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

WLAN, WPAN v bc phỏt trin n h thng thụng tin di ng 4G


Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Lu Th Thu Hin
1
đại học quốc gia hà nội
trờng đại học công nghệ
khoa điện tử - viễn thông






KHOá LUậN TốT NGHIệP

Tìm hiể u về WLANs, WPANs và xu hớng
phát triển thông tin di động 4G









Ngời thực hiện: Lu Thị Thu Hiền
Giáo viên hớng dẫn: Th.S Nguyễn Phi Hùng

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
2
Hµ Néi 6/2005

Tóm tắt

Ngày nay xu thế phát triển của công nghệ đã đưa ra các giải pháp tối ưu về
mạng và khả năng cung cấp các ứng dụng từ hệ thống mạng càng tăng cao, đặc
biệt là các mạng không dây. Với những thiết bị đầu cuối di động như điện thoại,
máy tính sách tay v v ,người dùng có thể thực hiện các kết nối vô tuyến thông
qua các nhà cung cấp dịch vụ.
Với tính năng
ưu việt, và các ứng dụng đã được áp dụng rộng rãi của mạng
WLAN ( mạng LAN không dây), em đã đi sâu tìm hiểu về đặc tính và các khả
năng đang được sử dụng trong truyền thông của WLAN.
Từ khả năng truyền thông di động dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến và sự
tiến bộ của môi trường không dây đã đưa ra giải pháp mạng PAN giúp mở rộng
môi trường cá nhân đáp ứng các dịch v
ụ 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 h
ệ 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 lượ
ng lớn mạng truy cập, cung cấp kết nối tất
cả các người dùng ở bất kỳ đâu, tại bất kỳ thời điểm nào. Đó chính là thông tin di
động thế hệ 4G. Với tất cả các lợi thế và ưu điểm đã làm cho 4G trở thành thế hệ
mạng không dây lôi cuốn trong tương lai.
Chính vì vậy em đã chọn đề tài Tìm hiểu về WLANs, WPANs và xu
hướng phát triển thông tin di động 4G
để nghiên cứu sâu về các giải pháp mạng
không dây với hi vọng 4G sẽ là một hệ thống di động tối ưu trong tương lai gần,
và mô hình thực thi 4G tại Việt Nam trở thành hiện thực.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
3


Mục lục
Trang

Lời mở đầu 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 3
1.1 Tổng quan về thông tin di động 3
1.2 Thông tin di động thế hệ 4 4
CHƯƠNG 2: WLAN 7
2.1 Giới thiệu WLAN 7
2.2 Chuẩn IEEE 802.11 7
2.2.1 Kiến trúc chung IEEE 802.11 8
2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống 9
2.2.1.2 Đặc tính cơ bản của hệ thống 9
2.2.1.3 Lớp vật lý 11
2.2.1.4 Lớp MAC 12
2.2.1.5 Cấu trúc MAC 13
2.2.1.6 Khả năng kết hợp 18
2.2.1.7 Chứng thực và bảo m
ật 19
2.2.1.8 Phân đoạn 20
2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ 20
2.2.1.10 Di động 21
2.2.1.11 Khả năng lưu trữ 21
2.2.1.12 Khả năng hỗ trợ 23
2.3 HIPERLAN-2 23
2.3.1 Giới thiệu 23
2.3.2 Cấu trúc chung của HIPERLAN 23
2.3.3 Cấu trúc hệ thống HIPERLAN-2 25
2.3.4 Đặc tính cơ bản của hệ thống 26
2.3.5 Lớp vật lý 27
2.3.6 Lớp DCL 27
2.3.6.1 Lớp MAC 31

2.3.6.2 Thao tác MAC 31


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
4
2.3.6.3 Khung MAC 32
2.3.6.4 Địa chỉ MAC 33
2.3.6.5 Truy cập tới RCH 33
2.3.7 Các DCL khác 33
2.3.8 Handover 36
2.3.9 CL 38
2.3.10 Hỗ trợ QoS trong HIPERLAN-2 38
2.4 MMAC-PC 39
2.5 Triển khai cơ sở hạ tầng IEEE 802.11 41
2.5.1 Băng ISM và phân bố kênh 41
2.5.2 Tín hiệu, nhiễu và vùng phủ sóng 44
2.5.3 Tín hiệu và nhiễu trong băng tần ISM 44
2.5.4 Vùng phủ sóng 46
2.5.5 IEEE 802.11 cho không gian tự do 48

