GIAO THỨC MAC TRONG IEEE 802.11


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledgement

AP

Access Point

ATIM

Ad hoc Traffic Indication Map

BS

Base Station

BSS

Basic Service Set

CCK

Complementary Code Keying

CS

Carrier Sensing Range

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection

CTS

Clear To Send

CW

Contention Window

DCF

Distributed Coordination Function

DIFS


Distributed - Inter Frame Space

DQPSK

Differential Quadrature Phase Shift Keying

DS

Distributed system

DSSS

Directed Sequence Spread Spectrum

EIFS

Extended - Inter Frame Space

ESS

Extended Service Set

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

GFSK

Gaussian Frequency Shift Keying


IBSS

Infrastructure Basic Service Set

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISM

Industrial Scientific and Medical

LAN

Local Area Network

MAC

Media Access Control

MANET

Mobile Ad hoc Network

MN

Mobile Node

NAV


Network Allocation Vector

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PCF

Point Coordinated Function

PIFS

Priority – Inter Frame Space

RBTI

Random Backoff Time Interval

RTS

Request To Send

SIFS

Short – Inter Frame Space


TR


Transmission Range

WLAN

Wireless Local Area Network

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và khi cuộc sống
con người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin giữa con người ngày
cao. Con người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào và từ
bất kì nơi đâu mà không cần phải có đường dây kết nối. Đó chính là lý do mà mạng
không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng


không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện, trường học
hay thậm chí là các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền
thống, mạng không dây cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp
ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất.
Song song với sự phát triển của mạng không dây, thì mạng cục bộ không dây
WLAN (Wireless Local Area Network) bao gồm một nhóm các node di động MN
(Mobile Node) kết nối với nhau qua một node trung tâm được gọi là AP (Access
Point). Ở đây, các MN có thể là các thiết bị phần cứng di động (Laptop, Cell
phone….) cũng đều có khả năng tham gia vào mạng không dây này.
WLAN được chia thành hai mô hình chính đó là mô hình mạng không dây có
cơ sở hạ tầng và mô hình mạng Ad hoc. Các mô hình, kiến trúc này được đưa ra
làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ
tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng MANET
(Mobile Ad hoc Network). Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng
là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền
thông không cao, mô hình mạng không ổn định vì các nút mạng di chuyển, và năng

lượng cung cấp cho các nút mạng chủ yếu là nguồn pin…Do đó cần phải có những
giao thức về truy nhập cũng như quản lý năng lượng để nâng cao hiệu suất cho
mạng.
Chuẩn IEEE 802.11 ra đời nhằm mục đích phát triển những đặc tính trong kết
nối mạng không dây giữa cái thiết bị di động hay cố định trong một vùng nội bộ.


ĐỒ ÁN 3
Trang 7/29

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ TIÊU CHUẨN IEEE 802.11

1.1 Sơ lược về mạng di động Ad hoc (MANET) [5]
Mạng Ad hoc di động (Mobile Ad hoc Network - MANET) là một hệ thống
mạng không dây tự điều khiển bao gồm các node độc lập di chuyển thay đổi kết nối
mạng một cách tự động. Không như mạng di động không dây, mạng MANET
không tĩnh, không có cấu trúc cố định và không quản lí tập trung. Mạng có thể hình
thành ở bất cứ đâu, bất cứ lúc nào, miễn là hai hoặc nhiều node liên lạc với nhau và
giao tiếp trực tiếp với node khác khi chúng cùng phạm vi vô tuyến hoặc thông qua
các node di động trung gian vì tính linh hoạt mà MANET đã cung cấp. Các node di
động có thể vừa làm máy chủ (Host) vừa làm bộ định tuyến (Router). Tính di động
của MANET là một thách thức trong thiết kế và triển khai trong thực tế.

HÌNH 1-1: Mạng Ad hoc di động
1.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11
1.1.1 Giới thiệu
IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE bao gồm các đặc tả kỹ
thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây. Mục đích của chuẩn IEEE 802.11

như IEEE định nghĩa là "để cung cấp kết nối không dây tới các thiết bị, hoặc các


ĐỒ ÁN 3
Trang 8/29

trạm di động mà yêu cầu triển khai nhanh, và xách tay hoặc cầm tay, hoặc được gắn
lên các phương tiện chuyển động bên trong một vùng".
Chuẩn này cũng đưa ra các quy định chung về băng tần hoạt động cũng như
một số đặc điểm quan trọng sau đây:
1. Mô tả các chức năng và các dịch vụ cần có cho thiết bị phù hợp với chuẩn
IEEE 802.11 để hoạt động trong các mô hình của mạng và bao gồm những quy định
giao tiếp của các thiết bị di động hoạt động trong mạng [5].
2. Qui định các chức năng được điều khiển bởi lớp MAC và các thủ tục truy
nhập để truyền các đơn vị dữ liệu MAC bất đồng bộ [5].
3.

