Giới thiệu kỹ thuật mạng WirelessLAN (WLAN) và chuẩn IEEE802 11

Chuẩn Wi-Fi Wireless Fidelity Nhóm tơng thích Ethernet không dây WECA Wireless Ethernet Compatibility Alliance là một tổ chức công nghiệp của các công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất

TiÓu luËn M«n häc: M¹ng m¸y tÝnh

§Ò tµi : Giíi thiÖu kü thuËt m¹ng WirelessLAN (WLAN) vµ chuÈn IEEE802.11

Anh bia:

Phần I

Giới thiệu chung về mạng WLAN

I Lợi ích và các ứng dụng của mạng WLAN

Công nghệ mạng LAN không dây (WLAN) ra đời đã đem lại lợi ích to lớn cho ngời

sử dụng nó Ta có thể kể ra đây 4 lợi ích cơ bản mà nó mang lại:

- Cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm

- Có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao

- Có thể thiết lập mạng ở những khu vực rất khó nối dây

- Tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém

Bên cạnh đó, việc cài đặt mạng WLAN cũng khá dễ dàng và công nghệ WLAN cũng rất

dễ hiểu và dễ sử dụng LAN và WLAN chỉ khác nhau ở một số đặc điểm nhng nhìn chung tất cả những công nghệ áp dụng trong LAN thì cũng đều đều áp dụng đợc cho WLAN Chúng có các tính năng giống nhau và thờng đợc nối chung với mạng Ethernet đi dây

Hình 1: Mạng WLAN đem lại khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi cho các thiết bị trợ giúp

kỹ thuật số

II Giới thiệu các chuẩn của mạng WLAN

1 Chuẩn Wi-Fi (Wireless Fidelity)

Nhóm tơng thích Ethernet không dây WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) là một tổ chức công nghiệp của các công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị dùng trong mạng không dây, hai nhiệm vụ của nhóm này là kiểm tra và chứng nhân tất cả các thiết bị không dây theo chuẩn 802.11 của những công ty trong nhóm này

có thể giao tiếp đợc với nhau đồng thời nhóm cũng góp phần đẩy mạnh sự phát triển của chuẩn 802.11 Họ sản phẩm đầu tiên nhận đợc sự chứng nhận của WECA đợc sản xuất dựa trên chuẩn 802.11b Các thiết bị không dây đã đợc WECA chứng nhận sẽ đợc cấp logo Wi-Fi Tất cả những thiết bị nào có biểu tợng chứng nhận Wi-Fi ( đều có thể giao tiếp đợc với nhau bất kể chúng đợc sản xuất bởi hãng nào (Riêng các sản phẩm theo chuẩn 802.11a sẽ đợc dán logo Wi-Fi5

Hình 2: Sự ra đời của tiêu chuẩn Intel Centrino cho thấy sự hỗ trợ của các đại gia máy

tính cho công nghệ không dây và di động

2 Quá trình phát triển của chuẩn 802.11

Chuẩn 802.11x đợc đa ra bởi ủy ban các chuẩn 802 cho mạng LAN/MAN của IEEE 802 là một họ các chuẩn bao gồm chuẩn cho mạng LAN, MAN và bây giờ là cả mạng PAN(Peripheral Area Network) nh bluetooth.Chuẩn IEEE 802.11 giới hạn việc quy

chuẩn trong các thủ tục và các tiến trình diễn ra ở những tầng cấp thấp trong mô hình OSI: tầng MAC hay tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý

Uỷ ban đợc chia thành nhiều nhóm làm việc, từ 802.1 đến 802.17 Mỗi nhóm xử lý một vấn đề khác nhau và đa ra những chuẩn đợc đặt tên trùng với số hiệu của nhóm, ví dụ: 802.1 chuẩn hóa việc bảo mật, 802.2 (điều khiển liên kết logic) là các chuẩn sử dụng cho cả LAN và WLAN, 802.11 đa ra các chuẩn cho WLAN và 802.15 đa ra các chuẩn cho PAN(Peripheral Area Network)

Chuẩn 802.11 ra đời lần đầu tiên năm 1999, đa ra tốc độ truyền lên đến 2 Mbps trên băng tần 2.4GHz sử dụng của kỹ thuật trải phổ nhẩy tần FHSS và trải phổ dãy trực tiếp DDSS

