Như đó đề cập ở phần trước của chương, một số lượng lớn cỏc thiết bị cỏp đang gia tăng khi sử dụng thiết bị IEEE 802.11 để cung cấp dịch vụ dữ liệu ở những vựng xa trạm phỏt, nơi cú số lượng thuờ bao di động giải rỏc xung quanh trạm phỏt trung tõm hay nơi cú hiệu suất nhận tin thấp, khụng cú lợi cho việc lắp đặt cỏp quang hay việc sử dụng hệ thống LMDS. Với những điều kiện này sự tồn tại của AP và thẻ PCMCIA hay hơn thế nữa là cỏc thiết bị người dựng phớ tổn thấp cựng với sự tự do cung cấp, sử dụng cỏc ứng dụng làm cho việc sử dụng cấu trỳc IEEE 802.11 là hết sức lụi cuốn. Để kết thỳc vấn đề này nhà sản xuất Avaya khuyến nghi đầy đủ cỏc phương thức cho phộp triển khai mở rộng IP khụng dõy trong mụi trường ngoài trời.
Sự triển khai này giỳp chỳng ta vẫn cú thể sử dụng cỏc thiết bị trong cấu trỳc cũ với một vài mở rộng về phần mềm. Để cung cấp một phạm vị tốt hơn cỏc nhà sản xuất đề nghị sử dụng những anten với hệ số khuyếch đại cao hơn anten được sử dụng ở mụi trường trong nhà, đặc biệt về phớa người dựng. Hỡnh 2.32 chỉ ra hai loại anten ngoài trời tiờu biểu một là anten đẳng hướng một là anten cú hướng.
Hỡnh 2.32 Anten ngoài trời (a) Đẳng hướng và (b) một hướng
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 54 Lưu Thị Thu Hiền
Hệ số khuyếch đại cho anten đa hướng là 7dB và cho anten đẳng hướng là 14dB. Hệ số đầu tiờn được sử dụng cho AP và hệ số thứ hai được sử dụng bởi thiết bị đầu cuối người dựng.
Việc tớnh toỏn khoảng cỏch cực đại từ AP đến đầu cuối người sử dụng ,biểu thức sau cho phộp tớnh sự hao tổn trờn đường truyền:
Sự suy giảm (tớnh bằng dB) cho băng tần 2.4 GHz = 100dB+ 20 log(dmin) (2.1)
Chỳ ý rằng một mụ hỡnh truyền dẫn khụng gian mở đó được giả định. Điều đú đảm bảo đường truyền ngắn nhất từ mỏy phỏt tới mỏy thu. Đặc biệt là vựng xung quanh chỳng, với bỏn kớnh sử dụng trong băng tần 2.4 GHz là:
Bỏn kớnh (đo bằng m)=3.4.√dkm +( dkm/8.12)2 (2.2)
Bảng 2.8 cho biết khoảng cỏch tiờu biểu để phõn chia cỏc AP trong vựng với những anten đẳng hướng, thiết bị đầu cuối người dựng, và hệ số khuyếch đại anten của thiết bị đầu cuối.
Cuối cựng điều cần nhắc đến đú là cỏc thiết bị được cung cấp bởi nhà sản xuất thụng qua cấu hỡnh phần mềm của thiết bị ngoài trời đó đưa ra những giới hạn băng tần tới người dựng. Một tham số được biết như là một van điều tiết lưu lượng. Giỏ trị của Van là 64,128,256,384, và 512 Kbps.
Bảng 4.8 Cỏc khoảng cỏch đạt được tại mụi trường ngoài trời.
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 55 Lưu Thị Thu Hiền
Chương 3 WPANs
3.1 Giới thiệu
PAN là một giải phỏp mạng giỳp mở rộng mụi trường cỏ nhõn đỏp ứng cỏc dịch vụ trong cụng việc hay giải trớ, do việc nối mạng phục vụ sự đa dạng người dựng ngoài ra cú thể sử dụng cỏc thiết bị trong vựng khụng gian bao phủ mỗi tế bào và cung cấp khả năng truyền thụng trong khụng gian đú với thế giới bờn ngoài.