Cho phép các thiết bị hoạt động trong mạng WLAN theo chuẩn

802.11 có thể cùng tồn tại với các mạng WLAN IEEE 802.11 chồng lên nhau [5].
4. Mô tả các yêu cầu bảo mật để cung cấp quyền riêng tư của dữ liệu được
truyền qua môi trường không dây [5].

HÌNH 1-2: Mạng WLAN tiêu biểu trong IEEE 802.11 [6]
1.1.2 Các thành phần kiến trúc
Mạng WLAN 802.11 bao gồm bốn thành phần vật lý chính được mô tả ở hình 1-3
dưới đây:


ĐỒ ÁN 3

Trang 9/29

HÌNH 1-3: Các thành phần trong mạng WLAN 802.11 [6]
Điểm truy cập (Access Point)
Điểm truy cập thực chất là một thiết bị phần cứng cố định thực hiện chức năng
1.1.1.1

cầu nối giữa các thiết bị di động trong mạng không dây và có dây. Vùng phủ sóng
của điểm truy cập cho phép các trạm trực tiếp tham gia trao đổi thông tin với nhau.
Các trạm (Station)
Mạng không dây được xây dựng để truyền thông tin giữa các trạm với nhau.
1.1.1.2

Các trạm này thực chất là các thiết bị phần cứng di động có gắn card giao diện
mạng không dây và các trạm này có thể là cố định hoặc di động.
1.1.1.3 Phương tiện truyền dẫn không dây (Wireless Medium)
Để truyền thông tin giữa các trạm với nhau, chuẩn 802.11 quy định sử dụng

phương tiện truyền dẫn không dây. Cụ thể chuẩn 802.11 quy định bốn công nghệ ở
tầng vật lý làm phương tiện truyền dẫn cho mạng không dây.
Hệ thống phân phối (Distribution System)
Khi nhiều điểm truy cập được kết nối với nhau để tạo ra một vùng phủ sóng
1.1.1.4

rộng hơn, chúng cần liên lạc với nhau để theo dõi sự di chuyển của các trạm di động
này (được gọi là hệ thống phân phối – Distribution System)
Mạng WLAN 802.11 theo kiến trúc cơ sở hạ tầng mạng (Infrastructure Mode)
bao gồm hai kiến trúc con: Tập dịch vụ cơ bản (BBS – Basic Service Set), và tập
dịch vụ mở rộng (ESS – Extended Service Set).


1.1.3 Các tiêu chuẩn trong bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 [4]
Chuẩn 802.11: Năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và
đặt tên nó là 802.11. Tuy nhiên, chuẩn này chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa cho phép 2 Mbps


ĐỒ ÁN 3
Trang 10/29

trong băng tần 2.4 GHz, khá chậm so với ngày nay và không được áp dụng rộng rãi
trong thực tế. Do đó các phiên bản tiếp theo của IEEE 802.11 đã ra đời.
Chuẩn 802.11b: Năm 1999, chuẩn 802.11b ra đời và hỗ trợ tốc độ lên đến 11 Mpbs
thay vì 2 Mbps như trước kia. Tương tự thế hệ đầu tiên, chuẩn kết nối 802.11b cũng
sử dụng băng tần 2.4 GHz rất dễ bị gây nhiễu từ các thiết bị điện tử khác như điện
thoại di động, lò vi sóng. Chuẩn này được sử dụng rất rộng rãi trên thị trường với
giá thành rẻ, phạm vi tín hiệu rộng (70 - 150 m) tuy nhiên tốc độ tối đa khá thấp (11
Mbps) và dễ bị nhiễu.
Chuẩn 802.11a: Chuẩn 802.11a cũng được phát triển song song với chuẩn 802.11b,
tuy nhiên chuẩn a thường được sử dụng trong các mạng của doanh nghiệp thay vì
gia đình như chuẩn b vì giá thành khá cao. So với chuẩn 802.11b, chuẩn này hỗ trợ
tốc độ tối đa gần gấp 5 lần, lên đến 54 Mpbs và sử dụng băng tần vô tuyến 5 GHz
có thể tránh tình trạng bị nhiễu do các thiết bị khác.
Chuẩn 802.11g: Năm 2003, chuẩn WiFi thế hệ thứ 3 ra đời được đặt là chuẩn
802.11g, chuẩn WiFi này thậm chí còn được sử dụng ở nhiều ở các gia đình hiện
nay. Chuẩn 802.11g được xem là kết hợp giữa chuẩn a và b trước kia, với giá thành
khá rẻ. Chuẩn 802.11g hỗ trợ tốc độ đến 54 Mpbs như chuẩn a nhưng sử dụng băng
tần 2.4 GHz như chuẩn b, vì vậy chuẩn này có tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt (80200m).
Chuẩn 802.11n: Đây là chuẩn tương đối mới (mới nhất là chuẩn ac) và đang sử
dụng khá phổ biến hiện nay. Chuẩn WiFi 802.11n được đưa ra nhằm cải thiện
chuẩn 802.11g bằng cách sử dụng công nghệ MIMO (Multiple - Input Multiple Output) tận dụng nhiều anten hơn. Chuẩn kết nối 802.11n hỗ trợ tốc độ tối đa lên
đến 600 Mpbs, có thể hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz. Chuẩn kết nối

