Giới thiệu tiêu chuẩn Mạng cục bộ không dây IEEE 802.11ax 

Wifi, một khái niệm không còn xa lạ với đối với người dân Việt Nam. Nếu như ở các thành phố, wifi ở khắp mọi nơi, những nơi đông đúc, trung tâm thành phố có thể dò được nhưng hàng dài wifi san sát nhau trong thiết bị di dộng cá nhân. Ở các vùng nông thôn, wifi cũng ngày một phổ cập hơn, trẻ con ngày nay có lẽ còn thành thạo việc xin mật khẩu và trung cập mạng internet hơn thế hệ ông bà cha mẹ.

Wifi hay mạng không dây LAN IEEE 802.11 là một tập con trong họ tiêu chuẩn mạng IEEE 802. Hai tiêu chuẩn IEEE 802.11g và IEEE 802.11n là hai tiêu chuẩn phổ biến được ứng dụng và phổ biến trên các thiết bị thu phát trong gần một thập kỷ qua, kể cả khi chuẩn IEEE 802.11ac năm 2013, nhưng đa số thiết bị wifi sử dụng chuẩn n do giá thành và sự phổ cập lâu dài của nó. Đến nay khi xã hội phát triển, những yêu cầu về sự kết nối cũng đòi hỏi sự phát triển cao hơn của công nghệ, đó sự ổn định, nhanh chóng, chính xác và không nghẽn. Sự phát triển của vạn vật kết nối IoT cũng đòi hỏi một sự kết nối ổn định và chính xác để các thiết bị đạt được chính xác trong vận hành. Chính bởi vậy, mới đây nhất IEEE ban hành IEEE 802.11ax là một phiên bản kế thừa những mặt tốt của chuẩn IEEE 802.11ac ra đời năm 2013 và có được sự đột phá về công nghệ. Chuẩn ax hứa hẹn một sự phát triển lâu dài bền vững với chuẩn ax.

Bài viết này sẽ giới thiệu từ tổng quan đến chi tiết công nghệ của chuẩn IEEE 802.11ax để người đọc có một cái nhìn rõ ràng về tiêu chuẩn đầy hứa hẹn này.

Tổng quan về mạng IEEE 802.11ax

IEEE 802.11 ax hay Wifi thế hệ thứ 6 là tiêu chuẩn này do tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - Viện kỹ thuật Điện và Điện tử) nghiên cứu, xây dựng và phát triển. Tiêu chuẩn được công bố và chính thức đưa vào sử dụng từ ngày 16/9/2019. Việc phát triển phiên bản này nhằm cải thiện việc tắc nghẽn do mật độ dày đặc của thiết bị trong cùng một khu vực phát sóng cùng với nhiều cải thiện khác. Wifi thế hệ thứ 6 được biết là kế thừa các công nghệ tốt từ wifi thế hệ thứ 5 (802.11 ac) và phát triển trên các công nghệ mới sẽ ứng dụng cũng như duy trì trong 50 năm nữa.

Tổng quan họ IEEE 802.11 có rất nhiều họ tiêu chuẩn khác nhau là IEEE 802.1 (các giao thức LAN tầng cao), IEEE 802.2 (Điều khiển liên kết logic), IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.4 (Token Bus, tiêu chuẩn không còn khuyến nghị sử dụng), IEEE 802.5 (Token Ring), IEEE 802.6 (Mạng diện rộng cho thành phố (Metropolitan Area Network MAN tuy nhiên đã giải tán), IEEE 802.7 (Băng thông LAN cho cáp đồng trục không còn khuyến nghị), IEEE 802.8 (Cáp quang, không còn khuyến nghị sử dụng), IEEE 802.9 (Dịch vụ tích hợp LAN, không còn khuyến nghị sử dụng), IEEE 802.10 (Bảo mật LAN liên thông, không còn khuyến nghị sử dụng), IEEE 802.11 (Mạng không dây LAN hay xác nhận Wi-fi gồm các tiêu chuẩn: IEEE 802.11a (ban hành năm 1999); IEEE 802.11b (ban hành năm 1999), 802.11d, 802.11i, 802.11g (ban hành năm 2003), 802.11h, 802.11n (ban hành năm 2009), 801.11ac (ban hành năm 2013) và mới nhất 801.11ax (ban hành năm 2019)), IEEE 802.12 (Công nghệ 100 Mbit/s), IEEE 802.14 (Modem cáp) và một số tiêu chuẩn IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE 802.22.

