Như đã đề cập ở phần trước của chương, một số lượng lớn các thiết bị cáp đang gia tăng khi sử dụng thiết bị IEEE 802.11 để cung cấp dịch vụ dữ liệu ở những vùng xa trạm phát, nơi có số lượng thuê bao di động giải rác xung quanh trạm phát trung tâm hay nơi có hiệu suất nhận tin thấp, không có lợi cho việc lắp đặt cáp 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 các thiết bị người dùng phí tổn thấp cùng với sự tự do cung cấp, sử dụng các ứng dụng làm cho việc sử dụng cấu trúc IEEE 802.11 là hết sức lôi cuốn. Để kết thúc vấn đề này nhà sản xuất Avaya khuyến nghi đầy đủ các phương thức cho phép triển khai mở rộng IP không dây trong môi trường ngoài trời.
Sự triển khai này giúp chúng ta vẫn có thể sử dụng các thiết bị trong cấu trúc cũ với một vài mở rộng về phần mềm. Để cung cấp một phạm vị tốt hơn các nhà sản xuất đề nghị sử dụng những anten với hệ số khuyếch đại cao hơn anten được sử dụng ở môi trường trong nhà, đặc biệt về phía người dùng. Hình 2.32 chỉ ra hai loại anten ngoài trời tiêu biểu một là anten đẳng hướng một là anten có hướng.
Hình 2.32 Anten ngoài trời (a) Đẳng hướng và (b) một hướng
Hệ số khuyếch đại cho anten đa hướng là 7dB và cho anten đẳng hướng là 14dB. Hệ số đầu tiên được sử dụng cho AP và hệ số thứ hai được sử dụng bởi thiết bị đầu cuối người dùng.
Việc tính toán khoảng cách cực đại từ AP đến đầu cuối người sử dụng ,biểu thức sau cho phép tính sự hao tổn trên đường truyền:
Sự suy giảm (tính bằng dB) cho băng tần 2.4 GHz = 100dB+ 20 log(dmin) (2.1)
Chú ý rằng một mô hình truyền dẫn không gian mở đã được giả định. Điều đó đảm bảo đường truyền ngắn nhất từ máy phát tới máy thu. Đặc biệt là vùng xung quanh chúng, với bán kính sử dụng trong băng tần 2.4 GHz là:
Bán kính (đo bằng m)=3.4.√dkm +( dkm/8.12)2 (2.2)
Bảng 2.8 cho biết khoảng cách tiêu biểu để phân chia các AP trong vùng với những anten đẳng hướng, thiết bị đầu cuối người dùng, và hệ số khuyếch đại anten của thiết bị đầu cuối.
Cuối cùng điều cần nhắc đến đó là các thiết bị được cung cấp bởi nhà sản xuất thông qua cấu hình phần mềm của thiết bị ngoài trời đã đưa ra những giới hạn băng tần tới người dùng. Một tham số được biết như là một van điều tiết lưu lượng. Giá trị của Van là 64,128,256,384, và 512 Kbps.
3.1 Giới thiệu
Chương 3 WPANs
PAN là một giải pháp mạng giúp mở rộng môi trường cá nhân đáp ứng các dịch vụ trong công việc hay giải trí, do việc nối mạng phục vụ sự đa dạng người dùng ngoài ra có thể sử dụng các thiết bị trong vùng không gian bao phủ mỗi tế bào và cung cấp khả năng truyền thông trong không gian đó với thế giới bên ngoài.
PAN đặc trưng cho khái niệm mạng cá nhân (hình 3.1) , nó cho phép một người có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối người dùng (như máy tính cá nhân, webpad, máy quay,…..) để thiết lập các kết nối không giây với các mạng bên ngoài.
Hình 3.1 Giải pháp mạng PAN
Thông tin vô tuyến trải qua sự phát triển mạnh trong thập niên trước (GSM, IS-95,GPRS và EDGE,UMTS, và IMT-2000). Sự phát triển những tốc độ truyền
với bít dữ liệu cao hơn dẫn đến sự hình thành các hệ thống không giây và nhưng giải pháp mạng mới. Sự tiến bộ của môi trường không giây và yêu cầu về khả năng di động cao hơn tạo nên sự thay thế các kết nối cố định tới mạng và sự phát triển của các giải pháp PAN khác nhau. Điều này cũng làm thay đổi khái niệm thiết bị đầu cuối thành người dùng và không gian cá nhân của họ. PAN là một thành viên mới của nhóm GIMCV.
