Contents CHƯƠNG I TỔNG QUAN MẠNG KHÔNG DÂY 1 1 1 Mở đầu 1 1 2 Phân loại mạng không dây 1 1 3 Vấn đề kỹ thuật trong mạng không dây 2 1 4 Vài nét về một số mạng không dây 2 1 4 1 WPAN 2 1 4 2 WLAN 4 1 4.
TỔNG QUAN MẠNG KHÔNG DÂY
Mở đầu
Mạng máy tính đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, từ mạng cục bộ dùng để chia sẻ tài nguyên trong các tổ chức đến mạng toàn cầu như Internet Sự phát triển của các hệ thống mạng hữu tuyến và vô tuyến ngày càng khẳng định vai trò quan trọng của chúng trong cuộc sống hiện đại.
Mạng không dây đã tồn tại từ lâu, nhưng sự bùng nổ của thiết bị di động trong những năm gần đây đã tạo ra nhu cầu cấp thiết cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống mạng không dây Nhiều công nghệ, phần cứng, giao thức và chuẩn mới đã được ra đời và đang tiếp tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Mạng không dây mang lại tính linh hoạt cao và hỗ trợ thiết bị di động, không bị giới hạn bởi vị trí địa lý như mạng hữu tuyến Điều này cho phép dễ dàng bổ sung hoặc thay thế thiết bị mà không cần cấu hình lại toàn bộ mạng Tuy nhiên, mạng không dây gặp phải hạn chế lớn về khả năng nhiễu và mất gói tin so với mạng hữu tuyến, cùng với tốc độ truyền dữ liệu cũng là một yếu tố cần được chú ý.
Hiện nay, các hạn chế trong mạng không dây đang được khắc phục nhờ vào sự quan tâm từ các viện nghiên cứu và doanh nghiệp toàn cầu Sự đầu tư này hứa hẹn nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thống mạng không dây, mở ra triển vọng phát triển mạnh mẽ trong tương lai.
Phân loại mạng không dây
Hệ thống mạng không dây cũng được phân loại theo quy mô và phạm vi triển khai, tương tự như hệ thống mạng hữu tuyến.
WPAN IEEE 802.15 (Wireless Personal Area Network).
WLAN IEEE 802.11 (Wireless LocalArea Network).
WMAN IEEE 802.16 (Wireless Metropolitan Area Network).
WWAN IEEE 802.20 (Wireless Wide Area Network).
Vấn đề kỹ thuật trong mạng không dây
Trong các hệ thống mạng hữu tuyến, dữ liệu được truyền qua dây cáp hoặc thiết bị trung gian, trong khi mạng không dây sử dụng sóng điện từ, sóng radio hoặc tín hiệu hồng ngoại để truyền và nhận thông tin Đặc biệt, trong mạng WLAN và WMAN, sóng radio được sử dụng phổ biến hơn.
Tín hiệu được truyền trong không khí tạo thành một khu vực được gọi là vùng phủ sóng Chỉ cần thiết bị nhận nằm trong vùng phủ sóng của thiết bị phát, nó sẽ có khả năng nhận tín hiệu một cách hiệu quả.
Vài nét về một số mạng không dây
Kể từ khi Bluetooth ra đời, mạng vùng cá nhân không dây (PAN) đã thu hút nhiều sự chú ý, đặc biệt là trong việc sử dụng trên điện thoại di động thông minh Người dùng thường sử dụng PAN để đồng bộ hóa với phần mềm máy tính hoặc kết nối với tai nghe không dây Ngoài ra, công nghệ này cũng đã được áp dụng cho các thiết bị như tai nghe có gắn micro, mang lại trải nghiệm âm thanh số rõ nét và chất lượng cao.
Hiện nay, công nghệ Bluetooth đang được triển khai chủ yếu như một giải pháp thay thế cho cáp ngoại vi, phục vụ cho một số lượng hạn chế thiết bị Thay vì sử dụng Bluetooth để kết nối nhiều thiết bị trong nhà hoặc văn phòng, người dùng thường chỉ áp dụng nó cho những kết nối đơn giản và cụ thể.
Các thiết bị gia đình trong tương lai sẽ tận dụng kết nối không dây để cải thiện trải nghiệm người dùng Các ứng dụng như bàn điều khiển trò chơi, hộp truyền tín hiệu số, và máy chủ phát nhạc sẽ cho phép giao tiếp dễ dàng giữa các thiết bị Tuy nhiên, công nghệ Bluetooth hiện tại chỉ hỗ trợ tốc độ truyền từ 1 đến 2 Mbit/s trong khoảng cách 10m, không đủ cho các ứng dụng video Đặc biệt, TV số cần tốc độ tối thiểu 7 Mbit/s, trong khi truyền tín hiệu HD yêu cầu lên đến 20-24 Mbit/s, cho thấy rằng cần có công nghệ tiên tiến hơn để đáp ứng nhu cầu này.
Công nghệ UWB (Ultra-Wideband), hay còn gọi là 802.15.3a, đang trở thành tiêu chuẩn vàng cho các mạng vùng cá nhân (PAN) nhờ vào tiềm năng vượt trội của nó UWB nổi bật với khả năng truyền tải dữ liệu cực ngắn trong khoảng thời gian chưa đến một nanô giây, sử dụng một dải phổ rộng, điều này khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực công nghệ PAN.
