Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX

Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 1 MỤC LỤC I. LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 2 II. TỔNG QUAN VỀ WLAN ......................................................................................... 3 III. CHUẨN 802.11 CỦA MẠNG WLAN....................................................................... 5 III.1 CÁC KỸ THUẬT SỦ DỤNG TRONG WLAN................................................. 6 III.1.1 Kỹ thuật điều chế số Shift Keying: ............................................................. 6 III.1.2 Kỹ thuật song công (Duplex Scheme): ....................................................... 7 III.1.3 Kỹ thuật trải phổ : ....................................................................................... 8 III.1.4 Kỹ thuật truy nhập: ..................................................................................... 9 III.2 VẤN ĐỀ TẦN SỐ ............................................................................................ 10 III.3 MÔ HÌNH KẾT NỐI ........................................................................................ 10 III.3.1 Điểm - Điểm (Peer to Peer Mode) ............................................................ 10 III.3.2 Điểm - Đa điểm (Infrastructure Mode) ..................................................... 11 III.3.3 Mesh .......................................................................................................... 12 III.4 VẤN ĐỀ BẢO MẬT ........................................................................................ 12 III.4.1 Chứng thực qua hệ thống mở (Open Authentication) ............................... 12 III.4.2 Chứng thực qua khoá chia sẻ (Shared-key Authentication) ..................... 13 III.4.3 Bảo mật dữ liệu thông qua WEP (Wired Equivalent Privacy) ................. 13 III.4.4 Bảo mật dữ liệu thông qua EAP (Extensible Authentication Protocol) .... 13 III.5 ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA WLAN ............................................... 14 III.5.1 Một số ưu điểm của mạng không dây WLAN .......................................... 14 III.5.2 Nhược điểm của mạng không dây ............................................................ 14 IV. TÌM HIỂU VỀ WIMAX ........................................................................................... 15 IV.1 MỤC ĐÍCH CỦA WiMAX .............................................................................. 16 IV.2 LỢI ÍCH CỦA WiMAX ................................................................................... 16 IV.3 KHÁI NIỆM VỀ 802.16A ................................................................................ 17 IV.4 LỢI ÍCH CỦA 802.16A .................................................................................... 17 IV.5 MỐI LIÊN HỆ GIỮA 802.16A VÀ WiMAX .................................................. 18 V. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 19 Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 2 I. LỜI NÓI ĐẦU Với sự tiến bộ không ngừng về mặt khoa học công nghệ, đặc biệt là ngành viễn thông thế giới, Công nghệ truy nhập băng rộng không dây (WBA) là công nghệ mới, ra đời nhằm đa dạng hóa các hình thức truy nhập và truyền dẫn. Cùng với sự tồn tại của các giải pháp truy nhập mạng truyền thống như: modem thoại (dial-up), ISDN, thuờ kờnh kết nối trực tiếp (lease-line), xDSL…WBA ra đời áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi băng thông rộng với các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao như truyền dữ liệu, truy cập Internet….. Với các tính năng dùng kỹ thuật không dây nên công nghệ này đặc biệt phù hợp với mô hình kết nối các văn phòng, nhà cao tầng… mà việc dựng cỏp gặp khó khăn. Một trong những công nghệ truy nhõp băng rộng không dây phổ biến và có nhiều ưu điểm là WLAN. Bản chất