CHƯƠNG 3: WPANs 50
3.1 Giới thiêu 50
3.2 Một số khái niệm 52
3.3 Tổng quan Bluetooth 53
3.3.1 Cấu trúc Bluetooth 53
3.3.2 Mô hình tham chiếu giao thức Bluetooth 54
3.3.3 Tổng quan về giao thức lõi Bluetooth 56

3.3.3.1 Lớp radio Bluetooth 56
3.3.3.2 Lớ
p dải gốc 56
3.3.3.3 Lớp giao thức quản lý kết nối (LMP) 66
3.3.3.4 Lớp điều khiển giao thức kết nối và giao thức thích nghi 66
3.3.3.5 Lớp giao thức phát hiện dịch vụ (SDP) 67
3.4 PAN 68
3.4.1 Nguyên lý cấu trúc 68
3.4.2 Giao diện 71
3.4.3 Giao tiếp với mạng bên ngoài 71
3.5 Mạng Ad Hoc 71
3.6 Bảo mật 72
3.7 Những ứng dụng chính và khả năng hình thành mạng 72
3.8 Các thiết bị trong hệ thống 73


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
5
3.9 Những thách thức đối với PAN và những vấn đề mở rộng 74
3.10 B-PAN 75
3.11 WLAN và WPAN 76
3.12 Tóm lại 78
CHƯƠNG 4: SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG 4G 79
4.1 Giới thiệu 79
4.2 WAL 79
4.3 Cấu trúc WAL 80

4.4 Dịch vụ báo hiệu WAL 81
4.4.1 Một vài định nghĩa 82
4.4.1.1 Hoạt động của WAL 82
4.4.1.2 Khuôn dạng tiêu đề WAL 82
4.4.1.3 Thủ tục đăng ký 83
4.4.2 Sự thiết lập association 86
4.4.3 Dữ liệu 88
4.4.4 Thủ tục tái thiết lập sự k
ết hợp 89
4.4.5 Danh sách PDU 91
K

ết luận 94

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
6





Lời mở đầu
Ngày nay, với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ máy tính đã giúp việc
trao đổi thông tin ngày càng dễ dàng thuận tiện hơn. Công nghệ mạng LAN ra đời
đã phát triển rộng rãi trên thế giới, nhưng hạn chế của nó là việc sử dụng các loại
dây cáp (cáp đồng trục, cáp xoắn ) đôi khi gây khó khặn cho việc kết nối. Vì vậy sự
ra đời của công nghệ mạng không dây (WLAN) là một xu hướng tất y
ếu đáp ứng
việc liên kết với quy mô phức tạp và khả năng truyền thông di động
Khả năng truyền thông di động được dựa trên cơ sở thông tin vô tuyến, đã trải
qua sự phát triển mạnh trong những thập niên trước (như GSM, GPRS, AMT-
2000…). Sự phát triển những tốc độ truyền bit dữ liệu cao hơn dẫn đến sự hình

thành các hệ thống không dây và các giải pháp mạng mới. Sự ti
ến 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 s
ử 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 th
ế 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 phụ
c các nhược điểm này, thế hệ 4G đã
được định nghĩa. Với một số chuẩn mới được đưa ra thì hệ thống 4G trở nên dễ hiểu
bởi khái niệm các mạng không đồng nhất, bao gồm một số lớn mạng truy cập với
một nguyên tắc chung là giao thức IP, cung cấp kết nối tất cả các người dùng ở bất
kỳ đâu tại bất cứ
thời điểm nào.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền

7


Nôi dung bản khoá luận được trình bày trên 90 trang và được bố cục thành 4
chương gồm những phần lớn sau:
- Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động và hệ thống thông tin
di động thế hệ 4G
- Các ưu điểm và các ứng dụng rộng rãi của WLAN
- Giải pháp về mạng WPAN và các đặc tính nổi bật của B-PAN
- Sự hình thành hệ thống thông tin di động 4G
- Kết luận
Để có được bản khoá luận hoàn thi
ện 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 Đi
ện Tử-Viễn Thông đã cho em
nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập tại khoa.
Cảm ơn gia đình, và bạn bè đã dành nhiều sự giúp đỡ cho em trong thời gian
thực hiện khoá luận.
Hà Nội ngày 05 tháng 06 năm 2005
Sinh viên
Lưu Thị Thu Hiền

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
8


Chương 1
Tổng quan về thông tin di động và hệ thống
thông tin di động 4G
1.1 Tổng quan về thông tin di động
Thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ
số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như
thiết bị vô tuyến, máy tính sách tay v v Những thiết bị này ngày càng trở nên quan
trọng trong cuộc sống của chúng ta. Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể kiểm tra
email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ. Từ nh
ững 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 độ
ng 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 tớ
i
Internet không dây thông qua các điểm truy cập.
Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ
mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở hạ
tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành để
thiết lập cơ sở hạ
tầng này là rất cao. Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc nào
khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ sóng.
Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một mạng di
động đặc biệt.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
9
Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm
thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm
trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động thiết lập một
mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao. Đây là khả năng thiết lập m
ạng 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 nh
ững thành phần
bên trong cấu trúc mạng 4G.



WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
10
Hình 1.1Cấu trúc mạng di động 4G
4G được tích hợp những topo và các nền tảng mạng khác nhau. Trong hình 1.1
sự hợp nhất nhiều kiểu mạng được chồng lên những ranh giới mạng khác nhau. Có
hai kiểu hợp nhất: đó là sự hợp nhất những mạng không dây hỗn hợp với đặc trưng
truyền đạt không dây của mạng LAN, WAN, PAN cũng như những mạng di động
đặc biệt khác. Sự hợp nhất th
ứ 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 d
ẫn 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 dụ
ng 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
b
ởi các nút mạng di động tuỳ ý mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện hữu


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
11

hay quản lý tập trung. Mạng này cho phép các nút không dây tồn tại độc lập, cung
cấp một phạm vi nối mạng rộng hơn và khả năng sử lý lớn hơn. Các nút cũng có thể
kết nối tới các mạng cố định thông qua một thiết bi trung gian có cổng dành riêng.
Thiết bị đầu cuối của mạng 4G cho phép hỗ trợ thông minh với khả năng định
vị và tìm kiếm dịch vụ theo yều cầ
u người dùng ngay cả khi người đó đang chuyển
động tại bất cứ thời điểm nào
Tất cả các lợi thế này làm cho mạng Ad hoc trở nên lôi cuốn trong thế hệ
mạng di động tương lai.













WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
12

Chương 2

WLAN

2.1 Giới thiệu WLAN
Dựa trên quan điểm nêu trên, thì hiển nhiên những cơ sở hạ tầng WLAN sẽ
đóng một vai trò quan trọng trong tương lai gần như một sự bổ sung cho thế hệ
mạng hiện tại hoặc là kế hoạch cho những mạng tế bào. Tuy nhiên đó không phải là
tất cả khi chúng ta cho rằng WLAN là sự hỗ trợ duy nhất cho những mạng truy cập
tế bào. Trong trường hợp này, việc được đề cậ
p 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 thi
ệu 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 chu
ẩn với tốc độ 10Mbps xuất hiện và vượt qua ngưỡng chuẩn của
hệ thống IEEE 802.11 thứ 3. Như vậy IEEE 802.11 b được sinh ra cho phép hoạt
động ở những tốc độ dữ liệu 5.5Mbps và 11Mbps. Song song với quá trình này, một
nhóm các nhà sản xuất thứ hai đang làm việc về một chuẩn với băng thông 5GHz.
Chuẩn này được biết như là IEEE 802.11a, cho phép mạng hoạt động ở tốc độ 6, 12,

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
13
24Mbps và định nghĩa 9, 18, 36, 54Mbps như nhưng tuỳ chọn của hệ thống thứ 4
này.
Hiện nay, chuẩn IEEE 802.11do nhóm G đề ra thậm trí còn cao hơn tốc độ
hiện thời cho các mạng theo chuẩn 11b. Những mạng này sẽ cung cấp một dụng
lượng tối đa với tốc độ 20Mbps. Cuối cùng việc thiết lập chuẩn chính của uỷ ban
IEEE 802.11 kéo theo sự phát triển của MAC với 11e đạt chuẩn chất lượ
ng 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: L
ớp giao thức
Hệ thống được cấu thành từ các thành phần:
• Trạm (STA): là nơi truyền thông, thông thường là trạm lưu động.
• Điểm truy cập (AP): là điểm trung tâm đặc biệt của trạm mà thông thường
nó được thực hiện ở một kênh cố định và là một vị trí cố định. Điểm này có
thể được nhìn thấy nhờ sự phối hợp bên trong của nhóm STAs


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
14
• Cổng kết nối (PO): là một điểm truy cập đặc biệt, giúp liên kết chuẩn IEEE
802.11 WLANs và chuẩn 802.x của mạng LANs. Vì vậy nó đưa ra sự hợp
nhất logic giữa hai kiểu kiến trúc mạng trên.
Tất cả các yếu tố này giúp thực hiện nên cấu trúc giao thức ở hình 4.1 nhưng
chúng lai thực hiện các chức năng khác nhau.
2.2.1.1 Cấu trúc hệ thống
Với một cấu hình trạm và một điểm truy cập ta có thể tạo ra một tập dịch vụ
cơ bản (BSS), nó bao gồm các khối chính của chuẩn IEEE 802.11 WLAN.
Một BBS đơn giản nhất bao gồm hai trạm giao tiếp trực tiếp với nhau. Phương

thức này thường được tham chiếu tới một mạng đặc biệt bởi vì IEEE 802.11 WLAN
tiêu biểu này được tạo ra khi cần cho những mục đích
đặc biệt (như sự chuyển dữ
liệu từ máy tính cá nhân này sang máy tính cá nhân khác. Kiểu IEEE 802.11
WLAN cơ bản này được gọi là BSS độc lập (IBSS)
Thành phần thứ hai trong cơ sở hạ tầng của BSS bao gồm một AP (là một
STA đặc biệt) đóng vai trò phối hợp của BSS.
Thay vì tồn tại độc lập, các BSS có thể được kết nối với nhau thông qua mạng
cơ sở, mạng đó được gọi là h
ệ 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 trạ
m (SS) và tới DS được gọi
là dịch vụ phần bổ hệ thống (DSS). Cả hai loại dịch vụ được sử dụng bởi lớp con
MAC IEEE 802.11.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G

§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
15

Hình 2.2 một ESS

Bảng 2.1
Những dịch vụ của STA:
• Chứng thực và không chứng thực;
• Bảo mật.
• Đơn vị dữ liệu MAC phân phối tới các lớp cao hơn ( lớp IEEE
802.2)
Những dịch vụ của DS:
• Kết hợp và phân tách;
• Phân phối;
• Hợp nhất;
• Tái kết hợp;
Các SS được cung cấp bởi tất cả các trạm bao gồm AP, các chuẩn tuân theo
IEEE 802.11, trong khi các DSS được cung cấ
p bởi DS.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
16
Những dịch vụ này liên quan trực tiếp tới mô hình tham khảo IEEE 802.11,
được chỉ ra trong hình 2.3. Khi lớp con MAC được giới thiệu, thì việc sử dụng
những dịch vụ này sẽ được mô tả rõ hơn.
Cuối cùng mô hình tham khảo IEEE 802.11 cho thấy rằng cả lớp MAC và lớp

vật lý đều chứa hai thực thể quản lý: thực thể quản lí lớp con MAC (MLME) và
thực thể quản lý lớp PHY (PLME). Những thực thể này cung cấp các giao di
ện
quản lý dịch vụ, và kéo theo chức năng quản lý lớp.
2.2.1.3 Lớp vật lý
Như đã mô tả trong hình 2.3, lớp PHY được chia thành hai lớp con. Lớp đầu
tiên là lớp con phụ thuộc vào môi trường vật lý (PMD), với các sóng mang được
điều chế và mã hoá. Lớp thứ hai là lớp giao thức hội tụ lớp vật lý (PLCP), với chức
năng đặc biệt, hỗ trợ PHY SAP thông thường và cung cấp kênh báo hiệu rỗi.