Công nghệ UWB có khả năng truyền dữ liệu lên tới 1Gbit/s trong khoảng cách ngắn với công suất chỉ khoảng 1mW Nhờ vào dải phổ rộng, UWB ít bị ảnh hưởng bởi suy luận méo hơn các công nghệ không dây khác và với công suất truyền thấp, nó tạo ra rất ít nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Công nghệ UWB dự kiến sẽ có phạm vi hoạt động khoảng 10m và do những vấn đề liên quan đến tiêu chuẩn của nó, người ta tin rằng UWB sẽ đóng vai trò quan trọng trong phiên bản không dây của USB cũng như trong các thế hệ công nghệ không dây tiếp theo.
Dự báo của Intel và những người ủng hộ UWB cho rằng UWB sẽ trở thành một lớp vận chuyển đa năng cho các ứng dụng không dây phạm vi ngắn Trong tương lai, Bluetooth có thể sử dụng UWB như lớp kiểm soát truy cập và vận chuyển, tương tự như USB không dây Các giao thức cấp cao hơn sẽ đảm nhiệm việc triển khai ứng dụng cụ thể UWB được coi là thành phần cốt lõi trong thế giới kết nối không dây, được điều khiển bởi các tiêu chuẩn mở cho phép tất cả các thiết bị giao tiếp hiệu quả trong phạm vi ngắn.
Công nghệ UWB có thể được sử dụng trong WPAN với những vai trò:
• Thay cáp IEEE1394 nối giữa thiết bị điện tử đa phương tiện dân dụng như máy quay phim, máy chụp hình số, thiết bị phát MP3
Thiết lập một tuyến bus chung không dây tốc độ cao kết nối giữa máy tính cá nhân (PC) và các thiết bị ngoại vi như máy in, máy quét và thiết bị lưu trữ gắn ngoài.
• Thay cáp và Bluetooth trong các thiết bị thế hệ mới, như điện thoại di động
3G, kết nối IP/UPnP cho thế hệ thiết bị di động/điện tử dân dụng/máy tính dùng IP
• Tạo kết nối không dây tốc độ cao cho thiết bị điện tử dân dụng, máy tính và điện thoại di động.
Mạng LAN không dây (Wireless Local Area Network) sử dụng sóng điện từ, chủ yếu là sóng radio hoặc tia hồng ngoại, để kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị trong một khu vực nhất định.
So với Bluetooth, Wireless LAN cung cấp khả năng kết nối với phạm vi rộng hơn, cho phép di động tự do di chuyển giữa các vùng phủ sóng khác nhau Phạm vi hoạt động của Wireless LAN dao động từ 100m đến 500m, với tốc độ truyền dữ liệu từ 1Mbps đến 54Mbps, có thể lên tới 100Mbps.
WiMax là từ viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access có nghĩ là khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba
Công nghệ WiMax, hay chuẩn 802.16, là giải pháp không dây băng thông rộng đang phát triển nhanh chóng, với khả năng triển khai trên diện rộng và tiềm năng lớn để cung cấp Internet tốc độ cao cho hộ gia đình và doanh nghiệp Khác với Wi-Fi, chỉ kết nối trong phạm vi nhỏ, WiMax có khả năng phủ sóng rộng hơn, bao trùm cả khu vực thành phố và nông thôn Công nghệ này cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên đến 75 Mbps tại mỗi trạm phát sóng, với tầm phủ sóng từ 2 đến 10 km, cho phép kết nối đồng thời hơn 60 doanh nghiệp với tốc độ tương đương đường T1/E1 và hàng trăm hộ gia đình với tốc độ DSL.
Mô hình ứng dụng WiMAX
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng:
- Mô hình ứng dụng cố định
- Mô hình ứng dụng di động. a) Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)
Mô hình cố định áp dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004, được biết đến với tên gọi “không dây cố định” Tiêu chuẩn này cho phép các thiết bị thông tin hoạt động với các anten cố định tại nhà của người dùng, thường được lắp đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp, tương tự như anten vệ tinh.
Hình 2 : Mô hình ứng dụng cố định của WIMAX
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào năm 2004 cho phép lắp đặt anten trong nhà, tuy nhiên tín hiệu thu được sẽ yếu hơn so với anten ngoài trời Băng tần hoạt động nằm trong khoảng 2,5GHz hoặc 3,5GHz, với độ rộng băng tầng là 3,5MHz Trong mạng cố định, WiMAX cung cấp kết nối không dây tới các modem cáp, dây thuê bao của mạch xDSL, mạch Tx/Ex và mạch OC-x WiMAX cố định phục vụ nhiều loại người dùng như doanh nghiệp, khu dân cư nhỏ, mạng cáp truy cập WLAN công cộng, trạm gốc BS của mạng di động và các mạch điều khiển trạm BS Về mặt địa lý, người dùng có thể phân tán tại các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa, nơi khó khăn trong việc triển khai mạng cáp hữu tuyến.
Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX, như thể hiện trong hình 2, bao gồm các trạm gốc WiMAX BS với anten được lắp đặt trên các tháp cao, cùng với các trạm phụ SS (SubStation) Các trạm BS kết nối trực tiếp với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN, tạo thành một mô hình ứng dụng WiMAX di động hiệu quả.
Mô hình WiMAX di động sử dụng thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE 802.16e, được thiết kế cho người dùng cá nhân di động với băng tần dưới 6GHz Tiêu chuẩn này bổ sung cho 802.16/2004 và phối hợp với WLAN cũng như mạng di động 3G, tạo thành mạng di động với vùng phủ sóng rộng Sự hợp tác giữa các nhà cung cấp viễn thông sẽ giúp triển khai mạng truy cập không dây rộng lớn, đáp ứng nhu cầu đa dạng của thuê bao Tiêu chuẩn IEEE 802.16e đã được thông qua vào năm 2005.
MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY
Tổng quan về Wlan
WLAN (Mạng cục bộ không dây) là một loại mạng máy tính đặc biệt, trong đó các thành phần kết nối với nhau mà không cần sử dụng cáp, mà thay vào đó, chúng giao tiếp qua sóng điện từ trong không khí.
Công nghệ WLAN ra đời vào cuối thập niên 1990 với các sản phẩm hoạt động ở băng tần 900Mhz Những giải pháp này, mặc dù chưa được thống nhất giữa các nhà sản xuất, chỉ đạt tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với 10Mbps của các mạng cáp thời bấy giờ.
Vào năm 1992, các nhà sản xuất bắt đầu cung cấp sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4GHz, mặc dù có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, nhưng vẫn là giải pháp riêng lẻ và chưa được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc đồng bộ hóa hoạt động giữa các thiết bị trên các dãy tần số khác nhau đã thúc đẩy một số tổ chức phát triển các tiêu chuẩn mạng không dây chung.
Năm 1997, Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) đã phê chuẩn chuẩn 802.11, hay còn gọi là WIFI (Wireless Fidelity), cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, bao gồm cả phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4GHz.
Năm 1999, IEEE đã thông qua hai chuẩn 802.11a và 802.11b, định nghĩa các phương pháp truyền tín hiệu cho công nghệ WLAN Trong đó, thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b nhanh chóng trở thành công nghệ không dây ưu việt, hoạt động ở tần số 2.4GHz và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên tới 11Mbps Chuẩn IEEE 802.11b được phát triển với mục tiêu cải thiện tính hiệu dụng, thông lượng và bảo mật, nhằm so sánh với mạng có dây.
Năm 2003, IEEE giới thiệu chuẩn 802.11g, cho phép truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz, với tốc độ tối đa lên đến 54Mbps Chuẩn này cũng tương thích ngược với các thiết bị 802.11b, và hiện nay, tốc độ của chuẩn 802.11g đã được nâng lên từ 108Mbps đến 300Mbps.
2.1.3 Các lợi ích của mạng WLAN Độ tin tưởng cao trong nối mạng của các doanh nghiệp và sự tăng trưởng mạnh mẽ của mạng Internet và các dịch vụ trực tuyến là bằng chứng mạnh mẽ đối với lợi ích của dữ liệu và tài nguyên dùng chung Với mạng WLAN, người dùng truy cập thông tin dùng chung mà không tìm kiếm chỗ để cắm vào, và các nhà quản lý mạng thiết lập hoặc bổ sung mạng mà không lắp đặt hoặc di chuyển dây nối Mạng WLAN cung cấp các lợi ích sau: khả năng phục vụ, tiện nghi, và các lợi thế về chi phí hơn hẳn các mạng nối dây truyền thống :
Khả năng lưu động cải thiện hiệu suất và dịch vụ
Hệ thống mạng WLAN mang đến khả năng truy cập thông tin thời gian thực cho người dùng trong tổ chức, bất kể vị trí Tính linh hoạt này mở ra nhiều cơ hội cải thiện hiệu suất và dịch vụ mà mạng có dây không thể cung cấp.
Đơn giản và tốc độ nhanh trong cài đặt
Cài đặt hệ thống mạng WLAN nhanh và dễ dàng và loại trừ nhu cầu kéo dây qua các tường và các trần nhà.
Linh hoạt trong cài đặt
Công nghệ không dây cho phép mạng đi đến các nơi mà mạng nối dây không thể.
Giảm bớt giá thành sở hữu
Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho phần cứng mạng WLAN cao hơn so với mạng LAN hữu tuyến, nhưng tổng chi phí cài đặt và giá thành theo tuổi thọ lại thấp hơn đáng kể Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn trong môi trường năng động, nơi thường xuyên cần di chuyển, bổ sung và thay đổi thiết bị.
Các hệ thống mạng WLAN được thiết kế theo nhiều kiểu topo khác nhau nhằm phục vụ cho các nhu cầu ứng dụng và cài đặt cụ thể Cấu hình mạng có thể linh hoạt, từ các mạng độc lập dành cho số lượng người dùng nhỏ đến các mạng cơ sở hạ tầng hỗ trợ hàng nghìn người dùng trong một khu vực rộng lớn.
Các mạng máy tính không dây có thể được cấu hình theo nhiều topo khác nhau để phù hợp với nhu cầu ứng dụng và lắp đặt cụ thể Từ mạng ngang hàng cho số lượng nhỏ người dùng đến mạng có cơ sở hạ tầng đầy đủ cho hàng nghìn người sử dụng, các cấu hình này đều hỗ trợ khả năng di chuyển trong một vùng rộng.