công nghệ của WLAN là mạng LAN. Ban đầu, WLAN được phát triển cho những ứng dụng LAN từ có dõy sang không dõy vì vậy WLAN có phạm vi phục vụ là trong nhà (Indoor). Tuy nhiên, công nghệ WLAN đáp ứng đầy đủ đòi hỏi của các đối tượng mức doanh nghiệp về khả năng vận hành, tớnh ổn định, tốc độ cao, an ninh đảm bảo vv…Ngày nay, WLAN được phát triển từ Indoor sang Outdoor là khả năng cung cấp truy nhập băng rộng ở cách xa hàng km. Do đáp ứng đầy đủ các đòi hỏi của các khách hàng mức doanh nghiệp cũng như các khách hàng cá nhõn, vừa có ứng dụng Indoor và Outdoor nên WLAN trở thành một chuẩn được thừa nhận và hỗ trợ rộng rói của các nhà sản xuất lớn trên thế giới. Sự tiên tiến của mạng WLAN mở ra một định nghĩa hoàn toàn mới về cơ sở hạ tầng mạng. Trong vài năm qua, các lợi ích của mạng không dây đã trở nên rõ ràng hơn, các thiết bị đã có giá cả dễ chịu hơn, dễ mua hơn, triển khai mạng WLAN cũng trở nên thịnh hành hơn. Mạng không dây gia tăng năng suất sử dụng và tiết kiệm tiền vỡ nú triệt tiêu chi phí đi dây mạng. Ví dụ người sử dụng máy tính xách tay có thể kết nối liên tục khi họ di chuyển trong khu làm việc cũng như dễ dàng kết nối vào tài nguyên của mạng cáp thường. Những nhân viên bán hàng có thể truy cập mạng của công ty từ sân bay hay khách sạn nên năng suất lao động của họ tăng rất nhiều. Nhiều nhà phân tích tin tưởng thị trường không dây đã bắt đầu tới ngưỡng ''đại chúng'', đây là ngưỡng bắt đầu của tăng trưởng tốc độ cao.Tương lai của mạng không dây phụ thuộc vào khả năng kết nối liên tục và an toàn của nhiều loại thiết bị dân dụng như máy tính cá nhân, thiết bị trợ giúp cá nhân, điện thoại, máy in …, sự chuyển đổi qua lại không gián đoạn giữa WLAN và LAN. Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng không dây di động cũng đang thúc đẩy quá trình này. Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 3 II. TỔNG QUAN VỀ WLAN Mạng truy nhập không dây hay còn gọi mạng nội hạt không dây (Wireless LAN) là hệ thống mạng sử dụng kỹ thuật truyền đẫn vô tuyến để cung cấp khả năng kết nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thuê bao thay cho những phương thức sử dụng dây dẫn truyền thống (cáp đồng, cáp quang...). Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là: - Trạm gốc không dây (WBS - Wireless Base Station) hay còn gọi là AP (Access Point) - Khối giao tiếp người sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE (Customer Premise Equipment).  AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải được đấu nối với mạng của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet. Thông thường AP được đấu với Router, Hub hoặc Switch để được cấp một địa chỉ IP riêng. Sau đó kết nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn thông dụng như cáp quang, cáp đồng hoặc viba. AP có khả năng chuyển dổi tín hiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dang tín hiệu số tương thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến. AP bao gồm một bộ thu phát (Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller) thực hiện các chức năng chủ yếu như:  Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác, giao diện vô tuyến hướng phía khách hàng.  Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến, chứng thực giao diện kết nối với khách hàng.  Quản trị tài nguyên vô tuyến.  Đăng ký khối giao diện người sử dụng.  Định tuyến, tính cước.  Duy trì và chuyển đổi giao thức, mó hoỏ và giải mã, nén và giải nén.  CPE là thiết bị đặt ở phía khách hàng, nú cú một địa chỉ ngoài như là một node trên mạng và nhiều địa chỉ trong để cung cấp cho mạng LAN của khách hàng. CPE tiếp nhận luồng tín hiệu số từ các AP và chuyển đổi chúng thành dạng tín hiệu tương thích với các thiết bị đầu cuối của khách hàng (tương tự hoặc số). CPE cũng bao gồm một bộ thu phát và các thiết bị phụ trợ thực hiện một số chức năng như: Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 4  Cung cấp giao diện vô tuyến hướng tới trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ.  Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng.  Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 5 III. CHUẨN 802.11 CỦA MẠNG WLAN Viện Kỹ thuật điện và điện tử (IEEE) đã xây dựng và chuẩn hoá toàn cầu dành cho các thiết bị mạng WLAN bằng chuẩn IEEE 802.11 . Trong họ IEEE 802.11, chuẩn IEEE- 802.11b: sử dụng dải tần số 2,4GHz cho phép truyền dữ liệu 11Mbps (và 802.11a: 5-6MHz, 54Mbps) . Công nghệ này đang được sử dụng phổ biến với cái tên Wi-Fi . Nó có ưu thế để trở thành chuẩn cho mạng LAN không dây (WLAN) và được lựa chọn để kết nối chung cho nhiều loại khách hàng. Các mạng Wi-Fi tạo ra một vùng không gian rộng 100m cho phép cỏc mỏy laptop có thể kết nối không dây để truy cập Web hoặc vào các mạng máy tính dùng chung. Wi-Fi cho phép trao đổi dữ liệu qua làn sóng radio với một tốc độ rất nhanh. Mạng Wi-Fi có thể sử dụng để kết nối với nhau, với Internet, và với mạng cỏp. Nú là một công nghệ không dây giống như điện thoại di động – Wi-Fi cho phép các máy tính gửi và nhận dữ liệu trong nhà cũng như ngoài trời, ở bất cứ điểm nào trong vùng phủ sóng của trạm gốc. Nó cũng có tốc độ hoạt động thực tương đương mạng cáp Ethernet 10BaseT hiện có trong rất nhiều văn phòng. Và điều hay hơn cả là nó rất nhanh, nhanh hơn nhiều lần các kết nối modem cáp nhanh nhất.. Các mạng Wi-Fi sử dụng các công nghệ vô tuyến gọi là IEEE 802.11a, 802.11b,802.11c, 802.11d, 802.11e, 802.11f, 802.11g, 802.11h, 802.11i, 802.11j để cung cấp khả năng kết nối không dây tốc độ cao ổn định và an toàn  802.11a (5ữ6 Ghz, 54 Mbps): Sử dụng phương pháp điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) hoạt động ở dải tần 5 ữ 6 Ghz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps. Chuẩn này sẽ dược đưa vào sử dụng rộng rãi trong một vài năm tới.  802.11b ( 2.4 Ghz, 11Mbps ): hoạt động ở dải tần 2.4 Ghz là giải tần ISM ( Industrial, Scientific and Medical ). Ở Mỹ, thiết bị hoạt động ở dải tần này không phải đăng ký. Tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 11 Mbps. Wi - Fi là tên gọi của cỏc dũng sản phẩm tương thích với chuẩn 802.11b và được đảm bảo bởi tổ chức WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance).  802.11c: hỗ trợ các khung (frame) thông tin của 802.11.  802.11d: cũng hỗ trợ các khung (frame) thông tin của 802.11 nhưng tuân theo những tiêu chuẩn mới. Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 6  802.11e: nâng cao QoS ở lớp MAC.  802.11f: Inter Access Point Protocol.  802.11g ( 2.4 Ghz, 54 Mbps ): tăng cường sử dụng dải tần 2.4GHz. Chuẩn này cũng hoạt động ở dải tần 2.4 Ghz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 54 Mbps nhưng chỉ truyền được giữa những đối tượng nằm trong khoảng cách ngắn.  802.11h: cú thờm tính năng lựa chọn kênh tự động (Dynamic Channel Selection) và điều khiển công suất truyền dẫn (Transmit Power Control).  802.11i: nâng cao khả năng an ninh bảo mật ở lớp MAC.  802.11j: là chuẩn thống nhất toàn cầu cho các tiêu chuẩn: IEEE, ETSI HiperLAN2, ARIB, HiSWANa. Tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập Nhạy cảm Súng cú Phát hiện va chạm (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection CSMA/CD) như một giao thức chia sẻ đường dẫn. CSMA/CD là một phương pháp truyền dữ liệu được ưa thích vì độ tin cậy của nó thông qua khả năng chống mất dữ liệu. ): Một trạm không dây muốn truyền khung, đầu tiên nó sẽ nghe trên môi trường không dây để xác định liệu hiện có trạm nào đang truyền hay không ( đây là phần nhạy cảm sóng mang của CSMA/CA ). Nếu môi trường này hiện đang bị chiếm, trạm không dây tính toán một khoảng trễ lặp lại ngẫu nhiên. Ngay sau khi thời gian trễ đó trôi qua, trạm không dây lại nghe xem liệu có trạm nào đang truyền không. Bằng cách tạo ra một thời gian trễ ngẫu nhiên, nhiều trạm đang