2.2.1. Khái niệm chuyển giao
Chuyển giao đƣợc định nghĩa là quá trình yêu cầu để thực hiện chuyển các điểm kết nối của một STA từ một điểm truy cập này tới một điểm truy cập khác.
Nhìn chung, khái niệm chuyển giao cơ bản có thể hiểu là: thay đổi điểm kết nối trong quá trình truyền tin.
Trong suốt quá trình chuyển giao, STA thƣờng bị mất kết nối từ AP cũ trƣớc khi kết nối tới AP mới (đặc biệt nếu STA sử dụng một giao diện duy nhất) và vì vậy có một thời gian STA mất kết nối với Internet. Trong suốt khoảng thời gian này, nó không thể gởi hoặc nhận các gói để duy trì các phiên ứng dụng đang tồn tại.
Các ứng dụng nhƣ thế đòi hỏi chuyển giao đƣợc biết đến nhƣ là chuyển giao trong suốt (Seamless Handover). Trong đó chuyển giao trong suốt là chuyển giao mà có cả :
Mịn (smooth): không (hoặc rất ít) mất gói
Nhanh (fast): độ trễ thấp
Hình 2- 13: Tình huống có thể xảy ra chuyển giao trong mạng WLAN
Ở đây chúng ta sẽ mô tả quá trình chuyển giao khi một STA hoạt động trong mô hình mạng cơ sở hạ tầng đã liên kết với một AP WLAN thuộc một hệ thống phân phối (DS). Khi một STA đã liên kết với một AP hiện tại (mà chúng ta sẽ gọi là một AP cũ) và bắt đầu di chuyển ra khỏi AP đó nhƣ thể hiện trong Hình 2-13, chất lƣợng kết nối không dây giữa STA và AP cũ này bắt đầu xấu đi và tại một số điểm
35 giảm xuống dƣới ngƣỡng cho phép, do đó quá trình chuyển giao bắt đầu xảy ra. Ở giai đoạn này STA bắt đầu tìm kiếm các AP khác để liên kết vào bằng cách thực hiện một quá trình quét (có thể là chủ động hoặc bị động). Sau khi kết thúc STA quét nó lọc ra các kết quả quét và chọn một AP thích hợp để liên kết và sau đó STA xác thực và tái liên kết với các AP đã đƣợc lựa chọn, bằng cách gửi các message/frame thích hợp để lựa chọn AP.
2.2.2. Phân loại chuyển giao
Có hai loại chuyển giao khác nhau tùy vào các lớp truyền thông nào bị ảnh hƣởng, đó là chuyển giao ngang (horizontal handover) và chuyển giao dọc (vertical handover).
Chuyển giao ngang là chuyển giao chỉ ảnh hƣởng đến lớp link (tức
L2) mà không làm thay đổi lớp IP (tức L3). Hay nói cách khác, chuyển giao ngang là khi STA thay đổi điểm kết nối của nó trong cùng một loại mạng.
Hình 2- 14: Chuyển giao ngang
Chuyển giao dọc là khi STA thay đổi điểm kết nối của nó trong các
36
Hình 2- 15: Chuyển giao dọc
Các loại chuyển giao trên có thể hoặc là chuyển giao giữa các công nghệ khác nhau hoặc là chuyển giao trong cùng một công nghệ. Chuyển giao giữa các công nghệ khác nhau thƣờng mang ý nghĩa là STA có các giao diện riêng. Chuyển giao ngang thông thƣờng là chuyển giao trong cùng công nghệ, mặc dù về mặt kỹ thuật, các công nghệ mạng khác nhau có thể đƣợc sử dụng để làm cho lớp IP thấy không có sự thay đổi trạng thái kết nối và liên kết của nó. Chuyển giao dọc có thể là chuyển giao giữa các công nghệ cũng nhƣ chuyển giao trong cùng công nghệ.
Trong đề tài này sẽ tập chung nghiên cứu quá trình chuyển giao thuộc loại chuyển giao ngang và trong cùng một công nghệ.
2.2.3. Các kịch bản chuyển giao trong IEEE 802.11
IEEE 802.11 định nghĩa 3 kịch bản chuyển giao sau:
1. Không chuyển tiếp: Trong loại này có 2 lớp con mà thƣờng không thể phân biệt bao gồm:
a) Cố định: Không chuyển động
b) Di chuyển trong vùng: Di chuyển trong vùng BSS (ví dụ: vùng phủ sóng của AP).
37
Hình 2- 16: Kịch bản chuyển giao trong IEEE 802.11
2. Sự chuyển tiếp giữa các AP: Loại này đƣợc định nghĩa nhƣ một trạm di chuyển từ một AP tới các AP khác trong cùng ESS.
3. Sự chuyển tiếp giữa các ESS: STA di chuyển từ một BSS trong một ESS tới một BSS trong một ESS khác. Thông thƣờng là một mạng WLAN là trong vùng một ESS và trong một IP lớp mạng con.
a) Chuyển giao bên trong lớp mạng con
b) Chuyển giao bên trong miền (ví dụ: giữa các mạng khác nhau). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.4. Tiêu chí chuyển giao
a. Liên quan tới độ mạnh của tín hiệu
Phƣơng pháp này lựa chọn các BS nhận đƣợc mạnh nhất tại mọi thời điểm. Quyết định dựa trên một phép đo trung bình của tín hiệu nhận đƣợc. Trong hình 2- 17 chuyển giao sẽ xảy ra tại vị trí A. Phƣơng pháp này đƣợc nhận xét là gây ra quá nhiều chuyển giao không cần thiết ngay cả khi tín hiệu của BS hiện vẫn còn ở mức chấp nhận đƣợc.
b. Liên quan tới độ mạnh tín hiệu với ngưỡng
Phƣơng pháp này cho phép một STA chuyển giao chỉ khi tín hiệu hiện tại là đủ yếu (dƣới ngƣỡng) và có tín hiệu khác mạnh hơn cả hai.
38
Hình 2- 17: Độ mạnh tín hiệu và ngưỡng chuyển giao
Ảnh hƣởng của ngƣỡng phụ thuộc vào giá trị tƣơng đối của nó với những độ mạnh tín hiệu của các BS tại điểm mà ở đó chúng bằng nhau. Nếu ngƣỡng cao hơn giá trị này, nhƣ vị trí T1 trong hình 2-17, lƣợc đồ này thực hiện chính xác nhƣ mối quan hệ về độ mạnh tín hiệu, chuyển giao có thể xảy ra tại vị trí A. Nếu ngƣỡng thấp hơn giá trị này, nhƣ tại vị trí T2, STA sẽ trì hoãn chuyển giao cho đến khi mức độ tín hiệu hiện tại vƣợt qua ngƣỡng ở vị trí B. Trong trƣờng hợp vị trí T3, trì hoãn có thể trôi quá xa vào vùng phủ sóng khác. Điều này làm giảm chất lƣợng của các liên kết truyền từ BS1 và có thể dẫn tới một cuộc gọi bị hủy bỏ. Ngoài ra, kết quả này còn ảnh hƣởng tới ngƣời sử dùng trên cùng một kênh. Vì vậy, lƣợc đồ này có thể tạo ra vùng phủ sóng chồng chéo. Một ngƣỡng không đƣợc sử dụng 1 mình trong thực tế vì hiệu quả của nó phụ thuộc vào việc nhận biết trƣớc độ mạnh tín hiệu của điểm giao giữa BS hiện tại và BS đƣợc lựa chọn.
c. Liên quan tới độ mạnh tín hiệu với độ trễ
Lƣợc đồ này cho phép ngƣời dùng chuyển giao chỉ khi các BS mới đủ mạnh (bởi một giới hạn trễ, h trong hình 2-17) so với hiện tại. Trong trƣờng hợp này chuyển giao sẽ xảy ra tại điểm C. Kỹ thuật này ngăn chặn hiệu ứng ping-pong, lặp lại chuyển giao giữa hai BS do biến động nhanh chóng trong độ mạnh tín hiệu nhận đƣợc từ cả hai BS. Chuyển giao đầu tiên, tuy nhiên có thể không cần thiết nếu các BS phụ vụ đủ mạnh.
d. Liên quan tới độ mạnh tín hiệu với độ trễ và ngưỡng
Lƣợc đồ này STA chuyển sang một BS mới chỉ khi mức độ tín hiệu hiện tại giảm xuống dƣới một ngƣỡng và BS mới mạnh hơn so với hiện tại. Trong hình 2- 17, chuyển giao sẽ xảy ra tại điểm D nếu ngƣỡng này là T3.
39 Kỹ thuật dự báo quyết định chuyển giao dựa trên giá trị tƣơng lai dự kiến của cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc. Một kỹ thuật đƣợc đề xuất và mô phỏng để chỉ ra kết quả tốt hơn, trong việc giảm số lƣợng chuyển giao không cần thiết so với ba phƣơng pháp đƣợc nêu trên.
f. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio- SNR)
Trong thủ tục chuyển giao, giai đoạn Tìm kiếm phụ thuộc vào ngƣỡng tín hiệu trên card NICs, thƣờng đƣợc biểu hiện ở Tỷ lệ tín hiệu/Nhiễu ở bên nhận. Thời điểm quyết định chuyển giao đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau:
1) Khi SNR < SNRth, giai đoạn Tìm kiếm bắt đầu.
2) Nếu điều kiện SNRnew ≥ SNRold + Δ đƣợc thỏa mãn thì chuyển giao đƣợc thực hiện và trạm tái kết nối với AP mới.
3) Giai đoạn Tìm kiếm tiếp tục cho tới khi SNR > SNRth
Hình 2- 18: Thời điểm quyết định của thủ tục chuyển giao.
SNRth và Δ là các tham số để xảy ra một chuyển giao, trình bày trong bảng 2- 1:
Bảng 2- 1: Ngưỡng của SNRth và Δ
Ngƣỡng Thấp Trung bình Cao
SNRth (dB) 10 23 30
Δ (dB) 6 7 8
Ngoài ra, các thông số khác dùng cho quyết định chuyển giao nhƣ là: Received Signal Strength (RSS), Received Signal Strength Indicator (RSSI), Bit Error Rate (BER) hoặc Signal-to-Interference Ratio (SIR), ...
Trong đề tài này chọn tiêu chí SNR để đánh giá chất lƣợng kết nối giữa STA và AP và quyết định chuyển giao có thể xảy ra không.
40 Trong đó:
Ps: năng lƣợng tín hiệu Pn: năng lƣợng nhiễu
2.2.5. Quá trình chuyển giao thông thƣờng
a. Chế độ dò tìm chủ động (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong chế dộ Dò tim chủ động (Active Scan Mode) máy trạm sẽ gửi quảng bá (Broadcast) các frame Yêu cầu thăm dò (Probe Request frame) trong mỗi kênh và đợi một phản hồi thăm dò đƣợc gửi đến từ một hoặc nhiều AP. Trong các frame này có chứa định danh của một mạng cụ thể mà trạm muốn kết nối tới hoặc một định danh mạng quảng bá (Broadcast SSID). Thời gian STA sẽ đợi cho phản hồi thăm dò trong mỗi kênh thì đƣợc điều khiển bởi hai tham số sau: min_chanel_time và max_chanel_time
Min_chanel_time: là thời gian mà một trạm phải đợi nếu nó không nhận
đƣợc bất kỳ phản hồi thăm dò nào hoặc nhận thấy bất kỳ sự trao đổi qua lại với các kênh còn lại.
Nếu một STA không nhận đƣợc bất kỳ phản hồi thăm dò nào hoặc không trông thấy bất kỳ sự trao đổi qua lại trong kênh cụ thể đó thì kênh đó có thể trống và STA chuyển sang kênh tiếp theo.
Max_chanel_time: là thời gian mà một STA đợi trong một kênh cho tới
khi nó chƣa hết hạn để nhận thêm sự phản hồi thăm dò từ các AP khác. Khi thời gian tối đa của kênh hết hạn thì STA sử lý tất cả sự phản hồi thăm dò đã nhận đƣợc và sau đó chuyển sang kênh tiếp theo.