Kể từ đó, nhóm làm việc về 802.11 đợc chia thành rất nhiều nhóm hoạt động nhỏ để đa ra những hỗ trợ và nâng cao cho chuẩn 802.11 sơ khai Hiện nay có các nhóm nhỏ có tên từ

“a” đến “i” họat động dới nhiều phơng thức khác nhau để quy chuẩn cho việc nâng cao khả năng của chuẩn 802.11 Tuy nhiên có một số chuẩn IEEE quy định là tùy chọn và cũng

có thể không bao giờ đợc chấp nhận là một chuẩn công nghiệp

Hiện nay chuẩn 802.11b trở thành một chuẩn công nghiệp dùng cho mạng WLAN Chuẩn này sử dụng kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp DDSS và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ 11 Mbps trên băng thông 2.4GHz Nhng dù vậy 802.11b rồi cũng sẽ bị thay thế bởi các chuẩn khác cung cấp tốc độ truyền cao hơn, có nhiều tính năng hỗ trợ chất lợng dịch vụ QoS hơn và bảo mật hơn

3 Cuộc chạy đua trong việc tăng tốc độ truyền dữ liệu

Quá trình phát triển nâng cao tốc độ của mạng LAN giờ đây cũng diễn ra với mạng WLAN Trên thị trờng hiện nay có 2 lựa chọn cho tốc độ truyền cao, một đã đợc

định nghĩa rõ ràng trong một văn bản chuẩn truyền thông quốc tế đã đợc xuất bản và một vẫn đang trong quá trình phát triển Chỉ có thị trờng mới phán xét đợc ai sẽ dành phần thắng trong cuộc chơi này Cả hai lựa chọn đều đem lại lợi ích cho ngời dùng, xa hơn việc tốc độ truyền tăng cao, nhiều trạm có thể thêm vào AP hơn mà không gây giảm rõ rệt hiệu năng

802.11a

802.11a là một chuẩn bổ sung cho 802.11 ra đời năm 1999 Nó cung cấp tốc độ truyền 54 Mbps trên băng tần U-NII 5GHz sử dụng kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 802.11a không hỗ trợ tơng thíc với 802.11b nên hiện nay ngời ta đang nghiên cứu và phát triển các chip set hỗ trợ cho cả hai chuẩn và kỹ thuật cho phép mạng theo hai chuẩn này có thể giao tiếp với nhau (seamless communication)

802.11g

802.11g cung cấp tốc độ truyền 22 Mbps trên băng tần 2.4GHz dùng kỹ thuật OFDM nhng có thêm khả năng tơng thích lùi với 802.11b

4 Sự cần thiết bổ sung chất lợng dịch vụ

802.11e

Chuẩn này hỗ trợ cho MAC hiện tại của 802.11 để có khả năng hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu về chất lợng dịch vụ Mục đích cuối cùng của chuẩn này là giúp 802.11 có đủ khả năng hỗ trợ cả ứng dụng thơng mại và ứng dụng gia đình bao gồm những ứng dụng đa phơng tiện

802.11e đa ra Văn bản ranh giới QoS đề xuất các phơng pháp giải quyết vấn đề lu thông các gói dữ liệu nhậy cảm vơi thời gian Chuẩn này đảm bảo tránh va chạm cung cấp cơ chế truyền dữ liệu theo lịch trình và nâng cao sự ốn định của đờng truyền

Tốc độ truyền dữ liệu cao và khả năng cung cấp chất lợng dịch vụ sẽ trở thành những bổ sung quan trọng cho họ chuẩn 802.11 Tuy nhiên vấn đề cần thiết và bức xúc hiện nay đối với 802.11 là bảo mật dữ liệu, hiện vẫn đang đợc tiếp tục nghiên cứu bởi nhóm họat động 802.11i

Phần II

Tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của mạng WLAN

I Kiến trúc của mạng WLAN:

Trong WLAN gồm có các trạm (station) và các điểm truy cập (access point) Các trạm là các máy con không dây có khả năng thu phát sóng radio nhờ các card giao tiếp không dây nh: bộ chuyển đổi và anten đợc tích hợp vào card mạng LAN sẵn có, USB

adapter, một card PCMCIA hay card PC Hay có thể đợc tích hợp trong các máy tính xách tay và các thiết bị cầm tay