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp “truyền qua không khí” (tiếng Anh: “over-the-air”), sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập (access point - AP), hoặc giữa hai hay nhiều thiết bị không dây với nhau. Bộ chuẩn này bao gồm các tiêu chuẩn con như IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, …

Phiên bản mới nhất của Wifi thế hệ thứ 6 là IEEE 802.11ax-2021 được công bố phát hành ngày 9/2/2021.

Hình 1: Tổng quan về Wifi thế hệ thứ 6

802.11ax được nghiên cứu và phát triển với mục tiêu giải quyết các thách thức trong kết nối ở những năm 2019 về trước, đó là:

- Tăng số lượng kết nối thiết bị với mất độ cao hơn.

- Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về độ trễ thấp, ngốn băng thông cho dữ liệu âm thanh, video thời gian thực, công nghệ AR/VR.

- Hỗ trợ kết nối không dây cho thiết bị IoT.

- Kéo dài tuổi thọ (thời lượng pin sử dụng) cho các thiết bị được kết nối.

- Sử dụng thuật tiện trên cả băng thông 2.4Hz và 5Hz.

Đây chỉ là những đúc kết chính của chuẩn kết nối thế hệ mới Wifi 6 trên 50 tính năng cập nhật.

So sánh với Wifi thế hệ thứ 5 có thể thấy được sự vượt trội của công nghệ mới:

- Thông lượng OFDMA tăng lên 4 lần trên mỗi người dùng so với 802.11ac.

- Công nghệ MU-MIMO phục vụ nhiều thiết bị hơn với gấp 2 luồng tải xuống và 8 lần luồng tải lên.

- Tận dụng công nghệ 1024-QAM tăng 25% trong tốc độ dữ liệu vật lý, cơ chế 10bit so với 8bit trong điều chế, Wifi 6 nhanh hơn 40% so với Wifi 5 về tổng thể hiệu năng tốc độ (ở đây tốc độ phụ thuộc vào phạm vi, vật cản, nhiễu tín hiệu khác và chất lượng thiết bị kết nối cùng công nghệ).

- Công nghệ BSS Coloring (Basic Service Set Coloring) dễ dàng tự động phát hiện và xác định các mạng WLAN khác, giảm thiểu xung đột và nhiễu sóng vô tuyến trên cùng một kênh. Đảm bảo sự ổn định hơn và chất lượng tốt hơn trong môi trường mật độ cao nhiều thiết bị phát wifi hơn.

- Bảo mật WPA3 vá các lỗ hổng trên thiết bị dùng WPA2.

Về cơ bản Wifi thế hệ thứ 6 là tương lai của thiết bị không dây.

Sự phát triển trong công nghệ của IEEE 802.11ax

Thay đổi cơ chế PHY để đạt hiệu quả cao hơn

Đặc tả được xuất bản của 802.11ax giới thiệu những thay đổi đáng kể đối với lớp vật lý của tiêu chuẩn. Tuy nhiên, nó duy trì khả năng tương thích ngược với các thiết bị sử dụng chuẩn cũ như 802.11a/b/g/n và ngay cả với chuẩn ac, như vậy một thiết bị sử dụng chuẩn 802.11ax có thể gửi và nhận dữ liệu đến các thiết bị sử dụng chuẩn cũ khác. Các thiết bị kế thừa này cũng sẽ có thể giải mã tiêu đề gói 802.11ax tốc độ cao hơn mặc dù không phải toàn bộ gói 802.11ax và dự phòng khi một thiết bị sử dụng chuẩn 802.11ax khác đang truyền dữ liệu đến.

Ta có bảng so sánh giữa 802.11 ac và ax như sau:

Thông số

802.11ac

802.11ax

Băng tần sử dụng

5Hz

2,4Hz và 5Hz

Băng thông của kênh

20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 80 + 80 MHz & 160 MHz

20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 80 + 80 MHz & 160 MHz

Kích thước FFT

64, 128, 256, 512

256, 512, 1024, 2048

Không gian

SUB đảm bảo độ ộn đinh của mạng

312,5 kHz

78.125 kHz

Biểu tượng thời gian của OFDM

3.2 us + 0.8/0.4 us CP

12.8 us + 0.8/1.6/3.2 us CP

Tốc độ truyền nhanh nhất

256-QAM

1024-QAM

Tỷ lệ chuyển dữ liệu

433 Mbps (80 MHz, 1 SS)

6933 Mbps (160 MHz, 8 SS)

600,4 Mbps (80 MHz, 1 SS)

9607,8 Mbps (160 MHz, 8 SS)

Hoạt động đa người dùng với công nghệ MU-MIMO và OFDMA

Chuẩn 802.11ax có hai chế độ hoạt động:

Một người dùng: trong chế độ tuần tự này, các thiết bị gửi và nhận dữ liệu lần lượt sau khi chúng đảm bảo quyền truy cập vào phương tiện.

