Đa số các hệ thống WLAN sử dụng công nghệ trải phổ, một kỹ thuật tần số vô tuyến băng rộng mà trước đây được phát triển bởi quân đội trong các hệ thống truyền thông tin cậy, an toàn và trọng yếu. Sự trải phổ được thiết kế hiệu quả với sự đánh đổi dải thông lấy độ tin cậy, khả năng tích hợp, và bảo mật. Nói cách khác, sử dụng nhiều băng thông hơn trường hợp truyền băng hẹp, nhưng đổi lại tạo ra tín hiệu mạnh hơn nên dễ được phát hiện hơn, miễn là máy thu biết các tham số của tín hiệu trải phổ của máy phát. Nếu một máy thu không chỉnh đúng tần số, thì tín hiệu trải phổ giống như nhiễu nền. Điều chế trải phổ trải năng
lượng của tín hiệu trên một độ rộng băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần cần thiết tối thiểu. Điều này trái với mong muốn bảo toàn độ rộng băng tần nhưng quá trình trải phổ làm cho tín hiệu ít bị nhiễu điện từ hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế vô tuyến thông thường. Truyền dẫn khác và nhiễu điện từ thường là băng hẹp sẽ chỉ gây can nhiễu với một phần nhỏ của tín hiệu trải phổ, nó sẽ gây ra ít nhiễu và ít lỗi hơn nhiều khi các máy thu giải điều chế tín hiệu. Điều chế trải phổ không hiệu quả về độ rộng băng tần khi được sử dụng bởi một người sử dụng. Tuy nhiên, do nhiều người sử dụng có thể dùng chung cùng độ rộng băng tần phổ mà không can nhiễu với nhau, các hệ thống trải phổ trở nên có hiệu quả về độ rộng băng tần trong môi trường nhiều người sử dụng. Điều chế trải phổ sử dụng hai phương pháp trải tín hiệu trên một băng tần rộng hơn: trải phổ chuỗi trực tiếp và trải phổ nhẩy tần.
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): - Trải phổ nhảy tần là một công nghệ sử dụng sự linh hoạt của tần số để trải dữ liệu ra hơn 83MHz. Sự linh hoạt của tần số chính là khả năng của bộ phát tần số vô tuyến 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 WLAN thì dãy tần số có thể sử dụng được trong băng tần 2.4GHz ISM là 83.5MHz.
- Trải phổ nhảy tần sử dụng một sóng mang băng hẹp để thay đổi tần số trong một mẫu ở cả máy phát lẫn máy thu. Các tần số sóng mang của những người sủ dụng riêng biệt được làm cho khác nhau theo kiểu giả ngẫu nhiên trong một kênh băng rộng. Dữ liệu số được tách thành các cụm dữ liệu kích thước giống nhau được phát trên các tần số sóng mang khác nhau. Độ rộng băng tần tức thời của các cụm truyền dẫn nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ độ rộng băng tần trải phổ. Mã giả ngẫu nhiên thay đổi các tần số sóng mang của người sử dụng, ngẫu nhiên hóa độ chiếm dụng của một kênh cụ thể tại bất kỳ thời điểm nào.
Transmitter Receiver Frequency Synthesizer PN-Code Generator PN-Code Generator Carrier + Data Carrier + Data Frequency Synthesizer
Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ nhảy tần
- Trong máy thu nhảy tần, một mã giả ngẫu nhiên được phát nội bộ được sử dụng để đồng bộ tần số tức thời của các máy thu với các máy phát. Tại bất kỳ thời điểm nào, một tín hiệu nhảy tần chiếm một kênh đơn tương đối hẹp. Nếu tốc độ thay đổi của tần số sóng mang lớn hơn nhiều so với tốc độ ký tự thì hệ thống được coi như là một hệ thống nhảy tần nhanh. Nếu kênh thay đổi tại một tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ ký tự thì hệ thống được gọi là nhảy tần chậm. - FHSS “nhảy” tần từ băng hẹp sang băng hẹp bên trong một băng rộng. Đặc biệt hơn, các sóng vô tuyến FHSS gửi một hoặc nhiều gói dữ liệu tại một tần số sóng mang, nhảy đến tần số khác, gửi nhiều gói dữ liệu, và tiếp tục chuỗi “nhảy - truyền” dữ liệu này. Mẫu nhảy hay chuỗi này xuất hiện ngẫu nhiên, nhưng thật ra là một chuỗi có tính chu kỳ được cả máy thu và máy phát theo dõi. Các hệ thống FHSS dễ bị ảnh hưởng của nhiễu trong khi nhảy tần, nhưng hoàn thành việc truyền dẫn trong các quá trình nhảy tần khác trong băng tần.
tw fc frequency time tw = dwell time fc = bandwidth 0 Hình 3.8 Ví dụ về trải phổ nhảy tần
- 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.
- Một hệ thống nhẩy tần cung cấp một mức bảo mật, đặc biệt là khi sử dụng một số lượng lớn kênh, do một máy thu vô tình không biết chuỗi giả ngẫu nhiên của các khe tần số phải dò lại nhanh chóng để tìm tín hiệu mà họ muốn nghe trộm. Ngoài ra, tín hiệu nhảy tần hạn chế được fading, do có thể sử dụng sự mã hóa điều khiển lỗi và sự xen kẽ để bảo vệ tín hiệu nhẩy tần khỏi sự suy giảm rõ rệt đôi khi có thể xảy ra trong quá trình nhẩy tần. Việc mã hóa điều khiển lỗi và xen kẽ cũng có thể được kết hợp để tránh một kênh xóa bỏ khi hai hay nhiều người sử dụng phát trên cùng kênh tại cùng thời điểm.
Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - DSSS rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trong số các công nghệ trải phổ vì nó dễ dàng cài đặt và có tốc độ cao. Hầu hết các thiết bị WLAN trên thị
trường đều sử dụng công nghệ trải phổ DSSS. DSSS là một phương pháp truyền dữ liệu trong đó hệ thống truyền và hệ thống nhận đều sử dụng một tập các tần số có độ rộng 22MHz. Các kênh rộng này cho phép các thiết bị truyền thông tin với tốc độ cao hơn hệ thống FHSS nhiều.
Transmitter Receiver PN-Code Generator PN-Code Generator Carrier + Data Carrier + Data
Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thông trải phổ chuỗi trực tiếp
- DSSS kết hợp tín hiệu dữ liệu tại trạm truyền với một chuỗi bit dữ liệu tốc độ cao (quá trình này được gọi là Chipping code hay Processing gain). Processing gain cao sẽ làm tăng tính kháng cự của tín hiệu đối với nhiễu. Processing gain tối thiểu mà FCC cho phép là 10 và hầu hết các sản phẩm thương mại đều hoạt động dưới 20. Nhóm làm việc IEEE 802.11 đã thiết lập yêu cầu processing gain tối thiểu là 11.
- Tiến trình của DSSS bắt đầu với một sóng mang được điều chế với một chuỗi mã (code sequence). Số lượng chip trong mã sẽ xác định trải rộng bao nhiêu, và số lượng chip trên một bit và tốc độ của mã sẽ xác định tốc độ dữ liệu. Các chip càng dài, thì xác suất mà dữ liệu gốc bị loại bỏ càng lớn. Thậm chí khi một hoặc nhiều bit trong một chip bị hư hại trong thời gian truyền, thì các kỹ thuật được nhúng trong vô tuyến khôi phục dữ liệu gốc mà không yêu
cầu truyền lại. Đối với máy thu không mong muốn, DSSS làm xuất hiện nhiễu băng rộng công suất thấp và được loại bỏ bởi hầu hết các máy thu băng hẹp.
Dữ liệu vào A Dữ liệu vào A Chuỗi bit gốc Tín hiệu phát Tín hiệu thu Chuỗi bit giống bit gốc Dữ liệu ra Bên phát Bên thu
Hình 3.10 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp
- Bộ phát DSSS biến đổi luồng dữ liệu vào (luồng bit) thành luồng ký tự (symbol), trong đó mỗi ký tự biểu diễn một nhóm các bit. Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều biến pha thay đổi như kỹ thuật điều chế khóa dịch pha cầu phương QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), bộ phát DSSS điều biến hay nhân mỗi ký tự với một mã giống nhiễu gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudorandom Noise). Nó được gọi là chuỗi “chip”. Phép nhân trong bộ phát DSSS làm tăng độ giả tạo dải băng được dùng phụ thuộc vào độ dài của chuỗi chip.