Chapter III Các vấn đề của mạng nội hạt vô tuyến WLAN.doc

Các vấn đề của mạng nội hạt vô tuyến WLAN

3.1 Các vấn đề khi triển khai WLAN 2

3.1.1 Nút ẩn 2

3.1.2 Theo dõi công suất 4

3.1.3 Các nguồn nhiễu vô tuyến 5

3.1.4 Các vật cản LAN truyền tín hiệu 6

3.2 Các phương pháp nâng cao chất lượng WLAN 6

3.2.1 Cấu hình đa kênh 6

3.2.2 Hoạt động đa kênh đối với các WLAN DSSS 2.4 GHz 7

3.2.3 Hoạt động đa kênh đối với WLAN FHSS 2.4 GHZ 8

3.2.4 Giảm tốc độ dữ liệu (Fall back) 8

3.2.5 Lọc lưu lượng mạng 9

3.2.6 Chuyển vùng 9

3.2.7 Cân bằng tải 11

3.2.8 Đảm bảo truy nhập vô tuyến 11

3.2.9 Quản lý công suất 11

Chương III Các vấn đề của mạng nội hạt vô tuyến WLAN3.1 Các vấn đề khi triển khai WLAN

Phần này trình bày các vấn đề chính liên quan đến việc triển khai các mạng WLAN Các vấn đề này bao gồm nút ẩn, theo dõi công suất, các nguồn nhiễu vô tuyến, và các vật cản lan truyền tín hiệu Hầu hết những vấn đề này liên quan tới mạng LAN vô tuyến.

3.1.1 Nút ẩn

Một khó khăn do dao động công suất tín hiệu lớn trong WLAN là sự tồn tại các nút ẩn (không có vị trí) một số nút này nằm trong vùng hoạt động của bộ thu chủ định nhưng không nằm trong vùng hoạt động của bộ phát.

Nút BNút CNút A

Hình 3.1 - Vấn đề nút ẩn trong mạng WLAN độc lập

Ví dụ trong Hình 3.1 các nút A và C nằm trong vùng thu của nút B Nhưng nút A và C không nằm trong vùng làm việc của nhau Nếu các nút A và C cùng đồng thời phát đến nút B thì nút B sẽ chịu một xung đột và sẽ không thể nhận được bất kỳ một truyền dẫn nào Cả hai A và C sẽ không biết về xung đột này Cảm ứng sóng mang không lại hiệu quả trong tình huống nút ẩn này vì một nút nguồn ngăn chặn các nút khác trong vùng lân cận của nó nhiều hơn là trong vùng của nút đích Do đó làm giảm chất lượng của các giao thức cảm ứng sóng mang bởi vì khoảng thời gian của các xung đột không được bảo vệ kéo dài toàn bộ độ dài gói dữ liệu

Với cảm ứng sóng mang thông thường giai đoạn không được bảo vệ ngắn hơn rất nhiều, điển hình là trong khoảng một vài bit đầu tiên của gói dữ liệu.

Các nút ẩn sẽ không phải là vấn đề trở ngại nếu như các vùng phủ sóng vô tuyến được cách ly tốt Bởi vì các xung đột thường ít xảy ra trong các hệ thống trải phổ hơn so với các hệ thống băng hẹp nên sự tồn tại các nút ẩn không gây ra nhiều trở ngại cho các WLAN DSSS và FHSS Ngược lại các nút ẩn có thể có lợi cho cả hai hệ thống vì khi không sử dụng cảm ứng sóng mang, quá trình truyền dẫn đa gói bằng các phiên bản dịch thời khác nhau của một mã giả tạp âm chung hoặc của một mẫu nhảy tần có thể cùng được sử dụng (Hình 3.2)

Nút A

Nút A phát sớm hơn nút C

Hình 3.2: Nhiều quá trình truyền dẫn trong trường hợp của một nút ẩn Trong Hình 3.2 chỉ ra các xung đột nút ẩn có thể xảy ra như thế nào trong một cấu hình mạng WLAN cơ sở Trong trường hợp này điểm truy nhập chịu một xung đột do chồng lấn truyền dẫn từ 2 nút A và B Một vấn đề chính ở đây là nút A và B không thể trao đổi thông tin khi điểm truy nhập không được cấu hình như một bộ lặp để chuyển tiếp truyền dẫn các gói tin trong vùng phủ sóng của nó Một giao thức đa truy nhập tập trung do điểm truy nhập điều phối giải quyết được vấn đề nút ẩn cho các WLAN cấu hình cơ sở Các nút không thể phát đi nếu điểm truy nhập không đưa ra các lệnh cho phép rõ ràng Tuy nhiên một xung đột giao thức vẫn có thể xảy ra khi 2 điểm truy nhập lân cận phát đồng thời tới một nút trong vùng chồng lấn (Hình 3.4) Tình huống này có thể được làm giảm xuống nếu như các điểm truy nhập lân cận điều phối truyền dẫn thông qua mạng hữu tuyến hay hoạt động thông qua các kênh tần số không chồng lấn.

