Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Lời nói đầu
Việc sử dụng mạng cục bộ vô tuyến xuất phát từ nhu cầu của quân đội mong muốn
có được phương thức truyền thông tin đơn giản, dễ lắp đặt và bảo mật để sử dụng trong
chiến tranh. Ngày nay việc ứng dụng mạng cục bộ vô tuyến vào đời sống xã hội trở nên
phổ biến do chi phí ngày càng giảm, tính tiện lợi, khả năng di động, tốc độ ngày càng
cao và ổn định không kém so với mạng có dây. Hầu hết các doanh nghiệp, bệnh viện,
trường học… đều có thể triển khai các phân đoạn mạng vô tuyến giúp tiết kiệm thời
gian triển khai cài đặt, chi phí và cho phép linh hoạt trong kết nối. Công nghệ truyền
thông vô tuyến phát triển không ngừng, trong đó việc tạo ra những bộ Wireless
Controller cho phép chúng ta có thể mở rộng và chuyển vùng trong mạng dễ dàng hơn.
Tuy nhiên do đặc thù của mạng vô tuyến là thiếu ổn định do ảnh hưởng bởi môi trường
như nhiễu, giao thoa, suy giảm tín hiệu và tính bảo mật kém nên việc thiết kế mạng
không tốt sẽ làm giảm hiệu quả của mạng thậm trí mạng không hoạt động được. Việc
nghiên cứu và phát triển cơ sở hạ tầng mạng cục bộ vô tuyến là cần thiết để mang lại
hiệu quả to lớn trong việc triển khai mạng, giải quyết dễ dàng các vấn đề khi sử dụng
mạng đặc biệt là vấn đề bảo mật thông tin.
Trong quá trình làm đề tài “Nghiên cứu và phát triển cơ sở hạ tầng mạng cục bộ
vô tuyến” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong
khoa, trong trường, các nhân viên và lãnh đạo của công ty thông tin tín hiệu đường sắt
Hà Nội và đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn ThS. Vương Hoàng Nam
Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới Thầy giáo hướng dẫn TS. Vương Hoàng
Nam, Bộ môn Hệ thống Viễn thong, Khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội;Ông Hoàng Trọng Kiên , Bộ phận IT công ty Thông Tin Tín Hiệu Đường
Sắt Hà Nội, cùng các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông và Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội; đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến quí báu giúp tôi
hoàn thành đồ án này.
Ngày 19 tháng 10 năm 2011
Trần Khắc Trung
1
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Danh sách bảng biểu 5
GIỚI THIỆU CHUNG 8
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ HẠ TẦNG MẠNG CỤC BỘ VÔ TUYẾN 27
THIẾT KẾ MẠNG CỤC BỘ VÔ TUYẾN 70
3
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Danh sách hình vẽ
4
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Danh sách bảng biểu
Danh sách các từ viết tắt
Từ viết tắt Từ gốc tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
AAA Authentication, authorization and
accounting
Xác thực, cho phép và tính
toán
ACK Acknowledgment Báo nhận
AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến
AP Access point Điểm truy cập
ASK Amplitude Shift Keying Dịch khóa biên độ
BPSK Binary Phase Shift Keying Dịch khóa pha nhị phân
BS Base station Trạm cơ sở
5
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
BSS Basic service set Thiết lập dịch vụ cơ bản
CCA Clear Channel Assessment Giám sát kênh rỗi
CCK Complementary Code Keying Khóa mã bù
CRC Cyclic Redundancy Code Mã vòng dư
CSMA/CA Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi
trường
MIMO Multi Input Multi Output Nhiều vào nhiều ra
NAV Network Allocation Vector Véc tơ định vị mạng
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh theo tần số trực
giao
PDA Personal Device Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân
PHY Physical Lớp vật lí
PIFS PCF Interframe Spacing Khoảng cách liên khung PCF
PSK Phase Shift Keying Dịch khóa pha
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
6
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
QPSK Quard Phase Shift Keying Dịch khóa pha cầu phương
RADIUS Remote Authentication Dial-In User
Service
Xác thực quay số từ xa trong
phục vụ người dùng
S/N Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SFIS Short Interframe Spacing Khoảng cách giữa các khung
ngắn
UNII Unlicensed National Information
Infrastructure
Hạ tầng thông tin quốc tế
không đang kí
WECA Wireless Ethernet Compatibility
Alliance
Liên minh tương thích mạng
biết đến là các chuẩn 802.11 ví dụ a,b,g,n…công nghệ WLAN thường được
gọi là WIFI.
