Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình
và thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC)

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình
và thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC)

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy
Cán bộ đồng hướng dẫn:

HÀ NỘI - 2008

TĨM TẮT NỘI DUNG

Mạng LAN khơng dây là mạng trong đó các trạm được kết nối với nhau bằng
sóng radio hoặc hồng ngoại. WLAN hoạt động trên cơ sở tiêu chuẩn của IEEE 802.11
trong dải tần ISM. WLAN sử dụng sóng radio với các tín hiệu được điều chế theo kỹ
thuật trải phổ. Hoạt động của WLAN bao gồm 2 quá trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY)
và điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động trong giao thức CSMA/CA.
Mạng WLAN cung cấp 2 chế độ cấu hình là Ad-hoc và Infrastructure, hỗ trợ đơn ô và
đa ô với tính năng di động.
Mạng cảm nhận khơng dây WSN cũng là mạng hoạt động với nhau nhờ sóng
radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận,
thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Cấu hình cho mạng WSN cũng tương tự như WLAN
nhưng phức tạp hơn WLAN vì số lượng các node cũng như phạm vi hoạt động là khá
lớn. Các dạng cấu hình trong mạng WSN cịn phải đáp ứng được các hàm kết nối của
từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động. Thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường
trong WSN cũng có phần giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu về tiết kiệm năng
lượng tối đa của các node, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết kiệm năng
lượng bằng các chế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi quá trình truyền và nhận dữ liệu của
mỗi node.


MỤC LỤC

PHẦN 1
MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN)
Chương 1. Tổng quan về WLAN
1.1.
Giới thiệu chung……………………………………………………...….2
1.2.
Lợi ích và ứng dụng của WLAN………………...………………............2

1.3.
WLAN trên cơ sở radio……………………………………………...…..3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.3.1 Dải ISM…………………………………………………………...……..3
1.3.2 Điều biến dải hẹp………………………………………………...………4
1.3.3 Điều biến trải phổ……………………………………………...………...4
1.3.3.1Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)…………..…………………...……..…5
1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)………………………………..…...……...….6
WLAN trên cơ sở hồng ngoại…………………………………...………7
1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán………...………8
1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm-điểm………………………………...……….8
1.4.2.1Kết nối hồng ngoại điểm-chùm…………..………………………......….8
1.4.2.2Hệ thống LAN hồng ngoại điểm-điểm………………………………….9
Chế độ hoạt động Ad-hoc và Infrastructure………………………..........9
1.5.1 Chế độ Infrastructure…………………………………………………….9
1.5.2 Chế độ Ad-hoc………………………………………………………….10
Cấu hình đơn ơ, đa ơ trong WLAN……………………………...……..11
1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN)...………………………………………...…11
1.6.2 Liên kết đơn ô……………………………………………………..........11
1.6.3 Đa ô……………..…………………………………………………..….11
1.6.4 Chồng lấp các ô……………………………………………...…………12
Ưu nhược điểm của LAN không dây…………………..………………12

1.7.1 Ưu điểm………………………………………………...………………12
1.7.2 Nhược điểm………………………………………………...…………..13

Chương 2. Các chuẩn và thiết bị của WLAN
2.1
Chuẩn IEEE 802.11……………………………………………...…......13
2.1.1 Lớp vật lý của IEEE 802.11………………………………...………….14
2.1.1.1 Phân lớp hồng ngoại…….…………………….……...………………14
2.1.1.2 Phân lớp FHSS………………………………..…………..………….14


2.1.1.3 Phân lớp DSSS……………………………………………...………15

2.2
2.3
2.4
2.5

2.1.2 Lớp MAC của IEEE 802.11………………………………………...….15
2.1.2.1 Cơ chế CSMA……………..……...………………………………….16
2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS…….………………...…………………………….16
2.1.2.3 Khung dữ liệu MAC trong 802.11…………..………………..……...17
Giao thức mạng không dây……………………..……………………...17
Kiến trúc mạng không dây…………………………..…………………19
Phân bố địa chỉ IP…………………...………………………………….20
Thiết bị cho WLAN……………………...……………………………..21
2.5.1 Wireless Adaptor……………………………...………………………..21
2.5.2 Anten……………………………………………...…………………....23
2.5.2.1 Đặc điểm chung của anten………………..………...………………..23
2.5.2.2 Một số loại anten………..……………………………..…………….24

2.5.3 Điểm truy cập (AP)………………………………………….………...25

PHẦN 2
MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN)
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm nhận không dây
1.1
Khái quát………………………………………………………….……27
1.2
Các thiết bị mạng cảm biến không dây………………………………...28
1.2.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp…………….…………………………29
1.2.2 Bộ nhớ và lưu trữ…………………………….…....……………………29

