Chuẩn 802.11n và ứng dụng wifi

Chuẩn 802.11n và ứng dụng wifi 1.Lời mở đầu Thiết bị mạng không dây (WiFi) thế hệ mới hứa hẹn có nhiều cải tiến lớn về tốc độ và tầm phủ sóng. Thế nhưng, kết quả thử nghiệm cho thấy các sản phẩm mới lại có nhiều bất lợi hơn các sản phẩm cũ. “Nhanh hơn 12 lần”, “tầm phủ sóng tăng gấp 4 lần”, “nhanh hơn có dây” … đây là những lời mời chào về chuẩn WiFi mới nhất 802.11n từ các nhà sản xuất thiết bị mạng gia đình. WiFi thế hệ mới đã có nhiều hứa hẹn hấp dẫn: tầm phủ sóng rộng hơn, tốc độ lên đến 270Mbps (có thể lên đến 600Mbps). Mặc dù thực tế không được như lý thuyết nhưng các sản phẩm 802.11n có tốc độ và tầm hoạt động dư sức đáp ứng dịch vụ truyền phát video chất lượng cao và VoIP, game trực tuyến có nhiều hình ảnh và các dịch vụ “ngốn” băng thông khác. Các sản phẩm dựa trên chuẩn cuối cùng sẽ xuất hiện trước năm 2008 và sẽ được WiFi Alliance cấp chứng nhận có khả năng làm việc với nhau. Hiện tại, chúng ta đang có các sản phẩm gọi là “dự thảo” (draft-n) đầu tiên, phiên bản chưa hoàn chỉnh. Nhiều sản phẩm có thể không đảm bảo khả năng cập nhật firmware khi có tính năng cuối cùng. Tuy nhiên, sau 7 năm kể từ ngày được đề cập đến, thông số kỹ thuật của 802.11n đã được thay đổi nhiều lần qua hơn chục bản thảo (draft). Các nhà sản xuất đã không đủ kiên nhẫn để chờ đợi và dần đưa Draft N vào trong máy tính xách tay đời mới và nhiều thiết bị khác vài năm qua. Theo Hiệp hội Wi-Fi Alliance, tổ chức kiểm định và chứng nhận các sản phẩm không dây, tất cả các thiết bị sử dụng Wi-Fi Draft N hiện nay vẫn có thể tương thích với chuẩn chính thức và có thể được nâng cấp bằng cách cập nhật firmware. Bảng so sánh các chuẩn của IEEE 802.11 Các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.11 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n Năm phê chuẩn Tháng 7/1999 Tháng 7/1999 Tháng 6/2003 Cuối năm 2009 Tốc độ tối đa 54Mbps 11Mbps 54Mbps 300Mbps hay cao hơn Điều chế OFDM DSSS, CCK DSSS, CCK, OFDM DSSS, CCK, OFDM, MIMO Dải tần số trung tần (RF) 5GHz 2,4GHZ 2,4GHZ 2,4GHz hay 5GHz Spatial Stream 1 1 1 1, 2, 3 hay 4 Độ rộng băng thông 20MHz 20MHz 20MHz 20 MHz hay 40 MHz 2. Mục tiêu đồ án: Chuẩn 802.11n mặc dù đang là chuẩn dự thảo (draft), nhưng đã đang từng bước tiếp cận đến thực tế và được tích hợp vào trong các thiết bị của nhiều nhà sản xuất hiện nay. Do vậy việc nghiên cứu về nó còn hạn chế: Tài liệu ít. Đa số là tài liêu nước ngoài, tuy nhiên vẫn còn mang tính sách vở. Chưa có tài liệu nghiên cứu tiếng Việt chuẩn. Thiết bị đo lường bắt gói đắt tiền và chưa phổ biến ở Việt Nam (card Airpcap N) Với những ưu điểm nhiều hứa hẹn, các kỹ thuật tiên tiến đột phá (Công nghệ MIMO) hơn hẳn các chuẩn trước và đặc biệt đã dần được biết trên thị trường dù vẫn chỉ là bản thảo, chúng em đã bị thu hút bởi chuẩn 802.11n. Cùng các thiết bị đo lường bắt sóng: Wireless N (phát sóng wifi chuẩn n), card AirPcap chuyên dụng (802.11 Wireless Packet Capture) dùng để bắt gói tin wifi chuẩn 802.11n, với kiến thức còn hạn chế nhưng chúng em hi vọng sẽ là đề tài đầu tiên mở đường cho đồ án nghiên cứu chuẩn 802.11n. Chương I. Giới thiệu chuẩn 802.11n 1. Đặc điểm của chuẩn 802.11g Chuẩn 802.11g đã được phê chuẩn chính thức vào tháng 6/2003 và đang được ứng dụng trên thị trường. Dự thảo tiêu chuẩn 802.11g được phát triển từ các đề xuất CCK-OFDM và PBCC-22. Dự thảo tiêu chuẩn 802.11g dựa vào công nghệ chính OFDM, cung cấp tần số dữ liệu 2.4Ghz như 802.11a, yêu cầu bắt buộc thực hiện các chế độ của 802.11b và cung cấp các chế độ tùy chọn CCK-OFDM và PBCC-22. Như vậy, chuẩn 802.11g là sự kết hợp của 802.11a trong băng tần 2.4Ghz, do đó duy trì khả năng tương thích với các cài đặt của thiết bị chuẩn 802.11b. Cũng giống như các thiết bị chuẩn 802.11b, các thiết bị chuẩn 802.11g hoạt động ở băng tần 2.4Ghz và sử dụng công nghệ phân chia tần số trực giao - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), còn 802.11b sử dụng phương pháp khóa mã bổ sung - Complementary Code Keying (CCK). OFDM cũng được sử dụng trong các thiết bị chuẩn 802.11a mà hoạt động ở tần số 5Ghz. Chuẩn 802.11g cũng hỗ trợ Barker Code và CCK cung cấp các tốc độ dữ liệu 1, 2, 5.5, và 11 Mbps và tương thích ngược với chuẩn 802.11b. OFDM cung cấp tốc độ dữ lệu lên đến 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 và 54 Mbps. Phương pháp mã hóa các gói tùy chọn mã chập nhị phân - Packet Binary Convolution Coding (PBCC) cung cấp tốc độ dữ liệu là 22 và 33 Mbps. Tương tự như tiêu chuẩn 802.11b, các thiết bị 802.11g được giới hạn để ba kênh không chồng chéo và lớp vật lý mới gọi là lớp vật lý mở rộng (Extended Rate Physical (ERP). Chuẩn 802.11g sử dụng CCK và OFDM một cách trình tự và tương thích ngược với các thiết bị trước. 802.11g sử dụng Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance (CSMA/CA). CSMA/CA là giao thức cho phép một thiết bị được truyền dữ liệu phát sóng độc quyền. Và không có thiết bị 802.11 nào truyền dữ liệu vào thời điểm đó, và chỉ được phép truyền khi có tín hiệu rõ ràng. Để tránh sự va chạm này, nó phải chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Những ảnh hưởng: Với sự lựa chọn của công nghệ 802.11g trong năm 2001, thị trường WLAN đã có một bước ngoặt toàn diện về đặc điểm kỹ thuật cho những sản phẩm thế hệ mới và các hệ thống đa hệ có thể được phát triển. 802.11g là sự bao gồm tất cả những kỹ thuật tốt nhất của cả hai 802.11a và 802.11b ở một tiêu chuẩn mà có thể mang lại phúc lợi cho ngành công nghiệp trong tương lai. Vì 802.11g kết hợp cơ bản các tính năng của cả hai 802.11a và 802.11b, nên nó đã tự phát triển thiết bị để có thể hoạt động với công nghệ của các thế hệ trước. Điều này giải quyết được các nhu cầu cho người sử dụng mạng LAN với chuẩn 802.11b và muốn có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn của 802.11a và đồng thời tương thích với các thiết bị mạng. 2. Đặc điểm của chuẩn 802.11n 2.1 Chuẩn 802.11n là gì? 802.11n là một chuẩn WiFi thế hệ mới cho các mạng diện rộng không dây. Thiết bị xây dựng để đặc tả kỹ thuật 802.11n sẽ cung cấp mức hiệu suất cao hơn đáng kể so với các thế hệ trước là 802.11b, 802.11a và 802.11g. 802.11n là một công nghệ đột phá cho phép kết nối mạng lưới WiFi với tốc độ mạnh hơn và tầm phủ sóng diện tích rộng lớn hơn. 802.11n WiFi cung cấp kết nối tốt nhất có thể cho mạng máy tính và các ứng dụng giải trí tương tự - cung cấp phạm vi băng thông, ứng dụng đa phương tiện hiệu quả. Theo đặc tả kỹ thuật, chuẩn 802.11n có tốc độ lý thuyết lên đến 600Mbps (cao hơn 10 lần chuẩn 802.11g) và vùng phủ sóng rộng khoảng 250m (cao hơn chuẩn 802.11g gần 2 lần, 140m). Logo chứng nhận sản phẩm đạt chuẩn 802.11n 2.2 Đặc tả kỹ thuật của 802.11n So với các chuẩn trước, đặc tả kỹ thuật của 802.11n "thoáng" hơn nhiều: có nhiều chế độ tùy chọn, nhiều cấu hình để có thể cho ra sản phẩm có các mức tốc độ tối đa khác nhau. (Trước đây, tất cả các sản phẩm 802.11b phải có tốc độ 11Mbps; 802.11a và 802.11g phải có tốc độ 54Mbps). Điều này vạch ra ranh giới về hiệu năng trên mỗi thiết bị 802.11n: các nhà sản xuất có thể tăng hoặc điều chỉnh khả năng hỗ trợ ứng dụng, mức giá... Ứng với mỗi tùy chọn, 802.11n có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 600Mbps, nhưng phần cứng WLAN (Wireless Local Area Network) không nhất thiết phải áp dụng tất cả các tùy chọn. Ví dụ, năm 2006, hầu hết thiết bị phần cứng WLAN 802.11n draft 1.0 hỗ trợ tốc độ 300Mbps. 2.2.1 OFDM tốt hơn Trong phiên bản 802.11n dự thảo (draft), yêu cầu đầu tiên là phải sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM- Orthogonal Frequency Division Multiplexing) dựa trên các cải tiến từ các chuẩn 802.11a/g, sử dụng mã hóa tối đa và băng thông rộng. Những thay đổi này giúp tăng tốc độ lên đến 65Mbps so với 54Mbps của chuẩn 802.11a và 802.11g trước đây. 2.2.2 MIMO cải thiện hiệu năng Một trong những thành phần được biết rộng rãi nhất trong đặc tả kỹ thuật của bản dự thảo là MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO tận dụng hiện tượng tự nhiên của sóng trung tần được gọi là đa đường: thông tin được phát xuyên qua tường, cửa sổ và các vật chắn khác, anten thu tín hiệu nhiều lần qua các bộ định tuyến khác nhau ở các thời điểm khác nhau. Do đó, tín hiệu đa đường nguyên gốc có thể bị "bóp méo" dẫn đến khó giải mã và kéo theo hiệu năng Wi-Fi kém. MIMO khai thác hiện tượng đa đường với kỹ thuật đa phân chia theo không gian (space-division multiplexing). Thiết bị phát WLAN chia gói dữ liệu ra thành nhiều phần, mỗi phần được gọi là chuỗi dữ liệu (Spatial Stream) và phát từng chuỗi dữ liệu qua các anten riêng rẽ đến các anten thu. Hiện tại, 802.11n dự thảo cung cấp đến 4 chuỗi dữ liệu, cho dù phần cứng không yêu cầu hỗ trợ nhiều như thế. (xem hình 1) Hình 1. Mỗi màu tương ứng với một chuỗi dữ liệu Gấp đôi số lượng chuỗi dữ liệu đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi tốc độ, tuy nhiên sẽ kéo theo công suất tiêu thụ tăng, khả năng mở rộng kém hơn và giá thành sản phẩm cao hơn. Trong khi đặc tả kỹ thuật 802.11n draft yêu cầu phải có chế độ tiết kiệm năng lượng (MIMO power-save). Điều này có nghĩa là chỉ nên sử dụng kỹ thuật đa đường khi đạt được lợi ích về hiệu năng. 2.2.3 Các đặc điểm nổi bật của MIMO Có 2 tính năng trong đặc tả kỹ thuật draft-n nhằm tập trung cải thiện hiệu năng MIMO: cực tạo búp sóng (Beam-forming) và sự phân tập (Diversity). Beam-forming là kỹ thuật điều chỉnh tín hiệu trực tiếp trên anten, giúp tăng vùng phủ sóng và hiệu suất bằng cách hạn chế nhiễu. Diversity khai thác trên nhiều anten bằng cách tổng hợp các tín hiệu đầu ra hoặc chọn tín hiệu tốt nhất trong số các anten. Đây là đặc tả kỹ thuật quan trọng do 802.11n draft có 4 anten, vì thế sẽ gặp phải trường hợp thiết bị có số lượng anten khác với nó. Ví vụ, máy tính xách tay dùng 2 anten có thể kết nối đến access point (AP) có 3 anten. Trường hợp này, chỉ 2 chuỗi dữ liệu được dùng dù AP hỗ trợ đến 3 chuỗi dữ liệu. Với Diversity, thêm càng nhiều anten càng tốt. Thiết bị nhiều anten sẽ có phạm vi phủ sóng xa hơn. Ví dụ, tín hiệu phát ra của 2 anten có thể kết hợp lại để thu một chuỗi dữ liệu ở khoảng cách xa. Ý tưởng này có thể được mở rộng để kết hợp các tín hiệu đầu ra của 3 anten để thu về 2 chuỗi dữ liệu có tốc độ cao, vùng phủ sóng rộng... Diversity không bị giới hạn trong 802.11n và cả WLAN. Thực tế, nó đã được cài đặt cho các sản phẩm chuẩn 802.11a/b/g có 2 anten. Các đặc tả kỹ thuật chủ yếu của 802.11n dự thảo (xem bảng 1). Bảng 1: Các đặc tả kỹ thuật chủ yếu của 802.11n dự thảo Tính năng Ý nghĩa Trạng thái OFDM tốt hơn Hỗ trợ băng thông rộng hơn và tốc độ mã hóa cao hơn để tăng tốc độ đạt tối đa 65Mbps Bắt buộc Đa phân chia theo không gian Cải tiến hiệu suất bằng cách