QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHẬN TÍN HIỆU CỦA MẠNG WIFI

Hiện nay nhu cầu sử dụng mạng không dây đã trở nên vô cùng phổ biến, từ các Công ty đến quán cafe và cả hộ gia đình,.... Bao quanh ta đều có “WIFI”. Bài viết không đi về vấn đề lắp đặt, cấu hình thiết bị mà tập trung về việc truyền nhận tín hiệu và xử lý dữ liệu của mạng không dây.

Wireless LAN cells

Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Các client trong một cell có thể kết hợp với AP và sau đó truy cập mạng wlan

Một Access Point (AP) có thể cung cấp kết nối WLAN đến các client chỉ trong tầm vực phát sóng của nó. Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăn ten đang được dùng cho AP. Trong môi trường không khí, phạm vi này có thể là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăn ten vô hướng. Ít nhất, phạm vi phủ sóng sẽ xuất hiện như một vòng tròn trên mặt bằng của sàn. Phạm vi phủ sóng là ba chiều, nghĩa là chúng ảnh hưởng đến các sàn bên trên và bên dưới, trong trường hợp bạn triển khai trong một toà nhà nhiều tầng.

Vị trí đặt AP phải được hoạch định kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức cần thiết. Mặc dù bạn thiết kế vị trí đặt AP theo một sơ đồ nào đó, hoạt động thật sự của wireless lan sẽ luôn hoạt động trong tình trạng thay đổi. Điều đó là do vị trí của AP là cố định, các máy trạm không dây có thể thay đổi vị trí thường xuyên.

Vấn đề di chuyển của các máy trạm có thể làm cho phạm vi phủ sóng của AP trở nên khó khăn hơn dự kiến. Các máy trạm có thể di chuyển vòng quanh và phía sau những vật cản trong một phòng, phía sau tường, cửa…. trong một tòa nhà. Giải pháp tốt nhất để thiết kế vị trí đặt AP và phạm vi phủ sóng là thực hiện một site survey - khảo sát mạng. Trong tiến trình site survey, một AP dùng để kiểm tra sẽ được đặt ở vị trí mong muốn hoặc dự kiến, trong khi một máy trạm không dây sẽ di chuyển xung quanh để đo chất lượng và độ mạnh của tín hiệu.

Giả sử một AP loại dùng trong nhà có bán kính phủ sóng là 20 m, bao phủ vài phòng hay một phần của hành lang. Máy client có thể di chuyển thoải mái bên trong phạm vi (cell) đó và truy cập mạng không dây từ bất kỳ vị trí nào. Tuy nhiên, chỉ có một vùng phủ sóng thì hơi bị hạn chế bởi vì các máy trạm có thể hoạt động trong những phòng lân cận hoặc trên những tầng lầu khác. Các máy này dĩ nhiên không muốn mất kết nối khi đang ở những vị trí khác nhau.

Để mở rộng toàn bộ vùng phủ sóng của WLAN, các cell khác có thể che phủ các phòng lân cận bằng cách đặt thêm các AP trong toàn bộ khu vực tòa nhà. Ý tưởng là ta sẽ đặt AP sao cho các cell có thể bao phủ mọi vùng mà một máy client có thể đặt ở vị trí đó. Thật ra, các cell sẽ có những vùng chồng lấp lên nhau theo một tỉ lệ phần trăm nhỏ, như trong hình vẽ dưới đây:

Khi các cell là chồng lấp lên nhau, các AP láng giềng không thể dùng cùng tần số. 
Nếu hai AP láng giềng sử dụng cùng một tần số, tự nó sẽ gây nhiễu lẫn nhau. Thay vào đó, các tần số được dùng trên các AP láng giềng phải không trùng lắp hoặc phải lệch nhau cho toàn khu vực.

Khi một máy trạm đã kết nối đến một AP, nó có thể tự do di chuyển xung quanh. Khi một máy trạm di chuyển từ một cell của AP sang một cell khác, kết nối cũng sẽ được chuyển từ AP sang AP khác. Việc di chuyển từ một AP sang một AP khác được gọi là chuyển vùng (roaming).