này đã và đang dần thay thế chuẩn 802.11g với tốc độ cao, phạm vi tín hiệu rất tốt
(từ 100 - 250m) và giá thành đang ngày càng phù hợp.
1.1.4 Lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11
Năm 1997, IEEE đã đưa ra chuẩn đầu tiên gọi là IEEE 802.11. Chuẩn này
cung cấp ba đặc điểm tầng vật lý cho vô tuyến, hoạt động ở băng tần từ 2400 đến
2483.5 Mhz, 902 đến 928 Mhz, 5.725 đến 5.85 Ghz. Vào thời điểm mới ra đời
(1997) chuẩn 802.11 đã đặc tả ba công nghệ dành cho lớp vật lý:


ĐỒ ÁN 3
Trang 11/29

•

Trải phổ trực tiếp (DSSS): Lớp vật lý này cung cấp cả hai chế độ
hoạt động 1 Mbps và 2 Mbps. Chế độ 1 Mbps sử dụng điều chế pha
nhị phân vi sai (DBPSK - Differential Binary Phase Shift Keying) và
chế độ 2 Mbps sử dụng điều chế pha trực giao (DQPSK - Differential
Quadrature Phase Shift Keying). Quá trình DSSS bắt đầu với một
sóng mang được điều chế với một chuỗi mã. Số lượng bit trong một
chip sequence sẽ xác định độ rộng trải phổ của hệ thống và tốc độ của

•

dãy bit đặc biệt này sẽ xác định tốc độ truyền dữ liệu.
Trải phổ nhảy tần (FHSS): Lớp vật lý này cung cấp cho hoạt động ở
tốc độ 1Mbps (hoặc 2 Mbps). Chế độ 1 Mbps sử dụng phương pháp
điều chế 2 mức khóa dịch tần số Gaussian (GFSK) và chế độ 2 Mbps
sử dụng 4 mức GFSK. Trong kỹ thuật này, sóng mang sẽ được thay
đổi tần số tùy thuộc vào một bảng gồm nhiều tần số khác nhau mà


•

sóng mang có thể nhảy trong một khoảng thời gian xác định.
Lớp vật lý hồng ngoại (IR - Infrared): Lớp vật lý này cung cấp chế
độ hoạt động 1 Mbps có thể nâng lên 2 Mbps. Chế độ 1 Mbps sử
dụng phương pháp điều chế vị trí xung (PPM - Pulse Position
modulation) với 16 vị trí (16-PPM) và chế độ 2 Mbps sử dụng 4PPM. Bảng 1-1: Mô cả các kỹ thuật được sử dụng trong bộ chuẩn

IEEE 802.11.
BẢNG 1-1: Các thông số kỹ thuật trong chuẩn IEEE 802.11 [6]
Tiêu
chuẩn
802.11a
802.11b
802.11g

Tốc độ cực đại
54 Mbps
11 Mbps
54 Mbps

Băng
tần
5 GHz
2.4 GHz
2.4 GHz

Kỹ thuật


Số kênh không

Năm

OFDM
DSSS
OFDM

chồng lần
23
3
3

1999
1999
2003

1.1.5 Giao thức MAC IEEE 802.11
Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp đặc điểm về hai chức năng trong giao thức
MAC, chức năng phối hợp theo điểm (PCF - Point coordination function) và chức
năng phối hợp phân phối (DCF - Distributed Coordination function).


ĐỒ ÁN 3
Trang 12/29

•

Phạm vi truyền (TR - Transmission range): Bất kì các trạm nào nằm
trong phạm vi này đều có thể nhận và giải mã chính xác các gói tin

được gửi từ phía phát đến mình.

•

Phạm vi cảm biến sóng mang (CS - Carrier sensing range): Bất kì các
trạm nào nằm trong phạm vi này đều có thể cảm nhận được thông tin
được gửi từ phía máy phát.

