Chuẩn IEEE802.11 hỗ trợ ba tầng vật lý khác nhau: một tầng trên cơ sở tia hồng ngoại và hai tầng trên cơ sở truyền tải sóng radio (Chủ yếu trong băng tần ISM ở tần số 2.4MHz, nó có hiệu lực trên toàn thế giới). Tất cả các biến thể tầng vật lý bao gồm: cung cấp tín hiệu đánh giá kênh sạch (CCA - Clear Channel Assessment). Tín hiệu này cần thiết cho các cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền thông (MAC) điều khiển truy cập môi trường truyền thông và cho biết nếu môi trường hiện thời nhàn rỗi. Công nghệ truyền tải (nó sẽ được thảo luận sau) quyết định chính xác như thế nào chăng nữa tín hiệu này vẫn được sử dụng
Hơn nữa, tầng vật lý cung cấp một điểm truy cập dịch vụ (SAP) với tốc độ 1 hoặc 2Mbit/s tới tầng điều khiển truy cập môi trường truyền thông (MAC). Phần còn
lại của đoạn này bàn tới ba thế hệ (version) của tầng vật lý đã được định nghĩa trong chuẩn.
3.2.1.1. Kỹ thuật trải phổ nhẩy tần
Phân lớp vật lý FHSS PHY gồm 2 chức năng sau:
Chức năng hội tụ lớp vật lý: Chức năng này sắp xếp thích ứng các khả năng của hệ thống phụ thuộc môi trường vật lý (PMD) vào dịch vụ lớp vật lý PHY. Chức năng này được hỗ trợ bởi thủ tục hội tụ lớp vật lý (PLCP), thủ tục này định nghĩa phương pháp sắp xếp các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớp MAC (MPDU) IEEE 802.11vào định dạng khung phù hợp cho việc gửi và nhận dữ liệu người sử dụng và thông tin quản lý giữa các trạm STA sử dụng hệ thông PMD kết hợp.
Chức năng hệ thống PMD định nghĩa các đặc tính và phương thức truyền phát dữ liệu qua môi trường vô tuyến (WM) giữa hai hay nhiều STA.
Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) là một kỹ thuật trải phổ nó cho phép nhiều mạng cùng tồn tại trong cùng một vùng (area) bằng cách tách rời các mạng khác nhau sử dụng các trình tự (sequences) nhảy tần khác nhau. Chuẩn định nghĩa 79 kênh nhẩy tần cho bắc Mỹ và châu Âu và 23 kênh nhẩy tần cho Nhật Bản (mỗi kênh với độ rộng băng thông 1MHz trong băng tần ISM có dải tần số 2.4GHz). Việc lựa chọn một kênh riêng biệt đạt được bằng cách sử dụng một mẫu nhảy ngẫu nhiên giả. Nhiều hạn chế quốc gia cũng quyết định các thông số xa hơn nữa, ví dụ : công suất (power) phát cực đại là 1W - EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất phát đẳng hướng tương đương) ở Mỹ và 100 mW ở châu Âu.
Chuẩn đặc tả hình dạng vật lý (Gaussian shaped) FSK (Frequency Shift Keying - khoá dịch chuyển tần số), hình dạng vật lý khoá dịch chuyển tần số (GFSK - Gaussian shaped Frequency Shift Keying) như là sự điền biến cho trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) vật lý. Để được tốc độ 1Mbit/s một khoá dịch chuyển tần số (GFSK) 2 mức được sử dụng (tức là 1 bit được ánh xạ tới một tần số); một khoá dịch chuyển tần số (GFSK) 4 mức cho 2Mbit/s (tức là 2 bits được ánh xạ tới một tần số). Trong khi phát và nhận, tốc độ 1Mbit/s là bắt buộc đối với tất
cả các thiết bị, việc hoạt động ở tốc độ 2Mbit/s là tuỳ chọn. Điều này tạo điều kiện giảm chi phí sản xuất các thiết bị chỉ cho tốc độ chậm hơn và các thiết bị mạnh mẽ hơn cho cả hai tốc độ truyền.
Khuôn dạng của một Frame tầng vật lý được mô tả trong hình 3.8.
80 16 12 4 16 Số bít thay đổi bits
Synchronization SFD PLW PSF HEC Payload
PLCP preamble PLCP header
Hình 3.8. Khuôn dạng của một frame tầng vật lý IEEE 802.11 dùng FHSS
Hình 3.8 cho thấy một frame của tầng vật lý được sử dụng với trải phổ nhảy tần (FHSS). Một frame gồm cố hai phần cơ sở, phần PLCP (gồm có Preamble and Header - phần mở đầu và phần đầu) và bộ làm trắng dữ liệu PLCP. Trong khi phần PLCP luôn luôn được truyền ở tốc độ 1Mbit/s, bộ làm trắng dữ liệu PLCP, tức là dữ liệu MAC, có thể sử dụng tốc độ 1 hoặc 2Mbit/s. Thêm nữa, dữ liệu MAC được đổi tần số dùng đa thức sinh s(z) = z7 + z4 + 1 cho kết khối một chiều và làm trắng phổ. Trong đó bộ làm trắng phổ sử dụng một bộ trộn đồng bộ khung chiều dài 127 bit, tiếp theo đó là mã hoá nén dịch 32/33 để ngẫu nhiên hoá dữ liệu và để giảm thiểu thế hiệu dịch DC dữ liệu. Các octet dữ liệu được đặt vào dòng bit truyền nối tjiếp với bit bắt đầu là lsb và bit cuối cùng là msb.
Như minh hoạ ở hình 3.9. Dãy 127 bit tuần tự được phát lặp đi lặp lại bởi bộ trộn (bit đầu tiên bên trái được sử dụng trước): 00001110 11110010 11001001 00000010 00100110 0010111010110110 00001100 11010100 11100111 10110100 00101010 11111010 01010001 10111000 1111111. Một bộ trộn như vậy được sử dụng để trộn dữ liệu phát đi và tách dữ liệu nhận về. Quá trình làm trắng phổ với bit đầu tiên của PSDU, tức là bit tiếp theo bit cuối cùng của mào đầu PLCP. Phương pháp mã hoá và giải mã nén dịch được mô tả trong hình C. Định dạng gói dữ liệu sau quá trình làm trắng dữ liệu được chỉ ra trong hình 3.9.
Các trường của frame hoàn thành các chức năng sau :
Đồng bộ hoá (Synchronization): Phần mở đầu PLCP bắt đầu với 80 bits đồng bộ hoá, chúng là một chuỗi mẫu bít có dạng 010101...Mẫu bít này được sử dụng cho đồng bộ hoá điện thế thực thể nhận (receiver) và tín hiệu dò tìm bởi CCA. Được sử dụng để phát hiện tín hiệu có thể nhận được một cách tốt nhất, lựa chon ăngten đa năng, sửa lỗi lệch tần số trạng thái bền và đồng bộ định thời gian gói nhận.
Danh giới bắt đầu khung (Start Frame Delimiter - SFD): 16 bits tiếp theo cho biết bắt đầu của frame và như thế cung cấp đồng bộ hoá frame ( bít đầu tiên của SFD theo sau bit cuối cùng của mẫu Sync). Mẫu danh giới bắt đầu khung (SFD) là 0000 1100 1011 1101 (truyền từ trái sang phải).
Từ độ dài PLCP_PDU (PLCP_PDU length word - PLW): Trường đầu tiên này của PLCP header cho biết độ dài của trường tải (payload) tính bằng byte gồm có 32 bits CRC ở cuối trường tải. Từ độ dài PLCP_PDU (jPLW) có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 4096.
Trường báo hiệu PLCP (PLCP Signalling Field - PSF): Về lý thuyết chỉ có duy nhất 1 bit trong 4 bits của trường cho biết tốc độ dữ liệu của trường tải (payload) là 1 hoặc 2Mbits/s.
Kiểm tra lỗi phần đầu (Header Error Check - HEC): Cuối cùng, phần PLCP header được bảo vệ bởi 16 bits tổng kiểm tra (checksum) với đa thức sinh ITU-T chuẩn G(x) = x16 + x12 + x5 + 1.
3.2.1.2. Trải phổ liên tục trực tiếp
Trải phổ liên tục trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) là phương pháp trải phổ lựa chọn nhiều khả năng riêng biệt bằng mã hoá và không mã hoá tần số. Lớp DSSS PHY gồm có hai chức năng giao thức:
Chức năng hội tụ lớp vật lý: Chức năng này sắp xếp thích ứng các khả năng của hệ thống phụ thuộc môi trường vật lý (PMD) vào dịch vụ lớp vật lý PHY. Chức năng này được hỗ trợ bởi thủ tục hội tụ lớp vật lý (PLCP), thủ tục này định nghĩa phương pháp sắp xếp các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớp MAC (MPDU) IEEE 802.11 vào định dạng khung phù hợp cho việc gửi và nhận dữ liệu người sử dụng và thông tin quản lý giữa các trạm STA sử dụng hệ thông PMD liên kết.
Chức năng hệ thống PMD định nghĩa các đặc tính và phương thức truyền phát dữ liệu qua môi trường vô tuyến (WM) giữa hai hay nhiều STA, mỗi STA sử dụng hệ thống DSSS.
Trong trường hợp của trải phổ trực tiếp (DSSS) IEEE 802.11. Việc phân bố đạt được sử dụng trình tự 11 xung (+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1) cũng được gọi là mã Barker. Những đặc điểm then chốt của phương pháp này là tính kháng nhiễu cao và không nhậy cảm của nó tới truyền tải đa đường (truyền trì hoãn thời gian - Time Delay Spread)
Trải phổ trực tiếp (DSSS) tầng vật lý (PHY) của chuẩn IEEE 802.11 cũng sử dụng băng tần ISM 2.4 GHz và cung cấp cả hai tốc độ dữ liệu 1 hoặc 2 Mbit/s. Hệ thống DSSS cung cấp cho mạng LAN vô tuyến khả năng truyền thông tải tin ở cả hai tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps. Theo các quy tắc của FCC, thì hệ thống DSSS sẽ cung cấp
khả năng xử lý ít nhất là 10 dB. Điều này sẽ được thực hiện bằng cách nhận tín hiệu băng gốc ở tần số 11 MHz với mã số giả ngẫu nhiên PN Chip. Hệ thống DSSS sử dụng các phương pháp điều chế băng cơ sở DBIT/SK và DQPSK để cung cấp tốc độ dữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps tương ứng. Bằng cách sử dụng khoá dịch pha nhị phân vi sai (Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK) cho truyền tốc độ 1 Mbit/s và khoá dịch pha cầu phương vi sai (Differential Quadrature Phase Shift Keying - DQPSK) cho truyền tốc độ 2Mbit/s như các lược đồ điều biến. Mặt khác (Again), công suất phát cực đại là 1W EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất phát đẳng hướng tương đương) ở Mỹ và 100mW EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất phát đẳng hướng tương đương) ở châu Âu. Tốc độ ký hiệu là 1 MHz, kết quả trong một chuỗi xung tốc độ 11 MHz. Tất cả các bit đã truyền bằng trải phổ trực tiếp tầng vật lý được đổi tần với đa thức s(z) = z7 - z4 + 1 cho kết khối một chiều và làm trắng phổ.
128 16 8 8 16 16 Variable bits
Synchronization SFD Signal Service Length HEC Payload
PLCP preamble
PLCP header
Hình 3.11. Khuôn dạng của một frame tầng vật lý IEEE 802.11 sử dụng DSSS
Hình 3.11 cho biết một frame của tầng vật lý sử dụng DSSS (trải phổ liên tục trực tiếp). Frame gồm có hai phần cơ sở, phần PLCP (phần mở đầu PLCP và phần đầu PLCP) và trường tải (payload). Trong khi phần PLCP luôn luôn được truyền với tốc độ 1 Mbit/s, trường tải tức là dữ liệu MAC có thể sử dụng tốc độ 1 hoặc 2 Mbit/s. Chức năng của các trường trong frame:
Đồng bộ hoá (Synchronization): 128 bit đầu tiên không những được dùng cho đồng bộ hoá mà còn được thiết lập năng lực dò tìm (cho CCA) và tần số dịch bù. Trường đồng bộ hoá chỉ có duy nhất 1 bit đổi tần.
Danh giới khung bắt đầu (Start frame delimiter): 16 bit của trường này được sử dụng cho đồng bộ hoá ở phần đầu của một khung (frame) và có mẫu là 1111 0011 1010 0000.
Tín hiệu (Signal): Cho tới tận bây giờ, chỉ có 2 giá trị được định nghĩa cho trường này cho biết tốc độ của trường tải. Giá trị 0x0A cho biết tốc độ 1 Mbit/s (và theo
cách DBPSK), giá trị 0x14 cho biết tốc độ 2 Mbit/s (và theo cách DQPSK). Các giá trị khác được dành riêng cho tương lai, tức là tốc độ bit cao hơn.
Dịch vụ (Service): Trường này được dành riêng cho tương lai sử dụng. Tuy nhiên, giá trị 0x00 cho biết một frame tuân theo chuẩn IEEE 802.11.
Độ dài (Length): Về phần hệ thống khác, 16 bit được sử dụng trong trường hợp này để cho biết độ dài của trường tải (payload).
Kiểm tra lỗi phần đầu (Header Error Check - HEC): Tín hiệu, dịch vụ, và độ dài các trường được bảo vệ bởi tổng kiểm tra này sử dụng đa thức chuẩn ITU-T CRC-16. 3.2.1.3. Lớp vật lý hồng ngoại
Tầng vật lý, nó là cơ sở của việc truyền tia hồng ngoại (Infrared - IR), tia hồng ngoại sử dụng bước sóng gần với ánh sáng nhìn thấy được ở bước sóng 850-950 nm, nó không được quy định riêng từ các giới hạn an toàn (sử dụng laze thay cho LEDs). Chuẩn không yêu cầu nhìn thấy nhau trên một đường thẳng giữa thực thể gửi và thực thể nhận, nhưng cũng nên làm việc với ánh sáng khuyếch tán (không giống như thiết bị hồng ngoại IR PHY không trực tiếp). Điều này cho phép truyền thông một điểm tới đa điểm (point-to-multipoint communication). Phạm vi cực đại là khoảng 10m nếu không có ánh sáng mặt trời và các nguồn nhiệt gây nhiễu sự truyền thông. Tiêu biểu như một mạng sẽ không chỉ làm việc trong các toàn nhà, ví dụ: các phòng học, các phòng hội họp v.v. Sử dụng lại tần số rất đơn giản - một bức tường là quá đủ để che chắn một mạng IEEE 802.11 cơ sở tia hồng ngoại từ các mạng khác. IR dựa vào cả năng lượng hồng ngoại phản xạ và năng lượng hồng ngoại đường ngắm để truyền thông. Cùng với chuẩn IEEE, một số chuẩn khác cũng sử dụng bức xạ hồng ngoại như là IEC 60825-1: 1998 và ANSI Z136.1-1993. Bộ phát xạ (như LED) và bộ tách (như PIN diot) trong thông tin hồng ngoại là tương đối dẻ.
Các chức năng của IR PHY: Bao gồm 3 thực thể chức năng:
Phân lớp PLCP: để cho phép WLAN MAC hoạt động phụ thuộc nhỏ nhất vào phân lớp PMD, phân lớp hội tụ vật lý được định nghĩa. Chức
năng này làm đơn giản giao diện dịch vụ lớp PHY với các dịch vụ lớp MAC. Phần Preamble của lớp PHY thường liên kết với lớp hội tụ này.
Phân lớp PMD: cung cấp cơ chế truy nhập kênh CCA, kỹ thuật phát và kỹ thuật nhận được sử dụng bởi phân lớp MAC nhờ PLCP để gửi hoặc nhận dữ liệu giữa hai hoặc nhiều STA.
Thực thể quản lý PHY (PLME): PLME thực thể quản lý các chức năng của lớp PHY kết hợp với thực thể quản lý lớp MAC.
Hình 3.12. Khuôn dạng khung PLCP
3.2.1.4. Lớp vật lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Hệ thống tần số LAN vô tuyến ban đầu được hướng vào băng tần thông tin quốc gia chưa được đăng ký U-NII từ 5,15 đến 5,25, từ 5.25 đến 5,35 và 5,725 đến
5,825 GHz... Hệ thống OFDM cung cấp LAN vô tuyến với tốc độ truyền dữ liệu là 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps. Khả năng nhận và truyền dữ liệu với tốc độ 6, 12 và 24 Mbps là bắt buộc. Hệ thống sử dụng 52 sóng mang phụ được điều chế sử dụng khoá dịch pha nhị phân hoặc khoá dịch pha cầu phương (BIT/SK/QPSK), điều chế biên độ cầu phương 16 hoặc 64. Sau này sử dụng thêm mã sửa sai (mã xoắn) với tốc độ mã hoá 1/2, 2/3, hoặc 3/4.
Kiến trúc OFDM PHY 5 GHz được minh hoạ theo mô hình tham chiếu chuẩn trong hình g. OFDM PHY cũng gồm 3 thực thể chức năng: Chức năng PMD, chức năng hội tụ PHY và chức năng quản lý lớp. Dịch vụ OFDM PHY được cung cấp cho MAC qua các tiền tố dịch vụ PHY.
Phân lớp PLCP: Để MAC WLAN IEEE 802.11 hoạt động phụ thuộc vào phân lớp PMD một cách tối thiểu, người ta sử dụng phân lớp hội tụ PHY. Chức năng này làm đơn giản hoá dịch vụ PHY tới dịch vụ MAC WLAN.
Phân lớp PMD cung cấp phương thức truyền và nhận dữ liệu giữa hai hay nhiều trạm. Phần trình bày này tập trung vao dải 5 GHz sử dụng điều chế OFDM.
Thực thể quản lý PMD: PLME thực thi nhiệm vụ quản lý chức năng PHY cục bộ cùng với thực thể quản lý MAC.
Phân lớp OFDM PLCP: Trong khi truyền, PSDU được cung cấp cùng với một phần đầu khung PLCP và mào đầu PLCP để tạo một PPDU. Tại phần thu, phần mở đầu khung và mào đầu PLCP được xử lý để hỗ trợ điều chế và phân phối PSDU.
Hình 3.13. Khuôn dạng PPDU
Hình 3.13: minh hoạ khuôn dạng PPDU bao gồm phần đầu khung OFDM PLCP, mào đầu OFDM PLCP, PSDU, các bít đuôi (Tail), và các bit Đệm (Pad). Mào đầu PLCP bao gồm các trường sau: LENGTH, RATE, bit dự phòng, bit chẵn lẻ và trường SERVICE. Theo quan điểm điều chế, LENGTH, RATE, bit dự phòng và bit chẵn lẻ (có 6 bit Đuôi bằng 0 cuối cùng) tạo thành một tín hiệu OFDM đơn riêng biệt, được gọi là SIGNAL, được phát với điều chế BIT/SK và tốc độ mã hoá R=1/2. Trường SERVICE của mào đầu PLCP và PSDU (có 6 bit đuôi bằng 0 và các bit đệm), ký hiệu là DATA, được phát với tốc độ chỉ thị trong trường RATE và tạo thành các tín hiệu OFDM phức. Bit đuôi (Tail) trong tín hiệu SIGNAL cho phép giải mã các trường RATE và LENGTH ngay sau khi nhận được bit đuôi đó. Trường RATE và LENGTH được yêu cầu để giải mã phần DATA của gói. Ngoài ra cơ chế CCA có thể cải thiện
bằng cách dự báo khoảng thời gian một gói tin nhờ thông tin từ nội dung của các trường RATE và LENGTH, thậm chí ngay cả tốc độ dữ liệu không được trạm hỗ trợ.
Mô tả về mã hoá xoắn: Trong trường dữ liệu có các phần SERVICE, PSDU,TAIL và phần đệm PAD sẽ được mã hoá bằng bộ mã hoá xoắn với tốc độ mã hoá