Sự chuyển động này được mô tả trong hình vẽ bên dưới. Khi máy trạm di chuyển dọc theo con đường, nó đi qua vùng phủ sóng của vài AP. Khi một máy trạm di chuyển từ một AP sang một AP khác, nó phải thiết lập lại kết nối với AP mới. Ngoài ra, các dữ liệu mà một máy trạm đang gửi trước khi ở trong trạng thái roaming cũng sẽ được tập trung chuyển từ AP cũ sang AP mới. Theo cách này, bất kỳ máy trạm không dây nào khi thực hiện kết nối thì chỉ thông qua một AP ở một thời điểm. Điều này cũng giảm thiểu khả năng mất dữ liệu đang gửi hoặc đang nhận khi quá trình roaming diễn ra.

Khi bạn thiết kế một mạng không dây, bạn có thể cố gắng bao phủ một vùng lớn nhất có thể cho một AP. Bạn có thể cấu hình AP ở công suất phát tối đa của nó. Nếu làm như vậy, có thể bạn sẽ giảm số lượng AP cần thiết để bao phủ một vùng. Và vì vậy, sẽ giảm chi phí tổng thể. Tuy nhiên, bạn cũng nên xem xét một số yếu tố bất lợi khác nếu làm như trên.

Khi một AP được cấu hình để bao phủ một vùng rộng lớn, nó cũng tiềm tàng một khả năng là có quá nhiều máy kết nối vào. Tuy nhiên, một cell thì chỉ là một môi trường dùng chung mà tất cả các máy đều phải chia sẻ theo chế độ half duplex. Khi số lượng máy trạm kết nối vào tăng lên, tổng số băng thông và thời gian cho mỗi máy sẽ giảm xuống.

Vì vậy chung ta cần xem xét việc giảm kích thước của cell (bằng cách giảm công suất phát) sao cho chỉ có những máy trạm trong khoảng cách đủ gần có thể kết nối và dùng băng thông chung ( chỉ có 1 số hãng sản xuất AP có tích hợp option này ). Lúc này, AP cũng có thể giúp kiểm soát số lượng máy trạm đang kết nối ở một thời điểm bất kỳ nào đó. Điều này trở nên quan trọng cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao như voice, video.

Khi kích thước của cell là giảm nhỏ, nó được gọi là microcells. Khái niệm này có thể được mở rộng trong những môi trường cần kiểm soát cao như các ngân hàng, sàn chứng khoán, …. Trong những trường hợp này, công suất phát của AP và kích thước cell đựơc giảm thiểu, lúc này các cell được gọi là picocell.

Tránh nghẽn trong mạng không dây WLAN

Vấn đề nghẽn và chậm kết nối trong mạng không dây nếu chúng ta không hiểu rõ ràng, kỹ lưỡng sẽ đổ thừa cho thiết bị, cho đường truyền và cả card mạng không dây của chúng ta nữa. Vậy đâu là vấn đề ?

Khi hai hoặc nhiều trạm không dây cùng truyền ở một thời điểm, tín hiệu trở thành bị nhiễu. Máy trạm bên phía nhận chỉ có thể nhận kết quả như những dữ liệu rác, nhiễu hay bị lỗi. Thật ra, không có một cách thức rõ ràng để xác định là xung đột collision đã xảy ra. Ngay cả với máy truyền đang gây ra xung đột cũng không nhận ra, vì lúc đó phần nhận của nó phải tắt đi. Để có một cơ chế phản hồi hiệu quả, trong mạng không dây, bất cứ khi nào một trạm truyền đi một frame, bên trạm nhận phải gửi một frame ACK để xác nhận là frame đã được nhận chính xác, không bị lỗi.

Các frame ACK hoạt động như một công cụ cơ bản phát hiện xung đột, tuy nhiên, công cụ này không giúp ngăn ngừa xung đột xảy ra. Chuẩn 802.11 dùng một phương pháp gọi là Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Chú ý rằng mạng có dây 802.3 phát hiện (detect) xung đột, trong khi 802.11 cố gắng tránh (avoid) xung đột.