PAN đặc trưng cho khỏi niệm mạng cỏ nhõn (hỡnh 3.1) , nú cho phộp một người cú thể sử dụng cỏc thiết bị đầu cuối người dựng (như mỏy tớnh cỏ nhõn, webpad, mỏy quay,…..) để thiết lập cỏc kết nối khụng giõy với cỏc mạng bờn ngoài.
Hỡnh 3.1 Giải phỏp mạng PAN
Thụng tin vụ tuyến trải qua sự phỏt triển mạnh trong thập niờn trước (GSM, IS-95,GPRS và EDGE,UMTS, và IMT-2000). Sự phỏt triển những tốc độ truyền
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 56 Lưu Thị Thu Hiền
với bớt dữ liệu cao hơn dẫn đến sự hỡnh thành cỏc hệ thống khụng giõy và nhưng giải phỏp mạng mới. Sự tiến bộ của mụi trường khụng giõy và yờu cầu về khả năng di động cao hơn tạo nờn sự thay thế cỏc kết nối cố định tới mạng và sự phỏt triển của cỏc giải phỏp PAN khỏc nhau. Điều này cũng làm thay đổi khỏi niệm thiết bị đầu cuối thành người dựng và khụng gian cỏ nhõn của họ. PAN là một thành viờn mới của nhúm GIMCV.
Mạng PAN sẽ bao phủ phần khụng gian xung quanh người dựng với khoảng cỏch đủ để nghe được tiếng núi. Nú sẽ cú một dung lượng trong phạm vi từ 10bps tới 10Mbps (hỡnh 3.2). Cỏc giải phỏp tồn tại ( như Bluetooth) được ứng dụng trong khoa học, y học với giải tần 2.4 GHz (hỡnh .3)
Hỡnh 3.2 Vị trớ của PAN
Hệ thống PAN trong tương lai sẽ vận hành trong giải tần cho phộp là 5GHz và cú lẽ sẽ cao hơn. PAN là một khỏi niệm mạng động vỡ thế sẽ yờu cầu những giải phỏp kỹ thuật thớch hợp cho cấu trỳc, giao thức và sự an toàn.
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 57 Lưu Thị Thu Hiền
Hỡnh 3.3 Băng tần cho phộp
Những khỏi niệm đang tồn tại về mạng PAN được đề cập trong mục 3.2 . Mục 3.3 giới thiệu một tổng quan của Bluetooth. Những khớa cạnh khỏc nhau của PAN sẽ được giới thiệu trong cỏc mục 3.4 đến 3.13. Mục 3.14 sẽ so sỏnh WLAN và WPAN. Cuối cựng kết luận được đưa ra ở phần 3.15
3.2 Một số khỏi niệm
Những khỏi niệm về mạng cỏ nhõn được phỏt triển từ ý tưởng của học viện cụng nghệ Massachusetts (MIT) vào năm 1995 sử dụng intrabody electrical currents trong thụng tin liờn lạc giữa những thiết bị di động đầu cuối người dựng. Đú là nghiờn cứu đầu tiờn được IBM chấp nhận và sau đú được nghiờn cứu phỏt triển bởi nhiều cụng ty và cỏc tổ chức khỏc nhau. Sự đa dạng của cỏc giải phỏp PAN khỏc nhau gồm:
• Dự ỏn Oxi (MIT);
• Pico-radio;
• Bluetooth;
• IEEE 802.15.
Ứng dụng Bluetooth phỏt triển như một sự thay thế cỏp và đang trở nờn rộng rói. Và một vài ý tưởng của nú được sử dụng liờn quan tới mạng PAN trong chuẩn IEEE 802.15.
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 58 Lưu Thị Thu Hiền
3.3 Tổng quan Bluetooth
Mục này miờu tả chuẩn Bluetooth với sự chỳ ý đặc biệt về băng tần gốc, LMP, và những lý thuyết L2CAP của nú.