Mạng PAN sẽ bao phủ phần không gian xung quanh người dùng với khoảng cách đủ để nghe được tiếng nói. Nó sẽ có một dung lượng trong phạm vi từ 10bps tới 10Mbps (hình 3.2). Các giải pháp tồn tại ( như Bluetooth) được ứng dụng trong khoa học, y học với giải tần 2.4 GHz (hình .3)
Hình 3.2 Vị trí của PAN
Hệ thống PAN trong tương lai sẽ vận hành trong giải tần cho phép là 5GHz và có lẽ sẽ cao hơn. PAN là một khái niệm mạng động vì thế sẽ yêu cầu những giải pháp kỹ thuật thích hợp cho cấu trúc, giao thức và sự an toàn.
Hình 3.3 Băng tần cho phép
Những khái 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 khía cạnh khác nhau của PAN sẽ được giới thiệu trong các mục 3.4 đến 3.13. Mục 3.14 sẽ so sánh WLAN và WPAN. Cuối cùng kết luận được đưa ra ở phần 3.15
3.2 Một số khái niệm
Những khái niệm về mạng cá nhân được phát triển từ ý tưởng của học viện công nghệ Massachusetts (MIT) vào năm 1995 sử dụng intrabody electrical currents trong thông tin liên lạc giữa những thiết bị di động đầu cuối người dùng. Đó là nghiên cứu đầu tiên được IBM chấp nhận và sau đó được nghiên cứu phát triển bởi nhiều công ty và các tổ chức khác nhau. Sự đa dạng của các giải pháp PAN khác nhau gồm:
• Dự án Oxi (MIT); • Pico-radio;
• Bluetooth; • IEEE 802.15.
Ứng dụng Bluetooth phát triển như một sự thay thế cáp và đang trở nên rộng rãi. Và một vài ý tưởng của nó được sử dụng liên quan tới mạng PAN trong chuẩn IEEE 802.15.
3.3 Tổng quan Bluetooth
Mục này miêu tả chuẩn Bluetooth với sự chú ý đặc biệt về băng tần gốc, LMP, và những lý thuyết L2CAP của nó.
Bluetooth được xây dựng để hỗ trợ quá trình thông tin vô tuyến; nó được phát triển bởi Bluetooth Special Group (SIG), bao gồm các phần chính sau:
Nokia Mobile Phones;
Ericsson Mobile Communications AB; Công ty IBM;
Công ty Intel ; Công ty Toshiba.
Những lý thuyết về Bluetooth được xuất bản vào năm 1999; ngày nay một vài nhà cung cấp đã thương mại hóa những sản phẩm góp phần tạo thành hệ thống này.
3.3.1 Cấu trúc Bluetooth
Bluetooth được thiết kế để sử dụng trong thông tin vô 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 chúng ta sẽ có một piconet ở nơi có hai hay nhiều trạm cùng chia sẻ đường truyền.
Trong một piconet, trạm đóng vai trò là chủ, những thành phần khác sẽ là tớ. Trên thực tế “chủ” và “tớ” được xem như tới giao thức sử dụng trên kênh. Bất kỳ đơn vị Bluetooth nào ( tất cả chúng đều giống nhau) đều có thể đóng một trong vai trò chủ, tớ khi có yêu cầu đòi hỏi. Trạm chủ được định nghĩa là nơi khởi tạo kết nối (tới một hay nhiều trạm tớ). Một piconet có thể là chủ và có tới 7 trạm tớ trong trạng thái hoạt động của nó. Trạng thái hoạt động có nghĩa là một trạm tớ đang giao tiếp với một trạm chủ; một trạm có thể trong trạng thái khoá (parked state) nếu nó được đồng bộ hoá tới trạm chủ, nhưng nó không hoạt động trên kênh. Cả trạm tích cực và trạm tam dừng đều được kiểm soát bởi trạm chủ.
Một trạm tớ có thể được đồng bộ hoá với piconet khác: một trạm có thể là chủ trong piconet này nhưng lại là tớ trong một piconet khác. Theo cách này, nhiều piconet chồng lấn lên nhau (khi không đồng bộ về thời gian hoặc tần số) sẽ tạo thành một scatternet. Những đặc điểm khác nhau này được tổng hợp trong hình 3.4
Hình 3.4 Các kiểu kết nối khác nhau giữa các trạm
Đặc điểm chính của hệ thống Bluetooth được đưa ra trong bảng 3.1. Hệ thống Bluetooth sử dụng phương thức truy cập khe thời gian. Một gói tin có thể sử dụng trên 5 khe thời gian nhưng ít nhất phải dùng một khe. Hệ thống Bluetooth có thể truyền một kênh dữ liệu không đồng bộ, hơn ba kênh tiếng nói đồng thời hoặc một kênh hỗ trợ truyền đồng thời dữ liệu và tiếng nói không đồng bộ.
