bảo đảm công bằng luồng trong các mạng ad hoc không dây

Một cải tiến của phương thức có thể sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau để giúp làm giảm tối thiểu các xung đột ở trạm truyền và nhận trao đổi các khung điều khiển ngắn [ yêu cầu gử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀNG CHIẾN

BẢO ĐẢM CÔNG BẰNG LUỒNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2009

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHÂN LỚP 802.11 MAC TRONG CÁC MẠNG KHÔNG DÂY 3

1.1 Giới thiệu mô hình trong các mạng LAN không dây 3

1.1.1 Ad Hoc (IBSS- Independent Basic Service Set) 3

1.1.2 Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng (IBSS - Infrastructure Basic Service Set) 4

1.1.3 Tập dịch vụ mở rộng (ESS - Extended Service Set) 5

1.2 Mô tả chức năng phân lớp MAC 6

1.2.1 Kiến trúc MAC 6

1.2.1.1 Chức năng phối hợp phân tán (DCF) 6

1.2.1.2 Chức năng phối hợp điểm (PCF) 7

1.2.1.3 Sự cùng tồn tại của DCF và PCF 8

1.2.1.4 Phân mảnh 8

1.2.1.5 Dịch vụ dữ liệu MAC 9

1.2.1.6 Các kiểu khung 9

1.2.1.6.1 Định dạng khung 10

1.2.1.6.2 Định dạng các khung thông thường 14

1.2.2 DCF 16

1.2.2.1 Cơ chế cảm biến tần số 18

1.2.2.2 Các thông báo nhận tầng MAC 18

1.2.2.3 Interframe space (IFS) 19

1.2.2.3.1 Short IFS (SIFS) 19

1.2.2.3.2 PCF IFS (PIFS) 20

1.2.2.3.3 DCF IFS (DIFS) 20

1.2.2.3.4 Extended IFS (EIFS) 21

1.2.2.4 Thời gian backoff ngẫu nhiên 21

1.2.2.5 Thủ tục truy cập DCF 22

1.2.2.5.1 Truy cập cơ sở 23

1.2.2.5.2 Thủ tục Backoff 24

1.2.2.5.3 Thiết lập và cài đặt lại NAV 25

1.2.2.5.4 Điều khiển kênh 26

1.2.2.5.5 Cách sử dụng RTS/CTS với phân đoạn 28

1.2.2.5.6 Thủ tục CTS 29

1.2.2.5.7 Thủ tục ACK 30

1.2.2.5.8 Những quan hệ tính toán thời gian DCF 31

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN CỦA SỰ KHÔNG CÔNG BẰNG LUỒNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY 34

2.1 Vấn đề không công bằng luồng trong các mạng Ad Hoc không dây 34

2.1.1 Không cân bằng luồng gây ra bởi tầng liên kết 34

2.1.2 Không cân bằng luồng gây ra bởi tầng MAC 36

2.2 Một số cơ chế đảm bảo công bằng luồng trong các mạng không dây 38

2.2.1 Mô hình lập lịch tập trung 38

2.2.1.1 Mô hình mạng và các vấn đề liên quan đến sự công bằng 39

2.2.1.1.1 Mô hình mạng 39

2.2.1.1.2 Vấn đề tranh chấp phụ thuộc vị trí và sử dụng lại không gian 39

2.2.1.1.3 Vấn đề xung đột giữa sự công bằng và sử dụng kênh tối đa 40 2.2.1.1.4 Giải pháp không gian 40

2.2.1.2 Mô hình lập lịch gói tin 42

2.2.1.2.1 Mô hình fluid và đồ thị tranh chấp luồng 42

2.2.1.2.2 Đạt được công bằng tối thiểu thông qua chia sẻ hàng đợi công bằng 43

2.2.1.2.3 Các hàng đợi khe và các hàng đợi gói tin 45

2.2.2 Cơ chế phối hợp hàng đợi cho mỗi luồng 46

2.2.2.1 Cô lập lưu lượng dữ liệu nguồn 47

2.2.2.2 Trọng số khác nhau trên lưu lượng dữ liệu chuyển tiếp 48

2.2.2.3 Hàng đợi cho mỗi luồng 49

2.2.3 Cơ chế phối hợp điều khiển truyền 50

2.2.3.1 Cơ chế nghe 50

2.2.3.2 Cơ chế backoff 51

2.2.3.3 Cơ chế tranh chấp cơ sở 51

2.2.3.4 Cơ chế điều khiển tốc độ 52

2.2.3.5 Vấn đề nút ẩn đa chặng 54

2.2.4 Cơ chế MACAW( Media Access Protocol for Wireless LAN’s) 55

2.2.4.1 Các quy tắc điều khiển và trao đổi thông báo 55

2.2.4.2 Các quy tắc Backoff và sao chép 57

2.2.5 Chuẩn IEEE 802.11 e MAC 60

CHƯƠNG III: GIẢI PHÁP CẢI THIỆN SỰ CÔNG BẰNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY 61

3.1 Giải pháp cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng trong tầng liên kết 61

3.2 Giải pháp cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng trong tầng MAC 63 3.3 Phân tích những đặc trưng của giải pháp cải thiện sự công bằng 65

3.3.1 Đánh giá phân tích sự công bằng cho mỗi luồng 65

3.3.2 Đánh giá phân tích đối với môi trường tiện ích 67

3.4 Đánh giá các giải pháp thông qua mô phỏng 68

3.4.1 Mô hình đơn chặng 69

3.4.2 Mô hình đa chặng 73

KẾT LUẬN 77

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFP Contention Free Period Chu kỳ không xung đột

CCA Clear channel assessment Đánh giá kênh toàn bộ

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang nhằm tránh xung đột

Function

Chức năng phối hợp phân tán

DIFS DCF interframe space Khoảng cách liên khung

DCF

ESS Extended service sets Tập dịch vụ mở rộng

space

Khoảng cách liên khung

mở rộng FCS Frame check sequence Chuỗi kiểm tra khung FIFO First in First out Vào trước ra trước

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện điện

tử

LLC Logical link control Điều khiển liên kết logic

management entity MAC MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập

môi trường

protocol data unit

Đơn vị dữ liệu giao thức quản lý MAC

MPDU MAC protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức

MAC MSDU MAC service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

PIFS PCF interframe space Khoảng cách liên khung

RTS/CTS Request to Send/ Clear to

Send

Yêu cầu gửi/Sẵn sàng để nhận

Rx Receive or receiver Nhận hoặc thiết bị nhận

SFD Start frame delimiter Bắt đầu phạm vi khung SIFS Short interframe space Khoảng cách liên khung

ngắn

TA Transmitter address Địa chỉ thiết bị truyền

Tx Transmit or transmitter Truyền hoặc thiết bị

truyền

WEP Wired equivalent privacy Mã truy nhập tương

đương có dây

Bảng 1.1 Địa chỉ khác nhau của hai bit ToDS và FromDS 14

Hình 1.15 Minh họa việc truyền một đoạn MSDU sử dụng SIFS 27

Hình 1.17 RTS/CTS với độ ưu tiên truyền và thiếu báo nhận 29

Hình 2.1 Mô hình sự không công bằng xuất hiện tại tầng liên kết 35

Hình 2.2 Mô hình sự không công bằng xuất hiện tại tầng MAC 37 Hình 2.3 Mô hình truy nhập kênh của cơ chế gốc

Hình 2.4 Một mạng không dây đa chặng đơn giản với bốn nút sử dụng

và một gateway

47

Hình 2.5 Những sự phối hợp hàng đợi thích hợp cho các mạng không

dây đa chặng (a) Hàng đợi tầng mạng đơn.(b) Hai hàng đợi công bằng tại

tầng mạng.(c) Hai trọng số hàng đợi tại tầng mạng.(d) Hàng đợi công

bằng cho mỗi luồng tại tầng mạng

48

Hình 3.1 Giải thuật xác định số lượng các luồng 62

Hình 3.3 Một thao tác truy nhập kênh đợi DIFS 64

Hình 3.4 FairnessIndex của mỗi cơ chế với mô hình mạng trong hình 2.1 67

Hình 3.5 FairnessIndex của mỗi cơ chế với mô hình mạng trong hình 2.2 67

Bảng 3.2 Các đặc trưng riêng biệt của mỗi giải pháp 69

Hình 3.7 Thông lượng đạt được bởi mỗi luồng trong mô hình đơn chặng 70

Hình 3.8 So sánh FairnessIndex của mỗi cơ chế trong mô hình đơn

Hình 3.12 Thông lượng đạt được bởi mỗi luồng trong mô hình đa chặng 74

Hình 3.13 So sánh FairnessIndex của mỗi cơ chế trong mô hình đa chặng 75 Hình 3.14 So sánh môi trường tiện ích trong mô hình đa chặng 76

