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


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
3Mục lục
Trang

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

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
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 WLAN, WPAN và bước phát triển đến hệ thống thông tin di động 4G §¹i häc C«ng NghÖ - §HQGHN Lưu Thị Thu Hiền
8Chương 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

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


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, 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

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
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
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

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.

§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.
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

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