2.3. Công nghệ trải phổ
2.3.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
Trải phổ nhảy tần (FHSS) là một công nghệ sử dụng sự nhanh nhẹn của tần số để trải dữ liệu ra hơn 83 MHz. Sự nhanh nhẹn của tần số chính là khả năng của bộ phát tần số (Radio) có thể thay đổi tần số truyền một cách đột ngột trong dãy băng tần số có thể sử dụng. Trong trường hợp nhảy tần đối với mạng WLAN thì dãy tần số có thể sử dụng được (trong băng tần 2.4 GHz ISM) là 83.5 MHz.
Hình 2.10. Trải phổ nhẩy tần (FHSS)
a) Nguyên lý làm việc của FHSS
Trong hệ thống nhảy tần, sóng mang sẽ thay đổi tần số (hay nhảy) tùy thuộc vào chuỗi Pseudorandom. Chuỗi Pseudorandom là một danh sách của nhiều tần số mà sóng mang có thể nhảy trong một khoảng thời gian xác định trước khi lặp lại danh sách này. Transmitter sử dụng chuỗi nhảy này để chọn tần số truyền cho nó. Sóng mang sẽ vẫn ở một mức tần số nào đó trong một khoảng thời gian xác định (khoảng thời gian này cịn được gọi là Dwell time) và sau đó sử dụng một khoảng thời gian ngắn để nhảy sang tần số tiếp theo (khoảng thời gian ngắn này được gọi là Hop time). Khi danh sách tần số đã được nhảy hết, transmitter sẽ lặp lại từ đầu danh sách này.
Hình dưới minh họa một hệ thống nhảy tần sử dụng một chuỗi nhảy gồm 5 tần số qua dãy tần số 5 MHz. Trong ví dụ này thì chuỗi nhảy là:
1. 2.449 GHz 2. 2.452 GHz 3. 2.448 GHz
4. 2.450 GHz 5. 2.451 GHz
Hình 2.11. FHSS
Sau khi radio đã truyền thông tin trên sóng mang 2.451 GHz (tức là đã nhảy đến cuối chuỗi nhảy) thì radio sẽ lặp lại chuỗi nhảy từ đầu ở 2.449 GHz. Tiến trình lặp lại này sẽ cịn tiếp tục cho đến khi thơng tin được nhận hồn tồn.
Radio của bên nhận sẽ đồng bộ hóa chuỗi nhảy với radio của bên truyền để có thể nhận được thơng tin trên những tần số thích hợp vào những thời điểm thích hợp. Tín hiệu sau đó được demodulate và sử dụng bởi máy tính nhận.
b) Tác dụng của nhiễu băng hẹp
Nhảy tần là một phương pháp truyền dữ liệu trong đó hệ thống truyền và nhận nhảy theo một dạng chấp nhận được của tần số. Cũng giống như các công nghệ trải phổ khác, hệ thống nhảy tần là kháng cự (nhưng không miễn nhiễm) đối với nhiễu băng hẹp. Trong ví dụ của chúng ta ở trên, nếu tín hiệu bị nhiễu trên tần số 2.451 GHz thì chỉ phần đó của tín hiệu trải phổ sẽ bị mất, phần cịn lại của tín hiệu trải phổ sẽ vẫn được giữ nguyên và dữ liệu bị mất sẽ được truyền lại (có thể ở tần số khác).
Trong thực tế, nhiễu tín hiệu băng hẹp có thể xuất hiện trong nhiều MHz của băng thơng. Vì băng nhảy tần trải rộng 83.5 MHz nên nhiễu băng hẹp chỉ gây sự giảm cấp nhỏ đối với tín hiệu trải phổ
c) Hệ thống nhảy tần
Công việc của IEEE là tạo ra chuẩn hoạt động tuân theo quy tắc của FCC. IEEE và chuẩn OpenAir liên quan đến hệ thống FHSS mô tả:
+ Dãy tần số nào có thể được sử dụng + Chuỗi nhảy
+ Dwell time + Tốc độ dữ liệu
Chuẩn 802.11 xác định tốc độ dữ liệu là 1 Mbps và 2 Mbps, OpenAir (một chuẩn được tạo ra bởi diễn đàn tương thích mạng khơng dây WLIF mà bây giờ khơng cịn tồn tại nữa) xác định tốc độ dữ liệu là 800 Kbps và 1.6 Mbps. Để cho hệ thống nhảy tần có thể tương thích với chuẩn 802.11 hay OpenAir thì nó phải hoạt động trong băng tần 2.4 GHz ISM (được định nghĩa bởi FCC từ 2.4 GHz đến 2.5 GHZ). Cả 2 chuẩn này đều cho phép hoạt động trong dãy tần số 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz.
Vì WLIF(Wireless LAN Interoperability Forum) khơng cịn hỗ trợ OpenAir nữa nên chúng ta chỉ tập trung vào IEEE 802.11 khi khảo sát về FHSS.
d) Channels
Một hệ thống nhảy tần sẽ hoạt động sử dụng một dạng nhảy (hop pattern) xác định được gọi là channel (kênh). Hệ thống nhảy tần thường sử dụng hop pattern chuẩn của FCC hay chỉ là một tập con của nó. Một số hệ thống nhảy tần cho phép hop pattern được tạo ra tùy ý và thậm chí cịn cho phép đồng bộ hóa giữa hệ thống để loại bỏ xung đột trong môi trường dùng chung (co-located)
Mặc dù trong nhiều hệ thống có thể có đến 79 Access Point (AP) đồng bộ co- located, nhưng mỗi radio nhảy tần phải được đồng bộ hóa với nhau một cách chính xác để khơng gây nhiễu (truyền trên cùng một tần số) đến radio nhảy tần khác trong cùng một vùng. Chi phí của một hệ thống như vậy là rất lớn và thường không được xem như là một
tùy chọn (option). Nếu sử dụng radio đã đồng bộ thì thường chỉ xét đến 12 hệ thống co- located là tối đa.
Nếu sử dụng radio khơng đồng bộ thì 26 hệ thống có thể co-located trong WLAN, con số này được xem như là số tối đa trong môi trường WLAN. Việc tăng traffic (lưu lượng) một cách đáng kể hay truyền những file lớn một cách thường xuyên sẽ gây ra một sự hạn chế thực tế về số lượng hệ thống co-located tối đa vào khoảng 15. Nếu nhiều hơn 15 hệ thống nhảy tần co-located trong môi trường như thế sẽ gây ra nhiễu và xung đột bắt đầu làm giảm băng thông tổng cộng của WLAN.
e) Dwell time
Khi thảo luận về hệ thống nhảy tần nghĩa là chúng ta đang thảo luận về hệ thống phải truyền trên một tần số xác định trong một khoảng thời gian và sau đó nhảy sang một tần số khác để tiếp tục truyền. Khi một hệ thống nhảy tần truyền trên một tần số, nó phải dùng tần số đó trong một khoảng thời gian xác định, khoảng thời gian này được gọi là Dwell time. Một khi dwell time kết thúc, hệ thống sẽ chuyển sang một tần số khác và bắt đầu truyền tiếp.
Giả sử rằng hệ thống nhảy tần truyền trên chỉ 2 tần số 2.401 GHz và 2.402 GHz. Hệ thống sẽ truyền trên tần số 2.401 GHz trong một khoảng thời gian dwell time (ví dụ 100 milisecond). Sau 100 ms radio phải thay đổi tần số truyền của nó sang 2.402 GHz và truyền thơng tin tại tần số đó trong khoảng 100 ms. Vì trong ví dụ chúng ta chỉ sử dụng 2 tần số nên radio sẽ nhảy trở lại tần số 2.401 GHz và tiếp tục tiến trình truyền.
