Wi-Fi truyền dữ liệu qua không khí như thế nào?

Laptop trong quán cà phê không có sợi dây nào nối với router.

Nhưng bên trong laptop, dữ liệu vẫn là những bit 0 và 1.

Với Ethernet, card mạng biến bit thành tín hiệu điện chạy trong dây đồng. Ở đây không có dây.

Không có dây, bit đi qua căn phòng bằng cách nào?

Từ bit thành sóng

Giả sử router cần gửi chuỗi:

1 0 1 1 0

Router không phóng năm “cục bit” vào không khí.

Bên trong nó có một mạch radio. Mạch này tạo ra một dòng điện dao động rất nhanh rồi đưa vào ăng-ten. Điện tích chạy qua lại trong ăng-ten tạo ra sóng điện từ lan ra xung quanh.

Ở đầu bên kia, sóng đi qua ăng-ten của laptop và tạo ra một tín hiệu điện rất nhỏ.

bit
↓
mạch radio tạo tín hiệu điện
↓
ăng-ten router
↓
sóng điện từ trong không khí
↓
ăng-ten laptop
↓
tín hiệu điện
↓
bit

Nhưng nếu router cứ phát mãi một sóng giống hệt nhau, laptop chỉ biết là có sóng. Nó chưa biết 10110 là gì.

Router phải thay đổi sóng theo dữ liệu cần gửi: một kiểu thay đổi là 0, kiểu khác là 1. Laptop biết quy ước đó, nên đo những thay đổi trong tín hiệu nhận được và dựng lại các bit.

Wi-Fi thật làm tinh vi hơn: nó thay đổi cả độ cao (biên độ) lẫn vị trí trong chu kỳ (pha) của sóng, và truyền nhiều sóng nhỏ cùng lúc để mỗi lần mang được nhiều bit.

Nhưng ý chính chỉ có vậy:

Bit không bay qua không khí. Router biến bit thành những thay đổi có chủ đích trên sóng, còn máy nhận đo những thay đổi đó để dựng lại bit.

Router còn hay hiện một con số đi kèm tên mạng: 2,4 GHz hoặc 5 GHz.

2,4 GHz nghĩa là gì?

Sóng điện từ dao động lên xuống. Số lần dao động trong một giây gọi là tần số, đo bằng hertz (Hz):

1 Hz  = một dao động mỗi giây
1 MHz = một triệu dao động mỗi giây
1 GHz = một tỷ dao động mỗi giây

Vậy:

2,4 GHz ≈ 2,4 tỷ dao động mỗi giây
5 GHz   ≈ 5 tỷ
6 GHz   ≈ 6 tỷ

GHz ở đây không phải tốc độ Internet.

5 GHz không có nghĩa dữ liệu chạy qua căn phòng nhanh gấp đôi 2,4 GHz. Cả hai đều là sóng điện từ và lan truyền gần bằng tốc độ ánh sáng.

Nhưng nếu 5 GHz không chạy nhanh hơn, sao Wi-Fi 5 GHz thường lại nhanh hơn?

Để trả lời, trước hết phải biết vì sao Wi-Fi chỉ dùng đúng vài con số đó.

Không phải tần số nào cũng được dùng

Không khí quanh ta có rất nhiều hệ thống radio cùng chạy: mạng di động, GPS, radar, vệ tinh, hàng không, truyền hình, và Wi-Fi.

Nếu ai cũng tuỳ ý phát trên cùng một vùng tần số, các hệ thống sẽ làm nhiễu lẫn nhau.

Vì vậy mỗi nước chia phổ tần (toàn bộ dải tần số radio) thành từng vùng, và quy định vùng nào cho ai, phát mạnh tới đâu.

Wi-Fi chỉ được phát trong những vùng mà luật cho phép. 2,4, 5 và 6 GHz không phải ba con số kỹ sư tuỳ ý chọn. Chúng là tên của ba vùng phổ đó.

Năm 1985, FCC ở Mỹ cho thiết bị trải phổ chạy không cần giấy phép riêng trong vài vùng, trong đó có 2400–2483,5 MHz. Nhờ vậy nhà sản xuất bán được thiết bị radio cho hàng triệu nhà mà không nhà nào phải đi xin phép phát sóng. Về sau, các vùng quanh 5 GHz rồi 6 GHz cũng được mở cho Wi-Fi ở nhiều nước.

Vậy nếu có vùng nào cao hơn được mở, sao không chuyển Wi-Fi lên đó?

Vì sao không tăng lên 20, 60 hay 100 GHz?

Tần số càng cao thì bước sóng, khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liền nhau, càng ngắn:

Tần số	Bước sóng gần đúng
2,4 GHz	12,5 cm
5 GHz	6 cm
6 GHz	5 cm
60 GHz	5 mm

Trong nhà, sóng không chỉ đi thẳng từ router tới laptop. Nó gặp tường, cửa, sàn, đồ đạc, kim loại và cơ thể người.

Ở mỗi vật cản, một phần sóng xuyên qua, một phần phản xạ đi hướng khác, một phần bị hấp thụ.

Với cùng một mức phát, các vùng tần số cao hơn thường mất tín hiệu nhiều hơn qua vật cản và khó phủ rộng hơn:

• 2,4 GHz thường vẫn bắt được ở cuối nhà;
• 5 GHz mạnh khi ở gần router, nhưng yếu nhanh hơn qua nhiều bức tường;
• 6 GHz cần điều kiện tốt hơn nữa;
• 60 GHz truyền được rất nhanh ở khoảng cách ngắn, nhưng không phủ nổi cả căn nhà. Ở vùng này, oxy trong không khí còn hấp thụ một phần năng lượng sóng.

Nên tần số cao hơn không có nghĩa Wi-Fi tốt hơn. Đó là một sự đánh đổi:

tần số cao hơn: nhiều phổ trống hơn, có thể nhanh hơn
tần số thấp hơn: phủ xa hơn, qua vật cản tốt hơn

Còn câu hỏi lúc nãy: nếu sóng không chạy nhanh hơn, cái “nhiều phổ trống hơn” giúp Wi-Fi nhanh lên bằng cách nào?

Kênh Wi-Fi là gì?

“5 GHz” không phải một tần số duy nhất. Nó là tên của cả một vùng tần số quanh 5 GHz.

Một mạng Wi-Fi không chiếm hết vùng đó. Nó chỉ dùng một đoạn nhỏ, gọi là kênh (channel):

Cả vùng phổ
|-----------------------------------------------|

Một mạng Wi-Fi dùng một đoạn:
|-------|
  kênh

Kênh có thể hẹp hoặc rộng. Độ rộng của kênh cũng đo bằng hertz:

Kênh 20 MHz
|----|

Kênh 80 MHz
|----------------|

Kênh rộng hơn nghĩa là radio có một đoạn tần số lớn hơn để truyền tín hiệu cùng lúc. Nhớ chuyện Wi-Fi truyền nhiều sóng nhỏ cùng lúc: kênh càng rộng thì càng xếp được nhiều sóng nhỏ cạnh nhau.

Khi tín hiệu đủ tốt, kênh rộng hơn mang được nhiều dữ liệu hơn mỗi giây.

Vậy vì sao 5 GHz thường nhanh hơn 2,4 GHz?

Không phải vì sóng 5 GHz bay nhanh hơn. Có hai lý do.

Vùng 5 GHz rộng hơn nhiều. Vùng 2,4 GHz chỉ dài khoảng 83 MHz, từ 2400 tới 2483,5 MHz. Vùng 5 GHz dành cho Wi-Fi rộng gấp nhiều lần, và 6 GHz còn thêm một vùng lớn nữa ở những nơi cho phép.

Có chỗ cho kênh rộng, và ít chen chúc hơn. Trong vùng 2,4 GHz chật hẹp, mạng Wi-Fi của bạn chen chung với Wi-Fi hàng xóm, Bluetooth và nhiều thiết bị radio khác. Ở 5 GHz, router có nhiều kênh để chọn, dễ tìm một kênh vắng hơn, và còn đủ chỗ để dùng kênh rộng.

Tường và khoảng cách làm sóng yếu đi

Router phát năng lượng ra mọi hướng. Càng xa, năng lượng càng trải trên một vùng rộng, nên phần tới được ăng-ten của laptop càng nhỏ.

Thêm một bức tường, một phần năng lượng bị hấp thụ hoặc phản xạ đi chỗ khác. Thêm bức tường nữa, tín hiệu giảm tiếp.

Tín hiệu yếu thì vì sao chậm?

Khi tín hiệu mạnh và sạch, máy nhận phân biệt được những thay đổi rất nhỏ của sóng. Router có thể dùng nhiều kiểu thay đổi khác nhau, mỗi kiểu mang nhiều bit.

Khi tín hiệu yếu hoặc nhiễu, những thay đổi nhỏ đó dễ bị nhầm với nhau. Wi-Fi phải chuyển sang cách truyền thận trọng hơn: ít kiểu thay đổi hơn, mỗi lần mang ít bit hơn.

tín hiệu tốt → nhét được nhiều bit mỗi lần → nhanh
tín hiệu xấu → phải truyền thận trọng    → chậm

Vì vậy tốc độ giảm khi bạn mang laptop ra xa router, kể cả khi đường Internet bên ngoài vẫn bình thường.

Nhưng một quán cà phê đầy vạch sóng vẫn có thể chậm.

Không khí là môi trường dùng chung

Trong quán có 20 laptop, 30 điện thoại và một access point.

Trên cùng một kênh, các máy không thể tuỳ ý phát cùng lúc. Hai máy phát một lúc thì tín hiệu đè lên nhau, và access point không đọc được cả hai.

Vì vậy Wi-Fi bắt các máy chia nhau thời gian dùng kênh:

1. Nghe xem kênh có ai đang phát không.
2. Đang bận thì chờ.
3. Kênh rảnh rồi vẫn chờ thêm một khoảng ngẫu nhiên ngắn.
4. Máy nào chờ hết trước thì được phát.
5. Bên nhận báo đã nhận. Không thấy báo thì gửi lại.

Khoảng chờ ngẫu nhiên giúp các máy cùng đang đợi không ùa vào phát đúng một lúc. Cách chia lượt này có tên CSMA/CA: nghe trước, cố tránh va chạm trước khi nó xảy ra.

Càng nhiều máy tranh cùng một kênh, mỗi máy càng ít lượt phát.

Đầy vạch sóng không có nghĩa là Wi-Fi sẽ nhanh. Tín hiệu có thể rất mạnh, nhưng hàng chục thiết bị đang chia nhau cùng một khoảng không khí.

Wi-Fi chỉ thay đoạn dây đầu tiên

Những quy tắc trên, từ cách đặt bit lên sóng tới cách chia lượt phát, nằm trong họ chuẩn IEEE 802.11. Wi-Fi là tên dùng cho những thiết bị theo chuẩn đó và đã được kiểm tra là chạy được với nhau, dù khác hãng.

Wi-Fi không phải một loại Internet khác. Nó chỉ thay sợi dây ở đoạn giữa thiết bị và mạng gần đó:

laptop
↓
Wi-Fi
↓
router
↓
Ethernet / cáp quang / mạng nhà cung cấp
↓
Internet

Sau router, phần lớn quãng đường dài lại nằm trong cáp. Và rất nhiều tuyến cáp đó không truyền bit bằng điện, mà bằng ánh sáng.

Một sợi thuỷ tinh mảnh chở ngần ấy dữ liệu bằng cách nào?