muốn truyền tin sẽ không có gắng truyền lại tại cùng một thời điểm ( đây là phần tránh xung đột của CSMA/CD). Những va chạm có thể xảy ra và không giống như Ethernet, chúng không thể bị phát hiện bởi các node truyền dẫn. Do đó, 802.11b dùng giao thức Request To Send (RTS)/Clear To Send (CTS) với tín hiệu ACK (Acknowlegment) để đảm bảo rằng một khung nào đó đã được gửi và nhận thành công. III.1 CÁC KỸ THUẬT SỦ DỤNG TRONG WLAN III.1.1 Kỹ thuật điều chế số Shift Keying: Có rất nhiều phương thức thực hiện điều chế số Shift Keying như ASK, FSK, PSK..., quá trình điều chế thực hiện bởi khoá chuyển (keying) giữa 2 trạng thái (states ), một cách lý thuyết thì Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 7 một trạng thái sẽ là 0 và trạng thái còn lại là 1 ( lưu ý chuỗi 0/1 trước khi điều chế là chuỗi số đã được mó hoỏ bằng các phương pháp mã hóa đường truyền như NRZI...).  PSK/BPSK (Phase Shift Keying - Khoá chuyển dịch pha): 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 và 180 độ. Mỗi trạng thái của tín hiệu điều chế ta gọi là symbol.  QPSK (Quard Phase Shift Keying): Ở phương pháp BPSK, mỗi symbol biểu diễn cho một bit nhị phân. Nếu mỗi symbol này biểu diễn nhiều hơn 1 bỉt, thì sẽ đạt được một tốc độ bit lớn hơn. Với QPSK sẽ gấp đôi số data throughput của PSK với cùng một băng thông bằng cách mỗi symbol mang 2 bit. Như vậy trạng thái pha của tín hiệu điều chế sẽ chuyển đổi giữa các giá trị -90, 0, 90, 180 độ.  CCK (Complementary Code Keying): 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 (hay dạng sóng) 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 ( như trong QPSK - 4 symbol ). Khi tốc độ symbol là 1,375 Msymbol/s thì tốc độ dữ liệu sẽ đạt được: 1,375x8=11Mbps với cùng băng thông xấp xỉ như diều chế QPSK tốc độ 2Mbps. III.1.2 Kỹ thuật song công (Duplex Scheme): Trong các hệ thống điểm tới đa điểm, hiện nay tồn tại 2 kỹ thuật song công ( hoạt động theo 2 chiều: chiều xuống downstream và chiều lên - upstream ):  Chia theo tần số ( Frequency Division Duplexing FDD): Kỹ thuật này chia di tần số sử dụng ra làm 2 kênh riêng biệt, một kênh cho chiều xuống và một kênh cho chiều lên.  Chia theo thời gian ( Time Division Duplexing - TDD ): Kỹ thuật này mới hơn, cho phép lưu lượng thông theo 2 chiều trong cùng một kênh, nhưng tại các khe thời gian khác nhau. Việc lựa chọn kỹ thuật nào, FDD hay TDD, phụ thuộc vào mục đích sử dụng chính của hệ thống: ứng dụng đối xứng ( thoại - voice ) hoặc không đối xứng ( dữ liệu - data). Kỹ thuật FDD sử Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 8 dụng băng thông không hiệu quả đối với các ứng dụng dữ liệu. Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật FDD, băng thông cho mỗi chiều được phân chia cố định. Nếu lưu lượng chỉ lưu thông theo chiều xuống ( downstream ), ví dụ như xem các trang Web, thì băng thông của chiều lên ( upstream ) được sử dụng rất ít. Điều này không xảy ra khi hệ thống được sử dụng cho các ứng dụng thoại: hai người nói chuyện thường nói nhiều như nghe, do đó băng thông của hai chiều lên, xuống được sử dụng xấp xỉ như nhau. Đối với các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ cao hoặc ứng dụng hỡnh thỡ chỉ có băng thông chiều xuống được sử dụng, còn chiều lên gần như không được sử dụng. Đối với kỹ thuật TDD, số lượng khe thời gian cho mỗi chiều thay đổi thường xuyên. Khi lưu lượng chiều lên nhiều, số lượng khe thời gian dành cho chiều lên sẽ được tăng lên, và ngược lại. Với sự giám sát số lượng khe thời gian cho mỗi chiều, hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD hỗ trợ cho sự bùng nổ thông lượng truyền dẫn đối với cả 2 chiều. Nếu một trang Web lớn đang được tải xuống thỡ cỏc khe thời gian của chiểu lên sẽ được cấp phát cho chiều xuống. Nhược điểm chủ yếu của kỹ thuật TDD là việc thay đổi chiều của lưu lượng tốn thời gian, việc cấp phát khe thời gian là vấn đề phức tạp cho