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các mạng Ad Hoc di động thu hút sự chú ý về một hình mẫu của cấu hình mạng trong tương lai, với lợi ích là có khả năng triển khai nhanh vì chúng không cần thiết bị phụ thuộc đã tồn tại Đồng thời, mạng Ad Hoc hiếm khi dựa vào các giao thức định tuyến đặc biệt, giao thức này phải được sửa lại nhằm đáp ứng với sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng Trong những công nghệ mạng LAN không dây, tiêu chuẩn IEEE 802.11MAC được xem như một công nghệ nổi bật triển khai trong các mạng Ad Hoc Sự nhận thức rõ về các mạng

Ad Hoc di động, việc cung cấp QoS (Quality of Service) hỗ trợ trong các mạng Ad Hoc là một nhiệm vụ quan trọng Trong số nhiều tham số của QoS,

sự công bằng luồng là một vấn đề quan trọng trong các mạng Ad Hoc Trong các mạng có dây truyền thống, sự không công bằng luồng xảy ra chủ yếu tại tầng liên kết Tuy nhiên, trong các mạng Ad Hoc di động, ngoài tầng kết nối, tầng MAC có ảnh hưởng quan trọng trong vấn đề công bằng luồng Mặc dù IEEE 802.11 MAC cung cấp sự phân chia băng thông hợp lý cho mỗi nút, nhưng để đạt được sự công bằng cho mỗi luồng, cần đến một phương thức đưa

ra sự phân chia băng thông công bằng cho mỗi luồng Đề tài “Bảo đảm công

bằng luồng trong các mạng Ad Hoc không dây” được viết với mong muốn

góp phần giải quyết vấn đề cấp thiết này

2 Tình hình nghiên cứu

Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được sự công bằng trong các mạng không dây Nhưng những kết quả đạt được không còn đúng nữa khi áp dụng vào trong các mạng

Ad Hoc mà sự hoạt động của mạng không dựa trên sự tồn tại của cơ sở hạ tầng tập trung

Do đó, việc nghiên cứu một cách hệ thống các vấn đề về sự công bằng trong các mạng Ad Hoc không dây nhằm đưa ra các giải pháp để tăng cường QoS trên mỗi luồng sẽ tạo ra một cơ chế đáp ứng được sự công bằng trong các mạng Ad Hoc

3 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu một số vấn đề lý luận về nguyên lý, cơ chế hoạt động của giao thức 802.11 và kinh nghiệm dựa trên một số bài viết về sự công bằng trong mạng không dây, tác giả xác lập các luận cứ khoa học cho việc xây dựng một cơ chế nhằm đảm bảo sự công bằng trong các mạng Ad Hoc

Tìm hiểu nguyên nhân gây ra sự không công bằng thông qua việc phân tích cơ chế hoạt động của giao thức trong các mô hình ứng dụng cụ thể Từ đó đưa ra giải pháp nhằm cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng cũng như khả năng thực thi và tiện ích môi trường trên mạng

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu các vấn đề là: Lý luận liên quan đến mô hình, cấu trúc, hoạt động của phân lớp 802.11 MAC trong các mạng không dây; kinh nghiệm nghiên cứu sự công bằng trong các mạng không dây; các phân tích và kết quả đạt được trong việc nghiên cứu sự công bằng trong các mạng Ad Hoc Phạm vi nghiên cứu: Cơ chế hoạt động DCF của phân lớp MAC và tầng liên kết trong chuẩn IEEE 802.11b

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các mục đích đề ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: Phương pháp phân tích, phương pháp mô tả, phương pháp thống

kê, mô phỏng

6 Kết cấu của luận văn

Ngoài Lời mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương:

Chương I: “Tổng quan về phân lớp 802.11 MAC trong các mạng không

dây”

Chương II: “Phân tích nguyên nhân của sự không công bằng luồng trong

các mạng Ad Hoc không dây”

Chương III: “Giải pháp cải thiện sự công bằng trong các mạng Ad Hoc

không dây”

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÂN LỚP 802.11 MAC TRONG CÁC

MẠNG KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu mô hình trong các mạng LAN không dây

Hai mô hình cơ bản sử dụng cho mạng LAN không dây là Ad Hoc và mạng cơ sở hạ tầng Hai mô hình này có sự khác biệt nhau rõ ràng về giới hạn không gian sử dụng, cách quản lý mạng, kiến trúc mạng

1.1.1 Ad Hoc (IBSS- Independent Basic Service Set)

Tập dịch vụ cơ bản không có cơ sở hạ tầng còn gọi là mạng Ad Hoc Ad Hoc là mô hình mạng mà trong đó chỉ bao gồm các máy trạm, không có Access Point (AP) Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp với các thiết bị khác trong mạng Mô hình này rất thích hợp cho việc kết nối một nhóm nhỏ các thiết bị

và không cần phải giao tiếp với các hệ thống mạng khác

Hình 1.1 Mô hình dịch vụ cơ bản không có cơ sở hạ tầng

Định tuyến trong mạng Ad Hoc được xử lý bởi giao thức định tuyến Ad Hoc, cài đặt ở tầng mạng Trong giao thức định tuyến này, các nút mạng có chức năng như là router, chúng có khả năng khám phá và duy trì đường đi đến các nút mạng khác

Giao thức định tuyến Ad Hoc được chia làm 2 loại: sử dụng bảng định tuyến và thiết lập đường đi theo yêu cầu của nút mạng nguồn Bảng định tuyến lưu trữ thông tin về đường đi giữa hai máy và duy trì tính chất “mới” của

thông tin định tuyến phát định kỳ trong mạng

Các giao thức sử dụng bảng định tuyến bao gồm: DSDV Sequenced Distance Vector Routing), CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing), WRP (Wireless Routing Protocol) Vấn đề chủ yếu đặt ra với giao thức kiểu này là: cập nhật bảng và số lượng các đường đi cần lưu trữ Việc cập nhật thường xuyên dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng của các node và sinh ra nhiều gói tin định tuyến làm tăng tải mạng, nếu cập nhật không thường xuyên trong tình huống các nút mạng di chuyển nhanh sẽ dẫn đến định tuyến sai, do các thông tin đã cũ

(Destination-Sử dụng giao thức “thiết lập đường đi theo yêu cầu nút nguồn” sẽ chỉ thiết lập đường đi khi cần thiết Khi một máy muốn truyền tin nó gửi gói tin

“khám phá đường đi” đến đích Đường đi được thiết lập và duy trì cho đến khi hai máy tính không muốn sử dụng hoặc không thể truy cập được qua kết nối

đó Một số giao thức kiểu này là: AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing), DSR (Distance Source Routing), TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm), ABR (Associativity Based Routing), SSR (Signal Stability Routing) Giao thức loại này có điểm lợi là các nút mạng không phải duy trì thường xuyên đường đi đến các nút mạng khác Nhược điểm là khi có nhu cầu gửi, các nút mạng phải đợi một thời gian để đường đi được thiết lập, do đó tăng độ trễ gói tin

1.1.2 Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng (IBSS - Infrastructure Basic Service Set)

Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng là một mô hình mở rộng của một mạng Wireless LAN (WLAN) đã có bằng cách sử dụng AP AP đóng vai trò vừa là cầu nối của mạng WLAN với các mạng khác vừa là trung tâm điều khiển sự trao đổi thông tin trong mạng Các AP sử dụng kĩ thuật “thăm dò” để điều khiển việc truyền thông trong một BSS, kỹ thuật này thường được gọi là PCF (Point Coordination Function), có nghĩa là thực hiện chức năng điều khiển truy cập tập trung

Distribution System

Hình 1.2 Mô hình mạng cơ sở hạ tầng

1.1.3 Tập dịch vụ mở rộng (ESS - Extended Service Set)

Tiêu chuẩn 802.11 mở rộng phạm vi di động tới một phạm vi bất kỳ thông qua ESS Một ESS là một tập hợp của các tập dịch vụ cơ sở hạ tầng nơi

mà các AP giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS tới một BSS khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS

Hình 1.3 Tập hợp dịch vụ mở rộng

1.2 Mô tả chức năng phân lớp MAC

1.2.1 Kiến trúc MAC

Phân lớp MAC nằm trong lớp liên kết dữ liệu của mô hình OSI Phân lớp MAC xác định cách thức truyền các khung dữ liệu trên môi trường truyền dẫn bằng cách kết hợp một địa chỉ vật lý cho mỗi thiết bị, xác định tôpô mạng và thăm dò đường truyền

Kiến trúc phân lớp MAC bao gồm hai khối chức năng: Khối chức năng DCF (Distributed Coordination Function là chức năng phối hợp phân tán) và khối chức năng PCF (Point Coordination Function là chức năng phối hợp điểm)

Hình 1.4 Mô hình OSI và kiến trúc phân lớp MAC

Các phương thức điều khiển truy cập tới các hệ thống WLAN có thể là ngẫu nhiên hoặc được sắp xếp Hoạt động của hệ thống WLAN có thể tập trung, phân tán hoặc là kết hợp cả hai Khi hoạt động của hệ thống là ngẫu nhiên, nó được gọi là DCF Khi hoạt động của mạng được điều khiển, nó được gọi là PCF