1.3

1.4

1.2.3 Máy thu phát bức xạ (radio)……………………………………………29
1.2.4 Cảm biến………………….…………………………………………….29
1.2.5 Hệ thống định vị địa lý…………………………………………………30
1.2.6 Nguồn năng lượng………………………………………………...........30
Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây……………………………..31
1.3.1 Quan sát môi trường sinh thái……………………………………...…..31
1.3.2 Theo dõi trong quân sự và tìm kiếm mục tiêu………………………….31
1.3.3 Quan sát địa chấn và cấu trúc……………………………………..........31
1.3.4 Công nghiệp và thương mại mạng cảm nhận……………………..........32
Thách thức thiết kế chính…………………………...………………….32
1.4.1 Thời gian sống mở rộng………………………………..………………33
1.4.2 Đáp ứng……………………………………………………...…………33
1.4.3 Sức mạnh……………………………………………………………….33

5


1.4.4 Bổ trợ…………………………………………………………………...33
1.4.5 Mở rộng phạm vi……………………………………………………….34
1.4.6 Tính khơng đồng nhất………...………………………………………...34
1.4.7 Tự cấu hình………………………...…………………………………...34
1.4.8 Tự đánh giá và thích nghi……………...……………………………….35
1.4.9 Thiết kế hệ thống…………………………...…………………………..35
1.4.10 An ninh và bảo mật……………………………..………..…………...35
Chương 2. Triển khai mạng
2.1
2.2
2.3

2.4

2.5

Tổng quan…………………………………………...………………….36
Triển khai có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên………...…………….37
Topo mạng…………………………………………….……..…………38
2.3.1 Single hop dạng sao………………………………….………..………..39
2.3.2 Multi hop dạng lưới và ô……………………………….………..……..39
2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp 2 tầng………………..………….……………..39
Kết nối trong dạng sơ đồ ngẫu nhiên……………..……….……………39
2.4.1 Kết nối trong G(n,R)…………………………………..….…………….41
2.4.2 Tính đơn điệu của G(n,R)………………………………...…………….42
2.4.3 Kết nối trong G(n,K)………………………………………...…………42
2.4.4 Kết nối và truyền tin trong G(n,p,R)……………………………...……43

Kết nối sử dụng điều khiển năng lượng……………………………..….43
2.5.1 Năng lượng nhỏ nhất để kết nối cấu trúc mạng…………..…...….…….44
2.5.2 Cài đặt năng lượng chung nhỏ nhất…………………………..………...45

2.5.3 Làm giảm tối thiểu năng lượng cực đại…………………………..…….46
2.5.4 Topo điều khiển dạng hình nón………………………………………...46
2.5.5 Cấu trúc trình duyệt mở rộng theo hình cây cục bộ nhỏ nhất...………...47
Chương 3. Đa truy cập và chế độ ngủ
3.1
Tổng quan………………………………………………………………48
3.2
Giao thức MAC truyền thống…………………………………………..48
3.2.1 Aloha và CSMA………………………………………………………..48

3.3

3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện……………...………………………………49
3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA và đặc tả 802.11…………………..50
3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC……………...……………………………………54
Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC…..……………………….55
3.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11…………..…………………...55
3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập và báo hiệu…………..………………55

6


3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi………..……….….55
3.4

3.5

Kỹ thuật ngủ không đồng bộ…………………………………..….……56
3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ 2……………………………………………...…..56
3.4.2 Lắng nghe năng lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền……...………56
3.4.3 WiseMAC……………………………………………………………...57
3.4.4 Truyền/nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nhận………………………..………57
Kỹ thuật lập lịch ngủ…………………………………………………..58
3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)……………………………………………...58
3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)………………………………………….59
3.5.3 MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)…………………………………………60
3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả………………………………….61
3.5.5 Lịch ngủ không đồng bộ…………………………………………..........61

7


CHỮ VIẾT TẮT
ACK

:Acknowledge

AP

:Access Point

BPP

:Base Band Processor

CAP

:Contention Access Period

CBTC

:Cone-Based Topology Control

CFP

:Collision-Free Period

COWPOW :Minimum Common Power Setting
CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance
CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection
CTS

:Clear To Send

D-MAC

:Data-gathering MAC

DCF

:Distributed Coordination Function

DESS

:Delay Efficient Sleep Scheduling

DIFS

:Distributed Inter-Frame Spacing

DSSS

:Direct Sequence Spread Spectrum

FHSS

:Frequency Hopping Spread Spectrum

FCC

:Federal Communication Commission

FRTS

:Future Request To Send

GPS

:Global Positioning System

GTS

:Guaranteed Time Slot

IEEE

:Institute of Electrical and Electronic Engineering

LWIM

:Low-Power Wireless Integrated Microsensor


LAN

:Local Area Network

LMST

:Local Minimum Spanning Tree Construction

LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks
MECN

:Minimum Energy Connected Network Construction

NAV

:Network Allocation Vector

NIC

:Network Interface Card

OSI

:Open System Interconnection

PAMAS

:Power Aware Medium Access with Signaling

PCMCIA

:Personal Computer Memory Card International Association

PCF

:Point Coordination Function

PHY

:Physical

RICER

:Receiver Initiated Cycle Reception

RTS

:Request To Send

S-MAC

:Sensor MAC

T-MAC

:Timeout MAC

TICER

:Transmitter Initiated Cycle Reception

WEP

:Wired Equivalent Privacy

WINS

:Wireless Integrated Networked Sensors

WLAN

:Wireless Local Area Network

WSN

:Wireless Sensor Network

9


MỞ ĐẦU
Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng
các hệ thống thông tin ngày càng cao. Do vậy đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý và truyền

dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Để đáp ứng được nhu cầu đó, điều bắt buộc là phải
phát triển một hệ thống truyền thông khơng dây kết hợp với sự đa dạng hố các loại
hình dịch vụ. WLAN chính là một giải pháp chọn lựa bởi khả năng linh động trong kết
nối của nó.
Bên cạnh nhu cầu giao tiếp các thiết bị không dây, một nhu cầu ngày càng được
đòi hỏi lớn hơn là nhu cầu về cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh. Đặc
biệt trong các lĩnh vực quân sự (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động các thiết bị
robot), y tế (định vị, theo dõi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân và báo động khẩn cấp tự
động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) và một vài lĩnh vực về đời sống khác
(nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…). Để giải quyết nhu cầu
này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN). WSN tạo ra môi
trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, hay giữa các thiết bị thông minh với con
người hoặc các hệ thống viễn thông khác.
Cùng với những ưu điểm mà WSN mang lại, còn những mặt hạn chế khả năng
hoạt động của mạng. Đó chính là: mạng WSN có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết
các node bằng sóng vơ tuyến trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản,
gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn và phân bố khá rộng. Lưu lượng dữ liệu lưu thông
trong WSN là thấp và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái
nghỉ lớn hơn trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng
lượng tối đa. Không những vậy, các node mạng của WSN đơi khi cịn phải hoạt động
trong mơi trường khắc nghiệt, được bố trí ngẫu nhiên nên có thể di chuyển làm thay
đổi cấu hình mạng. Vì vậy địi hỏi các node mạng cịn có khả năng tự động cấu hình và
thích nghi. Cuối cùng là những khó khăn về vấn đề bảo mật và an ninh bởi khả năng
hoạt động tự động của các node mạng.
Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình và hoạt động của
WLAN, tập trung chính vào đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập mơi
trường của mạng WSN. Với kiến thức còn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu khơng dài và
tài liệu tham khảo có chưa nhiều, do vậy khố luận khơng tránh khỏi những sai sót.
Vậy kính mong các thầy cùng các bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến để
khố luận được hoàn thiện.

Em xin chân thành cám ơn!

1


PHẦN 1
MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WIRELESS LAN HAY WLAN)

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ WLAN

1.1 . Giới thiệu chung
Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây. Tuy nhiên, trong
khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục
hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông
trong không gian. Mạng WLAN cũng có thể sử dụng tia hồng ngoại nhưng với những
giới hạn khoảng cách ngắn.
Mạng LAN khơng dây có thể dùng cho máy tính xách tay hoặc máy để bàn, hoặc
PDA để truy cập nội hạt mà không phải kết nối bằng dây. Do vậy, WLAN thường
được cài đặt trong những vùng khó lắp đặt hoặc những nơi có nhiều người sử dụng
máy tính xách tay hay PDA di động.
Mỗi điểm truy cập có một máy phát và một máy thu, một anten và một bộ phận
hoạt động như Bridge (cầu). Một điểm truy cập có thể phục vụ một số người sử dụng,
nhưng khi có nhiều người cùng kết nối, liên kết trở nên chậm. Người dùng có “bộ tiếp
hợp khơng dây” bên trong máy tính có thể truy cập bất cứ ở đâu trong phạm vi hoạt
động kể từ điểm truy cập, vì tín hiệu radio khơng dây có thể xuyên qua hầu hết tường
hay sàn nhà. Ngoài khoảng cách ra, tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc cả vào các vật
cản trên đường đi của tín hiệu. Độ rộng tần số trong chuẩn 802.11 qui định ở tốc độ
cao truyền gần hơn.
Nếu dùng mơ hình Ad hoc, một số trạm làm việc bị che khuất so với các trạm

khác sẽ mất khoảng 40% hiệu suất mạng. Nếu dùng mơ hình điểm giao dịch thì chỉ cần
thấy nhau giữa điểm giao dịch và từng trạm làm việc, tránh được vấn đề trên.
1.2 . Tiện ích và ứng dụng của WLAN
Với WLAN, người sử dụng có thể truy cập những thơng tin dùng chung và người
quản trị mạng có thể thiết lập hoặc mở rộng mạng mà không phải lắp đặt thêm thiết bị
hoặc di chuyển đường dây. Hệ thống WLAN di động cung cấp cho người dùng truy