Điểm truy nhậpĐiểm truy nhập

Hình 3.4: Xung đột trong một vùng chồng lấn của mạng WLAN cơ sở khi điều khiển tập trung

3.1.2 Theo dõi công suất

Do các thay đổi lớn về suy giảm tín hiệu nên cần có hệ thống khả năng theo dõi công suất Khả năng này cho phép bộ thu vô tuyến giải mã thành công các tín hiệu có cường độ lớn hơn ngay cả khi có nhiều nút phát cùng một thời điểm Đó là do các bộ thu có thể dò bám theo tín hiệu mạnh nhất nếu như công suất của tín hiệu mạnh nhất tiếp theo giảm xuống từ 1,5 dB đến 3 dB Khoảng cách là yếu tố chính quyết định công suất tín hiệu nhận được.

Giả sử hai nút A và C đang cố trao đổi thông tin với nút B (Hình 3.5) Cả hai nút nằm trong vùng phủ sóng của nút B Tuy nhiên, vì nút A ở gần nút B hơn nên tín hiệu vô tuyến thu được ở nút A có công suất lớn hơn nhiều so với tín hiệu thu được ở nút C nếu quá trình truyền dẫn từ hai nút chồng lấn về mặt thời gian Điều này đặt ra vấn đề công bằng vì nút xa nhất luôn bị đối xử phân biệt và có khả năng

là nút C không bao giờ có thể trao đổi thông tin với nút B Mặt khác hiệu quả của việc theo dõi công suất có thể làm giảm xác suất xảy ra xung đột (bao gồm cả xung đột của nút ẩn) và vì thế cải thiện hiệu năng của mạng WLAN.

N ú t C N ú t B

N ú t A

Hình 3.5: Theo dõi công suất

Trong các hệ thống trải phổ việc theo dõi giúp cho bộ thu có khả năng giải mã thành công một gói với mã giả ngẫu nhiên hoặc mẫu nhảy tần cho dù có nhiều tín hiệu chồng lấn đồng thời với cùng mã hoặc cùng mẫu nhảy tần Thông thường một gói được một bộ thu theo dõi tương ứng với tín hiệu tới đầu tiên (theo dõi thời điểm) hoặc tín hiệu mạnh nhất (theo dõi công suất) Nói chung theo dõi công suất không xảy ra trong các hệ thống FHSS trừ khi có hai hay nhiều nút phát sử dụng một mẫu nhảy tần chung và các kênh tần số được đồng bộ chính xác về mặt thời gian Tuy nhiên hầu hết các WLAN hoạt động với các mẫu nhảy tần chung và các kênh tần số được đồng bộ Theo dõi nguồn có thể đặt ra một vấn đề lớn đối với hệ thống DSSS do một gói có tín hiệu mạnh hơn có thể lấn át khả năng loại bỏ nhiễu của hệ thống DSSS (tức là độ lợi xử lý) Đối với các hệ thống DSSS CDMA, điều khển công suất trở nên quan trọng hơn các quá trình truyền dẫn đa người sử dụng thường chồng lấn về thời gian Tiêu chuẩn IEEE 802.11 bắt buộc sử dụng điều khiển công suất đối với cả hai truyền dẫn DSSS và FHSS với các mức công suất lớn hơn 100mW Mặc dù điều khiển như vậy cho phép sử dụng hiệu quả nguồn nhưng khó có thể duy trì được trong môi trường fading và di động tốc độ cao.

3.1.3 Các nguồn nhiễu vô tuyến

Đối với các mạng WLAN hoạt động ở băng tần vô tuyến 2,4 GHz các lò vi sóng có thể là một nguồn nhiễu quan trọng Các lò vi sóng có công suất phát lên tới 750 W với 50 xung mỗi giây và có chu kỳ bức xạ khoảng 10 ms Như vậy đối với tốc độ dữ liệu 2Mbps độ dài gói lớn nhất khoảng 20.000 bit hoặc 2500 octet Bức

xạ phát ra quét từ 2.4 GHz đến 2.45 GHz và giữ ổn định một thời gian ngắn ở tần số 2.45 GHz, cho dù các khối bị chắn thì phần lớn năng lượng vẫn có thể gây nhiễu tới truyền dẫn từ các mạng WLAN.