1.2.1.1 Chức năng phối hợp phân tán (DCF)

DCF là phương pháp truy nhập theo chuẩn 802.11 cho phép tất cả các trạm trong một WLAN tranh chấp nhau nhằm dành quyền truy nhập vào môi trường truyền dẫn không dây có tính chất chia sẻ nhờ sử dụng giao thức

CSMA/CA DCF sẽ được thực hiện trong tất cả các trạm, thay cho việc sử dụng cả IBSS và cấu hình mạng cơ sở hạ tầng

DCF cho phép hoạt động độc lập của các thiết bị dữ liệu vô tuyến Trong một hệ thống dựa trên sự tranh chấp DCF, các thiết bị trao đổi thông tin yêu cầu một cách ngẫu nhiên các dịch vụ từ các kênh bên trong một hệ thống trao đổi thông tin Bởi vì các yêu cầu trao đổi thông tin xảy ra một cách ngẫu nhiên, nên hai hay nhiều thiết bị có thể yêu cầu các dịch vụ một cách đồng thời Điều khiển truy cập của một phiên DCF thường bao gồm việc yêu cầu các thiết bị phán đoán các hoạt động trước khi truyền và lắng nghe các dịch vụ

nó yêu cầu có bị xung đột Nếu thiết bị yêu cầu không nhận được một phản hồi cho yêu cầu của nó, nó sẽ trì hoãn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truy cập lại Một cải tiến của phương thức có thể sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau để giúp làm giảm tối thiểu các xung đột ở trạm truyền và nhận trao đổi các khung điều khiển ngắn [ yêu cầu gửi (RTS) và sẵn sàng để nhận (CTS) các khung] sau khi xác định môi trường đang rỗi và sau

mọi sự trì hoãn hoặc backoff (thời gian chờ đợi trong một khoảng thời gian nhất định), trước khi truyền dữ liệu

Các mô hình mạng BSS (trong mô hình này chỉ có duy nhất một AP và các máy trạm), ESS (đây là mô hình mở rộng của BSS cho phép có nhiều AP

và các máy trạm), IBSS (mô hình này không có AP mà chỉ có các máy trạm kết nối trực tiếp với nhau) đều có thể sử dụng được chế độ DCF

1.2.1.2 Chức năng phối hợp điểm (PCF)

PCF là chế độ hoạt động của các thiết bị vô tuyến được điều khiển trong chế độ cơ sở hạ tầng Trong một hệ thống được điều khiển, các thiết bị trao đổi thông tin đợi cho đến khi nhận được một thông tin phản hồi trước khi chúng truyền bất kỳ một thông tin nào Bởi vì việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị được điều khiển bởi một thiết bị trung tâm nên ít có xung đột xảy ra Để xác nhận dữ liệu truyền đã được nhận thành công, thông tin thăm dò sẽ có chứa thông tin về trạng thái của các gói tin mà đã được nhận Nếu thiết bị gửi không nhận một sự xác nhận của việc truyền trong gói tin thăm dò, nó sẽ truyền lại

dữ liệu

Ưu điểm của PCF là đảm bảo được một khoảng thời gian trễ xác định vì vậy các ứng dụng yêu cầu về QoS (như các ứng dụng thoại hay truyền hình thời gian thực,…) có thể sử dụng trên nền chế độ truyền dẫn này Khi sử dụng PCF, AP sẽ đảm nhiệm chức năng thực hiện thuật toán thăm dò do đó các mạng Ad Hoc không thể sử dụng chế độ này PCF phải được sử dụng kết hợp với DCF

Có thể để kết hợp các lợi ích của DCF và PCF thành một hệ thống tốt hơn Sự kết hợp dựa trên các khoảng thời gian đặc trưng được chỉ định trong DCF và PCF Bằng việc kết hợp các quá trình này, có thể đảm bảo việc truyền

dữ liệu dịch vụ thời gian thực và cho phép truy cập ngẫu nhiên

1.2.1.3 Sự cùng tồn tại của DCF và PCF

DCF và PCF sẽ cùng tồn tại theo một cách mà cho phép cả hai hoạt động đồng thời trong phạm vi cùng BSS Khi một PC đang hoạt động trong một BSS, hai phương thức truy cập luân phiên, với một chu kỳ không xung đột (CFP -Contension Free Period) đi theo sau bởi một chu kỳ xung đột (CP - Contension Period)

1.2.1.4 Phân mảnh

Quá trình phân chia một đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC (MSDU - MAC service data unit) hay một đơn vị dữ liệu giao thức quản lý MAC (MMPDU - MAC management protocol data unit) vào trong các khung MAC cấp nhỏ hơn, các đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MPDU-MAC protocol data units), được gọi là phân đoạn

Phân đoạn tạo ra các MPDU nhỏ hơn độ dài MSDU hay MMPDU gốc để tăng thêm độ tin cậy, bằng việc tăng dần khả năng truyền thành công của MSDU hay MMPDU trong trường hợp ở nơi mà kênh đặc trưng hạn chế tiếp nhận độ tin cậy với các khung dài Phân đoạn được hoàn thành tại mỗi thiết bị truyền tức thời Quá trình kết hợp lại MPDU thành một MSDU hoặc MMPDU

đã được định nghĩa khi ghép phân đoạn Ghép phân đoạn đã hoàn thành tại mỗi nơi nhận trực tiếp Chỉ các MPDU với một địa chỉ nơi nhận duy nhất sẽ được phân đoạn Các khung broadcast/multicast sẽ không được phân đoạn ngay cả khi độ dài của chúng vượt quá giới hạn phân đoạn

Khi một MSDU có hướng nhận được từ điều khiển liên kết logic (LLC - logical link control) hoặc MMPDU có hướng nhận được từ thực thể quản lý lớp con MAC (MLME – MAC sublayer management entity) với một độ dài lớn hơn giới hạn phân đoạn, MSDU hoặc MMPDU sẽ được phân đoạn MSDU hoặc MMPDU được tách ra thành các MPDU Mỗi đoạn là một khung không lớn hơn giới hạn phân đoạn Điều đó có thể xảy ra khi mà bất cứ đoạn nào có thể có một khung nhỏ hơn giới hạn phân đoạn

Một minh hoạ về sự phân đoạn được trình bày trong hình 1.5 Các MPDU là kết quả từ sự phân đoạn của một MSDU hoặc MMPDU để gửi đi khi truyền độc lập, mỗi thành phần được nhận tách biệt nhau Điều này cho phép truyền lại xảy ra với mỗi đoạn, hơn là mỗi MSDU hoặc MMPDU

Hình 1.5 Phân đoạn

Trừ khi ngắt do các giới hạn chiếm giữ môi trường đối với một tầng vật

lý nhất định, các đoạn của một MSDU hoặc MMPDU đơn lẻ được gửi đi như một sự nỗ lực trong khoảng thời gian chu kỳ xung đột, sử dụng chỉ có một dẫn chứng của thủ tục truy cập môi trường DCF Các đoạn của một MSDU hoặc MMPDU đơn lẻ được gửi trong khoảng thời gian một chu kỳ không xung đột khi những khung riêng lẻ tuân theo những quy tắc của một điểm phối hợp thủ tục truy cập môi trường

 Khung dữ liệu (Data Frame): được sử dụng để truyền dữ liệu

 Khung điều khiển (Control Frame): được sử dụng để điều khiển truy cập môi trường (RTS, CTS, và ACK)

 Khung quản lý (Management Frame): đó là các khung mà được truyền theo cùng một cách như các khung dữ liệu để trao đổi thông tin quản lý, nhưng không chuyển tiếp lên các tầng cao hơn

Mỗi một kiểu cũng được chia nhỏ thành các kiểu con khác nhau, theo các chức năng cụ thể

1.2.1.6.1 Định dạng khung

Tất cả các khung 802.11 bao gồm bởi các thành phần như sau:

 Trường Preamble

Điều này phụ thuộc vào tầng vật lý, bao gồm:

 Synch: một chuỗi 80 bít luân phiên các số 0 và 1, chúng được sử dụng bởi sơ đồ mạnh tầng vật lý để lựa chọn anten thích hợp (nếu tính đa dạng được sử dụng), và phạm vi khoảng trống tần số xuất hiện trạng thái dừng để hiệu chỉnh và đồng bộ hoá với việc tính toán thời gian gói tin nhận được

 SFD: Một khung bắt đầu được phân định gồm có 16 bít nhị phân

có dạng 0000 1100 1011 1101, chúng được sử dụng để định nghĩa việc tính toán thời gian khung

 Trường PLCP Header

Đoạn đầu PLCP luôn luôn được truyền với 1 Mbit/s và bao gồm

thông tin logic sẽ được sử dụng bởi tầng vật lý để giải mã khung, gồm có:

 Độ dài từ PLCP_PDU: miêu tả số lượng các byte được chứa trong gói tin, điều này hữu ích đối với tầng vật lý để phát hiện chính xác thời điểm kết thúc của gói tin

