Công nghệ trải phổ FHSS và DSSS

Để có thể quản lý và troubleshoot mạng WLAN một cách hiệu quả thì kiến thức về các công nghệ trải phổ là không thể thiếu. Vì thế trong bài này chúng ta sẽ đề cập đến các công nghệ trải phổ đang được sử dụng theo quy tắc của FCC (ở Mỹ). Chúng ta sẽ phân biệt và so sánh 2 công nghệ trải phổ chính là FHSS và DSSS

I. Giới thiệu về trải phổ
Trải phổ là một kỹ thuật truyền thông được đặc trưng bởi băng thông rộng và công suất thấp. Truyền thông trải phổ sử dụng các kỹ thuật điều chế (modulation) khác nhau cho mạng WLAN và nó cũng có nhiều thuận lợi so với người tiền nhiệm của nó là truyền thông băng hẹp. Tín hiệu trải phổ trông giống như nhiễu, khó phát hiện và thậm chí khó để chặn đứng hay giải điều chế (demodulation) nếu không có các thiết bị thích hợp. Jamming và nhiễu (interference) thường có ảnh hưởng với truyền thông trải phổ ít hơn so với truyền thông băng hẹp. Vì những lý do này mà trải phổ đã được sử dụng trong quân sự trong một thời gian dài. Để có thể hiểu được trải phổ là gì, trước hết chúng ta phải thảo luận các khái niệm của truyền thông băng hẹp.

1. Truyền thông băng hẹp
Truyền thông băng hẹp là công nghệ truyền thông chỉ sử dụng đủ phổ tần số để mang tín hiệu dữ liệu không hơn. Nhiệm vụ của FCC (Federal Communication Commission) là hạn chế việc sử dụng tần số càng nhiều càng tốt, chỉ cho phép sử dụng tần số ở một mức đủ để hoàn thành công việc. Trải phổ hoàn toàn ngược lại với nhiệm vụ mà FCC đang thực hiện vì nó sử dụng băng tần rộng hơn mức cần thiết để truyền thông tin. Điều này cho chúng ta biết được một ít khái niệm về tín hiệu như thế nào được gọi là trải phổ. Một tín hiệu được gọi là một tín hiệu trải phổ khi băng thông của nó rộng hơn nhiều so với mức cần thiết để truyền thông tin.

Hình dưới minh họa sự khác nhau giữa truyền thông băng hẹp và truyền thông trải phổ. Chú ý là một trong những đặc điểm của băng hẹp là công suất đỉnh (peak power) cao. Khi sử dụng dãy tần số càng nhỏ để truyền thông tin thì công suất yêu cầu càng lớn. Để cho tín hiệu băng hẹp có thể nhận được chúng phải nằm ở trên mức nhiễu chung (còn gọi là nhiễu nền – noise floor) một lượng đáng kể. Bởi vì băng tần của nó khá là hẹp, nên công suất đỉnh cao bảo đảm cho việc tiếp nhận tín hiệu băng hẹp không có lỗi.

null
Một chứng cứ thuyết phục chống lại truyền thông băng hẹp (ngoài việc yêu cầu sử dụng công suất đỉnh cao) là tín hiệu băng hẹp có thể bị jammed (tắt nghẽn) hay interference (nhiễu) rất dễ dàng. Jamming là một hành động cố ý sử dụng công suất rất lớn để truyền tín hiệu không mong muốn vào cùng dãy tần số với tín hiệu mong muốn. Bởi vì băng tần của nó là khá hẹp, nên các tín hiệu băng hẹp khác bao gồm cả nhiễu có thể hủy hoại hoàn toàn thông tin bằng cách truyền tín hiệu băng hẹp công suất rất cao, cũng giống như một đoàn tàu đang chạy qua làm cho các bạn không thể tâm sự với bạn gái của mình í mà .

