Tài liệu Sự phát triển và tương lai của Wi-Fi – Phần 1&2 doc

Sự phát triển và tương lai của Wi-Fi – Phần 1&2
Công nghệ Wi-Fi xuất hiện lần đầu vào năm 1997. Ngày nay công nghệ
này đã được phát triển rất mạnh và hiện đang ở chuẩn 802.11n. Trong
loạt bài này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn một số kiến thức cơ bản
về công nghệ này, song song với đó là một phác thảo vắn tắt về sự phát
triển của nó.

Giới thiệu
Chuẩn 802.11 là chuẩn được sử dụng cho công nghệ Wi-Fi bắt đầu từ năm
1997 do Institute for Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ban bố.
Theo thời gian chuẩn này đã được phát và ngày nay chúng ta đang có phiên
bản 802.11n.
Institute for Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
Chúng ta hãy bắt đầu với giới thiệu vắn tắt về IEEE là gì. IEEE là một tổ
chức khoa học nghề nghiệp được xây dựng nhằm mục đích hỗ trợ các hoạt
động nghiên cứu khoa học, thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ trong
các lĩnh vực điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin, khoa học máy tính.
Viện này gồm có nhiều kỹ sư điện và điện tử (nhiều người có bằng cấp cao
đang làm việc tại các trường Đại học danh tiếng trên toàn thế giới), có thể
nói họ là các chuyên gia trong từng lĩnh vực. Tổ chức các chuẩn này ra đời
xuất phát từ sự cần thiết cần có các chuẩn được chấp thuận rộng rãi để bảo
đảm khả năng tương thích giữa các thiết bị trên toàn thế giới. Đây chính là
một trong những nhiệm vụ khó khăn nhất của IEEE, bảo đảm sự chấp thuận
rộng rãi; một nhiệm vụ mà họ không phải lúc nào cũng thực hiện được. Các
chuẩn được công bố bởi IEEE bao gồm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật điện tử
có liên quan đến mạng máy tính. Khi có ai đó phân tích các chuẩn, một điều
quan trọng cần phải nhớ rằng hiệu suất thường không phải là mục tiêu thiết
kế của các chuẩn. Trong thực tế, các chuẩn có thể không được hoàn hảo.
Mặc dù vậy, như chúng tôi gợi ý ở trên, một chuẩn chỉ có giá trị nếu nó được
chấp thuận rộng rãi; mục tiêu này chính là sợi chỉ đỏ xuyên suốt quá trình
thiết kế các chuẩn.

Tiểu ban của IEEE mà loạt bài viết này giới thiệu về là tiểu ban LAN/MAN.
Tiểu ban này đã được chỉ định bộ định danh 802, vì vậy mỗi một chuẩn
được quyết định bởi tiểu ban này sẽ bắt đầu với bộ định danh 802. Chỉ số 11
trong 802.11 có nghĩa chuẩn có liên quan đến sự điều biến trong không gian;
vì vậy tất cả các chuẩn 802.11 sẽ được công bố bởi tiểu ban 802 và sử dụng
sự điều biến trong không gian. Bạn sẽ thường thấy chỉ số 802.11 và nhiều
chuẩn khác cho chủ đề được viết cùng với thời gian phía sau bộ chỉ định,
chẳng hạn như 802.11-1997. Thời gian được ghi này chính là thời điểm công
bố chuẩn. Khi đưa ra một chuẩn, tiểu ban sẽ công bố những cập nhật mới
nhất và thời gian này sẽ thay đổi theo công bố gần nhất. Thêm vào đó bạn
cũng sẽ thường thấy các bộ định danh được miêu tả cùng với một chữ cái in
thường, chẳng hạn như 802.11b. Ở đây các chữ cái in thường chỉ thị sự sửa
đổi đối với chuẩn được công bố ban đầu. Trong trường hợp 802.11, chữ cái
in thường được gán cho những sửa đổi đã được phê chuẩn nhằm trợ giúp
công nghệ 802.11có được tốc độ lớn hơn, phạm vi rộng hơn, độ tin cậy tốt
hơn, hoặc sự kết hợp cả ba yếu tố trên.
802.11-1997
Chuẩn được công bố đầu tiên cho Wi-Fi là 802.11-1997, đây là chuẩn được
công bố vào năm 1997. Các bạn cần phải nhớ rằng khi chúng tôi nói IEEE
không phải lúc nào cũng thành công trong mục tiêu chấp thuận rộng rãi?
Đây là một trường hợp như vậy. Chuẩn ban đầu đã nhận được rất ít sự thừa
nhận. Một phần là do tốc độ bit thấp của nó chỉ khoảng 1 hoặc 2MB/s. Tốc
độ bit thực sự phụ thuộc vào liên kết vật lý được sử dụng để truyền tải dữ
liệu. Chuẩn 802.11-1997 đã cho phép ba công nghệ khác nhau có thể sử
dụng:
1. Hồng ngoại: Công nghệ cung cấp thông lượng 1 MB/s

2. Frequency Hoping Spread Spectrum: Công nghệ cung cấp thông
lượng 1 hoặc 2 MB/s.

3. Direct Sequence Spread Spectrum: Công nghệ cũng cung cấp thông
lượng 1 hoặc 2 MB/s.
Tỉ lệ chấp thuận thấp đối với chuẩn công nghệ này là do một phần tốc độ bit
thấp, tuy nhiên nó cũng có một phần là sự đắt đỏ của công nghệ. Vào năm
1997, việc thiết kế các bộ thu và phát được yêu cầu để sử dụng chuẩn
802.11-1997 khá đắt tính trên đầu các máy tính, đặc biệt là các máy tính
laptop, do khả năng di động của chúng yêu cầu cần phải có công nghệ Wi-
Fi). Tuy nhiên về sau này, chuẩn 802.11 được cập nhật vào năm 1999 với
các bộ định danh “a” và “b” đã nhận được sự đồng thuận nhiều hơn. Mặc dù
802.11a và 802.11b đều được phát hành đồng thời vào năm 1999 nhưng chỉ
có 802.11b được chấp thuận một cách rộng rãi.
802.11a và 802.11b
802.11a là một chuẩn được cải thiện từ 802.11-1997. Trong khi 802.11-1997
chỉ có thể truyền tải dữ liệu với tốc độ 2MB/s thì 802.11a có thể truyền tải
dữ liệu với tốc độ 54 MB/s. Việc tăng tốc độ truyền tải dữ liệu này là do sử
dụng tần số 5GHz thay cho tần số 2.4GHz được sử dụng trong 802.11-1997
( tần số được sử dụng cho các tùy chọn Frequency Hoping Spread Spectrum
và the Direct Sequence Spread Spectrum; không có tùy chọn hồng ngoại).
Ngoài việc tăng về tốc độ, một ưu điểm khác trong việc sử dụng tần số
5GHz là không có nhiều thiết bị sử dụng tần số này, vì vậy khả năng xuyên
nhiễu giữa các thiết bị sẽ giảm. Mặc dù vậy việc sử dụng băng tần 5GHz
cũng có một nhược điểm lớn. Do tần số 5GHz sử dụng sóng ngắn (tần số có
tỷ lệ ngược với bước sóng; chính vì vậy tần số càng cao thì bước sóng sẽ
càng ngắn) nên kỹ thuật này có phạm vi phủ sóng kém hơn và tín hiệu bị cản
trở nhiều hơn bởi những vật cản như các bức tường; thậm chí không có
nhiều bức tường nhưng nếu tín hiệu truyền trong không gian có nhiều đối
tượng (bàn và ghế,…) cường độ tín hiệu bị suy giảm rất nhanh.
802.11b thừa hưởng Direct Sequence Spread Spectrum từ chuẩn 802.11-
1997 ban đầu, cùng với tần số hoạt động 2.4 GHz. Việc tiếp tục sử dụng tần
số 2.4 GHz có cả ưu điểm và nhược điểm. Ưu điểm ở đây là tần số này

không bị điều chỉnh lại và vì vậy giá thành chi phí sản xuất sẽ rẻ hơn. Tuy
nhiên nhược điểm là có nhiều thiết sử dụng sử dụng tần số này (điện thoại
kéo dài, các bộ kiểm tra trẻ nhỏ), tất cả chúng đều có thể xuyên nhiễu lẫn
nhau.
Thay đổi chủ yếu trong 802.11b là tốc độ dữ liệu tối đa. Tốc độ dữ liệu tối
đa của 802.11b đạt khoảng 11MB/s, con số có thể so sánh với tốc độ
Ethernet truyền thống ở những năm 1999 và 2000. Vơi tốc độ này, nhiều
khách hàng có thể sử dụng Wi-Fi, thừa hưởng tất cả những ưu điểm về khả
năng di động mà không bị các nhược điểm về tốc độ. Cùng với việc giảm
được đánh kể giá thành trong công nghệ đã làm cho công nghệ 802.11b
được sự chấp thuận một cách rộng rãi.
802.11g
Khi tốc độ Ethernet tăng, điều này đã tác động đến chuẩn 802.11. Vào năm
2003, IEEE đã phê duyệt chuẩn 802.11g. Chuẩn 802.11g này hoạt động ở
tần số 2.4 GHz, giống như 802.11b và 802.11-1997, nhưng nó sử dụng kỹ
thuật Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được sử
dụng bởi 802.11a. Kỹ thuật OFDM này đã cho phép 802.11g hoạt động ở
tốc độ 54 MB/s; một sự tăng đáng kể về tốc độ so với 802.11b là 11 MB/s.
Giống như 802.11b, 802.11g cũng được chấp thuận một cách rộng rãi cho cả
khách hàng và doanh nghiệp.
802.11n
802.11n là chuẩn mới nhất hiện nay, chuẩn này vừa được phê chuẩn vào
tháng 9 vừa qua. 802.11n sử dụng một công nghệ mới để tăng tốc độ dữ liệu
đó là Multiple Input / Multiple Output (MI-MO). Chúng tôi sẽ giới thiệu sâu
cho các bạn về chuẩn 802.11n trong phần tiếp theo của loạt bài này, tuy
nhiên các bạn có thể đoán ngay từ MI-MO rằng 802.11n sẽ làm việc với
nhiều bộ thu phát và điều này đã cho phép nó tăng được tốc độ dữ liệu.
Trong phần hai của loạt bài này, chúng tôi sẽ tiếp tục giới thiệu cho các
bạn về trạng thái hiện hành của công nghệ Wi-Fi, 802.11n.
Giới thiệu

Trong phần trước của loạt bài này, chúng tôi đã bắt đầu giới thiệu về Viện
các kỹ sư điện và điện tử - Institute for Electrical and Electronics Engineers
(IEEE) và đã mô tả sự phát triển của công nghệ Wi-Fi. Trong phần hai này,
chúng tôi sẽ giới thiệu công nghệ Wi-Fi trong hình thể gần đây nhất, được
biết đến với chuẩn 802.11n.
MIMO
Sự cách tân mới trong 802.11n chính là sự xuất hiện của anten Multiple
Input Multiple Output (MIMO) trong các chuẩn Wi-Fi. Các cấu hình anten
Wi-Fi trước chỉ sử dụng công nghệ Single Input Single Output (SISO). Như
tên gợi ý của nó, MIMO có nghĩa rằng có nhiều anten để thu cũng như nhiều
anten để phát dữ liệu. MIMO là một trong ba cấu hình chung được sử dụng
cho công nghệ đa anten. Các cấu hình này, như thể hiện trong hình 1 là:
1. Single Input Multiple Output (SIMO) – Một đầu vào, nhiều đầu ra
2. Multiple Input Single Output (MISO) – Nhiều đầu vào, một đầu ra
3. Multiple Input Multiple Output (MIMO) – Nhiều đầu vào, nhiều đầu
ra

Hình 1: Các cấu hình anten khác nhau
Công nghệ MIMO có rất nhiều lợi ích đối với người dùng. Đầu tiên đó là
trường hợp có nhiều người dùng cùng truy cập vào cùng một tài nguyên Wi-
Fi. Cho ví dụ, trong văn phòng của bạn có thể có một nút Wi-Fi đặt ở phòng
chờ, bạn và các đồng nghiệp của mình có thể kết nối đến nút này khi uống
cafe sáng trong giờ nghỉ giải lao ở đó. Trước khi có chuẩn 802.11n, nếu có
nhiều người dùng cùng truy cập vào một nút 802.11n, lúc này hiệu suất truy
cập sẽ bị giảm một cách đáng kể. Còn với công nghệ mới này, mỗi anten có
thể được gán cho một người dùng và tất cả người dùng (giả định rằng số
lượng người dùng nhỏ hơn hoặc bằng số anten) sẽ không nhận thấy sự giảm
về tốc độ truy cập.
Sự phân bố của anten
MIMO cũng có nhiều lợi ích khi chỉ có một người dùng. Chúng ta hãy quay

trở lại kịch bản phòng chờ của văn phòng. Lúc này cho rằng chỉ có một
người dùng đang truy cập vào nút Wi-Fi. Mặc dù một trong số các đồng
nghiệp của bạn đang sử dụng điện thoại di động blackberry của họ thì vẫn có
một lượng sóng ngắn đang được phát ra, hay thậm chí có ai đó đang sử dụng
điện thoại không dây. Đây là một vấn đề cũ đối với Wi-Fi. Nó là tình huống
mà trong đó chỉ có một người sử dụng Wi-Fi nhưng lại rất khó khăn trong
việc nhận tín hiệu vì có quá nhiều tạp âm trong môi trường (tạp âm điện từ
trường). MIMO có thể trung hòa sự xuyên nhiễu này bằng cách gửi đi cùng
một tín hiệu đến cùng người dùng nhưng trên nhiều anten. Người dùng nhận
các tín hiệu này có thể so sánh một trong các tín hiệu với nhau, sau đó quyết
định xem tín hiệu nào là thực (tín hiệu trước khi bị xuyên nhiễu).
Phương pháp cho việc đếm sự xuyên nhiễu tín hiệu này được gọi là phân bố
anten. Có 5 cách chung để thực hiện sự phân bố này.
Phân bố theo không gian
Khi một ứng dụng sử dụng một anten phân bố theo không gian thì trạm gốc
phải có nhiều anten, các anten này được đặt tách biệt nhau về mặt vật lý.
Thông thường các anten này sẽ có cùng các đặc tính. Khoảng cách giữa các
anten có thể bất kỳ. Nhưng thường thì khoảng cách này tương đương với độ
dài bước sóng của tín hiệu được phát đi. Trong một số trường hợp khác,
anten có thể được đặt cách nhau đến vào dặm. Đây là lược đồ phân bố anten
thường được sử dụng nhất là bạn sẽ thấy trong các trạm gốc Wi-Fi 802.11n.
Phân bố theo kiểu dáng
Sự phân bố theo kiểu mẫu thường được sử dụng nhất với các anten định
hướng. Trong lược đồ phân bố anten này, nhiều anten định hướng sẽ được
đặt gần với anten có kiểu mẫu bức xạ khác. Lược đồ này có thể cung cấp
hiệu suất tốt hơn khi đem so với các lược đồ đang sử dụng một anten đa
hướng.
Phân bố theo độ phân cực
Sự phân bố theo độ phân cực gồm có một cặp (hoặc nhiều cặp) anten, mỗi
cặp có một phân cực đối diện. Vì các tín hiệu được phát từ một trong các

anten này có phân cực đối diện diện nên sự xuyên nhiễu bởi các tín hiệu
cũng sẽ khác. Chính vì vậy bộ thu sẽ có khả năng nhận tín hiệu tốt hơn, hoặc
tối thiểu bộ thu có thể sử dụng cả hai tín hiệu để xây dựng lại sự truyền phát
ban đầu.
Phân bố theo mảng thích nghi
Mảng thích nghi gồm có một mảng các anten có thể thay đổi các kiểu phân
cực của chúng một cách dễ dàng. Kiểu anten này rất đắt và yêu cầu rất nhiều
sự điều khiển, và điều này càng làm cho giá thành của chúng đắt lên. Với lý
do này, kiểu anten này hầu như khó phù hợp với công nghệ Wi-Fi.
Phân bố thu/phát
Sự phân bố thu/phát có thể xuất hiện khi một trạm gốc có một anten phát và
một anten khác để thu. Không có nhiều ưu điểm về thu phát trong lược đồ
này, mặc dù vậy nó có thể tiết kiệm được nhiều chi phí và không cần bộ
ghép song công duplexer.
Các lợi ích trong tương lai
Ở trên chúng tôi đã đề cập rằng MIMO sẽ đem lại nhiều lợi ích đến người
dùng. Nhưng những lợi ích kể trên vẫn chưa đủ, MIMO vẫn có nhiều lợi ích
khác.
Dirty Paper Coding
Một công nghệ mà chúng tôi cảm thấy rất thú vị đó là công nghệ mang tên
Dirty Paper Coding (DPC). Về cơ bản DPC là một vấn đề toán học và có
liên quan đến việc mã hóa các tín hiệu trước khi truyền tải. Trước khi giải
thích về DPC là gì, hãy cho phép chúng tôi giải thích công nghệ này sẽ giải
quyết vấn đề gì. Chúng ta hãy quay trở lại kịch bản phòng chờ của văn
phòng , nơi đang có bạn và một số đồng nghiệp của bạn đang truy cập vào
trạm gốc. Như tôi đã giải thích trước, MIMO cho phép mỗi anten được gán
cho mỗi một người dùng để mỗi người dùng sẽ sử dụng anten trạm gốc của
riêng mình. Tuy nhiên điều này làm cho các tín hiệu sẽ xuyên nhiễu lẫn nhau
và làm giảm phạm vi truyền tải. Lúc này DPC có nhiệm vụ sẽ giải quyết vấn
đề. Về cơ bản, thuyết DPC cho chúng ta hiểu rằng, nếu bạn biết cả hai tín

hiệu đang được phát thì bạn sẽ biết sự xuyên nhiễu và có thể thay đổi các tín
hiệu để bộ nhận sẽ nhận được tín hiệu dự định.
Điều này nghe có vẻ đơn giản nhưng trong thực tế lại không diễn ra như vậy.
Đó là vì nếu bạn thay đổi một trong số các tín hiệu thì nhiễu cũng thay đổi,
từ đó yêu cầu bạn thay đổi tín hiệu khác, và lại tiếp tục làm thay đổi nhiễu.
Vì vậy với các tín hiệu phức tạp đang được phát trên trạm gốc Wi-Fi, sẽ rất
khó tính toán những thay đổi được yêu cầu cho DPC. Thậm chí còn khó hơn
để thực hiện đủ nhanh để người dùng không thấy sự chậm trễ.
Đa nguồn cho một người dùng
Đa nguồn cho một người dùng (MSSU) có nghĩa rằng trong trường hợp này
chỉ có một người dùng kết nối đến một trạm gốc MIMO. Lúc này, thay vì
mỗi một anten phát đi một bản copy dữ liệu giống nhau, dữ liệu có thể được
phân chia và mỗi một anten có thể phát đi một phần dữ liệu để rồi sau đó có
thể lắp ráp lại bởi bộ nhận. Theo lý thuyết của phương pháp này, người dùng
có thể nhận cùng một số lượng dữ liệu trong phần nửa thời gian.