 Trường tín hiệu PLCP: hiện thời chỉ chứa tốc độ thông tin, được

mã hoá trong khoảng 0.5 Mbps rồi tăng dần từ 1 Mbit/s đến 4.5

Mbit/s

 Trường kiểm tra lỗi tiêu đề: đó là một trường 16 bít CRC để phát hiện lỗi

 Trường MAC data

Hình sau cho thấy tổng quát định dạng khung MAC, một phần của trường này chỉ có trong bộ phận của các khung như được miêu tả sau đây

Hình 1.6 Định dạng khung MAC

Trường Frame Control

Trường điều khiển khung chứa đựng thông tin sau đây:

Hình 1.7 Trường điều khiển khung

Trường Protocol version

Trường này bao gồm 2 bít mà không thay đổi về kích thước và được sắp xếp ngang theo các phiên bản của chuẩn 802.11, và sẽ được sử dụng để nhận ra các phiên bản có thể xảy ra trong tương lai Trong phiên bản của chuẩn hiện tại giá trị này được cố định là 0

Trường Type và subtype

Có 6 bít định nghĩa kiểu và kiểu con của khung

Trường ToDS

Bít này thiết lập là 1 khi khung được gửi tới AP để chuyển tiếp nó tới hệ thống phân phối (bao gồm trường hợp ở đó trạm đích là trong cùng BSS, và AP sắp đặt lại khung) Bít này được thiết lập là 0 trong tất cả các khung khác

Trường FromDS

Bít này thiết lập là 1 khi mà khung đang đi tới từ hệ thống phân phối (DS - Distribution System)

Trường More Fragments

Bít này thiêt lập là 1 khi mà có nhiều các đoạn thuộc về cùng một khung theo sau đoạn hiện thời này

Trường Retry

Bít này cho biết rằng đoạn này là truyền lại của đoạn đã truyền trước

đó, nó sẽ được sử dụng bởi trạm nhận để nhận ra bản sao truyền của các khung mà có thể xuất hiện khi một gói báo nhận bị mất

Trường Power Management

Bít này cho biết chế độ quản lý năng lượng mà trạm muốn có sau khi truyền khung này Điều này được sử dụng bởi các trạm mà đang thay đổi trạng thái hoặc từ chế độ tiết kiệm (PS-Power Save) được Active hoặc ngược lại

Trường More Data

Bít này cũng được sử dụng cho chế độ quản lý năng lượng và nó được sử dụng bởi AP để cho biết rằng có nhiều khung hơn trong vùng đệm của trạm này Trạm có thể quyết định sử dụng thông tin này để tiếp tục kiểm soát vòng hay thậm chí đang thay đổi chế độ tới Active

Trường này có hai nghĩa độc lập dựa trên kiểu khung: trong các thông báo thăm dò PS đây là ID của trạm và trong tất cả các khung khác đây là giá trị khoảng thời gian được sử dụng cho tính toán NAV

Trường Address Fields

Một khung có thể bao gồm có tới 4 địa chỉ đang phụ thuộc vào các bít ToDS và FromDS được định nghĩa trong trường điều khiển, như sau:

Address-1

Luôn luôn là địa chỉ nhận (ví dụ một trạm trong BSS mà ngay lập tức nhận được gói tin), nếu như ToDS được thiết lập đó là địa chỉ của AP, nếu như ToDS không được thiết lập thì đây là địa chỉ của trạm cuối

Address-2

Luôn luôn là địa chỉ máy phát (ví dụ một trạm mà về vật lý đang truyền gói tin), nếu như FromDS được thiết lập đây là địa chỉ của AP, nếu như nó không được thiết lập thì nó là địa chỉ của máy trạm

Address-3

Trong đa số những trường hợp còn lại, mất địa chỉ, trên một khung với FromDS được thiết lập là 1, sau đó Address-3 là địa chỉ nguồn gốc, nếu như khung có ToDS thiết lập thì Address-3 là địa chỉ đích

Address-4

Được sử dụng trên trường hợp đặc biệt nơi mà hệ thống phân phối không dây được sử dụng, và khung đang được truyền từ một điểm truy nhập tới một điểm khác, trong trường hợp này cả hai bít ToDS và FromDS

được thiết lập, cho nên cả hai đích gốc và địa chỉ nguồn gốc là thiếu

Theo bảng tổng kết cách sử dụng các địa chỉ khác nhau theo sự bố trí các

bít ToDS và FromDS

Bảng 1.1 Sử dụng các địa chỉ khác nhau của hai bít ToDS và FromDS

ToDS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4

Trường Sequence Control

Trường Sequence Control được sử dụng để miêu tả thứ tự của các đoạn khác nhau đang thuộc về cùng một khung, và nhận ra các bản sao gói tin, nó bao gồm hai trường con Fragment Number, và Sequence Number, chúng định nghĩa khung và số lượng đoạn trong một khung

 CRC (Cyclic Redundancy Check)

CRC là một trường 32 bít kiểm tra mã dư vòng

1.2.1.6.2 Định dạng các khung thông thường

TA (Transmitter address) sẽ là địa chỉ của trạm đang truyền khung RTS Giá trị Duration là khoảng thời gian, trong một phần triệu của giây, được yêu cầu truyền dữ liệu kế tiếp hoặc khung quản lý, cộng với một khung CTS, cộng với một khung ACK, cộng với ba khoảng thời gian SIFS

nó

 ACK Frame Format

Cấu trúc khung ACK như sau:

Hình 1.10 Khung ACK

RA của khung ACK được sao chép từ địa chỉ Address-2 của khung liền trước trực tiếp Nếu như nhiều đoạn bít đã thiết lập là 0 trong trường Frame Control của khung liền trước, giá trị Duration được thiết lập là 0, nếu không giá trị Duration đạt được từ trường Duration của khung liền trước, trừ thời gian, trong một phần triệu giây, yêu cầu truyền khung ACK và khoảng thời gian SIFS của nó

1.2.2 DCF

Giao thức truy cập môi trường cơ bản là DCF cho phép tự động chia sẻ môi trường giữa các tầng vật lý tương thích thông qua sử dụng giao thức CSMA/CA và thời gian backoff ngẫu nhiên theo sau một trạng thái môi trường bận Ngoài ra, tất cả lưu lượng có hướng sử dụng khung báo nhận xác thực trực tiếp (ACK) ở nơi mà việc truyền lại được lập lịch bởi nơi gửi nếu như không có khung ACK nào nhận được

Giao thức CSMA/CA được thiết kể để giảm bớt khả năng có thể xảy ra xung đột giữa các trạm cùng truy cập một môi trường, tại một điểm mà ở đó các xung đột có nhiều khả năng xảy ra Ngay sau khi môi trường trở nên rỗi tiếp theo một môi trường bận (như được biểu thị bởi chức năng cảm biến tần số) là khi khả năng cao nhất xảy ra của một xung đột đã tồn tại Đó là bởi vì nhiều trạm có thể đang đợi môi trường trở nên sẵn sàng để sử dụng trở lại Đây là trạng thái cần phải có một thủ tục backoff ngẫu nhiên để giải quyết tranh chấp xung đột môi trường

Cảm biến tần số sẽ được thực hiện thông qua cả hai cơ chế ảo và vật lý

Cơ chế cảm biến tần số ảo đạt được bởi việc phân phối thông tin riêng biệt thông báo sắp xảy ra sử dụng môi trường Sự trao đổi của các khung RTS và CTS trước khung dữ liệu hiện thời là một cách thức để phân phối thông tin môi trường riêng biệt này Các khung RTS và CTS bao gồm một trường Duration/ ID để định nghĩa chu kỳ thời gian mà môi trường đã dành riêng để truyền khung dữ liệu hiện thời và gửi trả lại khung ACK Tất cả trạm bên trong dải tiếp nhận của trạm nguồn (truyền RTS) hoặc trạm đích (truyền CTS)

sẽ được biết về môi trường dự trữ Kết quả là, một trạm có thể không nhận được dữ liệu từ trạm nguồn, nhưng vẫn biết rằng đang xảy ra việc sử dụng môi

trường để truyền một khung dữ liệu

Một cách khác để phân phối thông tin môi trường riêng biệt là trường Duration/ID trong những khung có hướng Trường này đưa ra thời gian mà môi trường đã dự trữ, hoặc kết thúc ngay lập tức theo sau ACK, hoặc trong trường hợp của một chuỗi phân đoạn, cho tới khi kết thúc của ACK sau đoạn

kế tiếp Sự trao đổi RTS/CTS cũng thực hiện cả hai kiểu phát hiện xung đột nhanh và kiểm tra đường truyền Nếu như CTS trả lại không được phát hiện

bởi RTS các trạm nguồn, trạm nguồn có thể lặp lại quá trình (sau khi quan sát quy tắc sử dụng môi trường) nhanh hơn nếu như khung dữ liệu dài đã được truyền và khung ACK trả lại không được phát hiện

Một lợi thế khác của cơ chế RTS/CTS xảy ra ở nơi mà sử dụng nhiều BSS giống như một kênh chồng chéo Cơ chế hạn chế môi trường làm việc thông qua các ranh giới vùng dịch vụ cơ sở (BSA-basic service area) Cơ chế RTS/CTS cũng có thể cải thiện quá trình hoạt động trong một trạng thái điển hình ở nơi mà tất cả các trạm có thể nhận từ AP, nhưng không thể nhận từ tất

cả các trạm khác trong BSA

Cơ chế RTS/CTS không thể sử dụng được cho các MPDU với địa chỉ tức thời broadcast và multicast bởi vì có nhiều đích đến RTS, và như vậy nhiều khả năng các nguồn gửi cùng một lúc về CTS trong lúc trả lời Cơ chế RTS/CTS không cần thiết phải sử dụng để truyền với mọi khung dữ liệu Bởi

vì việc bổ sung các khung RTS và CTS thêm vào ở phần đầu không có hiệu quả, cơ chế này không phải lúc nào cũng đúng, đặc biệt là với các khung dữ liệu ngắn Sử dụng bằng cơ chế RTS/CTS là dưới quyền điều khiển của thuộc tính giới hạn RTS Thuộc tính này có thể thiết lập trong mỗi trạm cơ sở Cơ chế này cho phép các trạm được cấu hình sử dụng RTS/CTS hoặc thường xuyên, không bao giờ, hay chỉ trong các khung dài hơn so với chiều dài lý thuyết

Một trạm đã cấu hình không bắt đầu bằng cơ chế RTS/CTS sẽ vẫn cập nhật cơ chế cảm biến tần số ảo của nó với khoảng thời gian thông tin đã chứa đựng trong một khung RTS hoặc CTS nhận được, và sẽ thường xuyên đáp trả lại với một RTS được gửi tới nó bằng một CTS

Giao thức truy cập môi trường cho phép các trạm được hỗ trợ tập hợp có tốc độ dữ liệu khác nhau Tất cả các trạm sẽ nhận toàn bộ tốc độ dữ liệu trong một tập tốc độ cơ sở và truyền một hoặc nhiều hơn tốc độ dữ liệu trong một tập tốc độ cơ sở Để hỗ trợ quy trình hoạt động thích hợp của RTS/CTS và cơ chế cảm biến tần số ảo, tất cả các trạm sẽ có khả năng phát hiện các khung RTS và CTS Vì lý do này các khung RTS và CTS sẽ được truyền với một tốc

độ của tập tốc độ cơ sở Các khung dữ liệu được gửi theo DCF sẽ sử dụng dữ liệu kiểu khung và dữ liệu con hoặc hàm Null Các trạm đang nhận dữ liệu

kiểu khung sẽ chỉ xem xét thân khung như cơ sở của một chỉ định có thể xảy

ra tới LLC

1.2.2.1 Cơ chế cảm biến tần số

Những chức năng vật lý và cảm biến tần số ảo được dùng để xác định trạng thái của môi trường Khi một trong hai chức năng này cho biết môi trường đang bận, môi trường sẽ được coi là bận; mặt khác, nó sẽ được coi là rỗi Một cơ chế cảm biến tần số vật lý sẽ được cung cấp bởi tầng vật lý Những chi tiết về cảm biến tần số vật lý được cung cấp trong các đặc điểm kỹ thuật tầng vật lý riêng biệt Một cơ chế cảm biến tần số ảo sẽ được cung cấp bởi MAC Cơ chế này được nhắc tới như vectơ định vị mạng (NAV-network allocation vector) NAV duy trì một dự đoán về lưu lượng tương lai trong môi trường được dựa trên thông tin về khoảng thời gian mà được thông báo trong các khung RTS/CTS trước khi trao đổi dữ liệu thực tế Thông tin khoảng thời gian cũng sẵn có trong phần đầu MAC của tất cả các khung được gửi trong khoảng thời gian chu kỳ xung đột khác với các khung điều khiển thăm dò tiết kiệm năng lượng

Cơ chế cảm biến tần số phối hợp trạng thái NAV và tình trạng truyền các trạm với cảm biến tần số vật lý để xác định trạng thái bận/ rỗi của môi trường NAV có thể nghĩ đến như một máy đếm, nó đếm ngược tới 0 với một tốc độ không đổi Khi máy đếm là 0, biểu thị cảm biến tần số ảo là môi trường đang rỗi; khi không phải là 0, biểu hiện đang bận Môi trường sẽ được xác định bận mỗi khi một trạm đang truyền

1.2.2.2 Các thông báo nhận tầng MAC

Sự tiếp nhận một số các khung, phụ thuộc vào trạm đang nhận trả lời lại với thông báo nhận, thông thường là một khung ACK, nếu như chuỗi kiểm tra khung (FCS-frame check sequence) của khung vừa nhận được là đúng Kỹ thuật này được biết đến để xác thực thông báo nhận

Thiếu sự tiếp nhận trong một khung ACK biểu thị rằng trạm nguồn có lỗi xảy ra Lưu ý, tuy nhiên, trạm đích có thể đã nhận được chính xác khung, và lỗi đó có thể đã xảy ra trong khi tiếp nhận khung ACK Khi trạm bắt đầu trao đổi khung, đây là điều kiện không thể phân biệt được lỗi khi xảy ra trong

khung ban đầu

1.2.2.3 Interframe space (IFS)

Khoảng thời gian giữa các khung được gọi là IFS Một trạm sẽ xác định xem môi trường có rỗi thông qua sử dụng chức năng cảm biến tần số với một khoảng thời gian xác định Bốn IFS khác nhau được định nghĩa để cung cấp các mức độ ưu tiên trong truy cập với môi trường không dây Chúng được liệt

kê theo thứ tự, từ ngắn nhất đến dài nhất Hình 1.11 cho thấy một số những mối quan hệ này

 SIFS - short interframe space

 PIFS - PCF interframe space

 DIFS - DCF interframe space

 EIFS - extended interframe space

Các IFS khác nhau sẽ độc lập về tốc độ bít mỗi trạm Thời gian IFS sẽ được định nghĩa như thời gian trống trên môi trường, và sẽ được cố định với mỗi tầng vật lý (thậm chí trong các tầng vật lý có khả năng nhiều tốc độ) Các giá trị IFS được xác định từ các thuộc tính được xác định bởi tầng vật lý

Hình 1.11 Một vài mối quan hệ IFS

1.2.2.3.1 Short IFS (SIFS)

SIFS sẽ được sử dụng cho một khung ACK, một khung CTS, thứ hai hoặc MPDU kế tiếp của một chùm đoạn, và do một trạm trả lời với bất kỳ sự kiểm tra tuần tự bởi PCF Nó cũng có thể được sử dụng bởi một điểm phối hợp cho bất kỳ kiểu khung trong khoảng thời gian chu kỳ không xung đột SIFS là thời gian từ khi kết thúc biểu tượng cuối cùng của khung liền trước tới khi bắt đầu biểu tượng đầu tiên với phần đầu của khung kế tiếp như được nhìn

thấy tại giao diện trình bày

SIFS sẽ tính toán thời gian đạt được khi truyền khung kế tiếp được bắt đầu tại ranh giới khe TxSIFS Sự thi hành chuẩn IEEE 802.11 sẽ không cho phép khoảng trống giữa các khung được định nghĩa phân chia bằng thời gian SIFS, khi đã đều đặn trên môi trường, tới sự thay đổi từ giá trị SIFS quy định bằng nhiều hơn ±10% của một khe thời gian trong tầng vật lý đang sử dụng SIFS là ngắn nhất trong IFS SIFS sẽ được sử dụng khi các trạm cho là đã nắm được môi trường và cần thiết phải giữ nó trong một khoảng thời gian của chuỗi trao đổi khung để thực hiện Việc sử dụng khoảng trống nhỏ nhất giữa các phiên truyền bên trong chuỗi trao đổi khung ngăn chặn các trạm khác, mà được yêu cầu chờ đợi môi trường rỗi trong một khoảng trống thời gian dài hơn, từ sự cố gắng sử dụng môi trường, do đó dành quyền ưu tiên để hoàn thành chuỗi trao đổi khung trong tiến trình

1.2.2.3.2 PCF IFS (PIFS)

PIFS sẽ được sử dụng duy nhất bởi các trạm đang hoạt động dưới PCF để lấy được quyền ưu tiên truy cập môi trường khi bắt đầu chu kỳ không xung đột Một trạm đang sử dụng PCF sẽ cho phép truyền lưu lượng không tranh chấp sau khi cơ chế cảm biến tần số của nó xác định rằng môi trường đang rỗi tại khe ranh giới TxPIFS

1.2.2.3.3 DCF IFS (DIFS)

DIFS sẽ được sử dụng bởi các trạm đang hoạt động dưới DCF để truyền các khung dữ liệu MPDU và các khung quản lý MMPDU Một trạm đang sử dụng DCF sẽ cho phép truyền nếu cơ chế cảm biến tần số của nó xác định rằng môi trường đang rỗi tại khe ranh giới TxPIFS sau khi một khung được nhận chính xác, và thời gian backoff của nó hết hạn Một trạm đang sử dụng DCF sẽ không truyền trong phạm vi một EIFS sau khi nó xác định rằng môi trường đang rỗi, tiếp theo sẽ tiếp nhận một khung đối với báo hiệu kết thúc nhận tầng vật lý gốc chứa đựng một lỗi hoặc một khung với một giá trị MAC FCS nào đó không chính xác Một trạm có thể truyền sau khi nhận tiếp một khung không có lỗi, tái đồng bộ hoá trạm Điều này cho phép trạm truyền sử dụng DIFS theo sau khung đó