2


cập thông tin với thời gian thực ở bất cứ nơi đâu trong phạm vi hoạt động. Sự di động
hỗ trợ một cách hiệu quả các dịch vụ mà mạng có dây khơng thể làm được. Việc cài
đặt và thiết lập một hệ thống WLAN không cần đến các đường cáp, đầu tư ban đầu
cho phần cứng WLAN có thể cao hơn của LAN, nhưng chi phí cho cài đặt và thời gian
tồn tại có thể thấp hơn một cách đáng kể.
WLAN có 2 ứng dụng chủ yếu:
-

Kết nối giữa các tồ nhà

-

Kết nối mạng khơng dây và có dây (wireless – wire)

Tất cả WLAN hoạt động trên dải tần số không đăng ký ở gần tốc độ mạng
Ethernet (100Mbps) sử dụng giao thức sóng mạng radio hoặc hồng ngoại.
Phần lớn các thiết bị này đều có thể truyền thơng tin trên 1000 feet giữa các máy
tính trên mơi trường hoạt động và chi phí sử dụng trong phạm vi từ 150$ - 800$.
1.3 . WLAN trên cơ sở Radio
Sự thuận lợi của sóng radio trong kết nối là chúng truyền qua tường và các vật

cản khác mà suy giảm yếu. Thậm chí, qua nhiều bức tường tách rời người sử dụng và
server hoặc cầu khơng dây, mạng vẫn có thể duy trì kết nối. Tuy nhiên, khi có nhiều
thiết bị như trong y học, công nghiệp cùng hoạt động với một tần số radio theo WLAN
sẽ gây ra tạp nhiễu. Vì vậy, người ta đã đưa ra luật và phương pháp để giải quyết vấn
đề này.
-

Dải ISM

-

WLAN dải hẹp

-

WLAN dải rộng

1.3.1 . Dải ISM
FCC (Federal Communications Commission) cho phép các sản phẩm mạng
không dây hoạt động trong dải công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific,
Medical – ISM). FCC cho phép người sử dụng thực hiện các sản phẩm thoả mãn
những yêu cầu, ví dụ hoạt động với máy phát 1W cơng suất đầu ra.
Điều này càng có lợi khi di chuyển thường xun, vì khi đó có thể tránh được
giấy tờ phức tạp vì đăng ký lại sản phẩm ở vị trí mới. Ngồi ra, cịn nhiều dải tần số
cao hơn, hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn.

3


Dải tần số ISM 2.4 GHz là dải không đăng ký có hiệu lực ở mọi nơi. Nhưng các

nhà sản xuất phát triển các sản phẩm trong dải 902 MHz vì cho rằng dải này tiết kiệm
hơn.
1.3.2 . Điều biến dải hẹp
Những hệ thống radio như TV sóng radio FM và AM sử dụng điều biến dải hẹp.
Những hệ thống này tập trung tất cả các cơng suất phát sóng trong một dải hẹp tần số,
tạo ra hiệu quả sử dụng phổ radio. Khi hệ thống khác sử dụng cùng tần số, sẽ gây ra rất
nhiều nhiễu làm hỏng nhiều tín hiệu. Để tránh nhiễu, FCC yêu cầu người sử dụng hệ
thống dải hẹp đạt được toạ độ hoạt động chính xác của sóng radio. Những sản phẩm
dải hẹp có nhiều ưu điểm vì hoạt động khơng có nhiễu. Nếu nhiễu xảy ra, FCC sẽ giải
quyết vấn đề đó. Điều này làm cho điều chế dải hẹp tốt với những kết nối kéo dài vượt
kích thước địa lý của vùng trung tâm.
1.3.3 . Điều biến trải phổ
Điều biến trải phổ có rất nhiều tính năng, quan trọng nhất là:
-

Chống lại nhiễu vơ tình hay cố ý, đây là một tính năng quan trọng cho thông
tin ở vùng bị tắc nghẽn như ở các thành phố.

-

Có khả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia gây
trở ngại rất lớn trong thơng tin đơ thị.

-

Có khả năng dùng chung ba lĩnh vực: công nghiệp, khoa học và y học (dải
ISM) với công suất đến 1W ở các băng tần sau: 902-928 MHz, 2.4-2.4835
GHz và 5.725-5.85 GHz (theo tiêu chuẩn FCC).

-

Nhờ sử dụng các mã trải phổ giả ngẫu nhiên nên khó bắt trộm tín hiệu.

Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm
chính và các hệ thống này được thiết kế càng tốn ít độ rộng băng tần càng tốt. Ở các hệ
thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thơng thường
hàng trăm lần trước khi được phát. Khi có một người sử dụng băng tần SS (Spread
Spectrum) sẽ không hiệu quả, tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, họ có thể
dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên có hiệu quả mà vẫn duy trì được các
ưu điểm của trải phổ.
Trải phổ là gì? Điều chế trải phổ là trải cơng suất tín hiệu trên một dải rộng tần
số. Điều này trái với yêu cầu duy trì thơng tần số, nhưng q trình trải tạo nhiều tín
hiệu dữ liệu bị ảnh hưởng của tạp nhiễu điện so với kỹ thuật điều chế radio thường. Sự

4


truyền và tạp nhiễu điện khác dải thông hẹp, sẽ chỉ nhiễu với phần nhỏ của tín hiệu trải
phổ, kết quả là ít nhiễu hơn và ít lỗi hơn khi thu tín hiệu dải điều chế. Sự điều biến trải
phổ sử dụng một trong hai phương pháp để trải tín hiệu trên vùng rộng: Trải phổ chuỗi
trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS).
1.3.3.1 . Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
Trải phổ chuỗi trực tiếp kết hợp tín hiệu dữ liệu ở trạm gửi đi với dữ liệu có tốc
độ bit tuần tự cao hơn, có liên quan tới mã chip (cũng được xem là hệ số xử lý
processing gain). Tín hiệu dữ liệu được chồng lên sóng mạng. Trong thời gian này,
một sự lan truyền hoặc một mã chip được sử dụng để tạo ra các bit dư thừa được
truyền. Do đó tín hiệu xuất hiện ở dưới công suất dải băng nhiễu tới máy thu không
định hướng. Mã chip được áp dụng tới từng bit của dữ liệu. Một trong những lợi thế
của việc sử dụng mã lan truyền là một hoặc cao hơn một bit trong chip bị lỗi trong thời
gian truyền, kỹ thuật này được áp dụng cho sóng radio để khơi phục dữ liệu gốc mà

không cần sự truyền lại. Tỷ lệ dữ liệu trên bề rộng của mã lan truyền được gọi là độ
tăng ích xử lý. Hệ số xử lý cao tăng tính chống nhiễu của tín hiệu. Hệ số xử lý nhỏ
nhất theo FCC là 10, và hầu hết các sản phẩm hoạt động trên 20.
Với DSSS, luồng dữ liệu gốc được nhân lên bởi việc trải “mã chip”. Quá trình
này bị phá vỡ mỗi bit dữ liệu trong nhiễu “dãy bit” hoặc chip được đại diện là 0 hoặc 1
trong một mẫu thiết lập và truyền các chip này trên dải tần số rộng hơn so với dải
thông thường của luồng dữ liệu. Khi đó máy thu “ có cùng khoá mã chip” sẽ thu được
dải truyền của chip. Quá trình ngược lại thơng qua việc “ giải mã” và tập hợp lại luồng
dữ liệu gốc. Thay cho việc sử dụng tín hiệu riêng lẻ của thời gian bất kỳ qui định cho
quá trình truyền ( giống như một quá trình truyền thơng radio thơng thường), tín hiệu
hẹp mà luồng dữ liệu sẽ “nhảy qua” (giống FHSS). Luồng dữ liệu trong hệ thống
DSSS được gửi trong phạm vi rộng trong dải. Khi trình tự chip lớn hơn sẽ có dải
truyền rộng hơn trên tín hiệu gốc được trải ra.
Bảo mật
Quá trình trải rộng tín hiệu trên dải truyền trực tiếp có lợi cho vấn đề bảo mật.
Việc ứng dụng của mã chip khơng chỉ trải luồng bit gốc, mà cịn tạo nên dãy tuần tự
mã hoá. Điều này đảm bảo độ an toàn lớn hơn. “Người xâm phạm” trước tiên phải
thiết lập phạm vi tần số được sử dụng cho q trình truyền, và sau đó thiết lập mã chip
được sử dụng để trải dữ liệu để “giải mã” luồng dữ liệu gốc. Với DSSS, biên độ phát
là nhỏ để trong thực tế nó được xem giống như tạp nhiễu trong phổ radio.

5


Ứng dụng của mã chip tạo nên tín hiệu có độ rộng khoảng chừng 11MHz. Việc
sử dụng dải rộng trong kỹ thuật trải phổ cung cấp phạm vi miễn dịch với nhiễu. Các
nguồn nhiễu sẽ chỉ gây nhiễu một phần nhỏ của tín hiệu. Nếu điều đó xảy ra, tín hiệu
gốc có thể được thu lại nhờ hệ thống mã hoá.
Sự thay đổi tỷ lệ
Hệ thống DSSS sử dụng cực đại là 11 kênh. Trong đó có 3 kênh khơng chồng lấp

lên nhau: 1, 6, 11. Sự liên quan này có nghĩa là sự thực hiện có thể chỉ có 3 kênh. Các
Acess Point chồng lấp trong vùng bao phủ qui đinh.
1.3.3.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS)
FHSS tương tự sự truyền radio FM, được mang bởi dải hẹp mà có thể thay đổi
tần số. Tiêu chuẩn 802.11 cung cấp 22 mẫu nhảy và dịch tần số trong dải 2.4 GHz
ISM. Mỗi kênh là 1 MHz và tín hiệu phải dịch tần số hoặc nhảy ở tốc độ nhảy cố định.
FH là q trình bằng cách phát thu sóng radio trên một tần số với chu kỳ ngắn
của thời gian (được gọi là thời gian tồn tại) và khi đó sẽ thay đổi hoặc nhảy đến tần số
khác. Kỹ thuật FHSS tạo ra trong dải ISM là 78 kênh độc lập. Mỗi một phần mười của
giây, tín hiệu lại truyền từ một tần số này sang một tần số khác. Sự lựa chọn các kênh
dựa trên cơ sở thuật toán bước nhảy giả ngẫu nhiên.
FHSS làm việc giống như tên ngụ ý của nó. Nó mang tín hiệu dữ liệu để điều chế
với tín hiệu sóng mang mà nhảy từ tần số này sang tần số khác giống như một hàm của
thời gian trên một dải tần số rộng. Ví dụ như nhảy qua tần số sóng mang trên dải 2.4
GHz giữa 2.4 GHz và 2.483 GHz. Mã nhảy quyết định tần số radio sẽ truyền theo thứ
tự. Để thu được tín hiệu một cách chính xác, máy thu phải đặt cùng một mã nhảy và
“nghe” tín hiệu đến thời gian thích hợp và tần số chính xác. Qui tắc FCC yêu cầu các
nhà sản xuất sử dụng tần số 75 hoặc hơn cho mỗi kênh truyền với thời gian dừng đều
đặn lớn nhất (thời gian ở từng tần số riêng) là 40ms. Nếu sóng radio bắt gặp nhiễu trên
tần số nào đó, nó sẽ truyền lại tín hiệu ở bước nhảy tiếp theo trên một tần số khác.
Kỹ thuật nhảy tần giảm bớt nhiễu bởi vì sự truyền từ hệ thống dải hẹp sẽ làm ảnh
hưởng tới tín hiệu trải phổ khi nó sử dụng tần số của tín hiệu dải hẹp. Do đó, tồn bộ
nhiễu sẽ thấp, dẫn tới có ít hoặc khơng có bit lỗi.
Sự hoạt động của sóng radio có thể sử dụng trong cùng dải tần số và không bị
nhiễu, chúng sử dụng từng mẫu nhảy khác nhau. Trong khi một sóng radio đang truyền
ở cùng một thời gian được xem như một vùng quan sát trực giao. Một số nhà cung cấp
cho phép người dùng lựa chọn kênh (mã nhảy riêng biệt) để sóng radio hoạt động trên

6

đó, tất cả người sử dụng trong cùng một mạng cục bộ phải sử dụng cùng mã. Điều này
đem đến khả năng cho Wlan hoạt động lẫn nhau trong cùng một dải tần số mà không
nhiễu, miễn là gán chúng vào miền quan sát trực giao với mã lan truyền. Yêu cầu FCC
cho tần số truyền khác nhau cho phép sóng radio nhảy tần số để có kênh khơng nhiễu.
Giải pháp FH giảm độ nhạy với nhiễu từ các bộ phát radio khác và nguồn tạp
nhiễu trong dải 2.4 GHz, bởi vì tần số phát là dịch chuyển cố định từ dải 1 MHz đến
tần số tiếp theo. Nhiễu chỉ được xem như một phần nhỏ trong tồn bộ thơng lượng
trong một mơi trường có nhiều nhiễu.
Bảo mật
Giải pháp có độ an toàn cao, và là giải pháp tốt cho các ứng dụng trong quân đội
và qui định bắt buộc. Sự thay đổi tự nhiên cố định của những hệ thống này làm cho rất
khó để ngăn chặn hoặc tắc nghẽn. Để ngăn chặn tín hiệu, người xâm nhập vào phải
biết được cả quá trình truyền tần số hiện hành và mẫu nhảy để bức chế tần số tiếp theo
mà hệ thống sẽ nhảy qua. Thông tin giống nhau phải được nhận biết bởi một người nào
đó bị tắc nghẽn khi truyền, trừ khi tắc nghẽn trong toàn bộ dải 2.4 GHz.
1.4 . WLAN trên cơ sở ánh sáng hồng ngoại
Ánh sáng hồng ngoại là một trong những cách thức sử dụng sóng radio cho sự
liên kết WLAN. Bước sóng của ánh sáng hồng ngoại trong dải từ 0.75 đến 1.000 µm,
là dải dài hơn ( tần số thấp hơn) quang phổ màu nhưng ngắn hơn ( tần số cao hơn)
sóng radio. Dưới mọi trạng thái của ánh sáng, ánh sáng hồng ngoại khơng nhìn thấy
được bằng mắt thường. Sản phẩm WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại hoạt động quanh
bước sóng 820nm vì khơng trung xuất hiện tắt dần ít nhất tại điểm ở trong phổ hồng
ngoại.
So với sóng radio, ánh sáng hồng ngoại cho sự an tồn và tín hiệu mức độ cao
hơn. Nhưng LAN này đảm bảo vì ánh sáng hồng ngoại không truyền qua các vật chắn
sáng như tường, bảo vệ tín hiệu dữ liệu bao gồm ở trong phịng hoặc tồ nhà. Hơn nữa
nguồn tạp nhiễu thơng thường như lị vi sóng và máy phát radio sẽ khơng nhiễu với tín
hiệu ánh sáng hồng ngoại. Về mặt hiệu suất ánh sáng hồng ngoại khơng thích hợp cho
các ứng dụng di động bằng việc sử dụng sóng radio bởi vì mức độ bao phủ của nó có

