Nghiên cứu cải tiến chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc đa chặng

  • 56 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
- - - - *** - - - - -
Ngô Hải Anh
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN
CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO
MẠNG AD HOC ĐA CHẶNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Văn Tam
HÀ NỘI – 2011
4
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... 10
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 11
Chương 1 – Giới thiệu ............................................................................................. 12
1.1 Mạng Ad hoc đa chặng ........................................................................................ 12
1.2 Hiệu năng của các mạng ad hoc đa chặng ........................................................... 13
Chương 2 – Kiến trúc mạng không dây .................................................................. 15
2.1 Chuẩn 802.11....................................................................................................... 15
2.1.1 Tầng vật lý ........................................................................................................ 15
2.1.1.1 Hồng ngoại .................................................................................................... 16
2.1.1.2 Trải phổ tuần tự (DSSS) ................................................................................. 16
2.1.1.3 Trải phổ nhảy tần (FHSS) .............................................................................. 17
2.1.1.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ....................................... 17
2.1.2 Tầng MAC ........................................................................................................ 17
2.1.2.1 Chức năng cộng tác phân tán .......................................................................... 18
2.1.2.2 Chức năng cộng tác điểm ............................................................................... 20
2.1.3 Lý thuyết về thông lượng tối đa ........................................................................ 20
2.1.3.1 Kỹ thuật truy cập cơ bản ................................................................................ 21
2.1.3.2 Kỹ thuật truy cập RTS/CTS ........................................................................... 22
2.3 Giao thức định tuyến mạng Ad hoc ..................................................................... 23
2.3.1 Giao thức Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) ............................. 24
2.3.2 Giao thức Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) ................................. 24
2.3.3 Giao thức Dynamic Source Routing (DSR) ....................................................... 26
2.3.4 Giao thức Zone Routing Protocol (ZRP) ........................................................... 26
2.3.5 Kết luận về các giao thức định tuyến trong mạng ad hoc ................................... 28
Chương 3 – Các vấn đề về tính công bằng trong các mạng không dây ................. 29
3.1 Các vấn đề ở tầng MAC ....................................................................................... 29
3.1.1 Vấn đề EIFS...................................................................................................... 29
3.1.2 Vấn đề trạm ẩn .................................................................................................. 31
3.2 Vấn đề ở tầng liên kết .......................................................................................... 32
3.2.1 Vấn đề với lập lịch FIFO ................................................................................... 32
3.2.2 Vấn đề với lập lịch RR ...................................................................................... 33
Chương 4 – Một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng ad hoc đa
chặng ........................................................................................................................ 34
5
4.1 Lập lịch có điều khiển dựa trên xác suất với hàng đợi Round Robin .................... 34
4.1.1 Thuật toán 1: Điều khiển số lượng các gói tin đầu vào của hàng đợi ................. 35
4.1.2 Thuật toán 2: Điều khiển lượt các hàng đợi đang được đọc ............................... 35
4.1.3 Thuật toán 3: Điều khiển số lượng các gói tin đầu ra của hàng đợi .................... 35
4.2 Mô hình xuyên tầng điều khiển cửa sổ tranh chấp trong mạng ad hoc đa chặng .. 36
4.2.1 CS Flow Estimation Module ............................................................................. 37
4.2.2 TX Flow Estimation Module ............................................................................. 38
4.2.3 Utilization Estimation Module .......................................................................... 38
4.2.4 Queue Estimation Module ................................................................................. 39
4.2.5 CW Monitor Module......................................................................................... 39
4.2.6 Module Set I ..................................................................................................... 40
4.2.7 Module Set II .................................................................................................... 40
4.2.8 Định nghĩa tính công bằng trên mỗi luồng......................................................... 41
Chương 5 – Mô phỏng và phân tích kết quả .......................................................... 43
5.1 Kịch bản 1: The Large-EIFS Topology ................................................................ 44
5.2 Kịch bản 2: The Three-Pair Topology .................................................................. 46
5.3 Kịch bản 3: The Long Station Chain Topology..................................................... 48
5.4 Kịch bản 4: The Grid Topology............................................................................ 50