hệ thống phần mềm. Hơn nữa, kỹ thuật TDD yêu cầu sự chính xác về thởi gian. Tất cả các máy trạm trong khu vực của một hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD cần có một điểm thởi gian tham khảo để xác định chính xác các khe thời gian. Điều này giới hạn phạm vi địa lý bao phủ đối với các hệ thống điểm-tới-đa-điểm. III.1.3 Kỹ thuật trải phổ :  FHSS: Khoảng cách giữa các tấn số sóng mang FHSS được quy định trước, băng thông cho mỗi kênh khoảng 1MHz, trật tự nhảy tần được xác định bằng 1 hàm giả ngẫu nhiên. FCC yêu cầu băng thông được chia ít nhất thành 75 kênh con ( subchannel). FHSS radio được giới hạn chỉ gửi một lượng nhỏ dữ liệu trên mỗi kênh trong 1 chu kỳ thời gian xác định, trước khi nhảy sang kênh tần số kế tiếp trong chuỗi nhảy tần. Chu kỳ thời gian này gọi là dwell time, thường có giá trị khoảng 400 ms. Sau mỗi bước nhảy ( hop ) thiết bị thu phát phải thực hiện đồng bộ lại ( resynchronize ) với tần số vô tuyến khác trước khi có thể truyền dữ liệu. Mục đích chủ yếu của việc nhảy tần một cách giả ngẫu nhiên trên để tránh hiện tượng giao thoa tín hiệu do kênh dữ liệu làm việc quỏ lõu trờn một kênh tần số cụ thể nào đó. Giả dụ nếu có nhiễu giao thoa nghiêm trọng trên một tần số nào đó Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 9 trong chuỗi nhảy tần thỡ nú cũng sẽ ít ảnh hưởng đến hệ thống bởi quá trình truyền chỉ thực hiện một thời gian nhỏ tại đây.  DSSS: Tín hiệu băng hẹp và tín hiệu trải phổ cùng được phát với một công suất và một dạng thông tin nhưng mật độ phổ công suất (power density) cuả tín hiệu trải phổ lớn hơn nhiều tín hiệu băng hẹp. Tín hiệu dữ liệu kết hợp với chuỗi mã giả ngẫu nhiên trong quá trình mó hoỏ sẽ cho ra một tín hiệu với băng thông mở rộng hơn nhiều so với tín hiệu ban đầu nhưng mức công suất lại thấp hơn. Một ưu điểm nổi bật của kỹ thuật DSSS là dự phòng dữ liệu, bên trong tín hiệu DSSS sẽ gộp dự phòng ít nhất 10 dữ liệu nguồn trong cùng thời gian. Phía thu chỉ cần thu được tốt 1 trong 10 tín hiệu dự phòng trên. Nếu có tín hiệu nhiễu trong băng tần hoạt động của tín hiệu DSSS, tín hiệu nhiễu này sẽ có công suất lớn hơn và như là một tín hiệu bẳng hẹp, trong quá trình giải mã tại phía thu tín hiệu nhiễu này sẽ được trải phổ và dễ dàng loại bỏ bởi việc xử lý độ lợi (gain processing).  So sánh FHSS và DSSS: FH không có việc xử lý độ lợi do tín hiệu không được trải phổ, xử lý độ lợi là quá trình giảm mật độ cụng suõt khi tín hiệu được xử lý để truyền và tăng mật độ phổ công suất khi gộp phổ ( despread ), mục đích làm tăng tỉ số S/N ( signal to noise ratio ). Bởi vì FH không có quá trình xử lý độ lợi nên sẽ phải dùng nhiều công suất hơn để có thể truyền tín hiệu với cùng mức S/N so với tín hiệu DS. Tuy nhiên tại ISM band theo quy định có mức giới hạn công suất phát do đó FH không thể đạt S/N giống như DS. Bên cạnh đó việc dùng FH rất khó khăn trong việc đồng bộ giữa máy phát và máy thu bởi vì cả thời gian và tần số yêu cầu phải đồng bộ. Trong khi DS chỉ cần đồng bộ về thời gian của các chip. Chính vì vậy FH sẽ phải mất nhiều thời gian để tìm tín hiệu, làm tăng độ trễ trong việc truyền dữ liệu và DS sẽ trễ ít hơn. Như vậy, kỹ thuật DSSS là kỹ thuật ưu việt hơn hẳn FHSS. III.1.4 Kỹ thuật truy nhập:  FDMA (frequency division multiple access) - đa truy nhập phân chia theo tần số: Phổ tần số dùng cho thông tin liên lạc được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một dải tần phòng vệ. Mỗi diẩ tần số được gán cho một kênh liên lạc, N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải tần kế tiếp Nghiên cứu về mạng WLAN và WiMAX 10 dành cho liên lạc hướng xuống. Mỗi CPE được cấp phát một đôi kênh liên lạc suốt thời gian kết nối, nhiễu giao thoa xảy ra ở đây là đáng kể.  TDMA (time division multiple access ) – đa truy nhập phân chia theo thời gian: Phổ tần số được chia thô thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