giới hạn.
WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại bao gồm 2 thành phần chính là card điều hợp
hoặc khối điều hợp và bộ chuyển đổi. Card điều hợp cắm vào PC hoặc máy in thông
qua khe ISA hoặc PCMCIA ( hoặc kết nối với cổng song song). Bộ chuyển đổi, giống

7


như anten với WLAN trên cơ sở radio, gắn liền với các phần của tường hoặc phòng
làm việc. Card điều hợp điều khiển các giao thức cần cho sự hoạt động trong môi
trường trung gian, và bộ chuyển đổi phát thu tín hiệu ánh sáng hồng ngoại.
Có 2 loại WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại:
-

Khuếch tán

-

Điểm điểm

1.4.1 . Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán
Sử dụng thiết bị hồng ngoại khuếch tán cho điều khiển TV từ xa cho phép bạn
điều khiển TV từ một khoảng cách mà không sử dụng dây (remote control). Khi bạn
ấn nút từ xa, tương ứng với mã điều biến tín hiệu ánh sáng hồng ngoại được truyền tới
TV. TV thu mã và thực hiện chức năng chuyển đổi thích hợp. Điều này khá đơn giản
nhưng WLAN trên cơ sở hồng ngoại không phức tạp hơn. Sự khác nhau chủ yếu là vì
WLAN sử dụng ánh sáng hồng ngoại ở mức nguồn cao hơn không đáng kể và sử dụng
giao thức hệ thống truyền thông để truyền tải dữ liệu.
Khi sử dụng ánh sáng hồng ngoại trong Wlan, độ cao tối đa có thể là điểm phản
xạ. Kỹ thuật này sử dụng giao thức chiều sóng mang để phân chia truy cập từ độ cao

tối đa.
Wlan dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán làm việc cũng tương đương như
trước, vì vậy sẽ hoạt động nhanh. Tốc độ dữ liệu tiêu biểu là 1-4 Mbps người bình
thường có thể gửi sử dụng tia sáng và mã Morse. Giá cho những loại card không giây
trong phạm vi từ 200$ -500$ mỗi cái.
Các trạm ánh sáng hồng ngoại khuếch tán bị giới hạn trong các khoảng cách,
điển hình 30-50 feet ở mức thấp hơn độ cao tối đa, phạm vi nhỏ bé giữa các trạm. Độ
cao tối đa là 10 feet sẽ giới hạn quanh phạm vi 40 feet. Để mở rộng phạm vi hoạt
động, có thể sử dụng điểm truy cập hồng ngoại để kết nối giữa các ơ qua đường dây
chính.
1.4.2 . Kỹ thuật hồng ngoại điểm - điểm
Một số sản phẩm hồng ngoại hoạt động dạng điểm-điểm là các thiết bị trực tiếp
duy trì kết nối với các thiết bị khác. 2 sản phẩm rất khác nhau trong loại này là các
thiết bị “điểm và chùm” chuyển đổi trực tiếp các tệp giữa các máy tính với các thiết bị
ngoại vi và hệ thống với ánh sáng hồng ngoại điểm - điểm.
1.4.2.1 Kết nối hồng ngoại điểm và chùm

8


Kết nối hồng ngoại “điểm và chùm” thực chất không phải là WLAN, nhưng
chúng cung cấp kết nối nối tiếp khơng dây giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bằng cách
thay thế các cáp riêng lẻ bằng chùm ánh sáng. Kỹ thuật này làm cho việc chuyển đổi
các tệp được dễ dàng giữa các máy tính xách tay và trạm làm việc trên bàn.
1.4.2.2 Hệ thống Lan hồng ngoại điểm - điểm.
InfraLAN bao gồm đúng một cặp chuyển đổi, một quá trình truyền và một quá
trình nhận. InfraLAN thay thế cho mạng Token Ring với ánh sáng hồng ngoại để có
thể đạt đến khoảng cách 75 feet.
Những thuận lợi của việc sử dụng InfraLAN là hiệu suất cao và sự an tồn. Bởi
vì chùm tia hồng ngoại hội tụ, hệ thống có thể làm phù hợp yêu cầu thực thi. Tín hiệu