2.1.4 Mạng Wlan và mạng hữu tuyến
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Có thể ứng dụng trong tất cả các mô hình mạng nhỏ, trung bình, lớn, rất lớn
- Gặp khó khăn ở những nơi xa xôi, địa hình phức tạp, những nơi không ổn định, khó kéo dây, đường truyền
- Chủ yếu là trong mô hình mạng nhỏ và trung bình, với những mô hình lớn phải kết hợp với mạng có dây
- Có thể triển khai ở những nơi không thuận tiện về địa hình, không ổn định, không triển khai mạng có dây được
- Độ phức tạp kỹ thuật
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Độ phức tạp kỹ thuật tùy thuộc từng loại mạng cụ thể
- Độ phức tạp kỹ thuật tùy thuộc từng loại mạng cụ thể
- Xu hướng tạo khả năng thiết lập các thông số truyền sóng vô tuyến của thiết bị ngày càng đơn giản hơn
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Khả năng chịu ảnh hưởng khách quan bên ngoài như thời tiết, khí hậu tốt
- Chịu nhiều cuộc tấn công đa dạng, phức tạp, nguy hiểm của những kẻ phá hoại vô tình và cố tình
- Ít nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe
- Bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như môi trường truyền sóng, can nhiễu do thời tiết
- Chịu nhiều cuộc tấn công đa dạng, phức tạp, nguy hiểm của những kẻ phá hoại vô tình và cố tình, nguy cơ cao hơn mạng có dây
- Còn đang tiếp tục phân tích về khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe
- Lắp đặt và triển khai
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Lắp đặt, triển khai tốn nhiều thời gian và chi phí
- Lắp đặt, triển khai dễ dàng nhanh chóng
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Vì là hệ thống kết nối cố định nên tính linh hoạt kém, khó thay đổi, nâng cấp, phát triển
- Vì là hệ thống kết nối di động nên rất linh hoạt, dễ dàng thay đổi, nâng cấp, phát triển
Mạng hữu tuyến Mạng Wlan
- Giá cả tùy thuộc vào từng mô hình mạng cụ thể
- Thường thì giá thành thiết bị cao hơn so với của mạng có dây Nhưng xu hướng hiện nay là càng ngày càng giảm sự chênh lệch về giá
Các mô hình mạng Wlan
Mạng 802.11 có thiết kế linh hoạt với ba mô hình chính: mô hình mạng độc lập (IBSS) hay còn gọi là mạng Ad hoc, mô hình mạng cơ sở (BSS) và mô hình mạng mở rộng (ESS).
2.2.1 Mô hình mạng độc lập (Independent Basic Service sets)
Các nút di động với card mạng không dây có khả năng kết nối ngang cấp (peer-to-peer) trong một không gian nhỏ mà không cần quản trị mạng Mạng ad-hoc này được thiết lập nhanh chóng và dễ dàng, lý tưởng cho các hội nghị thương mại hoặc nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên, mạng này cũng có nhược điểm về vùng phủ sóng hạn chế, yêu cầu tất cả người dùng phải có khả năng nghe thấy nhau.
Hình 3 : Mô hình mạng độc lập
2.2.2 Mô hình mạng cơ sở (Basic service sets )
Các điểm truy nhập AP (Access Point) kết nối với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell AP không chỉ điều khiển cell mà còn quản lý lưu lượng dữ liệu tới mạng Thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp mà thông qua các AP Các cell có thể chồng lấn lên nhau từ 10-15%, giúp trạm di động di chuyển mà không bị mất kết nối vô tuyến và tối ưu hóa chi phí vùng phủ sóng.
Điểm truy cập (AP) trung tâm có vai trò quan trọng trong việc điều khiển và phân phối truy cập cho các nút trong mạng, cung cấp truy cập tương thích với mạng đường trục, quản lý địa chỉ và mức ưu tiên, giám sát lưu lượng, và duy trì cấu hình mạng Tuy nhiên, giao thức đa truy cập tập trung hạn chế khả năng truyền trực tiếp giữa các nút di động trong cùng khu vực với điểm truy cập, dẫn đến việc mỗi gói tin phải được phát đi hai lần, từ nút phát gốc và sau đó qua điểm truy cập, gây giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng độ trễ.
Hình 4 : Mô hình mạng cơ sở
2.2.3 Mô hình mạng mở rộng ( Extended Service Set)
Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động thông qua ESS, bao gồm nhiều BSSs mà các Access Point giao tiếp để chuyển lưu lượng giữa các BSS Việc này giúp các trạm di chuyển dễ dàng hơn giữa các BSS Access Point sử dụng hệ thống phân phối để xác định đích đến cho lưu lượng nhận từ một BSS, có thể chuyển tiếp lưu lượng đến BSS khác, hoặc gửi tới mạng có dây không nằm trong ESS Thông tin từ hệ thống phân phối sẽ được truyền tới BSS và cuối cùng đến trạm đích.
Hình 5 : Mô hình mạng mở rộng
Truyền dữ liệu trong mạng Wlan
Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ để truyền thông tin mà không cần kết nối vật lý Sóng vô tuyến, thường là sóng mang, giúp phân phát năng lượng đến máy thu ở xa Dữ liệu được điều chế lên sóng mang, cho phép máy thu nhận thông tin chính xác Khi dữ liệu được chồng lên sóng mang, tín hiệu vô tuyến sẽ có nhiều tần số hơn, do tần số hoặc tốc độ truyền thông tin được thêm vào sóng mang.
Nhiều sóng vô tuyến có thể tồn tại đồng thời trong cùng một không gian mà không gây nhiễu cho nhau khi chúng được phát trên các tần số khác nhau Máy thu vô tuyến hoạt động bằng cách chọn một tần số cụ thể để nhận dữ liệu, đồng thời loại bỏ tất cả các tín hiệu từ các tần số khác.
Trong một cấu hình mạng WLAN điển hình, điểm truy cập (AP) kết nối mạng không dây với mạng dây qua cáp Ethernet Điểm truy cập này có nhiệm vụ nhận, lưu trữ và truyền dữ liệu giữa mạng WLAN và hạ tầng mạng dây Một điểm truy cập đơn thường phục vụ cho một nhóm nhỏ người dùng trong phạm vi từ vài mét đến vài chục mét Mặc dù điểm truy cập thường được lắp đặt ở vị trí cao, nhưng thực tế có thể gắn ở bất kỳ đâu miễn là đảm bảo tín hiệu vô tuyến được thu nhận tốt.