•

Vùng cảm biến sóng mang (Carrier sensing zone): Đây là vùng mà
bất kì các trạm nào nằm trong phạm vi này đều có thể cảm nhận được
thông tin được gửi từ phía phát, nhưng không thể giải mã chính xác
các gói tin được gửi từ máy phát đến mình.

Hình 1-4: Thể hiện phạm vi hoạt động của các trạm trong chuẩn IEEE
802.11. Ở đây, node A và node C nằm trong phạm vi truyền của node B. Node D
và node E nằm trong vùng cảm biến sóng mang. Tất cả các node trong hình đều
nằm trong phạm vi cảm biến sóng mang.

HÌNH 1-4: Phạm vi hoạt động của một mạng WLAN theo chuẩn 802.11 [5]
1.1.6 Hỗ trợ đa kênh trong IEEE 802.11 [5]
Chuẩn IEEE 802.11 sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp định hướng cho băng
tần ISM (ISM - Industrial Scientific and Medical) 2.4 GHz, hỗ trợ 11 kênh, trong
đó 3 kênh không chồng chéo nhau cụ thể là kênh 1, 3, 11. Như vậy, lớp vật lý


ĐỒ ÁN 3
Trang 13/29


chuẩn IEEE 802.11 cung cấp cơ sở để dùng 3 kênh song song tại cùng một thời
điểm cho trước. Tương tự, khi dùng hệ thống OFDM ở băng tầng 5 GHz và cung
cấp 12 kênh không chồng chéo nhau với mục đích sử dụng đồng thời.
Mặc dù lớp vật lý trong chuẩn 802.11 hỗ trợ đa kênh, tuy nhiên trong giao
thức MAC chỉ sử dụng một trong những kênh này làm kênh truyền trung gian.

HÌNH 1-5: Hỗ trợ đa kênh trong chuẩn 802.11b [5]
Nếu giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 được dùng cho đa kênh, thì
sẽ dẫn đến vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn gọi là Multi-channel Hidden terminal
problem. Do đó cần có một giao thức MAC thông minh để sử dụng đa kênh và loại
bỏ vấn đề đó cùng một lúc. Chúng ta gọi giao thức đó là Multi-channel MAC
protocol.

CHƯƠNG 2.

GIAO THỨC MAC IEEE 802.11

1.3 Giới thiệu
Giao thức MAC (Medium Access Control) dùng để giải quyết các vấn đề liên
quan đến sự cạnh tranh và va chạm tiềm ẩn trên đường truyền. Nhiều giao thức
MAC đã được đề xuất cho các mạng không dây có một kênh chung được chia sẻ
bởi nhiều MN (Mobile Node). Ta gọi đây là giao thức MAC đơn kênh. Tiêu chuẩn
đại diện cho mẫu đơn kênh này là chuẩn IEEE 802.11. Và khi số lượng tải trong


ĐỒ ÁN 3
Trang 14/29

mạng tăng lên đến một giới hạn nào đó thì tốc độ của mạng cũng sẽ giảm xuống bởi
sự tranh chấp và va trạm cao trên đường truyền.

Giao thức MAC 802.11 định nghĩa hai chế độ hoạt động, cụ thể là phối hợp
phân phối (DCF - Distributed Coordination Function) và phối hợp điểm (PCF Point Coordinated Function).

Chế độ hoạt động trong IEEE
802.11

Chế độ tranh chấp

DCF

Chế độ không tranh chấp PCF

HÌNH 2-1: Các chế độ hoạt động của MAC 802.11
Chế độ DCF sử dụng Đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA - Carrier
Sense Multiple Access) với hệ thống tránh xung đột (CA - Collision Avoidance)
như nguyên tắc cơ bản khi truy nhập kênh truyền.
Còn PCF là chế độ cạnh tranh tự do thực hiện việc hỏi vòng (poll) để lập lịch
truy cập môi trường. DCF là chế độ bắt buộc trong khi PCF là chế độ tùy chọn.
1.4 Chế độ DCF IEEE 802.11
1.1.7 Cơ chế đa truy cập CSMA/CA
Cơ chế CSMA (Carrier Sense Multiple Access) làm việc như sau: Khi một
trạm muốn truyền tin, trạm phải cảm nhận kênh truyền. Nếu kênh truyền bận (ví dụ
đang có một trạm khác đang truyền tin), trạm sẽ chờ trong một khoảng thời gian.
Sau đó nếu kênh truyền được cảm nhận là rỗi, khi đó trạm được phép truyền gói tin.
Những giao thức như vậy thật sự hiệu quả khi kênh truyền không phải tải lưu lượng
quá lớn. Tuy nhiên xung đột luôn có thể xảy ra vì các trạm đều cùng cảm nhận kênh


ĐỒ ÁN 3
Trang 15/29


truyền là rỗi và quyết định truyền tin tại cùng một thời điểm. Chính vì vậy mạng
Lan hữu tuyến đã sử dụng CSMA kết hợp với việc dò tìm xung đột (CD - Collision
Detection) là rất hiệu quả, tuy nhiên không thể sử dụng kỹ thuật này trong môi
trường không dây vì có hai lý do chính như sau:

1.

