Đề tài: Tìm hiểu về WLANS, WPANS và xu hướng phát triển thông tin di động 4G

Chia sẻ: Pham Van Thoan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

211
lượt xem 77
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: 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 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 1 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 2 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 3 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 4 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 Kết luận ................................................................................................................ 94 5 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 6 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 7 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 8 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 9 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 10 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 11 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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, 12 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 PHSS IR PHY PHY 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 13 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G • 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. 14 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 15 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 Thực thể quản lý lớp con MAC Lớp con MAC MLME_SAP PHY_SAP MLME_PLME_SAP Thực thể quản lý Lớp con PLCP trạm PMD_SAP Thực thể quản lý Lớp con PHY PLME_SAP Lớp con PMD 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). 16 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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 17 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G • 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 18 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 19 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G 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. 20 §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền