Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông không dây

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông không dây

1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
2. Nội dung • Giới thiệu về truyền thông không dây • Lịch sử của truyền thông không dây • Những ưu điểm và nhược điểm • Phân loại • Ứng dụng hệ thống không dây • Một số khái niệm cơ bản 1.2
3. GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 1.3
4. Truyền thông là gì? • Truyền thông là việc chia sẻ ý tưởng và thông tin • Nói cách khác: Truyền thông là hành động truyền hoặc trao đổi thông tin, tín hiệu hoặc thông điệp bằng cách nói, dùng cử chỉ hoặc viết ra thông tin, ký hiệu hoặc thông điệp đó. • Truyền thông là quá trình truyền tải thông tin từ thực thể này đến thực thể khác. • Thực thể có thể là thực thể truyền thông tin (sender) hoặc nhận thông tin (receiver) 1.4
5. Truyền thông - communication 1.5
6. Mô hình truyền thông
7. Các thành phần của hệ truyền thông • Công nghệ • Thiết bị • Kênh truyền thông • Phần mềm 1.7
8. Phân loại mạng truyền thông Communication Networks Information Transmission Transmission Scale Service signals technology medium LAN, MAN, Digital, Broadcast, Single service, Wired, WAN, point – to – integrated wireless Analog Internet point service 1.8
9. Truyền thông không dây là gì? (1) • Wireless: vô tuyến, không dùng dây dẫn • Truyền thông không dây: là việc truyền tải thông tin qua một khoảng cách mà không cần dây dẫn làm môi trường truyền. 1.9
10. Truyền thông không dây là gì? (2) • Việc truyền/nhận giọng nói và dữ liệu sử dụng sóng điện từ trong không gian. • Thông tin từ người gửi đến người nhận được thực hiện trên băng tần xác định. • Mỗi kênh có dung lượng và băng thông tần số cố định. • Các kênh khác nhau có thể được sử dụng để truyền tải thông tin song song và độc lập. 1.10
11. Ví dụ • Giả sử quang phổ của 120 KHz được phân bổ một tần số cơ sở cho truyền thông giữa các trạm A và B • Mỗi kênh chiếm 40 KHz 1.11
12. Mô hình truyền thông không dây
13. Phân loại mạng không dây Infrastructure Mobility 1.13
14. Phân loại mạng không dây: dựa vào kiến trúc (1) • Mạng có kiến trúc • Sử dụng các node và gateway có dây và không dây. • Mỗi node chính được định nghĩa trước vai trò trong mạng. • Mạng có kiến trúc: Mạng tế bào, WLAN dùng access point, • Mạng không có kiến trúc (Ad-hoc network) • Không có sự sắp xếp trước. • Tập hợp ngẫu nhiên các node lại với nhau tạo thành một mạng. 1.14
15. Phân loại mạng không dây: dựa vào kiến trúc (2)
16. Phân loại mạng không dây: dựa vào chuẩn • 3GPP: WCDMA, HSDPA, 4G LTE. • 3GPP2: CDMA2000, EV-DO, UMB. • IEEE: IEEE802.11, IEEE802.16 1.16
17. Phân loại mạng không dây: dựa vào sự di động • Mạng không dây cố định: người dùng đã kết nối được xem như ở yên một chỗ. • Mạng không dây di động: Một phần trong các thiết bị không dây là di động. • Việc thay đổi điểm kết nối vào mạng có thể được thực hiện khi thiết bị vẫn online. • Vd: Cellula network, mobile ad hoc network (MANET). 1.17
18. Phân loại mạng không dây: dựa vào phạm vi (1) • Body area networks: như cảm biến được gắn vào người. • Personal area networks: Home networking, Bluetooth và ZigBee. • Local area netwoks: Wireless LAN, Wifi. • Metropolitan Area Networks (Mạng đô thị): WiMAX • Wide Area Networks: Cellula và Satellite networks 1.18
19. Phân loại mạng không dây: dựa vào phạm vi (1) • Dựa trên phạm vị
20. Phân loại mạng không dây: dựa vào loại tín hiệu(1) • Liên tục (continuous) /tương tự (analog): Lấy tất cả giá trị biên độ (amplitude) có thể có • Mạng Cellula thế hệ cũ. • Số (digital) /rời rạc (Discrete): chỉ lấy một tập hợp giá trị cường độ nhất định • Mạng 2G và các thế hệ sau đó. 1.20
21. Phân loại mạng không dây: dựa vào loại tín hiệu(2) • Dựa trên loại tín hiệu (signal) 1.21
22. Phân loại mạng không dây: dựa vào băng thông • Narrowband wireless network: Mạng băng hẹp. • Broadband wireless network: Mạng băng rộng (UWB, WiMax, LTE, ) 1.22
23. Các tần số tiêu biểu • FM Radio ~ 88 MHz • TV Broadcast ~ 200 MHz • GSM Phones ~ 900 MHz • GPS ~ 1.2 GHz • PCS Phones ~ 1.8 GHz • Bluetooth ~ 2.4 GHz • WiFi ~ 2.4 GHz 1.23
24. LỊCH SỬ CỦA TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 1.24
25. Thủa ban đầu của truyền thông không dây • Truyền thông trực quan (thị giác): • Truyền thông trong tầm nhìn (LOS). • Khoảng cách tầm nhìn tiếp tục được mở rộng bởi các kính thiên văn. • Một số hình thức truyền thông thủa ban đầu: • Tín hiệu khói, trống, bồ câu đưa thư, • Tín hiệu hình ảnh (hoặc semaphore vào năm 1792) 1.25
26. Thủa ban đầu của truyền thông không dây 1.26
27. Nguồn gốc của truyền thông không dây (1) • Sóng điện từ • 1831: Faraday đã chứng minh cảm ứng điện từ. • 1865: Maxwell dự đoán và phát triển lý thuyết về lĩnh vực điện từ. • 1888: Hertz chứng minh với một thử nghiệm các nhân vật sóng của truyền điện qua không gian. 1.27
28. Nguồn gốc của truyền thông không dây (2) • Wireless bắt đầu • 1893: Tesla đã trình diễn đầu tiên của thông tin vô tuyến không dây. • 1894: Lodge trình diễn nhận mã Morse tín hiệu bằng cách sử dụng sóng vô tuyến sử dụng một thiết bị phát hiện. • 1896: Marconi đã được trao bằng sáng chế cho phát thanh, được công nhận là bằng sáng chế đầu tiên trên thế giới cho đài phát thanh, mặc dù nó được sử dụng các kỹ thuật khác nhau trước đó của Tesla. • 1907: Thương mại dịch vụ không dây xuyên Đại Tây Dương 1.28
29. Lịch sử của truyền thông không dây (1) • Phát thanh radio • 1906: Reginald Fessenden truyền radio đầu tiên phát sóng âm thanh. • 1915: Truyền tải không dây giọng nói từ New York đến San Francisco. • 1920: Đầu tiên phát sóng radio thương mại; Marconi phát hiện ra radio sóng ngắn. • 1928: Nhiều thử nghiệm phát sóng truyền hình. 1.29
30. Lịch sử của truyền thông không dây (2) • Không dây và hệ thống thông tin di động • 1921: radio công văn xe cảnh sát, Detroit. • 1928: Truyền thông một chiều, bộ thu di động đầu tiên đã được cài đặt. • 1932: Hệ thống thông tin di động đầu tiên cho phép hai chiều thông tin liên lạc. • 1933: Edwin H.Armstrong phát minh ra radio FM và cấp bằng sáng chế. • 1946: Dịch vụ điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu đến 25 thành phố trên khắp Hoa Kỳ. • 1971: Mạng đầu tiên dựa trên vô tuyến gói, ALOHANET, được phát triển. • 1973: Bằng sáng chế cơ bản về truyền thông UWB. • 1982: FCC cấp phép dịch vụ tế bào; bắt đầu của đặc tả GSM. 1.30
31. Lịch sử của truyền thông không dây (3) • Bùng nổ của truyền thông không dây và di động (1) • 1983: Hệ thống di động analog đầu tiên triển khai tại Chicago. • 1985: FCC cho phép công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) sử dụng băng tần công cộng cho các sản phẩm LAN không dây. • 1992: Hệ thống GSM đầu tiên được triển khai. • 1994: Chương trình truyền thông UWB không phân loại đầu tiên. • 1996: HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network). • 1997: Wireless LAN - IEE802.11. • 1998: UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) như đề xuất của châu Âu cho IMT-2000. 1.31