Các điểm truy cập tạo nên một cầu nối giữa LAN và WLAN

Một vùng dịch vụ cơ bản (BSS) đợc hình thành khi 2 hay nhiều máy nhận ra nhau và có khả năng thiết lập kết nối không dây tạo thành mạng Một mạng có thể đợc cấu hình theo

2 cách:

- Peer-to-peer (hay còn gọi là mạng ad hoc): tơng tự nh PtoP nối dây, các trạm

trong ad hoc có thể truyền dữ liệu cho nhau mà không cần cá AP Khi có 2 trạm

hay nhiều hơn tạo thành một mạng ad hoc thì mạng đó đợc gọi là vùng dịch vụ cơ

bản độc lập IBSS (idependent BSS)

Hình 3: Mô hình mạng ad hoc

- Mạng khách chủ ( hay còn gọi là kết nối mạng cơ sở hạ tầng) : các trạm lập kết

nối không dây với AP, trong đó AP đóng vai trò nh một cầu nối vơi mạng LAN nối dây

Hình 4: Một hệ thống rời rạc trong mạng WLAN

Khi các BSS đợc nối với nhau thông qua hệ thống rời rạc (thờng là một mạng Ethernet LAN nối dây) sẽ tạo ra vùng dịch vụ mở rộng ESS Các BSS khi đợc kết nối nh vậy sẽ gây ra sự chồng chéo vùng dịch vụ vì vậy d liệu phải đợc truyền trên nhiều kênh khác nhau để không bị giao thoa

Phạm vi họat động giữa các trạm và các AP thờng là 100m (tùy thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu) nhng nhìn chung vùng hoạt động của ESS chỉ bị giới hạn bởi vùng hoạt

động của hệ thống rời rạc mà thôi Hơn thế nữa, các ESS còn có thể mở rộng bằng các liên kết không dây có khi đi xa nhiều km nếu sử dụng anten định hớng mở rộng (directional range extender antenna)

II Các phơng tiện truyền dẫn trong WLAN

Trong mạng WLAN theo chuẩn 802.11 có 2 phơng tiện truyền dẫn là sóng radio

và tia hồng ngoại

Mặc dù về lý thuyết chúng ta có thể truyền dữ liệu trong mạng WLAN bằng tia hồng ngoại nhng trên thực tế, sóng radio mới là giải pháp đợc lựa chọn và sử dụng nh là một chuẩn đợc công nhận trên thế giới Vì lí do đó bài viết này chỉ đề cập đến ứng dụng của sóng radio trong mạng không dây

Sóng radio có u điểm là không yêu cầu các trạm phải nằm trong tầm nhìn thẳng nh ở tia hồng ngoại và còn có khả năng đi xuyên qua một số chớng ngại vật cứng nh là tờng, bàn Tuy nhiên việc truyền lan sóng radio gặp phải những vấn đề sau:

Sự phản xạ: sóng radio bị phản xạ trên bề mặt một số vật liệu, hiện tợng này thờng đợc

lợi dụng để lái sóng truyền đi giữa các trạm không ở trong tầm nhìn thẳng nhng đối với một mạng WLAN trong môi trờng văn phòng thì có thể gây ra hiệu ứng đa đờng

Sự hấp thụ: sóng radio có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu nh: nớc, nhựa, thảm

Suy hao trên khoảng cách địa lý: sóng điện từ truyền trong không gian có độ suy hao

tỷ lệ với bình phơng của khoảng cách truyền sóng

Suy hao trên đờng (path loss): do hiện tợng suy hao ở trên sinh ra Trong môi trờng

truyền sóng là văn phòng làm việc, vị trí kê đồ đạc, tờng và bàn ghế và ngay các sự di chuyển vị trí của con ngời cũng góp phần làm gia tăng suy hao trên đờng truyền sóng

Hình 5: Fađinh trong truyền sóng vô tuyến

Hiện tợng đa đờng(nhiều tia): hiện tợng này xảy ra khi tín hiệu từ cùng một nguồn phát

đợc truyền đến nguồn thu theo nhiều đờng khác nhau do một phần năng lợng sóng bị phản xạ vào chớng ngại vật trên đờng đi Hiện tợng này giống nh hiện tợng bóng ma trên màn hình máy thu hình Khi hiện tợng này xảy ra trên mạng WLAN sẽ sinh ra hiện tợng giao thoa liên ký tự (intersymbol interference) Hiện tợng này xảy ra khi có sự chênh lệch thời gian giữa các sóng đến từ một nguồn, đợc gọi là trễ truyền lan (delay spread), hiện t-ợng này làm cho các ký tự bị chồng lên nhau Khi tốc độ truyền tăng, thời gian giữa các bit nhận đợc bị thu ngắn lại và xác suất xảy ra giao thoa xuyên ký tự tăng lên, vì vậy hiện tợng đa đờng làm hạn chế tốc độ truyền tối đa, và đặt ra cho nó một giới hạn trên

* Nguyên nhân tại sao các AP lại có 2 anten?