5.5 Kịch bản 5: The Random Topology ...................................................................... 52
5.6 Kịch bản 6: The Large-EIFS Topology (dữ liệu TCP) .......................................... 53
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 55
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN DÙNG ĐỂ MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN .................. 58
6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng Anh Ý nghĩa
ACK ACKnowledgment Biên nhận
Ad hoc On Demand Distance Véc-tơ khoảng cách theo yêu cầu tự
AODV
Vector học
AP Access Point Điểm truy cập
BEB Binary Exponential Back-off Rút lui hàm mũ nhị phân
CS Carrier Sensing Cảm nhận sóng mang
Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang có
CSMA/CA
with Collision Avoidance tránh xung đột
Gói tin thông báo sẵn sàng để truyền
CTS Clear To Send
trong IEEE 802.11
CW Contention Window Cửa sổ tranh chấp
CWND Congestion Window Cửa sổ tắc nghẽn
Distributed Coordination
DCF Chức năng cộng tác phân tán
Function
Khe thời gian trống giữa các khung
DIFS DCF Inter-Frame Space
DCF
Destination Sequenced Distance
DSDV Véc-tơ khoảng cách tuần tự đích
Vector
EIFS Extended Inter-Frame Space Khe thời gian trống mở rộng
Federal Communications Ủy ban truyền thông liên bang (Hoa
FCC
Commission Kỳ)
FH Frequency Hopping Nhảy tần số
Frequency Hopping Spread
FHSS Trải phổ nhảy tần
Spectrum
FIFO First In First Out Xử lý hàng đợi vào-trước-ra-trước
Institute of Electrical and
IEEE Viện kỹ nghệ điện và điện tử
Electronics Engineers
IFS Inter-Frame Space Khe thời gian trống
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
LOS Line Of Sight Truyền trực tiếp (hồng ngoại)
MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường
NAV Network Allocation Vector Véc-tơ cấp phát mạng
NS Network Simulator Bộ mô phỏng mạng (phần mềm)
PC Point Coordinator Cộng tác điểm
PCF Point Coordination Function Chức năng cộng tác điểm
7
PHY Physical layer Tầng vật lý
Khe trống thời gian giữa các khung
PIFS PCF Inter-Frame Space
PCF
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
Gói tin thông báo yêu cầu truyền
RTS Request To Send
trong IEEE 802.11
SIFS Short Inter-Frame Space Khe trống thời gian ngắn
SR Sensing Range Miền cảm nhận
SS Spread Spectrum Trải phổ
TCP Tranmission Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận
TX Transmission Truyền
UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Các chuẩn IEEE 802.11 .......................................................................... 15
Hình 2.2: Tầng MAC trong IEEE 802.11 ............................................................... 18
Hình 2.3: Kỹ thuật truy cập RTS/CTS ................................................................... 19
Hình 2.4: Inter-frame spacing trong IEEE 802.11 ................................................. 19
Hình 2.5: Các phụ phí đóng gói............................................................................... 21
Hình 2.6: Kỹ thuật truy cập cơ bản ........................................................................ 21
Hình 2.7: Kỹ thuật RTS/CTS .................................................................................. 22
Hình 3.1: Mô hình ba trạm...................................................................................... 29
Hình 3.2: M1 và M2 đang truyền thông trong khi GW trì hoãn ........................... 30
Hình 3.3: M1 và GW đang truyền thông trong khi M2 từ chối ............................. 30
Hình 3.4: Vấn đề trạm ẩn ........................................................................................ 31
Hình 3.5: Một mô hình mạng không dây đa chặng cơ bản .................................... 32
Hình 4.1: Điều khiển dựa trên xác suất với các hàng đợi Round Robin ............... 34
Hình 4.2: Các môđun đề xuất. (I) và (II) và các tập môđun I, II tương ứng ......... 37
Hình 5.1: Kịch bản 1: vấn đề EIFS-lớn (Large-EIFS problem) ............................ 44
Hình 5.2: Chỉ số công bằng trong kịch bản 1 ......................................................... 45
Hình 5.3: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 1 ............................................... 46
Hình 5.4: Kịch bản 2: vấn đề three-pair ................................................................. 47
Hình 5.7: Chỉ số công bằng trong kịch bản 2 ......................................................... 47
Hình 5.6: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 2 ............................................... 48
Hình 5.7: Kịch bản 3: Chuỗi năm trạm với bốn luồng .......................................... 49
Hình 5.8: Chỉ số công bằng trong kịch bản 3 ......................................................... 49
Hình 5.9: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 3 ............................................... 50
Hình 5.10: Kịch bản 4: kịch bản lưới ...................................................................... 50
9
Hình 5.11: Chỉ số công bằng trong kịch bản 4 ....................................................... 51
Hình 5.12: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 4 ............................................. 52
Hình 5.13: Chỉ số công bằng trong kịch bản 5 ....................................................... 53
Hình 5.14: Thông lượng tổng cộng trong kịch bản 5 ............................................. 53
10
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Các tham số dùng trong mô phỏng ........................................................... 43
11
MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến. Ưu điểm của mạng
không dây là tính di động và sự giải phóng khỏi giới hạn của các kết nối có dây hoặc
cố định. Rất đơn giản để hai hoặc nhiều máy tính kết nối với nhau nhờ sóng rađiô
nhằm mục đích truyền dữ liệu hoặc chia sẻ tài nguyên. Tuy nhiên, có rất nhiều công
nghệ phức tạp nằm phía sau mạng không dây, trong đó chất lượng dịch vụ (Quality of
Service – QoS) là một lĩnh vực quan trọng với mục tiêu gia tăng hiệu năng của mạng
không dây.
Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu kiến trúc của mạng không dây, các
giao thức định tuyến tự học (ad hoc), các tầng MAC và tầng PHY trong mạng không
dây, chủ yếu tập trung vào các ảnh hưởng của chúng đến hiệu năng của các mạng
không dây. Trong các thành phần của mạng không dây, chuẩn IEEE 802.11 đóng vai
trò quan trọng nhất, nó bao gồm nguyên lý hoạt động của cả hai tầng MAC và PHY.
Tuy nhiên, chuẩn IEEE 802.11, chuẩn không chính thức cho các mạng không dây ad
hoc hoạt động chưa tốt nếu xét trên các yếu tố trễ (delay), thông lượng (throughput),
và đặc biệt là yếu tố công bằng (fairness) trong các mạng ad hoc đa chặng bất đối
xứng. Tính bất đối xứng ở đây thể hiện qua việc các trạm có những điều kiện khác
nhau về truy cập kênh truyền hoặc sự khác nhau về số luồng, sự khác nhau về số chặng
đến đích. Để giải quyết vấn đề này, cần xem xét sự tranh chấp ở cả tầng MAC và tầng
liên kết. Thông thường, sẽ có sự đánh đổi giữa việc đảm bảo tính công bằng và hiệu
suất thông lượng, luận văn này sẽ nghiên cứu một mô hình xuyên tầng nhằm đảm bảo
tính công bằng trên mỗi luồng nhưng vẫn duy trì hiệu suất thông lượng tốt.
Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:
- Chương 1: Giới thiệu.
- Chương 2: Kiến trúc mạng không dây.
- Chương 3: Các vấn đề về tính công bằng trong các mạng không dây.
- Chương 4: Một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng ad hoc đa
chặng.
- Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
- Danh sách tài liệu tham khảo.
- Phần phụ lục gồm mã nguồn các kịch bản mô phỏng và xử lý kết quả mô phỏng.
12
Chương 1 – Giới thiệu
1.1 Mạng Ad hoc đa chặng
Vào năm 1997, Viện Kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and
Electronics Engineers – IEEE) tạo ra chuẩn WLAN đầu tiên, đó là chuẩn 802.11.
Chuẩn 802.11 [1] này định nghĩa hai chế độ làm việc chính cho các mạng cục bộ
không dây (Wireless Local Area Networks – WLANs): dựa trên hạ tầng cơ sở
(infrastructure based) và không cần hạ tầng cơ sở (infrastructure-less hay ad hoc) [2].
Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm
truy cập không dây (Wi-Fi hostpot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại
với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng, các chi phí loại này có
thể không được chấp nhận trong các môi trường động, ở đó người và/hoặc các phương
tiện chỉ cần kết nối tạm thời trong một vùng mà không cần một cơ sở hạ tầng truyền
thông sẵn có, ví dụ như trường hợp cứu hộ khi có thảm họa động đất, sóng thần, lúc đó
hạ tầng mạng gần như bị phá hủy hoàn toàn, hoặc trường hợp các sinh viên trong
chuyến xe bus đi du lịch có nhu cầu muốn chia sẻ tài liệu hoặc chơi game tương tác
với nhau trong lúc đi trên xe. Trong những trường hợp như vậy, một giải pháp hiệu
quả hơn có thể được cung cấp, đó là chế độ hoạt động không cần hạ tầng cơ sở hay ad
hoc.