2. Công nghệ trải phổ
Công nghệ trải phổ cho phép chúng ta lấy cùng một lượng thông tin như trong ví dụ truyền băng hẹp trước và trải chúng ra trên một vùng tần số lớn hơn nhiều. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng 1 MHz và 10 Watt đối với băng hẹp nhưng 20 MHz và 100 mW đối với trải phổ. Bằng việc sử dụng phổ tần số rộng hơn, chúng ta sẽ giảm được khả năng dữ liệu sẽ bị hư hỏng hay jammed. Một tín hiệu băng hẹp cố gắng jamming tín hiệu trải phổ sẽ giống như là việc ngăn chặn một phần nhỏ thông tin nằm trong dãy tần số băng hẹp. Nên hầu hết thông tin sẽ được nhận mà không thấy lỗi. Ngày nay thì các bộ phát tần số (RF radios) trải phổ có thể truyền lại bất kỳ một lượng thông tin nhỏ nào đã bị mất do nhiễu băng hẹp.

Trong khi băng tần trải phổ là tương đối rộng, thì công suất đỉnh của tín hiệu lại rất thấp. Đây chính là yêu cầu thứ 2 đối với một tín hiệu được xem như là trải phổ. Một tín hiệu được xem là trải phổ khi nó có công suất thấp. Hai đặc điểm này của trải phổ (sử dụng băng tần số rộng và công suất rất thấp) làm cho bên nhận (receiver) nhìn chúng giống như là một tín hiệu nhiễu. Noise (nhiễu) cũng là tín hiệu băng rộng công suất thấp nhưng sự khác biệt là nhiễu thường là không mong muốn. Hơn nữa, vì bộ nhận tín hiệu xem các tín hiệu trải phổ như là nhiễu, nên các receiver sẽ không cố gắng demodulate (giải điều chế) hay diễn giải nó làm cho việc truyền thông có thêm một ít sự bảo mật.

3. Ứng dụng của trải phổ.
Sự bảo mật này đã làm hấp dẫn quân đội trong việc sử dụng công nghệ trải phổ trong suốt các năm 1950 – 1960. Bởi vì đặc tính gống nhiễu nên tín hiệu trải phổ có thể được truyền đi trước mũi kẻ địch mà không bị phát hiện. Thông thường, sự nhận thức về bảo mật trong truyền thông chỉ đúng khi không ai sử dụng cùng công nghệ đó. Nếu như một nhóm khác đã sử dụng cùng một công nghệ, thì các truyền thông trải phổ này sẽ bị phát hiện.

Vào năm 1980, FCC đưa ra một tập các quy tắc làm cho công nghệ trải phổ được phổ biến cho công chúng và khuyến khích việc nghiên cứu, đầu tư để thương mại hóa công nghệ trải phổ. Mặc dù lúc đầu chúng ta có thể nghĩ là quân đội đã đánh mất lợi thế của họ, nhưng thật sự thì không phải. Vì băng tần được sử dụng bởi quân đội là khác với băng tần được phổ biến cho công chúng. Quân đội cũng sử dụng các kỹ thuật điều chế và mã hóa khác để đảm bảo rằng truyền thông trải phổ của họ là khó bị ngăn chận hơn là của công chúng.

Kể từ năm 1980, các cuộc nghiên cứu bắt đầu trở nên nghiêm túc hơn. công nghệ trải phổ đã được sử dụng trong điện thoại không dây, hệ thống định vị toàn càu GPS, điện thoại tế bào số (CDMA), hệ thống truyền thông cá nhân (PCS) và bây giờ là WLAN. Những nhà say mê vô tuyến nghiệp dư đã bắt đầu có được nhiều kinh nghiệm hơn về công nghệ trải phổ.

Ngoài WLAN thì WPAN (Wireless Personal Area Network), WMAN (Wireless Metropolitant Area Network) và WWAN (Wireless Wide Area Network) cũng tận dụng được những lợi thế của công nghệ trải phổ. WPAN sử dụng công nghệ Bluetooth để tận dụng lợi thế của việc yêu cầu công suất rất thấp để cho phép thành lập mạng không dây trong khoảng cách rất ngắn. WWAN và WMAN có thể sử dụng angten định hướng cao có độ lợi cao để thiết lập kế nối RF tốc độ cao, khoảng cách xa với công suất khá thấp.

