Tài liệu Nghiên cứu wifi ieee 802.11ac ứng dụng vào access point

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i MỤC LỤC ......................................................................................................................ii DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vii LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11AC ...................... 2 1. Tổng quan về tiêu chuẩn IEEE 802.11................................................................. 2 2. Giới thiệu IEEE 802.11ac ...................................................................................... 3 2.1 Tóm tắt về chuẩn 802.11ac .............................................................................. 3 2.2 Đặc tính kỹ thuật 802.11ac .............................................................................. 5 2.3 Sự phát triển của 802.11ac .............................................................................. 5 3. Kết luận chương ................................................................................................... 13 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MỘT SỐ CẢI TIẾN Ở LỚP PHY VÀ LỚP MAC CỦA 802.11AC ...................................................................................................................... 14 1. Cải tiến lớp PHY .................................................................................................. 14 1.1 Tóm tắt về các cải tiến ở lớp PHY ................................................................ 14 1.2 Kết cấu lớp vật lý (PHY-level framing) ....................................................... 14 1.2 Độ rộng kênh .................................................................................................. 20 1.3 Truyền dẫn: Điều chế, mã hóa và khoảng bảo vệ ....................................... 22 1.4 Kỹ thuật MIMO ............................................................................................. 25 1.5 Thêm luồng không gian ................................................................................. 29 1.6 Thông báo trạng thái kênh và Beamforming .............................................. 29 2. Cải tiến lớp MAC ................................................................................................. 34 2.1 Dựng khung .................................................................................................... 34 2.2 Thủ tục truy nhập môi trường ...................................................................... 38 2.3 Bảo mật ........................................................................................................... 46 3. Kết luận chương ................................................................................................... 48 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG IEEE 802.11AC VÀO ACCESS POINT ...................... 49 1. Tóm tắt cải tiến của 802.11ac so với 802.11n .................................................... 49 Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2. Thiết bị kiểm tra .................................................................................................. 49 3. Thiết lập thử nghiệm ........................................................................................... 52 4. Hiệu suất tối đa .................................................................................................... 55 5. Hiệu suất đa người dùng Multi Users ................................................................ 56 6. Video Streaming ................................................................................................... 59 7. Đa-Người dùng MIMO (MU-MIMO) ................................................................ 61 8. Phân tích phổ: Phát hiện nhiễu .......................................................................... 63 9. Giới thiệu thiết bị AP có hỗ trợ 802.11ac được sản xuất tại Việt Nam ........... 66 10. Kết luận chương ................................................................................................. 