Bluetooth được xõy dựng để hỗ trợ quỏ trỡnh thụng tin vụ tuyến; nú được phỏt triển bởi Bluetooth Special Group (SIG), bao gồm cỏc phần chớnh sau:
Nokia Mobile Phones;
Ericsson Mobile Communications AB; Cụng ty IBM;
Cụng ty Intel ; Cụng ty Toshiba.
Những lý thuyết về Bluetooth được xuất bản vào năm 1999; ngày nay một vài nhà cung cấp đó thương mại húa những sản phẩm gúp phần tạo thành hệ thống này.
3.3.1 Cấu trỳc Bluetooth
Bluetooth được thiết kế để sử dụng trong thụng tin vụ tuyến giữa hai hay nhiều trạm di động. Hệ thống cung cấp một kết nối điểm-điểm giữa hai trạm hoặc kết nối điểm-đa điểm tại nơi chia sẻ đường truyền của một vài trạm. Như thế chỳng ta sẽ cú một piconet ở nơi cú hai hay nhiều trạm cựng chia sẻ đường truyền.
Trong một piconet, trạm đúng vai trũ là chủ, những thành phần khỏc sẽ là tớ. Trờn thực tế “chủ” và “tớ” được xem như tới giao thức sử dụng trờn kờnh. Bất kỳ đơn vị Bluetooth nào ( tất cả chỳng đều giống nhau) đều cú thể đúng một trong vai trũ chủ, tớ khi cú yờu cầu đũi hỏi. Trạm chủ được định nghĩa là nơi khởi tạo kết nối (tới một hay nhiều trạm tớ). Một piconet cú thể là chủ và cú tới 7 trạm tớ trong trạng thỏi hoạt động của nú. Trạng thỏi hoạt động cú nghĩa là một trạm tớ đang giao tiếp với một trạm chủ; một trạm cú thể trong trạng thỏi khoỏ (parked state) nếu nú được đồng bộ hoỏ tới trạm chủ, nhưng nú khụng hoạt động trờn kờnh. Cả trạm tớch cực và trạm tam dừng đều được kiểm soỏt bởi trạm chủ.
Một trạm tớ cú thể được đồng bộ hoỏ với piconet khỏc: một trạm cú thể là chủ trong piconet này nhưng lại là tớ trong một piconet khỏc. Theo cỏch này, nhiều piconet chồng lấn lờn nhau (khi khụng đồng bộ về thời gian hoặc tần số) sẽ tạo thành một scatternet. Những đặc điểm khỏc nhau này được tổng hợp trong hỡnh 3.4
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 59 Lưu Thị Thu Hiền
Hỡnh 3.4 Cỏc kiểu kết nối khỏc nhau giữa cỏc trạm
Đặc điểm chớnh của hệ thống Bluetooth được đưa ra trong bảng 3.1. Hệ thống Bluetooth sử dụng phương thức truy cập khe thời gian. Một gúi tin cú thể sử dụng trờn 5 khe thời gian nhưng ớt nhất phải dựng một khe. Hệ thống Bluetooth cú thể truyền một kờnh dữ liệu khụng đồng bộ, hơn ba kờnh tiếng núi đồng thời hoặc một kờnh hỗ trợ truyền đồng thời dữ liệu và tiếng núi khụng đồng bộ.
Bảng 6.1Đặc tớnh của hệ thống
Cỏc loại kết nối khỏc nhau được hỗ trợ bởi Bluetooth là:
Một kết nối đồng bộ tốc độ 64Kbps trong kết nối trực tiếp cho kờnh tiếng núi; Tốc độ khụng cõn đối tối đa cho một kết nối trực tiếp là 723.2Kbps (cú thể tăng 57.6Kbps nữa theo phương truyền ngược lại) hoặc tốc độ 433.9Kbps cõn đối cho đồng bộ liờn kết.
3.3.2 Mụ hỡnh tham chiếu giao thức Bluetooth
Hỡnh 3.5 chỉ ra sự tương thớch giữa chồng giao thức của Bluetooth và chồng giao thức chuẩn OSI.
