Nội dung

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG -------------------------------- NGUYỄN ĐỨC TRỌNG GIẢI PHÁP MỞ RỘNG DUNG LƢỢNG MẠNG WLAN TRÊN CHUẨN IEEE 802.11 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG TRỌNG MINH Phản biện 1 :.................................................................................. Phản biện 2 :.................................................................................. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Vào lúc: .......... giờ .......... ngày........tháng.......năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thƣ viện của Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn Thông. 1 MỞ ĐẦU Kể từ khi ra đời của chuẩn 802.11 vào năm 1997, số lượng thiết bị Mạng nội bộ không dây (WLAN) đã tăng lên đáng kể và nằm trong rất nhiều các thiết bị công nghệ. Với sự gia tăng mạnh mẽ triển khai mạng WLAN, chi phí cho các hệ thống WLAN đã giảm và sẽ tiếp tục giảm. Với việc giảm giá này, người dùng có triển khai trên quy mô lớn, như doanh nghiệp, khuôn viên và thị trường lưới đô thị có cơ hội sử dụng nhiều mạng không dây hơn có dây kết nối trên mỗi khu vực nhất định và lần lượt, tăng thông lượng chuyên dụng trung bình cho mỗi người dùng. Trong các hệ thống truyền thông cổ điển, thiết bị không dây có thể nhận và giải mã tín hiệu nếu thiết bị có Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) và Tỷ lệ sóng mang/nhiễu (CIR) phù hợp. Đối với kiến trúc tế bào, nhiễu chủ yếu là từ các giao thoa đồng kênh hoặc xuyên nhiễu khác kênh. Lý do này đem đến giải pháp mở rộng một mạng IEEE 802.11 không ảnh hưởng tới thông lượng khi đảm bảo được tham số CIR của mỗi mỗi thiết bị. Tuy nhiên, điều này không phải là luôn luôn đúng như vậy nếu tính tới cơ chế đánh giá kênh. Vì vậy, vấn đề này cần tiếp tục nghiên cứu. Việc nghiên cứu mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 đã được thực hiện nhiều ở trên thế giới cũng như ở Việt Nam, tập trung nhiều vào các giải pháp triển khai đảm bảo chất lượng mạng. Các giải pháp mở rộng dung lượng dựa trên kỹ thuật Squelch trong các máy thu vô tuyến có thể đem lại hiệu quả nhất định. Vì vậy, luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật này và thực hiện mô phỏng các kịch bản để đánh giá phân tích ảnh hưởng nhằm đưa đến các kết luận khoa học và hữu ích. Luận văn này nghiên cứu và đề xuất giải pháp mở rộng dung lượng các mạng WLAN dựa trên chuẩn 802.11 nhằm tiếp cận tốt nhất tới mục tiêu ứng dụng mạng. Luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống mạng cục bộ không dây WLAN Chương 2: Các tiêu chuẩn kỹ thuật lớp MAC của WLAN Chương 3: Giải pháp mở rộng dung lượng WLAN 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY WLAN 1.1. Giới thiệu tổng quan mạng cục bộ Mạng cục bộ (Local Area Network - LAN) là hệ truyền thông tốc độ cao được thiết kế để kết nối các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động với nhau trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà.... Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc. Các mạng LAN trở nên thông dụng vì nó cho phép những người sử dụng (users) dùng chung những tài nguyên quan trọng như máy in màu, ổ đĩa CD-ROM, các phần mềm ứng dụng và những thông tin cần thiết khác. Trước khi phát triển công nghệ LAN các máy tính là độc lập với nhau, bị hạn chế bởi số lượng các chương trình tiện ích, sau khi kết nối mạng rõ ràng hiệu quả của chúng tăng lên gấp bội. Để tận dụng hết những ưu điểm của mạng LAN người ta đã kết nối các LAN riêng biệt vào mạng chính yếu diện rộng (WAN). Các kiểu (Topology) của mạng LAN: * Mạng dạng hình sao (Star topology) * Mạng hình tuyến (Bus Topology) * Mạng dạng vòng (Ring Topology) * Mạng dạng luới - Mesh topology * Mạng hình sao mở rộng 1.2. Các tiêu chuẩn kỹ thuật của WLAN 1.2.1. Các chế độ hoạt động mạng WiFi chuẩn 802.11 - Chế độ Infrastructure: được sử dụng khi có ít nhất một điểm truy cập (AP - Access Point) kết nối vào mạng LAN hay mạng Internet và có ít nhất một trạm khách hàng (client). Trạm khách hàng (laptop, máy tính bảng, điện thoại thông minh) kết nối vô tuyến vào mạng LAN hay mạng Internet thông qua điểm truy cập (AP). - Chế độ Ad-Hoc: được sử dụng khi các trạm khách hàng (clients) trực tiếp kết nối vô tuyến với nhau mà không cần phải thông qua một điểm truy cập (AP). Điều này cũng được gọi là chế độ chia sẻ ngang hàng (peer-to-peer). Phần lớn các mạng WiFi theo chuẩn 802.11 hoạt động trong chế độ Infrastructure. 1.2.2. Các chuẩn mạng 802.11 phổ biến - 802.11a Chuẩn giao thức 802.11a sử dụng cùng giao thức lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và định dạng frame như các chuẩn ban đầu 802.11-1997, nhưng dùng kỹ thuật OFDM cho truyền dẫn lớp vật lý. Dãi tần hoạt động của nó là băng tần 5GHz và có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps. Do dãi tần 2.4GHz đã trở nên quá tải (nhiều thiết bị dân dụng cũng sử dụng chung dãi tần này) nên việc sử dụng chuẩn 802.11a mang lại một lợi thế đáng kể. Tuy nhiên, phạm vi phủ sóng hiệu quả của 802.11a trong dãi tần 5 GHz là thấp hơn so với các chuẩn giao thức 802.11b/g/n trong dãi tần 2,4 GHz, do bởi tín hiệu hoạt động ở dãi tần cao hơn sẽ dễ dàng bị hấp thụ bởi các vật thể rắn hơn như tường, thép, cây cối… . Tuy nhiên, chuẩn 802.11a và 802.11n lại ít chịu ảnh hưởng của nhiễu trong dãi tần 5GHz, do đó nhiều lúc chúng lại có phạm vi phủ sóng tương tự hoặc thậm chí lớn hơn 802.11b/g/n. 3 - 802.11b Là chuẩn mạng không dây 802.11 đầu tiên được áp dụng rộng rãi. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps và sử dụng phương thức truyền thông giống như của các chuẩn của 802.11-1997. 802.11b hoạt động trên dãi tần số 2.4GHz, nó chịu ảnh hưởng rất nhiều từ nhiễu do hoạt động cùng tần số với những thiết bị dân dụng khác như các thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây DECT và VoIP, lò vi sóng, … - 802.11g 802.11g là bước cải tiến kế tiếp từ 802.11b và vẫn hoạt động trên dãi tần 2.4GHz nhưng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn OFDM. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps và tương thích ngược với phần cứng của chuẩn 802.11b. Đây là chuẩn công nghiệp tiếp theo và một lần nữa được áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng mạng WLAN do tốc độ truyền tải dữ liệu tăng lên. Tương tự như 802.11b, các thiết bị 802.11g đều có thể bị ảnh hưởng xuyên nhiễu từ những thiết bị dân dụng khác hoạt động trên dãi tần 2.4GHz. Kỹ thuật OFDM được cho phép tại những tốc độ trên 20Mbps làm tăng đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight). - 802.11n Chuẩn 802.11n là một phiên bản để nhằm cải thiện các chuẩn trước đó bằng cách thêm vào anten công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output) và hoạt động trên cả dãi tần 2.4GHz và 5GHz với độ rộng kênh là 40 MHz (tùy chọn). Chuẩn 802.11n tương thích ngược với chuẩn 802.11a, b và g. Khác với chuẩn 802.11g, kỹ thuật OFDM trong 802.11n được cho phép hoạt động trên toàn bộ dãi các tốc độ truyền dẫn, nhờ đónâng cao đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-ofSight). MIMO sử dụng nhiều anten thông minh để xử lý một lượng dữ liệu lớn hơn so với xữ lý bằng một anten duy nhất. Bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Spatial Division Multiplexing), máy trạm (client) có thể truyền nhiều luồng dữ liệu độc lập cùng một lúc trên một kênh và nhờ đó làm tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (data rate) giữa máy trạm (client) và điểm truy cập (AP). Khả năng tăng gấp hai độ rộng kênh (channel size) - từ 20MHz đến 40MHz trên các thiết bị tương thích với chuẩn 802.11n cũng cho phép tăng gấp hai lần tốc độ truyền dẫn dữ liệu trên lớp vật lý. Việc hai tính năng trên được kết hợp mang lại cho chuẩn 802.11n khả năng nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa khi so sánh với 802.11g ở 2.4GHz và 802.11a ở 5GHz . Nó có thể lên đến 600Mbps (trên lý thuyết) khi truyền đồng thời trên 4 luồng dữ liệu và độ rộng kênh 40MHz. Vì vậy 802.11n đang trở thành tiêu chuẩn phổ biến hiện nay. - 802.11ac 802.11ac hoạt động ở tân số 5GHz sử dụng OFDM dựa vào sự điều chế. Các đặc điểm kỹ thuật cho thấy tốc độ băng thông WLAN ít nhất 1Gbps và một liên kết đơn lẻ có tốc độ băng thông ít nhất là 500Mbps. Điều này đạt được bởi khái niệm mở rộng từ chuẩn 802.11n cho các kênh với băng thông rộng RF( lên đến 160MHz, 80Mhz bắt buộc), hơn thế nữa luồng dữ liệu được truyền đi với công nghệ đa Anten lên đến 8 luồng dữ liệu (Spatial streams), nhiều người dùng MIMO (multi-user MIMO) và dùng cho nơi có mật độ người dùng cao(lên đến 256-QAM). 4 1.3. Các ứng dụng của WLAN - Cung cấp khả năng truy cập mạng một cách linh hoạt - Mở rộng mạng - Nối mạng giữa các tòa nhà cách xa nhau - Cung cấp dịch vụ truy cập mạng không dây - Sử dụng cho văn phòng quy mô nhỏ (SOHO – small office/home office) - Sử dụng trong tình huống cần thiết lập mạng trong thời gian ngắn - Sử dụng trong trường học - Sử dụng trong các nhà máy, nhà kho - Sử dụng trong bệnh viện - Cung cấp khả năng truy cập mạng ở nơi công cộng 1.4. Các thách thức và giải pháp - Mạng không dây có những ƣu điểm vƣợt trội riêng: + Độ tin tưởng cao trong nối mạng của các doanh nghiệp và sự tăng trưởng mạnh mẽ của mạng Internet và các dịch vụ trực tuyến là bằng chứng mạnh mẽ đối với lợi ích của dữ liệu và tài nguyên dùng chung. + + Mạng không dây có khả năng phục vụ tốt hơn, tiện nghi và có lợi thế về chi phí hơn hẳn các kết nối có dây truyền thống. + Khả năng lưu động hỗ trợ các cơ hội về hiệu suất và dịch vụ mà mạng có dây không thể thực hiện được. + Cài đặt hệ thống mạng không dây khá nhanh và dễ dàng, giảm bớt việc phải kéo dây qua các vị trí khó khăn. Công nghệ không dây cho phép mạng đi đến các nơi mà mạng có dây không thể. + Phần cứng mạng không dây ban đầu có chi phí cao hơn so với mạng có dây nhưng chi phí cài đặt toàn bộ và giá thành tính theo tuổi thọ thấp hơn đáng kể. + Cấu hình mạng của hệ thống mạng không dây dễ thay đổi từ các mạng