Wi-Fi thực chất là gì? Các lựa chọn mạng không dây

Internet

20. 5. 2020

Trong quá trình làm việc trong ngành viễn thông, tôi thường gặp nhiều cách hiểu khác nhau về kết nối không dây. Từ Wi-Fi, hay “wifi”, phần lớn gợi đến một kết nối nằm ngoài dịch vụ dữ liệu đắt đỏ của nhà mạng LTE, nơi các thành viên trẻ trong gia đình cuối cùng cũng có thể xem video của bạn bè. Kết nối quen thuộc ở nhà. Vậy là một điều tích cực. Mặt khác, tôi cũng thường nghe các nhân viên bán hàng xDSL nói rằng kết nối Wi-Fi không hoạt động khi thời tiết xấu, có nhiều “nhưng”, và không gì sánh được với cáp đúng nghĩa.

Đây là lúc nói thêm một chút về kỹ thuật. Mọi thứ xoay quanh hai chỉ số dùng để tính tốc độ truyền. Thứ nhất là băng thông, thứ hai là sơ đồ điều chế. Để không đi quá sâu vào chi tiết kỹ thuật, tôi sẽ đơn giản hóa mối quan hệ này khá nhiều. Điều chế là số trạng thái trong một chu kỳ của tín hiệu. Với điều chế biên độ bốn trạng thái, tín hiệu có thể nhận 4 giá trị, và từ dữ liệu được truyền là một biến thể nào đó của các ký tự bốn bit, ví dụ 0101, 1101... Quý khách hãy thử hình dung phần còn lại. Điều chế càng cao thì dung lượng truyền càng lớn, nhưng đồng thời yêu cầu đối với môi trường truyền cũng tăng theo. Quý khách biết điều này từ thực tế: khi ở xa Wi-Fi trong nhà, tốc độ giảm dần cho đến khi mất kết nối hoàn toàn. Với mạng cáp đồng cũng vậy, tốc độ phụ thuộc vào tổng đài hoặc khoảng cách đến trạm gốc của nhà mạng di động.

Một yếu tố quan trọng khác về nguyên tắc là băng thông. Số từ dữ liệu tăng lên bấy nhiêu lần tùy theo số MHz mà Quý khách có. Nói một cách dễ hiểu, có thể giải thích bằng số kênh con trong một môi trường truyền. Vì sao lại phức tạp như vậy?

Lý do nằm ở cách mọi thứ phát triển. Trước đây không ai lên kế hoạch cho một mạng dữ liệu toàn xã hội. Việc xây dựng mạng điện thoại dựa trên dây đồng, phủ khắp cả nước, mất vài thập kỷ. Mạng này được thiết kế để truyền giọng nói, thậm chí là tín hiệu tương tự, và với dung lượng nhỏ như vậy, chỉ cần dùng dây mảnh trong các bó cáp lớn. Mỗi ngôi nhà có một đường dây rẽ nhánh với kích thước phù hợp, và đường dây trong nhà đó kết thúc ở một tổng đài nào đó trong khu vực phục vụ, có khi cách nhà thuê bao vài km. Như vậy là đủ cho các cuộc gọi điện thoại, và sau khi chuyển sang tổng đài số cũng vẫn không có vấn đề gì. Do hiện tượng nhiễu xuyên âm giữa các sợi dây, người ta dùng tần số sóng mang thấp, nên băng thông khả dụng chỉ vừa đủ cho điện thoại, và khi ai đó cần dịch vụ dữ liệu thì họ dùng kết nối quay số (DIAL-UP). Nhưng không đi quá sâu vào chi tiết: sự phát triển dần dần của công nghệ dành cho mạng điện thoại lâu đời này đã dẫn đến tần số sóng mang cao hơn trên môi trường truyền, nhờ đó điều chế cao hơn và quan trọng nhất là băng thông lớn hơn. Ngày nay các thông số này khá xuất sắc tại những vị trí có tổng đài số. Ví dụ, VDSL2 hiện đại có thể dùng băng thông 35 MHz với mức điều chế khá cao. Khi truyền dữ liệu qua cáp chất lượng tốt trên quãng đường ngắn, chẳng hạn đến 300 mét, tốc độ truyền có thể đạt 100 Mbps. Với các phương pháp giảm nhiễu xuyên âm bổ sung, tính toán nhiễu xuyên âm trong modem và điều khiển vector trong bó cáp, mạng xDSL có cơ hội đạt tốc độ lý thuyết 250 Mbps.

Có hai điểm “nhưng” đáng kể:

a) theo chính nguyên lý của môi trường cáp đồng, Quý khách không có được dung lượng đáng kể để tải dữ liệu lên máy chủ

b1) tốc độ giảm mạnh, có thể nói là rơi thẳng xuống, khi khoảng cách đến tổng đài tăng lên

b2) tốc độ giảm mạnh khi chất lượng kết nối cáp đồng kém

Vì vậy, ngay cả ở những phần mạng đã được hiện đại hóa, có người có được tốc độ tốt, còn những người khác thì sẽ không bao giờ có...

Vậy Wi-Fi nằm ở đâu?

Các nhà cung cấp internet địa phương không dùng đường dây đồng cũ để kết nối từ tổng đài đến khách hàng. Thứ nhất, trước đây họ không được tiếp cận chúng, và cũng không có nhiều lý do để làm vậy. Môi trường không dây phục vụ việc kết nối khách hàng rất tốt. Và phép so sánh đã dùng ở phần đầu bài viết cũng áp dụng cho việc truy cập không dây vào mạng cố định. Wi-Fi là một cách giao tiếp được chuẩn hóa giữa các thiết bị không dây. Wi-Fi, viết tắt của Wireless Fidelity, là tên của tổ chức Wi-Fi Alliance và chỉ một tiêu chuẩn, hay giao thức cụ thể, mà các nhà sản xuất sử dụng để thiết bị của họ có thể hiểu nhau. Cho loại giao tiếp này, cộng đồng các cơ quan quản lý đã dành riêng một dải tần mà các thiết bị như vậy được phép hoạt động, miễn là tuân thủ quy tắc. Đầu tiên là dải 2,4 GHz, sau đó là một đoạn rộng hơn nhiều trong dải 5 GHz. Và Viện Kỹ sư Điện và Điện tử IEEE bắt đầu xác định các tiêu chuẩn, tùy theo khả năng công nghệ thời đó. Tiêu chuẩn 802.11 ra đời như vậy.

Tổng quan các tiêu chuẩn IEEE 802.11

Tiêu chuẩn	Năm phát hành	Băng tần	Tốc độ tối đa
[GHz]
	[Mbps]
IEEE 802.11 gốc	1997	2,4	2
IEEE 802.11a	1999	5	54
IEEE 802.11b	1999	2,4	11
IEEE 802.11g	2003	2,4	54
IEEE 802.11n	2009	2,4 hoặc 5	600
IEEE 802.11y	2008	3,7	54
IEEE 802.11ac	2013	2,4 và 5	1000
IEEE 802.11ad	2012	2,4, 5 và 60	7000

Xin lưu ý rằng tốc độ ban đầu của tiêu chuẩn 802.11 cổ xưa là 2 Mbps. Đó gần bằng tốc độ đường truyền ISDN, mà trong nhiều trường hợp là lựa chọn duy nhất để kết nối vào mạng cáp đồng. Các tiêu chuẩn 802.11n và 802.11ac đã được sử dụng rộng rãi trong mạng truy cập không dây. (Tiêu chuẩn 802.11ad hiện chưa được phép dùng cho các lắp đặt ngoài trời.)

Vậy các mạng không dây thì sao? Bản thân các điểm truy cập, trông như những máy phát nhỏ giống trong mạng LTE, thường dùng phần mở rộng độc quyền của giao thức Wi-Fi từ nhiều nhà sản xuất khác nhau. Họ có thể làm vậy vì đây là những thiết bị được chế tạo riêng cho mục đích hạ tầng. Các nhà thiết kế dùng nhiều phương pháp để tăng dung lượng và giúp thiết bị chống nhiễu lẫn nhau tốt hơn. Chúng được trang bị các kỹ thuật giảm thiểu để tránh xung đột với hệ thống radar, cùng bộ xử lý mạnh để thực hiện các phép tính hiệu chỉnh nhiễu xuyên âm trong quá trình hoạt động.

Khi được vận hành với ăng-ten phù hợp và việc điều khiển dung lượng được thiết lập tốt, các mạng không dây ngày nay có thể cung cấp dịch vụ không gặp vấn đề ở dung lượng bằng hoặc cao hơn mạng cáp đồng. Nhưng để công bằng, điều này cũng đi kèm hai điều kiện:

a) khi phổ tần bị tải nặng, thiết bị thu của khách hàng không được ở quá xa điểm truy cập

b) cả thiết bị thu lẫn thiết bị phát phải có đủ ngân sách năng lượng để bù suy hao do mưa, tức là phải có ăng-ten phù hợp

Tốc độ truyền trong môi trường, ở cùng một mức điều chế, tăng tỷ lệ thuận với băng thông. Mức điều chế trong các công nghệ Wi-Fi không dây không thể tăng thêm nhiều nữa. Các thiết bị cao cấp đạt 256 QAM, và nhờ các phương pháp MIMO và OFDM, không được mô tả ở đây, giao thức 802.11n/ad đạt được tốc độ truyền cao. Tương lai của mạng không dây, dù là Wi-Fi hay LTE, nằm chính ở việc tăng băng thông. Trong tương lai gần, các nhà khai thác không dây sẽ dùng cả các dải milimet 60 GHz, nơi tính định hướng của ăng-ten giúp không có nguy cơ nhiễu lẫn nhau. Đồng thời, các cơ quan quản lý phổ tần châu Âu đang đáp ứng nhu cầu thị trường và đàm phán việc phân bổ thêm một số đoạn ở phần trên của dải 5 GHz để tăng dung lượng dịch vụ. Cùng lúc đó, các phần quang của mạng cũng đang được mở rộng.

Nhưng chi tiết hơn xin để lần sau.

Dung lượng đủ lớn được đưa đến điểm truy cập

Một mạng được xây dựng chuyên nghiệp phải có nhiều điểm kết nối, và các điểm kết nối này phải được liên kết bằng hạ tầng chất lượng. Nhưng việc đó thuộc về một phần kỹ thuật hơi khác của hạ tầng internet, đó là mạng truy cập.