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 60 Lưu Thị Thu Hiền
Hỡnh 3.5 Mụ hỡnh giao thức Bluetooth
Từ hỡnh 3.5 chỳng ta quan sỏt sự tồn tại song song của giao thức đặc biệt Bluetooth (như MLP và L2CAP) và khụng phải giao thức của Bluetooth (như PPP, IP, và TCS BIN. Trong Bluetooth, chỳng ta cú thể phõn biệt bốn nhúm nghi thức theo mục đớch của chỳng:
1. Những giao thức lừi Bluetooth (băng gốc, LMP, L2CAP, và SDP): nhúm này gồm cỏc giao thức Bluetooth đặc biệt được phỏt triển bởi Bluetooth SIG.
2. Giao thức thay thế cỏp (RFCOMM): giao thức này được cấu thành bởi Bluetooth SIG nhưng nú dựa trờn ETSI TS 07.10.
3. Chi tiết kỹ thuật điều khiển giao thức điện thoại (TCS BIN, AT- commands): giao thức này cũng được cấu thành bởi Bluetooth SIG nhưng chỳng dựa vào ITU-T khuyến nghị Q931.
4. Chấp nhận cỏc giao thức (PPP, UDP / TCP / IP, WAP / WAE, OBEX, vCard, vCal, và IrMC).
Chi tiết hơn, giao thức Bluetooth gồm một giao diện điều khiển trạm (HCI) cung cấp một giao diện lệnh cho bộ điều khiển băng tần gốc, bộ điều khiển quản lý kết nối (LMC), và truy cập tới trạng thỏi phần cứng và thanh ghi điều khiển. Lừi Bluetooth cung cấp một hệ thống khụng dõy chung với nhiều giao thức bao
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 61 Lưu Thị Thu Hiền
gồm những giao thức được nờu ở trờn và một số giao thức được thực hiện bởi nhà sản xuất.
3.3.3 Tổng quan về giao thức lừi Bluetooth
Trong phần này miờu tả cỏc giao thức khỏc nhau cơ bản của chuẩn Bluetooth và cỏc đưa ra sự giống nhau giữa cỏc chức năng, dịch vụ của băng gốc Bluetooth với chức năng, dịch vụ của mụ hỡnh lớp OSI MAC.
3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth
Radio Bluetooth sử dụng hệ thống trải phổ nhảy tần (FHSS) thụng qua 79 (theo chuẩn Chõu õu và Mỹ) hoặc 23 súng mang thứ cấp (theo chuẩn Phỏp). Súng mang thứ cấp đầu tiờn được mặc định ở tần số 2.402GHz ( Chõu õu và Mỹ). Cỏc súng mang thứ cấp được đặt cỏch nhau 1MHz. Tần số súng radio được định nghĩa thấp hơn súng mang thứ cấp và cao hơn băng tần giới hạn. Tần số súng radio ở Chõu õu là 2MHz-3.5MHz. Kờnh được mụ tả bởi bước nhảy liờn tiếp giả ngẫu nhiờn sẽ là duy nhất cho piconet. Nú cũng được định nghĩa bởi địa chỉ thiết bị Bluetooth đầu vào của mỏy chủ và được đồng bộ hoỏ với tớn hiệu clock của
piconet. Tốc độ bước nhảy danh định là 1,600 bước/giõy. Quỏ trỡnh điều chế sử dụng kỹ thuật GFSK với BT=0.5
3.3.3.2 Lớp dải gốc
Lớp này cung cấp một bản đồ chuyển đổi cỏc kờnh logic thành cỏc kờnh vật lý. Cỏc kờnh này được định nghĩa thụng qua cỏc khe thời gian với độ dài mỗi khe là 625 às và được đỏnh số thứ tự theo nhịp đồng hồ của piconet chủ.