Các nguồn nhiễu khác trong băng tần 2,4 GHz bao gồm máy photocopy, các thiết bị chống trộm, các môtơ thang máy và các thiết bị y tế.

3.1.4 Các vật cản LAN truyền tín hiệu

Như đã nói trong phần 1.6.2, các tín hiệu hồng ngoại bị cản trở bởi các vật thể mờ đục và các chướng ngại vật lý và bị suy hao nhiều bởi các cửa sổ kính Đối với các tín hiệu vô tuyến, các tín hiệu có thể truyền được bao xa phụ thuộc rất nhiều vào các vật liệu xây dựng của tường, vách ngăn và các vật thể khác.

Bảng 3.1 Các vật cản truyền LAN vô tuyến và các ảnh hưởng của chúng

3.2 Các phương pháp nâng cao chất lượng WLAN

Trong mục này sẽ xem xét một số phương pháp để nâng cao chất lượng mạng WLAN Đặc biệt đề cập tới các kỹ thuật như tăng dung lượng mạng bằng các kênh đa tần số, mở rộng vùng phủ sóng bằng cách giảm tốc độ dữ liệu, lọc lưu lượng dư thừa, cung cấp khả năng di động thông qua chuyển vùng, cải thiện tắc nghẽn mạng nhờ cân bằng tải và bảo đảm an toàn truy nhập mạng.

3.2.1 Cấu hình đa kênh

Các cấu hình đa kênh tỏ ra rất hiệu quả trong các môi trường có tập trung mật độ các nút vô tuyến cao hoạt động trong cùng một vùng Nếu một vùng phủ sóng nào đó của mạng WLAN có nhiều nút hơn và cần băng thông bổ sung thì một điểm truy nhập thứ hai hoạt động ở tần số khác sẽ được thêm vào, nhờ vậy sẽ gấp đôi được băng thông khả dụng

Hoạt động đa kênh cũng cho phép các điểm truy nhập phục vụ các nút có nhu cầu tốc độ cao và chỉ có thể áp dụng cho các LAN vô tuyến Nhờ cấu hình các điểm truy nhập khác nhau với các kênh tần số khác nhau mà truyền dẫn trong một vùng phủ sóng vô tuyến được cách ly với các truyền dẫn khác Như vậy sẽ giảm được nhiễu qua lại và tần suất trì hoãn thông tin của các nút

Đối với một hệ thống dùng một kênh duy nhất các nút trong vùng bóng (shade region- Hình 3.6) chia sẻ môi trường chung Có nghĩa là nếu một nút trong vùng phát thì tất cả các nút khác bị trì hoãn lại Nhờ ấn định mỗi điểm truy nhập một kênh khác nhau nên tắc nghẽn trong vùng được giảm xuống do dàn tải lưu lượng ra cho 2 điểm truy nhập Các mạng độc lập không hỗ trợ hoạt động đa kênh.

Hoạt động đa kênh cũng có thể được áp dụng cho cầu nối vô tuyến Khi một kênh tần số khác được dùng cho cầu vô tuyến thì nó sẽ không gây nhiễu lên hoạt động của điểm truy nhập thông thường Nhờ vậy cho phép mở rộng khoảng cách mà không cần đường trục hữu tuyến Một số WLAN cần 1 điểm truy nhập để làm cầu nối vô tuyến trong khi các WLAN khác cần các anten định hướng ngoài trời.

Hình 3.6 - Hoạt động đa kênh

3.2.2 Hoạt động đa kênh đối với các WLAN DSSS 2.4 GHz

Trong băng ISM 2.4 GHz toàn bộ băng thông cho các WLAN DSSS có thể được phân chia thành các tần số sóng mang khác nhau Số lượng các tần số sóng

Vùng phát của điểm truy nhập hoạt động với kênh 5

Vùng phát của điểm truy nhập hoạt động với kênh 1

mang có thể chọn lọc Khi tín hiệu DSSS trải ra một băng thông rộng thì sự cách biệt tần số sóng mang được ưa chuộng nằm giữa các điểm truy nhập lân cận ít nhất là 30MHz Bảng 3.2 chỉ ra 13 ấn định đa kênh DSSS có thể dựa trên 13 tần số sóng mang khác nhau Sự cách biệt tần số sóng mang lớn nhất sẽ làm giảm được nhiều lân cận và nâng cao chất lượng so với mạng có cách biệt tần số nhỏ.

