Tìm hiểu xu hướng phát triển thông tin di động 4G
1
§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN
Lưu Thị Thu
Hiền
Tìm hiểu xu hướng phát triển 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 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
Tìm hiểu xu hướng phát triển 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
2.3.6.3 Khung MAC...................................................................................
2.3.6.4 Địa chỉ MAC ..................................................................................
2.3.6.5 Truy cập tới RCH ...........................................................................
2.3.7 Các DCL khác ........................................................................................
2.3.8 Handover.................................................................................................
2.3.9 CL ...........................................................................................................
2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 ..........................................................
2.4 MMAC-PC .....................................................................................................
2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11.........................................................
2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh ....................................................................
2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng...........................................................
2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM ....................................................
2.5.4 Vùng phủ sóng ........................................................................................
2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do.........................................................
32
33
33
33
36
38
38
39
41
41
44
44
46
48
CHƯƠNG 3: WPANs .........................................................................................
3.1 Giới thiêu........................................................................................................
3.2 Một số khái niệm ...........................................................................................
3.3 Tổng quan Bluetooth.....................................................................................
3.3.1 Cấu trúc Bluetooth ..................................................................................
3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth ...............................................
3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth ....................................................
3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth .......................................................................
3.3.3.2 Lớp dải gốc.....................................................................................
3.3.3.3 Lớp giao thức quản lý kết nối (LMP) ............................................
3.3.3.4 Lớp điều khiển giao thức kết nối và giao thức thích nghi .............
3.3.3.5 Lớp giao thức phát hiện dịch vụ (SDP) .........................................
3.4 PAN.................................................................................................................
3.4.1 Nguyên lý cấu trúc..................................................................................
3.4.2 Giao diện ................................................................................................
3.4.3 Giao tiếp với mạng bên ngoài.................................................................
3.5 Mạng Ad Hoc .................................................................................................
3.6 Bảo mật...........................................................................................................
3.7 Những ứng dụng chính và khả năng hình thành mạng .............................
3.8 Các thiết bị trong hệ thống ...........................................................................
50
50
52
53
53
54
56
56
56
66
66
67
68
68
71
71
71
72
72
73
3.9 Những thách thức đối với PAN và những vấn đề mở rộng .......................
3.10 B-PAN...........................................................................................................
3.11 WLAN và WPAN ........................................................................................
3.12 Tóm lại..........................................................................................................
CHƯƠNG 4: SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG 4G .......................................................................................................
4.1 Giới thiệu........................................................................................................
4.2 WAL ...............................................................................................................
4.3 Cấu trúc WAL ...............................................................................................
4.4 Dịch vụ báo hiệu WAL .................................................................................
4.4.1 Một vài định nghĩa..................................................................................
4.4.1.1 Hoạt động của WAL ......................................................................
4.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL ..............................................................
4.4.1.3 Thủ tục đăng ký..............................................................................
4.4.2 Sự thiết lập association ...........................................................................
4.4.3 Dữ liệu ....................................................................................................
4.4.4 Thủ tục tái thiết lập sự kết hợp ...............................................................
4.4.5 Danh sách PDU.......................................................................................
Kết luận ................................................................................................................
74
75
76
78
79
79
79
80
81
82
82
82
83
86
88
89
91
94
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, AMT2000…). 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.
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
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.
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.
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
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.
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,
24Mbps và định nghĩa 9, 18, 36, 54Mbps như nhưng tuỳ chọn của hệ thống thứ 4
này.
Hiện nay, chuẩn IEEE 802.11do nhóm G đề ra thậm trí còn cao hơn tốc độ
hiện thời cho các mạng theo chuẩn 11b. Những mạng này sẽ cung cấp một dụng
lượng tối đa với tốc độ 20Mbps. Cuối cùng việc thiết lập chuẩn chính của uỷ ban
IEEE 802.11 kéo theo sự phát triển của MAC với 11e đạt chuẩn chất lượng của dịch
vụ và 11i cho tính bảo mật, cùng với sự nâng cao về tốc độ của chuẩn hiện tại 11G.
2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11
IEEE 802.11 là một chuẩn hình thành bởi một lớp vật lý và một lớp địa chỉ
MAC. Qua lớp này, chuẩn được giao tiếp với chuẩn dữ liệu lớp LLC IEEE 802.2.
Cấu trúc giao thức được miêu tả trong hình 4.1 nơi lớp vật lý thực hiện một trong ba
chức năng:
•
Trải phổ nhảy tần (FH).
•
Định hướng nối tiếp trực tiếp (DS).
•
Hồng ngoại.
Lớp liên kết dữ liệu 802.2
MAC
DSSS
PHY
PHSS
PHY
IR
PHY
Hình 2.1: Lớp giao thức
Hệ thống được cấu thành từ các thành phần:
• Trạm (STA): là nơi truyền thông, thông thường là trạm lưu động.
• Điểm truy cập (AP): là điểm trung tâm đặc biệt của trạm mà thông thường
nó được thực hiện ở một kênh cố định và là một vị trí cố định. Điểm này có
thể được nhìn thấy nhờ sự phối hợp bên trong của nhóm STAs
• 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.
Hình 2.2 một ESS
Bảng 2.1
Những dịch vụ của STA:
•
Chứng thực và không chứng thực;
•
Bảo mật.
•
802.2)
Đơn vị dữ liệu MAC phân phối tới các lớp cao hơn ( lớp IEEE
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.
Những dịch vụ này liên quan trực tiếp tới mô hình tham khảo IEEE 802.11,
được chỉ ra trong hình 2.3. Khi lớp con MAC được giới thiệu, thì việc sử dụng
những dịch vụ này sẽ được mô tả rõ hơn.
Cuối cùng mô hình tham khảo IEEE 802.11 cho thấy rằng cả lớp MAC và lớp
vật lý đều chứa hai thực thể quản lý: thực thể quản lí lớp con MAC (MLME) và
thực thể quản lý lớp PHY (PLME). Những thực thể này cung cấp các giao diện
quản lý dịch vụ, và kéo theo chức năng quản lý lớp.
2.2.1.3 Lớp vật lý
Như đã mô tả trong hình 2.3, lớp PHY được chia thành hai lớp con. Lớp đầu
tiên là lớp con phụ thuộc vào môi trường vật lý (PMD), với các sóng mang được
điều chế và mã hoá. Lớp thứ hai là lớp giao thức hội tụ lớp vật lý (PLCP), với chức
năng đặc biệt, hỗ trợ PHY SAP thông thường và cung cấp kênh báo hiệu rỗi.
MAC_SAP
Lớp con MAC
Thực thể quản lý
lớp con MAC
PHY_SAP
MLME_PLME_SAP
Lớp con PLCP
PMD_SAP
Thực thể quản lý
Lớp con PHY
MLME_SAP
Thực thể quản lý
trạm
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).
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
• 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
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.
- Xem thêm -