Hệ thống sử dụng một phương thức truy nhập TDD, giỳp truyền thụng tin xen kẽ giữa mỏy chủ và mỏy tớ như mụ tả trong hỡnh 3.6
Hỡnh 3.6 TDD và định thời
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 62 Lưu Thị Thu Hiền
Bước nhảy tần số RF là cố định trong suốt thời gian gúi tin tồn tại thậm trớ ngay cả khi thời gian tồn tại của gúi dài hơn một khe thời gian. Bước nhảy tần số cho gúi tiếp theo được tớnh khi một gúi đơn trờn khe thời gian truyền (hỡnh 3.7)
Hỡnh 3.7 Gúi đa khe thời gian
Cỏc dịch vụ sau đuợc cung cấp bởi lớp giải gốc:
• Sửa lỗi với FEC và thuật toỏn ARQ (chỉ sử dụng cho gúi dữ liệu);
• Tẩy trắng dữ liệu;
• Truyền (Tx)/ nhận (Rx) định tuyến và định thời;
• Điều khiển luồng;
• Chứng thực và mó hoỏ;
• Quản lý quỏ trỡnh truyền õm thanh;
Lớp vật lý
Trạm chủ và trạm tớ cú thể trao đổi thụng tin thụng qua cỏc kiểu kết nối khỏc nhau:
• Kết nối định hướng đồng bộ (SCO): đõy là kết nối điểm-điểm giữa chủ và tớ trong một piconet
• Kết nối khụng định hướng đồng bộ: đõy là kết nối điểm- đa điểm giữa chủ và tất cả mỏy tớ trong một piconet.
Chỳng ta thấy rằng một kết nối vật lý luụn luụn được bắt đầu bởi trạm chủ hay bởi một đơn vị mà sau đú nú trở thành chủ của một piconet vừa được hỡnh
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 63 Lưu Thị Thu Hiền
thành.
Liờn kết SCO
SCO liờn kết cỏc khe thời gian dự trữ và cú thể được coi như kết nối chuyển mạch giữa chủ và tớ. Liờn kết SCO được sử dụng để hỗ trợ thụng tin về thời gian giới hạn như tiếng núi. Mỏy chủ cú thể hỗ trợ hơn ba kết nối SCO tới cựng một mỏy tớ hoặc tới cỏc mỏy tớ đang làm việc khỏc nhau. Hay núi một cỏch khỏc một mỏy tớ cú thể hỗ trợ hơn ba kết nối SCO tới cựng một mỏy chủ hay hai kết nối SCO nếu đú là liờn kết định hướng tới hai mỏy chủ khỏc nhau. Mỏy chủ gửi gúi tin SCO tại khoảng thời gian đều đặn, kớ hiệu là Tsco (được tớnh bằng khe thời gian) tới mỏy tớ trong khoảng khe thời gian chủ-tớ. Cỏc gúi SCO khụng bao giờ được truyền lại.
Kết nối ACL
Kết nối ACl khụng dự trữ cỏc khe thời gian. Nú giống như một kết nối chuyển mạch nhanh giữa mỏy chủ và tất cả cỏc mỏy tớ tớch cực trong cựng một
piconet. Kết nối ACL được sử dụng cả trong dịch vụ đồng bộ và định thời. Chỉ duy nhất cú một kết nối ACL tồn tại giữa mỏy chủ và tớ.
Mỏy tớ cú thể trả lại gúi tin ACL trong khoảng khe thời gian chủ-tớ nếu nú được địa chỉ tới khe thời gian này trước đú. Một gúi tin ACL khụng chứa địa chỉ của mỏy tớ nú trở thành gúi quảng bỏ và tất cả cỏc mỏy tớ nhận. Một liờn kết ACL cung cấp sự truyền lại cỏc gúi tin để đảm bảo tớnh toàn vẹn dữ liệu.
Cỏc gúi
Sự hợp thành một gúi chung của kờnh piconet được chỉ rừ ở hỡnh 3.8
Hỡnh 3.8 Khuụn dạng khung Bluetooth
WLAN, WPAN và bước phỏt triển đến hệ thống thụng tin di động 4G
Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 64 Lưu Thị Thu Hiền
Cỏc gúi tin cú thể chỉ bao gồm trường mó truy cập (access code) hoặc bao gồm trường mó truy cập và trường tiờu đề (header) hoặc cả ba trường: mó truy