66 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 68 Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sự phát triển của Cisco AP với các sửa đổi lớp vật lý 802.11 ............................ 8 Hình 2 Băng thông kênh truyền ..................................................................................... 10 Hình 3 Sự khác biệt giữa SU- MIMO và MU- MIMO ................................................... 11 Hình 4 Công nghệ Beamforming ................................................................................... 12 Hình 5 Tầm phủ sóng của Wi-Fi 802.11ac.................................................................... 13 Hình 6 Trường tín hiệu A - định dạng cho một người dùng ......................................... 15 Hình 7 Trường tín hiệu B – định dạng cho một người dùng ......................................... 16 Hình 8 Sự mở rộng tín hiệu VHT B ............................................................................... 17 Hình 9 Mã hóa dữ liệu tầng vật lý ................................................................................. 18 Hình 10 Sơ đồ khối 802.11ac – định dạng một người dùng .......................................... 19 Hình 11 Phân bố kênh 802.11ac ................................................................................... 20 Hình 12 Sóng mang con OFDM sử dụng trong 802.11a/g, 802.11n, 802.11ac ........... 22 Hình 13 So sánh các phương pháp điều chế ................................................................. 24 Hình 14 Véc-tơ lỗi ......................................................................................................... 24 Hình 15 MIMO và anten truyền dẫn 802.11n, 802.11ac .............................................. 25 Hình 16 Truyền thẳng và đa đường trong 802.11n, 802.11ac ...................................... 26 Hình 17 Trường VHT-SIG-A (định dạng đa người dùng) ............................................. 26 Hình 18 Trường VHT-SIG-BIT (định dạng đa người dùng) ......................................... 27 Hình 19 Sơ đồ khối MIMO đa người dùng .................................................................... 28 Hình 20 Quá trình Beamforming ................................................................................... 30 Hình 21 a. Không có công nghệ Beamforming b. Sử dụng công nghệ Beamforming... 30 Hình 22 a. Phản hồi hàm ẩn b. Phản hồi cụ thể cho beamforming ............................. 31 Hình 23 Định dạng khung 802.11ac MAC .................................................................... 34 Hình 24 Tích hợp A-MPDU để tăng hiệu suất .............................................................. 36 Hình 25 Phần tử thông tin khả năng VHT ..................................................................... 37 Hình 26 Kênh chính và kênh thứ cấp ............................................................................ 39 Hình 27 Tồn tại song song của đa mạng trong cùng 1 không gian tần số .................... 40 Hình 28 Truyền khung CTS thông thường và trùng lặp ................................................ 43 Hình 29 Dàn xếp băng thông động với RTS/CTS .......................................................... 45 Hình 30 Chia sẻ băng thông .......................................................................................... 46 Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Hình 31 Sơ đồ khối CCMP ............................................................................................ 47 Hình 32 Sơ đồ khối GCMP ............................................................................................ 48 Hình 33 Thiết bị Cisco 2800 và Aruba AP - 355........................................................... 50 Hình 34 Phòng thử nghiệm Wi-Fi ................................................................................. 52 Hình 35 Mô hình thử nghiệm......................................................................................... 53 Hình 36 Hiển thị Aruba băng thông kênh giảm từ nhiễu jammer bất hợp pháp........... 64 Hình 37 Cisco phát hiện sự can thiệp của Bluetooth .................................................... 64 Hình 38 Cisco phát hiện sự can thiệp của máy quay video .......................................... 65 Hình 39 Cisco phát hiện sự can thiệp của lò vi sóng (bao gồm cả nhiễu xung quanh Bluetooth) ...................................................................................................................... 65 Hình 40 Cisco phát hiện các nhiễu jammer bất hợp pháp (bao gồm nhiễu xung quanh Bluetooth) ...................................................................................................................... 65 Hình 41 Thông báo về sự thay đổi kênh do phát hiện nhiễu bất hợp phát.................... 65 Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 v Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Biểu đồ 1 Thông lượng tối đa trên các AP (Mbps) .......................................................56 Biểu đồ 2 Hiệu năng Kết nối Đa người dùng Cisco 2800 vs Aruba 335 kết hợp băng thông kênh 20MHz và 40MHz .......................................................................................58 Biểu đồ 3 Hiệu năng Kết nối Đa người dùng Cisco 2800 vs Aruba 335 kết hợp băng thông kênh 20MHz .........................................................................................................58 Biểu đồ 4 Số lượng tối đa Thiết bị người dùng xem được Video Streaming .................61 Biểu đồ 5 Tổng thông lượng 3 và 4 luồng không gian đa người dùng ..........................63 Bảng 1 Bảng tóm tắt ngắn gọn về sự phát triển của tiêu chuẩn 802.11 ......................... 3 Bảng 2 Thành phần chính của 802.11ac ......................................................................... 6 Bảng 3 Tính toán tốc độ 802.11n và 802.11ac ................................................................ 7 Bảng 4 Các tốc độ dữ liệu quan trọng của 802.11a, 802.11n và 802.11ac .................... 9 Bảng 5 Tóm tắt cải tiến của 802.11ac ........................................................................... 14 Bảng 6 Các giá trị MCS của 802.11ac .......................................................................... 23 Bảng 7 Mối quan hệ kênh chính và kênh thứ cấp trong hình 17 ................................... 39 Bảng 8 Những ngưỡng độ nhạy CCA ............................................................................ 41 Bảng 9 Tính tương thích giữa bộ phát và bộ thu của khung ......................................... 42 Bảng 10 Tính tương thích giữa bộ phát và thiết bị nghe được ..................................... 42 Bảng 11 So sánh cải tiến của 802.11ac so với 802.11n ................................................ 49 Bảng 12 Các đặc điểm nổi bật của các AP được thử nghiệm ....................................... 51 Bảng 13 Bảng chi tiết số lượng thiết bị qua các bài thí nghiệm ................................... 54 Bảng 14 Cấu hình băng tần trên các Radio sản phẩm .................................................. 57 Bảng 15 Kết quả thông lượng đa người dùng ............................................................... 59 Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt AP Access point Điểm truy cập QOE Quality of Experience Chất lượng dịch vụ trải nghiệm MIMO Multiple In, Multiple Out Đa đầu vào đa đầu ra MU- Multiple users - multiple input Đa người dùng - đa đầu vào đa MIMO multiple output đầu ra DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp SAP Service Access Point điểm truy cập dịch vụ QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc BPSK Binary Phase Shift Keying MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường HD High Definition Độ phân giải cao Singe user - multiple input multiple Đơn người dùng-đa đầu vào đa output đầu ra Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao Null data packet Gói dữ liệu trống Wireless Intrusion Prevention Hệ thống phòng chống xâm nhập System không dây Institute of Electrical and Hiệp hội các kỹ sư Điện và Điện Electronics Engineers tử ARM Adaptive Radio Management Khả năng điều chỉnh tự động QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật điều chế và mã hóa PHY Phisical Layer Lớp vật lý SS Spatial stream Luồng không gian SU-MIMO OFDM NDP WIPS IEEE Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các từ viết tắt STBC Space time