g) Hop Time
Khi xem xét hành động nhảy của radio nhảy tần, dwell time chỉ là một phần của quá trình nhảy. Khi radio nhảy tần nhảy từ một tần số A sang một tần số B, nó phải thay đổi tần số truyền theo một trong 2 cách. Nó phải chuyển sang một mạch (điện) khác để có thể truyền ở tần số mới hoặc nó phải thay đổi một số thành phần của mạch hiện tại để có thể chuyển sang một tần số mới. Trong cả 2 trường hợp, quá trình thay đổi phải được hoàn tất trước khi việc truyền có thể bắt đầu, khoảng thời gian thay đổi này bao gồm độ trễ của mạch điện. Khoảng thời gian nhỏ này là khoảng thời gian mà radio khơng thể truyền tín hiệu được gọi là Hop time. Hop time được đo bằng microsecond (us), với
khoảng thời gian dwell time tương đối lớn vào khoảng 100-200 ms thì hop time là khơng đáng kể. Một hệ thống 802.11 FHSS thường nhảy giữa các kênh khoảng 200-300 us.
Với dwell time rất ngắn khoảng 500-600 us được sử dụng trong một số hệ thống nhảy tần như Bluetooth thì hop time có thể rất đáng kể. Nếu chúng ta nhìn vào tác dụng của hop time đối với băng thông dữ liệu, chúng ta sẽ phát hiện rằng hop time càng lớn (trong mối liên quan với dwell time) thì tốc độ truyền dữ liệu càng chậm. Điều này cũng có nghĩa là dwell time càng lớn thì tốc độ càng cao.
h) Dwell Time Limits
FCC xác định dwell time tối đa của hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS vào khoảng 400 ms trên một sóng mang trong bất kỳ khoảng thời gian 30 giây nào. Ví dụ, nếu một transmitter sử dụng một tần số trong 100 ms, sau đó nhảy suốt tồn bộ chuỗi 75 hop (mỗi hop đều có 100 ms dwell time) rồi trở về lại tần số ban đầu, thì xem như nó đã sử dụng nhiều hơn 7.5 giây một ít trong chuỗi nhảy này. Lý do khơng chính xác là 7.5 giây chính là hop time. Việc nhảy suốt chuỗi nhảy 4 lần liên tiếp sẽ sinh ra 400 ms cho mỗi tần số sóng mang và khoảng thời gian này hơi vượt quá 30 giây một ít (7.5 * 4 lần) là mức cho phép của FCC. Một ví dụ khác minh họa hệ thống FHSS tuân theo quy tắc FCC là việc sử dụng 200 ms dwell time nhảy qua chuỗi nhảy chỉ 2 lần trong khoảng 30 giây, hay 400 ms dwell time nhảy qua chuỗi nhảy chỉ 1 lần trong suốt 30 giây. Các trường hợp trên là rất lý tưởng cho việc cài đặt FHSS của các nhà sản xuất thiết bị. Sự khác biệt chính trong các ví dụ trên là hop time đã ảnh hưởng như thế nào đến băng thông. việc sử dụng dwell time 100 ms sẽ nhảy gấp 4 lần khi sử dụng dwell time 400 ms, nên sẽ tốn thêm 3 hop time giữa các lần nhảy, làm cho giảm băng thông.
Thông thường thì radio nhảy tần sẽ khơng được lập trình để hoạt động ở mức giới hạn bởi luật, thay vào đó, nó cung cấp một số khoảng trống giữa giới hạn luật và khoảng hoạt động thực tế cho phép người sử dụng có thể điều chỉnh một cách linh động. Bằng cách điều chỉnh dwell time, administrator có thể tối ưu mạng FHSS nơi có nhiễu xảy ra. Trong một vùng có ít nhiễu thì dwell time càng lớn thì băng thơng càng lớn. Ngược lại trong một vùng mà nhiễu rất đáng kể sẽ làm cho tăng số lượng truyền lại các gói tin bị hỏng do nhiễu, vì thế dwell time nhỏ được ưa thích hơn.
i) Các quy tắc của FCC liên quan đến FHSS
Vào 31 tháng 8 năm 2000 FCC đã thay đổi các quy tắc liên quan đến việc cài đặt FHSS. Các quy tắc thay đổi cho phép các hệ thống nhảy tần linh động và mạnh mẽ hơn. Các nguyên tắc được chia ra thành 2 loại: trước 31/8/2000 và sau 31/8/2000 và FCC cho phép nhà sản xuất tùy chọn nguyên tắc để cài đặt vào thiết bị của mình tùy thuộc vào nhu cầu. Nếu nhà sản xuất quyết định chọn quy tắc trước 31/8/2000 thì họ sẽ bị giới hạn bởi quy tắc ấy. Ngược lại nếu họ chọn quy tắc sau 31/8/2000 thì họ bị giới hạn bởi cả 2 quy tắc trên. Một nhà sản xuất không thể sử dụng hỗn hợp một phần từ quy tắc này với một phần của quy tắc khác.
Trước 31/8/2000, hệ thống FHSS được quy định bởi FCC và IEEE sử dụng ít nhất 75 trong số 79 tần số sóng mang có thể trong một tập các tần số nhảy với công suất phát tối đa là 1 Watt ở bộ phát định hướng (intentional radiator). Mỗi tần số mang là một một hệ số nhân của 1 MHz giữa 2.402 GHz đến 2.480 GHz. Quy tắc này phát biểu rằng hệ thống phải nhảy trên ít nhất 75 trong số 79 tần số trước khi lặp lại hop pattern.
Quy tắc này đã được chỉnh sửa vào 31/8/2000 phát biểu lại rằng chỉ cần 15 hop trong một pattern là đủ, nhưng nhiều thay đổi khác cũng phát sinh từ đó. Ví dụ, công suất phát tối đa của một hệ thống tuân theo quy tắc mới này là 125 mW và có thể có tối đa 5 MHz băng thơng sóng mang. Hãy lưu ý rằng việc tăng băng thông cho cùng một lượng thông tin sẽ yêu công suất đỉnh thấp hơn. Chúng ta có thể thấy rằng số hop nhân với băng thơng sóng mang sẽ bằng ít nhất là 75 MHz. Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng 25 hop thì chỉ cần một sóng mang rộng 3 MHz là đủ. Hoặc nếu ta sử dụng 15 hop thì cần sóng mang rộng 5 MHz (mức tối đa).
Các tần số không trùng lặp nhau đều được cho phép trong cả 2 quy tắc. Nếu như ít nhất 75 MHz của băng thông được sử dụng trong phổ tần số được cắt ra nhiều phần nhỏ có độ rộng bằng với tần số sóng mang được sử dụng thì chúng sẽ nằm sát cạnh nhau trong tồn bộ phổ tần số mà khơng bị trùng lặp lên nhau. Nguyên tắc này được chuyển dịch thành 75 tần số sóng mang khơng trùng lặp đối với quy tắc trước 31/8/2000 và 15-74 tần số sóng mang khơng trùng lặp đối với quy tắc sau 31/8/2000.
IEEE phát biểu trong chuẩn 802.11 rằng hệ thống FHSS sẽ có ít nhất 6 MHz của tần số sóng mang tách biệt giữa các hop. Vì thế, một hệ thống FHSS truyền trên tần số 2.410 GHz phải nhảy đến cách ít nhất là 2.404 GHz (nếu giảm tần số) hoặc 2.416 GHz (nếu tăng tần số). Yêu cầu này vẫn được giữ nguyên không thay đổi bởi IEEE và FCC vào 31/8/2000.
Quy tắc trước 31/8/2000 liên quan đến hệ thống FHSS cho phép tốc độ tối đa 2 Mbps. Bằng việc tăng băng thơng sóng mang từ 1 MHz lên 5 MHz thì tốc độ tối đa của dữ liệu đã tăng lên 10 Mbps.