1.2.2.3.4 Extended IFS (EIFS)

EIFS sẽ được sử dụng bởi DCF bất cứ khi nào tầng vật lý có chỉ thị tới MAC rằng một khung truyền đã bắt đầu mà kết quả là không nhận được chính xác về một khung MAC đầy đủ với một giá trị FCS chính xác Khoảng thời gian giữa hai EIFS sẽ bắt đầu sau chỉ thị do tầng vật lý cho rằng môi trường rỗi sau khi phát hiện khung lỗi, không liên quan đến cơ chế cảm biến tần số

ảo EIFS được định nghĩa để cung cấp đủ thời gian cho một trạm khác để báo nhận được những gì, từ trạm này, một khung được nhận không chính xác trước khi trạm này bắt đầu truyền Sự tiếp nhận một khung không có lỗi trong khoảng thời gian EIFS để đồng bộ hoá trạm gây ra trạng thái bận/rỗi hiện tại của môi trường, vì vậy EIFS được kết thúc và tiếp tục truy cập môi trường bình thường (sử dụng DIFS và, nếu cần thiết, backoff) sau khi nhận được khung đó

1.2.2.4 Thời gian backoff ngẫu nhiên

Một trạm yêu cầu bắt đầu truyền dữ liệu MPDU và/hoặc quản lý MMPDU sẽ gọi cơ chế cảm biến tần số để xác định trạng thái bận/rỗi của môi trường Nếu như môi trường bận, trạm sẽ hoãn cho đến khi môi trường được xác định là rỗi mà không cần gián đoạn trong một khoảng thời gian bằng DIFS khi mà khung cuối cùng được phát hiện ra trên môi trường là đã được nhận chính xác, hoặc sau khi môi trường được xác định là rỗi không cần gián đoạn trong một khoảng thời gian bằng EIFS khi khung cuối cùng được được phát hiện ra trên môi trường là không được nhận chính xác Sau thời gian rỗi của môi trường DIFS hay EIFS này, trạm tiếp theo sẽ phát ra một chu kỳ backoff ngẫu nhiên trong thời gian trì hoãn để bổ sung vào trước khi truyền, trừ khi thiết bị bấm giờ backoff đã chứa đựng một giá trị khác không, trong trường hợp này sự lựa chọn một số ngẫu nhiên là không cần thiết và không được thực hiện Quá trình này làm giảm tổi thiểu các xung đột trong thời gian tranh chấp giữa các trạm mà đang trì hoãn với cùng một sự kiện

Backoff Time = Random() x aSlotTime

Ở đây Random() là số nguyên giả ngẫu nhiên được lấy ra từ sự phân phối giống nhau lên trên khoảng thời gian [0,CW], CW(Contention window) là

một số nguyên trong phạm vi dải của các giá trị thuộc những đặc trưng tầng vật lý aCWmin và aCWmax, aCWmin ≤ CW ≤ aCWmax

aSlotTime là giá trị đặc trưng tầng vật lý có tên tương ứng

Tham số cửa sổ xung đột (CW) sẽ giữ một giá trị ban đầu của aCWmin Mỗi trạm sẽ duy trì một trạm đếm lại ngắn (SSRC-station short retry count) cũng như một trạm đếm lại dài (SLRC-station long retry count ), cả hai cách đếm sẽ giữ một giá trị ban đầu là không SSRC sẽ được tăng lên bất kỳ khi nào mọi sự đếm thử lại ngắn được kết hợp với bất cứ MSDU nào được tăng lên SLRC sẽ được tăng lên bất kỳ khi nào mọi sự đếm thử lại dài được kết hợp với bất cứ MSDU nào được tăng lên CW sẽ giữ giá trị tiếp theo trong các chuỗi lần nào cũng cố gắng để truyền một MPDU mà không thành công nhiều nguyên nhân hoặc là máy đếm thử lại STA được tăng lên, cho đến khi CW đạt đến giá trị aCWmax Thử lại được định nghĩa như toàn bộ chuỗi của các khung được gửi, được phân chia bằng các khoảng thời gian SIFS, trong một

cố gắng để thực hiện một MPDU Khi mà nó đạt được aCWmax, CW sẽ giữ nguyên giá trị của aCWmax cho đến khi nó xác lập lại Điều này cải thiện độ

ổn định của giao thức truy cập dưới nhiều điều kiện CW sẽ xác lập lại với aCWmin sau khi mọi cố gắng để truyền một MSDU hay MMPDU thành công, khi SLRC đạt được một giới hạn thử lại dài, hay là khi SSRC đạt được giới hạn thử lại ngắn SSRC sẽ xác lập lại về 0 mỗi khi một khung CTS nhận được trả lời với một khung RTS, mỗi khi một khung ACK nhận được trả lời với việc truyền một MPDU hoặc MMPDU, hoặc mỗi khi một khung với một nhóm địa chỉ trong trường Address-1 đã được truyền SLRC sẽ xác lập lại về 0 mỗi khi một khung ACK nhận được trả lời với việc truyền một MPDU hoặc MMPDU bằng độ dài lớn hơn so với bắt đầu RTS, hoặc mỗi khi một khung với một nhóm địa chỉ trong trường Address-1 đã được truyền

Tập hợp các giá trị của CW sẽ liên tục tăng với số nguyên luỹ thừa của 2, trừ 1, lúc bắt đầu với một giá trị aCWmin tầng vật lý riêng biệt, và tiếp tục tăng lên và bao gồm cả một giá trị aCWmax tầng vật lý riêng biệt

1.2.2.5 Thủ tục truy cập DCF

Phương thức truy cập CSMA/CA là nền tảng của DCF Các quy tắc cho quá trình hoạt động thay đổi không đáng kể giữa DCF và PCF

1.2.2.5.1 Truy cập cơ sở

Truy cập cơ sở có liên quan tới cơ chế lõi sử dụng một trạm để xác định xem nó có thể truyền hay không Nói chung, một trạm có thể truyền một MPDU chưa thực hiện khi nó hoạt động dưới phương thức truy cập DCF, hay khi thiếu một điểm phối hợp, hoặc trong chu kỳ xung đột của phương thức truy cập PCF, khi một trạm xác định rằng môi trường đang rỗi theo tỷ lệ lớn hơn hoặc bằng với một chu kỳ DIFS, hoặc một chu kỳ EIFS nếu như ngay lập tức sự kiện môi trường bận trước đó được gây ra bởi sự phát hiện một khung, tức là đã không nhận được tại trạm này với một giá trị MAC FCS chính xác Nếu như, dưới những điều kiện này, môi trường được xác định bởi cơ chế cảm biến tần số là đang bận khi một trạm yêu cầu bắt đầu với khung ban đầu của một trong số các khung trao đổi, loại trừ chu kỳ không xung đột, giải thuật backoff ngẫu nhiên sẽ xảy ra

Trong khi một trạm đang có một tần số bước nhảy vật lý, quyền điều khiển kênh mất vào thời điểm dừng lại tại ranh giới và trạm sẽ phải chắc chắn lấy lại được kênh sau khi dừng lại tại ranh giới tiếp theo Nó yêu cầu các trạm

mà có tần số bước nhảy vật lý hoàn thành việc truyền toàn bộ MPDU và kết hợp báo nhận (nếu được yêu cầu) trước thời gian dừng lại tại ranh giới Nếu như, khi đang truyền hoặc truyền lại một MPDU, không đủ thời gian còn lại trong lúc dừng để cho phép truyền MPDU cùng với báo nhận (nếu được yêu cầu), trạm sẽ trì hoãn việc truyền bằng cách lựa chọn một khoảng thời gian ngẫu nhiên, sử dụng CW hiện tại (không tăng lên với giá trị trong các phiên bản kế tiếp) Bộ đếm lại ngắn và bộ đếm lại dài đối với MSDU là không bị ảnh hưởng

Hình1.12 Phương thức truy nhập cơ sở

1.2.2.5.2 Thủ tục Backoff

Thủ tục backoff sẽ được gọi đối với một trạm để truyền một khung khi phát hiện ra môi trường bận do được thông báo bởi tầng vật lý hoặc cơ chế cảm biến tần số ảo Thủ tục backoff cũng sẽ được gọi khi một trạm đang truyền đưa đến kết luận truyền có lỗi

Để bắt đầu thủ tục backoff, trạm sẽ thiết lập bộ tính giờ backoff của nó với một thời gian backoff ngẫu nhiên Tất cả các khe backoff xảy ra theo sau một chu kỳ DIFS trong thời gian mà môi trường được xác định là rỗi trong khoảng thời gian của chu kỳ DIFS, hoặc theo sau một chu kỳ EIFS trong khoảng thời gian mà môi trường được xác định là rỗi trong khoảng thời gian của chu kỳ EIFS theo đó phát hiện một khung mà đã không nhận được chính xác