Trong tƣờng hợp frame thăm dò chứa SSID của một mạng cụ thể, thì chỉ AP nào phục vụ cho mạng này mới phản hồi lại. Còn nếu là broadcast SSID, thì bất kì AP nào nhận đƣợc frame thăm dò từ máy trạm cũng có thể phản hồi lại.
41
Hình 2- 19: Dò tìm chủ động
Khi một máy trạm đã xác định đƣợc AP thích hợp, nó sẽ thực hiện quá trình xác thực và liên kết.
Các bƣớc trong chế độ dò tìm chủ động:
1) Sử dụng truy suất kênh thông thƣờng, sử dụng CSMA/CA để truy suất vào môi trƣờng không dây.
2) Truyền một khung yêu cầu thăm dò (probe request frame) có chứa địa chỉ quảng bá của đích đến.
3) Bắt đầu 1 bộ định thời gian thăm dò.
4) Lắng nghe các phản hồi thăm dò (probe responses).
5) Nếu không có phản hồi trong khoảng thời gian Min_Channel_Time thì chuyển sang kênh tiếp theo.
6) Nếu có 1 hoặc nhiều phản hồi đã nhận đƣợc trong khoảng thời gian
Min_Channel_Time thì dừng việc nhận phản hồi thăm dò tại
Max_Channel_Time và sử lý tất cả các phản hồi nhận đƣợc.
7) Chuyển sang kênh tiếp theo và lặp lại các bƣớc trên cho đến hết kênh.
b. Chế độ dò tìm bị động
Là quá trình AP gửi các frame dẫn đƣờng (Beacon frame) tới các STA hoặc các STA gửi frame dẫn đƣờng cho nhau. Các STA sẽ quét để xác định các đặc tính của phía phát dựa vào các frame dẫn đƣờng.
STA nào muốn tìm mạng sẽ “lắng nghe” các frame dẫn đƣờng cho đến khi phát hiện một frame dẫn đƣờng có chứa định danh- SSID của mạng mà nó muốn kết nối. Tiếp theo, STA sẽ kết nối vào mạng đó thông qua AP nào đã gửi frame dẫn đƣờng cho nó.
42 Trong trƣờng hợp có nhiều AP, thì sẽ có nhiều frame dẫn đƣờng của các mạng khác nhau. Khi đó, STA sẽ kết nối vào mạng thông qua AP có tín hiệu mạnh nhất (thông tin về độ mạnh yếu của tín hiệu cũng có trong frame dẫn đƣờng mà AP phát đi) hay AP có tỷ lệ bít lỗi ít nhất (lower bit error rate).
Hình 2- 20: Dò tìm bị động
Sau khi đã kết nối vào mạng rồi, máy trạm vẫn duy trì danh sách các AP có thể dùng để kết nối và đặc tính kèm theo (số lƣợng kênh, độ mạnh yếu của tín hiệu, SSID, ... ), để khi cần nó có thể kết nối lại với AP. Ngoài ra, STA có thể dịch chuyển (roaming) từ AP này sang AP khác. (Ví dụ: trong trƣờng hợp tín hiệu của AP mà nó đang kết nối đột nhiên bị yếu đi). Khi đó, nhờ danh sách các AP sẵn có, máy trạm sẽ nhanh chóng xác định đƣợc AP cần kết nối.
c. Các giai đoạn trong quá trình chuyển giao thông thường
Theo [11], quá trình chuyển giao đƣợc chia theo 3 giai đoạn sau Giai đoạn thứ 1: Giai đoạn phát hiện (Detection phase) Giai đoạn thứ 2: Giai đoạn tìm kiếm (Search phase) Giai đoạn thứ 3: Giai đoạn thực thi (Execution phase) Theo [4], quá trình chuyển giao đƣợc chia theo 2 bƣớc:
Giai đoạn thứ 1: Khám phá (Discovery)
Giai đoạn thứ 2: Xác thực lại (Re-authentication) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giai đoạn Khám phá đƣợc định nghĩa bởi [4] thì bao gồm giai đoạn Phát hiện và Tìm kiếm đã đƣợc mô tả tại [11]. Trong khi giai đoạn Xác thực lại thì cũng giống với giai đoạn Thực thi. Vì vậy trong đề tài này sẽ chọn cách chia các giai đoạn của quá trình chuyển giao theo nhƣ [11] vì nó đem lại tính rõ ràng và có ý nghĩa hơn khi mô tả từng bƣớc của quá trình chuyển giao.