MAC_SAP
Lớp con MAC

PHY_SAP


Thực thể quản lý
lớp con MAC


MLME_PLME_SAP

Lớp con PLCP
PMD_SAP


Lớp con PMD

Thực thể quản lý
Lớp con PHY


MLME_SAP


Thực thể quản lý
trạm


PLME_SAP




Hình 2.3 lớp giao thức
Mô hình này được thiết kế với mục tiêu thực hiện, với cùng một lớp MAC,
một PHY lựa chọn giữa FH, DH hoặc IR (được miêu tả trong bảng 2.2).


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
17

Một sự mô tả chi tiết hơn của những khía cạnh liên quan tới lớp vật lý, người
đọc có thể xem phần [ 5,6 ]
2.2.1.4 Lớp MAC
Lớp địa chỉ MAC chịu trách nhiệm cung cấp cho các dịch vụ sau:
• Dịch vụ dữ liệu không đồng bộ, cung cấp cho các thực thể chuẩn IEEE
802.2 với khả năng trao đổi các MSDU;
• Các dịch vụ bảo mật, với chuẩn IEEE 802.11cung cấp bởi dịch vụ chứng
thực và cơ chế wired-equivalent privacy(WEP);
• Sắp xếp MSDU, cho tập hợp các MSDU nhận được tại giao diện dịch vụ
MAC của một trạm bất kỳ, là sự thay đổi thứ tự phân phối của các MSDU
quảng bá và truyền thông đa điểm, liên quan tới các MSDU trực tiếp, phát
sinh từ địa chỉ trạm nguồn.

Bảng 2.2 PHY đặc biệt
Khuôn dạng khung MAC được chỉ ra ở hình 4.4 và bao gồm các thành phần
sau:
• Tiêu đề MAC, bao gồm thông tin điều khiển khung, khoảng thời gian, địa chỉ
và thông tin điều khiển nối tiếp;
• Phần thân khung có kích thước biến đổi chứa đựng thông tin đặc trưng về
kiểu khung;
• Chuỗi khiểm tra khung (FCS) chứa một CRC 32bit của IEEE


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
18
• Việc nhận biết 4 trường địa chỉ trong khuôn dạng khung MAC rất quan
trọng. Những trường này được sử dụng để xác định BSS (BSS-ID), địa chỉ

nguồn, địa chỉ đích, địa chỉ nơi nhận, địa chỉ nơi thu.
2.2.1.5 Cấu trúc MAC
Cấu trúc MAC (hình 4.5) cung cấp chức năng kết hợp điểm (PCF) thông qua
các chức năng kết hợp phân bố (DCF). Phương pháp truy cập cơ bản của MAC
theo chuần IEEE 802.11 là một DCF sử dụng đa truy nhập có cảm nhận đường
truyền với khả năng tránh lỗi (CMSA/CA). DCF được thực hiện trong tất cả các
STA, sử dụng cho cả IBSS và cơ sở hạ tầng của cấu hình mạng. IEEE 802.11
MAC có thể
hợp nhất một một phương pháp truy cập gọi là PCF, chỉ được sử
dụng trong cơ sở hạ tầng của cấu hình mạng. PCF cho biết sự mở rộng của hàm
MAC và cung cấp trễ đường truyền thấp hơn để hỗ trợ các dịch vụ giới hạn về
thời gian.


Hình 2.4 Định dạng khung MAC


Hình 2.5 Cấu trúc MAC




WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
19
Phương pháp truy cập căn bản: DCF
Giao thức truy cập đường truyền cơ bản (DCF) cho phép chia sẻ tài nguyên
giữa các STA thông qua việc sử dụng CSMA/CA. Trong giao thức này, trước khi

truyền, STA sẽ biết được trạng thái đường truyền. Nếu như đường truyền rỗi trong
khoảng thời gian xác định, gọi là không gian phân bố liên khung (DIFS), STA
thực hiện sự phân bổ dữ liệu của nó. Nói cách khác nếu đường truyền bận vì STA
khác đang phát, thì nó sẽ
dừng quá trinh truyền và sau đó thực hiện giải thuật
backoff trong của sổ tranh chấp (CW). Việc thực hiện này của giao thức
CSMA/CA được phác thảo trong hình 2.6

Hình 2.6 Giao thức CSMA
Cơ chế backoff sử dụng trong DCF là riêng biệt và thời gian của một DIFS
được chia thành các khe thời gian, khoảng thời gian phụ thuộc vào môi trường vật
lý được sử dụng (cố định theo một phương pháp mà trạm có thể phát hiện ra sự
truyền tin của trạm khác). Thuật toán backoff dựa theo sự chuyển đổi số mũ nhị
phân: với mỗi quá trình truyền, giá trị của khoảng thời gian giữa hai lầ
n 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 CW
min

(cửa sổ tranh chấp tối thiểu) và được liên tiếp tăng lên tới giá trị cực đại CW
max
,
như trong hình 2.7. Trong ví dụ này CW
min
là 7 và CW
max
là 63. Giá trị của hai
tham số này phụ thuộc vào lớp vật lý đã được định nghĩa trong chuẩn.

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
20

Hình 2.7 ví dụ về sự tăng theo luật số mũ của CW.
Thuật toán số mũ backoff được kích hoạt mỗi khi một trong các lí do sau
xuất hiện:
• Khi STA nhận thấy đường truyền bận;
• Sau mỗi quá trình truyền;
• Sau mỗi quá trình chuyển tiếp;
Khi nhận thành công một khung, giao thức MAC IEEE 802.11 yêu cầu nơi
nhận phát đi bản tin ACK để chứng thực (hình 2.8). Vì vậy một khung ACK sẽ
được truyền bởi bấ
t cứ tram đích nào khi nó nhận thành công một khung truyền
đơn điểm (unicas), tuy nhiên trạm đích sẽ không gửi lại ACK nếu như nó nhận
được bản tin quảng bá từ nơi gửi.
Trên thực tế cơ chế cảm nhận đường truyền ảo đạt được bởi việc phân phối
thông tin sắp sử dụng đường truyền. Việc trao đổi các khung yêu cầu gửi (RTS)
và xoá yêu cầu gửi (CTS) trướ
c khi truyền khung dữ liệu thực sự là một cách
thông tin chiếm dụng đường truyền. Khung RTS và CTS chứa các thông tin về
trường địa chỉ ID, nó liên quan tới đường truyền dự trữ để truyền khung dữ liệu
thực sự và khung ACK gửi lại. Tất cả các STA kể cả STA nguồn (phát bản tin
RTS) và STA đích (phát bản tin CTS) đều được biết sự chiếm dữ đường truyền.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G

§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
21

Hình 2.8 CSMA/CA +ACK
Cuối cùng, cơ chế cảm nhận đường truyền ảo được sử dụng trong véc tơ
định vị mạng (NAV). NAV duy trì một sự dự đoán trước đường truyền dựa trên
khoảng thời gian được xác nhận trong khung RTS/CTS trước khi truyền dữ liệu
thực sự. Vì thế các STA nhận một khung hợp lệ sẽ cập nhật NAVcủa chúng với
các thông tin nhận được về trường ID. Bằ
ng cách này, STA sẽ lưu trữ các thông
tin về đường truyền và thông tin về lớp vật lý. Cũng giống như thông tin được
chứa trong khung ACK và được sử dụng khi dữ liệu bị phân đoạn (hình 2.9).
Các khung RTS/CTS luôn ngắn hơn các khung khác là cơ chế để giảm bớt
tranh chấp. Điều này sẽ chỉ đúng nếu dữ liệu dài hơn RTS/CTS. Trong trường hợp
khác, nó có thể truyền dữ liệu mà không cần truyền RTS/CTS dướ
i sự điều khiển
một tham số gọi là ngưỡng RTS.
Trong hình 2.9, short interframe space (SIFS) là một trong bốn khung rỗng
có thể (IMS), nó được mô tả như sau:
• SIFS là khoảng thời gian ngắn nhất, được mượn để phân chia sự truyền
thuộc về một giao tiếp đơn (RTS-CTS hoặc DATA-ACK) . Giá trị này là
cố định và được tính theo cách mà trạm phát có thể chuyển sang chế độ
nhận và có khả năng giải mã các khung đầu vào.
•
PCF IFS (PIFS) được sử dụng bởi AP để gia tăng khả năng truy nhập tới
đường truyền trước tất cả các trạm khác. Giá trị của nó được tính toán bởi
SIFS cộng với một khe thời gian.

WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
22
• IFS phân bố (DIFS) là thời gian sử dụng của một STA khi khởi động một
quá trình truyền mới. Giá trị của nó được tính bởi PIFS cộng với một khe
thời gian.
• IFS mở rộng (EIFS) là IFS dài nhất được sử dụng bởi một STA nhận một
khung có khoảng thời gian không được xác nhận. Việc này sẽ ngăn chặn
sự đụng độ giữa các STA không nhận được thông tin RTS/CTS.

Hình 2.9 quá trình hạn chế đường truyền.
PCF tuỳ chọn
Tuỳ chọn PCF được thực hiện để cung cấp sự truyền dẫn khung không chanh
chấp do đó hỗ trợ các dịch vụ giới hạn thời gian như truyền dữ liệu và thoại không
đồng bộ. Cơ chế này dựa trên point coordinator (PC) với quyền ưu tiên cao hơn các
STA khác. Nếu muốn truyền, nó phải đợi một khoảng th
ời gian PIFS ngắn hơn
DIFS. Các STA khác phải tuân theo những quy tắc truy nhập đường truyền của PCF
bởi việc thiết lập NAV của chúng tại thời điểm bắt đầu chu kỳ không chanh chấp
(CFP). Các tính chất hoạt động của PCF giống như tất cả STA khác là có khả năng
hoạt động đúng đắn trong một BSS cụ thể. Và việc truy cập điểm tới BSS có khả
năng nhận t
ất cả các khung gửi dưới sự điều khiển của PCF. Nó cũng là lựa chọn
cho một STA để có thể đáp ứng tuần tự chanh chấp (CF-poll) nhận được từ một PC.
Một STA mà có thể đáp ứng các CF được tham chiếu đến các CF và có thể yêu cầu
sắp xếp bởi một PC tích cực. CF-sắp xếp của các STA và một PC không sử dụng
RTS/CTS trong CPF. Khi được sắp xếp bởi PC, mộ
t CP-pollable của STA chỉ có

thể truyền duy nhất một đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MPDU) tới bất kỳ nơi nào (


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
23
không cứ chỉ trong PC) và có thể đi kềm với thông tin về khung đã nhận được từ
một PC đang sử dụng liên quan tới dữ liệu khung. Hình 2.10 mô tả rõ quá trình này.
Điều quan trọng cần chú ý ở đây là CFP là biến và kết thúc với một khung CF-
end truyền bởi AP.

Hình 2.10 phương thức truy cập PCF.
2.2.1.6 Khả năng kết hợp
Trước khi một STA được cho phép gửi một dữ liệu thông báo qua một AP,
nó sẽ liên hệ với AP đó. Dịch vụ này cần thiết sau khi STA được bật lên và khi
vào vùng BSS.
STA cần có thông tin đồng bộ hoá từ AP (hoặc từ các STA khác trong một
số trường hợp đặc biệt) liên quan đến dịch vụ kết hợp. Để thu nhận thông tin đồng
bộ hoá này, STA sẽ kiểm tra tất cả các kênh bởi một hay nhiều cách sau (phu
thuộc vào giá tr
ị của tham số của chế độ quét):
• Quét bị động, STA sẽ quét những tín hiệu báo hiệu để tập hợp thông tin
đồng bộ hoá và để hiểu thông tin báo hiệu đó đến từ một BSS hay từ một
IBSS.
• Quét tích cực, STA sẽ truyền nhưng khung tham dò chứa thông tin tập
hợp các dịch vụ mong muốn (SS-ID) và đợi một thông tin trả lời từ các
BSS trong vùng của nó. Sự đáp lại thông tin của khung thăm dò
được gửi

từ AP của một BSS hay từ một STA mà tại đó phát đi thông tin báo hiệu
cuối cùng trong một IBSS.