Một trạm đang thực thiện thủ tục backoff sẽ sử dụng cơ chế cảm biến tần

số để xác định liệu có hoạt động trong thời gian mỗi khe backoff hay không Nếu như phạm vi hoạt động môi trường không được thông báo trong khoảng thời gian của một khe backoff riêng biệt, trong trường hợp này thủ tục backoff

sẽ giảm thời gian backoff của nó bởi một khe thời gian

Nếu như môi trường được xác định là bận tại bất cứ thời gian nào trong khoảng thời gian một khe backoff, trong trường hợp này thủ tục backoff bị đình chỉ; tức là, bộ tính giờ backoff sẽ không giảm đối với khe đó Môi trường

sẽ được xác định là rỗi trong khoảng thời gian của một khu kỳ DIFS hoặc EIFS, thích hợp như, trước khi thủ tục backoff được cho phép bắt đầu lại Quá trình truyền sẽ bắt đầu bất cứ khi nào bộ tính giờ backoff đạt đến con số 0 Một thủ tục backoff sẽ được thực hiện ngay lập tức sau khi kết thúc mỗi phiên truyền với nhiều đoạn bít thiết lập tiến tới 0 trong một MPDU gồm có kiểu dữ liệu, quản lý, hoặc điều khiển với thăm dò PS phụ, thậm chí nếu như các phiên truyền không được thêm vào hàng đợi hiện thời Trong trường hợp các phiên truyền được thông báo nhận thành công, thủ tục backoff này sẽ bắt đầu tại nơi cuối cùng nhận được khung ACK Trong trường hợp các phiên truyền không thành công phải cần đến tin báo nhận, thủ tục backoff này sẽ bắt đầu tại nơi cuối cùng trong khoảng thời gian chờ đợi ACK Nếu như phiên

truyền thành công, giá trị CW trở lại tới CWmin trước khi khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên được lựa chọn Điều này đảm bảo rằng các khung được truyền từ một trạm luôn luôn được tách ra bởi ít nhất một khoảng thời gian backoff Hiệu quả của thủ tục này là khi có nhiều trạm đang trì hoãn và đi vào thủ tục backoff ngẫu nhiên, trong trường hợp đó trạm lựa chọn thời gian backoff nhỏ nhất mà sử dụng thủ tục ngẫu nhiên sẽ chiến thắng xung đột

Hình 1.13 Thủ tục Backoff

1.2.2.5.3 Thiết lập và cài đặt lại NAV

Các trạm nhận được một khung hợp lệ sẽ cập nhật NAV của chúng với thông tin nhận được trong trường Duration/ID, nhưng chỉ khi giá trị NAV mới lớn hơn giá trị NAV hiện tại và chỉ khi khung không được gửi tới trạm đang nhận Các điều kiện thêm vào khác nhau có thể thiết lập hoặc khởi động lại NAV Khi một NAV xác lập lại, một yêu cầu tầng vật lý khởi động lại sự sẵn sàng đánh giá sẽ được đưa ra

Hình 1.14 cho biết NAV trong các trạm mà có thể nhận được khung RTS, trong khi các trạm khác chỉ có thể nhận được khung CTS, kết quả là thanh NAV thấp hơn như nhìn thấy

Hình 1.14 : RTS/CTS/DATA/ACK và thiết lập NAV

Một trạm đang sử dụng thông tin từ một khung RTS gần nhất là cơ sở để cập nhật các thiết lập NAV cho phép thiết lập lại NAV của mình nếu không có dấu hiệu tầng vật lý bắt đầu nhận được phát hiện từ tầng vật lý trong khoảng thời gian một chu kỳ với thời gian bằng (2 x thời gian SIFS) + (thời gian CTS) + (2 x một khe thời gian) được bắt đầu với dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận tương ứng để phát hiện khung RTS Thời gian CTS sẽ được tính bằng cách sử dụng chiều dài của khung CTS và tốc độ dữ liệu tại khung RTS đó được sử dụng cho các NAV cập nhật gần nhất đã nhận được

1.2.2.5.4 Điều khiển kênh

SIFS được sử dụng để cung cấp một cơ chế phân phối MSDU hiệu quả Sau khi có trạm đã tranh chấp được kênh, thì trạm đó sẽ tiếp tục gửi các đoạn cho đến khi hoặc tất cả các đoạn của một MSDU đơn hoặc MMPDU đã được gửi đi, hoặc một tin báo nhận không nhận được, hoặc một trạm bị hạn chế do việc gửi bất kỳ đoạn bổ sung nào đều được định trước bởi thời gian dừng lại ở ranh giới Nên việc gửi các đoạn bị gián đoạn do một trong các lý do này, sau khi cơ hội tiếp theo để truyền xuất hiện trạm sẽ tiếp tục truyền Một giải thuật trong đó một trạm quyết định các MSDU nào sẽ được tiếp theo sau khi đã cố gắng truyền không thành công là vượt quá phạm vi của chuẩn này, nhưng bất

kỳ một thuật giải nào như vậy sẽ tuân thủ những sự hạn chế do chuẩn này cung cấp

Hình 1.15 Minh họa việc truyền của một đoạn MSDU sử dụng SIFS

Khi trạm nguồn truyền một đoạn, nó sẽ giải phóng kênh, rồi ngay lập tức theo dõi kênh bằng một tin báo nhận Khi trạm đích vừa kết thúc gửi xác nhận, SIFS theo sau tin báo nhận sẽ được giữ lại cho trạm nguồn để tiếp tục (nếu cần thiết) với đoạn khác Trạm gửi xác nhận sẽ không được truyền trên kênh ngay lập tức theo sau tin báo nhận Quá trình gửi nhiều đoạn sau khi chắc chắn rằng kênh được định nghĩa như một chùm đoạn Nếu trạm nguồn nhận được một tin báo nhận nhưng không có đủ thời gian để truyền khung kế tiếp và nhận tin báo nhận do xảy ra trước khi dừng tại ranh giới, trạm nguồn sẽ cho rằng các kênh được bắt đầu tại thời gian dừng kế tiếp

Nếu trạm nguồn không nhận được một khung tin báo nhận, nó sẽ cố gắng truyền lại MPDU lỗi hoặc một MPDU thích hợp khác, sau khi thực hiện thủ tục backoff và quá trình tranh chấp Sau khi một trạm tranh chấp lấy kênh để truyền lại một đoạn của một MSDU, nó sẽ bắt đầu với đoạn cuối cùng mà không được xác nhận Trạm đích sẽ nhận các đoạn theo thứ tự (do trạm nguồn gửi chúng theo thứ tự, và chúng được xác nhận riêng biệt) Tuy nhiên, có thể xảy ra, đó là trạm đích có thể nhận được các đoạn lặp lại Nó sẽ là phản hồi lại trạm nhận để dò tìm và loại bỏ những đoạn lặp

Một trạm sẽ truyền sau SIFS chỉ dưới những điều kiện sau đây trong suốt thời gian một chùm đoạn:

 Trạm vừa nhận được một đoạn và yêu cầu xác nhận

 Trạm nguồn nhận được một xác nhận của một đoạn trước, có nhiều đoạn do cùng một MSDU truyền, và có đủ thời gian trước khi dừng lại ranh giới kế tiếp để gửi đoạn tiếp theo và nhận được xác nhận của nó Các quy tắc sau đây sẽ được áp dụng:

 Khi một trạm đã truyền một khung khác với khung ban đầu hay khung

ở giữa, trạm đó sẽ không truyền trên kênh theo sau tin báo nhận cho khung đó, không thực hiện thủ tục backoff

 Khi một MSDU đã truyền thành công hoặc tất cả các cố gắng truyền lại đã bị thất bại, và một trạm có một MSDU kế tiếp để truyền, khi đó trạm sẽ thực hiện thủ tục backoff

 Chỉ những đoạn không được xác nhận sẽ được truyền lại

1.2.2.5.5 Cách sử dụng RTS/CTS với phân đoạn

Sau đây là một mô tả về việc sử dụng RTS/CTS cho một đoạn MSDU hay MMPDU Các khung RTS/CTS định nghĩa khoảng thời gian sau khung và tin báo nhận Trường Duration/ID trong dữ liệu và các ACK xác định rõ tổng thời gian của đoạn và tin báo nhận kế tiếp Điều này được minh họa trong hình 1.16