Đa người dùng: 802.11ax này không giống các chuẩn khác mà chia chế độ này thành đường gửi xuống và đường tải lên đa người dùng. Đa người dùng đường gửi xuống đề cập đến việc một điểm truy cập (AP) gửi xuống dữ liệu phục vụ cho nhiều thiết bị truy cập cùng một lúc. Chuẩn 802.11ac hiện cũng đã có chỉ định tính năng này. Đa người dùng đường tải lên liên quan đến việc truyền dữ liệu đồng thời từ nhiều thiết bị truy cập đến điểm truy cập AP. Đây là chức năng mới của chuẩn 802.11ax, không tồn tại trong bất kỳ phiên bản nào trước đây của chuẩn Wi-Fi.

Trong chế độ hoạt động Đa người dùng, tiêu chuẩn cũng chỉ định hai cách khác nhau để ghép nhiều người dùng hơn trong một khu vực nhất định: Đa người dùng MIMO và Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Đối với cả hai phương pháp này, AP hoạt động như bộ điều khiển trung tâm của tất cả các khía cạnh hoạt động của nhiều người dùng, tương tự như cách một trạm gốc di động LTE kiểm soát việc ghép kênh của nhiều người dùng. Một AP 802.11ax cũng có thể kết hợp MU-MIMO với hoạt động OFDMA.

Đối với công nghệ MIMO nhiều người dùng, tiêu chuẩn kế thừa từ việc triển khai trên 802.11ac, các thiết bị phát thiết kế theo 802.11ax sẽ sử dụng kỹ thuật định dạng chùm để hướng các gói đồng thời đến những người dùng đa dạng về không gian. Điều này có nghĩa là AP sẽ tính toán một ma trận kênh cho mỗi người dùng và điều hướng các chùm đồng thời đến những người dùng khác nhau, mỗi chùm chứa các gói cụ thể cho người dùng mục tiêu của nó. 802.11ax hỗ trợ gửi tối đa tám đường truyền MIMO cho nhiều người dùng cùng một lúc, tăng lên bốn so với 802.11ac. Ngoài ra, mỗi đường truyền MU-MIMO có thể có bộ điều chế và mã hóa (MCS) riêng và một số luồng không gian khác nhau. Tương tự, khi sử dụng ghép kênh không gian MU-MIMO, AP có thể được so sánh với một bộ chuyển mạch Ethernet giúp giảm miền xung đột từ một mạng máy tính lớn xuống một cổng duy nhất.

Đối với công nghệ OFDMA nhiều người dùng, Chuẩn 802.11ax kế thừa một cải tiến công nghệ từ công nghệ di động 4G để ghép nhiều người dùng hơn trong cùng một băng thông kênh có tên là đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Dựa trên sơ đồ điều chế kỹ thuật số ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) hiện có mà 802.11ac đã sử dụng, tiêu chuẩn 802.11ax chỉ định thêm các bộ sóng mang con cụ thể cho người dùng cá nhân. Điều này có nghĩa là nó chia các kênh 802.11 hiện có (rộng 20, 40, 80 và 160 MHz) thành các kênh con nhỏ hơn với số lượng sóng mang con được xác định trước. Cũng vay mượn từ thuật ngữ LTE hiện đại, tiêu chuẩn 802.11ax gọi kênh con nhỏ nhất là đơn vị tài nguyên (RU), với kích thước tối thiểu là 26 sóng mạng con. Trong môi trường người dùng dày đặc, nơi nhiều người dùng thường mắc phải lỗi quá tải lượt sử dụng kênh, cơ chế OFDMA này hiện phục vụ cho môi trường có đông người sử dụng đồng thời với một kênh con nhỏ hơn nhưng chuyên dụng hơn dành cho từng người dùng, do đó cải thiện thông lượng trung bình trên mỗi người dùng.

Hoạt động liên kết lên nhiều người dùng với sự kết hợp để điều phối việc truyền MU-MIMO hoặc OFDMA đường tải lên, AP sẽ gửi một khung kích hoạt cho tất cả người dùng. Khung này cho biết số lượng luồng không gian và phân bổ OFDMA (tần số và kích thước RU) của mỗi người dùng. Nó cũng chứa thông tin kiểm soát công suất, để người dùng cá nhân có thể tăng hoặc giảm công suất truyền của họ, nhằm cân bằng công suất mà AP nhận được từ tất cả người dùng đường lên và cải thiện việc tiếp nhận các khung hình từ các nút ở xa hơn. AP cũng hướng dẫn tất cả người dùng khi nào bắt đầu và ngừng truyền.