ấn địnhĐiểm truy nhập 1Điểm truy nhập 2Điểm truy nhập 3

Bảng 3.2 ấn định đa kênh đối với các WLAN DSSS 2,4 GHZ

3.2.3 Hoạt động đa kênh đối với WLAN FHSS 2.4 GHZ

Vì các kênh tần số trong mẫu nhảy tần chiếm toàn bộ băng tần ISM 2.4 GHz, nên phương pháp phân kênh sử dụng trong DSSS không thể áp dụng trực tiếp trong các hệ thống FHSS Các WLAN FHSS thực hiện hoạt động đa kênh nhờ thực hiện các kênh tách biệt trên các mẫu nhảy tần khác nhau.

3.2.4 Giảm tốc độ dữ liệu (Fall back)

Hầu hết các WLAN có ưu điểm của vùng phủ sóng nhỏ và các điều kiện truyền sóng tốt để tăng tốc độ số liệu Trong khi truyền tín hiệu ở tốc độ thấp thường tin cậy hơn và cho phép vùng phủ sóng rộng hơn thì đôi khi người ta lại thích thông lượng cao hơn Để cân bằng giữa tốc độ và vùng phủ sóng card giao diện mạng vô tuyến thường phát ở tốc độ khả dụng lớn nhất Sau khi bị lỗi một vài lần thì card giao diện mạng sẽ giảm xuống tốc độ thấp hơn.

3.2.5 Lọc lưu lượng mạng

Một trong các phương thức để tối ưu chất lượng WLAN là tránh lưu lượng dư thừa phát đi trên kênh vô tuyến Lưu lượng thừa này có thể là:

- Các bản tin mạng được chuyển đổi bởi các thiết bị mạng hữu tuyến (ví dụ các server) nhưng các bản tin lại không liên quan tới các đầu cuối vô tuyến.

- Các bản tin quảng bá/multicast không có địa chỉ xác định tới các thiết bị đầu cuối vô tuyến.

- Các bản tin lỗi được tạo ra bởi các thiết bị hỏng hoặc các thiết bị có cấu hình sai

Việc lọc lưu lượng dư thừa sẽ tiết kiệm băng thông của kênh vô tuyến cho các nút di động Thông qua sử dụng các chức năng sau của cầu nối, điểm truy nhập có thể đạt được điều đó:

• Lọc giao thức để từ chối các giao thức mạng hữu tuyến nối tới mạng vô tuyến.

• Lọc lưu lượng trao đổi giữa hai nút không xác định.

• Cho phép mở rộng cơ chế cây để giải quyết các lỗi mạng kín • Lọc ngưỡng để giới hạn số lượng bản tin.

3.2.6 Chuyển vùng

Một yêu cầu chính đối với WLAN là khả năng giám sát các nút di động và các thiết bị xách tay Các thiết bị xách tay là một nút được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nhưng chỉ sử dụng tại một vị trí cố định Các nút di động là nút thực sự truy nhập LAN khi đang di chuyển Khả năng di động của người dùng đòi hỏi một chức năng chuyển vùng sao cho chức năng này cho phép nút di động dịch chuyển giữa các vị trí vật lý khác nhau trong môi trường WLAN mà không bị mất kết nối Để có chuyển vùng liên tục mỗi vị trí này được một điểm truy nhập phục vụ và các vùng phủ sóng của điểm truy nhập phải chồng lấn lên nhau.

Vùng phát của điểm truy nhập hoạt động với kênh 1Vùng phát của điểm truy nhập hoạt động với kênh 5Vùng phát của điểm truy nhập hoạt động với kênh 9

Hình 3.7 - Chuyển vùng trong WLAN

Các nút di động sẽ kiểm tra tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) khi nó di chuyển và nó quét các điểm truy nhập có thể sử dụng và sau đó tự động kết nối tới điểm truy nhập mong muốn để duy trì truy nhập mạng liên tục (Hình 3.7) Thông thường SNR là một hàm của cả cường độ tín hiệu và chất lượng tín hiệu Khi SNR giảm xuống dưới mức ngưỡng đã được xác định trước thì nút di động sẽ tìm kiếm một điểm truy nhập gần đó với SNR tốt hơn.

Nếu như phát hiện ra một điểm truy nhập như vậy thì nút di động sẽ phát một yêu cầu chuyển vùng tới điểm truy nhập và điểm truy nhập này sẽ chuyển tiếp yêu cầu đó tới điểm truy nhập cũ Điểm truy nhập cũ sẽ giải phóng điều khiển của kết nối đang hoạt động và chuyển nó tới điểm truy nhập mới Chuyển vùng hoàn thành khi nút di động được thông báo Thủ tục này tương tự như chức năng chuyển vùng trong mạng di động tổ ong, chỉ khác một điểm chính là chuyển vùng trên WLAN truyền gói dễ dàng hơn bởi vì chuyển tiếp từ một vùng phủ sóng này tới một vùng phủ sóng khác có thể được thực hiện thông qua truyền gói khác với điện thoại di động (truyền dẫn có thể xảy ra trong suốt kết nối thoại) Chủ yếu là chuyển vùng phải được thực hiện nhanh vì tốc độ dữ liệu của các WLAN, có nghĩa là có rất nhiều gói được phát đi trong khi quá trình chuyển vùng đang được thực hiện Điều đó có thể gây ra truyền lại quá nhiều do các gói bị mất hoặc bị sai hướng Tốc độ dữ liệu sau khi chuyển vùng phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ mà tại đó SNR bị suy giảm.

Hầu hết các WLAN có thể hỗ trợ các nút di động với tốc độ đi bộ (dưới 10km/h) Một số WLAN có thể đảm bảo kết nối mạng không bị ngắt mà không mất

hoặc lặp lại khung khi nút chuyển từ một vùng phủ sóng này sang một vùng phủ sóng khác ở tốc độ 60km/h Để hỗ trợ chuyển vùng ở cấu hình đa kênh các nút di động thường có thể tự động chuyển đổi các kênh tần số hoặc tự động chuyển đổi các mẫu nhảy tần khi chuyển vùng giữa các điểm truy nhập Các mạng WLAN độc lập không hỗ trợ chuyển vùng.

3.2.7 Cân bằng tải

Cân bằng tải cho phép các WLAN phục vụ được các tải lớn hơn, hiệu quả hơn Mỗi điểm truy nhập có thể giám sát tải lưu lượng trong vùng phủ sóng của nó và sau đó thử cân bằng với số lượng nút đã được phục vụ theo tải lưu lượng trong các điểm truy nhập lân cận Để đạt được các điểm truy nhập phải trao đổi thông tin tải lưu lượng thông qua mạng đường trục Hầu hết các phương pháp cân bằng tải không phụ thuộc vào cường độ tín hiệu, đây là yếu tố làm cho thuật toán chuyển vùng trở nên phức tạp Thông thường chuyển vùng có ưu tiên hơn so với cân bằng tải bởi vì một nút di động có thể kết nối vào một điểm truy nhập nhờ mức cường độ tín hiệu trước khi cân bằng tải được thực hiện.

3.2.8 Đảm bảo truy nhập vô tuyến

Kênh vô tuyến dễ mắc phải các nhược điểm: bị nghe trộm và có các tác động truyền dẫn không được phép hơn là mạng hữu tuyến Do đó một số cơ chế sau sẽ được áp dụng để tránh các truy nhập không được phép đối với WLAN:

+ Mã hoá tất cả các dữ liệu được phát qua kênh vô tuyến.

+ Khoá mạng đối với tất cả các nút không có nhận dạng mạng đúng.

+ Giới hạn truy nhập trong WLAN chỉ với các nút trong danh sách được phát dữ liệu.

+ Thực hiện các mã khoá (password) trong hệ điều hành mạng.

3.2.9 Quản lý công suất

Các thiết bị WLAN cầm tay có công suất nguồn ắcquy bị giới hạn nên khi truyền thông qua môi trường vô tuyến dễ bị nhiễu cụm do fading và các hư hỏng đường truyền khác Hiện nay, các nghiên cứu về lĩnh vực nguồn ắcquy chưa dự đoán được những thay đổi về năng lượng trong nguồn tiêu thụ nguồn ắcquy nên vấn đề quan trọng là các thiết bị di động vô tuyến phải được thiết kế để sử dụng hiệu quả năng lượng của nguồn Việc tối thiểu hoá phần năng lượng thụ là một vấn đề lớn vì nó tác động đến khả năng thiết kế các mức độ điều khiển mạng Đã có những nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực phần cứng sử dụng hiệu quả năng lượng nguồn (ví dụ như các thiết bị điện tử công suất thấp, bộ xử lý ở trạng thái ngủ, và