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
24
Nói chung các khung báo hiệu và khung thăm dò chứa đựng thông tin để kết
nối một mạng mới. Sau đó STA chọn BSS (mà BSS đóthoả mãn yêu cầu về SS-
ID) và gửi bản tin yêu cầu kết hợp (nhờ việc đặt giá trị tương ứng trong trường
điều khiển của khung MAC) để lựa chọn BSS và đợi khung thông tin trả lời tương
ứng. Nếu không có BSS nào thoả mãn những yêu cầu đó, STA phải khởi động
mộ
t IBSS với những tính chất của chính STA đó. Hình 2.11 đưa ra một ví dụ về
quét tích cực của một ESS.
Hai chức năng khác có thể được kéo theo đó là tập hợp và phân tách. Sự hợp
nhất lại có thể được đưa ra nếu một STA muốn di chuyển từ AP này sang AP khác
hoặc nếu một STA muốn thay đổi những thuộc tính tập hợp trong khi nó đã hợp
nhất với cùng một AP như thế. Dị
ch vụ phân tách được đưa ra khi một kết hợp bị
huỷ bỏ.

Hình 2.11 Ví dụ về quá trình tập hợp thành một BSS.

2.2.1.7 Chứng thực và bảo mật
IEEE 802.11 cung cấp khả năng điều khiển truy nhập mạng LAN thông qua
chức năng chứng thực. Khả năng này được cung cấp bởi một STA để nhận biết sự
truyền thông của nó tới các STA khác trong một BSS hay IBSS.

Có hai phương thức chứng thực:
Chứng thực hệ thống mở: là kỹ thuật mặc định. Một khung truyền bởi STA
sẽ cần đến dịch vụ chứ
ng thực, và một khung mang thông tin trả lời sẽ được


WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G


§¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
25
truyền từ một STA có liên quan. Đây chính là kết quả của quá trình chứng thực.
Nếu quá trình thành công thì các STA đã giao tiếp với nhau sẽ được xác nhận.
Chứng nhận chia sẻ mã dùng chung. Đây là kỹ thuật an toàn nhất. Nó bao
gồm một tập hợp các quá trình thực hiện sử dụng chung một chìa khoá bí mật
thông qua một kênh an toàn khác với các quá trình đã được sử dụng bởi IEEE
802.11.
Chia sẻ mã xác nhận là yêu cầu sử dụng của cơ ch
ế WEP. STA sử dụng giải
thuật WEP để tạo ra sự trao đổi thông tin một cách bảo mật. Nó mượn một từ mã
bí mật 40 bít và chỉ mã hoá dung lượng tối đa của khung dữ liệu. WEP sử dụng
giải thuật phân chia (RC4) từ an toàn dữ liệu RSA.
2.2.1.8 Phân đoạn
Quá trình phân chia của một MSDU thành các khung thông tin MAC nhỏ
hơn, MPDUs được gọi là phân mảnh. Quá trình phân đoạn tạo ra các MPDU
ngắn hơn chiều dài thực của MDSU để tăng thêm sự tin cậy và như vậy sẽ làm
giảm sự chuyển tiếp thông tin như đã nêu ra ở trên trong trường hợp giới hạn kênh
tiếp nhận có khả năng dài hơn khung thông tin.
Các MPDU là kết quả từ việc phân chia của một MSDU được gửi đi mộ
t

cách độc lập, mỗi một MPDU sẽ được nhận biết (hình 2.12). STA phát không
được phép truyền các khung thông tin mới tới khi một trong các điều kiện sau đây
xảy ra:
• Nó nhận được một ACK
• Nó quyết định rằng khung thông tin đã truyền được truyền lại quá nhiều lần
và sau đó nó loại bỏ toàn bộ khung.
2.2.1.9 Cơ chế đồng bộ
Để đảm bảo đồng bộ giữa các STA khác nhau trong cùng một BSS, một AP
sẽ truyền một bản tin báo hiệu nơi mà thời gian nhận định là thời gian thực. Việc
này ngăn chặn sự mất đồng bộ của các STA. Bản tin báo hiệu chỉ bị trễ nếu một
trạm đang truyền dữ liệu.