Chương 1: “Tìm hiểu về mạng không dây và chuẩn IEEE 802.11” tìm hiểu các chuẩn mạng không dây và vấn đề hiệu năng mạng không dây, đặc biệt với dữ liệu đa phương tiện. • Chương 2: “Tìm hiểu về chất lượng dịch vụ (QoS) và chất lượng trải nghiệm (QoE)” nghiên cứu so sánh QoS và QoE. • Chương 3: “Đánh giá thử nghiệm hiệu năng cho mạng không dây” thực hiện việc đánh giá dựa trên hệ thống thực nghiệm (testbed) mạng không dây đối với dữ liệu đa phương tiện. Đóng góp của luận văn Luận văn đã tập trung tìm hiểu hoạt động của mạng không dây, các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây, nhưng luận văn tập trung tìm hiểu hai vấn đề chính là chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) và chất lượng trải nghiệm (Quality of Experience – QoE). Luận văn cũng triển khai đánh giá hiệu năng mạng không dây với dữ liệu đa phương tiện, dựa trên mô hình mạng thật (testbed) có quy mô nhỏ. TÌM HIỂU VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ CHUẨN IEEE 802. Giới thiệu Vào năm 1997, Viện Kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and Elec- tronics Engineers – IEEE) tạo ra chuẩn mạng không dây cục bộ (Wireless LAN – WLAN) đầu tiên, đó là chuẩn 802.
Các tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã trải qua quá trình phát triển lâu dài như Hình 1. Trong số nhiều tiêu chuẩn 802.11x thì chuẩn IEEE 802.11e được đề xuất năm 2005 [12] là đáng chú ý vì đưa ra các tập chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) tập trung vào các ứng dụng đa phương tiện như voice, video, và chuẩn IEEE 802.11e này đã được hợp nhất như một thành phần trong chuẩn WLAN IEEE 802. Có thể khái quát quá trình phát triển của chuẩn không dây IEEE 802.11 cũng như các đề xuất bổ sung cho chuẩn này như sau: Bắt đầu từ năm 1997, tiêu chuẩn cho mạng WLAN đã được đề xuất và tiêu chuẩn (standard) không dây được ký hiệu IEEE 802.11, tuy nhiên do giới hạn băng tần cực đại chỉ ở mức 2 Mbps nên không đáp ứng được thực tế sử dụng, các thiết bị không dây theo chuẩn ban đầu này gần như không được sản xuất và nhu cầu cải tiến 802.11 được đặt ra. Một đề xuất mở rộng (amendment) cho IEEE 802.11 đã nhanh chóng được đề xuất vào tháng 7 năm 1999 và có tên IEEE 802.11b, hỗ trợ băng thông gần tương đương với Ethernet lúc đó là 11 Mbps.11b sử dụng tần số 2.4 GHz vốn được dùng rộng rãi cho các thiết bị gia dụng như điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác, do vậy các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz này, cách khắc phục có thể là đặt các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị cùng tần số để giảm được hiện tượng xuyên nhiễu.
IEEE cũng trong năm 1999 này đã tạo ra mở rộng thứ hai cho chuẩn 802.11a, còn được coi là WiFi thế hệ thứ hai – WiFi 2, chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 54 Mbps và tín hiệu trong một phổ tần số quy định quanh mức 5GHz. Tần số 5 của 802.11a cao hơn so với 802.11b, và với tần số này, các tín hiệu 802.11a cũng khó xuyên qua các vách tường và các vật cản khác hơn. Hai chuẩn a và b này thường được gọi chung là chuẩn IEEE-802. Từ năm 2003, một loạt các mở rộng tiếp theo của IEEE 802.11 được đưa ra gồm: IEEE 802.11g đã kết hợp các ưu điểm của cả 802.11 a và b trước đó nhằm hỗ trợ băng thông cao 54 Mbps và phạm vi tín hiệu tốt hơn và có khả năng tương thích ngược với các chuẩn trước đó.11h là phiên bản nâng cao của 802.11a để hỗ trợ riêng cho các yêu cầu quy định của thị trường châu Âu.11i tập trung cải tiến an toàn và bảo mật.11e tập trung hỗ trợ các đáp ứng về yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS).
Và đến năm 2007 thì các đề xuất mở rộng này đã được chính thức tích hợp vào chuẩn IEEE-802. Vào năm 2009, một mở rộng tiếp theo cho mạng WLAN được phê chuẩn là IEEE 802.11n, hay Wireless N nhằm cải tiến 802.11g và có thể thu/phát tín hiệu của kết nối không dây bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten (Multiple In, Multiple Out – MIMO), băng thông của chuẩn n này có thể lên đến 300 Mbps và tần số hoạt động 2.4/5 GHz cho phép phạm vi phủ sóng lớn và khả năng chống nhiễu tốt hơn, cũng như tương thích ngược với các mở rộng tiêu chuẩn 802. Các năm tiếp theo có nhiều mở rộng được đề xuất như IEEE 802.11p năm 2010 tập trung cho môi trường mạng xe cộ (Vehicles Network); IEEE 802.11u năm 2011 cung cấp khả năng liên mạng với mạng viễn thông di động/mạng 3G. Đến năm 2012 thì các đề xuất mở rộng này đã được chính thức tích hợp vào chuẩn IEEE-802.
[13] Đến năm 2013, đề xuất mở rộng IEEE 802.11ac được đưa ra, 802.11ac sử dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng tần 2.4 GHz và 5 GHz.11ac cung cấp khả năng tương thích ngược với các chuẩn 802.11n và băng thông đạt tới 1300 Mbps trên băng tần 5 GHz, 450 Mbps trên 2. Cũng trong năm 2013, mở rộng IEEE 802.11af (còn có các tên gọi khác là Super WiFi hoặc White-Fi) dùng tần số thấp 1 GHz nhằm có bước sóng dài hơn để tín hiệu truyền đi xa hơn và lý thuyết có thể đến 10 km nhưng đổi lại băng thông chỉ ở mức quanh 20 Mbps. Chuẩn không dây có tích hợp các đề xuất mở rộng này đã được chính thức phê duyệt và được coi là chuẩn IEEE-802. 6 Quá trình phát triển của các tiêu chuẩn không dây IEEE 802.11 cũng như các đề xuất mở rộng được tổng hợp khái quát trong Hình 1.
Quá trình phát triển của họ tiêu chuẩn IEEE-802. Trong thực tế mô hình mạng TCP/IP đối với các loại hình mạng có dây (wired) và không dây (wireless) chủ yếu khác nhau ở các tầng vật lý (chủ yếu liên quan đến thiết bị) và MAC (Media Access Control), do vậy phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày một số cơ chế hoạt động tại tầng MAC của IEEE 802.11 nói chung và chuẩn IEEE 802.11e liên quan đến chất lượng dịch vụ cho mạng không dây. Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm truy cập không dây (Wi-Fi hostpot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng, các chi phí loại này có thể không được chấp nhận trong các môi trường động, ở đó người và/hoặc các phương tiện chỉ cần kết nối tạm thời trong một vùng mà không cần một cơ sở hạ tầng truyền thông sẵn có, ví dụ như trường hợp cứu hộ khi có thảm họa động đất, sóng thần, lúc đó hạ tầng mạng gần như bị phá hủy hoàn toàn, hoặc trường hợp các sinh viên trong chuyến xe bus đi du lịch có nhu cầu muốn chia sẻ tài liệu hoặc chơi game tương tác với nhau trong lúc đi trên xe.
Trong những trường hợp như vậy, một giải pháp hiệu quả hơn có thể được cung cấp, đó là chế độ hoạt động không cần hạ tầng cơ sở hay 7 mạng tùy biến không dây (wireless ad-hoc network), hay gọi tắt là mạng ad hoc. Trong mạng ad hoc, kết nối được thiết lập cho khoảng thời gian tương ứng với một phiên làm việc và không cần trạm cơ sở (base station). Các thiết bị sẽ khám phá những thiết bị khác ở trong cùng một miền để hình thành nên mạng. Các thiết bị có thể sẽ tìm kiếm các trạm trong cùng miền bằng cách phát tràn (flooding) các thông điệp quảng bá mà được chuyển tiếp bởi mỗi trạm.
Khi hoạt động ở chế độ này, các trạm được xem như đóng vai trò một tập dịch vụ cơ sở độc lập (Independent Basic Service Set – IBSS). Bất kỳ trạm nào ở trong miền phát (transmission range) của trạm khác, sau một bước đồng bộ hóa, đều có thể bắt đầu truyền thông. Điểm truy cập (Acess Point – AP) không cần thiết với chế độ mạng này, nhưng nếu một trong số các trạm đang hoạt động ở chế độ ad hoc có kết nối với mạng có dây, các trạm trong mạng ad hoc sẽ có truy cập không dây đến Internet. Mạng ad hoc đa chặng (multi-hop ad hoc networks) là các mạng ad hoc mà các kết nối của chúng có thể qua nhiều trạm.
Các giao thức định tuyến do đó sẽ cung cấp các kết nối ổn định cho dù các trạm chuyển động liên tục. Mỗi trạm sẽ cố gắng chuyển tiếp dữ liệu đến các trạm khác, và do đó việc xác định trạm nào chuyển tiếp dữ liệu được thực hiện tự động dựa trên kết nối mạng. Điều này ngược lại với các công nghệ mạng truyền thống ở đó một vài trạm được thiết kế trước, thông thường với các thiết bị phần cứng như router, switch, hub và firewall, sẽ thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu. Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc.11 là một nền tảng tốt để cài đặt các mạng ad hoc đơn chặng (single– hop) bởi tính đơn giản của nó.
Tính đơn chặng có nghĩa là các trạm phải ở trong cùng miền phát (thường từ 100–200 mét) để có thể truyền thông trực tiếp với nhau. Sự hạn chế đó có thể được khắc phục bởi mạng ad hoc đa chặng. Trong môi trường mạng ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận 8 này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin giữa bên gửi và bên nhận.
Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không hoạt động được. Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng ad hoc đa chặng, các trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp (forwarding flow), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm của nó.