độc lập phù hợp với số nhỏ người dùng đến các mạng cơ sở hạ tầng với hàng nghìn người sử dụng trong một vùng rộng lớn. + Mạng không dây còn thể hiện ưu điểm của mình ở tính mở rộng dễ dàng có thể đáp ứng tức thì khi có sự gia tăng lớn về số lượng truy cập. - Nhƣợc điểm: + Vấn đề bảo mật + Phạm vi hoạt động hạn chế + Nhiễu, suy hao + Tốc độ mạng Một số giải pháp cho mạng không dây cũng tập trung khắc phục các nhược điểm trên. Bảo mật là vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay. Khi nhắc đến bảo mật mạng không dây có hai vấn đề thường xuyên được nhắc đến đó là: chứng thực và mã hóa. 1.5. Kết luận chƣơng Chương 1 đi vào giới thiệu tổng quan về mạng cục bộ, các kiểu tô pô, cấu trúc và các chế độ hoạt động của mạng WLAN. Đồng thời tìm hiểu các tiêu chuẩn kỹ thuật, ưu điểm và hạn chế của mạng WLAN, làm tiền đề đi vào nghiên cứu các kỹ thuật bên trong. 5 CHƢƠNG 2: CÁC TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT LỚP MAC CỦA WLAN 2.1. Các kỹ thuật lớp MAC Kiến trúc phân lớp MAC bao gồm hai khối chức năng: Khối chức năng DCF (Distributed Coordination Function là chức năng phối hợp phân tán) và khối chức năng PCF (Point Coordination Function là chức năng phối hợp điểm). . Hình 2. 1. Mô hình OSI và kiến trúc phân lớp MAC 2.2. Chức năng phối hợp phân tán (DCF) DCF là phương pháp truy nhập theo chuẩn 802.11 cho phép tất cả các trạm trong một WLAN tranh chấp nhau nhằm dành quyền truy nhập vào môi trường truyền dẫn không dây có tính chất chia sẻ nhờ sử dụng giao thức CSMA/CA. DCF sẽ được thực hiện trong tất cả các trạm, thay cho việc sử dụng cả IBSS và cấu hình mạng cơ sở hạ tầng. DCF cho phép hoạt động độc lập của các thiết bị dữ liệu vô tuyến. Trong một hệ thống dựa trên sự tranh chấp DCF, các thiết bị trao đổi thông tin yêu cầu một cách ngẫu nhiên các dịch vụ từ các kênh bên trong một hệ thống trao đổi thông tin. Bởi vì các yêu cầu trao đổi thông tin xảy ra một cách ngẫu nhiên, nên hai hay nhiều thiết bị có thể yêu cầu các dịch vụ một cách đồng thời. Điều khiển truy cập của một phiên DCF thường bao gồm việc yêu cầu các thiết bị phán đoán các hoạt động trước khi truyền và lắng nghe các dịch vụ nó yêu cầu có bị xung đột. Nếu thiết bị yêu cầu không nhận được một phản hồi cho yêu cầu của nó, nó sẽ trì hoãn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truy cập lại. 2.3. Chức năng phối hợp điểm (PCF) PCF là chế độ hoạt động của các thiết bị vô tuyến được điều khiển trong chế độ cơ sở hạ tầng. Trong một hệ thống được điều khiển, các thiết bị trao đổi thông tin đợi cho đến khi nhận được một thông tin phản hồi trước khi chúng truyền bất kỳ một thông tin nào. Bởi vì việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị được điều khiển bởi một thiết bị trung tâm nên ít có xung đột xảy ra. Để xác nhận dữ liệu truyền đã được nhận thành công, thông tin thăm dò sẽ có chứa thông tin về trạng thái của các gói tin mà đã được nhận. Nếu thiết bị gửi không nhận một sự xác nhận của việc truyền trong gói tin thăm dò, nó sẽ truyền lại dữ liệu. 6 2.4. Các kiểu khung dữ liệu giao thức lớp MAC Các mạng WLAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, đây là một tập hợp các đặc tả quản lý lớp điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) và lớp vật lý (PHY) cho việc triển khai mạng không dây cục bộ WLAN trên các dải tần 