Wireless Local Area Network
WLAN, WMAN và WWAN sử dụng cùng một công nghệ trải phổ theo các cách khác nhau. Ví dụ, WLAN có thể được sử dụng trong một tòa nhà để cung cấp kết nối cho người dùng di động, hay có thể sử dụng Bridge để kết nối tòa nhà với tòa nhà băng qua một campus. Đây là các trường hợp sử dụng công nghệ trải phổ rất phù hợp với đặc điểm của mạng LAN.

Hầu hết các ứng dụng của công nghệ trải phổ ngày nay đều dựa trên sự kết hợp giữa các thiết bị tương thích chuẩn 802.11 WLAN và các thiết bị tương thích chuẩn 802.15 Bluetooth. Hai công nghệ này chia sẻ chung một thị trường rộng lớn. Chúng cùng tuân theo quy tắc của FCC, và gây nhiễu lẫn nhau rất lớn. Nhiều cuộc khảo sát, thời gian và tài nguyên đã được bỏ ra để làm cho 2 công nghệ này có thể chung sống được với nhau một cách hòa bình.

Wireless Personal Area Network
Công nghệ phổ biến nhất của WPAN là Bluetooth được đặc tả trong chuẩn IEEE 802.15. Những nguyên tắc của FCC liên quan đến trải phổ là rất rộng lớn cho phép những kiểu trải phổ khác nhau được cài đặt. Một số dạng trải phổ giới thiệu khái niệm nhảy tần (Frequency Hopping) có nghĩa là hệ thống truyền và nhận sẽ nhảy từ tần số này sang tần số khác nằm trong dãy tần số mà chúng được phép sử dụng. Ví dụ, Bluetooth nhảy xấp xỉ 1600 lần trong một giây trong khi công nghệ HomeRF (một công nghệ WLAN băng tần rộng) nhảy xấp xỉ 50 lần trong một giây. Cả 2 công nghệ này khác biệt rất lớn với chuẩn 802.11 WLAN (thường chỉ nhảy 5 – 10 lần trong một giây).

Những công nghệ này đã có những ứng dụng khác nhau trong thị trường, nhưng tất cả đều tuân theo quy tắc của FCC. Ví dụ, một mạng nhảy sóng WLAN tiêu biểu có thể được triển khai như là một giải pháp không dây cho doanh nghiệp trong khi HomeRF chỉ được triển khai trong môi trường gia đình do bị FCC giới hạn ở mức công suất thấp.

Wireless Metropolitant Area Network
Một công nghệ trải phổ khác được sử dụng như là một kết nối không dây trải rộng toàn bộ thành phố sử dụng kết nối điểm-điểm công suất cao để thiết lập mạng. Loại kết nối này còn được biết với tên gọi là WMAN. Meshing (mạng lưới) nhiều kết nối không dây điểm điểm để hình thành nên một mạng băng qua một vùng địa lý rất lớn được xem như là một mạng WMAN nhưng cũng sử dụng cùng một công nghệ như là WLAN.

Sự khác nhau giữa WLAN và WMAN nếu có (trong đa số trường hợp) là WMAN sử dụng dãy tần số cấp phép thay vì dãy tần số không cấp phép như trong WLAN. Lý do cho sự khác biệt này là các tổ chức triển khai mạng sẽ có quyền điều khiển dãy tần số nơi mà WMAN được triển khai mà không cần lo lắng có ai đó cũng đang triển mạng làm nhiễu đến mạng WMAN của họ. Điều này cũng đúng đối với WWAN.

4. FCC Specification
Mặc dù có nhiều cài đặt khác nhau của công nghệ trải phổ nhưng chỉ có 2 loại được đặc tả bởi FCC. Những quy tắc cho các thiết bị trải phổ được quy định trong Title 47, là một tập các luật được thông qua bởi quốc hội dưới tiêu đề “Telegraphs, Telephones and Radiotelegraphs”. Những luật này là nền tảng cho việc hình thành nên những quy tắc của FCC.

Những quy tắc của FCC có thể được tìm thấy trong Codes of Federal Regulation (CFR) volume 47 part 15. Các thiết bị WLAN được mô tả trong những quy tắc này đôi khi được gọi là “part 15 device”
Những quy tắc của FCC này mô tả 2 loại công nghệ trải phổ là Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) và Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

II. 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.

1. 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 còn 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


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 còn tiếp tục cho đến khi thông tin được nhận hoàn toàn.

