Sự kết nối giữa hệ thống không dây và hệ thống có dây

Chủ đề 7 Sự kết nối giữa hệ thống không dây và hệ thống có dây Học viên thực hiện STT Họ và tên Lớp Nhiệm vụ 1 Lê Hoài Việt KTTT1B Mục 6+7 2 Lương Hồng Quý KTTT1B Mục 5 3 Đinh Văn Hường KTTT1B Mục 1+2 4 Cao Văn Thế KTTT1B Mục 3+4 1 Giới thiệu Mạng thông tin trong các nhà máy công nghiệp hiện nay rất phổ biến,các giải pháp trong mạng có các mức độ khác nhau bao gồm cảm biến cho diện tích hẹp, cho văn phòng, cho nhà máy Trông vấn đề chúng ta nghiên cứu tập trung chủ yếu vào mức độ mạng cảm biến –.

1.Giới thiệu:

Mạng thông tin trong các nhà máy công nghiệp hiện nay rất phổ biến,cácgiải pháp trong mạng có các mức độ khác nhau bao gồm cảm biến cho diện tíchhẹp, cho văn phòng, cho nhà máy.Trông vấn đề chúng ta nghiên cứu tập trung chủyếu vào mức độ mạng cảm biến – mạng thường được gọi là mạng số liên kết cáccảm biến và các bộ truyền động vào mức đầu tiên của tự động hóa.Một đặc điểmcủa mạng này đó là nó không chỉ được ứng dụng vào trong các xưởng sản xuất,cácnhà máy công nghiệp mà còn được ứng dụng trong các tòa nhà, xe hơi

Từ khi giải pháp đầu tiên được thiết kế vào đầu những năm 1980, một sốlượng lớn các dự án đã được tiến hành phát triển và chúng đạt được nhiều thànhtựu trong cả hai hướng là ứng dụng trong công nghiệp và trong nghiên cứu pháttriển Đa số các giải pháp đều sử dụng đường truyền hữu tuyến ( cáp xoắn đôi, cápđồng trục, cáp quang).Từ rất sớm thì yêu cầu về các nốt mạng di động và sự khókhăn trong công tác thi công, lắp đặt cáp đã thúc đẩy phát triển một giải pháp mạngkhông dây dựa trên sự truyền lan sóng radio.Ngày nay thì đa số các giải pháp đều

sử dụng phương thức truyền dẫn sóng radio Do các đặc tính đặc biệt của truyềndẫn không dây nên tất cả các nốt mạng không thể thiết lập bằng truyền dẫn khôngdây, mặt khác thì các thiết bị kết nối có dây cần thiết để liên kết với các nốt mạngkhông dây Tuy nhiên thì sự khác biệt giữa truyền dẫn có dây và không dây cũngdẫn tới các rằng buộc trong liên kết giữa các mạng Điều này làm tăng các yêu cầuđặc biệt đối với hệ thống số

Chúng ta sẽ nghiên cứu các đặc tính của truyền dẫn không dây, chi tiết sựkhác nhau của các kết nối cơ khí, kiến trúc của các hệ thống được thiết kế, các ứngdụng khác nhau của mạng truyền dẫn không dây trong thực tế, các dự án khác nhaucũng như các khó khăn khi liên kết các hệ thống với nhau Các mô hình giải phápđược cung cấp hiện nay và khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế

2 Nội dung và các định nghĩa:

Như đã đề cập ở phần trên, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu vào các thiết bịtrong việc kết nối và ghép trộn truyền dẫn có dây và không dây, mặc dù công suấttiêu thụ của các nốt mạng là một thông số quan trọng song trong khuôn khổ nội

dung chúng ta xem xét thì sẽ không nghiên cứu kỹ vấn đề này, nội dung mà chúng

ta xem xét sẽ được đề cập ở dưới đây

Yêu cầu đối với hệ thống mạng số:

Yêu cầu đối với mạng số đó là số lượng và vùng phủ của tất cả các thiết bịhoạt động Chúng ta hạn chế rằng các đặc tính đưa ra ở đây chỉ là một phần cácyếu tố liên quan đến kết nối lẫn nhau giữa các thiết bị:

Chu kỳ lưu lượng với thời gian cài đặt khác nhau, trong rất nhiều giải phápcho mạng số yêu cầu này được chuyển thành một số lưu lượng tuần hoàn.Trongthực tế điều cần thiết đó là nó có thể chuyển hóa được thông tin tốt trước khi kếtthúc chu kỳ, tại đó thì tín hiệu đã được lấy mẫu hoàn toàn

Xử lý lưu lượng một cách thường xuyên với độ trễ xác định

Cho phép lấy mẫu một cách đồng thời với một số lượng lớn các đầu vào trêncác nốt mạng khác nhau

Cung cấp các chỉ dẫn phù hợp với thời gian,trong thực tế đó là hệ thống điềukhiển hoặc tập trung các kỳ vọng đó chính là các giá trị đáp ứng của cảm biến khácnhau trong quá trình lấy mẫu, thông thường thì nó được tiến hành trong khoảngthời gian vài phần trăm thời gian của chu kỳ lấy mẫu Mạng sẽ được cung cấp cáchthức để hiểu được các giá trị đặc tính được thiết lập, tên của các giá trị hỗ trợ.Thỉnh thoảng thì độ tuổi ( thời gian được tính kể từ khi lấy mẫu) của dữ liệu cũngđược gọi là thời gian hỗ trợ điều này rất quan trọng đối với người sử dụng hệthống

Đối với các lưu lượng rời rạc, cung cấp cách thức để biết được rằng sự kiệnnào đang diễn ra, một ứng dụng sẽ đưa ra các quyết định khác nhau phụ thuộc vàocách thức để xuất hiện sự kiện đó Ví như một sự kiện có khả năng tiềm tàng đượcphát hiện trong các nốt mạng khác nhau của mạng, nó sẽ có một phương thức đểtìm ra nó

Dữ liệu có thể truyền từ một nốt mạng này đến một nốt mạng khác hoặc từmột nốt mạng tới một số nốt mạng và ngược lại

Có các giải pháp bền vững trong việc kháng nhiễu và chống rung động,

Bên trên là các yêu cầu quan trọng đối với hệ thống, chúng sẽ có ảnh hưởngtrực tiếp đến sự kết nối mạng.

Các đặc tính truyền dẫn sóng radio quan trọng :

Truyền dẫn không dây có thể chia làm hai hệ thống chính đó là hệ thốngtruyền dẫn radio và truyền dẫn trong dải tần ánh sáng.Cả hai hệ thống đều cónhững đặc trưng rất khác so với hệ thống truyền dẫn hữu tuyến

Đối với hệ thống truyền dẫn radio, các đặc tính chính bao gồm :

Đặc tính 1: So với truyền dẫn bằng cáp thì truyền dẫn vô tuyến có tỷ lệ lỗibít (BER) cao hơn, trong thực tế tỷ lệ lỗi bít của hệ thống vô tuyến là 10^-3 tới10^-4 trong khi đó thì hệ thống hữu tuyến tỷ lệ lỗi bít là từ 10^-7 tới 10^-9 chính

vì vậy chương trình phát hiện lỗi phải được tăng cường điều chỉnh cho phù hợp.Đặc tính 2: Việc tái sử dụng lại không gian là thấp, đặc biệt đối với phổ là hạn chế,điều đó cũng đồng nghĩa rằng sự xây dựng tồn tại chung của các hệ thống trongcùng một khu vực phải được tính toán có kế hoạch ( có thể cấp mã hoặc là cấp pháttần số) hoặc là sự điều khiển lớp truy nhập giữa (lớp MAC) có thể được thiết kếtheo phương thức có thể kiểm soát, dung hòa xuyên nhiễu giữa các hệ thống vớinhau

Đặc tính 3: Hệ thống gây nhiễu có thể làm gián đoạn quá trình truyền phát

dữ liệu radio, điều này đã được kiểm chứng trong dải tần ISM (các thiết bị, khoahọc và y học ).Ví dụ trong băng tần 2,4Ghz công suất cao của các thiết bị y tế đượccho phép, chúng có thể gây nhiễu cho các hệ thống khác nếu sử dụng trong thờigian dài

Đặc tính 4: Khoảng cách truyền dẫn thường là nhỏ,thông thường là vài chụcmét với môi trường trong nhà và có thể lên tới 300m đối với môi trường ngoài trời,các vật cản có thể làm giảm cự ly truyền dẫn nhiều hơn

Đặc tính 5: Sự xung đột va chạm có thể không phát hiện được trong quátrình bức xạ, công suất bức xạ tại cự ly xa nhỏ hơn so với công suất bức xạ của các

hệ thống khác gần đó

Đặc tính 6: Một máy thu phát cần một khoảng thời gian (lên tới vài ms) đểchuyển từ chế độ phát sang chế độ thu và ngược lại, điều này cần phải được đưavào trong tính toán khi thiết kế các giao thức truyền dẫn Trong thực tế các yêu cầu

mà đòi hỏi phải có trả lời ngay lập tức sẽ không sử dụng máy thu phát kiểu này

Đặc tính 7: Truyền dẫn radio có thể bị ảnh hưởng bởi fading đa đường chọnlọc tần số, các tia sóng có thể đi theo các đường truyền khác nhau do đó sẽ gây ranhiễu tại bên phía máy thu vì vậy tại một số điểm thì không thể nhận được tín hiệuphát Sóng quang có thể được coi là một dạng biến đổi của truyền dẫn radio, chúng

ta sẽ chỉ tập trung xem xét truyền dẫn sóng hồng ngoại vì nó thông dụng nhất hiệnnay, do nó có một số tính chất đặc biệt

Đặc tính 8: Vận hành truyền dẫn chỉ có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng,máy phát và máy thu được đặt để có thể nhìn thấy trực tiếp nhau.Hạn chế củaphương pháp này có thể khắc phục bằng cách sử dụng một thiết bị lặp đặt tại vị trí

mà nó có thể nhìn thấy trực tiếp tất cả các thiết bị khác ( tương tự như công nghệ

sử dụng cho thông tin vệ tinh ),thường thì thiết bị này hay được đặt trên trần nhà và

vì vậy nó được đặt tên là thiết bị vệ tinh do đó thông tin được kết nối, tuy nhiên tạimột số điểm bị che khuất thì cũng không thể được thiết lập thông tin

Đặc tính 9: Các nguồn nhiệt ( mặt trời, máy móc, lò sưởi) có thể làm nhiễutới hệ thống truyền dẫn và gây ra lỗi cho hệ thống

Đặc tính 10: Việc tái sử dụng phổ là hạn chế đối với tất cả các hệ thống sửdụng chung bước sóng truyền dẫn

Tóm lại truyền dẫn không dây có các đặc điểm khác so với các hệ thống có dây,

nó có tác động đến việc xây dựng các hệ thống sử dụng trong kết nối giữa các nốtmạng có dây và không dây

Mạng con thực tế : một tập hợp các thiết bị và phương tiện truyền thôngchúng tạo thành một tổng thể độc lập và có thể sử dụng để kết nối các hệ thốngthực cho mục đích truyền tải dữ liệu.

Liên kết dữ liệu : một tập hợp của hai hay nhiều thiết bị đầu cuối được lắpđặt và kết nối kênh thông tin và chúng hoạt động theo một phương pháp cho phépthông tin có thể được truyền đi

LAN : Một liên kết dữ liệu sử dụng cùng lớp vật lý và giao thức điều khiểntruy nhập lớp giữa

Segment : Đồng nghĩa với mạch dữ liệu khi nốt mạng được kết nối thôngqua đường dây dẫn

Cell : Đồng nghĩa với mạch dữ liệu khi nốt mạng được kết nối thông quamôi trường không dây

Khi truyền tải không dây dễ bị lỗi hơn so với truyền trên cáp, một loại kháccủa bộ lặp được thiết kế, (Morel, 1996) Cụ thể là từ một bộ lặp, thay vì lặp đi lặplại các bit tín hiệu đến bằng các bit (bit lặp lại), thì lặp lại có chờ đợi cho đến khimột số bit đã được nhận được từ phía có dây, tính toán hiệu chỉnh mã lỗi về phíatrước (FEC), và truyền các bit cùng với mã sửa lỗi Phương pháp điều chế khácnhau (ví dụ như trải phổ) có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả quang phổhoặc công suất Khi nhận được từ phía bên không dây, các từ lặp lại nhận được sử

dụng mã FEC để sửa lỗi có thể xảy ra và truyền lại (có thể) sửa chữa các bit thôngtin cho phía bên có dây Biện pháp có nhược điểm là trễ lâu hơn, mặc dù ngắn hơn

so với trễ của phương pháp cầu, một router hoặc gateway Nó làm giảm tỷ lệ lỗi ởphía không dây và tiến gần hơn với tỷ lệ lỗi bit (Morel, 1996)