Tránh nghẽn hoạt động bằng cách yêu cầu tất cả các máy trạm lắng nghe trước khi nó truyền đi một frame. Khi một máy trạm có một frame cần phải truyền, một trong hai trạng thái sau có thể xảy ra:

- Không có thiết bị nào khác đang truyền: lúc này máy trạm có thể truyền frame đi ngay lập tức. Bên máy nhận dự kiến phải gửi một frame ACK để xác nhận rằng frame ban đầu đến đúng và không bị đụng độ. 
- Có một thiết bị khác đang truyền một frame: lúc này máy của ta phải chờ cho đến khi nào frame đang truyền là hoàn tất, sau đó nó phải chờ một khoảng thời gian ngẫu nghiên trước khi có thể truyền frame của chính nó.

Các frame wireless có thể thay đổi về kích thước. Khi một frame được truyền, làm thế nào để các máy khác biết là frame đã được truyền hoàn tất và đường truyền (sóng vô tuyến) là rảnh cho các máy khác sử dụng? Rõ ràng, các máy trạm chỉ có thể lắng nghe trong yên lặng, nhưng nếu làm thế thì không phải luôn luôn là hiệu quả. Các máy trạm không dây khác có thể cũng lắng nghe và cũng có thể truyền ở cùng một thời điểm. Chuẩn 802.11 yêu cầu tất cả các máy trạm phải chờ một khoảng thời gian. Khoảng thời gian này được gọi là khoảng thời gian giữa các frame DCF (DCF interframe space). Sau khoảng thời gian này, các máy trạm mới có thể truyền.

Bên máy truyền có thể chỉ ra một khoảng thời gian dự kiến để gửi đi hết một frame bằng cách chỉ ra trong một trường của frame 802.11. Khoảng thời gian này chứa số timeslot (thường tính bằng đơn vị microseconds) cần thiết để truyền frame. Các máy trạm khác phải xem giá trị chứa trong header này và phải chờ khoảng thời gian đó trước khi truyền cho chính nó.

Bởi vì tất cả các frame phải chờ cùng một khoảng thời gian chỉ ra trong frame, tất cả các máy đó có thể sẽ quyết định cùng truyền khi khoảng thời gian đó trôi qua. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng xung đột, chính là một hiện tượng cần tránh.

Bên cạnh thông số thời gian nêu trên, các trạm không dây cũng phải triển khai một bộ định thời ngẫu nhiên. Trước khi truyền một frame, máy tính đó phải chọn một số ngẫu nhiên time slot phải chờ. Con số này sẽ nằm trong khoảng từ zero đến kích thước tối đa cửa sổ cạnh tranh. Ý tưởng cơ bản của cách làm này là khi một máy muốn truyền, mỗi máy sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên, giảm số trạm cố gắng truyền đồng thời cùng lúc.

Toàn bộ tiến trình này được gọi là chức năng phối hợp phân phối. Chức năng này được mô tả trong hình dưới đây. Ba người dùng wireless có cùng một frame phải truyền ở các khoảng thời gian khác nhau. Một chuỗi các sự kiện sau sẽ xảy ra:

1. Người dùng A lắng nghe và xác định rằng không có người dùng nào khác đang truyền. Người dùng A truyền frame của nó, đồng thời quảng bá khoảng thời gian để truyền frame. 
2. Người dùng B cũng có frame để truyền. Anh ta phải chờ cho đến khi nào frame của người dùng A là hoàn tất, sau đó, phải chờ hết khoảng thời gian DIFS (thời gian phối hợp phân phối) hoàn tất. 
3. Người dùng B phải chờ một khoàng thời gian ngẫu nhiên trước khi cố gắng truyền. 
4. Khi người dùng B đang chờ, người dùng C có frame phải truyền. Anh ta lắng nghe và phát hiện rằng không có ai đang truyền. Người dùng C phải chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Khoảng thời gian này là ngắn hơn khoảng thời gian ngẫu nhiên của người dùng B. 
5. Người dùng C truyền frame và quảng bá khoảng thời gian để truyền. 
6. Người dùng B phải chờ khoảng thời gian truyền frame của người dùng C cộng với khoảng thời gian giữa các frame DIFS trước khi cố gắng truyền lại một lần nữa.

Sau 6 bước tiến trình trên có lẽ các bạn đã hiểu thực sự mạng Wireless của chúng ta chậm đến mức độ nào so với dùng có dây, vì vậy trong 1 phạm vi nhỏ mà chúng ta sử dụng quá nhiều Client để kết nối thì vấn đề chậm không có gì phải ngạc nhiên cả.