43 Giai đoạn Phát hiện trong thực tế chính là tiếp tục quá trình của việc kiểm tra chất lƣợng của liên kết giữa STA và AP và tiến hành quá trình chuyển giao một khi mà chất lƣợng giảm đến một giá trị chắc chắn đƣợc xác định trƣớc mà chúng ta gọi ở đây là ngƣỡng chuyển giao (handoff-threshold). Ở giai đoạn này STA nhận thấy rằng mức độ năng lƣợng nhận từ AP đang giảm. Thuật toán xác định chất lƣợng liên kết không đƣợc đinh nghĩa trong chuẩn 802.11, vì vậy nó có thể đơn giản là phép đo Tỷ lệ tín hiệu/Nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) hoặc có thể kết hợp nhiều thông số khác từ toàn bộ hệ thống mạng WLAN. Nhiều nhà sản xuất thƣơng mại khai thác điều này để định nghĩa thuật toán tinh vi của họ để đo chất lƣợng liên kết và do đó thực hiện có hiệu quả hơn trong quá trình chuyển giao. Nhƣ vậy, các thuật toán để xác định chất lƣợng liên kết đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ƣu hóa độ trễ chuyển giao và còn giảm làm mất dữ liệu trong hầu hết các tình huống.
Giai đoạn Tìm kiếm (Search Phase)
Trƣớc khi sử dụng bất kì mạng nào thì trƣớc tiên bạn phải tìm kiếm nó. Với mạng có dây việc tìm kiếm mạng thì đơn giản: tìm dây cáp hoặc khe cắm (jack) trên tƣờng. Trong mạng không dây, các trạm phải xác định một mạng thích hợp trƣớc khi tham gia vào nó. Quá trình xác định sự tồn tại của một mạng trong một khu vực gọi là Tìm kiếm
Giai đoạn Tìm kiếm bắt đầu bằng việc STA đang dò tìm các AP khác. STA phải đợi một khoảng thời gian gọi là prob_delay_time (thời gian trễ thăm dò) trƣớc khi bắt đầu quá trình dò tìm, việc dò tìm này có thể là Chủ động hoặc Bị động (Đƣợc trình bày trong phần 2.2.5. a và 2.2.5. b). Ở đây sẽ khảo sát giai đoạn Tìm kiếm khi thực hiện chế độ dò tìm Chủ động.
1. Giai đoạn Tìm kiếm bắt đầu và sau thời gian prob_delay_time thì
current_chanel (kênh hiện tại) đặt là 0.
2. STA đợi cho tới khi bộ định thời gian trễ đạt tới prob_delay_time. 3. STA tăng current_chane lên bằng 1.
4. STA chuyển kênh tới kênh hiên tại (current_chanel), bắt đầu chạy bộ định thời gian max_chanel_time, min_chanel_time và các vấn đề yêu cầu trên
current_chanel.
5. STA lắng nghe bất kì phản hồi thăm dò và trao đổi trên current_chanel,
cho tới khi bộ định thời gian nhỏ nhất của kênh đạt tới min_chanel_time. 6. Nếu không nhận đƣợc phản hồi thăm dò và STA không thấy bất kỳ trao đổi
nào thì current_chanel đƣợc nhận định là trống rỗng (empty) và STA quay về bƣớc 3 dể bắt đầu quá trình giống nhƣ trên cho kênh tiếp theo. Mặt khác, nếu phản hồi thăm dò hoặc bất kỳ trao đổi đƣợc phát hiện thấy trên
44
current_chanel thì STA lắng nghe trên kênh này cho tới khi bộ định thời gian lớn nhất của kênh đạt tới max_chanel_time.
7. STA sử lý tất cả những phản hồi thăm dò đã nhận đƣợc trên