block coding Mã khối không gian – thời gian LDPC Low Density Parity Check Code Mã kiểm tra chẵn lẽ mật độ thấp WI-FI Wireless Fidelity WLAN Wireless local area network DIFS DCF Inter Frame Space FRA Flexible Radio Assignment Phân bổ linh hoạt sóng vô tuyến IE Information Element Phần tử thông tin RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước RF Radio Frequency Tần số vô tuyến BYOD Bring your own device Thiết bị người dùng cầm tay NDPA Null data packet announcement Thông báo gói dữ liệu trống HT High Throughput Thông lượng cao VHT Very High Throughput Thông lượng rất cao SNR Signal to Noise Radio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm RTS Request to send Yêu cầu để gửi Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 Mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Mạng nội vùng không dây Phân bổ không gian liên khung DCF viii Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay thiết bị mạng không dây Wi-Fi đã và đang chiếm vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, công việc cũng như giải trí thường ngày của chúng ta. Nhu cầu sử dụng mạng không dây trong đời sống hàng ngày cũng như trong các ngành kỹ thuật, kinh tế và chất lượng dịch vụ đòi hỏi sự tăng trưởng không ngừng. Đây là cơ hội và cũng là thách thức cho ngành viễn thông với việc phát triển và phục vụ nhu cầu xã hội. Một yêu cầu thiết yếu được đặt ra đó chính là việc tăng tốc độ mạng sử dụng. Vào cuối năm 2013, Institute of Electrical and Electronics Engineers (viết tắt: IEEE) – Hiệp hội các kỹ sư Điện và Điện tử cho ra đời tiêu chuẩn IEEE 802.11ac, hay còn gọi là Wi-Fi thế hệ thứ 5. So với các chuẩn trước đó, 802.11ac hỗ trợ tốc độ tối đa trên lý thuyết là 1730Mbps (sẽ còn tăng tiếp) và chỉ chạy ở băng tần 5GHz cùng với công nghệ đa anten (MIMO). Một số mức tốc độ thấp hơn (ứng với số luồng truyền dữ liệu thấp hơn) bao gồm 450Mbps và 900Mbps. Vì vậy, qua quá trình làm đồ án tốt nghiệp này em mong muốn có thể tìm hiểu sâu hơn về IEEE 802.11ac. Đồ án chia ra làm ba chương: • Chương 1 Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11ac • Chương 2 Tìm hiểu một số cải tiến ở lớp PHY và lớp MAC của 802.11ac • Chương 3 Ứng dụng IEEE 802.11ac vào Access Point Cuối cùng sau ba chương tìm hiểu là phần kết luận của đề tài. Đồng thời đưa ra hướng phát triển tiếp theo cho đề tài. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11AC Wi-Fi là một công nghệ cho phép nhiều thiết bị điện tử trao đổi dữ liệu hoặc kết nối với mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Wi-Fi Alliance định nghĩa các thiết bị Wi-Fi như sản phẩm của Mạng không dây cục bộ WLAN dựa trên chuẩn IEEE 802.11. Ngày nay, có hàng triệu thiết bị IEEE 802.11 đang được sử dụng trên thế giới và được phát triển mở rộng để đáp ứng nhu cầu người dùng. Vì vậy, chương này sẽ cung cấp một cách tổng quan về chuẩn IEEE 802.11 và đặc biệt là IEEE 802.11ac (Trong đồ án này, sẽ sử dụng 802.11 thay thế cho IEEE 802.11). 1. Tổng quan về tiêu chuẩn IEEE 802.11 IEEE 802.11 là nhóm phát triển những đặc điểm kỹ thuật của Mạng cục bộ không dây WLAN. Nhóm bắt đầu hoạt động vào cuối thập niên 1990 và kể từ đó đã tạo nên nhiều tiêu chuẩn rất thành công như: tiêu chuẩn 802.11a, tiêu chuẩn 802.11b và tiêu chuẩn 802.11g. WLAN ngày nay phổ biến khắp mọi nơi, hầu hết trên các máy tính xách tay và điện thoại thông minh đều có sử dụng một hoặc một số những tiêu chuẩn của công nghệ WLAN này. Nhóm IEEE 802.11 hiện vẫn tiếp tục xây dựng, hoàn thiện chuẩn a, b và g với sự phê chuẩn chính thức của 802.11n vào năm 2009. Năm 1997, nhóm làm việc IEEE 802.11 chấp thuận IEEE 802.11 như là tiêu chuẩn WLAN đầu tiên trên thế giới, tốc độ dữ liệu được hỗ trợ là 1 Mbps và 2 Mbps. Năm 1999, hai sửa đổi quan trọng đối với chuẩn 802.11 ban đầu đã được phê chuẩn. • IEEE 802.11a-1999, được gọi là 802.11a, cho phép tốc độ dữ liệu lên đến 54 Mbps trong băng tần 5GHz sử dụng Công nghệ OFDM. • IEEE 802.11b-1999, được gọi là 802.11b, cho phép lên đến 11 Mbps trong dải không có giấy phép 2,4 GHz bởi mở rộng việc sử dụng công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). 