Khóa luận Tìm hiểu về wlans, wpans và xu hướng phát triển thông tin di động 4g

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 1 ®¹i häc quèc gia hµ néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ khoa ®iÖn tö - viÔn th«ng KHO¸ LUËN TèT NGHIÖP T×m hiÓ u vÒ WLANs, WPANs vµ xu h−íng ph¸t triÓn th«ng tin di ®éng 4G Ng−êi thùc hiÖn: L−u ThÞ Thu HiÒn Gi¸o viªn h−íng dÉn: Th.S NguyÔn Phi Hïng WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 2 Hµ Néi 6/2005 Tóm tắt Ngày nay xu thế phát triển của công nghệ đã đưa ra các giải pháp tối ưu về mạng và khả năng cung cấp các ứng dụng từ hệ thống mạng càng tăng cao, đặc biệt là các mạng không dây. Với những thiết bị đầu cuối di động như điện thoại, máy tính sách tay v..v..,người dùng có thể thực hiện các kết nối vô tuyến thông qua các nhà cung cấp dịch vụ. Với tính năng ưu việt, và các ứng dụng đã được áp dụng rộng rãi của mạng WLAN ( mạng LAN không dây), em đã đi sâu tìm hiểu về đặc tính và các khả năng đang được sử dụng trong truyền thông của WLAN. Từ khả năng truyền thông di động dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến và sự tiến bộ của môi trường không dây đã đưa ra giải pháp mạng PAN giúp mở rộng môi trường cá nhân đáp ứng các dịch vụ trong công việc hay giải trí, có khả năng thực hiện kết nối mạng phục vụ đa người dùng. Chính các tính năng nổi trội và khả năng ứng dụng của PAN mà đặc biệt là B-PAN mà em nghiên cứu trong bản khoá luận đã cho thấy được ý nghĩa của giải pháp mạng PAN trong truyền thông. Cùng với khả năng truyền thông di động ngày càng được mở rộng nhờ sự phát triển của thông tin vô tuyến thì các hệ thống di động mới ra đời và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G trong khi mạng tế bào di động 3G đã trở nên phổ biến và chuẩn bị được thay thế bởi một thế hệ mạng có khả năng khắc phục tất cả các nhược điểm của 3G, bao gồm một lượng lớn mạng truy cập, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất kỳ đâu, tại bất kỳ thời điểm nào. Đó chính là thông tin di động thế hệ 4G. Với tất cả các lợi thế và ưu điểm đã làm cho 4G trở thành thế hệ mạng không dây lôi cuốn trong tương lai. Chính vì vậy em đã chọn đề tài Tìm hiểu về WLANs, WPANs và xu hướng phát triển thông tin di động 4G để nghiên cứu sâu về các giải pháp mạng không dây với hi vọng 4G sẽ là một hệ thống di động tối ưu trong tương lai gần, và mô hình thực thi 4G tại Việt Nam trở thành hiện thực. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 3 Mục lục Trang Lời mở đầu........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ............................................................... 3 1.1 Tổng quan về thông tin di động ................................................................... 3 1.2 Thông tin di động thế hệ 4 ............................................................................ 4 CHƯƠNG 2: WLAN.......................................................................................... 7 2.1 Giới thiệu WLAN .......................................................................................... 7 2.2 Chuẩn IEEE 802.11....................................................................................... 7 2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11................................................................. 8 2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống ........................................................................... 9 2.2.1.2 Đặc tính cơ bản của hệ thống......................................................... 9 2.2.1.3 Lớp vật lý ....................................................................................... 11 2.2.1.4 Lớp MAC ....................................................................................... 12 2.2.1.5 Cấu trúc MAC................................................................................ 13 2.2.1.6 Khả năng kết hợp ........................................................................... 18 2.2.1.7 Chứng thực và bảo mật .................................................................. 19 2.2.1.8 Phân đoạn ....................................................................................... 20 2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ .............................................................................. 20 2.2.1.10 Di động ........................................................................................ 21 2.2.1.11 Khả năng lưu trữ .......................................................................... 21 2.2.1.12 Khả năng hỗ trợ............................................................................ 23 2.3 HIPERLAN-2 ................................................................................................ 23 2.3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 23 2.3.2 Cấu trúc chung của HIPERLAN ............................................................ 23 2.3.3 Cấu trúc hệ thống HIPERLAN-2............................................................ 25 2.3.4 Đặc tính cơ bản của hệ thống ................................................................. 26 2.3.5 Lớp vật lý................................................................................................ 27 2.3.6 Lớp DCL................................................................................................. 27 2.3.6.1 Lớp MAC ....................................................................................... 31 2.3.6.2 Thao tác MAC................................................................................ 31 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 4 2.3.6.3 Khung MAC................................................................................... 32 2.3.6.4 Địa chỉ MAC.................................................................................. 33 2.3.6.5 Truy cập tới RCH........................................................................... 33 2.3.7 Các DCL khác ........................................................................................ 33 2.3.8 Handover................................................................................................. 36 2.3.9 CL ........................................................................................................... 38 2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 .......................................................... 38 2.4 MMAC-PC..................................................................................................... 39 2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11......................................................... 41 2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh .................................................................... 41 2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng........................................................... 44 2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM.................................................... 44 2.5.4 Vùng phủ sóng........................................................................................ 46 2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do......................................................... 48 CHƯƠNG 3: WPANs ......................................................................................... 50 3.1 Giới thiêu........................................................................................................ 50 3.2 Một số khái niệm ........................................................................................... 52 3.3 Tổng quan Bluetooth..................................................................................... 53 3.3.1 Cấu trúc Bluetooth.................................................................................. 53 3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth ............................................... 54 3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth .................................................... 56 3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth ....................................................................... 56 3.3.3.2 Lớp dải gốc..................................................................................... 56 3.3.3.3 Lớp giao thức quản lý kết nối (LMP) ............................................ 66 3.3.3.4 Lớp điều khiển giao thức kết nối và giao thức thích nghi ............. 66 3.3.3.5 Lớp giao thức phát hiện dịch vụ (SDP) ......................................... 67 3.4 PAN................................................................................................................. 68 3.4.1 Nguyên lý cấu trúc.................................................................................. 68 3.4.2 Giao diện ................................................................................................ 71 3.4.3 Giao tiếp với mạng bên ngoài................................................................. 71 3.5 Mạng Ad Hoc................................................................................................. 71 3.6 Bảo mật........................................................................................................... 72 3.7 Những ứng dụng chính và khả năng hình thành mạng............................. 72 3.8 Các thiết bị trong hệ thống........................................................................... 73 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 5 3.9 Những thách thức đối với PAN và những vấn đề mở rộng....................... 74 3.10 B-PAN........................................................................................................... 75 3.11 WLAN và WPAN ........................................................................................ 76 3.12 Tóm lại.......................................................................................................... 78 CHƯƠNG 4: SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ....................................................................................................... 