Bảng 6.1Đặc tính của hệ thống
Các loại kết nối khác nhau được hỗ trợ bởi Bluetooth là:
Một kết nối đồng bộ tốc độ 64Kbps trong kết nối trực tiếp cho kênh tiếng nói; Tốc độ không cân đối tối đa cho một kết nối trực tiếp là 723.2Kbps (có thể tăng 57.6Kbps nữa theo phương truyền ngược lại) hoặc tốc độ 433.9Kbps cân đối cho đồng bộ liên kết.
3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth
Hình 3.5 chỉ ra sự tương thích giữa chồng giao thức của Bluetooth và chồng giao thức chuẩn OSI.
Hình 3.5 Mô hình giao thức Bluetooth
Từ hình 3.5 chúng ta quan sát sự tồn tại song song của giao thức đặc biệt Bluetooth (như MLP và L2CAP) và không phải giao thức của Bluetooth (như PPP, IP, và TCS BIN. Trong Bluetooth, chúng ta có thể phân biệt bốn nhóm nghi thức theo mục đích của chúng:
1. Những giao thức lõi Bluetooth (băng gốc, LMP, L2CAP, và SDP): nhóm này gồm các giao thức Bluetooth đặc biệt được phát triển bởi Bluetooth SIG.
2. Giao thức thay thế cáp (RFCOMM): giao thức này được cấu thành bởi Bluetooth SIG nhưng nó dựa trên 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 chúng dựa vào ITU-T khuyến nghị Q931.
4. Chấp nhận các giao thức (PPP, UDP / TCP / IP, WAP / WAE, OBEX, vCard, vCal, vµ 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 thái phần cứng và thanh ghi điều khiển. Lõi Bluetooth cung cấp một hệ thống không dây chung với nhiều giao thức bao
gồm những giao thức được nêu ở trên và một số giao thức được thực hiện bởi nhà sản xuất.
3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth
Trong phần này miêu tả các giao thức khác nhau cơ bản của chuẩn Bluetooth và các đưa ra sự giống nhau giữa các chức năng, dịch vụ của băng gốc Bluetooth với chức năng, dịch vụ của mô hình lớp OSI MAC.
3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth
Radio Bluetooth sử dụng hệ thống trải phổ nhảy tần (FHSS) thông qua 79 (theo chuẩn Châu âu và Mỹ) hoặc 23 sóng mang thứ cấp (theo chuẩn Pháp). Sóng mang thứ cấp đầu tiên được mặc định ở tần số 2.402GHz ( Châu âu và Mỹ). Các sóng mang thứ cấp được đặt cách nhau 1MHz. Tần số sóng radio được định nghĩa thấp hơn sóng mang thứ cấp và cao hơn băng tần giới hạn. Tần số sóng radio ở Châu âu là 2MHz-3.5MHz. Kênh được mô tả bởi bước nhảy liên tiếp giả ngẫu nhiên sẽ là duy nhất cho piconet. Nó cũng được định nghĩa bởi địa chỉ thiết bị Bluetooth đầu vào của máy chủ và được đồng bộ hoá với tín hiệu clock của
piconet. Tốc độ bước nhảy danh định là 1,600 bước/giây. Quá trình 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 các kênh logic thành các kênh vật lý. Các kênh này được định nghĩa thông qua các khe thời gian với độ dài mỗi khe là 625 µs và được đánh số thứ tự theo nhịp đồng hồ của piconet chủ.
Hệ thống sử dụng một phương thức truy nhập TDD, giúp truyền thông tin xen kẽ giữa máy chủ và máy tớ như mô tả trong hình 3.6
Bước nhảy tần số RF là cố định trong suốt thời gian gói tin tồn tại thậm trí ngay cả khi thời gian tồn tại của gói dài hơn một khe thời gian. Bước nhảy tần số cho gói tiếp theo được tính khi một gói đơn trên khe thời gian truyền (hình 3.7)
Hình 3.7 Gói đa khe thời gian
Các dịch vụ sau đuợc cung cấp bởi lớp giải gốc:
• Sửa lỗi với FEC và thuật toán ARQ (chỉ sử dụng cho gói dữ liệu);
• Tẩy trắng dữ liệu;
• Truyền (Tx)/ nhận (Rx) định tuyến và định thời; • Điều khiển luồng;
• Chứng thực và mã hoá;
• Quản lý quá trình truyền âm thanh;
Lớp vật lý
Trạm chủ và trạm tớ có thể trao đổi thông tin thông qua các kiểu kết nối khác nhau:
• Kết nối định hướng đồng bộ (SCO): đây là kết nối điểm-điểm giữa chủ và tớ trong một piconet
• Kết nối không định hướng đồng bộ: đây là kết nối điểm- đa điểm giữa chủ và tất cả máy tớ trong một piconet.
Chúng ta thấy rằng một kết nối vật lý luôn luôn được bắt đầu bởi trạm chủ hay bởi một đơn vị mà sau đó nó trở thành chủ của một piconet vừa được hình
thành.
Liên kết SCO
SCO liên kết các khe thời gian dự trữ và có thể được coi như kết nối chuyển mạch giữa chủ và tớ. Liên kết SCO được sử dụng để hỗ trợ thông tin về thời gian giới hạn như tiếng nói. Máy chủ có thể hỗ trợ hơn ba kết nối SCO tới cùng một máy tớ hoặc tới các máy tớ đang làm việc khác nhau. Hay nói một cách khác một máy tớ có thể hỗ trợ hơn ba kết nối SCO tới cùng một máy chủ hay hai kết nối SCO nếu đó là liên kết định hướng tới hai máy chủ khác nhau. Máy chủ gửi gói tin SCO tại khoảng thời gian đều đặn, kí hiệu là Tsco (được tính bằng khe thời gian) tới máy tớ trong khoảng khe thời gian chủ-tớ. Các gói SCO không bao giờ được truyền lại.
Kết nối ACL
Kết nối ACl không dự trữ các khe thời gian. Nó giống như một kết nối chuyển mạch nhanh giữa máy chủ và tất cả các máy tớ tích cực trong cùng một
piconet. Kết nối ACL được sử dụng cả trong dịch vụ đồng bộ và định thời. Chỉ duy nhất có một kết nối ACL tồn tại giữa máy chủ và tớ.
Máy tớ có thể trả lại gói tin ACL trong khoảng khe thời gian chủ-tớ nếu nó được địa chỉ tới khe thời gian này trước đó. Một gói tin ACL không chứa địa chỉ của máy tớ nó trở thành gói quảng bá và tất cả các máy tớ nhận. Một liên kết ACL cung cấp sự truyền lại các gói tin để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.
Các gói
Sự hợp thành một gói chung của kênh piconet được chỉ rõ ở hình 3.8
Các gói tin có thể chỉ bao gồm trường mã truy cập (access code) hoặc bao gồm trường mã truy cập và trường tiêu đề (header) hoặc cả ba trường: mã truy cập, tiêu đề và tải tin (payload).
Trường mã truy cập được sử dụng cho việc đồng bộ, bù độ lệch, nhận thực, phân trang và thủ tục kiểm tra. Nó luôn luôn sử dụng tiêu đề hay phần đuôi với mục đích đồng bộ.
Trường tiêu đề chứa thông tin điều khiển liên kết, chứa địa chỉ trạm đích, nhận diện 16 kiểu gói, thông tin điều khiển luồng, chỉ định ACK và phần kiểm tra lỗi của tiêu đề ( header error check )(HEC).
Một số khuôn dạng tải tin được định nghĩa theo hai trường chính:
• Trường tiếng nói (đồng bộ) có kích thước cố định nếu không có trường tiêu đề.
• Trường dữ liệu (không đồng bộ) chứa ba trường con: trường tiêu đề, nội dung dữ liệu và mã CRC.
Một gói tin ACL chỉ chứa duy nhất trường dữ liệu trong khi một gói SCO có thể chỉ chứa trường giọng nói hoặc cả hai. Nó có thể phân biệt một nhóm các gói thông thường của cả liên kết ACL, SCO và một tập các gói của chúng.
Quá trình sử lý luồng bit liên quan đến phần tiêu đề và tải tin của gói tại Tx và Rx (hình 3.9), nơi một vài khối được chọn và phụ thuộc vào kiểu gói. Đặc biệt, dữ liệu được làm trắng để tạo ra dữ liệu ngẫu nhiên từ các mẫu dư thừa cao và để tối giản độ lệch thế một chiều trong gói.
Hình 3.9 Tiêu đề và quá trình sử lý trọng tải bit Thủ tục Tx/Rx
Liên kết ACL và SCO được quản lý khác nhau bởi Tx/Rx. Cả hai thủ tục được dựa trên bộ đệm cho ACL và SCO mà có thể truy cập thông qua Tx(Rx) lối
vào bởi quản lý liên kết Bluetooth và thông qua lối ra (lối vào) bộ phận thiết lập gói (hình 3.10)
Hình 3.10 chức năng khối của bộ đệm Tx/Rx