Cải thiện cơ chế MAC tạo hiệu quả cao

IEEE 802.11ax đặc biệt hơn các phiên bản trước với khả năng tái sử dụng không gian với mã màu nhằm cải thiện hiệu suất mức hệ thống và sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần trong các tình huống triển khai dày đặc. Các thiết bị truy cập có thể xác định các tín hiệu từ các Bộ Dịch vụ Cơ bản (BSS - Basic Service Sets) chồng chéo và đưa ra quyết định về quản lý can thiệp và tranh chấp phương tiện dựa trên thông tin này. Khi một thiết bị truy cập đang tích cực truy cập vào một mạng mà có sử dụng khung 802.11ax, nó sẽ kiểm tra bit màu BSS hoặc địa chỉ MAC trong tiêu đề MAC. Nếu màu BSS trong PPDU được phát hiện có cùng màu với màu mà AP liên kết của nó đã thông báo, thì thiết bị truy cập sẽ coi khung đó là khung BSS nội bộ.

Tuy nhiên, nếu khung được phát hiện có màu BSS khác với màu của chính nó, thì thiết bị truy cập sẽ coi khung đó là khung liên BSS từ một BSS chồng lên nhau. Sau đó, thiết bị truy cập chỉ coi phương tiện là bận trong thời gian thiết bị truy cập xác nhận rằng khung đó là từ một BSS liên, nhưng không lâu hơn thời gian được chỉ định là độ dài của trọng tải của khung. Bằng cách đó, lưu lượng truy cập từ BSS lân cận sẽ không tạo ra tranh chấp quyền truy cập kênh không cần thiết, không gây tắc nghen truy cập (Quá trình này hiểu rằng khi người dùng đang cố truy cập vào một mạng công cộng quá tải số lượt truy cập, thì mạng đó không nhớ đồng thời cả thiết bị đó mà loại bỏ nó đi để không tính thêm lượt truy cập đồng thời trên thời gian thực và bình thường hóa số lượt truy cập đến AP, đồng thời thiết bị truy cập cũng sẽ chờ cho đến khi nó nhận được thông báo đúng về khả năng truy cập chứ k liên tiếp gửi kết nối về AP)

Khi thiết bị truy cập được trang bị 802.11ax thì nó sẽ sử dụng quy tắc mã màu CCA, chúng cũng được phép điều chỉnh ngưỡng phát hiện tín hiệu (OBSS – overlapping BSS) cùng với điều khiển công suất phát. Điều chỉnh này cải thiện hiệu suất mức hệ thống và việc sử dụng các tài nguyên phổ. Hơn nữa, 802.11ax cho phép thiết bị truy cập có thể điều chỉnh các thông số CCA, chẳng hạn như mức phát hiện năng lượng và mức phát hiện tín hiệu.

Ngoài việc sử dụng CCA để xác định xem phương tiện đang rảnh hay bận cho khung hiện tại, tiêu chuẩn 802.11 sử dụng Vectơ phân bổ mạng (NAV) là một cơ chế hẹn giờ duy trì dự đoán về lưu lượng trong tương lai, nó cho các thiết bị truy cập để chỉ ra thời gian cần thiết cho các khung ngay sau khung hiện tại. NAV hoạt động như một cảm biến sóng mạng ảo đảm bảo dự trữ phương tiện cho các khung quan trọng đối với hoạt động của giao thức 802.11, chẳng hạn như khung điều khiển, dữ liệu và gói báo nhận (ACK - acknowledgement packet) sau trao đổi RTS/CTS.

Cơ chế tiết kiệm năng lượng với “thời gian đánh thức mục tiêu”

Một AP theo chuẩn 802.11ax có thể thương lượng với các thiết bị truy cập tham gia bằng cách sử dụng chức năng “Thời gian đánh thức mục tiêu (TWT-Target Wake Time) để xác định thời gian cụ thể hoặc tập hợp thời gian cho các trạm riêng lẻ truy cập vào phương tiện. Các thiết bị truy cập và AP trao đổi thông tin bao gồm thời lượng hoạt động dự kiến. Bằng cách này, AP kiểm soát mức độ tranh chấp và chồng chéo giữa các thiết bị truy cập cần quyền truy cập vào phương tiện. Thiết bị truy cập theo chuẩn 802.11ax có thể sử dụng TWT để giảm tiêu thụ năng lượng, chuyển sang trạng thái ngủ cho đến khi TWT của chúng đến. Hơn nữa, một AP cũng có thể đặt ra các lịch trình và cung cấp các giá trị TWT cho các thiết bị truy cập mà không cần các thỏa thuận TWT riêng lẻ giữa chúng.