WMAN: Mạng làm việc trong khoảng cách trên 5km dùng để kết nối người
sử dụng với internet và được biết đến với chuẩn 802.16, còn được gọi là
chuẩn Wimax .
WWAN: Mạng diện rộng vô tuyến dùng trong cơ sở hạ tầng mạng di động
cung cấp mạng kết nối vô tuyến trên một diện rộng như các mạng điện
thoại…
1.2 Mạng cục bộ vô tuyến WLAN
Hình 1.2: Vị trí của WLAN trong mô hình OSI
9
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
WLAN bản chất là mạng LAN nhưng thay vì kết nối có dây là kết nối bằng sóng
vô tuyến hoặc tia hồng ngoại. WLAN dựa trên giao thức Ethernet với cơ chế đa truy
nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA để chia sẻ đường truyền. Đặc
trưng của WLAN là ở lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lí trong mô hình OSI và trong lớp
truy cập môi trường trong mô hình TCP/IP. Đặc tả của WLAN dựa trên các chuẩn
802.11(a, b,g, ) do tổ chức IEEE đưa ra.
Ưu điểm: Dễ cấu hình và cài đặt mạng, tính linh động cao, nâng cấp dễ dàng, tiết kiệm
chi phí, khả năng tương thích giữa các thiết bị ngày càng mạnh, công nghệ được nhiều
tổ chức quan tâm và phát triển .
Nhược điểm: Tốc độ và sự ổn định kém mạng có dây do chịu nhiều ảnh hưởng bởi đặc
thù của môi trường như nhiễu, giao thoa…Vấn đề nữa của mạng không dây là khả
năng bảo mật kém.
Yêu cầu về chất lượng dịch vụ: Băng thông mạng, tỷ lệ mất gói, độ trễ các gói tin và
độ ổn định của mạng.
1.3 Các chuẩn IEEE 802.11 thông dụng
Kể từ thời kì đầu của mạng vô tuyến, đã có rất nhiều chuẩn và công nghệ được
phát triển cho WLAN. Một trong những tổ chức chuyên về chuẩn hóa những công
nghệ này là IEEE. Và các chuẩn vô tuyến WLAN được chuẩn hóa thành họ các chuẩn
ngược vì hầu hết các thiết bị sử dụng dải tần 2,4Ghz.
1.4 Truy cập môi trường trong WLAN
1.4.1 Kỹ thuật đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột
Sử dụng phương pháp truy cập ngẫu nhiên, phương pháp này thuận lợi khi tải
thấp vì tận dụng được toàn bộ kênh truyền, bất lợi khi tải cao vì dễ xảy ra xung đột.
Trong WLAN sử dụng phương thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột
CSMA/CA, còn CSMA/CD thì chỉ phát hiện được xung đột. Giao thức CSMA làm
việc như sau: Một trạm muốn truyền nó cảm nhận môi trường, nếu môi trường đó bận
11
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
tức là có một trạm nào đó đang truyền, nó sẽ đợi một thời gian, nếu môi trường được
cảm nhận là rỗi thì trạm đó được phép truyền. Phương thức này hiệu quả khi đường
truyền là không nhiều tải, điều này cho phép truyền với thời gian trễ nhỏ nhất, trong
phương pháp này sẽ xảy ra xung đột nếu có từ 2 trạm trở lên truyền cùng một thời
điểm, do chúng cảm nhận thấy đường truyền rỗi và quyết định truyền. Khi xảy ra xung
đột lớp MAC sẽ quyết định truyền lại, đây là nguyên nhân gây trễ của tín hiệu. Trong
Ethernet xung đột sẽ được chấp nhận bởi trạm truyền sẽ truyền lại theo thuật toán
Exponential random backoff. Trong wire LAN sử dụng cơ chế phát hiện xung đột
CSMA/CD, nhưng không được sử dụng trong WLAN vì:
Để thực hiện cơ chế phát hiện xung đột thì sẽ cần sử dụng phương pháp song
công vô tuyến tức là có khả năng truyền và nhận tại cùng một thời điểm.
Trong một môi trường vô tuyến không thể thực hiện lắng nghe tất cả các trạm
khác vì điều này không có nghĩa khi nghe môi trường rỗi thì vùng xung quanh
trạm thu sẽ rỗi.
Trong môi trường vô tuyến rất dễ xảy ra xung đột do công suất của tín hiệu
phát lớn hơn nhiều tín hiệu thu. Nên tín hiệu phát sẽ lấn áp tín hiệu thu làm
cho trạm thu không nghe được.
Sự suy giảm tín hiệu trên đường truyền có thể lên tới 100dB sẽ làm mất dữ
liệu truyền.
Bằng sự cố gắng giải quyết vấn đề xung đột với mạng vô tuyến, 802.11 đã đưa ra cơ
nhận do một trạm ẩn từ máy phát khác trong khoảng thời gian ngắn của cuộc
truyền dẫn RTS do trạm nghe CTS và giữ đường truyền bận cho đến khi kết
thúc giao tác. Khoảng thời gian của RTS cũng bảo vệ khu vực phát khỏi các
xung đột trong khi tín hiệu ACK từ các trạm bên ngoài phạm vi của trạm
đang báo nhận.
1.5 Kĩ thuật trải phổ trong WLAN
Trải phổ là kỹ thuật truyền thông đặc biệt với băng thông rộng và năng lượng thấp.
Truyền thông trải phổ sử dụng rất nhiều kỹ thuật điều tần khác nhau trong WLANs và
có rất nhiều thuận lợi hơn truyền thông băng tần hẹp.Tín hiệu trải phổ chống được
nhiễu, tính bảo mật cao. Truyền thông trải phổ ít bị nghẽn hoặc nhiễu hơn so với truyền
thông băng tần hẹp. Vì lý do này, kĩ thuật trải phổ được quân đội sử dụng trong một
thời gian dài.
Hình 1.6: Trải phổ băng hẹp
14
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Trong các hệ thống thông tin trải phổ độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng,
thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong
băng tần trải phổ thì sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi
trường nhiều người sử dụng thì có thể dùng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử
dụng băng tần hiệu quả hơn suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm cuả trải phổ. Một hệ
thống thông tin số được coi là trải phổ nếu:
Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối
thiểu cần thiết để phát thông tin.
Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
1.5.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS
Nguyên lí hoạt động
Hình 1.7: Nguyên lí trải phổ trực tiếp
Tb: Thời gian một bít của luồng số cần phát
Tn: Chu kì mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ
Tc: Thời gian một chip của mã trải phổ
Các kênh liền kề bao phủ nhau đáng kể. Sử dụng hệ thống DSSS với các kênh trùng
lặp trong cùng một không gian vật lý sẽ gây nên nhiễu giữa các hệ thống. Hệ thống
DSSS với các kênh trùng lặp không nên cùng hoạt động, vì luôn có xung đột hoặc suy
16
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
giảm hoàn toàn thông lượng. Do các tần số chính cách nhau 5 MHz và các kênh rộng
22 MHz, các kênh chỉ cùng hoạt động khi cách nhau ít nhất 5 bước: kênh 1 và kênh 6
không bị trùng lặp, kênh 2 và kênh 7 không bị trùng lặp… Có tối đa ba hệ thống trải
phổ trực tiếp cùng hoạt động, vì chỉ các kênh 1, 6 và 11 theo lý thuyết là không bị trùng
lặp.
1.5.2 Trải phổ nhảy tần FHSS
Trải phổ nhảy tần là kỹ thuật sử dụng sự thay đổi của tần số để trải rộng dữ liệu ra
hơn 83 MHz. Nhảy tần sóng vô tuyến là thay đổi tần số truyền trong dãy băng tần RF
sử dụng được. Trong trải phổ nhảy tần số WLANs, theo quy định của FCC và tiêu
chuẩn IEEE 802.11 sử dụng băng tần 2.4 GHz ISM là 83.5 MHz.
Nguyên lí hoạt động
Hình 1.10 : Trải phổ nhảy tần
Trong hệ thống nhảy tần, tần số sóng mang thay đổi, hoặc bước truyền thay đổi,
tuỳ thuộc vào tần số giả định ngẫu nhiên. Tần số giả định ngẫu nhiên là danh sách các
tần số mà dữ liệu truyền phải trải qua trong khoảng thời gian nhất định trước khi lập lại
nguyên mẫu. Máy phát sẽ chọn các bước tần số này để làm tần số truyền. Máy nhận sẽ
duy trì tần số này trong khoảng thời gian nhất định, sử dụng trong khoản ngắn rồi
chuyển sang tần số kế tiếp. Khi danh sách các tần số này được sử dụng hết, máy phát sẽ
lập lại chu kỳ. Máy nhận được đồng bộ với máy phát về chu kỳ bước để nhận được tần
số chính xác tại thời điểm xác định.
Các kênh của hệ thống FHSS
17
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
Hình 1.11: Các kênh trong hệ thống FHSS
Một hệ thống trải phổ nhảy tần số hoạt động thông qua khuôn mẫu riêng biệt gọi là
biến các bít “0”, “1” thành các sóng tương tự tương ứng. Có rất nhiều phương thức
thực hiện điều chế số như ASK, FSK, PSK quá trình điều chế thực hiện bởi khoá
chuyển giữa 2 trạng thái, một cách lý thuyết thì một trạng thái sẽ là 0 và trạng thái còn
lại là 1. Một số kĩ thuật điều chế số thông dụng là QPSK, BPSK ,OFDM, CCK…
PSK/BPSK: Là phương pháp thông dụng nhất, tín hiệu sóng mang được điều chế
dựa vào chuỗi dữ liệu nhị phân, tín hiệu điều chế có biên độ không đổi và biến đổi giữa
hai trạng thái pha giữa 0
0
và 180
0
. Mỗi trạng thái của tín hiệu điều chế ta gọi là symbol.
QPSK: Ở phương pháp BPSK, mỗi symbol biểu diễn cho một bit nhị phân. Nếu
mỗi symbol này biểu diễn nhiều hơn 1 bit, thì sẽ đạt được một tốc độ bit lớn hơn. Với
QPSK sẽ gấp đôi số thông lượng dữ liệu của PSK với cùng một băng thông bằng cách
mỗi symbol mang 2 bit. Và nó sẽ dùng chuỗi số giả ngẫu nhiên có chiều dài mã là 4.
Như vậy trạng thái pha của tín hiệu điều chế sẽ chuyển đổi giữa các giá trị -90
0
, 0
0
, 90
0
,
180
0
.
CCK: Là một kỹ thuật điều chế phát triển từ điều chế QPSK, nhưng tốc độ bit đạt
đến 11 Mbps so với cùng băng thông như QPSK. Đây là một kỹ thuật điều chế rất phù
hợp cho các ứng dụng băng rộng. Theo chuẩn IEEE 802.11b, điều chế CCK dùng
chuỗi số giả ngẫu nhiên complementary spreading code có chiều dài mã là 8 và tốc độ
chipping rate là 11 Mchip/s, 8 complex chips sẽ kết hợp tạo thành một symbol đơn
5.25-5.35 GHz 100MHz U-NII
5.470-5.725GHz 255MHz U-NII
20
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
5.725-5.825GHz 100MHz U-NII
Bảng 1.3: Giới hạn công suất đầu ra với một số dải tần
Dải tần số Giới hạn công suất
ra
Vùng sử dụng
U-NII 5.15-5.25GHz 40mW Indoor
U-NII 5.25-5.35GHz 200mW Indoor/outdoor
U-NII 5.470-5.725GHz 200mW Indoor/outdoor
U-NII 5.725-5.825GHz 800mW Outdoor
ISM 2.4GHz 30-300mW Indoor/outdoor
1.8 Vai trò của mạng cục bộ vô tuyến WLAN
1.8.1 Vai trò truy cập
Hình 1.12: Vai trò truy cập của mạng vô tuyến
WLANs được triển khai đảm nhiệm vai trò của lớp truy cập, có nghĩa là chúng
được sử dụng như một điểm để kết nối vào mạng hữu tuyến. Có nhiều cách truy cập
như hình thức dial-up, ADSL, cab, cellular, Ethernet, Token Ring, Frame Relay,