802.11a là cơ sở cho bản sửa đổi 802.11g được công bố năm 2003, sử dụng một tần số trực giao giống nhau (OFDM) cấu trúc lớp vật lý nhưng trong băng tần 2.4 GHz. Kể từ cuối những năm 90, tiêu chuẩn của chuẩn IEEE 802.11 đã tiếp tục phát triển để phục vụ người tiêu dùng tốc độ dữ liệu ngày càng cao. IEEE 802.11n chính thức được phát hành vào năm 2009. Tiêu chuẩn này đánh dấu sự gia tăng đáng kể tốc độ dữ liệu so với hiện tại 802.11a, b và g sửa đổi. IEEE 802.11n cho phép băng thông Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac kênh rộng hơn (40MHz so với 20MHz) và là chuẩn WLAN đầu tiên sử dụng nhiều anten cho luồng dữ liệu: lên đến 4x4, nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO). 802.11n tăng luồng dữ liệu lý thuyết từ 54Mbps lên 300Mbps trong một kênh 20MHz và 600Mbps trong một kênh 40MHz. Vào tháng 1/2012, bản chỉnh sửa dự thảo 802.11ac cuối cùng đã được công bố, nêu bật những cải tiến đáng kể trong tốc độ dữ liệu trên 802.11n. Bản sửa đổi 802.11ac cung cấp tối đa dữ liệu lí thuyết là 6,93Gbps băng thông kênh lên đến 160MHz, điều chế bậc cao hơn như 256-QAM và cấu hình MIMO lên đến 8x8. Năm Bản sửa đổi Tốc độ tối đa Tần số 1999 802.11a 54 Mbps 5 GHz 1999 802.11b 11 Mbps 2,4 GHz 2003 802.11g 54 Mbps 2,4 GHz 2009 802.11n 600 Mbps 2,4/5 GHz 2013 802.11ac 6,93 Gbps 5 GHz Bảng 1 Bảng tóm tắt ngắn gọn về sự phát triển của tiêu chuẩn 802.11 2. Giới thiệu IEEE 802.11ac Vì 802.11n đã trở thành một chuẩn trên máy tính và điện thoại thông minh, các ứng dụng trên thiết bị này vẫn đang tiếp tục được phát triển. Công nghệ di động đã gặp phải khó khăn tiếp theo là Video, bởi vì nó đòi hỏi một hoặc hai dãy băng thông lớn hơn các dịch vụ IP khác nên tốc độ 100/200 Mbps ở 802.11n dường như không đáp ứng đủ. Wi-Fi – Allience và nhóm IEEE 802.11 đã phát triển ra 802.11ac, chuẩn kế thừa 802.11n. 2.1 Tóm tắt về chuẩn 802.11ac Tiêu chuẩn mới của IEEE 802.11, 802.11ac là một phiên bản nhanh hơn và mở rộng hơn của 802.11n và các chuẩn trước đó. Nó kết hợp sự tự do của kết nối không dây với các tính năng Gigabit Ethernet. WLAN cải thiện đáng kể về số lượng khách hàng (thiết bị người dùng) được hỗ trợ bởi một điểm truy cập (Acsess Point - AP), băng thông có sẵn cho số lượng lớn các luồng video đồng thời mang lại trải nghiệm tốt hơn. Ngay cả khi mạng chưa được tải đầy đủ, thiết bị người dùng vẫn thấy được: tải file và đồng bộ email với tốc độ cực nhanh và độ trễ thấp. 802.11ac mở rộng 3 kích thước để phục vụ việc tăng tốc độ: Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac • Ghép/ Liên kết kênh nhiều hơn, tăng lên đến 80MHz, thậm chí 160MHz (tốc độ tăng lần lượt là 117% hoặc 333%). • Điều chế tập trung, sử dụng điều chế biên độ cầu phương 256 - QAM (tăng tốc độ 33% ở phạm vị ngắn hơn). • Thêm nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) 802.11ac có lên đến tám luồng không gian (tăng thêm 100%). Các hạn chế thiết kế và kinh tế khiến các sản phẩm 802.11n ở một, hai hoặc ba luồng không gian không thay đổi nhiều đối với 802.11ac, vì vậy với các sản phẩm 802.11ac đầu tiên được xây dựng ở khoảng 80MHz và cung cấp tối đa 433Mbps (cấp thấp), 867Mbps (trung cấp), hoặc 1300Mbps (cao cấp) ở lớp vật lý. Các sản phẩm thế hệ thứ hai có nhiều kết nối kênh và các luồng không gian hơn, với các cấu hình sản phẩm có thể hoạt động với tốc độ lên đến 3,47Gbps. 802.11ac là một công nghệ 5GHz, vì vậy AP sử dụng băng tần kép và thiết bị người dùng vẫn sẽ tiếp tục sử dụng 802.11n ở tốc độ 2,4 GHz. Tuy nhiên, các thiết bị người dùng 802.11ac hoạt động trong băng tần 5GHz chưa phổ biến. Các sản phẩm thế hệ thứ hai cũng có thể đi kèm với một công nghệ mới, đa người dùng MIMO (MU - MIMO). Trong khi 802.11n giống như một hub Ethernet chỉ có thể truyền một khung duy nhất cho tất cả các cổng, MU-MIMO cho phép AP gửi nhiều khung tới nhiều thiết bị người dùng đồng thời trên cùng một dải tần. Với nhiều anten thông minh, AP có thể hoạt động giống như một bộ chuyển mạch không dây. Có nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật, do đó MU-MIMO đặc biệt phù hợp với người dùng thiết bị di động (BYOD) trong đó các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính bảng chỉ có một anten. Các sản phẩm