Bridge mode
Trong chế độ bridge Mode (cầu nối), AP hoạt động hoàn toàn giống với một cầu nối nhưng liên kết giữa các AP này bằng đường truyền khơng dây.
Hình 2.8: Mơ hình chế độ Bridge Mode
Repeater mode (chế độ lặp): Ở chế độ này, AP có khả năng cung cấp một đường kết nối không dây upstream vào mạng có dây thay vì một kết nối có dây bình thường. Trong hình 2.9, AP1 kết nối với các MH như một AP Root mode và AP2 hoạt động như một Repeater khơng dây. Có thể xem AP1 kết nối với AP2 như là một MH.
AP sử dụng PCF để thực hiện hỏi vòng trong việc chọn MH được truy cập đường truyền. PCF làm việc tương tự như cơ chế truy cập đường truyền của mạng Tokenring. Theo cơ chế này, bộ điều khiển trung tâm - PC (Point
Controller) tích hợp trong AP làm nhiệm vụ hỏi lần lượt các trạm theo 1 lịch
định trước để thăm dò yêu cầu truyền, chỉ có trạm nào được AP hỏi thì mới được phép truyền. Cơ chế này thích hợp cho các ứng dụng địi hỏi tính thời gian thực cao bởi vì nó sẽ làm cho các trạm khi tham gia vào mạng chúng đều có cơ hội sử dụng mơi trường truyền như nhau.
2.4.2. Các mơ hình kết nối
Mạng WLAN dựa trên các chuẩn của 802.11 nên việc kết nối rất linh hoạt. Hiện nay, có 3 mơ hình kết nối mạng chủ yếu sau:
Mơ hình mạng độc lập hay cịn gọi là mạng Ad-hoc
Hình 2.10: Mơ hình mạng Ad-hoc
MH (có hỗ trợ card mạng khơng dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Có nghĩa là nếu các MH có card mạng wireless thì chúng có thể trao đổi thơng tin với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một số nút trung gian đóng vai trị như các router, khơng cần phải qua 1 thiết bị xử lý trung tâm nào. Vì mơ hình mạng Ad- hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên rất thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhỏ như hội nghị, các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có hạn chế về vùng phủ sóng và phải sử dụng các thuật tốn routing khá phức tạp.
Mơ hình mạng cơ sở (BSSs)
Mơ hình này bao gồm điểm truy nhập (AP) gắn với mạng có dây và giao tiếp với các MH trong vùng phủ sóng của AP đó (gọi là cell). AP đóng vai trị
điều khiển cell và điều khiển lưu lượng vào mạng. Các MH không giao tiếp trực tiếp với nhau mà phải thông qua AP.
Hình 2.11: Mơ hình mạng cơ sở
Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % để cho phép các MH ó thể
mạng mở rộng (ESSs)
c di chuyển từ cell này qua cell khác mà không bị mất kết nối vô tuyến. Các MH sẽ phải chọn AP tốt nhất để kết nối. AP có thể điều khiển và phân phối truy nhập đường truyền cho các MH có tranh chấp lúc truyền/nhận dữ liệu phù hợp với đường truyền có dây từ AP ra bên ngoài, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng. Tuy nhiên mơ hình đa truy nhập tập trung này khơng cho phép các MH truyền dữ liệu trực tiếp tới nút khác trong cell như trong cấu hình mạng WLAN độc lập. Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ MH đến AP và từ AP đến đích), q trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng
trễ truyền dẫn.
Mơ hình
Mơ hình này cho phép MH mở rộng phạm vi di động từ 1 BSSs này sang BSSs khác trong cùng ESSs. Một ESSs là một tập hợp các BSSs, nơi mà các AP giao tiếp với nhau để có thể chuyển dữ liệu và lưu lượng của MH từ một BSSs này đến một BSSs khác nhằm làm cho việc di chuyển của các MH trong các cell của các AP được dễ dàng. AP thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối được cấu hình trong mỗi AP. Hệ thống phân phối này sẽ gửi tồn bộ thơng tin của MH cần di chuyển đến AP đích (trong ESSs đó) hoặc thơng qua một mạng có dây để tới đích khơng nằm trong ESSs.
2.4.3. AP và kênh truyền sóng
Trên các AP có 11 kênh thuộc dải tần 2,4GHz (được sử dụng bởi các thiết bị chuẩn 802.11b, 802.11g và 802.11n), được minh họa trên hình 2.13.
Hình 2.13: Mơ tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g
Về nguyên tắc thì lúc sử dụng có thể chọn bất cứ kênh nào trong số những kênh trên, tuy nhiên trong thực tiễn, người sử dụng chỉ nên sử dụng các kênh 1, 6 hoặc 11. Lý do cho sự hạn chế này là sự chồng lấn giữa các kênh. 802.11b và 802.11g sử dụng 11 kênh trong băng tần 2.4GHz, mỗi một kênh được phân chia cách nhau 5MHz. Do độ rộng của mỗi một kênh thường ở 22MHz đối với 802.11b và 20MHz đối với 802.11g, nên cả 802.11b và 802.11g đều có ba kênh khơng bị chồng lấn đó là 1, 6 và 11.
Nếu tất cả năng lượng tín hiệu phát đi được chứa bên trong băng tần 20MHz (hoặc 22MHz), thì khái niệm về hiện tượng không chồng kênh sẽ đơn giản hơn. Tuy nhiên sự thực lại phức tạp hơn do phổ tín hiệu có tính mờ.
Giả sử có 2 AP có vùng phủ sóng giao nhau và chúng sử dụng 2 kênh liên tiếp nhau (ví dụ kênh 1 và 2) theo chuẩn 802.11b. Do 2 kênh truyền này có tần số cách nhau 5MHz nên nếu chúng được xếp bên cạnh nhau thì sẽ xuất hiện sự chồng lấn gây nhiễu lẫn nhau. (Hình 2.15)
Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b
Nhưng với cùng tham số như ở hình 2.15 nhưng được phát trên các kênh 1, 6, 11 thì sẽ hiệu quả hơn vì hầu như khơng có chồng lấn (hình 2.16)
Hình 2.16: Khơng xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b
Hình này có cùng tham số đo như trong hình 4 nhưng các tín hiệu trong các kênh khơng bị chồng lấn 1, 6 và 11. Tuy nhiên, do công suất từ mỗi tín hiệu khơng ngắt hẳn tại đường biên 22MHz của kênh nên vẫn có sự chồng lấn giữa các kênh. Trong trường hợp này, vùng chồng lấn giữa kênh 6 và 11 có cơng suất thấp hơn khoảng 1000 lần so với công suất đỉnh của kênh 11 nên hầu như khơng có khả năng gây nhiễu đến mức làm sai lệch tín hiệu.
Các kênh 1, 6 và 11 được coi như các kênh khơng chồng lấn (non-
overlapping) vì số lượng công suất bị chồng lấn nhỏ nên không ảnh hưởng đến hoạt động của các kênh còn lại (trong 3 kênh 1, 6, 11). Các mạng WLAN hiện nay sử dụng 1 trong 3 kênh là 1, 6 hoặc 11.[23]
2.4.4. Vấn đề nút mạng di động.
Đối với mạng WLAN, tính di động của các trạm là một trong những ưu điểm vượt trội so với các loại mạng có dây khác. Việc nút mạng vừa trao đổi dữ liệu vừa di chuyển (tạm gọi là Mobi Host - MH) trong 1 hay nhiều vùng phủ của 1 hay nhiều AP là điều rất tự nhiên. Khi MH di chuyển trong vùng phủ sóng đó, các cơ chế tương tác giữa AP và MH được đặt ra để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong phần này, tơi sẽ phân tích một số vấn đề chính như: sự di động của nút mạng trong vùng phủ sóng của một AP, chuyển vùng của nút mạng (roaming) và ảnh hưởng của việc di chuyển đến hiệu suất truyền thông trong mạng WLAN.
2.4.4.1. Nút mạng di động trong vùng phủ sóng của một AP
Một AP có thể cung cấp kết nối WLAN đến các MH chỉ trong tầm vực phát sóng của nó. Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăng ten đang được dùng cho AP. Trong mơi trường khơng khí và lý tưởng, phạm vi này là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăng ten đẳng hướng, phạm vi phủ sóng là ba chiều, trên mặt phẳng phạm vi phủ sóng là một vịng trịn có tâm là vị trí của AP.
Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính tốn kỹ Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính tốn kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất. Tuy nhiên, hoạt động thật sự của WLAN sẽ ln trong tình trạng thay đổi do các MH khơng dây có thể thay đổi vị trí thường xuyên.
Vấn đề di chuyển của các MH làm cho khả năng phủ sóng của AP để đáp ứng cho MH có thể trở nên khó khăn hơn dự kiến. Các MH di chuyển vòng quanh và phía sau những vật cản như trong một phịng, phía sau tường, cửa… những vật cản bằng vật chất thật này gây ảnh hưởng lên hoạt động truyền tín hiện sóng điện từ của AP và MH.
Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Các MH trong một cell có thể kết hợp với AP để trao đổi với MH khác hoặc truy cập mạng bên ngồi. Giả sử một AP có bán kính phủ sóng là R (nếu xét trong mặt phẳng chứa MH) thì MH có thể di chuyển thoải mái bên trong phạm vi (cell) đó và truy cập mạng khơng dây qua AP từ bất kỳ vị trí nào, trường hợp lý tưởng nếu MH càng gần AP cường độ tín hiệu càng mạnh đồng nghĩa với hiệu suất truyền thông giữa AP và MH là tốt nhất. Khi MH di chuyển đến những vị trí biên (là những vị trí cường độ tín hiệu bằng ngưỡng) thì MH vẫn cịn có thể kết nối được với AP (như vị trí A, B) cịn những điểm mà tại đó cường độ tín hiệu thấp hơn ngưỡng chấp nhận được (vị trí C) thì MH đó sẽ bị mất liên lạc với AP (Hình 2.17)
2.4.4.2. Nút mạng di động trong nhiều vùng phủ sóng khác nhau.
Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng WLAN
đó là cường độ tín hiệu tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ MH đến AP. Điều
này có nghĩa là, trong phạm vi rộng, một AP khó có thể đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho MH khi nó ở các vị trí tiệm cận với ngưỡng tín hiệu chấp nhận được, đặc biệt trong các khơng gian có nhiều vật cản. Để giải
quyết vấn đề này cần mở rộng phạm vi phủ sóng của WLAN bằng cách thêm các AP. Thơng thường, các AP được đặt sao cho các cell bao phủ mọi không gian (theo yêu cầu) để MH có thế kết nối được với mạng ở mọi vị trí bất kỳ trong khơng gian đó. Tuy nhiên, giải pháp này nảy sinh vấn đề chồng lấn vùng phủ sóng của các AP. (hình 2.18)
Như đã phân tích ở mục 2.4.3, trên các AP chuẩn 802.11 được hỗ trợ 11 kênh. Khi 2 AP liền kề nhau (vùng phủ sóng giao nhau) sử dụng cùng kênh truyền, tín hiệu của AP này sẽ bị nhiễu bởi tín hiệu của AP cịn lại và nhiễu này sẽ đạt cực đại tại vùng giao của 2 vùng phủ sóng của 2 AP. (Hình 2.19)
Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền SW SW
Khi 2 AP liền kề sử dụng 2 kênh truyền có dải tần khơng giao nhau, tại vùng phủ sóng giao nhau, tín hiệu của 2 AP này không gây nhiễu cho nhau và việc thực hiện chuyển vùng sẽ thuận lợi hơn. (Hình 2.20)
Khi một MH đã kết nối đến một AP, nó có thể tự do di chuyển xung quanh khơng gian AP đó kiểm soát. Nếu MH di chuyển từ một cell của AP này sang một cell của AP khác (không cùng kênh truyền), việc chuyển vùng (roaming) sẽ diễn ra.
Với MH, khi di chuyển thường có 2 chế độ quét để tìm AP. Quét chủ động (Active scanning) và quét thụ động (Passive scanning). Quét chủ động là MH quét những kênh khác nhau và gửi yêu cầu thăm dị (probe request) để "chất vấn" các AP mà nó tìm được (available AP). Quét bị động thì MH chỉ lắng nghe tín hiệu từ các AP mà nó dị được.
Hình 2.20 minh họa MH sẽ được chuyển vùng khi di chuyển từ cell này sang cell không cùng kênh truyền, MH muốn di chuyển từ A đến C và được chuyển vùng. Tại điểm A, MH kết nối với AP1 mà khơng có bất kỳ tín hiệu nào được gửi đến AP2 (vì AP1 và AP2 khác kênh nhau). MH di chuyển đến điểm B, tại đây tín hiệu của AP1 bị suy giảm, MH bắt đầu tiến hành qt chủ động để dị tìm AP khác có tín hiệu tốt hơn và tìm thấy AP2. Sau khi thỏa thuận xong với AP2, MH gửi thông điệp "disassociation" với AP1 để kết nối với AP2. Tại điểm C, MH hoàn toàn "giao tiếp" với AP2.
Hiện nay thuật tốn chuyển vùng khơng được định nghĩa trong 802.11, nên nhà sản xuất tùy ý cài đặt, do vậy có thể nó trở thành bí mật kinh doanh của các nhà sản xuất vì tùy thuật tốn mà tính ưu việt của việc chuyển vùng sẽ khác nhau.
Tuy nhiên, chuyển vùng của MH giữa 2 AP thường có những bước chính nhất định. Giả sử một MH cần chuyển vùng từ AP1 sang AP2 có kênh truyền khác của AP1, tiến trình chuyển vùng được thực hiện trên lớp 2 của mơ hình TCP/IP. Các bước chuyển vùng được thực hiện như sau:
Bước 1: AP1 phải xác định rằng MH đã đi ra khỏi vùng phủ sóng của nó. Bước 2: AP1 sẽ lưu lại tất cả những dữ liệu gửi đến MH đang muốn chuyển
vùng (khơng bắt buộc vì nó khơng được định nghĩa trong 802.11).
Bước 3: AP2 sẽ thông báo cho AP1 rằng MH đã chuyển vùng thành công
(tức là MH đã nằm trong vùng phủ sóng và kết nối với AP2). Bước này thường xảy ra thơng qua 1 gói tin unicast hoặc multicast từ AP2 gửi tới AP1 trong đó
địa chỉ MAC nguồn là của MH (không bắt buộc vì nó khơng được định nghĩa trong 802.11).
Bước 4: AP1 sẽ gửi các dữ liệu đã lưu cho MH đó đến AP2 thơng qua các
chuyển mạch SW (AP1 sẽ gửi dữ liệu cho SW, SW sẽ forward cho AP2)
Bước 5: AP1 phải xác định 1 lần nữa rằng MH đã rời khỏi nó rồi xóa dữ
liệu của MH đang lưu trong buffer của AP1.
Bước 6: AP2 sẽ cập nhập bảng địa chỉ MAC trên các bộ chuyển mạch trung
gian để ngăn ngừa việc mất dữ liệu (do AP1 khơng cịn lưu dữ liệu nữa). Sau bước này, AP2 sẽ điều khiển để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu của MH.
Như vậy, khi MH di chuyển, có thể nó đi qua vùng phủ sóng của 1 vài AP nhưng cuối cùng MH sẽ chọn 1 AP thích hợp nhất; tại một thời điểm, bất kỳ MH nào khi thực hiện kết nối thì chỉ thông qua một AP, điều này cũng giảm thiểu khả năng mất dữ liệu đang gửi hoặc đang nhận khi quá trình roaming diễn ra.
Trong thực tế, khi một AP được cấu hình để bao phủ một vùng rộng lớn, nó cũng tiềm tàng một khả năng là có quá nhiều MH kết nối vào. Do trong một cell, môi trường dùng chung được chia sẻ cho tất cả các MH trong vùng phủ sóng theo chế độ bán song công (half duplex) nên khi số lượng MH kết nối vào AP tăng lên, tổng số băng thông và thời gian cho mỗi máy sẽ giảm xuống. Để khắc phục vấn đề này, cần điều chỉnh công suất phát sao cho phù hợp giữa số lượng MH cần kết nối và băng thông của WLAN. Với những ứng dụng cần đáp ứng trong thời gian thực như Voice, Video vấn đề băng thơng rất quan trọng, địi hỏi sự cân đối giữa cơng suất phát và kích thước cell để hiệu suất của hệ thống đạt kết quả cao nhất.
2.4.4.3. Nút mạng di động và hiệu suất truyền thông
Sự di chuyển của MH trong cell gây nên một số thách thức trong việc đảm bảo QoS. Các yếu tố cần được xem xét đó là:
Cơng suất tín hiệu của phía nhận bị biến đổi theo vị trí và thời gian do
các hiệu ứng bóng, che khuất và pha đinh nhiều đường, sự thay đổi bất thường ngẫu nhiên của các luồng không dây dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao. Những đặc điểm này gây nhiều khó khăn trong việc đảm bảo độ tin cậy của kết nối cũng như cho dự báo tốc độ dữ liệu, trễ và mất gói tin để hệ thống có những động thái kịp thời thích ứng nhằm khắc phục lỗi.
Vấn đề quản lý vị trí MH và định tuyến nhằm đảm bảo tính liên tục của kết nối truyền thông. Đa số phần mạng không dây được tổ chức theo cấu trúc tổ