32. Lịch sử của truyền thông không dây (3) • Bùng nổ của truyền thông không dây và di động (2) • 1999: Bổ sung tiêu chuẩn mạng LAN không dây (IEE 802.11b) Bluetooth cho piconets. • 2000: GPRS đầu tiên được xem xét. • 2001: Bắt đầu của hệ thống 3G: CDMA2000 tại Hàn Quốc, UMTS thử nghiệm ở châu Âu. • 2010: xuất hiện 4G, chuẩn LTE, hoạt động ở dải tần 700MHz, 850MHz, 1,9GHz và 2,1GHz. • Tháng 10/2014, FCC ban hành một ghi chú về việc mở sóng milimet (là tần số cao trên 24GHz) để sử dụng cho công nghệ 5G. 1.32
33. •NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 1.33
34. Ưu điểm của truyền thông không dây (1) • Không phụ thuộc vào dây dẫn • Không có chi phí lắp đặt dây dẫn hoặc đi dây • Không bó dây chạy đây đó. • Truyền thông tức thời mà không cần thiết lập kết nối vật lý (ví dụ như Bluetooth, Wifi). • Bao phủ toàn cầu • Truyền thông có thể tiếp cận những nơi dây dẫn không khả thi hoặc tốn kém, như khu vực nông thôn, các tòa nhà cũ, chiến trường, xe cộ, không gian bên ngoài (thông qua truyền thông vệ tinh), 1.34
35. Ưu điểm của truyền thông không dây (2) • Mềm dẻo • Tự do di chuyển mà không bị cản trở, ràng buộc bởi dây dẫn. • Cho phép các công ty triển khai các mô hình làm việc phù hợp. • Cho phép các nhân công làm việc theo nhóm và truy cập dữ liệu, tài nguyên trên mạng. • Dịch vụ tiếp cận với người dùng bất cứ nơi nào họ muốn (có thể không cần phải đi đến phòng thí nghiệm để kiểm tra mà có thể xem qua email, web, ). • Kết nối với nhiều thiết bị cùng một lúc (không yêu cầu kết nối vật lý). 1.35
36. Ưu điểm của truyền thông không dây (3) • Luôn giữ liên lạc • Cho phép sự linh hoạt để duy trì kết nối bất cứ nơi nào và bất cứ lúc nào. • Thị trường phát triển nhanh chóng là minh chứng cho nhu cầu di động công cộng và truy cập không bị gián đoạn. 1.36
37. Ưu điểm của truyền thông không dây (4) • Cài đặt dễ dàng và chi phí thấp • Sử dụng cáp trong các tòa nhà cũ có thể khó khăn, triển khai chậm và đắt tiền. • Khả năng phục hồi sau thảm họa • Khi có thảm họa xảy ra, nhà quản lý có thể tái lập hệ thống một cách nhanh chóng hơn so với mạng có dây. 1.37
38. Ưu điểm của truyền thông không dây (5) • Tăng sự phụ thuộc vào dịch vụ viễn thông cho doanh nghiệp và các cá nhân. • Người tiêu dùng và doanh nghiệp sẵn sàng trả tiền cho nó. • Phương châm cơ bản: Hãy kết nối - bất cứ nơi nào, bất cứ lúc nào. 1.38
39. Nhược điểm truyền thông không dây (1) • Xung đột cao hơn và tính đáng tin cậy thấp hơn • Tia hồng ngoại: bị tác động bởi ánh sáng mặt trời, các nguồn sinh nhiệt và các vật cản vật lý. • Tín hiệu radio: bị chặn bởi các vật cản, bị can thiệp bởi các thiết bị điện. • Môi trường phát sóng bị xung đột về mặt tự nhiên. • Hiện tượng tự xung đột (multipath) 1.39
40. Nhược điểm truyền thông không dây (2) • So với mạng có dây • Thấp hơn về: băng thông, tốc độ truyền. • Chất lượng dịch vụ: suy giảm. • Cao hơn về: thời gian trễ, thời gian thiết lập kết nối. • Số lượng người dùng tăng thường dẫn đến tốc độ truyền dẫn giảm xuống mức rất thấp. 1.40
41. Nhược điểm truyền thông không dây (3) • Các điều kiện hoạt động trên mạng có tính dễ thay đổi • Mức độ mất dữ liệu cao hơn do xung đột. • Năng lượng nhận được tỷ lệ nghịch với khoảng cách. • Việc di chuyển của người dùng dẫn tới việc mất kết nối và/ hoặc thay đổi kênh truyền thường xuyên • Giới hạn về tài nguyên • Pin, năng lực tính toán, bộ nhớ, dung lượng đĩa. • Nguy cơ về sức khỏe 1.41
