Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN MẠNG WI-FI 1. Giới thiệu Trong vài thập niên trở lại đây, sự phát triển của khoa học và công nghệ đã hoàn toàn thay đổi cuộc sống của loài người. Các phát kiến, sang chế làm cho cuộc sống sinh hoạt, làm việc và giải trí của con người trở nên dễ dàng, thuận tiện và hiện đại hơn. Một trong số đó là công nghệ truyền thông vô tuyến, đang trở nên phổ biến hơn bao giờ hết.
Với sự ra đời của công nghệ này, người dùng có thể giữ kết nối mạng mà không cần tới bất kì sợi dây nào, hay mặt khác nó có thể hỗ trợ cho các thiết bị di động, điều khiển từ xa và chuyển phát dữ liệu trở nên hiệu quả hơn, nhanh hơn và chuẩn xác hơn. Wi-Fi là một trong những hệ thống mạng vô tuyến phổ biến nhất của thế kỷ 21. Wi-Fi viết tắt của từ Wireless Fidelity là chuẩn công nghệ IEEE 802.11 (viết ngắn gọn là 802.11) cũng chính là nhóm các tiêu chuẩn kỹ thuật của công nghệ kết nối này do liên minh Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) phát triển và chuẩn hóa [18]. Trong khi những giao thức vô tuyến khác làm việc tốt trong những trường hợp nhất định, thì công nghệ Wi-Fi hoạt động tốt với hầu hết mạng trong nhà, các mạng cục bộ trong doanh nghiệp và các mạng công cộng.
Lịch sử phát triển chuẩn Wi-Fi Năm 1985, Ủy ban Truyền thông liên bang đã chuyển phổ tần từ 2.5 GHz để sử dụng cho cộng đồng công nghiệp, khoa học và y tế (hay là ISM band). Có nghĩa là người dùng có thể sử dụng tự do dải tần này mà không cần cấp phép. Tin này đã làm kích động tất cả các nhà phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến, bởi vì họ có thể phát triển các ứng dụng trên băng tần này mà không phải lo ngại về mặt tài chính cho việc mua giấy phép phổ tần. Nhưng thật không may, điều này dẫn đến có rất nhiều các ứng dụng và thiết bị hoạt động trên cùng dải tần này [18].
Đầu năm 1990, IEEE nhận ra rằng cần có một tiêu chuẩn cơ sở hạ tầng truyền thông vô tuyến để đáp ứng được các yêu cầu của thị trường. IEEE đã thành lập một hội đồng quản trị chuyên trách tập trung phát triển chuẩn mạng LAN không dây.11 tập trung xem xét xây dựng những giải pháp vô tuyến ổn định, giá thành rẻ, nhanh và độ tin cậy cao để có thể hình thành một chuẩn có thể được chấp nhận rộng rãi sử dụng dải tần ISM [18]. Năm 1997, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã giới thiệu chuẩn đầu tiên cho WLAN. Chuẩn này được gọi là 802.11 sau khi tên của nhóm được thiết lập nhằm giám sát sự phát triển của nó.
Tốc độ tối đa mà chuẩn này hỗ trợ là 2 Mbps. Nó được tích hợp các phương pháp như chuyển tiếp khắc phục lỗi, trải phổ trực tiếp và trải phổ nhảy tần để tránh nhiễu. Nó cũng có tích hợp hỗ trợ truyền thông vô tuyến hồng ngoại, tuy nhiên tốc độ tối đa cũng chỉ là 2 Mbps [18].11 chỉ hỗ trợ tốc độ cực đại lên đến 2 Mbps, sử dụng băng tần 2,4 GHz của sóng radio hoặc hồng ngoại – quá chậm đối với hầu hết các ứng dụng. Với lý do đó, các sản phẩm thiết bị vô tuyến thiết kế theo chuẩn 802.11 ban đầu dần không được sản xuất.