Hình 6 : Quy trình truyền tín hiệu trong mạng wlan
2.3.1 Các sóng mang dung trong truyền dữ liệu
Sự phát triển của kỹ thuật WLAN đòi hỏi các phương pháp điều chế và mã hóa đa dạng hơn WLAN cho phép người dùng truy cập mạng mà không bị giới hạn bởi các kết nối vật lý như trong mạng có dây Người dùng có thể di chuyển tự do trong văn phòng hoặc truy cập tài nguyên mạng từ bất kỳ vị trí nào Bằng cách sử dụng tần số sóng radio (RF) thay vì cáp, WLAN đảm bảo tính di động và giảm chi phí lắp đặt mạng cho mỗi người dùng.
Các kênh hồng ngoại nằm trong tần số của sóng nhìn thấy, thuộc cận dưới của phổ ánh sáng Đây là giải pháp tối ưu cho các trường hợp không có vật cản giữa bên nhận và bên thu Kỹ thuật này bao gồm hai phương pháp: tia khuếch tán và tia trực tiếp, trong đó tia trực tiếp có tốc độ truyền nhanh hơn Tốc độ truyền nhận của hồng ngoại (IR) dao động khoảng 1-2 Mbps, và tín hiệu quang IR thường được ứng dụng trong việc điều khiển thiết bị từ xa.
Các mạng WLAN lượng tử hoạt động dựa trên ánh sáng hồng ngoại với bước sóng từ 850-950 Nm, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu từ 1-2 Mbps Mặc dù chúng cung cấp tốc độ cao hơn so với các hệ thống RF, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế Cụ thể, ánh sáng hồng ngoại yêu cầu các tác vụ phải trong phạm vi nhìn thấy, tuy nhiên, việc áp dụng truyền khuyếch tán có thể khắc phục hạn chế này bằng cách cho phép các tia sáng phản xạ trên các bề mặt.
Cường độ đầu ra (2watts) là thấp giúp giảm khả năng làm hư mắt, tuy nhiên nó giới hạn khoảng cách truyền trong khoảng 25 mét
Các bộ cảm biến(đầu nhận) cần được đặt một cách chính xác nếu không tín hiệu sẽ không nhận được
Các mạng WLAN dựa trên công nghệ lượng tử mang lại tính bảo mật cao và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, khác biệt so với các hệ thống sử dụng cáp và sóng vô tuyến RF hay tia hồng ngoại khuếch tán.
Các tín hiệu hồng ngoại được phát ra từ nguồn phát và bao phủ một khu vực tương tự như ánh sáng, với việc thay đổi vị trí đầu nhận không ảnh hưởng đến tín hiệu Nhiều sản phẩm hỗ trợ khả năng roaming, cho phép kết nối nhiều access point vào mạng và giúp người dùng di chuyển giữa các AP mà không làm mất kết nối mạng Giải pháp này mang lại tốc độ từ 1-2Mbps.
2.3.2 Kỹ thuật băng hẹp tần số cao
Băng hẹp là một kỹ thuật truyền tín hiệu RF trong băng thông hẹp, thường từ 12.5 kHz đến 25 kHz, với cường độ từ 1-2 watts, giúp tăng khoảng cách truyền Các hệ thống UHF, phát triển từ những năm 80, thường hoạt động trong dải tần 430-470 MHz Trong đó, dải tần 430-450 MHz được gọi là unprotected (không được bảo vệ), cho phép bất kỳ ai sử dụng mà không cần giấy phép, trong khi dải tần 450-470 MHz là protected (được bảo vệ), đảm bảo quyền sử dụng tần số cho khách hàng.
Thuật ngữ kỹ thuật radio tổng hợp liên quan đến việc sử dụng các sản phẩm điều khiển bằng tinh thể, trong đó mỗi tần số yêu cầu một tinh thể riêng
Các hệ thống UHF hiện đại cho phép cấu hình riêng biệt cho các access point trên các tần số đã định trước Trạm không dây có thể được lập trình với danh sách tần số của các access point đã cài đặt, giúp chúng thay đổi tần số khi roaming Để tối ưu hóa thông lượng, các access point có thể được cài đặt giống nhau nhưng sử dụng các tần số khác nhau.
Các lợi ích bao gồm khả năng mở rộng khoảng cách xa hơn và được coi là giải pháp tiết kiệm chi phí cho các trang web lớn, với nhu cầu thông lượng dữ liệu từ thấp đến trung bình.
Sự bất lợi của giải pháp này bao gồm thông lượng thấp và dễ bị nhiễu, cùng với yêu cầu cấp phép cho các giải tần được bảo vệ, điều này hạn chế khả năng mở rộng của mạng.
2.3.3 Các kỹ thuật truyền dữ liệu a/ Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum)
Trải phổ nhảy tần (FHSS) sử dụng sóng mang băng hẹp để thay đổi tần số trong một mẫu tại cả máy phát và máy thu, giúp duy trì một kênh logic đơn khi được đồng bộ chính xác Tuy nhiên, đối với các máy thu không mong muốn, FHSS có thể gây ra nhiễu xung chu kỳ ngắn.
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) hoạt động bằng cách nhảy tần từ băng hẹp này sang băng hẹp khác trong một băng rộng Các sóng vô tuyến FHSS có khả năng gửi một hoặc nhiều gói dữ liệu tại một tần số sóng mang, sau đó nhảy sang tần số khác để tiếp tục gửi nhiều gói dữ liệu trong chuỗi “nhảy - truyền” liên tục Mặc dù mẫu nhảy có vẻ ngẫu nhiên, nhưng thực chất là một chuỗi có tính chu kỳ được cả máy thu và máy phát theo dõi Mặc dù các hệ thống FHSS có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu trong quá trình nhảy tần, chúng vẫn hoàn thành việc truyền dẫn trong các chu kỳ nhảy tần khác trong băng tần.
Hình 7: trải phổ nhảy tần b/ Trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum)
Các thiết bị hạ tầng mạng Wlan
2.4.1 Card mạng không dây (Wireless NIC)
Card mạng không dây kết nối máy tính với mạng không dây bằng cách điều chế tín hiệu dữ liệu và thực hiện giao thức truy cập sóng mang Khi máy tính muốn gửi dữ liệu, card mạng không dây sẽ lắng nghe các truyền dẫn khác Nếu không có truyền dẫn nào, card mạng phát ra khung dữ liệu Các trạm khác tiếp tục lắng nghe và kiểm tra xem địa chỉ trong phần Header của khung có trùng với địa chỉ của mình hay không Nếu trùng, trạm sẽ nhận và xử lý khung dữ liệu; nếu không, khung dữ liệu sẽ bị loại bỏ.
Card mạng không dây tương tự như card mạng LAN có dây, nhưng không yêu cầu kết nối dây Chúng giao tiếp với hệ điều hành qua bộ điều khiển chuyên dụng, cho phép mọi ứng dụng sử dụng mạng không dây để truyền dữ liệu Trong khi card mạng có dây thường sử dụng khe cắm ISA, thì card mạng không dây mang lại sự linh hoạt và tiện lợi hơn trong việc kết nối.
PCI và cổng USB là những kết nối phổ biến cho card mạng không dây trên máy tính để bàn, trong khi khe cắm PCMCIA được sử dụng trên laptop Card mạng không dây thường đi kèm với một anten ngoài, có thể được gắn vào tường hoặc đặt ở vị trí thuận lợi trong phòng để tối ưu hóa tín hiệu.
2.4.2 Các điểm truy cập (Access Point)
Các điểm truy cập không dây (AP) tạo ra vùng phủ sóng, kết nối các thiết bị di động với hạ tầng LAN có dây Nhờ vào khả năng mở rộng vùng phủ sóng, mạng không dây WLAN có thể được triển khai trong toàn bộ tòa nhà hoặc khuôn viên trường đại học, tạo ra một mạng lưới truy cập không dây rộng lớn Các điểm truy cập không chỉ cho phép trao đổi thông tin với mạng có dây mà còn thực hiện chức năng lọc lưu lượng, giúp duy trì băng thông trên các kênh vô tuyến bằng cách loại bỏ lưu lượng thừa.
Băng thông ghép đôi không đối xứng giữa thông tin vô tuyến và hữu tuyến yêu cầu các điểm truy cập phải có bộ đệm và tài nguyên bộ nhớ phù hợp Bộ đệm chủ yếu được sử dụng để lưu trữ các gói dữ liệu khi nút di động rời khỏi vùng phủ sóng hoặc hoạt động ở chế độ công suất thấp Các điểm truy cập tương tác qua mạng hữu tuyến để quản lý các nút di động, cho phép hoạt động hiệu quả mà không cần kiểm soát truy cập từ nhiều nút di động Mặc dù có thể sử dụng giao thức ngẫu nhiên phân tán như CSMA, nhưng giao thức đa truy cập tập trung do một điểm truy cập điều khiển mang lại nhiều lợi ích hơn.
WBridge (cầu nối không dây) hoạt động tương tự như các điểm truy cập không dây, nhưng được sử dụng cho các kênh bên ngoài Chúng phụ thuộc vào khoảng cách và khu vực cần sử dụng anten ngoài WBridge được thiết kế để kết nối các mạng, đặc biệt trong các tòa nhà có khoảng cách xa lên đến 32 km.
WBridge là giải pháp nhanh chóng và tiết kiệm chi phí hơn so với việc sử dụng cáp hoặc đường điện thoại thuê riêng, thường được áp dụng khi kết nối có dây gặp khó khăn, chẳng hạn như qua sông, địa hình hiểm trở, khu vực riêng tư hoặc đường cao tốc Khác với các liên kết cáp và mạch điện thoại chuyên dụng, WBridge có khả năng lọc lưu lượng, đảm bảo rằng các hệ thống mạng không dây được kết nối ổn định mà không làm mất lưu lượng quan trọng.
2.4.2 Các router điểm truy cập (Access Point Router)
Một “AP router” là thiết bị kết hợp chức năng của Access Point và router Khi hoạt động như Access Point, nó truyền dữ liệu giữa các trạm không dây và mạng hữu tuyến, cũng như giữa các trạm không dây Khi đóng vai trò là router, nó kết nối hai hoặc nhiều mạng độc lập, hoặc giữa mạng nội bộ và mạng bên ngoài.
Các chuẩn thông dụng của mạng Wlan
2.5.1.1 : Mô tả các lớp chuẩn IEEE 802.11 a/ Lớp Mac (Media Access Control )
Lớp MAC 802.11 đảm bảo khả năng phân phối dữ liệu đáng tin cậy cho các lớp cao hơn qua môi trường PHY vô tuyến Quá trình này dựa trên việc phân phát không đồng bộ và không kết nối, do đó không có đảm bảo cho việc các frame sẽ được phân phối thành công.
MAC 802.11 sử dụng phương thức truy cập CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) để điều khiển truy cập vào môi trường vô tuyến chia sẻ Phương thức này tương tự như cách thức truy cập dò tìm sự đụng độ được áp dụng trong các mạng LAN Ethernet 802.3.
Trước khi truyền gói tin, các thiết bị WLAN cần lắng nghe môi trường xung quanh để xác định khả năng truyền Các thông tin điều khiển vô tuyến xác định khoảng thời gian cấm truyền do có thiết bị khác đang hoạt động Nếu không có hoạt động nào, thiết bị có thể bắt đầu truyền Nếu không nhận được phản hồi cho gói tin thăm dò, thiết bị sẽ trì hoãn việc truyền tiếp theo Ngoài ra, các thiết bị cũng bị giới hạn về thời gian truy cập và số lần lập lại khi giao tiếp với thiết bị khác.
Các phương thức điều khiển truy cập trong hệ thống WLAN có thể chia thành hai loại: ngẫu nhiên và được sắp xếp Hệ thống WLAN có thể hoạt động theo cách tập trung, phân tán hoặc kết hợp cả hai Khi hoạt động theo phương thức ngẫu nhiên, hệ thống được gọi là DCF, trong khi khi được điều khiển, nó được gọi là PCF.
DCF cho phép các thiết bị dữ liệu vô tuyến hoạt động độc lập trong một hệ thống trao đổi thông tin Trong hệ thống này, các thiết bị ngẫu nhiên yêu cầu dịch vụ từ các kênh, dẫn đến khả năng xung đột khi nhiều thiết bị cùng gửi yêu cầu Để giảm thiểu xung đột, các thiết bị phải phán đoán các hoạt động trước khi truyền và lắng nghe phản hồi từ các yêu cầu của mình Nếu không nhận được phản hồi, thiết bị sẽ trì hoãn và thử lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên.
PCF (Point Coordination Function) là chế độ hoạt động của các thiết bị vô tuyến được điều khiển trong hệ thống hạ tầng Trong chế độ này, các thiết bị chỉ truyền thông tin khi nhận được phản hồi từ thiết bị trung tâm, giúp giảm thiểu xung đột trong quá trình trao đổi dữ liệu Để đảm bảo dữ liệu được truyền đi thành công, thông tin thăm dò sẽ chứa trạng thái của các gói tin đã nhận Nếu thiết bị gửi không nhận được xác nhận từ gói tin thăm dò, nó sẽ thực hiện việc truyền lại dữ liệu.
Có thể kết hợp các lợi ích của DCF và PCF để tạo ra một hệ thống tối ưu hơn, dựa trên các khoảng thời gian đặc trưng của cả hai phương pháp Việc kết hợp này giúp đảm bảo truyền dữ liệu dịch vụ thời gian thực và cho phép truy cập ngẫu nhiên Để quản lý luồng gói tin, hệ thống sử dụng các gói tin điều khiển 802.11 như yêu cầu gửi (RTS), xóa để gửi (CTS), ACK, PS-Poll (Power save poll), và CF-END (Contention free end).
Gói tin RTS được sử dụng để khai báo cho các trạm nhằm tránh đụng độ, trong khi gói tin CTS được truyền từ trạm khai báo để thông báo cho các trạm khác biết rằng một gói tin sắp được gửi đi Gói tin ACK có nhiệm vụ xác nhận rằng gói tin đã được nhận thành công Để yêu cầu truyền các gói tin đang được giữ trong chế độ tiết kiệm năng lượng, gói tin PS-Poll được sử dụng Cuối cùng, gói tin CF-END và CF-END+ACK được dùng để mở khóa việc hạn chế truyền.
Chức năng thứ ba của MAC 802.11 là bảo vệ dữ liệu được truyền tải thông qua việc cung cấp các tính năng an toàn và bảo mật Sự bảo mật này được thực hiện nhờ vào các dịch vụ thẩm định quyền ở lớp vật lý.
Lớp vật lý 802.11 đóng vai trò trung gian giữa lớp MAC và môi trường vô tuyến, nơi các frame được truyền và nhận Chức năng chính của PHY bao gồm việc cung cấp giao diện để trao đổi frame với lớp MAC, phục vụ cho quá trình truyền và nhận dữ liệu.
Thứ hai, PHY sử dụng điều chế sóng mang tín hiệu và phổ trải rộng để truyền các frame dữ liệu qua môi trường vô tuyến
Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu cảm ứng sóng mang trở lại MAC để kiểm tra hoạt động trên môi trường
Chuẩn 802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau, trong đó cả FHSS và DSSS hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps Mở rộng 802.11a sử dụng các kỹ thuật đa thành phần để đạt tốc độ tối đa 54 Mbps, trong khi mở rộng 802.11b định nghĩa tốc độ dữ liệu 11 Mbps và 5.5 Mbps thông qua High Rate DSSS (HR/DSSS) Ngoài ra, 802.11b cũng hỗ trợ kỹ thuật thay đổi tốc độ từ 11 Mbps xuống 5.5 Mbps, 2 Mbps hoặc thấp hơn.
1 Mbps dưới các điều kiện nhiễu hoặc để hoạt đông với các lớp PHY 802.11 thừa kế.
2.5.1.2 : Nguồn gốc ra đời chuẩn 802.11
Viện Kỹ thuật Điện - Điện tử Mỹ (IEEE) là tổ chức hàng đầu trong nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn mạng LAN, bao gồm các chuẩn nổi bật như 802.3 cho Ethernet, 802.5 cho Token Ring và 802.3z cho 100BASE.
- T IEEE được chia thành các nhóm phát triển khác nhau : 802.1, 802 2, … Mỗi nhóm đảm nhận nghiên cứu về một lĩnh vực riêng
Cuối những năm 1980, khi mạng không dây bắt đầu phát triển, nhóm 802.4 của IEEE nhận thấy phương thức truy cập token của chuẩn LAN không hiệu quả cho mạng không dây Do đó, nhóm này đã đề xuất xây dựng một chuẩn mới cho mạng không dây Kết quả là IEEE thành lập nhóm 802.11 với nhiệm vụ định nghĩa tiêu chuẩn lớp vật lý (PHY) và lớp MAC cho WirelessLAN.
Chuẩn đầu tiên của IEEE, IEEE 802.11, được giới thiệu vào năm 1997 với tốc độ 2Mbps, sử dụng phương pháp trải phổ trong băng tần ISM không quản lý Sau đó, các chuẩn tiếp theo như IEEE 802.11b, IEEE 802.11a và IEEE 802.11g đã ra đời, cùng với sự phát triển gần đây của chuẩn IEEE 802.11i và IEEE 802.11n.
Chuẩn 802.11b có kiến trúc và đặc trưng tương tự như chuẩn 802.11 ban đầu, nhưng khác biệt ở tầng vật lý Với khả năng trao đổi dữ liệu cao hơn, 802.11b mang lại kết nối hiệu quả hơn cho người dùng.
Ứng dụng của hệ thống Wlan
Ban đầu, WLAN chỉ được áp dụng trong các tổ chức và công ty lớn, nhưng hiện nay, công nghệ này đã trở nên phổ biến và giá cả phải chăng hơn cho người tiêu dùng Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến và phù hợp của WLAN, trong đó vai trò truy cập (Access role) là một trong những điểm quan trọng.
Ngày nay, WLAN chủ yếu được triển khai ở lớp truy cập, cho phép người dùng dễ dàng kết nối vào mạng có dây thông thường Phương pháp không dây này giúp đơn giản hóa quá trình truy cập mạng Các WLAN thuộc lớp liên kết dữ liệu, giống như các phương pháp truy cập khác, nhưng do tốc độ thấp, chúng ít được sử dụng ở các lớp lõi và phân phối.
WLAN cung cấp giải pháp hiệu quả cho vấn đề di động, vượt trội hơn so với giải pháp cellular với tốc độ thấp và chi phí cao Với khả năng linh hoạt tương tự, WLAN không chỉ nhanh chóng mà còn tiết kiệm chi phí, cho phép người dùng kết nối ở mọi nơi một cách dễ dàng.
Hình 15 : Access Role b/ Mở rộng mạng
Mạng không dây là một giải pháp hiệu quả để mở rộng mạng có dây mà không tốn kém chi phí lắp đặt cáp Trong các tòa nhà lớn, khoảng cách giữa các thiết bị có thể vượt quá giới hạn của cáp CAT5 cho mạng Ethernet Mặc dù cáp quang có thể được cài đặt, nhưng điều này đòi hỏi nhiều thời gian, chi phí cao và cần nâng cấp switch hiện tại để tương thích với cáp quang.
Các WLAN có thể được thực thi một cách dễ dàng Vì ít phải cài đặt cáp trong mạng không dây
Hình 16 Mở rộng mạng c/ Kết nối các toà nhà
Trong môi trường mạng campus hoặc khi có hai tòa nhà gần nhau, người dùng có thể cần truy cập tài nguyên từ tòa nhà khác Trước đây, điều này thường được giải quyết bằng cách lắp đặt cáp ngầm hoặc thuê đường truyền từ công ty điện thoại Hiện nay, với kỹ thuật WLAN, việc thiết lập kết nối giữa các tòa nhà trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn Sử dụng anten không dây phù hợp, các tòa nhà có thể kết nối vào cùng một mạng trong khoảng cách cho phép.
Có 2 loại kết nối: P2P và P2MP Các liên kết P2P là các kết nối không dây giữa 2 toà nhà Loại kết nối này sử dụng các loại anten trực tiếp hay bán trực tiếp ở mỗi đầu liên kết
Hình 17 : Kết nối các toà nhà
Các liên kết P2MP (Point-to-Multipoint) là kết nối không dây giữa ba hoặc nhiều tòa nhà, thường được thiết kế theo mô hình hub-and-spoke hoặc kiểu kết nối sao Trong đó, một tòa nhà trung tâm giữ vai trò quan trọng, tập trung các điểm kết nối và được trang bị mạng lõi, kết nối internet, cùng với server farm Để thiết lập các liên kết P2MP, tòa nhà trung tâm thường sử dụng anten đa hướng, trong khi các tòa nhà khác sử dụng anten hướng chung trên các nhánh kết nối.
Mạng wireless đã mang lại khả năng truyền dữ liệu mà không cần tốn thời gian và công sức, đồng thời giảm thiểu số lượng thiết bị kết nối so với mạng có dây Một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất của mạng không dây là khả năng roaming, cho phép người dùng di chuyển giữa các khu vực mà không bị mất kết nối, tương tự như việc sử dụng điện thoại di động Trong các tổ chức lớn, việc roaming trở nên quan trọng khi phạm vi phủ sóng rộng, giúp người dùng duy trì kết nối mạng ngay cả khi di chuyển ra ngoài.
Trong các doanh nghiệp nhỏ với ít người dùng, việc chia sẻ thông tin qua một kết nối Internet duy nhất là cần thiết Đối với mô hình văn phòng nhỏ tại nhà (SOHO), việc sử dụng mạng LAN không dây là giải pháp đơn giản và hiệu quả Các thiết bị không dây SOHO giúp người dùng dễ dàng chia sẻ kết nối Internet, nâng cao hiệu suất làm việc.
Hình 18 : SOHO Wireless LAN e) Văn phòng di dộng (Mobile Offices)
Văn phòng di động giúp người dùng dễ dàng di chuyển đến các vị trí khác, trong bối cảnh nhiều trường học đang phải đối mặt với tình trạng quá tải lớp học Để mở rộng mạng máy tính đến các lớp học di động, việc sử dụng cáp có thể tốn kém, do đó, kết nối WLAN từ tòa nhà chính đến các lớp học di động mang lại giải pháp linh hoạt và tiết kiệm chi phí.
Hình 19: Văn phòng di động