Hình 6: AP vơi 2 anten cách nhau 1/4 bớc sóng

Câu trả lời chính là do hiện tợng Fađinh nh trình bày ở trên

Trong kỹ thuật anten, hiện tợng fađinh đợc khắc phục bằng 2 phơng pháp: Phân tập theo tần số và phân tập theo không gian Trong đó phân tập theo không gian sử dụng nhiều anten ở trạm nhận để có thể tăng khả năng tiếp nhận đồng thời nhiều sóng tới, đồng thời

hệ thống anten này đợc kết hợp với máy thu phân tập để tổng hợp ra tín hiệu mạnh nhất

và ổn định nhất, có thể thấy kỹ thuật này có thể giảm đáng kể hiện tợng fađinh và rất thích hợp dùng cho các access point(AP) trong mạng WLAN Bởi vì trong WLAN các

AP luôn phải nhận các sóng tới từ các trạm phát mà trên đờng đi luôn có rất nhiều chớng ngại vật gây ra Fadinh Do đó các AP đợc thiết kế với 2 anten đặt cách nhau một khoảng bằng 1/4 bớc sóng

Nh vậy nguyên nhân các AP có 2 anten là để khắc phục hiện tợng Fađinh bằng phơng pháp phân tập tần số.

Có thể giải thích ở đây tại sao 2 anten này đợc đặt cách nhau một khoảng cách vật lý là 1/4 bớc sóng Ta biết rằng khi lệch pha một khoảng 1/4 bớc sóng thì các sóng vô tuyến sẽ ngợc pha nhau, khi đó nếu có những sóng thu đựơc tại anten một vì một lí do nào đó đến

đựơc anten 2 thì cũng sẽ bị triệt tiêu do ngợc pha với sóng tại anten này, điều này tránh

đ-ợc hiện tợng fađinh trong bản thân hệ thống anten phân tập không gian

III Các phơng thức truyền dữ liệu trên WLAN

Các đặc điểm truyền lan của sóng radio quyết định phơng thức truyền dữ liệu trong mạng WLAN Với sóng radio theo chuẩn 802.11 , có 4 phơng thức truyền là: trải phổ dãy trực tiếp DSSS, trải phổ nhảy tần FHSS, điều chế đơn sóng mang, điều chế đa sóng mang

Bài viết này đề cập đến 2 phơng thức truyền DSSS và FHSS

Chuẩn IEEE 802.11 sử dụng băng tần 2,4GHz vốn đợc dùng trong công nghiệp, khoa học và y tế, nên để tránh giao thoa với các nguồn tín hiệu khác ngời ta dùng 2 phơng pháp truyền dẫn là trải phổ dãy trực tiếp và trải phổ nhảy tần nh nói ở trên

Trong DSSS tín hiệu từ trạm phát đợc kết hợp với một chuỗi mã giả ngẫu nhiên ( các chuỗi bit 0, 1 có tần số cao và đợc sinh ra một cách ngẫu nhiên, tất cả các trạm trong mạng phải có chuỗi mã này để có thể thực hiện việc giải trải phổ) Do đợc kết hợp với chuỗi mã tần số cao, phổ của tín hiệu gốc đợc dàn trải trên một khoảng tần số lớn hơn nhiều và có biên độ gần với nhiễu trắng toàn băng nên khi tín hiệu này đến các trạm nhận trung gian(các thiết bị khác hoạt động ở băng ISM-industry, science, Medical band) sẽ bị coi là nhiễu và bị bỏ qua Khi tín hiệu đến đợc trạm nhận nó sẽ đợc nhân với chuỗi mã giải trải phổ để thu lại đợc tín hiệu gốc ban đầu

Hình 7: Phổ tín hiệu trong DSSS Hình 8: Phép XOR tạo tín hiệu trải phổ

Trên thực tế, việc tạo ra những mã giả ngẫu nhiên chỉ bằng những bộ X-OR và một vài thanh ghi dịch