Cơ chế bình ổn thông lượng Wifi trong môi trường dày đặc

Giao thức 802.11 sử dụng phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mạng (CSMA) trong đó các thiết bị truy cập cảm nhận kênh đầu tiên và cố gắng tránh xung đột bằng cách chỉ truyền khi chúng cảm thấy kênh không hoạt động. Khi một thiết bị truy cập nghe thấy một thiết bị truy cập khác, nó sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên để thiết bị truy cập đó ngừng truyền trước khi truyền tin để kênh được tự do. Khi chúng có thể truyền, các thiết bị truy cập sẽ truyền toàn bộ dữ liệu gói của chúng. Điều này tức là khi tại cùng một thời điểm có nhiều thiết bị truy cập, thì chúng sẽ xếp hàng và lần lượt tải lên và gửi xuống dữ liệu và nhịp nhàng vừa đủ để không gây nghẽn mạng.

Các Wi-Fi có thể sử dụng Yêu cầu gửi/xóa để gửi (RTS/CTS) để dàn xếp quyền truy cập vào phương tiện được chia sẻ. AP chỉ phát một gói CTS cho một thiết bị truy cập tại một thời điểm, đến lượt nó sẽ gửi toàn bộ khung của nó đến AP. Sau đó, thiết bị truy cập chờ một gói báo nhận từ AP cho biết rằng nó đã nhận đúng gói. Nếu thiết bị truy cập không nhận được ACK kịp thời, nó giả định gói tin đã va chạm với một số đường truyền khác, chuyển thiết bị truy cập sang một khoảng thời gian lùi theo hàm mũ nhị phân. Nó sẽ cố gắng truy cập phương tiện và truyền lại gói của nó sau khi bộ đếm dự phòng hết hạn.

Cơ chế tiết kiệm năng lượng

Tương tự như yêu cầu giảm tần số và sai số đồng hồ, công suất mà một AP nhận được trong quá trình nhiều người dùng cùng tải lên mà không có sự khác biệt giữa tốc độ tải lên của mỗi người dùng. Điều này yêu cầu AP phải kiểm soát công suất phát của từng thiết bị truy cập riêng lẻ. AP có thể sử dụng khung kích hoạt chứa thông tin công suất truyền cho mỗi thiết bị truy cập. Các nhà phát triển có thể kiểm tra chức năng này theo hai bước, theo cách tương tự như kiểm tra lỗi tần suất. Điều này giúp cho các thiết bị truy cập cá nhân không tiêu hao năng lượng quá nhiều trong thời gian tải lên, giảm thiểu năng lượng sử dụng.

Kết luận

Bài viết đưa đến cho người đọc từ tổng quát đến chi tiết các đặc điểm nổi bật của chuẩn IEEE 802.11ax. IEEE 802.11ax là chuẩn wifi thế hệ thứ 6, phát triển mới nhiều mục đích cho tương lai như sự ổn định, nhanh chóng, tiết kiệm năng lượng. Đây là chuẩn phù hợp cho phát triển các thiết bị IoT hiện nay. Đây cũng là tiêu chuẩn phù hợp cho việc ứng dụng các phát triển IoT tại Việt Nam hiện nay.

Thông qua việc giới thiệu giao thức này, bài đọc đưa ra các cơ sở tri thức để áp dụng phát triển hạ tầng Internet và IoT phục vụ các ứng dụng nghiệp vụ, chuyên môn trong chính phủ điện tử hiện nay. Hi vọng trong tương lai có thể thấy các ứng dụng triển khai wifi thế hệ thứ 6 phục vụ người dân và cơ quan nhà nước trong khuôn khổ chính phủ điện tử của Việt Nam.

Vũ Cao Minh Đức

Tài liệu tham khảo

  1. IEEE 802.11ax-2021, IEEE Standard for Information Technology, Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks, 19th May 202
1190 Go top

Sự kiện nổi bật

Ý kiến về Trang thông tin điện tử Cục Tin học hóa?
1. Đạt yêu cầu, 1180 phiếu (88 %)
2. Chưa đạt yêu cầu, 107 phiếu (8 %)
3. Cần thêm chủ đề, 57 phiếu (4 %)
Tổng số phiếu: 1344
THÔNG KÊ TRUY CẬP
  • Người trực tuyến Người trực tuyến
    • Khách Khách 12
    • Thành viên Thành viên 0
    • Tổng Tổng 12
    • Tổng lượt truy cập: Tổng lượt truy cập: 18945284