Hình 1-1: Wi-Fi mọi lúc mọi nơi 15 1.11b – Wi-Fi thế hệ thứ hai Vào tháng 7 năm 1999, IEEE đã phát triển và mở rộng dựa trên chuẩn 802.11 gốc và đưa ra một chuẩn mới, đó chính là chuẩn IEEE 802. Chuẩn này hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 11Mbps sử dụng công nghệ phát trải phổ trực tiếp (DSSS), tương đương với mạng Ethernet truyền thống.Tuy vậy, tốc độ trên thực tế của chuẩn này vào khoảng 4 – 6 Mbps. Dưới điều kiện lý tưởng (tầm nhìn thoáng, không có nhiễu), 802.11b có thể truyền với khoảng cách lên đến hàng trăm mét. Nhưng trong điều kiện thực tế với nhiều vật cản như tường, các tòa nhà và can nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác sẽ làm giảm khoảng cách truyền của nó.11b cũng thúc đẩy cho sự hình thành của Liên minh tương thích Ethernet không dây (WECA); một tổ chức phi lợi nhuận cho việc chuẩn hóa và nâng cấp công nghệ Wi-Fi.
Vào tháng 10 năm 2002, WECA đã tự đổi tên hiệp hội thành liên minh Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) [18].11b sử dụng tần số vô tuyến 2.4 GHz giống như chuẩn ban đầu IEEE 802. Các hãng muốn sử dụng các tần số này để giảm nhỏ chi phí trong sản xuất của họ.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần 2. Mặc dù vậy, bằng cách cài đặt các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu này.11b: giá thành thấp nhất, phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở. Nhược điểm của 802.11b: tốc độ tối đa thấp nhất, các ứng dụng gia đình có thể xuyên nhiễu.11a – Wi-Fi thế hệ thứ hai Trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển bởi nhóm phát triển 802.11b (TGb), thì nhóm phát triển 802.11a cũng tạo một mở rộng thứ cấp tương tự cho chuẩn 802.
Chuẩn này hoạt động tại phổ tần 5 GHz, lúc đó tại rất nhiều quốc gia đã cho sử dụng phổ tần này tự do không cần cấp phép (nhưng vẫn bị quản lý). Hiển nhiên, phổ tần này không quá “đông đúc” như với phổ tần 2.4 GHz đã được dùng cho rất nhiều ứng dụng như mở cửa gara, lò vi sóng và giám sát trẻ em. Với ít can nhiễu từ các thiết bị khác và băng thông rộng hơn, dung năng cao hơn có thể được xây dựng với chuẩn mới này.11b được sử dụng rộng rãi quá nhanh so với 802.11a, nên một số người 16 cho rằng 802.11a được tạo sau 802. Tuy nhiên trong thực tế, 802.11b được tạo một cách đồng thời.
Do giá thành cao hơn nên 802.11a chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp còn 802.11b thích hợp hơn với thị trường cho mạng gia đình [18].11a hỗ trợ băng thông lên đến 54 Mbps và sử dụng kỹ thuật hợp kênh phân chia theo thời gian phức tạp hơn, hoạt động trên dải tần 5 GHz. Tần số của 802.11a cao hơn so với 802.11b chính vì vậy đã làm cho phạm vi của hệ thống này hẹp hơn so với các mạng 802. Với tần số này, các tín hiệu 802.11a cũng khó xuyên qua các vách tường và các vật cản khác hơn.11b sử dụng các tần số khác nhau, nên hai công nghệ này không thể tương thích với nhau. Chính vì vậy một số hãng đã cung cấp các thiết bị mạng hybrid cho 802.11a/b nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là bổ sung thêm hai chuẩn này.11a: tốc độ cao, tần số 5 GHz tránh được sự xuyên nhiễu từ các thiết bị khác.
Nhược điểm của 802.11a: giá thành đắt, phạm vi hẹp và dễ bị che khuất.11g – Wi-Fi thế hệ thứ ba Không lâu sau khi 802.11a được gợi ý đề xuất, IEEE đã ngay lập tức nhận ra lợi ích của dạng sóng OFDM có thể mang lại cho chuẩn 802. Vào tháng 7 năm 2000, lực lượng đặc nhiệm G đã được giao nhiệm vụ đưa dạng sóng OFDM vào phổ tần 2.4 GHz và đã đưa ra một chuẩn mới có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802. Đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, nhưng sau 3 năm chuẩn mới ,802.11g, đã được hoàn thành. Điểm mấu chốt ở đây là các thiết bị 802.11g có sử dụng kỹ thuật điều chế mã bù (CCK) để đảm bảo việc hỗ trợ tương thích với các thiết bị chuẩn b.
Chính điều này có ảnh hưởng không nhỏ tới tốc độ dữ liệu của mạng, nhưng cho phép kết hợp được cả 2 chuẩn và cho phép thiết bị mạng 802.11 b/g cùng tồn tại trên một topo mạng [17-18]. Vào năm 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn đó là 802.11g, được đánh giá cao trên thị trường.11g thực hiện sự kết hợp tốt nhất giữa 802. Nó hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số 2.4 Ghz để có phạm vi rộng.11g có khả năng tương thích với các chuẩn 17 802.11b, điều đó có nghĩa là các điểm truy cập 802.11g sẽ làm việc với các adapter mạng không dây 802.11b và ngược lại.11g: tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt và ít bị che khuất. Nhược điểm của 802.11g: giá thành đắt hơn 802.11b, các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần.11n – Wi-Fi thế hệ thứ tƣ IEEE đã áp dụng rất nhiều kỹ thuật và phương pháp để tăng được tốc độ mạng vô tuyến.
Nhận thấy sự chưa thỏa mãn với tốc độ hiện tại của người dùng, IEEE đã tạo ra một nhóm đặc nhiệm mới (TGn) vào tháng 9 năm 2003 để đưa ra chuẩn có tốc độ vượt trên 54 Mbps. Năm 2009 chuẩn mới Wi-Fi – 802.11n được ra mắt chính. Đây là chuẩn được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và các anten. Bằng việc sử dụng công nghệ phát đa anten phát và đa anten thu (MIMO), 802.11n – chuẩn mới được đề xuất cho phép truyền thông với đa luồng dữ liệu, phân tách không gian, để tăng tốc độ tổng.
Cũng như với 802.11g thì chuẩn này có khả năng tương thích ngược lại với các chuẩn thực thi trước đó trên 2.4 GHz cũng như với 802.11a trên băng tần 5 GHz và phổ tần 3.11a được mở rộng đến 3.7 GHz bởi chuẩn 802.11y đưa ra vào tháng 11 năm 2008) [18]. Trong khi MIMO có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn và khả năng kháng nhiễu cao hơn, nhưng nó vẫn có nhưng giới hạn lượng dữ liệu truyền đi trong phổ tần tắc nghẽn như 2.11n sẽ hỗ trợ tốc độ tối đa 600Mb/s (trên thị trường phổ biến có các thiết bị 150Mb/s, 300Mb/s và 450Mb/s), tốc độ tối đa hỗ trợ cho phổ tần 2.4 GHz là 104 Mbps.11n cũng cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn so với các chuẩn Wi-Fi trước nó nhờ cường độ tín hiệu mạnh của nó. Chuẩn này có thể hoạt động trên cả hai băng tần 2,4GHz lẫn 5GHz và nếu router hỗ trợ thì hai băng tần này có thể cùng được phát sóng song song nhau.11n sẽ tương thích với các thiết bị 802.11n: tốc độ nhanh và phạm vi tín hiệu tốt nhất, khả năng chịu đựng tốt hơn từ việc xuyên nhiễu từ các nguồn bên ngoài. 18 Nhược điểm của 802.11n: giá thành đắt hơn 802.11g, sử dụng nhiều tín hiệu có thể gây nhiễu với các mạng 802.