Triển khai kỹ thuật dò tìm xung đột đòi hỏi môi trường vô tuyến phải có khả năng
truyền song công (Full - Duplex), nhận và truyền tin cùng một thời điểm.

2.

Trong môi trường không dây, không thể giả thuyết rằng tất cả các trạm đều nghe
thấy nhau. Ngoài ra khi một trạm muốn truyền tin và cảm nhận kênh truyền là rỗi,
điều đó không có nghĩa kênh truyền cũng rỗi xung quanh khu vực lân cận của trạm
nhận tin.
Để khắc phục những vấn đề này, chuẩn 802.11 sử dụng hệ thống tránh xung
đột (Collision Avoidance – CA) như sau:


Trạm muốn truyền tin sẽ phải cảm nhận kênh truyền. Nếu kênh truyền bận,
nó sẽ phải chờ.



Nếu kênh truyền là rỗi trong một khoảng thời gian xác định (được gọi là
DIFS), trạm được phép truyền tin.




Trạm nhận khi nhận được khung tin sẽ phải đợi một khoảng thời gian được
gọi là SIFS để gửi khung tin xác nhận ACK.



Kết thúc quá trình truyền tin. Giải phóng kênh truyền.


ĐỒ ÁN 3
Trang 16/29

HÌNH 2-2: Cơ chế CSMA/CA [6]
Giao thức MAC IEEE 802.11 cũng định nghĩa 5 khoảng thời gian được sử
dụng trong chế độ DCF và PCF để quy định quyền ưu tiên truy cập kênh truyền
giữa các trạm. Bảng 2-1 Mô tả 5 khung thời gian được sử dụng trong 802.11.
BẢNG 2-1: Bảng mô tả các khoảng thời gian giữa các khung trong 802.11 [5]
Khoảng thời gian giữa các khung
Slot time

Định nghĩa
Khoảng thời gian của 1 khe được định

SIFS (Short – Inter Frame Space)

nghĩa bởi lớp vật lý
Khoảng thời gian ngắn nhất giữa các
khung, có độ ưu tiên dùng để gửi các gói

PIFS (Priority – Inter Frame Space)


tin điều khiển: RTS, CTS, ACK
Khoảng thời gian giữa các khung dùng

DIFS (Distributed - Inter Frame Space)

PCF có AP, PIFS = SIFS + 1 Slot Time
Khoảng thời gian dài nhất giữa các
khung phân phối, DIFS = SIFS + 2 Slot

EIFS (Extended - Inter Frame Space)

Time
Khoảng thời gian mở rộng giữa các
khung

1.1.8 Chế độ DCF 802.11 khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn
Như đề cập ở trên, Chế độ DCF hoạt động dựa trên cơ chế CSMA/CA. Nó
dùng hai loại cảm biến sóng mang.


ĐỒ ÁN 3
Trang 17/29

1.

Cảm biến sóng mang vật lý (Physical Carrier Sense): Chức năng cảm nhận được
tầng vật lý quy định, thực hiện bằng cách lắng nghe tín hiệu năng lượng trên đường
truyền.


2.

Cảm biến sóng mang ảo (Virtual Carrier Sense): Thực hiện bằng cách thiết lập chỉ
số vector phân bố mạng (NAV - Network Allocation Vector).
Tiến trình hoạt động trong chế độ DCF được mô tả như sau:



Các trạm đợi cho đến khi DIFS kết thúc. Sau đó tiến hành quá trình Back-Off ngẫu
nhiên.



Các trạm đếm lùi thời gian Back-off của mình (giá trị back-off tiến về 0). Trạm nào
có khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên ngắn nhất trạm đó sẽ giành được đường
truyền và bắt đầu truyền tin. Các trạm khác sẽ lưu giá trị backoff ngẫu nhiên còn lại
dùng cho lần truy nhập tiếp theo.



Trạm nhận sau khi nhận được gói tin và phải đợi 1 khoảng SIFS trước khi đáp lại
khung ACK cho trạm truyền. Trạm truyền nhận được ACK và tiến trình bắt đầu lại
từ đầu với một DIFS mới.

HÌNH 2-3: Chế độ DCF 802.11 khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn


Thời gian backoff ngẫu nhiên (Random Backoff Time Interval - RBTI)
thực chất là khoảng thời gian mà máy trạm phải chờ thêm sau khi
đường truyền rỗi, được tính bằng công thức trong tài liệu [5]:

RBTI = Random() * Slot Time

(2.1)


ĐỒ ÁN 3
Trang 18/29

Trong công thức (2.1) Random() là số bất kỳ giữa khoảng CW min và CWmax
(trong cửa sổ tranh chấp – Contention Window).
Tại thời điểm thử truyền tin lần đầu tiên, CW được khởi tạo với giá trị CWmin.
Khi xảy ra va trạm thì kích thước CW sẽ tăng lên theo hàm số mũ, nhưng giá trị
CW không được vượt quá CW max. Giá trị cụ thể của CW min và CWmax phụ thuộc
vào từng kiểu tầng vật lý được mô tả ở bảng 2-2.
BẢNG 2-2: Giá trị Slot Time và CWmin, CWmax cho từng kiểu tầng vật lý
trong 802.11 [6]
PHY
FHSS
DSSS
IR

Slot Time (us)
50
20
8

CWmin
16
13
64


CWmax
1024
1024
1024

Chú ý rằng, trong tiến trình hoạt động của chế độ DCF được mô tả ở trên, thì
kích thước cửa sổ CW đóng vai trò rất quan trọng. Nếu kích thước cửa sổ CW quá
nhỏ, dẫn tới giá trị backoff ngẫu nhiên được chọn bởi các trạm sẽ rất gần nhau nên
làm tăng khả năng đụng độ. Mặc khác, nếu kích thước cửa sổ CW quá lớn nó sẽ gây
ra khoảng chờ không cần thiết. Do đó khi cửa sổ CW đạt tới giá trị tối đa, nó sẽ giữ
nguyên và đưa về giá trị tối thiểu CWmin khi khung tin được truyền thành công
hoặc hủy bỏ bởi tầng trên.


ĐỒ ÁN 3
Trang 19/29

HÌNH 2-4: Sự tăng lên theo hàm số mũ của cửa số CW [5]
Sau khi trạm thử truyền lại i lần, thì kích thước CW i được tính theo công thức
trong tài liệu [5]:
i

CWi = 2 * (CWmin + 1) - 1


Trong đó i là số lần thử truyền tin – tính cả lần đang xét.




k là hằng số xác định giá trị CWmin.

(2.2)

Công thức (2.2) cho thấy CW tăng theo hàng số mũ với số lần truyền lại.
2.2.3 Vấn đề đầu cuối ẩn (Hidden Terminal Problem)
Trong mô hình Ad hoc của IEEE 802.11b, thì hai node mạng chỉ có thể giao
tiếp được với nhau khi chúng ở trong phạm vi truyền của nhau. Và cơ chế
CSMA/CA trong chế độ DCF được sử dụng để tránh đụng độ tại khu vực lân cận
phía phát. Tuy nhiên không giống trong mạng có dây, các node không đảm bảo
tránh đụng độ ở cuối cuối phía thu. Sự đụng độ này dẫn đến vấn đề gọi là “đầu cuối
ẩn”. Nếu vấn đề này không được quan tâm, thì sẽ gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất
của mạng.


ĐỒ ÁN 3
Trang 20/29

HÌNH 2-5: Vấn đề đầu cuối ẩn [5]
Ở hình 2-5, hai node A và B nằm trong cùng một phạm vi truyền. Tương tự,
node B và node C cũng nằm trong phạm vi truyền của nhau. Giả sử khi node A có
một gói tin muốn truyền cho node B, thì node A sẽ phải kiểm tra trạng thái môi
trường, nếu môi trường rỗi, nó bắt đầu gửi gói tin qua cho B. Lúc này, node C hoàn
toàn không nghe thấy hay cảm nhận được việc A gửi cho B vì nó không nằm trong
phạm vi truyền của A. Tại cùng một thời điểm, nếu node C cũng có gói tin muốn
gửi cho node B, nó cũng kiểm tra môi trường và nhận thấy môi trường cũng đang
rỗi. Do vậy, nó cũng gửi gói tin qua cho node B. Điều này dẫn đến đụng độ gói tin
tại node B. Vì B không thể nhận 2 gói tin cùng một lúc. Ở đây node A được gọi là
thiết bị đầu cuối ẩn với node C và ngược lại.
2.2.4 Chế độ DCF sử dụng gói tin RTS/CTS giải quyết đầu cuối ẩn

Trong chế độ hoạt động của DCF, vấn đề đầu cuối ẩn nếu không được quan
tâm đến, thì nó sẽ gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất đường truyền. Do đó hai
gói tin điều khiển Request To Send (RTS) và Clear To Send (CTS) được đưa ra để
hạn chế vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn. Sau khi giành được quyền truy cập kênh truyền,
trước khi bắt đầu truyền tin, trạm phát phải gửi đi một khung tin yêu cầu RTS tới
trạm nhận để thông báo về việc truyền tin sắp tới. Phía nhận sẽ trả lời lại khung tin
RTS bằng khung tin CTS để cho biết đã sẵn sàng nhận tin. Cả RTS và CTS đều


ĐỒ ÁN 3
Trang 21/29

chứa thông tin về độ dài dự kiến của việc truyền tin (bao gồm thời gian truyền
khung tin và ACK). Tất cả các trạm sau khi nhận được RTS hoặc CTS sẽ thiết lập
chỉ số sóng mang ảo là NAV bằng khoảng thời gian dự kiến truyền tin. Thông tin
này sẽ được sử dụng cùng với cảm nhận vật lý khi cảm nhận kênh truyền.
Cơ chế này giải quyết được vấn đề trạm ẩn vì các trạm lân cận trạm nhận cũng
như trạm phát đều có thể biết được kênh truyền sẽ được sử dụng cho việc truyền tin
hiện tại là bao lâu, điều này đảm bảo rằng không có một trạm nào có thể làm dừng
quá trình truyền tin cho đến khi trạm nhận hồi đáp ACK cho trạm phát.

HÌNH 2-6: DCF sử dụng gói tin RTS/CTS giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn
2.2.5 Vấn đề đầu cuối hiện (Exposed terminal)
Vấn đề đầu cuối ẩn đã được giải quyết hiệu quả bởi 2 gói tin RTS/CTS. Tuy
nhiên việc sử dụng RTS/CTS dẫn đến một vấn đề mới gọi là vấn đề đầu cuối hiện
(Exposed terminal problem).
Xét một ví dụ về vấn đề đầu cuối hiện trong chuẩn IEEE 802.11b:
Giả sử node B muốn truyền gói tin qua cho A, thì node B phải gửi khung RTS
đến node A khi môi trường được cảm nhận là rỗi. Node A nhận được RTS sẽ gửi lại
CTS cho node B. Ở đây, node C là node bên thứ 3 sẽ thiết lập NAV của nó. Cùng lúc

đó, node D cũng nằm trong phạm vi truyền của C muốn gửi gói tin cho node C, nó sẽ
phải đợi cho đến khi NAV của node C kết thúc. Điều này là một hạn chế vì quá trình


ĐỒ ÁN 3
Trang 22/29

truyền từ node B đến A và từ D đến C không cản trở nhau và có thể diễn ra đồng thời.
Ở đây node D được gọi là thiết bị đầu cuối hiện.

HÌNH 2-7: Vấn đề đầu cuối hiện [5]
1.5 Chế độ PCF IEEE 802.11
PCF là chế độ tùy chọn hỗ trợ cho DCF. Nó cung cấp một cơ chế cảm nhận
sóng mang ảo thông qua chức năng hỏi vòng (poll) và đáp trả (response). PCF sử
dụng PIFS để gán cho điểm truy cập quyền điều khiển môi trường truyền dẫn thay
vì các trạm sử dụng DIFS để xác định quyền truy cập môi trường. Các trạm tham
gia được phép gửi một khung tin đáp trả cho khung tin poll của điểm truy cập nhằm
mục đích cập nhật giá trị NAV của chúng. Để có thể cung cấp dịch vụ cho các trạm
tham gia không sử dụng PCF, điểm truy cập thay thế PIFS bằng DIFS.
Như vậy, trong chế độ PCF cần phải có một điểm truy cập đóng vai trò như
một trạm điều phối BSS/ESS. Điều này có nghĩa là không thể sử dụng chế độ này
khi các nút mạng hoạt động ở chế độ Ad-hoc.
1.6 POWER SAVINGS 802.11


ĐỒ ÁN 3
Trang 23/29

Với các thiết bị được sử dụng trong mạng không dây sử dụng pin là nguồn
cung cấp năng lượng chủ yếu. Cho nên việc quản lý năng lượng nhằm tiết kiệm