hỗ trợ 802.11ac là đỉnh cao nỗ lực của IEEE và Alliance Wi-Fi. 802.11ac sẽ có một vài ảnh hưởng đến các triển khai 802.11a/n hiện tại, cả triển khai không được nâng cấp lên 802.11ac ngay: (1) Băng thông kênh rộng hơn của các AP yêu cầu cập nhật quản lý tài nguyên vô tuyến RRM (đặc biệt thuật toán gán kênh tự động). (2) Hệ thống bảo vệ xâm nhập không dây 802.11a/n (WIPS) có thể tiếp tục giải mã hầu hết các khung quản lý như các khung yêu cầu, phản hồi của máy cảm biến và tín hiệu (beacon and probe) (thường được gửi ở định dạng 802.11a) nhưng không có khả năng hiển thị dữ liệu được gửi trong định dạng gói tin 802.11ac mới. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 4 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac 2.2 Đặc tính kỹ thuật 802.11ac • Tương thích ngược: 802.11ac sẽ cung cấp tính năng tương thích ngược với 802.11a và 802.11n hoạt động trong băng tần 5GHz. Điều này có nghĩa rằng 802.11ac phải tương tác với 802.11a và 802.11n và chú ý xác định cấu trúc khung phù hợp với thiết bị 11a và 11n. • Cùng tồn tại: 11ac sẽ cung cấp các cơ chế để đảm bảo cùng tồn tại với 11a và 11n thiết bị hoạt động trong băng tần 5GHz. • Thông lượng STA (trạm): Một trạm (một thiết bị tương thích với 802.11ac PHY và MAC) sẽ có thông lượng lớn hơn 500Mbps được đo tại Điểm truy cập dịch vụ MAC (SAP) trong khi không sử dụng hơn một kênh 80 MHz. • Thông lượng đa STA (đo bằng MAC SAP): Thông lượng khi hệ thống 802.11ac có nhiều trạm lớn hơn 1Gbps trong khi không sử dụng hơn một kênh 80 MHz. 2.3 Sự phát triển của 802.11ac Tổng quan công nghệ Theo thiết kế, 802.11ac chỉ hoạt động trong băng tần 5GHz, như được trình bày trong Bảng 2. Điều này tránh được sự can thiệp ở tần số 2,4GHz, các thiết bị gia dụng bao gồm cả tai nghe bluetooth và lò vi sóng và tạo ra động lực cho thiết bị người dùng nâng cấp thiết bị di động (điểm truy nhập hotspot) sang băng tần kép để băng tần 5GHz được sử dụng rộng rãi hơn. Lựa chọn này cũng hợp lý hóa quá trình IEEE bằng cách tránh khả năng tranh chấp giữa 802.11 và 802.15. 802.11 giới thiệu điều chế bậc cao lên đến 256QAM, ghép kênh bổ sung lên đến 80 hoặc 160 MHz và lên tới 8 luồng không gian. Có một cách khác để nâng băng thông 160 MHz là ghép "80 + 80" MHz. 802.11ac thừa hưởng những tính năng của 802.11n bao gồm tùy chọn khoảng bảo vệ ngắn (với tốc độ 10%) và tốc độ tăng dần ở phạm vi sử dụng xa bằng mã điều chỉnh kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp nâng cao (LDPC). Các mã LDPC này được thiết kế để mở rộng các mã LDPC 802.11n, vì vậy có thể dễ dàng mở rộng thiết kế phần cứng hiện tại. Nhiều mã khối thời gian không gian (STBCs) được cho phép như các tùy chọn nhưng danh sách này được định nghĩa bởi 802.11n và STBC phần lớn được tạo ra bởi sự tạo thành chùm (beamforming). Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac Những gì 802.11ac định nghĩa cách thực hiện Beamforming kênh Sounding là phản hồi nén rõ ràng. Nếu muốn cung cấp những lợi ích của việc định dạng chùm theo tiêu chuẩn thì không có sự lựa chọn nào khác ngoài lựa chọn cơ chế đơn lẻ và sau đó có thể kiểm tra khả năng tương tác. Tham số 802.11ac Draft 3.0 802.11ac (sửa đổi phê chuẩn) Bản sửa đổi Chứng nhận Wave 1 Chứng nhận Wave 2 Wi-Fi hoàn chỉnh Wi-Fi Alliance Alliance 802.11ac <6 GHz Phổ 5 GHz (hỗ trợ khác nhau theo miền quy định) (không gồm 2,4 GHz) Băng thông Bắt buộc: 20/40/80 MHz Bắt buộc: 20, 40, và 80 MHz Tùy chọn: 160 và 80 + 80 MHz Điều Bắt buộc: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM chế Tùy chọn: 256QAM Số Bắt buộc: 2 (AP không luồng di động), 1 không Tùy chọn: lên đến 3 gian Sửa lỗi luồng không gian Bắt buộc: 2 (AP không di động), 1 Bắt buộc: 1 Tùy chọn: tối đa 4 luồng không Tùy chọn: 2 đến 8 gian Bắt buộc: BCC Tùy chọn: LDPC Tùy chọn: 2 STBC Tùy chọn: 2 × 1 AP cho thiết bị người dùng × 1, 4 × 2, 6 × 3, 8 × 4 Tập Bắt buộc: TX và RX của Bắt buộc: TX và RX của A- A-MDPU, hợp A-MPDU A-MDPU MPDU (Aggri- Tùy chọn: RX A-MPDU Tùy chọn: RX A-MPDU của A- của A- gation) của A-MSDU MSDU MUMIMO - MSDU Tùy chọn Bảng 2 Thành phần chính của 802.11ac Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac Do băng thông kênh