79 4.1 Giới thiệu........................................................................................................ 79 4.2 WAL ............................................................................................................... 79 4.3 Cấu trúc WAL ............................................................................................... 80 4.4 Dịch vụ báo hiệu WAL ................................................................................. 81 4.4.1 Một vài định nghĩa.................................................................................. 82 4.4.1.1 Hoạt động của WAL ...................................................................... 82 4.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL .............................................................. 82 4.4.1.3 Thủ tục đăng ký.............................................................................. 83 4.4.2 Sự thiết lập association ........................................................................... 86 4.4.3 Dữ liệu .................................................................................................... 88 4.4.4 Thủ tục tái thiết lập sự kết hợp ............................................................... 89 4.4.5 Danh sách PDU....................................................................................... 91 K ết luận ................................................................................................................ 94 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 6 Lời mở đầu Ngày nay, với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ máy tính đã giúp việc trao đổi thông tin ngày càng dễ dàng thuận tiện hơn. Công nghệ mạng LAN ra đời đã phát triển rộng rãi trên thế giới, nhưng hạn chế của nó là việc sử dụng các loại dây cáp (cáp đồng trục, cáp xoắn..) đôi khi gây khó khặn cho việc kết nối. Vì vậy sự ra đời của công nghệ mạng không dây (WLAN) là một xu hướng tất yếu đáp ứng việc liên kết với quy mô phức tạp và khả năng truyền thông di động Khả năng truyền thông di động được dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến, đã trải qua sự phát triển mạnh trong những thập niên trước (như GSM, GPRS, AMT- 2000…). Sự phát triển những tốc độ truyền bit dữ liệu cao hơn dẫn đến sự hình thành các hệ thống không dây và các giải pháp mạng mới. Sự tiến bộ của môi trường không dây và yêu cầu về khả năng di động tốt hơn tạo nên sự thay thế các kết nối cố định tới mạng và đưa ra các giải pháp về mạng PAN. 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 kết nối mạng thực hiện sự phục vụ đa 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. Điều này cũng làm khái niệm thiết bị đầu cuối được thay thế bởi khái niêm người dùng và không gian cục bộ của họ. PAN là một thành viên trong nhóm GIMCV. Cùng với sự phát triển của thông tin vô tuyến, thì trong mỗi thập niên có một hệ thống di động mới phát triển và được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Khi thế hệ 2G hiện hữu, việc xuất hiện mạng tế bào di động 3G thì đó chỉ là một trong những thay đổi nhỏ về công nghệ từ phía cơ sở hạ tầng IP di động. Tuy nhiên hệ thông tin di động 3G sẽ đáp ứng được việc thực hiện đa phương tiện hay nói khác đi là cơ sở hạ tầng IP không đủ năng lực. Để khắc phục các nhược điểm này, thế hệ 4G đã được định nghĩa. Với một số chuẩn mới được đưa ra thì hệ thống 4G trở nên dễ hiểu bởi khái niệm các mạng không đồng nhất, bao gồm một số lớn mạng truy cập với một nguyên tắc chung là giao thức IP, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất kỳ đâu tại bất cứ thời điểm nào. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 7 Nôi dung bản khoá luận được trình bày trên 90 trang và được bố cục thành 4 chương gồm những phần lớn sau: - Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động và hệ thống thông tin di động thế hệ 4G - Các ưu điểm và các ứng dụng rộng rãi của WLAN - Giải pháp về mạng WPAN và các đặc tính nổi bật của B-PAN - Sự hình thành hệ thống thông tin di động 4G - Kết luận Để có được bản khoá luận hoàn thiện như hôm nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và người thân trong gia đình. Trước hết, em xin gửi tới thầy giáo ThS Phạm Phi Hùng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khoá luận lời chúc sức khoẻ và lòng biết ơn sâu sắc. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường đặc biệt là các thầy cô giáo khoa Điện Tử-Viễn Thông đã cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập tại khoa. Cảm ơn gia đình, và bạn bè đã dành nhiều sự giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện khoá luận. Hà Nội ngày 05 tháng 06 năm 2005 Sinh viên Lưu Thị Thu Hiền WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 8 Chương 1 Tổng quan về thông tin di động và hệ thống thông tin di động 4G 1.1 Tổng quan về thông tin di động Thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như thiết bị vô tuyến, máy tính sách tay v..v.. Những thiết bị này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể kiểm tra email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ. Từ những thiết bị như máy tính sách tay, họ có thể tìm kiếm thông tin trong mạng Internet tại các địa điểm khác nhau như sân bay, nhà ga hay những nơi công cộng khác. Các khách du lịch có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối GPS đặt trong nhà hay trong ô tô để định vị và thiết lập bản đồ đường đi. Những hồ sơ, dữ liệu hoặc các thông tin khác có thể được trao đổi bởi các máy tính sách tay thông qua mạng LAN không dây (WLAN). Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà các ứng dụng của nó cũng trở nên mạnh hơn và được áp dụng rộng rãi hơn. Theo khuynh hướng này thì hầu hết các kết nối những thiết bị vô tuyến được thực hiện thông qua các nhà cung cấp dịch vụ cố định dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cá nhân và các MSC trong mạng tế bào như vậy các máy tính sách tay có thể nối tới Internet không dây thông qua các điểm truy cập. Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở hạ tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành để thiết lập cơ sở hạ tầng này là rất cao. Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc nào khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ sóng. Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một mạng di động đặc biệt. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 9 Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động thiết lập một mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao. Đây là khả năng thiết lập mạng động. Trong khi mạng không dây tiếp tục phát triển thì khả năng đặc biệt này trở nên quan trọng hơn. Với các giải pháp công nghệ mà có thể là sử dụng các lớp khác nhau, các giải thuật và các nghi thức cần cho thao tác cầu hình mạng, tất cả đã thúc đẩy hình thành cấu trúc mạng di động 4G. 1.2 Thông tin di động thế hệ 4 4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ thống mở. Việc tích hợp các mạng không dây khác nhau cho phép truyền đa phương tiện dữ liệu, tiếng nói, đa dịch vụ trên nền tảng IP (đây chính là tiêu điểm chính của 4G). Cùng với sự sử dụng dải thông utrahight lên tới 100Mbps, những dịch vụ đa phương tiện được hỗ trợ một cách hiệu quả. Hình 1.1 minh hoạ những thành phần bên trong cấu trúc mạng 4G. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 10 Hình 1.1Cấu trúc mạng di động 4G 4G được tích hợp những topo và các nền tảng mạng khác nhau. Trong hình 1.1 sự hợp nhất nhiều kiểu mạng được chồng lên những ranh giới mạng khác nhau. Có hai kiểu hợp nhất: đó là sự hợp nhất những mạng không dây hỗn hợp với đặc trưng truyền đạt không dây của mạng LAN, WAN, PAN cũng như những mạng di động đặc biệt khác. Sự hợp nhất thứ hai bao gồm sự tích hợp của những mạng không dây và mạng cố đinh (như Internet và PSTN). 4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại). Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng. Điều đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy cập. Việc sử dụng một lõi mạng trên nền tảng IP cũng có nghĩa thoả mãn đa dịch vụ như tiếng nói dữ liệu hay được hỗ trợ bởi việc sử dụng một tập hợp VoIP với những giao thức như MEGACOP, MGCP, H.323 và SCTP. Sự phát triển này giúp đơn giản hoá việc bảo trì các mạng riêng biệt nhau. Hệ thống 4G được chờ đợi vì có giá thành rẻ hơn và đơn giản hơn. Trước hết, giá thiết bị được rẻ hơn 4 đến 10 lần một trạm có chức năng tương đương của hệ thống 2 hoặc 3G. Một môi trường truyền dẫn IP không dây sẽ làm giảm bớt cho quá trình bảo trì mạng. Hệ thống 4G còn được ưu việt hơn với tốc độ truyền dẫn Utrahight lên tới 100Mbps nhanh hơn 50 lần so với tốc độ truyền dẫn của mạng 3G. Điều này cho phép truyền các dịch vụ không dây với dải thông cao, người dùng có thể xem TV, nghe nhạc, truy cập mạng, hay thực hiện truyền các luồng hình ảnh thời gian thực và các ứng dụng đa phương tiện khác kể cả khi đang ở nhà, trong văn phòng hay nơi công cộng. 4G có khả năng hỗ trợ việc người dùng truy nhập thông tin hoặc giao tiếp với người dùng khác vào bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ đâu và sử dụng bất kỳ thiết bị di động nào. Mạng Ad hoc là một phần quan trọng trong hệ thống 4G được thiết lập động bởi các nút mạng di động tuỳ ý mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện hữu WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 11 hay quản lý tập trung. Mạng này cho phép các nút không dây tồn tại độc lập, cung cấp một phạm vi nối mạng rộng hơn và khả năng sử lý lớn hơn. Các nút cũng có thể kết nối tới các mạng cố định thông qua một thiết bi trung gian có cổng dành riêng. Thiết bị đầu cuối của mạng 4G cho phép hỗ trợ thông minh với khả năng định vị và tìm kiếm dịch vụ theo yều cầu người dùng ngay cả khi người đó đang chuyển động tại bất cứ thời điểm nào.. Tất cả các lợi thế này làm cho mạng Ad hoc trở nên lôi cuốn trong thế hệ mạng di động tương lai. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 12 Chương 2 WLAN 2.1 Giới thiệu WLAN Dựa trên quan điểm nêu trên, thì hiển nhiên những cơ sở hạ tầng WLAN sẽ đóng một vai trò quan trọng trong tương lai gần như một sự bổ sung cho thế hệ mạng hiện tại hoặc là kế hoạch cho những mạng tế bào. Tuy nhiên đó không phải là tất cả khi chúng ta cho rằng WLAN là sự hỗ trợ duy nhất cho những mạng truy cập tế bào. Trong trường hợp này, việc được đề cập đến đó là các thao tác về cáp, việc đối mặt với giá thành quá cao của cơ sở hạ tầng hệ phân phối đa điểm cục bộ (LMDS), xem xét về việc cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu tới các khu vực nông thôn và việc kết hợp sử dụng các thiết bị của mạng WLAN với thiết bị truy cập không dây cố định (FWA) với giá thấp. Chương này giới thiệu chi tiết về mạng WLAN và những đặc trưng chính của 3 hệ thống không dây IEEE 802.11, HIPERLAN và MMAC. Ba hệ thông này tiêu biểu cho chuẩn hoá trong hệ thống mạng của Mỹ, Châu Âu và Nhật bản. 2.2 Chuẩn IEEE 802.11 Năm 1990, IEEE hình thành một ủy ban để phát triển chuẩn không dây cho mạng LAN, vận hành ở 1 và 2Mbps. Điều quan trọng nhất dẫn đến sự tồn tại của các mạng LAN khác nhau là được thiết kế bởi các nhà sản xuất khác nhau, chuẩn đầu tiên được đưa ra cách đây 7 năm. Hệ thống IEEE 802.11 thứ 2 được phê duyệt vào năm 1997 cho phép mạng làm việc ở những tốc độ dữ liệu 1 và 2Mbps. Vào năm 1999, một chuẩn với tốc độ 10Mbps xuất hiện và vượt qua ngưỡng chuẩn của hệ thống IEEE 802.11 thứ 3. Như vậy IEEE 802.11 b được sinh ra cho phép hoạt động ở những tốc độ dữ liệu 5.5Mbps và 11Mbps. Song song với quá trình này, một nhóm các nhà sản xuất thứ hai đang làm việc về một chuẩn với băng thông 5GHz. Chuẩn này được biết như là IEEE 802.11a, cho phép mạng hoạt động ở tốc độ 6, 12, WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 13 24Mbps và định nghĩa 9, 18, 36, 54Mbps như nhưng tuỳ chọn của hệ thống thứ 4 này. Hiện nay, chuẩn IEEE 802.11do nhóm G đề ra thậm trí còn cao hơn tốc độ hiện thời cho các mạng theo chuẩn 11b. Những mạng này sẽ cung cấp một dụng lượng tối đa với tốc độ 20Mbps. Cuối cùng việc thiết lập chuẩn chính của uỷ ban IEEE 802.11 kéo theo sự phát triển của MAC với 11e đạt chuẩn chất lượng của dịch vụ và 11i cho tính bảo mật, cùng với sự nâng cao về tốc độ của chuẩn hiện tại 11G. 2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11 IEEE 802.11 là một chuẩn hình thành bởi một lớp vật lý và một lớp địa chỉ MAC. Qua lớp này, chuẩn được giao tiếp với chuẩn dữ liệu lớp LLC IEEE 802.2. Cấu trúc giao thức được miêu tả trong hình 4.1 nơi lớp vật lý thực hiện một trong ba chức năng: • Trải phổ nhảy tần (FH). • Định hướng nối tiếp trực tiếp (DS). • Hồng ngoại. Lớp liên kết dữ liệu 802.2 MAC DSSS PHY PHSS PHY IR PHY Hình 2.1: Lớp giao thức Hệ thống được cấu thành từ các thành phần: • Trạm (STA): là nơi truyền thông, thông thường là trạm lưu động. • Điểm truy cập (AP): là điểm trung tâm đặc biệt của trạm mà thông thường nó được thực hiện ở một kênh cố định và là một vị trí cố định. Điểm này có thể được nhìn thấy nhờ sự phối hợp bên trong của nhóm STAs WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 14 • Cổng kết nối (PO): là một điểm truy cập đặc biệt, giúp liên kết chuẩn IEEE 802.11 WLANs và chuẩn 802.x của mạng LANs. Vì vậy nó đưa ra sự hợp nhất logic giữa hai kiểu kiến trúc mạng trên. Tất cả các yếu tố này giúp thực hiện nên cấu trúc giao thức ở hình 4.1 nhưng chúng lai thực hiện các chức năng khác nhau. 2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống Với một cấu hình trạm và một điểm truy cập ta có thể tạo ra một tập dịch vụ cơ bản (BSS), nó bao gồm các khối chính của chuẩn IEEE 802.11 WLAN. Một BBS đơn giản nhất bao gồm hai trạm giao tiếp trực tiếp với nhau. Phương thức này thường được tham chiếu tới một mạng đặc biệt bởi vì IEEE 802.11 WLAN tiêu biểu này được tạo ra khi cần cho những mục đích đặc biệt (như sự chuyển dữ liệu từ máy tính cá nhân này sang máy tính cá nhân khác. Kiểu IEEE 802.11 WLAN cơ bản này được gọi là BSS độc lập (IBSS) Thành phần thứ hai trong cơ sở hạ tầng của BSS bao gồm một AP (là một STA đặc biệt) đóng vai trò phối hợp của BSS. Thay vì tồn tại độc lập, các BSS có thể được kết nối với nhau thông qua mạng cơ sở, mạng đó được gọi là hệ phân phối (DS). Toàn bộ WLAN (bao gồm nhiều BSS và một DS) truyền thông với nhau nhờ IEEE 802.11, giống như một mạng không dây đơn được gọi là ESS (thiết lập dịch vụ mở rộng, như được chỉ ra trong hình 4.2. Việc kết hợp giữa một STA và một BSS riêng biệt sẽ được thiết lập thành hệ thống tự động. 2.2.1.2 Đặc tính cơ bản của hệ thống Một số đặc tính cơ bản của IEEE 802.11 được đưa ra trong bảng 2.1. Đó là một trong nhưng tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá về IEEE 802.11 mà không cần đến DS (ví dụ: nó không chỉ rõ DS cần phải thuộc lớp liên kết dữ liệu hay lớp mạng). Thay vào đó IEEE 802.11 xác định một tập các dịch vụ liên quan đến các thành phần khác nhau của kiến trúc mạng. Các dịch vụ này này được phân chia thành các phần trong STA, gọi chung là dịch vụ trạm (SS) và tới DS được gọi là dịch vụ phần bổ hệ thống (DSS). Cả hai loại dịch vụ được sử dụng bởi lớp con MAC IEEE 802.11. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 15 Hình 2.2 một ESS Bảng 2.1 Những dịch vụ của STA: • Chứng thực và không chứng thực; • Bảo mật. • Đơn vị dữ liệu MAC phân phối tới các lớp cao hơn ( lớp IEEE 802.2) Những dịch vụ của DS: • Kết hợp và phân tách; • Phân phối; • Hợp nhất; • Tái kết hợp; Các SS được cung cấp bởi tất cả các trạm bao gồm AP, các chuẩn tuân theo IEEE 802.11, trong khi các DSS được cung cấp bởi DS. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 16 Những dịch vụ này liên quan trực tiếp tới mô hình tham khảo IEEE 802.11, được chỉ ra trong hình 2.3. Khi lớp con MAC được giới thiệu, thì việc sử dụng những dịch vụ này sẽ được mô tả rõ hơn. Cuối cùng mô hình tham khảo IEEE 802.11 cho thấy rằng cả lớp MAC và lớp vật lý đều chứa hai thực thể quản lý: thực thể quản lí lớp con MAC (MLME) và thực thể quản lý lớp PHY (PLME). Những thực thể này cung cấp các giao diện quản lý dịch vụ, và kéo theo chức năng quản lý lớp. 2.2.1.3 Lớp vật lý Như đã mô tả trong hình 2.3, lớp PHY được chia thành hai lớp con. Lớp đầu tiên là lớp con phụ thuộc vào môi trường vật lý (PMD), với các sóng mang được điều chế và mã hoá. Lớp thứ hai là lớp giao thức hội tụ lớp vật lý (PLCP), với chức năng đặc biệt, hỗ trợ PHY SAP thông thường và cung cấp kênh báo hiệu rỗi. MAC_SAP Lớp con MAC PHY_SAP Thực thể quản lý lớp con MAC MLME_PLME_SAP Lớp con PLCP PMD_SAP Lớp con PMD Thực thể quản lý Lớp con PHY MLME_SAP Thực thể quản lý trạm PLME_SAP Hình 2.3 lớp giao thức Mô hình này được thiết kế với mục tiêu thực hiện, với cùng một lớp MAC, một PHY lựa chọn giữa FH, DH hoặc IR (được miêu tả trong bảng 2.2). WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 17 Một sự mô tả chi tiết hơn của những khía cạnh liên quan tới lớp vật lý, người đọc có thể xem phần [ 5,6 ] 2.2.1.4 Lớp MAC Lớp địa chỉ MAC chịu trách nhiệm cung cấp cho các dịch vụ sau: • Dịch vụ dữ liệu không đồng bộ, cung cấp cho các thực thể chuẩn IEEE 802.2 với khả năng trao đổi các MSDU; • Các dịch vụ bảo mật, với chuẩn IEEE 802.11cung cấp bởi dịch vụ chứng thực và cơ chế wired-equivalent privacy(WEP); • Sắp xếp MSDU, cho tập hợp các MSDU nhận được tại giao diện dịch vụ MAC của một trạm bất kỳ, là sự thay đổi thứ tự phân phối của các MSDU quảng bá và truyền thông đa điểm, liên quan tới các MSDU trực tiếp, phát sinh từ địa chỉ trạm nguồn. Bảng 2.2 PHY đặc biệt Khuôn dạng khung MAC được chỉ ra ở hình 4.4 và bao gồm các thành phần sau: • Tiêu đề MAC, bao gồm thông tin điều khiển khung, khoảng thời gian, địa chỉ và thông tin điều khiển nối tiếp; • Phần thân khung có kích thước biến đổi chứa đựng thông tin đặc trưng về kiểu khung; • Chuỗi khiểm tra khung (FCS) chứa một CRC 32bit của IEEE WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 18 • Việc nhận biết 4 trường địa chỉ trong khuôn dạng khung MAC rất quan trọng. Những trường này được sử dụng để xác định BSS (BSS-ID), địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, địa chỉ nơi nhận, địa chỉ nơi thu. 2.2.1.5 Cấu trúc MAC Cấu trúc MAC (hình 4.5) cung cấp chức năng kết hợp điểm (PCF) thông qua các chức năng kết hợp phân bố (DCF). Phương pháp truy cập cơ bản của MAC theo chuần IEEE 802.11 là một DCF sử dụng đa truy nhập có cảm nhận đường truyền với khả năng tránh lỗi (CMSA/CA). DCF được thực hiện trong tất cả các STA, sử dụng cho cả IBSS và cơ sở hạ tầng của cấu hình mạng. IEEE 802.11 MAC có thể hợp nhất một một phương pháp truy cập gọi là PCF, chỉ được sử dụng trong cơ sở hạ tầng của cấu hình mạng. PCF cho biết sự mở rộng của hàm MAC và cung cấp trễ đường truyền thấp hơn để hỗ trợ các dịch vụ giới hạn về thời gian. Hình 2.4 Định dạng khung MAC Hình 2.5 Cấu trúc MAC WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 19 Phương pháp truy cập căn bản: DCF Giao thức truy cập đường truyền cơ bản (DCF) cho phép chia sẻ tài nguyên giữa các STA thông qua việc sử dụng CSMA/CA. Trong giao thức này, trước khi truyền, STA sẽ biết được trạng thái đường truyền. Nếu như đường truyền rỗi trong khoảng thời gian xác định, gọi là không gian phân bố liên khung (DIFS), STA thực hiện sự phân bổ dữ liệu của nó. Nói cách khác nếu đường truyền bận vì STA khác đang phát, thì nó sẽ dừng quá trinh truyền và sau đó thực hiện giải thuật backoff trong của sổ tranh chấp (CW). Việc thực hiện này của giao thức CSMA/CA được phác thảo trong hình 2.6 Hình 2.6 Giao thức CSMA Cơ chế backoff sử dụng trong DCF là riêng biệt và thời gian của một DIFS được chia thành các khe thời gian, khoảng thời gian phụ thuộc vào môi trường vật lý được sử dụng (cố định theo một phương pháp mà trạm có thể phát hiện ra sự truyền tin của trạm khác). Thuật toán backoff dựa theo sự chuyển đổi số mũ nhị phân: với mỗi quá trình truyền, giá trị của khoảng thời gian giữa hai lần truyền tin được tạo ra là ngẫu nhiên, biến đổi trong khoảng (0,CW). Giá trị CW phụ thuộc vào số lần gói tin được truyền đi, sự truyền tin đầu tiên nó sẽ tạo ra giá trị CWmin (cửa sổ tranh chấp tối thiểu) và được liên tiếp tăng lên tới giá trị cực đại CWmax, như trong hình 2.7. Trong ví dụ này CWmin là 7 và CWmax là 63. Giá trị của hai tham số này phụ thuộc vào lớp vật lý đã được định nghĩa trong chuẩn. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 20 Hình 2.7 ví dụ về sự tăng theo luật số mũ của CW. Thuật toán số mũ backoff được kích hoạt mỗi khi một trong các lí do sau xuất hiện: • Khi STA nhận thấy đường truyền bận; • Sau mỗi quá trình truyền; • Sau mỗi quá trình chuyển tiếp; Khi nhận thành công một khung, giao thức MAC IEEE 802.11 yêu cầu nơi nhận phát đi bản tin ACK để chứng thực (hình 2.8). Vì vậy một khung ACK sẽ được truyền bởi bất cứ tram đích nào khi nó nhận thành công một khung truyền đơn điểm (unicas), tuy nhiên trạm đích sẽ không gửi lại ACK nếu như nó nhận được bản tin quảng bá từ nơi gửi. Trên thực tế cơ chế cảm nhận đường truyền ảo đạt được bởi việc phân phối thông tin sắp sử dụng đường truyền. Việc trao đổi các khung yêu cầu gửi (RTS) và xoá yêu cầu gửi (CTS) trước khi truyền khung dữ liệu thực sự là một cách thông tin chiếm dụng đường truyền. Khung RTS và CTS chứa các thông tin về trường địa chỉ ID, nó liên quan tới đường truyền dự trữ để truyền khung dữ liệu thực sự và khung ACK gửi lại. Tất cả các STA kể cả STA nguồn (phát bản tin RTS) và STA đích (phát bản tin CTS) đều được biết sự chiếm dữ đường truyền. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 21 Hình 2.8 CSMA/CA +ACK Cuối cùng, cơ chế cảm nhận đường truyền ảo được sử dụng trong véc tơ định vị mạng (NAV). NAV duy trì một sự dự đoán trước đường truyền dựa trên khoảng thời gian được xác nhận trong khung RTS/CTS trước khi truyền dữ liệu thực sự. Vì thế các STA nhận một khung hợp lệ sẽ cập nhật NAVcủa chúng với các thông tin nhận được về trường ID. Bằng cách này, STA sẽ lưu trữ các thông tin về đường truyền và thông tin về lớp vật lý. Cũng giống như thông tin được chứa trong khung ACK và được sử dụng khi dữ liệu bị phân đoạn (hình 2.9). Các khung RTS/CTS luôn ngắn hơn các khung khác là cơ chế để giảm bớt tranh chấp. Điều này sẽ chỉ đúng nếu dữ liệu dài hơn RTS/CTS. Trong trường hợp khác, nó có thể truyền dữ liệu mà không cần truyền RTS/CTS dưới sự điều khiển một tham số gọi là ngưỡng RTS. Trong hình 2.9, short interframe space (SIFS) là một trong bốn khung rỗng có thể (IMS), nó được mô tả như sau: • SIFS là khoảng thời gian ngắn nhất, được mượn để phân chia sự truyền thuộc về một giao tiếp đơn (RTS-CTS hoặc DATA-ACK) . Giá trị này là cố định và được tính theo cách mà trạm phát có thể chuyển sang chế độ nhận và có khả năng giải mã các khung đầu vào. • PCF IFS (PIFS) được sử dụng bởi AP để gia tăng khả năng truy nhập tới đường truyền trước tất cả các trạm khác. Giá trị của nó được tính toán bởi SIFS cộng với một khe thời gian. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 22 • IFS phân bố (DIFS) là thời gian sử dụng của một STA khi khởi động một quá trình truyền mới. Giá trị của nó được tính bởi PIFS cộng với một khe thời gian. • IFS mở rộng (EIFS) là IFS dài nhất được sử dụng bởi một STA nhận một khung có khoảng thời gian không được xác nhận. Việc này sẽ ngăn chặn sự đụng độ giữa các STA không nhận được thông tin RTS/CTS. Hình 2.9 quá trình hạn chế đường truyền. PCF tuỳ chọn Tuỳ chọn PCF được thực hiện để cung cấp sự truyền dẫn khung không chanh chấp do đó hỗ trợ các dịch vụ giới hạn thời gian như truyền dữ liệu và thoại không đồng bộ. Cơ chế này dựa trên point coordinator (PC) với quyền ưu tiên cao hơn các STA khác. Nếu muốn truyền, nó phải đợi một khoảng thời gian PIFS ngắn hơn DIFS. Các STA khác phải tuân theo những quy tắc truy nhập đường truyền của PCF bởi việc thiết lập NAV của chúng tại thời điểm bắt đầu chu kỳ không chanh chấp (CFP). Các tính chất hoạt động của PCF giống như tất cả STA khác là có khả năng hoạt động đúng đắn trong một BSS cụ thể. Và việc truy cập điểm tới BSS có khả năng nhận tất cả các khung gửi dưới sự điều khiển của PCF. Nó cũng là lựa chọn cho một STA để có thể đáp ứng tuần tự chanh chấp (CF-poll) nhận được từ một PC. Một STA mà có thể đáp ứng các CF được tham chiếu đến các CF và có thể yêu cầu sắp xếp bởi một PC tích cực. CF-sắp xếp của các STA và một PC không sử dụng RTS/CTS trong CPF. Khi được sắp xếp bởi PC, một CP-pollable của STA chỉ có thể truyền duy nhất một đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MPDU) tới bất kỳ nơi nào ( WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 23 không cứ chỉ trong PC) và có thể đi kềm với thông tin về khung đã nhận được từ một PC đang sử dụng liên quan tới dữ liệu khung. Hình 2.10 mô tả rõ quá trình này. Điều quan trọng cần chú ý ở đây là CFP là biến và kết thúc với một khung CF- end truyền bởi AP. Hình 2.10 phương thức truy cập PCF. 2.2.1.6 Khả năng kết hợp Trước khi một STA được cho phép gửi một dữ liệu thông báo qua một AP, nó sẽ liên hệ với AP đó. Dịch vụ này cần thiết sau khi STA được bật lên và khi vào vùng BSS. STA cần có thông tin đồng bộ hoá từ AP (hoặc từ các STA khác trong một số trường hợp đặc biệt) liên quan đến dịch vụ kết hợp. Để thu nhận thông tin đồng bộ hoá này, STA sẽ kiểm tra tất cả các kênh bởi một hay nhiều cách sau (phu thuộc vào giá trị của tham số của chế độ quét): • Quét bị động, STA sẽ quét những tín hiệu báo hiệu để tập hợp thông tin đồng bộ hoá và để hiểu thông tin báo hiệu đó đến từ một BSS hay từ một IBSS. • Quét tích cực, STA sẽ truyền nhưng khung tham dò chứa thông tin tập hợp các dịch vụ mong muốn (SS-ID) và đợi một thông tin trả lời từ các BSS trong vùng của nó. Sự đáp lại thông tin của khung thăm dò được gửi từ AP của một BSS hay từ một STA mà tại đó phát đi thông tin báo hiệu cuối cùng trong một IBSS. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 24 Nói chung các khung báo hiệu và khung thăm dò chứa đựng thông tin để kết nối một mạng mới. Sau đó STA chọn BSS (mà BSS đóthoả mãn yêu cầu về SS- ID) và gửi bản tin yêu cầu kết hợp (nhờ việc đặt giá trị tương ứng trong trường điều khiển của khung MAC) để lựa chọn BSS và đợi khung thông tin trả lời tương ứng. Nếu không có BSS nào thoả mãn những yêu cầu đó, STA phải khởi động một IBSS với những tính chất của chính STA đó. Hình 2.11 đưa ra một ví dụ về quét tích cực của một ESS. Hai chức năng khác có thể được kéo theo đó là tập hợp và phân tách. Sự hợp nhất lại có thể được đưa ra nếu một STA muốn di chuyển từ AP này sang AP khác hoặc nếu một STA muốn thay đổi những thuộc tính tập hợp trong khi nó đã hợp nhất với cùng một AP như thế. Dịch vụ phân tách được đưa ra khi một kết hợp bị huỷ bỏ. Hình 2.11 Ví dụ về quá trình tập hợp thành một BSS. 2.2.1.7 Chứng thực và bảo mật IEEE 802.11 cung cấp khả năng điều khiển truy nhập mạng LAN thông qua chức năng chứng thực. Khả năng này được cung cấp bởi một STA để nhận biết sự truyền thông của nó tới các STA khác trong một BSS hay IBSS. Có hai phương thức chứng thực: Chứng thực hệ thống mở: là kỹ thuật mặc định. Một khung truyền bởi STA sẽ cần đến dịch vụ chứng thực, và một khung mang thông tin trả lời sẽ được WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 25 truyền từ một STA có liên quan. Đây chính là kết quả của quá trình chứng thực. Nếu quá trình thành công thì các STA đã giao tiếp với nhau sẽ được xác nhận. Chứng nhận chia sẻ mã dùng chung. Đây là kỹ thuật an toàn nhất. Nó bao gồm một tập hợp các quá trình thực hiện sử dụng chung một chìa khoá bí mật thông qua một kênh an toàn khác với các quá trình đã được sử dụng bởi IEEE 802.11. Chia sẻ mã xác nhận là yêu cầu sử dụng của cơ chế WEP. STA sử dụng giải thuật WEP để tạo ra sự trao đổi thông tin một cách bảo mật. Nó mượn một từ mã bí mật 40 bít và chỉ mã hoá dung lượng tối đa của khung dữ liệu. WEP sử dụng giải thuật phân chia (RC4) từ an toàn dữ liệu RSA. 2.2.1.8 Phân đoạn Quá trình phân chia của một MSDU thành các khung thông tin MAC nhỏ hơn, MPDUs được gọi là phân mảnh. Quá trình phân đoạn tạo ra các MPDU ngắn hơn chiều dài thực của MDSU để tăng thêm sự tin cậy và như vậy sẽ làm giảm sự chuyển tiếp thông tin như đã nêu ra ở trên trong trường hợp giới hạn kênh tiếp nhận có khả năng dài hơn khung thông tin. Các MPDU là kết quả từ việc phân chia của một MSDU được gửi đi một cách độc lập, mỗi một MPDU sẽ được nhận biết (hình 2.12). STA phát không được phép truyền các khung thông tin mới tới khi một trong các điều kiện sau đây xảy ra: • Nó nhận được một ACK • Nó quyết định rằng khung thông tin đã truyền được truyền lại quá nhiều lần và sau đó nó loại bỏ toàn bộ khung. 2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ Để đảm bảo đồng bộ giữa các STA khác nhau trong cùng một BSS, một AP sẽ truyền một bản tin báo hiệu nơi mà thời gian nhận định là thời gian thực. Việc này ngăn chặn sự mất đồng bộ của các STA. Bản tin báo hiệu chỉ bị trễ nếu một trạm đang truyền dữ liệu. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 26 2.2.1.10 Di động STA có thể thay đổi nơi nó kết nối là các BSS bằng cách sử dụng quá trình quét tích cực hay thụ động và chức năng hợp nhất. Trên thực tế một STA được kết nối đến một BSS, nếu nó thấy chất lượng kết nối kém thì nó sẽ kiểm tra môi trường truyền dẫn để tìm ra một kết nối tin cậy hơn. Nếu như việc tìm kiếm thành công nó có thể quyết định kết nối kéo theo yêu cầu tập gộp thành một AP mới. Nếu bản tin trả lời là thành công, STA sẽ kèm theo một AP mới với dạng DS. Thông thường AP cũ được thông báo nhờ DS. Hay nói một cách khác nếu bản tin trả lời thất bại, STA sẽ cố gắng tìm kiếm một BSS mới. Hình 2.12 Quá trình truyền với sự phân tách khung thông tin. 2.2.1.11 Khả năng lưu trữ Trong một cơ sở hạ tầng mạng, AP là trung tâm của hệ thống quản lý. Nếu một STA muốn ngừng chuyển mạch vô tuyến vào một thời điểm nào đó, nó sẽ cảnh báo AP thông qua trường điều khiển trong khung. Trong trường hợp này, AP sẽ lưu trữ tạm thời các khung vào các STA trong chế độ tiết kiệm năng lượng (PS) và sau đó, trong suốt quá trình truyền của bản tin báo hiệu, AP sẽ truyền một bản đồ chỉ thi tuyến truyền (TIM) chứa thông tin định vị về các STA có bộ đệm khung. Vì vậy, STA sẽ nghe ngóng bản tin báo hiệu sau khi chúng được gửi đi. Nếu như có một vài khung có bộ đệm, chúng sẽ yêu cầu một gói tin từ AP với một khung có mức độ ưu tiên (PS-poll) và kiểm tra sự sắp xếp về quá trình nhận dữ liệu. Nếu không có những khung có bộ đệm, các STA sẽ trở lại trạng thái không hoạt động. Đây là trường hợp truyền đơn điểm. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 27 Trong trường hợp khác, trong việc truyền thông tin đa điểm/ quảng bá, một TIM đặc biệt gọi là TIM phân phối (DTIM) gồm nhiều TIM sau khi AP truyền đi những gói quảng bá. Cơ chế PS được chỉ rõ trong hình 2.13 Trong chế độ ad hoc, mỗi STA có thể truyền một khung báo hiệu. Sau mỗi khoảng thời gian giữa hai bản tin, mỗi STA sẽ canh tranh để truyền những bản tin báo hiệu với thuật toán backoff. Chỉ có một STA được truyền và các STA khác sẽ huỷ bỏ bản tin báo hiệu của chúng và tự điều chỉnh thời gian so với thời gian chứa trong bản tin báo hiệu được truyền. Cơ chế PS giống như đã mô tả ở phần trướcviệc mô tả sớm hơn, nhưng trong trường hợp nàymột TIM đặc biệt được sử dụng, goi là TIM ad hoc (ATIM). ATIM được truyền trong cửa sổ ATIM, trong tất cả các trạm bao gồm cả quá trình thực hiện trong PS. Các ATIM là những khung truyền đơn điểm được báo nhận bởi trạm thu. Sau quá trình này trạm nhận phải được đưa vào trạng thái kích hoạt và được thông báo trên toàn mạng. Cơ chế được mô tả trong hình 4.14 Hình 2.13 Cơ chế PS trong một cơ sơ hạ tầng BSS Hình 2.14 Cơ chế PS trong một mạng Ad hoc WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 28 2.2.1.12 Khả năng hỗ trợ Cả trong chuẩn IEEE 802.11 và những chuẩn mở rộng của nó( IEEE 802.11a và IEEE 802.11b), ở đó cung cấp các khả năng truyền dữ liệu tại các tốc độ bít khác nhau. Để hỗ trợ cho tuỳ chọn này, một tập hợp những tốc độ cơ bản và các tiến trình thao tác đã được định nghĩa. Tất cả các khung điều khiển đều tồn tại ở các tốc độ cơ bản nhất định trong khi đó dữ liệu được trao đổi giữa các STA ở những tốc độ cao hơn khi chúng được hỗ trợ bởi các quá trình này. 2.3 HIPERLAN-2 2.3.1 Giới thiệu Phần này đưa ra một cách tổng quan của chuẩn ETSI BRAN HIPERLAN, đặc biệt là phần 2[9]. Sự mô tả ngắn gọn của mô hình kiến trúc và giao thức của hệ thống được cung cấp, sau đó tập trung tìm hiểu sâu về lớp MAC và lớp điều khiển kết nối dữ liệu DLC. 2.3.2 Cấu trúc chung của HIPERLAN Nhóm BRAN chủ yếu có 4 tiêu chuẩn khác nhau. Một cách tóm tắt, chúng ta cho rằng ở đây chuẩn loại 1 của HIPERLAN cung cấp một mạng WLAN tốc độ cao, và chuẩn loại 2 của HIPERLAN được ứng dụng để thiết lập truy cập nhanh tới mạng cơ sở IP, UMTS và ATM. Hình 2.15 chỉ rõ điều này. Hình 2.15 Nhóm BRAN WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 29 Cấu trúc giao thức của HIPERLAN có một vài điểm khác nhau giữa loại 1 và loại 2. HIPERLAN loại 1 cung cấp một phương pháp truy cập gọi là sự nhượng bộ- trong quá trình truy cập song song cùng mức ưu tiên (EY-NPMA) mà nó được hình thành từ một CSMA/CA với 3 thủ tục: giải pháp quyền ưu tiên, loại bỏ và khả năng thực thi. Chồng giao thức của ETSI BRAN HIPERLAN-2 bao gồm 2 lớp, mỗi lớp trong số chúng phân chia thành các vùng sử dụng và lớp điều khiển sử dụng (hình 2.16). Phần sử dụng bao gồm các hàm liên quan đến sự truyền dữ liệu qua các kết nối, trong khi chức năng điều khiển bao gồm các hàm liên quan tới quá trình điều khiển, thiết lập, giải phóng và thay đổi kết nối. Hình 2.16 Kiểu giao thức sử dụng trong HIPERLAN-2. Ba lớp cơ bản của mạng HIPERLAN loại 2 là PHY, DLC và lớp quy tụ (LC)- một phần của DLC. Lớp PHY cung cấp một chức năng truyền dữ liệu cơ bản bằng phương pháp modem với băng thông dải gốc và một phần RF. Khuôn dạng truyền trong lớp vật lý với phần tiêu đề và phần dữ liệu. Phương pháp điều chế được chọn cho lớp vật lý là OFDM. OFDM được chọn vì nó đáp ứng tốt trên phân kênh tốc độ cao. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 30 Lớp DCL gồm có điều khiển lỗi (EC), điều khiển kết nối vô tuyến (RCL) và chức năng MAC. Lớp DCL được phân chia thành dữ liệu và chức năng điều khiển. Phần chuyên chở dữ liệu người dùng điều khiển gói dữ liệu tới từ điểm truy cập dịch vụ người dùng của các lớp cao hơn (U-SAP). Phần chuyên chở dữ liệu người dùng cũng chứa EC -EC thực hiện một nghi thức yêu cầu lặp lại tự động (ARQ). DLC là giao thức kết nối định hướng và mỗi kết nối DLC một EC riêng biệt được tạo ra. Việc này cho phép thưc hiện điều khiển lỗi cho các kết nối khác nhau ( phụ thuộc vào lớp dịch vụ. Phần điều khiển chứa chức năng RLC, chức năng này cung cấp một dịch vụ chuyên chở tới điều khiển kết nối DLC (DCC), điều khiển môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến (RRC), và chức năng điều khiển tập gộp (ACF). Cuối cùng CL cũng được phân chia vào trong phần dữ liệu truyền và phần điều khiển. Phần dữ liệu truyền cung cấp sự thích nghi của dữ liệu người dùng và khuôn dang lớp (DLC-SDU). Nếu giao thức mạng lớp trên cao hơn giao thức mạng lớp ATM thì nó cũng sẽ chứa chức năng phân chia từng đoạn và kết hợp (SAR) giúp chuyển đổi các gói tin lớp cao hơn (SDUs) với độ dài biến đổi thành các gói có độ dài cố định được sử dụng trong DLC. Chức năng SAR là một phần quan trọng của CL vì nó có thể tạo ra sự tương thích và khả năng thực hiện giữa DLC và lớp PHY mà không phụ thuộc vào sự cố định của mạng HIPERLAN-2. Phần điều khiển của CL có thể sử dụng để điều khiển các chức năng trong DLC ( ví dụ như khi thay đổi các tham số CL tại thời gian hợp nhất). 2.3.3 Cấu trúc hệ thống HIPERLAN-2 Hệ thống cấu trúc theo kiểu tập trung (CM) mặc dù kết nối giữa hai hoặc nhiều tổng đài lưu động như hình 2.17. Trên thực tế, kiểu kết nối trực tiếp (DM) có thể được thiết lập giữa hai hay nhiều tổng đài lưu động giúp chúng có khả năng trao đổi thông tin trực tiếp. Hai thành phần chính trong hệ thống tập trung này đó là: • Thiết bị đầu cuối di động (MT): có khả năng kết nối tới các thiết bị khác nếu cần, và tới những tài nguyên ngoài mạng. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 31 • AP: có thể kết hợp với các MT khác trong vùng của nó và điều khiển một hay nhiều sector. Mô hình giao thức của nó khác với giao thức của các MT với MAC và RLC khác nhau. 2.3.4 Đặc tính cơ bản của hệ thống Một số đặc tính cơ bản của hệ thống HIPERLAN-2 được mô tả trong bảng 2.3. Sự hợp nhất của HIPERLAN thành một trong những mạng cố định nhờ có mặt của CL, nó được cấu tạo từ phần chung (CP). CP giúp phân chia thành từng đoạn và hợp nhất theo từng lớp mạng, và dịch vụ (SSCS). Trong phần này mô hình tham khảo giao thức HIPERLAN được khảo sát chi tiết hơn. Hình2.17 Cấu trúc tập trung mạng HIPERLAN-2 Bảng2.3 Tính năng cơ bản của HIPERLAN-2 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 32 2.3.5 Lớp vật lý Khuôn dạng khung truyền cơ bản trên lớp vật lý là một burst bao gồm phần tiêu đề và phần dữ liệu (nơi mà DLC-SDU được truyền đi). Như đã nhắc đến, lớp vật lý của HIPERLAN được điều chế OFDM và những đặc điểm chính của nó được tổng kết trong bảng 2.4. Bảng2.4 Thông số lớp PHY 2.3.6 Lớp DCL Lớp DCL là sự liên kết lơgic giữa một AP và các MT hợp nhất của nó. Lớp DCL thực hiện dịch vụ liên quan đến các nhân tố như đặc tính của mỗi kết nối (QoS), chất lượng kênh truyền, số lượng thiết bị đầu cuối và việc chia sẻ tài nguyên với mạng truy cập khác trong cùng một vùng. DCL hoạt động trong một kết nối cơ bản, và cung cấp những tính năng của nó để duy trì QoS trong kênh ảo cơ bản. Điều này phụ thuộc vào kiểu dịch vụ được yêu cầu, chất lượng kênh, dung lượng và cách sử dụng. Lớp DLC có thể bổ xung các trạng thái khác nha như: sửa lỗi phía trước (FEC), ARQ, điều khiển luồng để tối ưu hoá dịch vụ cung cấp và bảo trì QoS. Hai khái niệm chính của lớp DCL đó là kênh logic và kênh vận chuyển. Một kênh logic là giới hạn chung cho bất kỳ luồng dữ liệu nào. Một tập hợp những kiểu kênh lôgic được định nghĩa cho nhiều loại dữ liệu theo yêu cầu bởi lớp DCL. Mỗi kiểu kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thông tin mà nó vận chuyển và ý nghĩa của các giá trị trong bản tin tương ứng. Kênh logic có thể được WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 33 nhìn nhận như những kết nối logic giữa những thực thể logic, và vì vậy những kênh logic được sử dụng khi có nội dung của bản tin thông báo tham chiếu tới. Tên của kênh logic bao gồm 4 kí tự. Lớp DCL của HIPERLAN-2 định nghĩa các kệnh logic sau: 1. Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): nó vận chuyển thông tin kênh điều khiển quảng bá liên quan tới toàn bộ các tế bào vô tuyến. 2. Kênh điều khiển khung (FCCH): dành cho tuyến xuống, nó mô tả cấu trúc khung MAC. Cấu trúc này được đưa ra bởi resuorce grant messages (RGs). 3. Kênh phản hồi truy cập ngẫu nhiên (RFCH): dành cho tuyến xuống, nó đưa ra thông tin về các MT ( mà các MT này đã sử dụng RCH trong khung MAC trước đó) và kết quả truy cập của chúng. Nó được truyền một lần trên một khung MAC trong một sector. 4. Kênh quảng bá RLC (RBCH): dành cho tuyến xuống, nó vận chuyển thông tin điều khiển quảng bá liên quan tới toàn bộ tế bào radio. Thông tin được truyền bởi RBCH được phân loại như sau: • Bản tin RLC quảng bá; • Gán MAC-ID cho một không kết hợp; • Thông tin ID lớp hội tụ; • Mã hoá. RBCH chỉ được truyền khi thật sự cần thiết. 5. Kênh điều khiển dành riêng (DCCH): truyền bản tin RLC trong quá trình kết nối lên trên trực tiếp. Một DCCH được thiết lập tuyệt đối trong thời gian hợp nhất của một MT. 6. Kênh quảng bá người dùng (UBCH): dành cho tuyến xuống, nó truyền dữ liệu quảng bá từ CL. UBCH được truyền trong quá trình phát lặp hay không xác định kiểu và có thể kết hợphoặc phân tách thành các LCCH. 7. Kênh đa người dùng (UMCH): dành cho tuyến xuống, được dùng để truyền dữ liệu người dùng theo phương pháp điểm-đa điểm. UMCH được truyền trong chế độ không báo nhận. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 34 8. Kênh dữ liệu người dùng (UDCH): thực hiện truyền dữ liệu hai chiều, nó được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các AP và các MT trong CM hoặc giữa các MT trong DM. UDCH có thể kết hợp hoặc không kết hợp thành các LCCH. 9. Kênh điều khiển kết nối (LCCH): thực hiện truyền dữ liệu hai chiều, nó được dùng để thay đổi thông tin phản hồi ARQ và loại bỏ bản tin cả trong CM và DM. LCCH cũng được sử dụng để truyền những thông báo yêu cầu tài nguyên (RRs) theo tuyến lên (chỉ trong CM) và những thông báo loại bỏ cho một UBCH sử dụng kiểu phát lặp. Các LCCH có hoặc không thể kết hợp với các UDCH/UBCH. 10. Kênh điều khiển hợp nhất (ASCH): dành cho tuyến lên, trong trường hợp này các MT không thể hợp nhất thành một AP sẽ truyền một thông tin hợp nhất mới và yêu cầu một handover Những kênh logic được hình thành trong các kênh vận chuyển khác nhau. Những kênh chuyên trở này đưa ra các yếu tố cơ bản cho việc xây dựng các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) và mô tả khuông dạng của các bản tin (độ dài, các tham số mô tả tương ứng). Tuy nhiên nội dung của bản tin thông báo và các tham số của nó tuỳ thuộc vào các kênh logic. Các kênh vận chuyển được đặt tên và đươc viết tắt với ba kí tự. Sau đây là các kênh chuyên trở được định nghĩa trong lớp DCL: 1. Kênh quảng bá (BCH): dành cho tuyến xuống, nó chứa 15 byte thông tin về tế bào radio như một sự nhận diện của AP và mức ưu tiên truyền hiện thời của nó. 2. Kênh khung (FCH): dành cho tuyến xuống, độ dài của kênh là bội số của 27 octet. Nó chứa sự mô tả cách tài nguyên được cấp phát và có thể cũng chứa thông tin về phần khung rỗng. 3. Kênh phản hồi truy nhập (ACH): dành cho tuyến xuống, chiều dài của nó là 9 octet. Nó chứa thông tin về yêu cầu truy nhập của các RCH trước đó. 4. Kênh vận chuyển dài (LCH): là kênh kết nối hai chiều, chiều dài của nó là 54 octet. Nó được dùng để truyền DLC user PDUs ( U-PDUs của 54 byte với 48 byte trong tải). WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 35 5. Kênh vận chuyển ngắn (SCH): kết nối hai chiều, chiều dài của kênh là 9 octet. Nó được sử dụng để thay đổi DCL điều khiển các PDU (9 byte C-PDU). 6. Kênh ngẫu nhiên (RCH): dành cho tuyến xuống, độ dài 9 octet. Nó được sử dụng để gửi các thông tin điều khiển khi không có SCH nào được cấp. Nó mang dữ liệu RRs cũng như ASCH và DCCH. Hình 2.18-2.20 cho thấy bản đồ sự chuyển đổi của những kênh logic thành những kênh vận chuyển trong kiểu tập trung và kiểu trực tiếp. Hình 2.18 Ánh xạ giữa kênh logic và kênh vận chuyển trong tuyến xuống. Hình 2.19 Ánh xạ giữa kênh logic và kênh vận chuyển trong tuyến lên. Hình 2.20 Ánh xạ giữa kênh logic và kênh vận chuyển trong kết nối trực tiếp. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 36 2.3.6.1 Lớp MAC Giao thức MAC dựa trên cơ sở TDMA/TDD và các khung cho biết một chu kỳ lặp lại của 2ms. Các AP điều khiển phân phối tài nguyên và hầu như xác định rõ nếu hai MT có thể trao đổi thông tin trực tiếp. Một AP cần biết trạng thái bộ đệm của mình và các bộ đệm khác bên trong các MT và việc phân phối tài nguyên mà RG đã vận chuyển. Các MT có thể yêu cầu tài nguyên, (thuật ngữ là dung lượng truyền), và sử dụng RRs (nơi có sự nhận định về trạng thái những bộ đệm AP). Việc chọn lựa này các MT có thể yêu cầu dung lượng cố định trên nhiều khung. 2.3.6.2 Thao tác MAC Giao thức MAC kéo theo những yếu tố sau: • Một bộ lập lịch, tập trung bên trong AP giúp xác định sự hợp thành của khung MAC. Nó tuân theo các quy tắc của mỗi kênh chuyên chở mà nó quản lý. Để xắp xếp hình thành khung, nó sử dụng các thông tin có trong RRs( mà các RR này được truyền bởi MT) và trạng thái của bộ đệm truyền dẫn tuyến xuống. • Một tiến trình trong Aps và trong MTs( nhận và truyền PDUs theo khung MAC) được định nghĩa bởi AP. • Một tiến trình chuyển đổi những kênh logic thành những kênh chuyên chở. • Những thực thể MAC trao đổi thông tin điều khiển giống như trong FCCH và yêu cầu tài nguyên hay sự phản hồi cho kênh chanh chấp. Giao thức MAC cung cấp sự nhận biết lỗi đặc biệt trong quá trình kết nối lên trên với các RRs và việc loại bỏ các PDU. Sự nhận biết này gồm các trường hai bit. Bít đầu tiên (được gọi là bit chứa lí do lỗi ) chứa tổng số lỗi bên trong các BCH và FCH hay LCH. Bit thứ hai (gọi là bit chất lượng kênh truyền) chứa chất lượng toàn bộ kênh truyền. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 37 Thao tác AP MAC Một trong các quá trình thực hiện truyền thông tin từ các AP là việc tính toán sự hợp thành khung; các kênh BCH, FCH và ACH cũng được chuẩn bị và được truyền. Chúng có khả năng truyền ( với tuyến xuống), nhận và sử lý các PDU tới từ các MT chấp nhận kết nối hiện thời và sự hợp thành khung (với tuyến lên). Quá trình này được thực hiện cả trong CM và DM (thực tế thì AP cũng có thể được kéo theo trong quá trình kết nối trực tiếp). Cuối cùng các AP nhận và sử lý các PDU được truyền bởi các MT trong RCH và các ACH đáp ứng. Thao tác MT MAC Các MT nhận và sử lý BCH và FCH, và có khả năng ước lượng cấu khung hiện thời. Chúng cũng có khả năng truyền (trong quá trình truyền xuống dưới), nhận, sử lý các PDU tới từ các MT chấp nhận kết nối hiện thời và sự hợp thành khung (trong quá trình truyền lên trên) theo quy luật. Quá trình này được thực hiện trong cả CM và DM. Cuối cùng chúng có thể truy nhập tới RCH, kết cấu khung và ACH. 2.3.6.3 Khung MAC Cấu trúc khung MAC được chỉ trong hình 2.21. Hai hay nhiều hơn STA kết nối trực tiếp ở bất kì đâu, dữ liệu của chúng phải được truyền trong pha kiên kết trực tiếp (DIL) mà nó sẽ hình thành. Chúng ta chú ý rằng khoảng thời gian của BCH cố định trong khi những kênh khác thì thời gian sống được đáp ứng động bởi sự phụ thuộc của AP vào tình trạng kênh truyền. Hình 2.21 cấu trúc khung MAC cơ bản WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 38 2.3.6.4 Địa chỉ MAC Mỗi MT có sự liên hệ với MAC-ID, đây là địa chỉ duy nhất cho một AP và được gán tại thời điểm hợp nhất. MAC-ID được mã hoá với 8 bit, giá trị 0 và 254- 255 được dự trữ cho mục đích đặc biệt. Cũng giống như trong MT, mỗi kết nối cũng được định địa chỉ với một kết nối DLC-ID, địa chỉ này được mã hoá 6 bit. Trong kiểu tập trung, một DLCC-ID và MAC-IDs của AP và MT xác định phương thức truyền thông của chúng. Khi đó trong kiểu trực tiếp DLCC-ID và MAC-IDs của MT thì xác định kết nối của chúng. Network identifer (NET-ID) xác định APs cùng thuộc một mạng của một quá trình truyền tin nhất định. 2.3.6.5 Truy cập tới RCH Mỗi MT quản lý một của sổ tranh chấp CWa, là số lượng sự chuyển tiếp bởi MT. Quá trình truyền tin đầu tiên, a có giá trị bằng 0. CWa điều khiển sự truy cập tới RCH và kích thước của nó được tính như sau: 1. Lần truyền đầu tiên: a=0, CWa =n 2. Quá trình truyền: a ≥1, CWa =256 nếu 2a ≥256; CWa = 2a nếu n< 2a ≤256; CWa = n nếu n ≥ 2a CWa được tạo bởi giá trị max(2a, n) RCHs, và mỗi giá trị được tăng lên từ 1 đến CWa.Trong quá trình truyền của nó, mỗi MT chọn ngẫu nhiên số r trong khoảng từ 1 tới CWa và bắt đầu đếm từ r RCHs. MT chỉ có thể truy cập vào r th RCH. Cuối cùng nếu nó nhận được ACK với hồi tiếp dương, nó sẽ thiết lập lại từ a tới 0. 2.3.7 Các DCL khác Hầu hết các dịch vụ DCL được thực hiện bởi RLC và những thực thể EC. Trong một số trường hợp đặc biệt, RLC thực hiện quyền điều khiển của lớp DCl. Nó bao gồm 3 nhân tố, mỗi nhân tố có chức năng hoạt động khác nhau. Các thực thể báo hiệu này là điều khiển kết nối DLC (DCC), RRC và ACF. Điều khiển kết nối DLC đang được đặc biệt hoá trong quá trình đưa ra báo hiệu thích hợp cần thiết để thiết lập hoặc huỷ bỏ kết nối. Chức năng thiết lập kết WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 39 nối bắt đầu khi có yêu cầu, các yêu cầu này được xuất phát từ MT là chủ yếu. Trong suốt quá trình này, các đặc tính kết nối được sử dụng. Nếu AP chấp nhận yêu cầu của MT, một bản tin xác nhận được gửi trở lại. DCC cũng hỗ trợ chức năng báo hiệu giải phóng và khả năng sửa đổi kết nối được thiết lập. ACF hỗ trợ tất cả các chức năng liên quan tới sự trao đổi thông tin về dung lượng kết nối và sự kết hợp của MT với AP tương ứng. Nếu MT tìm thấy AP thích hợp nhất để liên kết (quyết định này dựa vào những phép đo tín hiệu của MT), nó sẽ yêu cầu một MAC-ID từ AP đó. Quá trình được tiếp tục với sự trao đổi thông tin trong lớp PHY, lớp quy tụ, chức năng chứng thực và mã hoá. Sự mã hoá bắt đàu với một chìa khoá trao đổi để đảm bảo an toàn giữa các phần. HIPERLAN-2 hỗ trợ cả hai tiêu chuẩn :mã hoá dữ liệu và giải thuật mã hoá 3-DES. Các yếu tố như: thủ tục chứng nhận,bản tin tóm lược (MD5), mã xác nhận hasbased (HMAC), rivest, Shamir, thuật toán Adleman (RSA) cũng được hỗ trợ. Sau khi sự hợp nhất được hoàn thành, MT sẽ đòi hỏi một hoặc nhiều kết nối người dùng DLC. Việc phân tách có thể làm theo hai cách: explicitly hay implicitly. Dạng của nó là MT khởi đầu và xuất hiện khi MT không có yêu cầu giao tiếp từ hệ thống mạng, đây là một tình trạng đặc biệt sảy ra sau một thời gian dài MT ngừng hoạt động. Quá trình điều khiển tài nguyên sóng vô tuyến kéo theo bốn chức năng chính: handover, lựa chọn tần số động (DFS), MT sống và nguồn nuôi quá trình sử lý. Handover chính là MT khởi đầu, nó yêu cầu chất lượng những phép đo của mối liên kết từ các MT khác để quyết định hoạt động của handover (quá trình handover được mô tả chi tiết trong mục 4.3.8) Lựa chọn tần số động là quá trình tự gán các tần số cho mỗi AP trong truyền thông. Những thủ tục này tính đến cả vấn đề nhiễu từ các AP và những phép đo MT hợp nhất của chúng. MT sống cung cấp AP với khả năng cấu hình lại nếu bất kỳ một MT hợp nhất nào không truyền phát được. Một bộ đệm thời gian có thể được thiết lập để giới hạn thời gian tạm nghỉ của các MT. Nếu không có sự phản hồi nào từ MT tới AP, một quá trình phân tách bắt đầu. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 40 Nguồn nuôi được sử dụng để xác nhận tín hiệu dành riêng cho quá trình điều khiển năng lượng truyền và định nghĩa trạng thái nghỉ của MTs Thực thể điều khiển lỗi của HIPERLAN-2 hỗ trợ ba chế độ hoạt động khác nhau: • Chế độ báo nhận. • Chế độ phát lặp. • Chế độ không báo nhận. Chế độ báo nhận cung cấp sự truyền đáng tin cậy sử dụng quá trình chuyển truyền lại để khắc phục tuyến kết nối chất lượng kém. Sự chuyển tiếp này dựa trên sự báo nhận từ máy thu. Giao thức ARQ được sử dụng ở đây là sự lặp lại có chọn lọc (SR) và EC chấp nhận kích thước của cửa sổ truyền sẽ được sử dụng, việc này tuỳ thuộc vào yêu cầu của mỗi kết nối. Để hỗ trợ QoS cho ứng dụng giới hạn thời gian (tiếng nói, hình ảnh thời gian thực), EC cũng có thể sử dụng một cơ chế loại bỏ để loại bỏ LCHs đã quá thời gian sống. Hình 2.22 minh hoạ dữ liệu và điều khiển luồng trong chế độ báo nhận. Hình 4.22 Luồng điều khiển và dữ liệu trong kiểu xác nhận. Chế độ phát lặp cũng cung cấp một quá trình truyền đáng tin cậy bởi việc lặp lại LCHs. Trong chế độ này, nơi phát sẽ truyền liên tiếp các LCH mới và được chấp nhận để tạo ra sự lặp lại trong mỗi LCH. Nơi thu không cung cấp bản tin phản hồi nào. Kiểu phát lặp được sử dụng cho sự truyền của UBCH. Hình 2.23 minh hoạ luồng dữ liệu và điều khiển luồng trong chế độ phát lặp. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 41 Hình 2.23 Luồng dữ liệu và luồng điều khiển trong kiểu phát lặp Cuối cùng, chế độ không báo nhận cung cấp quá trình truyền không tin cậy. Trong chế độ này, dữ liệu chỉ được truyền từ nơi phát tới nơi thu. Không có điều khiển phát lại ARQ hoặc thông báo loại bỏ nào được hỗ trợ. Kiểu không xác nhận được sử dụng cho quá trình truyền của UMCH, DCCH trong LCH, và RBCH trong LCH, nhưng cũng có thể được sử dụng cho UDCH (UDCH trong một kết nối nhất định có thể được gửi trong chế độ báo nhận hoặc không báo nhận. Hình 2.24 minh hoạ việc điều khiển luồng và dữ liệu trong chế độ không báo nhận. Hình 2.24 Luồng dữ liệu và điều khiển trong kiểu không xác nhận 2.3.8 Handover Khả năng handover được hỗ trợ cho HIPERLAN-2 chính là MT khởi đầu. Tuy nhiên có một AP-khởi đầu cho handover trong trường hợp một AP muốn giảm tải của nó để tăng khả năng thực hiện hoặc cho các mục đích khác. Hoạt động này sẽ không thực hiện nếu MT không đủ dung lượng cho một quá trình handover. MT handover có thể thức hiện theo 3 cách khác nhau:chuyển giao khu vực, chuyển giao sóng vô tuyến và chuyển giao mạng. Chuyển giao khu vực là quá trình xảy ra khi một MT di chuyển từ một sector này tới sector khác. Điều này có nghĩa là MT làm việc trong một tế bào sectorzised. MT yêu cầu chuyển giao theo sector cũ. Nếu việc truyền thông giữa sector cũ và WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 42 MT khả thi, MT sẽ thay đổi tới sector mới; nói một cách khác nó sẽ phải gửi một yêu cầu cho sector mới và chuyển tới đó. Trong cả hai trường hợp, AP cần phải trả lời với một bản tin ACK. Handover radio (intra-IP) yêu cầu một môi trường nhiều bộ phát trên một tế bào. Nó có thể xuất hiện khi một MT hợp nhất di chuyển từ vùng biên của một AP truyền (APT) tới vùng biên của một AP khác, khi chúng cùng thuộc một AP. Hệ số của toàn bộ quá trình tính từ MT khởi đầu và MT thông báo cho AP về hoạt động handover. Trong trường hợp MT bị trả về vùng cũ, nó vẫn phải thông báo cho AP hợp nhất. Quá trình truyền thông giữa hai thực thể này được thực hiện thông qua APT cũ, cho tới khi AP nhận được bản tin về handover. Ngoại trừ bản tin này, MT phải gửi một yêu cầu để thông tin tới AP đích. Quá trình handover sẽ không kết thúc cho đến khi MT nhận được thông tin đầy đủ về handover radio. Handover mạng (inter-AP) là quá trình phức tạp nhất bởi vì nó kéo theo chức năng lớp cao hơn. Nó xuất hiện trong khi một MT kết hợp di chuyển từ AP này tới AP khác. Loại handover này về cơ bản giúp hỗ trợ quy trình báo hiệu như handover radio nhưng cũng bao gồm một cơ chế an toàn để khẳng định MT đó thực sự tạo ra một handover mạng từ AP cũ thành AP mới. Loại handover này có thể yêu cầu giao thức báo hiệu đặc biệt ở các lớp cao hơn để duy trì sự hợp nhất với những tính chất trên và để đảm bảo tận dụng kết nối được thiết lập. Một handover radio và mạng được minh hoạ trong hình 2.25. Hình 2.25 Quy trình handover mạng và radio WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 43 2.3.9 CL CL có hai chức năng chính. Chức năng đầu tiên đó là thích nghi những yêu cầu dịch vụ lớp cao hơn tới chức năng của lớp DCL. Chức năng thứ hai là sửa đổi dữ liệu truyền trong mỗi đơn vị (gói) , vì vậy các thông tin đó được chấp nhận khi tới các lớp cao hơn hay thấp hơn. Cho đến lúc này có hai kiểu định nghĩa CL. Một là tế bào cơ sở và được sử dụng cho kết nối với mạng ATM, trong khi gói cơ bản khác được sử dụng cho kết nối với mạng cố định. Lớp quy tụ được phân chia thành hai phần chính đó là CP và SSCS. Mục đích chung của các phần này là sẽ phân chia, hợp nhất những gói đi qua nó và thêm một vài bit dư thừa để tạo sự tương thích với những khuôn dạng gói của lớp khác. Mỗi lớp con sẽ tạo ra sự thích nghi trong quá trình truyền tin để giao tiếp với mạng cố định. Cho đến lúc này, chỉ có giao diện Ethernet được nói rõ. 2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 Một vấn đề hết sức quan trọng, trong quá trình mạng hoạt động, mỗi khách hàng có thể sử dụng mạng vào nhiều kiểu truyền tin khác nhau. Tuy nhiên phương thức này cần phát triển mỗi ngày cùng với yêu cầu sử dụng dịch vụ tốt hơn. Mỗi một luồng truyền dẫn khác nhau thì yêu cầu sự nghiên cứu khác nhau, dựa vào dải thông, thời gian trễ, hoặc tỉ lệ bit lỗi của chúng để ngăn ngừa các dịch vụ không đáp ứng được. Để giải quyết vấn đề này, những chức năng đặc biệt của HIPERLAN-2 đưa ra các vấn đề sau: HIPERLAN-2 hỗ trợ QoS theo nhiều cách khác nhau. Điều này có thể được tập trung vào ba điểm chính trong kiến trúc HIPERLAN-2 hiện thời. Đầu tiên, kết nối định hướng tự nhiên của HIPERLAN-2 tạo ra kết nối dễ dàng để thực hiện trợ giúp cho nhiều kết nối QoS khác nhau. Dữ liệu được truyền giữa AP và MT ngay sau khi quá trình kết nối hoàn thành. Quá trình này yêu cầu chức năng báo hiệu mà nó liên quan đến phần điều khiển kết nối người dùng DCL của RLC. Đa số các kết nối được hỗ trợ là hai chiều và kết nối điểm-điểm. và kết nối điểm – đa điểm cũng được hỗ trợ trong kết nối đơn hướng từ AP đến MT. Tính năng chính của hỗ trợ QoS là ánh xạ lên các RLC PDUs. Quá trình này diễn ra trong suốt quy trình thiết lập kết nối, khi tính chất của mỗi kết nối đang được thoả thuận giữa AP và MT. DLC cung cấp hai kiểu thiết lập đó là: quy trình WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 44 thiết lập kết nối người dùng DLC với AP (DUC) và quy trình kết nối MT-người dùng (DUC). Trong cả hai quy trình này, AP quyết định có hay không thiết lập kết nối cuối cùng. Ánh xạ của QoS yêu cầu có thể dễ dàng được thực hiện bên trong khung dữ liệu mang thông tin thiết lập kết nối. Số lượng thuộc tính trao đổi được giới hạn bởi kích cỡ của LCH. Điểm cuối cùng của QoS trong hoạt động của HIPERLAN-2 là các khả năng khác nhau của SSCS. Giả thiết Ethernet SSCS là tiêu chuẩn có thể được sử dụng ở bên dưới IPv6, những khả năng đó nâng cao hiệu suất của QoS. Điều này có thể đạt được khi sử dụng quyền ưu tiên của QoS theo chuẩn 802.1( nó được hỗ trợ bởi Ethernet SSCS). Theo chuẩn này, 8 mức ưu tiên khác nhau được đưa ra. Những quyền ưu tiên này được ánh xạ tới hàng đợi và thông tin về quyền ưu tiên được mang ở phần tiêu đề vừa được chèn vào trong khung IEEE 802.3. Tiêu đề này giúp phân biệt kiểu dữ liệu truyền, trong khi mỗi kiểu được gán một số đặc biệt. AP và MT sử dụng chuẩn IEEE802.1p trong khi các chuẩn hỗ trợ thông thường là sự phối hợp tốt nhất. 2.4 MMAC-PC MMAC-PC thay thế cho hệ thống thông tin truy cập di động đa phương tiện. Mục đích chính của những hệ thống MMAC là cung cấp truyền tin tốc độ cao của thông tin đa phương tiện chất lượng cao vào bất kỳ thời điểm nào và tại bất cứ đâu với sự liên kết tới mạng cáp quang. Vị trí của MMAC được chỉ ra ở hình 2.26 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 45 Hình 2.26 Vị trí MMAC Chuẩn này chia MMAC thành 4 phần: • Truy cập không dây tốc độ cao (outdoor and indoor): đó là các hệ thống thông tin di động mà có thể truyền lên với tốc độ 30Mbps sử dụng băng tần 25-/40-/60-GHz và băng thông từ 500 tới 1,000 MHz. Vùng phục vụ điển hình là không gian công cộng và không gian cục bộ. Chỉ hỗ trợ di chuyển bằng với tốc độ đi bộ, những thiết bị đầu cuối như PC và những thiết bị tương tự sẽ được hỗ trợ (với handover). • Ultra-high-speed WLAN: đây là một mạng WLAN có thể truyền lên với tốc độ 156Mbps sử dụng băng tần 60GHz với giải thông từ 1 đến 2GHz. Nó có thể được sử dụng cho truyền hình hội nghị chất lượng cao, vì vậy PC và những trạm làm việc là những thiết bị đầu cuối tiềm năng. • Mạng truy cập di động băng tần 5GHz. Đây là mạng truy cập không dây ATM và mạng WLAN Ethernet sử dụng băng tần 5 GHz. Mỗi có thể truyền lên với tốc độ 25Mbps cho truyền thông tin đa phương tiện. Vùng phủ sóng dịch vụ xung quanh nơi phát đó là không gian ngoài trời và trong không gian riêng biệt. Quá trình di động nhỏ và lan trải được cũng sẽ được WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 46 hỗ trợ. Các thiết bị đầu cuối giống như là những PC cá nhân và đầu cuối sách tay có thể áp dụng cho quá trình này. Nói chung IEEE 802.11a cung cấp một khung vật lý và những địa chỉ MAC. • Wireless home link: có thể truyền lên với tốc độ 100Mbps sử dụng băng tần 5-/25-/40-/60-GHz cấp phát một giải thông lớn hơn 100 Mbps. Chính đặc tính này được sử dụng cho việc truyền âm thanh và hình ảnh giữa các PC và thiết bị đầu cuối. Khả năng lưu động thấp cũng được hỗ trợ. 2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11 Phần cuối cùng này của chương đưa ra một vài sự xem xét trong khi lập kế hoạch triển khai IEEE 802.11 cho môi trường không gian tự do và không gian riêng. Trong trường hợp đó chúng ta cũng mô tả các thiết bị mà nhà sản xuất cung cấp, Avaya. Điều này cho phép triển khai mô hình IP không dây trong môi trường không gian ngoài trời và hiện nay trên thị trường đã có chuẩn cài đặt tương thích với khuôn mẫu IEEE 802.11b. 2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh Băng thông làm việc gán cho IEEE 802.11b đáp ứng được băng tần trung tâm sử dụng trong công nghiệp, khoa học và y học ở 2.4 GHz. Băng tần này được điều chỉnh khác nhau theo khu vức Châu Âu, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Thậm trí theo chuẩn Châu Âu, Pháp có sử dụng băng chuẩn này để tạo ra sự riêng biệt như ta thấy trong bảng 2.5. Bảng này chỉ ra tập hợp các kênh dùng cho kiểu hoạt động trong cơ sở hạ tầng IEEE 802.11b với phạm vi trải rộng (DS). WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 47 Bảng 2.5 Kênh thiết lập cho IEEE 802.11b DS Spread Spectrum (in GHz) Trong bảng 2.5 những tần số tương ứng được chỉ định tương ứng cho mỗi kênh và băng thông của mỗi kênh là 22MHz, và một phần của các kênh này chồng lấn lên nhau. Hình 2.27 cho thấy tình trạng này cho trường hợp U.S. Hình 2.27 Sự phân bố kênh ở Mỹ cho băng tần 2.4-GHz IBM Đa số các thiết bị trên thị trường cho phép sự lựa chọn của một kênh hoặc thông qua hàng loạt các cấu hình do các nhà sản xuất cung cấp cho mục đích này. Hình 2.28 chỉ ra menu cấu hình của một điểm truy nhập Avaya mà điểm truy nhập này cho phép quá trình chon lọc ở trên diễn ra. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 48 Hình 2.28 Việc lựa chọn kênh và tần số thông qua menu cấu hình Do có sự xếp chồng lên nhau của một bộ phận giải tần số mà có thể tạo ra các kênh khác nhau khi có hơn một kiến trúc mạng WLAN liền hề hoạt động trong cùng một môi trường. Như vậy thật cần thiết để duy trì một sự phân tách tối thiểu giữa các kênh sẽ được sử dụng. Mức giới hạn được tạo ra khi một AP có khả năng đặt hai thẻ PCMCIA với mục đích có hai mạng WLAN làm việc độc lập. Trong trường hợp này hình 2.29 chỉ ra sự tồn tại từ các lý thuyết được cung cấp bởi Avaya, cho thấy sự kết hợp giữa các kênh cùng tồn tại của phân đoạn không dây. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 49 Hình 2.29 Việc kết hợp kênh cho hai mạng WLAN khác nhau trong cùng một AP 2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng Khi một cơ sở hạ tầng WLAN được triển khai thì mục tiêu đặt ra là đảm bảo chức năng của các thiết bị. Sẽ rất có lợi khi thực hiện quá trình thử nghiệm liên quan đến những điểm trong phạm vi mô hình. Như vậy sẽ rất cần thiết biết những khía cạnh liên quan đến khả năng truyền, tính nhạy của thiết bị, những nhân tố gây nhiễu có thể và môi trường truyền dẫn. Trong phần này,một vài quá trình thực hành được cung cấp cho phép người đọc tiếp cận với sự triển khai một cơ sơ hạ tầng không dây. 2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM Băng tần ISM là yêu cầu của phần còn lại ở băng tần bắt buộc mà nó được thiết lập tới mức tối đa ngang bằng công suất phát với mục tiêu giảm tối đa nhiễu giữa các người dùng khác nhau. Giá trị cực đại của công suất phát phụ thuộc vào mỗi modul điều khiển. Ở Mỹ, hội (FCC) đã cố định giới hạn là 1W, ở Châu Âu, ETSI đã đặt giới hạn cường độ bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) là 100mW, ở Nhật bản là 10mW/MHz. Vì thế dẫn đến việc thiếu một sự phối hợp điều khiển WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 50 thực sự để đưa ra các chuẩn chung cho những vùng sử dụng cùng băng tần, điều quan trọng là phải dựa trên giá trị của công suất phát được thiết lập mà không làm thay đổi truyền thông của các thiết bị cận kề. Trên thực tế việc thiết lập này biết rằng bất kỳ sóng RF nào được phát bởi thiết bị radio của mạng WLAN mà không được xác nhận như là một tín hiệu được tạo ra bởi IEEE 802.11b trong phạm vi DS sẽ được xem là nhiễu. Đặc biệt nó bao gồm cả tín hiệu 802.11b được tạo ra bởi các thiết bị hoạt động trong các băng tần khác. Sự tồn tại của tín hiệu nhiễu làm cho bên thu sẽ nhận được các gói tin bị lỗi ( tạo ra trong quá trình truyền dữ liệu trong lớp MAC) làm giảm hiệu suất truyền. Như ta đã biết các thiết bị cũng có một cơ chế làm giảm tốc độ truyền ( sau khi hai lần truyền gói tin thất bại, NACK được gửi đi), sự có mặt của nhiễu có thể dẫn tới sự thoả thuận truyền với tốc độ bit thấp hơn (từ 11Mbps thành 5.5,2,hay thậm trí là 1 Mbps với sự giảm lưu lượng đáng kể). Nói chung để tránh tình trạng này thì cần thiết duy trì một mức tín hiệu trong khoảng 10-12 dB hơn mức ồn. Một menu được đưa ra trong hình 2.30 như một khuyến nghị người dùng theo dõi tín hiệu và nhiễu của mỗi kết nối tại bất kỳ thời điểm nào để giúp tìm ra vị trí tối ưu của thiết bị. Hình 2.30 Hiển thị giá trị tín hiệu và ồn đo được tại thiết bị gốc và thiết bị từ xa WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 51 Điều này cần được đề cập vì chúng ta không chỉ quan tâm tới nguồn nhiễu thông thường như là vi sóng hay đường dây cung cấp nguồn mà còn quan tâm tới lan truyền đa đường. Trên thực tế việc sử dụng DS spread spectrum trong IEEE 802.11b cho phép chúng ta lan truyền đồng thời tới một điểm (phụ thuộc vào mối quan hệ giữa thời gian trễ và khe thời gian) bằng việc thực hiện một cấu trúc RAKE ở nơi nhận- đa số các nhà sản xuất đều làm như thế. Chúng ta phải chú ý rằng việc thực hiện truyền tin tốt thì phải từng phần triệt tiêu nhiễu như trong các lò và những mô tô điện. 2.5.4 Vùng phủ sóng Mỗi một hiệu ứng ồn, tính chất của nhiễu và những giới hạn tương ứng đã được phân tích, chúng ta có thể mô tả tóm tắt những vấn đề đã được xem xét khi lập kế hoạch phủ sóng một vùng. Chúng ta sẽ rất cần thiết phải biết về môi trường truyền dẫn (đó là không gian tự do hay không giam riêng và các đặc trưng của nó), công suất phát, độ nhạy của thiết bị thu. Bảng 2.6 cho ta thấy các độ nhạy và thời gian trễ (tỉ lệ lỗi khung (FER) ít hơn 1%) của thiết bị cung cấp bởi Avaya tại những tốc độ làm việc khác nhau: Bảng 2.6 Các tham số về độ nhạy và độ trễ máy thu trong thiết bị WLAN Nói về các tham số này như là một tín hiệu nhiễu. Bảng 2.7 đưa ra một vài ví dụ về phạm vi cho môi trường indoor cung cấp bởi nhà sản xuất với tổng nguồn phát danh định là 15dBm. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 52 Bảng 2.7 Những vùng phủ sóng có điều kiện môi trường không gian riêng khác nhau Phạm vi phủ sóng có thể được mở rộng đáng kể khi sử dụng một anten giới hạn phạm vi, như được chỉ ra trong hình 2.31 Hình 2.31 Anten có phạm vi phủ sóng giới hạn. Việc nối một anten có phạm vi giới hạn tới mạng WLAN tương ứng cung cấp một công suất thu thực là 2.5dB, vô hiệu hoá anten với bức xạ đẳng hướng. Cuối cùng ta phải đề cập tới mục tiêu thiết kế tế bào thích ứng với môi trường truyền tin. Cấu trúc của APs cung cấp một dung lượng cho kích thước tế bào cố định, sửa đổi các ngưỡng giá trị. Bằng cách này, nó sẽ cho phép đặt hai AP tại khoảng cách ngắn hơn, vì thế nó trả lời các yêu cầu bắt nguồn từ phần tập trung cao của người dùng trong những khu vực phủ sóng xác định. Để kết thúc phần thực hành liên quan tới sự thực thi của IEEE 802.11b, chúng ta sẽ giải quyết một vài vấn đề về không gian truyền dẫn. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 53 2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 54 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. Bảng 4.8 Các khoảng cách đạt được tại môi trường ngoài trời. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 55 Chương 3 WPANs 3.1 Giới thiệu 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 56 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 57 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 58 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 59 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. WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 60 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 61 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 Hình 3.6 TDD và định thời WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 62 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 63 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 Hình 3.8 Khuôn dạng khung Bluetooth WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 64 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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 65 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 Hình 6.10 chỉ ra hai khối đệm cho mỗi thực thể trong khi máy chủ có một bộ đệm riêng biệt Tx ACL cho mỗi máy tớ và một bộ đệm Rx đơn dùng chung cho tất cả các máy tớ. Một hay nhiều bộ đệm Tx SCO phục vụ cho một máy tớ, phụ thuộc vào mối liên kết khác nhau được thiết lập giữa chúng. Trong các bộ đệm ACL chỉ có thể tìm thấy các gói ACL, điều này cũng đúng trong bộ đệm SCO ngoại trừ gói tiếng nói/dữ liệu. Bộ đệm ACL dùng cho tiếng nói và bộ đệm SCO dùng cho đệm dữ liệu. Mỗi bộ đệm Tx/Rx bao gồm hai thanh ghi first input first output (FIFO): thanh ghi hiện thời hiện thời, và thanh ghi tiếp theo. Mỗi chuyển mạch hình 3.10 được điều khiển bởi mỗi thực thể khác nhau. Nhưng các chuyển mạch tại đầu vào và đầu ra của thanh ghi FIFO không bao giờ được kết nối tới cùng một thanh ghi. Đặc biệt các chuyển mạch kết nối với bộ đệm ACL chỉ thay đổi vị trí khi một ACK đến, nói cách khác các chuyển mạch này được kết nối với bộ đệm SCO thay đổi theo Tsco. Bằng cách này nếu tải tin cần được gửi đi (hoặc nhận) thì bộ tạo gói (packet composer) sẽ đọc (ghi) vào các danh sách hiện thời và khuôn dạng gói phụ thuộc vào kiểu của chúng. Bộ đệm bị hạn chế về dung lượng vì thế điều khiển luồng là cần thiết. Đồng bộ hoá chủ/tớ Nhịp đồng hồ của máy chủ thực hiện đồng bộ hoá cho toàn bộ piconet. Từ WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền 66 một chỉ định của máy chủ, tất cả các máy tớ đều phải điều chỉnh đồng hồ hệ thống. Thông tin này được chứa trong các gói tin khi truyền đi. Cơ chế này đảm bảo một máy tớ luôn luôn tuân theo máy chủ. Nó sử dụng 28 bit đếm LSB với độ dài 312.5