ATM… Vô tuyến chỉ đơn giản là một cách thức khác giúp người dùng truy cập vào
mạng. Vì có tốc độ chậm và không ổn định, nên mạng vô tuyến thường không được
triển khai với vai trò Phân phối (Distribution) hoặc Trung tâm (Core) của mạng. Tuy
nhiên trong những mạng nhỏ, không có sự khác biệt lớn trong mạng giữa các lớp Trung
tâm (Core), Phân phối (Distribution) và Truy cập (Access). Lớp Trung tâm (Core) của
21
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
một mạng cần tốc độ thật nhanh và ổn định cao nhằm đảm bảo lưu lượng truy cập rất
lớn mà không gặp một trở ngại nhỏ và bị đứt kết nối nào xảy ra. Lớp Phân phối
(Distribution) của một mạng cần tốc độ nhanh, linh hoạt và tin cậy. WLANs thường
được lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng cho phép các toà nhà trở thành những phần của
cùng một mạng mà không cần phải tốn kém cho đường thuê bao riêng hoặc đào bới
nền của các toà nhà. Sử dụng an-ten vô tuyến thích hợp, bất kỳ toà nhà nào cũng có thể
kết nối với nhau thành một mạng thống nhất. Giống như mọi giải pháp kết nối dữ liệu
khác, dĩ nhiên cũng có các hạn chế trong công nghệ WLAN, nhưng tính linh hoạt, tốc
độ và tiết kiệm chi phí. Có hai cách thức trong kết nối toà nhà-đến-toà nhà. Cách thứ
nhất được gọi là điểm-đến-điểm, và cách thứ hai gọi là điểm-đến-đa điểm. Các kết nối
điểm-đến-điểm là kết nối vô tuyến giữa hai toà nhà. Các kết nối point-to-point hầu hết
thường là sử dụng an-ten bán định hướng hoặc định hướng cao tại mỗi cuối đường kết
nối. Kết nối Điểm-đến-Đa điểm là các kết nối vô tuyến giữa ba toà nhà trở lên, với một
toà nhà là tâm điểm truy cập trong mạng. Toà nhà trung tâm này cần xây dựng thành
mạng trung tâm, kết nối với Internet và các máy chủ. Kết nối point-to-multipoint giữa
23
Mạng cục bộ vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung
các toà nhà thường sử dụng an-ten không định hướng tại toà nhà trung tâm và các an-
ten bán định hướng tại mỗi toà nhà ở xa muốn kết nối .
1.8.4 Kết nối di động
Hình 1.15: Vai trò trong những ứng dụng di động
Là giải pháp ở lớp truy cập, WLANs không thể thay thế cho các LANs hữu tuyến
về tốc độ dữ liệu. Điều chính yếu mà WLANs cung cấp là gia tăng tính di động. Ví dụ,
công ty phân phối bưu phẩm sử dụng kỹ thuật vô tuyến để cập nhật dữ liệu theo dõi
bưu phẩm ngay lúc phương tiện vận tải đến nơi. Khi tài xế vừa đến kho bãi, anh ta
dùng máy đăng nhập vào mạng và chuyển dữ liệu phân phối trong ngày đến mạng
trung tâm. Trong điều kiện kho hàng, các mạng vô tuyến được sử dụng để dò tìm vị trí
và sắp xếp hàng hoá. Những dữ liệu này được đồng bộ hoá với máy tính trung tâm bộ
phận mua và bốc dỡ hàng hoá. Các máy quét cầm tay vô tuyến trở nên phổ biến trong
các doanh nghiệp mà người lao động phải di chuyển trong khu vực sản xuất và kho
bãi.Trong các trường hợp này, mạng vô tuyến tạo giúp cập nhật dữ liệu mà không tốn
thời gian và nhân lực để nhập dữ liệu bằng tay vào trạm hữu tuyến. Người dùng các
Hình 1.16: Văn phòng lưu động
1.9 Vấn đề thiết kế mạng
25
Copyright: Tài liệu đại học ©