năm 1998, Lucent và Harris đề xuất cho IEEE một chuẩn được gọi là Complementary Code

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Ứng dụng của hệ thống Wlan