Trong trải phổ nhảy tần, băng tần tổng đợc chia thành nhiều băng tần con bằng

nhau( kênh truyền) nhỏ hơn, băng thông của kênh con đợc chia phụ thuộc vào tốc độ bit

và phơng thức điều chế đợc sử dụng Trạm phát sẽ sử dụng mỗi kênh con trong một

khỏang thời gian ngắn (chipping rate) trớc khi nhảy sang kênh khác Khi một kênh con

đ-ợc sử dụng thì tần số sóng mang ở trung tâm của kênh truyền sẽ đđ-ợc điều chế theo tín hiệu

đợc truyền tại thời điểm đó

Hình 9: Phổ tín hiệu trong FHSS

Có 2 loại trải phổ nhảy tần là

- Nhảy tần nhanh: nếu tốc độ nhảy tần nhanh hơn tốc độ dữ liệu

- Nhảy tần chậm: nếu tốc độ nhảy tần chậm hơn tốc độ dữ liệu

Hình 10: So sánh phổ của DSSS và FHSS suy ra FHSS chống fađinh tốt hơn

Trải phổ nhảy tần giảm fađinh tốt hơn trải phổ dãy trực tiếp đặc biệt là phơng pháp nhảy tần nhanh

IV CSMA/CA phơng thức điều khiển truy nhập đờng truyền (MAC) của WLAN

Một vấn đề xảy ra trong mạng WLAN là tất cả các trạm trong mạng đều cùng chiếm một băng tần nh nhau và sử dụng chuỗi mã nhị phân giả ngẫu nhiên nh nhau(đối với DSSS) và có cùng một quy luật nhảy tần nh nhau (với FHSS) nên để tín hiệu truyền đi

không bị giao thoa thì phải có một phơng thức điều khiển truy nhập đờng truyền hợp lý để chỉ có thể có một trạm phát trên đờng truyền trong một thời điểm

Ta nhận thấy rằng sử dụng phơng thức điều khiển CSMA/CD trong WLAN là không tối u vì:

- Để phát hiện va chạm theo cơ chế CD thì sau khi truyền dữ liệu, cả trạm phát và trạm nhận đều phải có bộ phát hiện va chạm và nó phải đợc bật trong suốt quá trình truyền dữ liệu Việc này tiêu tốn chi phí cho bộ dò va chạm và tiêu phí năng lợng pin để nuôi nó trong khi giá các thiết bị nối mạng không dây vốn đã đắt và năng lợng pin cần phải đợc tiết kiệm tối đa để cung cấp thời gian sử dụng lâu hơn

- Quan trọng hơn là cho dù trạm phát có không phát hiện đợc va chạm gì trên đờng truyền trong lúc truyền dữ liệu thì va chạm vẫn có thể xảy ra ở phía trạm nhận khi nhiều tín hiệu cùng thu đợc ở trạm nhận cùng một lúc

Hiện tợng va chạm ở trạm nhận xảy ra do những nguyên nhân sau:

- Hiện tợng đầu cuối ẩn: giả sử trạm A và B đều truyền dữ liệu đến trạm C nhng do

có chớng ngại vật ngăn cách nên A không biết là B đang truyền dữ liệu đến C Nh

vậy A và B sẽ cùng truyền dữ liệu đến C do đó tại C sẽ xảy ra va chạm

- Hiện tợng Fađinh: hiện tợng này cũng gần giống nh trên, nhng giữa trạm A và B bây giờ không có chớng ngại vật mà là một khoảng cách đủ lớn để A không nhận

ra B đang truyền, A và B lại cùng truyền đến C và lại xảy ra va chạm

Hình 11: (a) đầu cuối ẩn (b)Fađinh

Để giải quyết những vấn đề trên, ngời ta sử dụng phơng thức CSMA/CA (Đa truy nhập ngẫu nhiên cảm sóng mang/ tránh va chạm) Quá trình truyền dữ liệu trong phơng thức này diễn ra nh sau:

- Khi muốn truyền một khung dữ liệu, trạm phát lắng nghe xem đờng truyền có rỗi không( việc này đợc thực hiện bằng một bộ cảm nhận sự thay đổi năng lợng sóng radio)

- Lúc này có 2 trờng hợp xảy ra: