3. Chương III: IEEE802.11 và chuẩn hóa mạng LAN không dây (WLAN)
3.3.9. Các mạng Ad-hoc
Trong một số trường hợp các người dùng muốn lập một mạng LAN không dây mà không có một cơ sở hạ tầng (đặc biệt hơn không có một điểm truy cập), điều này bao gồm truyền file giữa hai người dùng máy notebook, cuộc họp giữa các cộng tác viên bên ngoài văn phòng, vân vân.
Chuẩn IEEE 802.11 giải quyết các nhu cầu này bằng cách định nghĩa một mô hình hoạt động “Ad-hoc”, trong trường hợp này không có điểm truy cập nào hoặc phần nào tính năng của nó được thực hiện bởi các trạm người dùng cuối (như tạo báo hiệu, đồng bộ, …), và các chức năng khác không được hỗ trợ (như đặt lại giữa hai trạm không nằm trong phạm vi, hoặc tiết kiệm năng lượng).
3.4. Các tiêu chuẩn trong bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11
3.4.1. IEEE 802.11
Năm 1997, IEEE đưa ra chuẩn 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
-57-
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.
3.4.2. IEEE 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 “mẹ bồng con” và các dụng cụ khác cùng sử dụng tần số 2,4GHz. 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.
3.4.3. IEEE 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 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 hiệu 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 chuẩnfđó).
-58-
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.
3.4.4. IEEE 802.11d
Chuẩn IEEE 802.11d là một chuẩn IEEE bổ sung lớp sự điều khiển truy cập (MAC) vào chuẩn IEEE 802.11 để đẩy mạnh khả năng sử dụng rộng mạng WLAN chuẩn IEEE 802.11. Nó sẽ cho phép các điểm truy cập truyền thông thông tin trên các kênh vô tuyến dùng được với các mức công suất chấp nhận được cho các thiết bị khách hàng. Các thiết bị sẽ tự động điều chỉnh dựa vào các yêu cầu địa lý.
Mục đích 802.11d là sẽ thêm các đặc tính và các hạn chế để cho phép mạng WLAN hoạt động theo các quy tắc của các nước này. Các nhà sản xuất thiết bị không muốn để tạo ra một sự đa dạng rộng lớn của các sản phẩm và các người dùng chuyên biệt theo quốc gia mà người đi du lịch không muốn một túi đầy các card PC mạng WLAN chuyên biệt theo quốc gia. Hậu quả sẽ là các giải pháp bị chuyên biệt theo quốc gia.
3.4.5. IEEE 802.1x (Tbd)
Chuẩn IEEE 802.1x (Yêu cầu một nhà cung cấp dịch vụ RADIUS) cung cấp các doanh nghiệp & các nhà riêng một giải pháp chứng thực bảo mật, biến đổi được sử dụng kỹ thuật tái khóa (re - keying) động, sự chứng thực tên và mật khẩu người dùng và chứng thực lẫn nhau. Kỹ thuật tái khóa động, mà trong suốt với người dùng, loại trừ phân phối khóa không bảo mật và sự chi phốI thời gian và ngăn ngừa các tấn công liên quan đến các khóa WEP tĩnh. Sự chứng thực trên nền người dùng loại trừ các lỗ bảo mật xuất hiện từ thiết bị bị trộm hoặc mất khi sự chứng thực trên nền thiết bị được sử dụng, và sự chứng thực lẫn nhau giảm nhẹ tấn công dựa vào các điểm truy cập láu cá. Đồng thời, vì sự chứng thực chuẩn IEEE 802.1x thông qua một cơ sở dữ liệu RADIUS, nó cũng chia thang để dễ dàng điều khiển các số lượng người dùng mạng WLAN đang gia tăng.
3.4.6. IEEE 802.11i
Đây là tên của nhóm làm việc IEEE dành cho chuẩn hóa bảo mật mạng WLAN. Bảo mật chuẩn IEEE 802.11i có một khung làm việc được dựa vào RSN (Cơ chế Bảo mật tăng cường). RSN gồm có hai phần:
-59- 2. Quản lý liên kết bảo mật.
Cơ chế riêng của dữ liệu hỗ trợ hai sơ đồ được đề xướng: TKIP và AES. TKIP (Sự toàn vẹn khóa thời gian) là một giải pháp ngắn hạn mà định nghĩa phần mềm vá cho WEP để cung cấp một mức riêng tư dữ liệu thích hợp tối thiểu. AES hoặc AES - OCB (Advanced Encryption Standard and Offset Codebook) là một sơ đồ riêng tư dữ liệu mạnh mẽ và là một giải pháp thời hạn lâu hơn.
Quản lý liên kết bảo mật được đánh địa chỉ bởi: a) Các thủ tục đàm phán RSN
b) Sự Chứng thực chuẩn IEEE 802.1x c) Quản lý khóa chuẩn IEEE 802.1x.
Các chuẩn đang được định nghĩa để cùng tồn tại một cách tự nhiên các mạng pre - RSN mà hiện thời được triển khai. Chuẩn này không kỳ vọng sẽ được thông qua cho đến khi kết thúc năm 2003.
3.4.7. IEEE 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 AP 802.11g sẽ làm việc với card mạng Wi-Fi chuẩnp802.11b...
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.
3.4.8. IEEE 802.11h
Chuẩn này được dùng ở châu Âu, dải tần 5 Ghz. Nó cung cấp tính năng sự lựa chọn kênh động và điều khiển công suất truyền dẫn TPC, nhằm tránh can nhiễu. Ở châu Âu người ta chủ yếu sử
-60-
dụng thông tin vệ tinh, nên phần lớn các quốc gia ở đây sử dụng chỉ sử dụng Wireless LAN ở trong nhà (Indoor). Chuẩn này đang ở giai đoạn chuẩn hóa.
3.4.9. IEEE 802.11n
Do tính tiện dụng và dễ triển khai, mạng WLAN ngày càng thâm nhập khắp nơi để phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin và giải trí. Với nhu cầu ngày càng cao cấp, tốc độ 11 Mbps của chuẩn 802.11b, 54Mbps của chuẩn 802.11a/g dù rất hấp dẫn nhưng cũng chưa thỏa yêu cầu của người dùng. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao hơn đó, IEEE đã hình thành nhóm làm việc phát triển chuẩn 802.11n. Phạm vi làm việc của nhóm này là định nghĩa điều chỉnh lớp vật lý và lớp MAC để chuyển giao một giá trị nhỏ nhất 100Mbps thông qua một điểm truy nhập dịch vụ MAC (SAP).
802.11n sử dụng một quan điểm phát triển đang sử dụng tại các công nghệ hiện hữu trong khi giới thiệu công nghệ mới ở đó chúng cung cấp hiệu quả làm việc sự phát triển để thấy được yêu cầu của việc phát triển những ứng dụng. Sử dụng lại những công nghệ quý báu như OFDM, mã hóa sửa lỗi từ phía trước, đan xen và ánh xạ điều biến biên độ cầu phương đã được sửa và giữa lại, giá cả giảm xuống và hoàn toàn tương thích với các công nghệ trước đó.
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 không nhất thiết phải áp dụng tất cả các tùy chọn. Ví dụ, năm 2006, hầu hết thiết bị phần cứng WLAN 802.11n 1.0 hỗ trợ tốc độ 300Mbps.
Một trong những điều mong đợi nhất của người dùng thiết bị đầu cuối Wi-Fi không gì khác ngoài tốc độ và tầm phủ sóng. 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). Hai đặc điểm then chốt này giúp việc sử dụng các ứng dụng trong môi trường mạng Wi-Fi được cải tiến đáng kể, phục vụ tốt cho nhu cầu giải trí đa phương tiện, nhiều người dùng có thể xem phim chất lượng cao (HD, Full HD, Full HD 3D...), gọi điện thoại qua mạng Internet (VoIP), tải tập tin dung lượng lớn đồng thời... mà chất lượng dịch vụ và độ tin cậy vẫn luôn đạt mức cao.
-61-
Hình 3.13:Logo chứng nhận sản phẩm đạt chuẩn 802.11n
Bên cạnh đó, chuẩn 802.11n vẫn đảm bảo khả năng tương thích ngược với các sản phẩm trước đó, chẳng hạn, nếu sản phẩm Wi-Fi chuẩn n sử dụng đồng thời hai tần số 2,4GHz và 5GHz thì sẽ tương thích ngược với các sản phẩm chuẩn 802.11a/b/g.
Chuẩn 802.11n đã được IEEE phê duyệt đưa vào sử dụng chính thức và cũng đã được Hiệp hội Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) kiểm định và cấp chứng nhận cho các sản phẩm đạt chuẩn. Chứng nhận chuẩn Wi-Fi 802.11n là bước cập nhật thêm một số tính năng tùy chọn cho 802.11n dự thảo 2.0 (draft 2.0, xem thêm bài viết ID: A0905_100) được Wi-Fi Alliance bắt đầu từ hồi tháng 6/2007; các yêu cầu cơ bản (băng tầng, tốc độ, MIMO, các định dạng khung, khả năng tương thích ngược) không thay đổi. Đây là tin vui cho những ai đang sở hữu thiết bị đạt chứng nhận 802.11n draft 2.0. Chứng nhận Wi-Fi n vẫn đảm bảo cho hơn 700 sản phẩm được cấp chứng nhận draft 2.0 trước đây (gồm máy tính, thiết bị điện tử tiêu dùng như tivi, máy chủ đa phương tiện (media server) và các thiết bị mạng). Tất cả thiết bị được cấp chứng nhận dạng draft n có đủ điều kiện để sử dụng logo "Wi-Fi CERTIFIED n" mà không cần phải kiểm tra lại
-62- (xem hình 3.13).
Các cải tiến công nghệ của chuẩn 802.11n: a) OFDM tốt hơn
Yêu cầu đầu tiên là phải sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia tầng số trực giao OFDM được phát triển ở trên dựa trên 802.11a/g, sử dụng tốc độ mã lớn nhất cao hơn và nhịp độ dải thông rộng hơn. Điều đó có nghĩa là 802.11n hỗ trợ một OFDM tốt hơn. Những thay đổi đó giúp tăng tốc độ lên 65 Mbps so với 52Mbps của chuẩn 802.11a và 802.11g.
ü Cải thiện hiệu năng của MIMO:
Một trong những thành phần được biết rộng rãi nhất trong đặc tả kỹ thuật của bản dự thảo là MIMO. 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.
-63-
Hình 3.14: Công nghệ MIMO
Hiện tại, 802.11n cung cấp đến 4 chuỗi dữ liệu, cho dù phần cứng không yêu cầu hỗ trợ nhiều như thế. (xem hình 3.15)
Hình 3.15 :Các chuỗi dữ liệu của 802.11n
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 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.
-64-
ü Các đặc điểm nổi bật của MIMO
Có 2 tính năng trong đặc tả kỹ thuật 802.11n 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 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 (xem bảng 3.3).
Bảng 3.3: Các đặc tả kỹ thuật chủ yếu của 802.11n
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
Tùy chọn đến tối đa 4 anten
-65-
lượng anten ở đầu thu cao hơn số lượng anten ở đầu phát. 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