42. Nhược điểm truyền thông không dây (4) • Phổ tần số sử dụng có giới hạn • Tần số cần được quản lý và sử dụng hợp lý. • Khả năng bảo mật kém hơn trên mạng có dây • Ai cũng có thể truy cập vào mạng không dây. • Trạm cơ sở có thể bị giả mạo. • Đường truyền bao giờ cũng là đường truyền dùng chung • Cần phải có các cơ chế truy cập an toàn vào hệ thống 1.42
43. Wireless vs Mobile • LƯU Ý: Wireless không nhất thiết có nghĩa là Mobile. • Wireless systems có thể: • Fixed (Metropolitan Area Network) • Portable (tương tác không dây giữa TV và VCR). • Mobile (điện thoại di động). 1.43
44. •ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG KHÔNG DÂY 1.44
45. Các hệ thống không dây hiện tại • Hệ thống tế bào (Cellular Systems) • Mạng không dây cục bộ (Wireless LANs) • Hệ thống truyền hình vệ tinh (Satellite Systems) • Mạng không dây cá nhân (Wireless PANs) (bluetooth, UWB) 1.45
46. Các hệ thống không dây mới nổi • Mạng không dây Ad hoc • Mạng cảm biến • Mạng điều khiển phân tán • Các hệ thống Ultra Wideband (UWB)
47. •MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.47
48. Tần số • Là số chu kỳ trong một đơn vị thời gian. • Để tiện dụng, tần số thường được đo bằng số chu kỳ trên giây (cps) với đơn vị là Hertz (Hz) (60 cps = 60 Hz). 1 kHz = 1000 Hz 1 mHz = 1000 kHz 1 GHz = 1000 mHz 1.48
49. Tần số vô tuyến (radio frequency) • Là tốc độ dao động trong phạm vi khoảng 3 kHz đến 300 GHz • Tương ứng với tần số của sóng vô tuyến và dòng điện xoay chiều mang các tín hiệu vô tuyến. 1.49
50. Băng tần (frequency band) • Trong viễn thông, một băng – đôi khi được gọi là băng tần – là một dải tần số xác định trong phổ tần số vô tuyến. • Được phân chia trong các dải từ very low frequencies (vlf) đến extremely high frequencies (ehf). • Mỗi băng có một giới hạn tần số trên và dưới. 1.50
51. Phân loại tần số E – Extremely, S – Super, M – Medium, H – High, V – Very, L- Low, U – Ultra, VF – Voice Fequency. 1.51
52. Phổ sóng điện từ
53. Băng thông (Bandwidth) • Băng thông (độ rộng của một băng tần điện từ): là lượng dữ liệu có thể được gửi qua một kết nối mạng. • Được sử dụng để mô tả “tốc độ” của một kết nối giữa 2 thiết bị, được tính bằng số bit/giây (bps) hoặc số byte/giây. • Ví dụ: modem A V.90 hỗ trợ một băng thông cực đại theo lý thuyết là 56 Kbps. Fast Ethernet hỗ trợ 100 Mbps. 1.53
54. Kênh (Channel) • Trong viễn thông và mạng máy tính, một kênh truyền thông là một phương tiện truyền dẫn vật lý như dây dẫn, hoặc một kết nối logic qua một phương tiện ghép kênh như kênh radio. • Kênh được sử dụng để truyền tải một tín hiệu thông tin, (như một dòng bit số, từ một hoặc một vài senders (or transmitters) tới một hoặc một vài receivers). • Kênh có một khả năng truyền nhất định, thường được đo bằng băng thông của nó (Hz) hoặc tốc độ truyền dữ liệu (bps). 1.54
55. Tương tự (analog) • Một tín hiệu analog là tín hiệu liên tục bất kỳ, với thành phần (biến) thay đổi theo thời gian của tín hiệu là một biểu diễn của một đại lượng thay đổi theo thời gian nào đó, tương tự với một tín hiệu thay đổi theo thời gian khác. 1.55
56. Số (digital) • Digital thể hiện công nghệ điện phát sinh, lưu trữ, và xử lý dữ liệu theo 2 trang thái: tích cực và không tích cực. • Tích cực: biểu diễn bởi số 1 • Không tích cực: biểu diễn bởi số 0. • Dữ liệu được truyền hoặc lưu trữ với công nghệ số được thể hiện như một chuỗi các ký hiệu 0 và 1. 1.56