Radio của bên nhận sẽ đồng bộ hóa chuỗi nhảy với radio của bên truyền để có thể nhận được thông 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.

2. 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 còn 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 Megahertz của băng thông. 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

3. 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 không dây WLIF mà bây giờ không còn 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 2.4000 GHz đến 2.5000 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) không còn hỗ trợ OpenAir nữa nên chúng ta chỉ tập trung vào IEEE 802.11 khi khảo sát về FHSS.

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 còn 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 không 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 không 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.
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 thông 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.

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 không 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 thi hop time là không 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.

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 toàn 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 không 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 không 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 thông 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.

4. 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 thông 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 thông 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 toàn bộ phổ tần số mà không bị trùng lặp lên nhau. Nguyên tắc này được chuyển dịch thành 75 tần số sóng mang không trùng lặp đối với quy tắc trước 31/8/2000 và 15-74 tần số sóng mang không 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 thông sóng mang từ 1 MHz lên 5 MHz thì tốc độ tối đa của dữ liệu đã tăng lên 10 Mbps.
III. 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 (nhưng sẽ bị thay thế bằng OFDM có tốc độ cao hơn). 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 22 MHz. Các kênh rộng này cho phép các thiết bị truyền thông tin với tốc độ cao hơn hệ thống FHSS nhiều.

1. Nguyên lý làm việc của DSSS
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 modulate với một chuỗi mã (code sequence). Số lượng chip trong code sẽ xác định trải rộng bao nhiêu, và số lượng chip trên một bit (chip per bit) và tốc độ của code (tính bằng chip per second) sẽ xác định tốc độ dữ liệu.

2. Direct Sequence System
Trong băng tần 2.4 GHz ISM, chuẩn IEEE 802.11xác định việc sử dụng DSSS ở tốc độ dữ liệu 1 và 2 Mbps. Đối với chuẩn 802.11b thì tốc độ lên đến 5.5 và 11 Mbps

Các thiết bị 802.11b hoạt động ở tốc độ 5.5 và 11 Mbps đều có thể giao tiếp với các thiết bị 802.11 hoạt động ở 1 và 2 Mbps bởi vì chuẩn 802.11b cho phép tương thích ngược. Vì thế người dùng không cần nâng cấp thiết bị 802.11 trên toàn bộ mạng WLAN của họ sang thiết bị 802.11b.

Hiện nay thì các thiết bị theo chuẩn 802.11a cho phép tốc độ lên đến 54 Mbps nhưng không may là các thiết của chuẩn 802.11a không thể giao tiếp được với các thiết bị của chuẩn 802.11 và 802.11b (và chuẩn mới 802.11g) bởi vì 802.11a sử dụng băng tần 5 GHz UNII trong khi 802.11 và 802.11b sử dụng 2.4 GHz ISM.

Điều này có thể gây ra nhiều vấn đề bởi vì nhiều người sử dụng muốn tận dụng những lợi thế của công nghệ DSSS để truyền dữ liệu với tốc độ 54 Mbp nhưng lại không muốn tốn thêm chi phí cho việc nâng cấp lên một mạng mới. Vì thế, một chuẩn mới là chuẩn 802.11g đã ra đời cho phép hệ thống DSSS hoạt động trong băng tần 2.4 GHz ISM có thể truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps. Công nghệ 802.11g là công nghệ 54 Mbps đầu tiên có thể tương thích ngược với các thiết bị 802.11 và 802.11b.

Channels
Không giống như hệ thống nhảy tần sử dụng chuỗi nhảy để xác định kênh, hệ thống DSSS sử dụng một quy ước để định nghĩa kênh. Mỗi kênh là một băng tần số liên tục rộng 22 MHz có tần số sóng mang là 1 MHz (giống với FHSS). Ví dụ, kênh 1 hoạt động từ 2.401 GHz đến 2.423 GHz (2.412 GHz +/- 11 MHz); kênh 2 hoạt động từ 2.406 GHz đến 2.429 GHz (2.417 GHz +/- 11 MHz) … Hình dưới minh họa điều này

Bảng dưới đây liệt kê đầy đủ các kênh được sử dụng ở Mỹ và Châu Âu. FCC xác định chỉ 11 kênh đối với tần số không được cấp phép được sử dụng tại Mỹ. Chúng ta có thể thấy rằng kênh 1 và 2 trùng lặp với nhau một lượng đáng kể. Mỗi tần số liệt kê trong bảng được xem như là tần số trung tâm. Từ tần số trung tâm này, 11 MHz được cộng thêm hay trừ đi để có được một kênh rộng 22 MHz. Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhận thấy rằng các kênh nằm cạnh nhau sẽ trùng lặp với nhau một lượng đáng kể.

Việc sử dụng hệ thống DSSS với các kênh trùng lặp trong cùng một vị trí vật lý sẽ gây nên nhiễu giữa các hệ thống. Hệ thống DSSS với các kênh trùng lặp không nên co-located bởi vì gần như chúng luôn luôn gây nên một sự giảm cấp đáng kể đối với băng thông. Bởi vì sóng mang được cách nhau 5 MHz và kênh rộng 22 MHz, nên các kênh chỉ nên co-located nếu như số kênh cách nhau ít nhất là 5 kênh. Ví dụ, kênh 1 và 6 không trùng lặp nhau, kênh 2 và 7 không trùng lặp nhau … Có tối đa 3 hệ thống DSSS có thể co-located đó là các kênh 1, 6 và 11 và các kênh không trùng lặp chỉ trên lý thuyết. Các kênh chỉ không trùng lặp trên lý thuyết là bởi vì trong thực tế kênh 1 và 6 (hay 6 và 11) có trùng nhau một phần nhỏ (tùy thuộc vào thiết bị sử dụng và khoảng cách giữa các hệ thống). Các kênh không trùng lặp này được minh họa trong hình dưới.

3. Ảnh hưởng của nhiễu băng hẹp
Cũng giống như hệ thống nhảy tần, hệ thống DSSS cũng có tính kháng cự đối với nhiễu băng hẹp bởi vì đặc tính trải phổ của nó. Một tín hiệu DSSS là dễ bị nhiễu băng hẹp hơn so với tín hiệu FHSS bởi vì băng tần DSSS sử dụng nhỏ hơn so với FHSS (rộng 22 MHz so với rộng 79 MHz như trong FHSS) và thông tin được truyền trên toàn bộ băng tần một cách đồng thời thay vì chỉ một tần số tại một thời điểm như trong FHSS. Với FHSS, sự nhanh nhạy của tần số và độ rộng băng tần số bảo đảm rằng nhiễu chỉ ảnh hưởng chỉ trong một thời gian ngắn làm hỏng chỉ một phần nhỏ dữ liệu.

4. Các quy tắc của FCC liên quan đến DSSS
Cũng giống như hệ thống FHSS, FCC quy định rằng hệ thống DSSS sử dụng tối đa 1 Watt công suất phát trong cấu hình điểm-đa điểm. Công suất phát tối đa không phụ thuộc vào sự lựa chọn kênh, có nghĩa là cho dù kênh nào được sử dụng đi nữa thì công suất phát tối đa cũng như nhau. Quy tắc này áp dụng cho cả công nghệ trải phổ 2.4 GHz ISM lẫn 5 GHz UNII.

IV. So sánh FHSS và DSSS.
Cả công nghệ FHSS và DSSS đều có điểm thuận lợi và bất lợi. Và nhiệm vụ của WLAN administrator là phải quyết định chọn lựa sử dụng công nghệ nào khi cài đặt mạng WLAN mới. Phần này sẽ mô tả một số yếu tố nên xem xét để xác định xem công nghệ nào là thích hợp với bạn nhất. Các yếu tố này bao gồm
+ Nhiễu băng hẹp
+ Co-location
+ Chi phí
+ Tính tương thích và tính sẵn có của thiết bị
+ Tốc độ và băng thông dữ liệu
+ Bảo mật
+ Hỗ trợ chuẩn.

1. Nhiễu băng hẹp
Điểm thuận lợi của FHSS là khả năng kháng nhiễu băng hẹp cao hơn so với DSSS. Hệ thống DSSS có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu băng hẹp nhiều hơn FHSS bởi vì chúng sử dụng băng tần rộng 22 MHz thay vì 79 MHz. Yếu tố này có thể được xem như là yếu tố quyết định khi bạn dự định triển khai mạng WLAN trong môi trường có nhiều nhiễu.

2. Chi phí
Khi cài đặt mạng WLAN, những điểm thuận lợi của DSSS đôi khi hấp dẫn hơn FHSS đặc biệt là khi có ngân sách hạn chế. Chi phí của việc cài đặt một hệ thống DSSS thường thấp hơn rất nhiều so với FHSS. Thiết bị DSSS rất phổ biến trên thị trường và ngày càng giảm giá. Chỉ một vài năm gần đây, giá của thiết bị đã có thể chấp nhận được đối với khách hàng doanh nghiệp.

3. Co-location
Một điểm thuận lợi của FHSS so với DSSS là khả năng có nhiều hệ thống FHSS cùng hoạt động với nhau (co-located). Vì hệ thống nhảy tần sử dụng sự nhanh nhẹn của tần số và sử dụng 79 kênh riêng biệt nên số lượng co-located nhiều hơn so với DSSS (chỉ 3 co-locate system hay 3 AP)

Tuy nhiên, khi tính toán chi phí phần cứng của hệ thống FHSS để đạt được cùng băng thông như DSSS thì lợi thế này không còn nữa. Bởi vì DSSS có 3 co-located AP nên băng thông tối đa cho cấu hình này là:

3 AP * 11 Mbps = 33 Mbps

Với khoảng 50% băng thông dành cho chi phí do các giao thức được sử dụng nên băng thông còn lại khoảng :

33 Mbps / 2 = 16.5 Mbps

Trong khi đó, để đạt được cùng mức băng thông tương tự thì FHSS yêu cầu:

16 AP * 2 Mbps = 32 Mbps

Và cũng vơi 50% chi phí thì băng thông thật sự là

32 Mbps / 2 = 16 Mbps

Trong cấu hình này, hệ thống FHSS yêu cầu phải mua thêm 13 AP nữa để có được băng thông tương tự DSSS. Thêm vào đó là chi phí cho dịch vụ cài đặt, cable, đầu nối và anten.

Bạn có thể thấy rằng có nhiều thuận lợi khác nhau đối với mỗi loại công nghệ. Nếu như mục tiêu là chi phí thấp và băng thông cao thì hiển nhiên công nghệ DSSS sẽ thắng. Nếu như mục tiêu là phân chia người dùng sử dụng các AP khác nhau trong một môi trường co-located dày đặc thì FHSS sẽ thích hợp hơn.

4. Tính tương thích và tính sẵn có của thiết bị
WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) cung cấp kiểm tra tính tương thích DSSS của các thiết bị 802.11b để đảm bảo rằng những thiết bị như vậy sẽ hoạt động được với nhau và hoạt động được với các thiết bị 802.11b DSSS khác. Chuẩn tương thích mà WECA tạo ra được biết với tên gọi là Wi-Fi (Wireless Fidelity) và các thiết đã qua kiểm tra tương thích được gọi là các thiết bị tuân theo Wi-Fi (Wi-Fi compliant). Các thiết bị này được thêm vào logo Wi-Fi lúc xuất hiện trên thị trường. Logo này nói lên rằng thiết bị đó có thể giao tiếp được với các thiết bị khác có logo Wi-Fi.

Không có một sự kiểm tra tương tự nào dành cho FHSS. Có các chuẩn sử dụng FHSS như 802.11 và OpenAir, nhưng không có tổ chức nào làm công việc kiểm tra tính tương thích FHSS tương tự như WECA cho DSSS.

Bởi vì tính phổ biến của các thiết bị 802.11b nên rất dễ dàng mua được chúng. Nhu cầu ngày càng phát triển cho các thiết bị tương thích Wi-Fi trong khi nhu cầu cho FHSS gần như đã bảo hòa và đi xuống.

5. Tốc độ và băng thông dữ liệu.
Như chúng ta đã biết là tốc độ của FHSS (2 Mbps) thấp hơn nhiều so với DSSS (11 Mbps). Mặc dù một số hệ thống FHSS có thể hoạt động ở tốc độ 3 Mbps hay lớn hơn nhưng các hệ thống này là không tương thích với chuẩn 802.11 và có thể không giao tiếp được với hệ thống FHSS khác. Hệ thống FHSS và DSSS có thông lượng (dữ liệu thật sự được truyền) chỉ khoảng một nửa tốc độ dữ liệu. Khi kiểm tra thông lượng lúc cài đặt một mạng WLAN mới thường chỉ đạt được 5 – 6 Mbps đối với DSSS và 1 Mbps đối với FHSS cho dù đã thiết lập tốc độ tối đa.

HomeRF sử dụng công nghệ nhảy tần băng rộng để đạt được tốc độ dữ liệu 10 Mbps (khoảng 5 Mbps thông lượng). HomeRF sử dụng công suất phát giới hạn là 125 mW.

Khi các frame wireless được truyền thì sẽ có khoảng thời gian tạm ngừng giữa các frame cho các tín hiệu điều khiển và các tác vụ khác. Với hệ thống nhảy tần thì khoảng chèn giữa các frame (interframe space) này là lớn hơn so với DSSS gây ra giảm tốc độ truyền dữ liệu. Hơn nữa, hệ thống nhảy tần còn có thêm quá trình thay đổi tốc độ truyền, trong khoảng thời gian này thì không có dữ liệu nào được truyền. Một số hệ thống WLAN sử dụng các giao thức lớp vật lý riêng để làm tăng băng thông. Các phương pháp này làm tăng thông lượng lên đến 80% so với tốc độ dữ liệu nhưng có thể sẽ không tương thích được với thiết bị chuẩn.

6. Security
Theo các quảng cáo (thường là không đúng sự thật) thì hệ thống nhảy tần là an toàn hơn hệ thống DSSS. Chứng cứ đầu tiên bác bỏ điều này chính là FHSS radio chỉ được sản xuất bởi một số ít các nhà sản xuất nên chúng phải tuân theo chuẩn để có thể bán thiết bị được dễ dàng. Thứ 2 là các nhà sản xuất sử dụng một tập các chuổi nhảy chuẩn thường là theo một danh sách xác định trước do các tổ chức như IEEE hay WLIF đưa ra. Hai điều này làm cho việc phát hiện được chuỗi nhảy khá là đơn giản.

Một lý do khác làm cho việc tìm được chuỗi nhảy của FHSS đơn giản chính là việc số kênh luôn được quảng bá (không mã hóa) trong mỗi Beacon phát ra. Địa chỉ MAC của AP truyền cũng bao gồm trong Beacon vì thế chúng ta có thể biết được nhà sản xuất thiết bị. Một số nhà sản xuất cho phép administrator định nghĩa linh động hop pattern tùy ý. Tuy nhiên, nó cũng chẳng tạo thêm được mức bảo mật nào cả vì một số thiết bị đơn giản như bộ phân tích phổ (Spectrum Analyzer), máy laptop có thể được sử dụng để theo dõi hopping pattern của FHSS radio trong vòng vài giây.

7. Hỗ trợ chuẩn
Như đã thảo luận ở phần trước, DSSS đã giành được sự chấp nhận rộng rãi do chi phí thấp, tốc độ cao, chuẩn tương thích Wi-Fi và nhiều yếu tố khác. Sự chấp nhận này làm thúc đẩy nghành công nghiệp chuyển sang công nghệ mới hơn và nhanh hơn DSSS như 802.11g hay 802.11a. Chuẩn tương thích mới của WECA là Wi-Fi5 dành cho hệ thống DSSS hoạt động ở 5 GHz UNII sẽ giúp đẩy nhanh ngành công nghiệp phát triển hơn nữa như Wi-Fi đã từng làm. Các chuẩn mới cho hệ thống FHSS như HomeRF 2.0 và 802.15 (hỗ trợ cho WPAN như Bluetooth) nhưng đều không nâng cấp hệ thống FHSS trong doanh nghiệp.

Trích lại từ Internet.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: