Wi-Fi là gì: chuẩn IEEE 802.11, băng tần và các thế hệ
Wi-Fi là gì? Đây là tên thương mại do Wi-Fi Alliance đăng ký cho một họ sản phẩm dùng đường vô tuyến, và bản chất kỹ thuật bên dưới là họ chuẩn IEEE 802.11 đặc tả lớp vật lý và lớp MAC cho mạng không dây. Bản gốc xuất hiện năm 1997, và mỗi thế hệ sau đó đều tăng tốc độ, băng thông kênh và khả năng phục vụ nhiều thiết bị cùng lúc.
Vì sao Wi-Fi không dùng cách phát hiện xung đột như Ethernet
Ethernet dùng CSMA/CD: máy phát đồng thời phát tín hiệu và lắng nghe để phát hiện xung đột. Trên sóng vô tuyến, tín hiệu phát ra từ chính máy đó mạnh hơn hàng trăm lần tín hiệu đến từ máy khác, nên máy không thể nghe thấy đồng nghiệp trong lúc phát. Do đó 802.11 chuyển sang CSMA/CA, tức tránh xung đột bằng cách nghe trước rồi chờ.
Chờ trước đó không giải quyết được vấn đề nút ẩn. Hai máy đều nghe thấy điểm truy cập nhưng không nghe thấy nhau, chẳng hạn vì chúng cách nhau qua một bức tường dày, nên cả hai cùng phát và cùng gây nhiễu. Cơ chế dựa trên bộ đếm NAV khắc phục một phần vấn đề này.
Trình tự bắt tay RTS, CTS và các khoảng nghỉ
Trước khi gửi khung dữ liệu, máy gửi có thể mở một bắt tay bốn bước:
- Máy gửi phát khung RTS, trong đó có trường thời lượng dự kiến.
- Máy nhận chờ đúng một khoảng SIFS rồi trả lời CTS cùng trường thời lượng.
- Máy gửi chờ một SIFS nữa rồi gửi khung dữ liệu.
- Máy nhận chờ một SIFS rồi gửi ACK xác nhận.
Mọi máy khác nghe trường thời lượng này sẽ lập một bộ đếm NAV và đứng ngoài trong suốt quá trình. NAV tối đa là 32.767 micro giây, tức khoảng 32,8 mili giây. Bộ đếm này đếm đồng thời trong nút ẩn vì máy ẩn cũng nghe được khung CTS.
Ba loại khoảng nghỉ định nghĩa trong chuẩn, và quan hệ giữa chúng là cố định: DIFS bằng SIFS cộng hai lần slot time, còn PIFS bằng SIFS cộng một slot time. Với 802.11a, SIFS là 16 micro giây và slot time là 9, suy ra DIFS là 34 và PIFS là 25. Với 802.11b, SIFS là 10 và slot time là 20, suy ra DIFS là 50 và PIFS là 30. Thứ tự ưu tiên luôn là DIFS lớn hơn PIFS lớn hơn SIFS, nên điểm truy cập luôn có quyền phát trước các máy trạm thường.
Các băng tần và cách chọn kênh
802.11 hoạt động trên các băng tần miễn phí phát sóng. Băng 2,4 GHz chỉ rộng dưới 100 MHz nhưng truyền xa và xuyên tường tốt hơn, đồng thời bị lò vi ba sóng cùng chung phổ. Vì 802.11b chiếm 22 MHz, trong 14 kênh được quy định chỉ ba kênh không chồng lấn là kênh 1, 6 và 11, nên cấu hình chồng kênh là nguyên nhân kinh điển khiến tốc độ 2,4 GHz giảm mạnh. Băng 5 GHz rộng khoảng 700 MHz và thoáng hơn nhiều, băng 6 GHz mới thêm khoảng 1.200 MHz cho các thiết bị đạt chuẩn Wi-Fi 6E.
Quy định mỗi quốc gia khác nhau. Bắc Mỹ và nhiều nước Nam Mỹ chỉ cho phép kênh 1 đến 11, châu Âu cho phép tới kênh 13, còn Nhật Bản chỉ cho phép kênh 1 đến 13 với 802.11g. Băng 6 GHz chỉ cho phép 160 MHz mà không cần cơ chế chọn kênh động vốn áp dụng cho toàn bộ kênh 160 MHz ở băng 5 GHz.
Các thế hệ Wi-Fi và tốc độ lý thuyết
| Thế hệ | Chuẩn | Băng tần | Tốc độ PHY tối đa | Điểm mới chính |
|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi 1 | 802.11b | 2,4 GHz | 11 Mbit/s | DSSS, kênh 22 MHz |
| Wi-Fi 3 | 802.11g | 2,4 GHz | 54 Mbit/s | OFDM |
| Wi-Fi 4 | 802.11n | 2,4 và 5 GHz | 600 Mbit/s | Kênh 40 MHz, MIMO 4 luồng |
| Wi-Fi 5 | 802.11ac | 5 GHz | 6.933 Mbit/s | 160 MHz, 8 luồng không gian |
| Wi-Fi 6 | 802.11ax | 2,4, 5 và 6 GHz | 9.608 Mbit/s | OFDMA, tô màu BSS |
| Wi-Fi 7 | 802.11be | 2,4, 5 và 6 GHz | 23.059 Mbit/s | 4K-QAM, kênh 320 MHz, MLO |
Con số trên là tốc độ lớp vật lý, không phải tốc độ thực tế của bạn. Ví dụ 802.11n đạt 600 Mbit/s nhờ bốn luồng không gian ở kênh 40 MHz, tức 150 Mbit/s mỗi luồng, trong khi chỉ một luồng ở kênh 20 MHz thì khoảng 72 Mbit/s.
Những kỹ thuật đáng chú ý ở thế hệ mới
- OFDMA và tô màu BSS ở Wi-Fi 6. Kênh 80 MHz được chia thành nhiều đơn vị tài nguyên để phục vụ thiết bị song song, và cơ chế tô màu cho phép thiết bị giảm công suất phát để không gây nhiễu cho mạng lân cận, tăng khả năng tái sử dụng không gian.
- Kênh 320 MHz ở Wi-Fi 7. Chuẩn 802.11be định nghĩa kênh rộng 320 MHz cùng dạng 160 cộng 160 MHz, và bắt buộc việc khoét lỗ trong preamble.
- Điều chế 4K-QAM. Mỗi ký hiệu mang 12 bit thay vì 10 bit của 1024-QAM ở Wi-Fi 6, tức cao hơn 20% về lý thuyết ở cùng tốc độ ký hiệu.
- MLO. Máy gửi và nhận đồng thời trên cả ba băng 2,4, 5 và 6 GHz, và đây là điều kiện bắt buộc để được chứng nhận Wi-Fi 7. Số luồng không gian tối đa là tám luồng.
Bảo mật là yếu tố dễ bị bỏ qua. WEP từng là lựa chọn mặc định và bị phá nhanh chóng. WPA dùng thuật toán TKIP với khóa 128 bit cho từng khung, WPA2 trở thành chuẩn bắt buộc cho thiết bị mang nhãn Wi-Fi trong giai đoạn từ năm 2006 và dùng CCMP với AES 128 bit, còn WPA3 ra mắt tháng 01 năm 2018 bổ sung nhiều cải tiến bảo mật.
Quy mô sử dụng
Theo số liệu của Wi-Fi Alliance dẫn từ nghiên cứu của ABI Research, có khoảng 12,8 tỷ thiết bị dùng Wi-Fi trong năm 2026, với 48,4 tỷ thiết bị tích luỹ và 3,8 tỷ thiết bị bán ra trong cùng năm. Riêng chipset, 2,2 tỷ đơn vị thuộc thế hệ Wi-Fi 6 và 1,4 tỷ thuộc Wi-Fi 7.
Nguồn tham khảo
Đọc thêm tại bài IEEE 802.11 trên Wikipedia, cơ chế tránh xung đột tại bài CSMA/CA và điều phối phân tán tại bài Distributed Coordination Function, các khoảng nghỉ tại bài DCF Interframe Space và bài Short Interframe Space, bộ đếm NAV tại bài Network Allocation Vector, bảng kênh tại bài List of WLAN channels, thế hệ mới tại bài IEEE 802.11be, đặc tả chính thức của IEEE tại standards.ieee.org/ieee/802.11 và số liệu từ Wi-Fi Alliance tại wi-fi.org/wi-fi-macphy.