năng lượng, kéo dài thời gian làm việc cho nút mạng, tránh lãng phí năng lượng
không cần thiết đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong cả mạng cơ sở hạ tầng và
mạng Ad hoc. Để quản lý năng lượng các trạm trong trong mạng không dây theo
chuẩn IEEE 802.11 thiết lập hai trạng thái “ngủ” và trạng thái “làm việc”, đồng thời
có sử dụng một bộ đệm để lưu tạm dữ liệu của bên phát nếu bên nhận đang trong
trạng thái “ngủ” (khác với mạng có dây, các thiết bị luôn trong trạng thái sẵn sàng
nhận thông tin mặc dù phần lớn trong trạng thái nhàn "rỗi"). Với ý tưởng này, mỗi
trạm trong trạng thái ngủ sẽ định kỳ chuyển sang trạng thái “làm việc” trong một
khoảng thời gian nhất định để kiểm tra xem có trạm nào gửi dữ liệu cho mình
không, nếu có nó sẽ thiết lập lại trạng thái “làm việc” cho đến khi nhận dữ liệu
xong. Việc chuyển trạng thái này cần sự đồng bộ hóa thời gian giữa các trạm (nói
cách khác, trong một IBSS, mọi trạm phải chuyển sang trạng thái “làm việc” hay
trong trạng thái “làm việc” cùng một thời gian). Để đảm nhiệm việc này, mỗi trạm
đều được cài đặt chức năng đồng bộ hóa thời gian.
Trong 802.11 PSM (Power Saving Mechanism) quy định khoảng beacon
thành hai khoảng thời gian gọi là cửa sổ DATA và cửa sổ ATIM. Tất cả các nút
mạng sẽ được đồng bộ tại thời điểm bắt đầu một beacon, và mỗi node mạng sẽ phải
thức giấc trong một thời gian ngắn được gọi là cửa sổ ATIM (Ad hoc Traffic
Indication Map). Cơ chế tiết kiệm năng lượng này chia thời gian thành các khoảng
báo hiệu, tất cả các node mạng phải được đồng bộ thời gian theo các khoảng báo
hiệu định kỳ. Các node sẽ phải thức trong khoảng thời gian ngắn gọi là cửa sổ
ATIM (Ad hoc Traffic Indication Map). Trong cửa sổ ATIM, node thu và node phát
sẽ trao đổi gói ATIM Request và ATIM-ACK. Sau khi kết thúc cửa sổ ATIM,
chúng sẽ đi vào quá trình trao đổi dữ liệu, trong khi đó các node mạng không liên
quan sẽ rơi vào trạng thái ngủ. Ở trạng thái ngủ, node không truyền, không nhận
cũng không cảm nhận sóng mang qua đó giúp tiết kiệm một phần năng lượng.


ĐỒ ÁN 3
Trang 24/29


HÌNH 2-8: Chế độ tiết kiệm năng lượng trong IEEE 802.11 [5]
Hình 2-8 mô tả một ví dụ về cơ chế quản lý năng lượng trong chuẩn IEEE
802.11. Xét mô hình gồm 3 node 1, 2, 3. Tại thời điểm t1, node 1 đang trong chế độ
ngủ và gói tin đến từ lớp trên (lớp network) yêu cầu node 1 truyền gói tin đó cho
node 2. Tuy nhiên, node 1 đang trong chế độ ngủ, nên việc truyền tin phải trì hoãn
cho đến khoảng beacon tiếp theo. Khoảng beacon tiếp theo bắt đầu tại thời điểm t2,
lúc này trong cửa sổ ATIM node 1 sẽ gửi gói tin ATIM - Request đến node 2. Sau
khi node 2 nhận được ATIM – Request sẽ phải gửi hồi đáp lại gói tin ATM – ACK
cho node 1. Sau khi cửa sổ ATIM kết thúc, node 1 và 2 sẽ bắt tay truyền dữ diệu
bằng cách sử dụng chế độ DCF 802.11 trong cửa sổ DATA. Vì node 3 không gửi
hay nhận bất kì gói tin ATIM – Request nào trong suốt khoảng thời gian của cửa sổ
ATIM, nên nó sẽ rơi vào trạng thái ngủ trong suốt khoảng thời gian còn lại của
khoảng beacon sau khi cửa sổ ATIM kết thúc.


ĐỒ ÁN 3
Trang 25/29

Một số đặc điểm cần lưu ý trong PSM 802.11
•

Trong IEEE 802.11 PSM, xung đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc để các
cửa sổ ATIM ở các node khác nhau diễn ra đồng thời.

•

Nếu một node rơi vào trạng thái ngủ mà lại nhận được một gói tin từ node khác nhờ
chuyển tiếp cho một node thứ ba thì gói tin đó phải chờ đến khoảng báo hiệu tiếp
theo. Chính vì vậy, trong IEEE 802.11 PSM, ta phải chấp nhận những khoảng trễ

không mong muốn khi một gói tin được truyền từ một node đến các node lân cận.

•

Tất cả các node phải thức trong cửa sổ ATIM dẫn đến tình trạng tiêu tốn năng
lượng ở một số node không tham gia việc trao đổi thông tin. Đây là nhược điểm cần
khắc phục của IEEE 802.11 PSM.

CHƯƠNG 3.

PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT DCF 802.11

1.7 Cở sở lý thuyết và các thông số mô phỏng