900 MHz; 2,4GHz; 3,5 GHz; 5 GHz và 60 GHz. Các đặc tả của chuẩn 802.11 tập trung vào 2 lớp thấp nhất trong mô hình OSI là lớp vật lý (PHY) và liên kết dữ liệu Data Link. Mục tiêu chính của chuẩn 802.11 là phát triển lớp con MAC và lớp PHY cho các thiết bị di động. Lớp LLC là lớp con trong lớp Data Link được định nghĩa trong chuẩn 802.2, LLC có trách nhiệm chính trong việc cung cấp giao tiếp giữa lớp MAC và các lớp cao hơn. LLC thực hiện nhiều chức năng trong việc hỗ trợ cho nhiều lớp ở tầng cao hơn. Và hơn thế nữa lớp con LLC còn có chức năng kiểm soát luồng và kiểm soát lỗi. Hình 2. 2. Chuẩn 802.11 WLAN trên lớp PHY và lớp con MAC Lớp con MAC nhận dữ liệu từ lớp con LLC và có trách nhiệm thực hiện các chức năng liên quan đến việc truyền gói tin vào môi trường truyền. Cấu trúc của một frame MAC được mô tả theo hình dưới: Hình 2. 3. Cấu trúc khung tin MAC 2.5. Đặc trƣng họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 2.5.1. Mô hình mạng Mạng không dây bao gồm 3 mô hình cơ bản: mô hình mạng độc lập IBSSs (hay còn gọi là mạng Ad-hoc), mô hình mạng cơ sở (BSSs), mô hình mạng mở rộng (ESSs). - Mô hình mạng độc lập (Ad-hoc) 7 Hình 2. 4. Mô hình mạng độc lập - Mô hình mạng cơ sở: Hình 2. 5. Mô hình mạng cơ sở - Mô hình mạng mở rộng: Hình 2. 6. Mô hình mạng mở rộng 8 2.5.2. Phân chia kênh và tần số Tại Hoa Kỳ và Canada, các triển khai WLAN 802.11 802.11 hiện tại hoạt động trong hai dải tần số: 2,412 GHz đến 2,462 GHz (nghĩa là, IEEE 802.11b và IEEE 802.11g ) và 5,180 GHz đến 5,820 GHz (nghĩa là, IEEE 802.11a và IEEE 802.11d ). Phần lớn trong số các hệ thống hiện tại được triển khai thuộc về băng tần thấp hơn do thực tế là băng này ra thị trường nhanh hơn với sự ra đời của công nghệ WLAN. Tín hiệu chuẩn IEEE 802.11g và b có một dải thông xấp xỉ 20 MHz, tương ứng với 3 kênh hoạt động đồng thời trong băng tần thấp (mặc dù có sẵn 11 kênh chồng nhau). Các kênh này có tần số trung tâm là 2,412; 2,437; 2,462 GHz. Bảng 2. 1. Phân bổ kênh cho các thiết bị WLAN 802.11 802.11b và IEEE 802.11g Trong băng tần 5 GHz, hiện có 12 kênh độc lập thuộc ba phần khác nhau của băng tần Cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia không được cấp phép (UNII): UNII-1, UNII-2 và UNII-3. 2.5.3. Kiểu điều chế và tốc độ dữ liệu Bản đầu tiên của chuẩn 802.11 802.11 chỉ xác định hai tốc độ bit dữ liệu : 1 Mbps và 2 Mbps. Tín hiệu 1 Mbps được tạo bằng Điều chế khóa Dịch pha nhị phân (BPSK) đơn giản và tốc độ ký hiệu là 1 Mbps. Tín hiệu 2 Mbps đạt được hai lần tốc độ bit bằng cách sử dụng tín hiệu đồng pha (I) và trực giao (Q), sử dụng điều chế khóa dịch pha trực giao (QPSK). Cả 2 chuẩn 802.11 và 802.11b đều xác định dải tần ISM 2,4 GHz. Băng tần này dùng trong lò vi sóng, điện thoại không dây, Bluetooth. Để tránh nghẽn mạng và tăng tần số cấp phát, 802.11a xác định băng tần 5 GHz. Để tăng khoảng tần mới và tăng các kênh có sẵn đồng kênh (từ 3 kênh trong băng 2,4 GHz lên 12 kênh trong băng 5 GHz), chuẩn mới bổ sung tốc độ dữ liệu từ 6 đến 54 Mbps, sử dụng điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. 802.11a sử dụng OFDM cung cấp các tốc độ dữ liệu: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 MHz. Với tổng cộng 52 sóng mang phụ (4 tone dò đường và 48 sóng mang dữ liệu), tốc độ dữ liệu khác nhau là do mã sửa lỗi hướng đi khác nhau (FEC).