Trong mạng ad hoc, kết nối được thiết lập cho khoảng thời gian tương ứng với
một phiên làm việc và không cần trạm cơ sở (base station). Các thiết bị sẽ khám phá
những thiết bị khác ở trong cùng một miền để hình thành nên mạng. Các thiết bị có thể
sẽ tìm kiếm các trạm trong cùng miền bằng cách phát tràn (flooding) các thông điệp
quảng bá mà được chuyển tiếp bởi mỗi trạm. Khi hoạt động ở chế độ này, các trạm
được xem như đóng vai trò một tập dịch vụ cơ sở độc lập (Independent Basic Service
Set – IBSS). Bất kỳ trạm nào ở trong miền phát (transmission range) của trạm khác,
sau một bước đồng bộ hóa, đều có thể bắt đầu truyền thông. Điểm truy cập (Acess
Point – AP) không cần thiết với chế độ mạng này, nhưng nếu một trong số các trạm
đang hoạt động ở chế độ ad hoc có kết nối với mạng có dây, các trạm trong mạng ad
hoc sẽ có truy cập không dây đến Internet.
Mạng ad hoc đa chặng (multi-hop ad hoc networks) [3, 4, 5] là các mạng ad
hoc mà các kết nối của chúng có thể qua nhiều trạm. Các giao thức định tuyến do đó sẽ
cung cấp các kết nối ổn định cho dù các trạm chuyển động liên tục. Mỗi trạm sẽ cố
gắng chuyển tiếp dữ liệu đến các trạm khác, và do đó việc xác định trạm nào chuyển
tiếp dữ liệu được thực hiện tự động dựa trên kết nối mạng. Điều này ngược lại với các
công nghệ mạng truyền thống ở đó một vài trạm được thiết kế trước, thông thường với
các thiết bị phần cứng như router, switch, hub và firewall, sẽ thực hiện nhiệm vụ
chuyển tiếp dữ liệu.
13
1.2 Hiệu năng của các mạng ad hoc đa chặng [19, 22, 23]
Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong
WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc.
Công nghệ 802.11 là một nền tảng tốt để cài đặt các mạng ad hoc đơn chặng (single-
hop) bởi tính đơn giản của nó. Tính đơn chặng có nghĩa là các trạm phải ở trong cùng
miền phát (thường từ 100-200 mét) để có thể truyền thông trực tiếp với nhau. Sự hạn
chế đó có thể được khắc phục bởi mạng ad hoc đa chặng.
Trong môi trường mạng ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành
nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được
cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận
này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin
giữa bên gửi và bên nhận. Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không
hoạt động được. Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ
trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng ad hoc đa chặng, các
trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một trạm
phải truyền đi cả luồng trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng
chuyển tiếp (forwarding flows), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ
dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm của nó. Hiệu ứng của sự tranh chấp tại
tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là sự công
bằng.
Chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) là một
kỹ thuật tầng MAC cơ bản trong IEEE 802.11, nó được thiết kế để cung cấp cơ hội
công bằng cho mọi trạm để truyền đi các frames trong ngữ cảnh phân tán. DCF sử
dụng giao thức đa truy cập sử dụng sóng mạng có tránh xung đột (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA) với cách truy cập dựa trên kỹ
thuật quay lui hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Back-off – BEB). Kỹ thuật BEB
điều khiển tần suất truy cập kênh truyền của mỗi trạm bằng cách chọn ngẫu nhiên một
giá tri quay lui từ một đến CW dựa trên phân phối ngẫu nhiên chuẩn, với CW là kích
thước cửa sổ tranh chấp (Contention Window – CW). Do đó, dường như toàn bộ các
trạm đang tranh chấp sẽ có cùng cơ hội để truy cập kênh truyền được chia sẻ, tuy nhiên,
trong cấu hình mạng đa chặng bất đối xứng, kỹ thuật BEB lại gặp phải vấn đề không
công bằng (unfairness) và lưu lượng thấp (low throughput), đặc biệt trong trường hợp
tải đề xuất (offered load) có lưu lượng lớn.
Kỹ thuật BEB xác định kích thước cửa sổ tranh chấp tương ứng với điều kiện
tắc nghẽn. Kỹ thuật này sẽ nhân đôi giá trị CW sau mỗi lần đụng độ cho đến khi đạt
ngưỡng CWmax và đặt lại (reset) giá trị CW thành CWmin với mỗi lần phát thành công.
Tuy nhiên, kỹ thuật BEB không xem xét các điều kiện khác về các trạm hàng xóm,
thông tin tầng trên,… số luồng trong kênh truyền hoặc số người dùng trong hệ thống.
Do đó, giá trị CW sau vài lần tắc nghẽn có thể sẽ không phải là giá trị tối ưu cho tính
14
công bằng, đặc biệt trong các mạng đa chặng bất đối xứng. Thêm nữa, bởi vì giá trị
CW là như nhau với tất cả các luồng được sinh ra từ một trạm, mọi luồng sẽ truy cập
kênh truyền với cùng độ ưu tiên. Sẽ có sự không công bằng giữa các luồng trong
không gian bộ đệm (buffer space), vì vậy các giá trị CW khác nhau nên được gán cho
mỗi luồng để giảm bớt sự tranh chấp giữa chúng.