phân chia dữ liệu thành nhiều chuỗi phát đến nhiều anten Tùy chọn đến tối đa 4 chuỗi dữ liệu Diversity Khai thác sự có mặt của nhiều anten để cải tiến tầm phủ sóng và độ tin cậy. Hình thức này được thực thi khi số lượng anten ở đầu thu cao hơn số lượng anten ở đầu phát. Tùy chọn đến tối đa 4 anten MIMO tiết kiệm năng lượng Giới hạn công suất tiêu thụ bất lợi của MIMO bằng cách chỉ sử dụng nhiều anten khi cần thiết Quy định Các kênh 40MHz Tăng tốc độ gấp đôi bằng cách tăng độ rộng băng thông từ 20MHz lên 40MHz Tùy chọn Sự kết hợp Cải tiến hiệu suất bằng cách cho phép nhiều gói dữ liệu phát tăng tốc giữa sự truyền thông trên cao Quy định Giảm Inter-frame Spacing (RIFS) Một trong những đặc điểm chung trong thiết kế draft-n là cải tiến hiệu suất. Thời gian trễ trong việc phát OFDM ngắn hơn so với 802.11a, 802.11g Quy định Chế độ Greenfield Cải tiến hiệu suất bằng cách loại các thiết bị 802.11a/b/g ra khỏi mạng draft-n Tùy chọn hiện thời 2.2.4 Cải tiến lưu lượng và tốc độ truyền dữ liệu Một tùy chọn khác trong 802.11n dự thảo là nhân đôi tốc độ bằng cách tăng băng thông kênh truyền WLAN từ 20MHz lên 40MHz. Điều này làm giảm số lượng kênh gây bất lợi cho các thiết bị khác. Tần số 2,4GHz có đủ không gian cho 3 kênh 20MHz không chồng lấn nhau (non-overlapping), còn kênh 40MHz không có nhiều không gian cho các thiết bị khác tham gia vào mạng hay truyền dữ liệu trên cùng khu vực với chúng. Do đó, việc chọn kênh 40MHz sẽ cải thiện hiệu năng cho toàn WLAN. 2.2.5 Hoạt động hiệu quả cùng WLAN hiện hành Đặc tính kỹ thuật của 802.11n dự thảo có khả năng tương thích với chuẩn trước đó. Access Point 802.11n draft sẽ tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11a tần số 5GHz cũng như chuẩn 802.11b và 802.11g tần số 2,4GHz. 802.11n sẽ hỗ trợ tốt hơn với chế độ "mixed" của 802.11g. Thực tế, hiệu suất mạng phụ thuộc vào tỉ lệ băng thông được sử dụng để phát dữ liệu chứ không phải gói tin đầu tiên (Overhead) hay các giao thức được sử dụng để quản lý việc truyền thông mạng. Một trong các tính năng quan trọng nhất trong đặc tả kỹ thuật 802.11n draft để cải tiến hiệu năng ở chế độ hợp nhất (mixed mode) là sự tập hợp. Thay vì gửi từng frame dữ liệu, máy trạm phát một gói gồm nhiều frame chung với nhau. Do đó, việc tập hợp dữ liệu sẽ hiệu quả hơn. Hình 2. Sự tập hợp cải thiện hiệu quả trong chế độ Mixed Điều này dễ dàng cho các thiết bị 802.11n draft cùng tồn tại với 802.11g và 802.11a vì tất cả đều dùng phương thức điều chế OFDM. Vì thế, có nhiều tính năng trong đặc tả kỹ thuật của thiết bị như tăng hiệu năng cho các mạng chỉ sử dụng OFDM. Chẳng hạn như tính năng giảm khoảng không giữa frame (Reduced Inter-Frame Spacing, hay RIFS), chi tiết này có thời gian trì hoãn giữa 2 lần phát ngắn. Để đạt hiệu năng tốt, đặc tả kỹ thuật của 802.11n draft cung cấp một chế độ gọi là "cánh đồng xanh" (Greenfield) - chỉ các thiết bị 802.11n hoạt động trong mạng. Hiện nay, chưa rõ chế độ này là bắt buộc hay chỉ là tùy chọn của 802.11n dự thảo cuối cùng. 2.3 Các tính năng chính của 802.11n Các tính năng chính của chuẩn 802.11n bao gồm: Một tín hiệu WiFi mạnh mẽ có thể bao trùm toàn bộ một khu vực (home). Chia sẻ một kết nối Internet vào 1 mảng rộng của các thiết bị. Rất nhiều băng thông để chuyển đổi video độ nét cao và âm thanh từ thiết bị đến thiết bị. Những trải nghiệm cho người sử dụng tốt nhất cho các nhu cầu giải trí đa phương tiện có thể xem phim chất lượng cao (HD, Full HD, Full HD 3D…) với các cuộc đàm thoại (VoIP), trò chơi video (video game), và các ứng dụng đa phương tiện khác. Sao lưu các tập tin lớn một cách nhanh chóng. Khả năng tương thích ngược với các sản phẩm trước đó, chẳng hạn, nếu sản phẩm WiFi chuẩn n sử dụng đồng thời 2 tần số 2,4GHz và 5GHz thì sẽ tương thích ngược với các sản phẩm 802.11a/b/g. 3. So sánh 802.11n với các chuẩn trước đây: 3.1 Các chuẩn Wireless – 802.11b, 802.11a, 802.11g và 802.11n Khi chúng ta muốn trang bị một thiết bị định tuyến không dây hay bất kỳ các thành phần khác của mạng WLAN (Wireless Local Area Network), có một điều ta luôn cần phải kiểm tra là chuẩn kết nối mạng. Tại sao chúng ta cần phải kiểm tra các chuẩn kết nối mạng? Vì chuẩn 802.11 định nghĩa tốc độ, phạm vi tối đa và khả năng tương thích của các thiết bị không dây. Ta hãy so sánh sự khác biệt lớn giữa các chuẩn này. 802.11 Năm 1997, Viện kỹ sư điện và điện tử (IEEE- Institute of Electrical and Electronics Engineers) đưa ra chuẩn mạng nội bộ không dây (WLAN) đầu tiên - được gọi là 802.11 theo tên của nhóm giám sát sự phát triển của chuẩn này. Lúc này, 802.11 sử dụng tần số 2,4GHz và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp (Direct-Sequence Spread Spectrum-DSSS) nhưng chỉ hỗ trợ băng thông tối đa là 2Mbps - tốc độ khá chậm cho hầu hết các ứng dụng. Vì lý do đó, các sản phẩm chuẩn không dây này không còn được sản xuất nữa. 802.11b Từ tháng 6 năm 1999, IEEE bắt đầu mở rộng chuẩn 802.11 ban đầu và tạo ra các đặc tả kỹ thuật cho 802.11b. Chuẩn 802.11b hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, ngang với tốc độ Ethernet thời bấy giờ. Đây là chuẩn WLAN đầu tiên được chấp nhận trên thị trường, sử dụng tần số 2,4 GHz. Chuẩn 802.11b sử dụng kỹ thuật điều chế khóa mã bù (Complementary Code Keying - CCK) và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp giống như chuẩn 802.11 nguyên bản. Với lợi thế về tần số (băng tần nghiệp dư ISM 2,4GHz), các hãng sản xuất sử dụng tần số này để giảm chi phí sản xuất. Nhưng khi đấy, tình trạng "lộn xộn" lại xảy ra, 802.11b có thể bị nhiễu do lò vi sóng, điện thoại, và các dụng cụ khác cùng sử dụng tần số 2,4GHz, phạm vi phát sóng 100 feet ~ 31m. Tuy nhiên, bằng cách lắp đặt 802.11b ở khoảng cách hợp lý sẽ dễ dàng tránh được nhiễu. Ưu điểm của 802.11b là giá thấp, tầm phủ sóng tốt và không dễ bị che khuất. Nhược điểm của 802.11b là tốc độ thấp; có thể bị nhiễu bởi các thiết bị gia dụng. 802.11a Song hành với 802.11b, IEEE tiếp tục đưa ra chuẩn mở rộng thứ hai cũng dựa vào 802.11 đầu tiên - 802.11a. Chuẩn 802.11a sử dụng tần số 5GHz, tốc độ 54Mbps, phạm vi phát sóng 50 feet ~ 15m tránh được can nhiễu từ các thiết bị dân dụng. Đồng thời, chuẩn 802.11a cũng sử dụng kỹ thuật trải phổ khác với chuẩn 802.11b - kỹ thuật trải phổ theo phương pháp đa phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM). Đây được coi là kỹ thuật trội hơn so với trải phổ trực tiếp (DSSS). Do chi phí cao hơn, 802.11a thường chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp, ngược lại, 802.11b thích hợp hơn cho nhu cầu gia đình. Tuy nhiên, do tần số cao hơn tần số của chuẩn 802.11b nên tín hiện của 802.11a gặp nhiều khó khăn hơn khi xuyên tường và các vật cản khác. Do 802.11a và 802.11b sử dụng tần số khác nhau, hai công nghệ này không tương thích với nhau. Một vài hãng sản xuất bắt đầu cho ra đời sản phẩm "lai" 802.11a/b, nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là cung cấp 2 chuẩn sóng Wi-Fi cùng lúc (máy trạm dùng chuẩn nào thì kết nối theo chuẩn đó). Ưu điểm của 802.11a là tốc độ nhanh; tránh xuyên nhiễu bởi các thiết bị khác. Nhược điểm của 802.11a là giá thành cao; tầm phủ sóng ngắn hơn và dễ bị che khuất. 802.11g Năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ chuẩn mới hơn được gọi là 802.11g nổi lên trên thị trường; chuẩn này cố gắng kết hợp tốt nhất 802.11a và 802.11b. 802.11g hỗ trợ băng thông 54Mbps và sử dụng tần số 2,4GHz cho phạm vi phủ sóng lớn hơn. 802.11g tương thích ngược với 802.11b, nghĩa là các điểm truy cập (access point -AP) 802.11g sẽ làm việc với card mạng Wi-Fi chuẩn 802.11b... Tháng 7/2003, IEEE phê chuẩn 802.11g. Chuẩn này cũng sử dụng phương thức điều chế OFDM tương tự 802.11a nhưng lại dùng tần số 2,4GHz giống với chuẩn 802.11b. Điều thú vị là chuẩn này vẫn đạt tốc độ 54Mbps và có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b đang phổ biến. Ưu điểm của 802.11g là tốc độ nhanh, tầm phủ sóng tốt và không dễ bị che khuất. Nhược điểm của 802.11g là giá cao hơn 802.11b; có thể bị nhiễu bởi các thiết bị gia dụng. 802.11n Chuẩn Wi-Fi mới nhất trong danh mục Wi-Fi là 802.11n. 802.11n được thiết kế để cải thiện tính năng của 802.11g về tổng băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten (gọi là công nghệ MIMO-multiple-input and multiple-output). Khi chuẩn này hoàn thành, 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ lên đến 100Mbps. 802.11n cũng cho tầm phủ sóng tốt hơn các chuẩn Wi-Fi trước đó nhờ tăng cường độ tín hiệu. Các thiết bị 802.11n sẽ tương thích ngược với 802.11g. Ưu điểm của 802.11n là tốc độ nhanh nhất, vùng phủ sóng tốt nhất; trở kháng lớn hơn để chống nhiễu từ các tác động của môi trường. Nhược điểm của 802.11n giá cao hơn 802.11g; sử dụng nhiều luồng tín hiệu có thể gây nhiễu với các thiết bị 802.11b/g kế cận.3.2 So sánh 802.11n và 802.11g Vấn đề quan trọng cơ bản của các thiết bị mạng không dây là biết về sự khác nhau giữa các chuẩn. IEEE 802.11 là thiết lập các tiêu chuẩn được cập nhật một cách định kỳ để kiểm soát sự giao tiếp ở một mạng WLAN thông qua tần số 2.4 GHz, 3.6GHz và 5GHz. Khi nói đến các thiết bị liên lạc không dây như bộ định tuyến không dây, điều cần thiết là một tập hợp các tiêu chuẩn được xác định để thiết lập tính thống nhất giữa các sản phẩm không dây khác nhau được sản xuất bởi các công ty khác nhau trên toàn thế giới. Những tiêu chuẩn đầu tiên đã được chứng nhận vào năm 1997 và kể từ đó nó đã đi qua một loạt các sửa đổi định kỳ cũng như công nghệ mạng không dây đã được cải thiện. Hai tiêu chuẩn gần đây nhất là 802.11g ( tuyên bố trong năm 2003) và 802.11n (tuyên bố trong năm 2009). Hầu hết các thiết bị không dây mới nhất được thiết kế cho mạng WLAN, được dựa trên các chuẩn 802.11n hoặc 802.11g.3.2.1 Tần số và tốc độ Đầu tiên, hãy xem xét chuẩn 802.11g. Chuẩn 802.11g, còn được gọi là IEEE 802.11g – 2003 là một trong những tiêu chuẩn mạng phổ biến nhất hiện nay. Tất cả các thiết bị hoạt động trên tiêu chuẩn này đều sử dụng băng tần 2.4GHz của tần số vô tuyến (với băng thông 20MHz). Tần số này giống như chuẩn 802.11b trước đó. Tốc độ truyền dữ liệu tối đa mà các thiết bị này hoạt động là 54Mb/giây. Tuy nhiên thông lượng mạng chỉ ở khoảng 19 Mb/giây. Tất cả các thiết bị dựa trên chuẩn 802.11g là tương thích ngược với các phần cứng chuẩn 802.11b trước đó. Nó sử dụng một sơ đồ điều chế khác nhau ở tốc độ truyền tải khác nhau. Đối với tốc độ truyền tải dữ liệu cao, nó sử dụng các chương trình phân chia tần số trực giao OFDM. Một nhược điểm chính của tiêu chuẩn này là vấn đề nhiễu sóng từ các thiết bị như lò vi sóng, màn hình điện tử, điện thoại không dây và các thiết bị bluetooth. Chuẩn 802.11n được thiết kế để có một sự cải tiến hơn 802.11g. Thiết bị dựa trên chuẩn này hoạt động trong phạm vi 2.4 GHz và 5 GHz (với băng thông 40MHz). Tiêu chuẩn này cung cấp một tốc độ truyền tối đa trong khoảng từ 54Mb/giây đến 600Mb/giây. Trên thực tế nó đạt được tốc độ khôanrg 130-160 Mb/giây. Việc tăng gấp đôi băng thông từ 20MHz đến 40MHz làm tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu. Nó có một kỹ thuật MIMO là một công nghệ anten thông minhcos cải thiện đáng kể tốc độ truyền dữ liệu. Nó cho phép 4 dòng MIMO. Thiết bị dựa trên chuẩn 802.11n thì tương thích ngược với các chuẩn trước đó. Tuy nhiên, để hoạt động trên băng thông tần số 5 GHz, tất cả các thiết bị truyền thông phải được dựa trên tiêu chuẩn 802.11n. 3.2.2 Phạm vi Về phạm vi, các thiết bị dựa trên chuẩn 802.11g có thể có một phạm vi tối đa trong văn phòng là 38m hay 125 feet. Ngoài trời có thể đạt được là 140m hay 460 feet. Một điều trong việc so sánh mạng không dây giữa chuẩn n và g là phạm vi phủ sóng nó cung cấp. Trong văn phòng, nó cung cấp một phạm vi tối đa là 70m hay 230 feet. Phạm vi ngoài trời có thể mở rộng đến 250m hay 820 feet. Phạm vi này là hơi hạn chế khi hoạt động trên phạm vi 5GHz, nhưng có một lợi thế là ít sự can thiệp của các thiết bị xung quanh. Sự lựa chọn 802.11n sẽ là chắc chắn mang lại lợi ích vì nó cung cấptoosc độ truyền dữ liệu cao hơn, phạm vi phủ sóng lớn hơn và cũng sẽ tương thích với những nâng cấp trong tương lai. Kết lại: 802.11g là giao thức mạng không dây nhanh nhất cho đến khi 802.11n xuất hiện và thu hút thị trường. Giống như 802.11a/b hỗ trợ tốc độ tối đa 54Mbps. Tuy nhiên, không giống như 802.11a, nó hoạt động trên băng thông có tần số 2.4GHz. Điều này có nghĩa là G không tương thích với A. Tuy nhiên, lại tương thích với 802.11b, vì B cũng làm việc trên dải tần 2.4GHz đồng thời gây nhiễu đáng kể với với các thiết bị phổ biến như các điện thoại không dây, Bluetooth, và các sóng khác cũng hoạt động ở băng tần 2.4GHz. 802.11n là một chuẩn đầy tham vọng. Trong thực tế, các đề xuất của nó đã được sửa đổi nhiều lần, và đã được tranh luận trong 7 năm nay. 802.11n sử dụng công nghệ được biết đến trong ngành công nghiệp như MIMO. Trong thực tế, thay vì một thiết bị có một anten duy nhất, thì 802.11n có nhiều anten được bố trí để có tối đa sưc mạnh truyền tải và tiếp nhận tối đa với tốc độ truyền tải tối đa lên đến 300Mbps và hoạt động ở băng tần 2.4 hoặc 5GHz. Tuy nhiên, để sử dụng 5GHz tất cả các thiết bị kết nối 802.11n phải được tuân thủ, và nó sẽ thâm nhập mạnh hơn qua các bức tường bêtong và gạch. Với những cải tiến của 802.11n là phù hợp với thực tế, với nhu cầu phát triển công nghệ. 4. Môi trường và các ứng dụng của 802.11n 4.1 Băng tần kép, LAN gigabit D-Link DIR-885 (299USD) tích hợp Wi-Fi 802.11n draft 2.0 với tốc độ lý thuyết 300Mbps, băng thông 20MHz/40MHz cho phép hoạt động đồng thời trên 2 băng tần 2,4GHz và 5GHz và đạt chứng nhận 802.11a/b/g và 802.11n draft 2.0 do Wi-Fi Alliance cấp. Điểm nổi bật của DIR-885 là có đến 4 cổng LAN gigabit, cổng USB (phục vụ chức năng Share Port) và hình OLED cho phép quan sát trạng thái hoạt động của router một cách thuận tiện và nhanh chóng. Chú ý đến chất lượng sử dụng cho từng người dùng, sản phẩm cũng được trang bị tính năng QoS, WMM (Wi-Fi Multimedia) giúp ưu tiên băng thông cho các ứng dụng như VoIP, xem phim HD, chơi game trực tuyến. DIR-885 trang bị công nghệ Green Ethernet giúp tự động điều chỉnh lượng điện năng tiêu thụ giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ; Good Neighbor Policy tránh gây nhiễu với các thiết bị lân cận khác. Thử nghiệm với USB adapter DWA-160 (74USD) ở chế độ "mixed" (2 băng tần) cho thấy, tốc độ tải xuống/lên của DIR-885 đạt mức cao, kết nối rất ổn định trong môi trường văn phòng (xem chi tiết tại bảng so sánh tốc độ). Thử nghiệm ở tần số 5GHz, tốc độ tăng lên rõ rệt (từ 13% đến 16%) nhưng kết nối không ổn định và vùng phủ sóng kém hơn chế độ "mixed". Sản phẩm đạt tốc độ cao, kết nối ổn định, khả năng linh động cao và hứa hẹn khả năng tương thích tốt, tính năng phong phú, hấp dẫn...DIR-885 là lựa chọn đáng giá. 4.2. Tất cả trong một DrayTek Vigor2820n (230USD) "đa năng" vừa là router ADSL2/2+ vừa là router băng rộng tích hợp Wi-Fi 802.11n draft 2.0, băng thông 20MHz và đạt chứng nhận 802.11b/g và 802.11n draft 2.0 do Wi-Fi Alliance cấp. Vigor2820n (ID: A0809_92) trang bị một cổng LAN gigabit, cổng USB (giao tiếp với máy in hay modem HSPDA) và hỗ trợ 4 SSID đồng thời; WDS cho phép kết nối nhiều thiết bị theo mô hình Bridge và Repeater giúp mở rộng vùng phủ sóng.Để người dùng mạng sử dụng băng thông hiệu quả, sản phẩm trang bị nhiều tính năng giúp cải thiện băng thông cho từng người dùng: giới hạn số phiên làm việc, giới hạn băng thông và quản lý chất lượng dịch vụ QoS. 4.3. Đa "mode" Điểm nổi bật của Edimax BR-6524n (ID:A0901_68) là khả năng hỗ trợ đến 6 chế độ hoạt động: Access Point (AP), Station (Infrastructure), AP Bridge (Point to Point), AP Bridge (Point to MultiPoint), AP Bridge (WDS – Wireless Distribution System) và Universal Repeater. Edimax BR-6524n cũng được trang bị tính năng quản lý chất lượng dịch vụ QoS (Upload/Download) cho phép quản trị mạng phân chia băng thông cho từng địa chỉ IP. Sản phẩm đạt chứng nhận 802.11b/g và 802.11n draft 2.0 do Wi-Fi Alliance cấp. Thử nghiệm Wi-Fi với USB adapter EW-7718UN (50USD) đạt kết quả rất khả quan: tốc độ ở mức cao so với thiết bị chuẩn 802.11b/g, kết nối ổn định trong môi trường văn phòng. Nếu ưa chuộng hình thức, hỗ trợ nhiều khả năng tùy biến (6 chế độ hoạt động), tốc độ Wi-Fi cao, kết nối ổn định thì hãy nghĩ đến Edimax BR-6524n. LinkPro WLN-322R-I1 (1.339.000đ) tích hợp Wi-Fi 802.11n draft 3.0 và có tốc độ lý thuyết 300Mbps như 80.111n draft 2.0. LinkPro WLN-322R-I1 có đến 4 chế độ hoạt động: Bridge, Gateway, Ethernet Converter và AP Client. Sản phẩm cũng hỗ trợ chức năng QoS cho phép định băng thông từ mức 64k đến 60Mbps cho mỗi hướng tải xuống và tải lên; WMM giúp nâng cao tốc độ truyển dữ liệu dạng audio, video... trên mạng Wi-Fi. LinkPro WLN-322R-I1 hỗ trợ đến 7 SSID (tên mạng Wi-Fi) và hỗ trợ chức năng WDS với các chế độ tùy chọn: Lazy (tương tự chế độ Auto), Bridge (làm cầu nối cho các tín hiệu Wi-Fi), Repeater (khuếch đại tín hiệu Wi-Fi). Tương tự D-Link DIR-885, LinkPro WLN-322R-I1 cũng hỗ trợ chức năng tiết kiệm điện- Green AP, tốc độ ở mức cao, kết nối ổn định trong môi trường văn phòng rất xứng đáng cho lựa chọn của bạn. Tóm lại, Wi-Fi thế hệ mới 802.11n thật sự đã mang đến hiệu quả thiết thực cho người dùng. Bằng chứng là tốc độ thực tế của nó tăng lên rất nhiều so với các chuẩn 802.11a/b/g trước đây. Nếu quan tâm đến băng thông lớn, tầm phủ sóng tốt, độ tin cậy cao và hỗ trợ nhiều chế độ cho việc triển khai mở rộng cấu trúc mạng... thì việc trang bị Wi-Fi 802.11n bây giờ là không quá sớm. Chương II. Nguyên tắc hoạt động của công nghệ MIMO 1. Giới thiệu chung: MIMO có khái niệm được phát triển trong nhiều năm cho cả mạng không dây và có dây. Một trong những ứng dụng MIMO vào mạng không dây sớm nhất là năm 1984 với những đột phá, phát triển bởi phòng thí nghiệm Jack Winters of Bell Laboratories. MIMO tiên phong này được mô tả cách để gửi dữ liệu từ nhiều người dùng trên cùng một tần số/thời gian sử dụng nhiều anten tại máy phát và máy nhận. Dựa vào công nghệ MIMO, các ứng dụng WLAN, Wi-Max, các công ty di động đã có những đột phá quan trọng như hệ thống di động 3G, mã Division Multiple Access (CDMA)… MIMO là sự khởi đầu quan trọng trong kiến trúc công nghệ được kế thừa từ công nghệ SISO (1 đầu vào, 1 đầu ra) hiện nay được sử dụng cho 802.11a/g. Hơn nữa, khả năng băng thông của WLAN với MIMO được mở rộng hơn nhiều so với mạng LAN có dây. Là 1 hệ thống tổng thể sử dụng hai phương pháp riêng biệt. Trước tiên, khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều so với các phương tiện truyền thông khác và phạm vi phủ sóng được cải thiện lớn hơn nhiều so với anten SISO truyền thống. Thứ hai, bổ sung 2 kênh 40 MHz và 20MHz để tăng băng thông sẵn có cho tín hiệu và tăng tốc độ bit rate. Hệ thống mạng WLAN hiện nay sử dụng một đầu vào, một đầu ra (SISO). Trong khi đó MIMO sử dung nhiều anten sẽ cho người nhận mẫu tín hiệu tốt nhất. Ta có sự so sánh sơ lược về SISO và MIMO như sau: - Các hệ thống MIMO thể hiện băng thông tốt hơn đáng kể so với hệ thống SISO trong cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz. Trong băng tần 2.4GHz, thông lượng MIMO là gấp 10 lần so với SISO và ở tần số 5GHz là gấp 16 lần. Các cải thiện này chủ yếu để nâng cao hiệu suất vùng phủ sóng. - Vùng phủ sóng của MIMO lớn hơn đáng kể so với SISO. Trong tần số 2.4GHz, phạm vi phủ sóng gấp 19 lần so với SISO, còn ở tần số 5GHz MIMO cải tiến phạm vi phủ sóng lớn hơn 28 lần so với SISO. - Trong quá trình truyền các dòng dữ liệu từ máy phát, máy nhận sẽ có được tín hiệu tốt nhất nhờ tính năng đa anten truyền và nhận. 802.11a/g AP (non-MIMO) 802.11a/g client (non-MIMO) SISO Max.54Mbps (Một đầu vào, một đầu ra) 802.11n AP (MIMO) 802.11a/g client (non-MIMO) MISO Max.54Mbps (Nhiều đầu vào, một đầu ra) 802.11a/g AP (MIMO) 802.11n client (MIMO) MIMO 150Mbps (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) Hình: các cấu hình anten khác nhau 2. Khái niệm về MIMO? MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu… Điều này nói đến số truyền (M) và nhận (N) anten – ví dụ, một AP với 2 anten truyền và 3 anten nhận gọi là thiết bị MIMO “2x3”. MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. Hình 5: Multiple Input Multiple Output (MIMO) Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như địa hình, các tòa cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ. Những yếu tố này ít nhiều cũng làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hay mất hẳn. Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố nói trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu. Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Điều này cũng tương tự như đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ thế giới bên ngoài, nhưng sau đó não bộ sẽ lọc lựa và phân loại những âm thanh đó. Ưu điểm của MIMO là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải. Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất từ một anten. Đây là kỹ thuật giúp 802.11n có thể đạt đến tốc độ 300Mbps. 3. Công nghệ MIMO: Với đặc tả kỹ thuật được phê chuẩn, MIMO (tham khảo ID: A0905_100) là công nghệ bắt buộc phải có trong các sản phẩm Wi-Fi 802.11n. MIMO có thể làm tăng tốc độ lên nhiều lần thông qua kỹ thuật đa phân chia theo không gian (spatial multiplexing) - chia một chuỗi dữ liệu thành nhiều chuỗi dữ liệu nhỏ hơn và phát nhiều chuỗi nhỏ song song đồng thời trong cùng một kênh - tương tự các làn xe trên xa lộ. Ngoài ra, MIMO còn giúp cải thiện phạm vi phủ sóng và độ tin cậy (giảm tỉ lệ lỗi) của thiết bị thông qua một kỹ thuật được gọi là phân tập không gian (spatial diversity). Kết hợp với công nghệ MIMO là 2 kỹ thuật (tùy chọn): Mã hóa dữ liệu STBC (Space Time Block Coding) giúp cải thiện việc thu/phát tín hiệu trên nhiều anten; và chế độ HT Duplicate (MCS 32) - cho phép gửi thêm gói tin tương tự cùng lúc lên mỗi kênh 20MHz khi thiết bị hoạt động ở chế độ 40MHz – giúp tăng độ tin cậy cho thiết bị phát. Ví dụ, hệ thống MIMO NxM có N kênh phát và M kênh thu. Các tín hiệu từ mỗi kênh phát có thể đến kênh thu thông qua một đường duy nhất, cho phép ghép kênh không gian – kỹ thuật gửi nhiều luồng dữ liệu trong cùng một kênh, nhờ vậy tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng theo cấp số nhân. 3.1 Nâng cao tần số Hình 4: Các kênh 20MHz và 40MHz Ngoài những lợi ích đạt được từ MIMO, công nghệ 802.11n còn sử dụng một số kỹ thuật khác nhằm tăng tốc độ dữ liệu nhanh hơn bằng cách sử dụng kênh (channelization) rộng hơn. Thay vì chỉ sử dụng kênh 20MHz như các chuẩn 802.11a/b/g trước đây, chuẩn 802.11n sử dụng cả hai kênh 20MHz và 40MHz. Các kênh 40MHz giúp tốc độ truyền dữ liệu tăng gấp đôi, lên đến 150Mbps/một chuỗi dữ liệu không gian (spatial stream). 3.2 Tăng cường hiệu năng Ngoài công nghệ MIMO, các thiết bị còn có thể được tích hợp thêm một số kỹ thuật khác để tăng tốc độ. Đầu tiên là kỹ thuật SGI (Short Guard Interval) cũng có thể góp phần cải thiện tốc độ bằng cách giảm kích thước của khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu). Bên cạnh đó là một số kỹ thuật trên lớp vật lý với các cải tiến nhằm giảm overhead (gói tin mào đầu) - trực tiếp góp phần cải thiện tốc độ. Để giảm overhead, 802.11n dùng kỹ thuật tập hợp khung (frame aggregation - FA) - ghép hai hay nhiều khung (frame) thành một frame đơn để truyền đi. Chuẩn 802.11n sử dụng 2 kỹ thuật ghép frame: A-MSDU (Aggregation - MAC Service Data Units) hay viết gọn là MSDU - làm tăng kích thước khung dùng để phát các frame qua giao thức MAC (Media Access Control) và A-MPDU (Aggregation - MAC Protocol Data Unit) - làm tăng kích thước tối đa của các frame 802.11n được phát đi lên đến 64K byte (chuẩn trước chỉ có 2304byte). Một cách cải thiện thông lượng bổ sung khác là giảm kích thước frame ACK xuống còn 8byte (chuẩn cũ là 128byte). Ngoài ra, một kỹ thuật được gọi là SGI (Short Guard Interval) cũng có thể góp phần cải thiện 10% tốc độ bằng cách giảm khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu) từ 4 nano giây xuống còn 3,6 nano giây. Cuối cùng là kỹ thuật GreenField Preamble được sử dụng để rút ngắn gói tin đầu tiên của frame (preamble) nhằm cải thiện hiệu năng và công suất tiêu thụ cho thiết bị. 4. Nguyên tắc hoạt động: 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. Ví dụ, trong văn phòng có thể có một nút Wi-Fi đặt ở phòng chờ, mọi người 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. 4.1 Sự phân bố của anten MIMO cũng có nhiều lợi ích khi chỉ có một người dùng. Chúng ta giả sử tình huống trong 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. 4.2 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. 4.3 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. 4.4 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 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. 4.5 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. 4.6 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. 4.7 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. Tóm lại: MIMO chọn đường đi tốt nhất MIMO sử dụng nhiều anten để gởi những tín hiệu tương tự từ máy phát. Trong môi trường đô thị, những tín hiệu này sẽ phát tán nhiều nhánh và đi trên con đường của chúng để đên máy nhận nhưng với nhiều hướng khác nhau. “Multi-path” xảy ra khi các tín hiệu khác nhau đến trạm nhận với các thời điểm khác nhau. Với MIMO, đầu nhận tín hiệu sử dụng một thuật toán hoặc xử lý các tín hiệu đặc biệt để phân loại ra nhiều để tạo ra một dử liệu có các tín hiệu được truyền là tín hiệu gốc. Nhiều dòng dữ liệu truyền trong một kênh duy nhất cùng một lúc Nhiều đài thu nhiều đường tín hiệu. Cung cấp đồng thời tốc độ, phạm vi bảo hiểm và độ tin cậy. 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. 5. Các kỹ thuật của công nghệ MIMO 5.1. Kỹ thuật Beamforming MIMO: Công nghệ MIMO tận dụng các kỹ thuật nâng cao để cải thiện SNR ở trạm nhận (Signal-to-noise ratio. SNR là một biện pháp được sử dụng trong khoa học và kỹ thuật để định lượng bao nhiêu tín hiệu bị hỏng bởi tiếng ồn. SNR là tỷ lệ năng lượng tín hiệu với tín hiệu làm hư hỏng). Một trong các kỹ thuật đó, nổi bật là sự chuyển đổi beamforming. Khi tạm gởi có nhiều anten truyền, có thể phối hợp các tín hiệu được gởi từ mỗi anten để tín hiệu thu được sẽ có chất lượng tốt nhất. Kỹ thuật này thưởng được sử dụng khi trạm thu chỉ có một anten và khi đó vài chướng ngại vật hoặc các bề mặt phản xạ điện vô tuyến. Để hiểu được truyền tải beamforming, ta hãy xem xét một tín hiệu vô tuyến dạng sóng, với chiều dài sóng cụ thể cho các tần số của tín hiệu. Khi hai tín hiệu vô tuyến được gởi từ các anten khác, các tín hiệu này được tập trung lại thành 1 dạng sóng cho anten của máy thu. Hình : Mô phỏng sóng vô tuyến Tùy thuộc vào khoảng cách ở mỗi tín hiệu radio truyền đi, ở máy nhận chúng gần như giống nhau so với lúc phát ban đầu và ở máy nhận cũng chịu ảnh hưởng của cường độ tín hiệu. Bằng cách điều chỉnh các tín hiệu ở máy phát, các tín hiệu ở máy nhận có thể đạt được sự tối đa. Nguyên tắc beamforming thực hiện như sau: - Khi máy phát xác định được các thông tin sẽ truyền đến trạm thu. Để tối đa hóa các tín hiệu nhận, phản hồi từ máy nhận phải được gởi đến máy phát (phản hồi này chỉ có sẵn ở các thiết bị chuẩn 802.11n ) để máy phát có thể điều chỉnh mỗi tín hiệu mà nó sẽ gởi. Phản hồi này chỉ có giá trị trong một thời gian ngắn. Bất kỳ chuyển động vật lý của máy thu, máy phát hay các yếu tố trong môi trường sẽ nhanh cóng làm mất hiệu lực của các tham số được sử dụng cho beamforming. Chiều dài sóng radio ở tần số 2.4GHz là 120m, và chỉ có 55m cho sóng radio ở tần số 5GHz. - Truyền tải beamforming chỉ có ích khi chuyển đến một bộ phận tiếp nhận đơn. Nó không thể tối ưu hóa tín hiệu khi phát sóng broadcast hay multicast. Vì lý do này, trong các ứng dụng mạng chung,các tiện ích truyền tải beamforming có phần hạn chế, cung cấp SNR cải tiến cho những trạm thu đơn. Truyền tải beamforming có thể tăng tốc độ dữ liệu có sẵn ở những khoảng cách lớn hơn từ các AP. Tuy nhiênm nó không làm tăng vùng phủ sóng của điểm truy cập, vì đó là xác định. Bình thường, tín hiệu truyền đi có thể được mô hình hóa như sau Trong đó lần lượt là tín hiệu truyền đi, tín hiệu nhận được và tạp âm ở đầu nhận. à ma trận thể hiện đường truyền sóng vô tuyến. Thực chất, beamforming là người ta thực hiện một số xử lý tuyến tính đối với tín hiệu truyền đi hoặc nhận được. Nếu xử lý đó được thực hiện ở transmitter thì người ta gọi là transmit beamforming, và tương tự với xử lý tuyến tính đầu nhận tín hiệu. Trong trường hợp có beamforming, có thể viết lại công thức trên như sau. Trong công thức này các cột của lần lượt được gọi là receive beamforming vector và trasmit beamforming vector. Với ma trận beamforming chỉ tồn tại một cột, nó tương đương với beamforming thuần túy. Khi nó có nhiều cột hơn, người ta gọi là thực hiện beamforming trên các spatial stream khác nhau.Với một ma trận bất kỳ, ta có thể thực hiện Singular Value Decomposition dưới dạng sau . Trong đó là hai ma trận Unitary, và là ma trận đường chéo với giá trị thực.Để ý đến tính chất của ma trận Unitary, nếu ta chọn lần lượt là hai ma trận beamforming ở đầu thu và đầu nhận, ta sẽ có. Vì là ma trận đường chéo, MIMO tương đương với các đường truyền tín hiệu SISO song song với nhau. Như vậy, khi có sự kết hợp beamforming của cả đầu thu và đầu nhận, ta có thể orthogonalize đường truyền, cũng như làm tăng tối đa sức mạnh của MIMO.Một số đặc điểm của Eigenmode Beamforming:+ High array gain+ High diversity gain+ Nhạy cảm trong fast fading channel.Một số giải pháp để giải quyết vấn đề nhạy cảm của Eigenmode+ Partial Feedback+ Sử dụng TDD system thay cho FDD+ Sử dụng simple linear canceller ở đầu nhận sóng. (ZF or MMSE) 3.2 Kỹ thuật không gian đa chiều (spatial multiplexing) Không gian đa chiều, đa đường dẫn là mô hình cổ điển được triển khai phổ biến trong mạng WLAN như văn phòng, bệnh viện… Các tín hiệu radio hiếm khi có con đường ngắn nhất và trực tiếp nhất từ máy phát đến máy nhận. Thường có vài chướng ngại vật che lấp đường ngắm. Tất cả những vật cản làm giảm sức mạnh của tín hiệu radio khi nó truyền qua. Tuy nhiên, hầu hết các môi trường có đầy đủ các bề mặt phản ánh một tín hiệu vô tuyến giống như tấm gương phản xạ ánh sáng. Hãy tưởng tượng rằng tất cả các bề mặt kim loại trong môi trường là gương phản xạ các tín hiệu radio. Những gương này có thể xem như là điểm truy cập, sau đó chúng được phản xạ lại và đến trạm thu. Mô phỏng sự phản xạ của radio trong môi trường Khi các tín hiệu này đi qua các con đường khác nhau để đến bộ tiếp nhận, thời gian nhận được phụ thuộc vào độ dài của con đường mà nó đi. Các tín hiệu đi bằng con đường ngắn nhất sẽ đến đầu tiên, tiếp theo là bản sao hoặc các phản hồi của các tín hiệu đi chậm. Khi đi với tốc độ của ánh sáng, sự chậm trễ của tín hiệu radio đến đầu tiên so với các bản sao của nó chỉ vài nano giây. Sự chậm trễ này đủ để có thể gây ra sự xuống cấp đáng kể của tín hiệu tại một anten duy nhất do can bản sao sẽ can thiệp vào tín hiệu đến đầu tiên. Một MIMO gởi nhiều tín hiêu vô tuyến cùng một lúc và sẽ làm mất đi lợi thế của đa chiều. Mỗi tín hiệu được gọi là 1 dòng không gian. Mỗi dòng không gian được gởi từ anten riêng của mình, bằng cách sử dụng máy phát riêng. Bởi vì có một khoảng cách giữa các anten này, mỗi tín hiệu cho phép một đường dẫn khác nhau đến trạm thu. Điều này được gọi là sự phân tập không gian. Trạm thu sẽ có nhiều anten, mỗi anten là một trạm thu. Mỗi trạm thu sẽ nhận các tín hiệu độc lập và giải mã chúng. Sau đó tín hiệu nhận được của mỗi trạm phát được kết hợp với các tín hiệu từ các trạm thu khác. Với nhiều bài toán phức tạp, kết quả nhận được là một anten nhận được một tín hiệu tốt hơn nhiều. Một trong hai lợi ích đáng kể của MIMO là nó cải thiện SNR, cung cấp linh hoạt hơn cho các nhà thiết kế hệ thống mạng WLAN. Sự phân tập không gian Hệ thống MIMO được mô tả bằng cách sử dụng số lượng các thiết bị phát, thu. Ví dụ như 2 trạm phát, 1 trạm thu. 802.11n định nghĩa một số kết hợp khác nhau cho các số máy phát và số lượng máy thu. Mỗi khi bổ sung máy thu hoặc phát trong hệ thống sẽ làm tăng SNR.