rộng hơn ở 802.11ac nên có nhiều khả năng AP 80MHz sẽ chồng chéo với AP 20MHz hoặc 40MHz và tương tự như AP 80MHz hoặc 160MHz. Để kích hoạt hoạt động đáng tin cậy trong trường hợp phức tạp này, 802.11ac yêu cầu mở rộng cơ chế RTS/CTS, yêu cầu đánh giá kênh rõ ràng hơn (CCA) và các nguyên tắc lựa chọn kênh chính mới. 802.11ac cũng giới thiệu một công nghệ mới có giá trị gọi là đa người dùng multiuser MIMO. Điều này là khá khó khăn để đạt được do đó nó được hoãn lại cho đến thế hệ thứ 2 của 802.11ac và có thể là tùy chọn. 2.3.1 Tốc độ không dây của 802.11ac Tốc độ không dây là sản phẩm của ba yếu tố: băng thông kênh, điều chế và số luồng không gian. 802.11ac đã đẩy mạnh vào các yếu tố này. Với góc độ toán học, tốc độ lớp vật lý của 802.11ac được tính toán theo Bảng 3. Ví dụ: truyền 80MHz 256QAM với ba luồng không gian và khoảng bảo vệ ngắn cung cấp 234 × 3 × 5/6 × 8 bit / 3.6 ms = 1300Mbps. Băng thông PHY (Số các sóng mang dữ Số × liệu phụ) 802.11n/ 802.11ac × (40MHz) không Số liệu cho × 1 đến 4 mỗi Subcarrier gian 56 (20MHz) 108 luồng Tốc Thời gian độ cho mỗi kí hiệu ÷ Symbol OFDM × Dữ = Tối đa: 3,6 ms 5/6 × log2 ÷ (khoảng bảo = (64) = 5 vệ ngắn) liệu PHY (bps) Bảng 3 Tính toán tốc độ 802.11n và 802.11ac Việc tăng băng thông kênh lên 80MHz sẽ mang lại tốc độ nhanh gấp 2,16 lần và 160MHz tăng gấp nhiều lần. Trái lại, nó tiêu thụ nhiều phổ tần và mỗi lần phân chia công suất phát trên hai sóng càng nhiều, vì vậy tốc độ tăng gấp đôi nhưng phạm vi cho tốc độ tăng gấp đôi đó sẽ giảm nhẹ. Tốc độ tỷ lệ thuận với số luồng không gian. Các luồng không gian khác đòi hỏi nhiều anten hơn, các kết nối RF và các chuỗi RF tại máy phát và máy thu. Các anten phải được phân cách 1/3 bước sóng hoặc nhiều hơn và các chuỗi RF bổ sung tiêu thụ năng lượng. Điều này thúc đẩy nhiều thiết bị di động hạn chế số lượng anten là 1, 2 hoặc 3. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac Nói chung 3 tốc độ này có sự tăng đáng kể. Như thể hiện trong hình 1 và bảng 4, sản phẩm 802.11ac tối thiểu cho phép nhanh hơn 4,4 lần sản phẩm 802.11n tương ứng và sản phẩm thế hệ 1 cấp trung, cấp cao cao gần gấp 3 lần, đạt tốc độ dữ liệu vật lý 1,3Gbps. Thông lượng thực tế sẽ là một chức năng của hiệu suất MAC (ít khi tốt hơn 70%) và khả năng của các thiết bị ở mỗi đầu của liên kết. Hình 1 Sự phát triển của Cisco AP với các sửa đổi lớp vật lý 802.11 Băng Tên cấu hình thông (MHz) Số luồng không Điều chế Tốc độ Lưu Khoảng dữ liệu lượng bảo vệ PHY (Mbps) (Mbps) * gian 802.11a 20 1 64QAM r3/4 Dài 54 24 20 1 64QAM r5/6 Dài 65 46 802.11n Bản sửa đổi tối thiểu Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 8 Đồ án tốt nghiệp Đại học Sản phẩm tầm thấp Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac 20 1 40 Sản phẩm tầm cao Bản sửa đổi tối đa 64QAM r5/6 Ngắn 72 51 2 64QAM r5/6 Ngắn 300 210 40 3 64QAM r5/6 Ngắn 450 320 40 4 64QAM r5/6 Ngắn 600 420 80 1 64QAM r5/6 Dài 293 210 80 1 Ngắn 433 300 80 2 Ngắn 867 610 Sản phẩm tầm cao 80 3 Ngắn 1300 910 Bản sửa đổi tối đa 80 8 Ngắn 3470 2400 160 1 Ngắn 867 610 160 2 Ngắn 1730 1200 Sản phẩm tầm cao 160 3 Ngắn 2600 1800 Bản sửa đổi tối đa 160 4 Ngắn 3470 2400 Sản phẩm tầm thấp 160 8 Ngắn 6930 4900 (2.4 GHz) Sản phẩm tầm trung 802.11ac (80MHz) Bản sửa đổi tối thiểu Sản phẩm tầm thấp Sản phẩm tầm trung 256QAM r5/6 256QAM r5/6 256QAM r5/6 256QAM r5/6 802.11ac (160MHz) Sản phẩm tầm thấp Sản phẩm tầm trung 256QAM r5/6 256QAM r5/6 256QAM r5/6 256QAM r5/6 256QAM r5/6 Bảng 4 Các tốc độ dữ liệu quan trọng của 802.11a, 802.11n và 802.11ac Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 9 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac 2.3.2 Băng thông kênh truyền rộng hơn Băng thông rộng hơn giúp việc truyền dữ liệu giữa hai thiết bị được nhanh hơn. Trên băng tần 5GHz, Wi-Fi 802.11ac hỗ trợ các kênh với độ rộng băng thông 20MHz, 40MHz, 80MHz và tùy chọn 160MHz. Trong khi đó, 802.11n chỉ hỗ trợ kênh 20MHz và 40MHz mà thôi. Hình 2 Băng thông kênh truyền 2.3.3 Nhiều luồng dữ liệu hơn Spatial stream là một luồng dữ liệu được truyền đi bằng công nghệ đa anten MIMO. Nó cho phép một thiết bị có thể phát đi cùng lúc nhiều tín hiệu bằng cách sử dụng nhiều hơn 1 anten. 802.11n có thể đảm đương tối đa 4 luồng không gian còn với Wi-Fi 802.11ac thì con số này được đẩy lên đến 8 luồng. 2.3.4 Hỗ trợ MIMO đa người dùng Multi user-MIMO Ở Wi-Fi 802.11n, một thiết bị có thể truyền nhiều luồng không gian nhưng chỉ nhắm đến 1 địa chỉ duy nhất. Điều này có nghĩa là chỉ một thiết bị (hoặc một người dùng) có thể nhận dữ liệu ở một thời điểm. Người ta gọi đây là single-user MIMO (SU-MIMO). Còn với chuẩn 802.11ac, một kĩ thuật mới được bổ sung vào với tên gọi multi-user MIMO. Nó cho phép một điểm truy cập sử dụng nhiều anten để truyền tín hiệu đến nhiều thiết bị (hoặc nhiều người dùng) cùng lúc và trên cùng một băng tần. Các thiết bị nhận sẽ không phải chờ đợi đến lượt mình như SU-MIMO, từ đó độ trễ sẽ được giảm xuống đáng kể. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 10 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac Hình 3 Sự khác biệt giữa SU- MIMO và MU- MIMO Tuy nhiên, MU-MIMO là một kĩ thuật khó và ở thời điểm hiện tại nó sẽ không có mặt trên các AP và router Wi-Fi 802.11ac. Phải đến đợt thứ hai (wave 2) thì MUMIMO mới có mặt nhưng sự hiện diện cũng sẽ rất hạn chế. Anten phát được kí hiệu là Tx và anten thu là Rx. Trên một số thiết bị mạng như router, card mạng, chip Wi-Fi, bạn sẽ thấy những con số như 2x2, 2x3, 3x3 thì số đầu tiên trước dấu nhân là anten phát (Tx) còn phía sau là anten thu (Rx). Ví dụ, thiết bị 2x2 là có 2 anten thu và 2 anten phát. 2.3.5 Beamforimg Wi-Fi là một mạng đa hướng, tức tín hiệu từ router phát ra sẽ tỏa ra khắp mọi hướng. Tuy nhiên, các thiết bị 802.11ac có thể sử dụng một công nghệ dùng để định hướng tín hiệu truyền nhận gọi là Beamforming ("tạo ra một chùm tín hiệu"). Router sẽ có khả năng xác định vị trí của thiết bị nhận ví dụ như: laptop, smartphone, tablet, Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 11 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac để rồi tập trung đẩy năng lượng tín hiệu lên mức mạnh hơn hướng về phía thiết bị đó. Mục đích của Beamforming là giảm nhiễu. Hình 4 Công nghệ Beamforming Mặc dù sóng Wi-Fi vẫn tỏa ra khắp mọi hướng tuy nhiên với công nghệ Beamforming thì chùm tín hiệu có thể được định hướng tốt hơn đến một thiết bị xác định trong vùng phủ sóng. Theo giải thích của Cisco, thực chất bất kì trạm phát Wi-Fi nào có nhiều anten đều có thể Beamforming tuy nhiên 802.11ac dùng kĩ thuật gọi là "sounding" để giúp router xác định vị trí của thiết bị nhận một cách chính xác hơn sẽ được đề cập ở chương sau. 2.3.6 Tầm phủ sóng rộng hơn Biểu đồ bên dưới do Netgear cung cấp, theo đó có thể thấy rằng với cùng 3 anten, router dùng chuẩn 802.11ac sẽ cho tầm phủ sóng rộng đến 90m, trong khi router dùng mạng 802.11n có tầm phủ sóng chỉ khoảng 80m là tối đa. Tốc độ của mạng 802.11ac ở từng mức khoảng cách cũng nhanh hơn 802.11n, biểu thị bằng vùng màu xanh dương luôn nằm cao hơn vùng màu xanh lá. Với các tòa nhà, văn phòng rộng, có thể giảm số lượng repeater cần dùng để khuếch đại và lặp tín hiệu, tiết kiệm chi phí. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 12 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11ac Hình 5 Tầm phủ sóng của Wi-Fi 802.11ac 3. Kết luận chương Do sự phát triển không ngừng và những yêu cầu ngày càng cao về tốc độ mạng không dây, các chuẩn Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac đã lần lượt ra đời để đáp ứng và tăng chất lượng người sử dụng. Chương 1 đã nêu tóm tắt những đặc điểm và tính năng mới của IEEE 802.11ac như sau: - Chỉ hoạt động trong băng tần 5GHz. - Phát triển từ chuẩn 802.11n, có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11 trước đó - Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 1,73Gbps. - Hỗ trợ các kênh với độ rộng băng thông 20MHz, 40MHz, 80MHz và 160MHz. - Chuẩn 802.11ac hỗ trợ lên tới 8 luồng không gian. - Hỗ trợ MU-MIMO cho phép một AP sử dụng nhiều anten để truyền tín hiêu đến nhiều người dùng trên cùng một băng tần mà không cần mất thời gian chờ đợi. - Hỗ trợ công nghệ Beamforming. - Tầm phủ sóng rộng hơn. Những cải tiến mới ở lớp PHY và MAC của IEEE 8802.11ac sẽ được đề cập rõ hơn ở nội dung chương 2. Hoàng Thị Hồng Nhung – D13VT2 13