Nếu giá trị CW tối ưu được xác định và gán cho mỗi luồng riêng lẻ, kỹ thuật
BEB có thể giúp cấp phát băng thông công bằng giữa các luồng. Thêm nữa, nếu giá trị
CW khác nhau được gán cho mỗi luồng thì việc tranh chấp giữa các luồng sẽ điều
khiển được. Tuy nhiên, việc xác định giá trị CW tối ưu cần thông tin toàn cục về mạng,
điều gần như không thể thực hiện trong mạng ad hoc đa chặng bởi mỗi trạm đều làm
việc phân tán. Luận văn này sẽ tìm hiểu một mô hình xuyên tầng, ở đó thông tin được
thu thập từ các tầng vật lý, MAC và liên kết, nhằm mục đích xác định một giá trị CW
tốt hơn để đạt được tính công bằng trên mỗi luồng mà không cần thông tin toàn cục.
15
Chương 2 – Kiến trúc mạng không dây
2.1 Chuẩn 802.11
Giao thức MAC 802.11 dùng cho việc điều khiển truy cập đường truyền trong
các mạng không dây cục bộ (Wireless Local Area Networks – WLANs) là chuẩn
không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc. Chuẩn 802.11 chi tiết
hóa cả hai tầng MAC và vật lý (hình vẽ 2.1). Tầng MAC đề xuất hai kiểu dịch vụ:
chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) và chức
năng cộng tác điểm (Point Coordination Function – PCF). Các dịch vụ này nằm trên
một sự đa dạng các tầng vật lý, đặc biệt có ba công nghệ đã được chuẩn hóa: hồng
ngoại (Infrared), trải phổ điều khiển tuần tự (Direct Sequence Spread Spectrum –
DSSS), trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS); ngoài ra kỹ
thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing OFDM) cũng được dùng nhiều trong những năm gần đây.
Hình 2.1: Các chuẩn IEEE 802.11
2.1.1 Tầng vật lý
Tầng vật lý (PHY) là giao diện giữa MAC và thiết bị không dây ở đó các khung
tin (frames) được truyền và nhận. PHY cung cấp ba chức năng. Thứ nhất, PHY cung
cấp một giao diện để trao đổi các khung tin với tầng MAC ở trên phục vụ việc truyền
và nhận dữ liệu. Thứ hai, PHY sử dụng tín hiệu vận chuyển (signal carrier) và điều chế
trải phổ (spread spectrum modulation) để truyền các khung dữ liệu qua thiết bị truyền.
Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu sóng mang (carrier sense indication) trở lại MAC
để xác nhận hoạt động trên thiết bị truyền.
Chuẩn 802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: hồng ngoại, DSSS và
FHSS.
16
2.1.1.1 Hồng ngoại
Các hệ thống hồng ngoại (Infrared – IR) có thiết kế đơn giản và do đó giá thành
rẻ. Chúng sử dụng các tần số tín hiệu giống nhau được dùng trong các liên kết quang
học. Các hệ thống này chỉ phát hiện biên độ của tín hiệu và nhờ đó sự nhiễu được giảm
đi đáng kể. Băng thông trong các hệ thống hồng ngoại không có giới hạn và do vậy có
thể đạt được tốc độ truyền nhanh hơn các hệ thống khác. Việc truyền hồng ngoại thực
hiện theo phổ quang học và không cần giấy phép từ các cơ quan quản lý viễn thông, đó
là một tính năng thú vị của của hồng ngoại. Có hai cách thiết lập một mạng IR LAN.
Cách thứ nhất là truyền hồng ngoại, nó cung cấp một miền truyền khá lớn lên đến hàng
kilô-mét và có thể sử dụng bên ngoài (outdoors), nó cũng cung cấp băng thông
(bandwith) và thông lượng (throughput) lớn nhất. Cách thứ hai là truyền theo mọi
hướng (omni-directionally) và làm các tín hiệu có thể bị chặn bởi mọi vật cản theo mọi
hướng. Công nghệ hồng ngoại ban đầu rất phổ biến bởi nó vận chuyển được tỷ lệ dữ
liệu cao và giá thành tương đối rẻ. Nhược điểm của các hệ thống hồng ngoại là phổ
truyền được chia sẻ bởi các nguồn sáng mặt trời và huỳnh quang. Nếu có đủ giao thoa
từ các nguồn khác, nó có thể làm cho mạng LAN trở nên không thể sử dụng. Các hệ
thống hồng ngoại yêu cầu một tính chất không cản trở (unobstructed) gọi là Line of
Sight (LOS). Các tín hiệu hồng ngoại không thể xuyên qua các đối tượng chắn sáng.
Điều đó có nghĩa là tường, màn chắn hoặc thậm chí sương mù có thể cản trở tín hiệu.
Mạng LAN hồng ngoại (InfraLAN) là một ví dụ về mạng LAN không dây sử dụng
công nghệ hồng ngoại.
2.1.1.2 Trải phổ tuần tự (DSSS)
Trong kỹ thuật trải phổ tuần tự (Direct Sequence Spread Spectrum), tín hiệu
truyền dẫn được trải khắp một dải tần (ví dụ 25 Mhz). Một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên
được dùng để điều chế các tín hiệu đã được truyền dẫn. Chuỗi ngẫu nhiên này được
gọi là mã trải (spreading code). Các bit dữ liệu được ánh xạ vào một mẫu các “chips”
và ánh xạ ngược lại thành một bit tại đích đến. Số các chips sẽ biểu diễn một bit gọi là
tỷ lệ trải (spreading ratio). Tỷ lệ trải càng cao thì càng bền vững đối với nhiễu. Tỷ lệ
trải càng thấp thì càng tốn nhiều băng thông của người dùng. Tổ chức FCC quy định tỷ
lệ trải phải lớn hơn hoặc bằng mười. Hầu hết các ứng dụng có tỷ lệ trải nhỏ hơn 20 và
chuẩn 802.11 mới yêu cầu một tỷ lệ trải là mười một. Phía gửi và phía nhận phải được
đồng bộ hóa với cùng một mã trải. Nếu các mã trải trực giao (orthogonal spreading
codes) được dùng thì nhiều mạng LAN có thể chia sẻ cùng một dải tần. Tuy nhiên, bởi
vì các hệ thống DSSS sử dụng các kênh con rộng (wide sub channels), số các LAN
đồng vị (co-located) sẽ bị giới hạn bởi kích thước của các kênh con đó. Sự khôi phục
trong các hệ thống DSSS thường nhanh hơn bởi khả năng trải tín hiệu trên một dải tần
rộng.
17
Chuẩn 802.11 DSSS PHY sử dụng dải tần số vô tuyến 2.4 GHz, làm việc với tỷ
lệ dữ liệu khoảng 1 hoặc 2 Mbps.
2.1.1.3 Trải phổ nhảy tần (FHSS)
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) chia dải tần
thành các kênh con (1 MHz). Tín hiệu do đó nhảy từ kênh con này đến kênh con khác
để truyền các khối dữ liệu ngắn trên mỗi kênh trong một khoảng thời gian gọi là dwell.
Thứ tự nhảy tần phải được đồng bộ hóa tại phía gửi và phía nhận. Cơ quan FCC quy
định dải tần phải được chia thành ít nhất 75 kênh con và nhờ đó thời gian dwell không
lớn hơn 400 ms. Việc nhảy tần ít ảnh hưởng đến sự giao thoa bởivì tần số thường dịch
chuyển cố định. Điều này khiến các hệ thống nhảy tần trở nên rất khó phân chia. Do
đó, các hệ thống nhảy tần có mức độ an toàn cao.
Chuẩn 802.11 FHSS PHY sử dụng dải tần số vô tuyến 2.4 GHz
2.1.1.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-
Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng
mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các
sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín
hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng
phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường.
OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng
của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ
thống truyền dẫn đơn sóng mang.
2.1.2 Tầng MAC
Tầng MAC trong IEEE 802.11 [1] cung cấp chức năng cho phép vận chuyển dữ
liệu tin cậy với các tầng trên thông qua phương tiện không dây ở tầng PHY. Việc vận
chuyển dữ liệu dựa trên các chế độ bất đồng bộ (asynchronous), nỗ lực tối đa (best-
effort), không hướng kết nối (connectionless). Không có sự đảm bảo nào rằng các
khung tin sẽ được chuyển đi thành công. Chuẩn 802.11 định nghĩa hai kiểu phương
tiện truyền, chức năng cộng tác phân tán (DCF) và chức năng cộng tác điểm (PCF)
như hình 2.2.
18
Hình 2.2: Tầng MAC trong IEEE 802.11
2.1.2.1 Chức năng cộng tác phân tán
Chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) cung
cấp phương pháp truy cập cơ bản với các giao thức MAC và dựa trên một lược đồ đa
truy cập sử dụng sóng mang có tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance – CSMA/CA). Các yếu tố chính của DCF là ACK, RTS/CTS với
NAV, IFS và thuật toán quay lui với CW.
Khung biên nhận
Các biên nhận (ACKnowledgments – ACK) được dùng để phát hiện xung đột.
Các khung ACK cho phép các trạm di động quyết định liệu việc truyền của nó có
thành công hay không. Phía gửi sẽ được cảnh báo xung đột sau một khoảng thời gian
ngừng (time-out) chờ đợi ACK tương ứng với các gói tin đã truyền đi. Nếu không
nhận được khung ACK hoặc nhận được ACK báo lỗi, phía gửi sẽ cố gắng truy cập lại
đường truyền để truyền lại khung dữ liệu.
Các khung RTS và CTS
Request-To-Send và Clear-To-Send (RTS/CTS) với vec-tơ định vị mạng
(Network Allocation Vector – NAV) dùng để giải quyết vấn đề trạm ẩn (Hidden
Terminal Problem). Trong DCF, các đụng độ của các trạm ẩn trong một vùng có thể
tránh được bằng quá trình bắt tay bốn bước dựa trên các khung RTS và CTS. Bằng
cách trao đổi hai khung điều khiển ngắn giữa bên gửi và bên nhận, toàn bộ các trạm
hàng xóm sẽ nhận ra việc truyền và thời gian quay lui trong suốt thời gian truyền được
quảng bá nhờ các khung RTS và CTS.
19
Sử dụng thông tin này, mỗi trạm sẽ duy trì một NAV, dùng để cảnh báo thời
gian còn lại của quá trình truyền thông đang diễn ra. Hình 2.3 biểu diễn kỹ thuật truy
nhập sử dụng RTS/CTS giữa trạm nguồn (Source) và trạm đích (Destination). Các
trạm khác trong hình 2.3 là các trạm ở trong miền phát của trạm nguồn và trạm đích.
Hình 2.3: Kỹ thuật truy cập RTS/CTS
Inter-Frame Space
Inter-Frame Space (IFS) là khoảng thời gian mỗi trạm phải chờ trước khi truyền
bất kỳ khung tin nào và được dùng để cung cấp một sự truy cập kênh truyền theo độ
ưu tiên (prioritized access) như hình vẽ 2.4.
Hình 2.4: Inter-frame spacing trong IEEE 802.11
 Short IFS (SIFS): là IFS ngắn nhất và được dùng sau khi nhận được CTS,
DATA, và các khung ACK.
 DCF IFS (DIFS): lớn hơn SIFS và được dùng khi khởi tạo một quá trình truyền
dữ liệu trong DCF.
 Extended IFS (EIFS): là IFS lớn nhất và được dùng để phát hiện ACK từ các
xung đột, Khi các trạm phát hiện có sự phát nhưng không thể giải mã (decode)
nó, chúng sẽ thiết lập các NAVs của mình cho khoảng thời gian EIFS. EIFS
được đặt bằng SIFS + ACK + DIFS trong chuẩn MAC 802.11.
 PCF IFS (PIFS): lớn hơn SIFS và nhỏ hơn DIFS, được dùng khi khởi tạo một
quá trình truyền dữ liệu trong PCF.
20
Mối quan hệ giữa các kiểu IFS là
SIFS < SlotTime < PIFS < DIFS < EIFS (2.1)
Thuật toán quay lui
Mục đích chính của thuật toán quay lui là để giảm bớt xác suất đụng độ khi sự
tranh chấp trở nên gay gắt. Sau khi chờ một khoảng thời gian IFS, mỗi trạm tranh đấu
(competing station) sẽ chờ một thời gian quay lui (back-off), thời gian này được chọn
ngẫu nhiên trong khoảng (0, CW), được định nghĩa là cửa sổ tranh chấp. Giá trị CW
phụ thuộc vào số lần truyền lỗi các gói tin. Ở bước phát đầu tiên, CW được đặt bằng
một giá trị CWmin được gọi là cửa sổ tranh chấp tối thiểu. Sau mỗi lần phát không
thành công, CW được nhân đôi cho đến khi đạt giá trị tối đa.
Bộ đếm thời gian quay lui được giảm dần khi kênh truyền được cảm nhận là
đang rỗi (idle), được dừng (frozen) khi có một sự phát được phát hiện trên kênh truyền,
và lại được kích hoạt lại khi kênh truyền được cảm nhận là rỗi với nhiều hơn một
DIFS. Trạm sẽ phát khi thời gian quay lui đạt giá trị không (zero).