điện khơng bị nhiễu với tần số cao của ánh sáng hồng ngoại. Bất lợi của phương pháp
này là nó khơng phù hợp với khả năng di động, nó chỉ thích hợp với mơi trường một
hội nghị.
1.5 . Chế độ hoạt động Ad hoc và Infrastructure
IEEE 802.11 b xác định có 2 bộ phận chính của thiết bị, trạm khơng dây, thường
là PC hay máy tính xách tay với bộ tiếp hợp giao diện mạng không dây (NIC) và một
điểm truy cập (AP), hoạt động như một cầu nối giữa các trạm không dây và hệ thống
phân tán (DS) hoặc các mạng có dây. Có 2 chế độ hoạt động trong IEEE 802.11b là
chế độ Ad hoc và chế độ Infrastructure.
1.5.1 . Chế độ Infrastructure
Chế độ này bao gồm một AP được kết nối với hệ thống DS.
-

BSS (Basic Service Set): AP cung cấp chức năng cầu nội hạt cho BSS. Tất cả
các trạm không dây truyền thông với AP và khơng có sự truyền thơng trực
tiếp dài hơn. Tất cả các khung đều được tiếp nhận giữa các trạm bởi AP.

-

ESS (Extended Service Set): là hệ thống Infrastructure BSS, nơi mà AP
truyền thông giữa chúng để khả năng tải tiếp theo từ một BSS này tới một
BSS khác làm cho các trạm không dây dễ dàng di chuyển hơn. Có thể hình
dung ESS là một dạng mở rộng của BSS, được minh hoạ như hình dưới đây.

9


Hình 1. Chế độ Infrastructure dạng BSS và ESS
1.5.2 . Chế độ Ad hoc
-

BSS độc lập (IBSS) hoặc ngang hàng (peer to peer): các trạm không dây
truyền thông trực tiếp với nhau. Mỗi trạm có thể khơng truyền thơng với các
trạm khác trong phạm vi giới hạn. Khơng có AP trong IBSS vì vậy tất cả các
trạm địi hỏi phải ở trong phạm vi của trạm khác và chúng truyền thơng trực
tiếp với nhau.

Hình 2. Chế độ Ad-hoc

10


1.6 . Cấu hình đơn ơ, đa ơ trong WLAN
1.6.1 . Đơn ơ (single cell WLAN)
Sử dụng với một phịng làm việc nhỏ hay nhà máy. WLAN đơn ô yêu cầu NIC
không dây để liên kết với mạng, không cần thiết AP. Có thể dễ dàng tạo một mạng
WLAN với 2 hoặc nhiều hơn bộ tiếp hợp PCMCIA trong phạm vi hoạt động, với chế
độ Ad hoc cho người sử dụng.
Vùng bao phủ bởi các trạm trong mạng ngang hàng được gọi là vùng dịch vụ cơ
bản (Basic Service Area). BSA bao phủ khoảng chừng 150feet tiêu biểu cho môi
trường phịng làm việc, WLAN đơn ơ sóng radio như BSA có thể hỗ trợ 6-25 người sử
dụng mà vẫn có thể truy cập mạng ở mức độ chấp nhận được.
1.6.2 . Liên kết đơn ô
-

Các ô được kết nối với Lan thơng qua cầu khơng dây (wireless bridging). Cầu
có thể được lắp đặt back to back với một điểm truy cập liên kết với hàng loạt
mạng.

-

Các ô được kết nối với một Ethernet LAN thông qua một điểm truy cập ( cầu
có dây). Điểm truy cập kết nối bộ khung của Ethernet Lan có dây thơng qua
cáp đơn. Chức năng của AP giống như cầu nối giữa Lan có dây và ô. Các
trạm trong ô của các ô liên kết khác có thể truy cập đến tất cả các phương
tiện của LAN có dây.

1.6.3 . Đa ơ
Nếu việc thiết lập mạng yêu cầu phạm vi lớn hơn, có thể sử dụng hệ thống cầu
nội hạt không dây (điểm truy cập) và mạng chính có dây tạo ra cấu hình đa ô. Điều này
cho phép người sử dụng không dây từ các ô khác nhau truyền thông với nhau, cũng
cho phép người dùng không dây truy cập tới tài nguyên của mạng có dây.
Như vậy cấu hình này có thể bao phủ với phạm vi lớn hơn như các tầng của một
tồ nhà, khu cơng trường hay bệnh viện.
Trong các mơi trường này, máy tính xách tay với bộ tiếp hợp LAN khơng dây
cũng có thể hoạt động trong vùng bao phủ để duy trì sự tồn tại một liên kết đến mạng
xương sống. Tiêu biểu là mỗi điểm truy cập sử dụng một mã lan truyền hoặc một tần
số khác nhau.
Cấu hình WLAN lý tưởng phụ thuộc chủ yếu vào nhu cầu người sử dụng và địa
lý. Nếu có một nhóm tương đối nhỏ yêu cầu khả năng kết nối không dây với nhau hoặc

11