Hình 1.16 RTS/CTS với các MSDU đã phân đoạn

Mỗi khung chứa đựng thông tin mà xác định thời gian truyền tiếp theo Thông tin khoảng thời gian từ các khung RTS sẽ được dùng để cập nhật NAV tiến tới chỉ ra trạng thái bận cho đến khi kết thúc ACK 0 Thông tin khoảng thời gian từ khung CTS cũng sẽ được dùng để cập nhật NAV tiến tới chỉ ra trạng thái bận cho đến khi kết thúc ACK 0 Cả hai khung 0 và ACK 0 sẽ chứa thông tin khoảng thời gian cập nhật NAV để chỉ ra trạng thái bận cho đến khi kết thúc ACK 1 Điều này sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng trường Duration/ID trong các khung dữ liệu và ACK Điều này sẽ tiếp tục cho đến khung cuối cùng, khung này sẽ có khoảng thời gian bằng thời gian một ACK cộng với thời gian một SIFS, và ACK của nó, ACK này sẽ có trường Duration/ID thiết lập bằng 0 Mỗi khung và ACK hành động như một RTS và CTS ảo, cho nên không có các khung RTS/CTS nào cần được tạo ra sau khi

RTS/CTS đó bắt đầu chuỗi trao đổi khung thậm chí các khung theo sau mặc

dù có thể lớn hơn khi bắt đầu RTS Tại những trạm sử dụng một tầng vật lý với bước nhảy tần số, khi có một khoảng thời gian không đủ trước khi dừng lại ở ranh giới kế tiếp để truyền khung tiếp theo, một trạm bắt đầu chuỗi trao đổi khung, có thể thiết lập trường Duration/ID trong dữ liệu cuối cùng hoặc khung điều khiển được truyền đi trước khi dừng lại ở ranh giới với một khoảng thời gian ACK cộng với một thời gian SIFS

Trong trường hợp khi một tin báo nhận được gửi đi nhưng không nhận được bởi trạm nguồn, các trạm mà nghe thấy khung, hay ACK, sẽ đánh dấu kênh trong trạng thái bận cho sự trao đổi khung kế tiếp do NAV đang được cập nhật từ những khung này Đây là trường hợp xấu nhất, và được chỉ ra trong Hình 1.17 Nếu một tin báo nhận không được gửi đi bởi trạm đích, các trạm mà chỉ có thể nghe thấy trạm đích sẽ không cập nhật NAV của chúng và

có thể cố gắng truy cập kênh khi NAV chúng cập nhật từ khung nhận được trước đó đạt đến 0 Tất cả các trạm mà nghe thấy nguồn sẽ tự do truy cập kênh sau khi NAV của chúng được cập nhật từ đoạn đang truyền kết thúc

Hình 1.17 RTS/CTS với độ ưu tiên truyền và thiếu báo nhận

1.2.2.5.6 Thủ tục CTS

Một trạm có địa chỉ của một khung RTS sẽ truyền một khung CTS sau một chu kỳ SIFS nếu như NAV tại trạm nhận được khung RTS chỉ ra rằng môi trường là rỗi Nếu như NAV tại trạm nhận được RTS chỉ ra rằng môi trường là không rỗi, tức là trạm sẽ không trả lời với khung RTS Trường RA

của khung CTS sẽ là giá trị thu được từ trường TA của khung RTS, từ đó khung CTS này là một sự đáp lại

Trường Duration/ID trong khung CTS sẽ là trường khoảng thời gian từ khung RTS nhận được, được điều chỉnh bằng sự trừ đi một thời gian SIFS và

số lượng micrô-giây được yêu cầu để truyền một khung CTS với tốc độ dữ liệu được dùng cho khung RTS tới khung CTS này là một sự đáp lại

Sau khi truyền một khung RTS, một trạm sẽ chờ trong một khoảng thời gian chờ đợi CTS, bắt đầu xác nhận tầng vật lý kết thúc truyền Nếu một dấu hiệu tầng vật lý bắt đầu nhận không xuất hiện trong suốt khoảng thời gian chờ đợi CTS, một trạm sẽ kết thúc truyền RTS có lỗi, và trạm này sẽ gọi thủ tục backoff của nó vào lúc hết hạn trong khoảng thời gian chờ đợi CTS Nếu như một dấu hiệu tầng vật lý bắt đầu nhận không xuất hiện trong suốt khoảng thời gian chờ đợi CTS, một trạm sẽ đợi dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận tương ứng để quyết định liệu RTS đã truyền thành công hay không Việc nhận ra giá trị khung CTS được gửi đi bằng cách nhận khung RTS, tương ứng với dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận này, sẽ được làm sáng tỏ khi phản hồi thành công, cho phép chuỗi khung được tiếp tục Việc nhận ra bất kỳ điều gì khác, bao gồm bất kỳ giá trị khung nào khác, sẽ được làm sáng tỏ khi không thành công trong việc truyền RTS Trong trường hợp này, một trạm sẽ gọi thủ tục backoff của nó tại dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận và có thể xử lý khung đã nhận được

1.2.2.5.7 Thủ tục ACK

Sau khi nhận thành công của một khung thuộc một kiểu mà yêu cầu tin báo nhận với bít ToDS được thiết lập, một AP sẽ tạo ra một khung ACK Một khung ACK sẽ được truyền bởi trạm đích tức là không phải một AP, bất cứ lúc nào nó nhận thành công một khung unicast thuộc một kiểu mà yêu cầu tin báo nhận, nhưng không phải nếu như nó nhận một khung broadcast hoặc multicast cùng kiểu đó Sau khi nhận thành công một khung yêu cầu tin báo nhận, truyền khung ACK sẽ bắt đầu sau một chu kỳ SIFS, mà không quan tâm đến trạng thái bận/rỗi của môi trường

Trạm nguồn sẽ chờ đợi trong khoảng thời gian chờ đợi ACK mà không

nhận khung ACK trước khi kết luận rằng MPDU bị lỗi

Sau khi đang truyền một MPDU mà yêu cầu một khung ACK lúc trả lời, trạm sẽ chờ trong một khoảng thời gian chờ đợi ACK, bắt đầu xác nhận tầng vật lý kết thúc truyền Nếu dấu hiệu tầng vật lý bắt đầu nhận không xuất hiện trong suốt quãng thời gian chờ đợi ACK, một trạm kết luận rằng truyền MPDU đã bị lỗi, và trạm này sẽ gọi thủ tục backoff của nó hết hạn trong khoảng thời gian chờ đợi ACK Nếu một dấu hiệu tầng vật lý bắt đầu nhận xuất hiện trong suốt quãng thời gian chờ đợi ACK, trạm sẽ chờ dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận tương ứng để xác định khi nào truyền MPDU là thành công Việc nhận ra khung ACK hợp lệ được gửi đi bằng sự nhận của MPDU yêu cầu tin báo nhận, tương ứng với dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận này, sẽ được hiểu như một xác nhận thành công, cho phép các chuỗi khung tiếp tục, hoặc kết thúc mà không cần yêu cầu lại, tương ứng với chuỗi khung đặc biệt đang được thi hành

Sự nhận ra bất kỳ điều gì, bao gồm bất kỳ khung hợp lệ nào khác, sẽ được hiểu như lỗi của việc truyền MPDU Trong trường hợp này, một trạm sẽ gọi thủ tục backoff của nó tại dấu hiệu tầng vật lý kết thúc nhận và có thể xử

lý khung vừa nhận Một trường hợp ngoại lệ đó là nhận ra khung không hợp

lệ được gửi đi bởi bên nhận một khung thăm dò PS cũng sẽ được chấp nhận như tin báo nhận thành công của khung thăm dò PS

1.2.2.5.8 Những quan hệ tính toán thời gian DCF

Mối liên hệ giữa đặc điểm kỹ thuật IFS được định nghĩa như khoảng thời gian trống trên môi trường Các thuộc tính kết hợp với nhau được cung cấp bởi tầng vật lý đặc trưng

Toàn bộ sự tính toán thời gian mà được tham chiếu từ khi kết thúc truyền,

sẽ được tham chiếu từ khi kết thúc biểu tượng cuối cùng của một khung trên môi trường Bắt đầu truyền sẽ rút về ký tự đầu tiên của khung tiếp theo trên môi trường

Hình 1.18 Các mối quan hệ định thời DCF

 D1 = Độ trễ nhận tần số sóng vô tuyến (RxRFDelay) + Độ trễ nhận giao thức hội tụ tầng vật lý (RxPLCPDelay)

 D2 = D1 + Thời gian truyền trong không gian

 Rx/Tx = Thời gian xoay quanh truyền và nhận (được bắt đầu với một yêu cầu tầng vật lý bắt đầu truyền)

 M1 = M2 = Độ trễ xử lý tầng MAC (MACProDelay)

 CCAdel = thời gian CCA – D1

Thời gian SIFS và khe thời gian (Slot Time) là cố định cho mỗi tầng vật lý

 Thời gian SIFS là : D1 + M1 + Rx/Tx

 Slot Time là : Thời gian CCA + Rx/Tx + Thời gian xoay quanh truyền

và nhận + M1

PIFS và DIFS nhận được từ các phương trình sau:

PIFS = SIFS + Slot Time DIFS = SIFS + 2 x Slot Time EIFS nhận được từ SIFS và DIFS và độ dài về thời gian nó lấy để truyền một khung điều khiển ACK với tốc độ 1 Mbit/s bằng phương trình sau:

EIFS = SIFS +(8 x ACKSize) +độ dài Preamble +độ dài đoạn đầu PLCP + DIFS