Việc dừng thời gian quay lui đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính
công bằng cho mỗi nút. Trong một chu kỳ tranh đấu (competition cycle), các trạm
tham gia tranh đấu lần đầu sẽ có cơ hội phát bằng nhau, các trạm đã bị “thua” (lost –
hiểu theo nghĩa mất cơ hội phát) trước đó nên được gán độ ưu tiên cao hơn so với các
trạm mới tham gia, các độ ưu tiên cao hơn này được xác định nhờ thời gian dừng dựa
trên quy tắc đến-trước-phục-vụ-trước (First-Come, First-Serve).
2.1.2.2 Chức năng cộng tác điểm
Chức năng cộng tác điểm (Point Coordination Function – PCF) chỉ có thể dùng
trong các mạng có cơ sở hạ tầng. Một điểm truy cập (Access Point – AP) đóng một vai
trò cộng tác gọi là cộng tác theo điểm (Point Coordinator – PC). PC sẽ cung cấp một
kênh truyền không có tranh chấp cho các trạm riêng lẻ theo cơ chế bầu (polling).
2.1.3 Lý thuyết về thông lượng tối đa [22]
Trong các mạng không dây, thông lượng tối đa luôn luôn nhỏ hơn tỷ lệ dữ liệu
của kênh truyền, đó là do phụ phí (overhead) của thông tin mào đầu (header
information) như hình vẽ 2.5 và do hoạt động của 802.11[1, 9, 10]. Để tính toán thông
lượng tối đa, chúng ta cần phân tích chi tiết các phụ phí có liên quan đến hai kỹ thuật
truy cập: kỹ thuật truy cập cơ bản và kỹ thuật truy cập RTS/CTS.
21
Hình 2.5: Các phụ phí đóng gói
2.1.3.1 Kỹ thuật truy cập cơ bản
Kỹ thuật truy cập cơ bản là một kỹ thuật dựa trên quá trình bắt tay hai bước
(two-way handshaking). Kỹ thuật này có đặc trưng là dựa trên việc truyền trực tiếp
một khung ACK của trạm đích, với việc nhận thành công một gói tin được phát bởi
trạm gửi. Chi tiết việc truyền một ACK cần được thực hiện ở phương tiện truyền
không dây, thực thể truyền tin không thể xác định liệu một gói tin có được nhận thành
công hay không bằng cách lắng nghe quá trình phát của chính nó (xem hình 2.6).
Hình 2.6: Kỹ thuật truy cập cơ bản
Công thức (2.2) định nghĩa thông lượng tối đa được kỳ vọng cho một phiên
truyền đơn chủ động (ví dụ chỉ một cặp gửi nhận đang hoạt động) khi sử dụng lược đồ
truy cập cơ bản.
ở đây:
 P là kích thước tải trọng gói tin,
 δ là trễ lan truyền,
 T(H + P) là thời gian yêu cầu để phát một khung dữ liệu, nó bao gồm header các
tầng PHY và MAC,
22
 ACK là thời gian yêu cầu để phát một khung ACK, nó bao gồm header tầng
PHY,
 σCWmin/2 là thời gian quay lui trung bình.
2.1.3.2 Kỹ thuật truy cập RTS/CTS
Kỹ thuật truy cập RTS/CTS được biết đến như một kỹ thuật bắt tay bốn bước.
Trước khi truyền một gói tin, một trạm hoạt động ở chế độ RTS/CTS sẽ “đặt chỗ”
kênh truyền bằng cách gửi một khung RTS. Trạm đích sẽ biên nhận RTS đó bằng cách
gửi trả khung CTS, sau khi truyền gói tin thông thường và phản hồi bằng gửi ACK.
Đụng độ có thể sẽ xảy ra chỉ trên khung RTS, và nó được phát hiện qua sự thiếu khung
phản hồi CTS, kỹ thuật RTS/CTS cho phép tăng hiệu năng mạng bằng cách giảm bớt
khoảng thời gian của một tắc nghẽn khi các thông điệp dài được truyền đi (hình 2.7).
Hình 2.7: Kỹ thuật RTS/CTS
Khi kỹ thuật RTS/CTS được sử dụng, các phụ phí liên quan đến việc truyền các
khung RTS và CTS phải được thêm vào mẫu số của công thức (2.2). Do đó, trong
trường hợp này, lưu lượng tối đa được định nghĩa như sau:
ở đây:
 RTS là thời gian cần để truyền đi một khung RTS, nó chứa header tầng PHY,
 CST là thời gian cần để truyền đi một khung CTS, nó chứa header tầng PHY.