Một số hạn chế thực tế khi sử dụng lặp : về nguyên tắc, lặp là chuyển tiếpnhững gì xuất phát từ cổng này vào cổng khác và ngược lại Điều này sẽ có thể vớicác dòng full duplex ( thông tin đi cả 2 chiều cùng 1 lúc) cho mỗi hướngtruyền Tuy nhiên, tất cả các bus truyền chủ yếu sử dụng một dòng duy nhất cho cảhai hướng (haft duplex) Lặp lại do đó phải chuyển đổi từ một hướng đến mộttrong những khác theo dòng dữ liệu Điều này có thể được thực hiện bằng cách sửdụng dòng bổ sung nhưng không phải là thực tế Trong thực tế, lặp đường dây sửdụng một số cơ chế để cảm nhận (Murdock và Goldie, 1989) và tự chủ chuyển đổiphù hợp Khi một tín hiệu đến được nhận ở một bên, lặp lại được bật để tín hiệuđược khôi phục và phát ra ở phía bên kia Ngược lại sẽ xảy ra khi tín hiệu đượcnhận ở phía bên kia Khi tín hiệu được nhận ở cả hai bên, lặp lại được đặt vào chế

độ cách ly Biện pháp này là phù hợp miễn là kiểm soát truy cập trung bình khôngdựa trên những xung đột Trong trường hợp này, khi một tín hiệu được cảm nhận ở

cả hai bên, lặp lại phải phát ra một tín hiệu gây nhiễu trên cả hai bên để xung đột

có thể được phát hiện ở cả hai bên Nó cũng phải gửi tín hiệu gây nhiễu trên cổngđầu vào khi, sau khi chuyển sang một hướng, nó cảm nhận một vụ va chạm trêncổng đầu ra Lặp lại do đó không hoàn toàn độc lập với chương trình truy cập kiểmsoát trung bình được sử dụng trong mạng

Sử dụng thông tin vô tuyến ở một bên của bộ lặp không thay đổi diễn biếnnày trừ khi kiểm soát truy cập trung bình sử dụng cạnh tranh Hãy nhớ rằng vachạm có thể không được phát hiện trực tiếp ở phía bên không dây Lặp lại do đókhông có cơ sở để phát hiện các vụ va chạm và truyền nó ở phía bên kia (giả địnhđược chuyển) Điều này ngăn cản việc sử dụng các giao thức độc quyền dựatrên sự xung đột Điều này sẽ kéo dài sự chậm trễ phát sinh trong bộ lặp

Ở các bộ lặp hai chiều, biện pháp đệm sẽ khác nhau từ một hướng khác Giảđịnh rằng tỷ lệ bit cao hơn bên hơn là bên B Ngay khi thông tin nhận được từ bên

A, tín hiệu có thể bắt đầu bên B Tuy nhiên, các bit được phát ra chậm hơn bên B

và lặp lại phải đệm đến bit trước khi chúng có thể được phát ra trên bên B Ngượclại, khi nhận được từ phía bên B, lặp lại không có thể bắt đầu chuyển tiếp cácthông tin về bên A ngay lập tức Nó phải chờ đợi cho đến khi đủ số lượng bit đã

được nhận được để phát ra các gói tin hoàn chỉnh ở tốc độ bit bên Điều này cónghĩa rằng giao thức lặp phải biết kích thước tối đa của một gói tin

Cầu (bridge)

Là một lớp liên kết dữ liệu chuyển tiếp Một cầu nhận được một khung MAC hoànchỉnh, kiểm tra nó, và có thể chuyển tiếp nó đến phía bên kia Trái ngược với lặp,cầu lọc các thông tin được chuyển tiếp từ một mạng LAN khác Các loại khácnhau của mạng LAN kết nối với nhau dẫn đến nhiều loại khác nhau của cầu(Varghese và Perlman, 1990):

● Cầu xuyên qua ( Pass through) có thể được sử dụng khi các mạng LAN của

cả hai bên cung cấp dữ liệu có chức năng lớp liên kết và xử lý giống hệt nhau Cáckhung hình sau đó có thể được thông qua không thay đổi Thiết bị chuyển mạchEthernet là một ví dụ gần đây của thể loại này của cầu ;

● Cầu chuyển tiếp (translation) được sử dụng khi cả hai mạng LAN có chứcnăng lớp liên kết dữ liệu và xử lý được đầy đủ, tương tự như cho phép một bảnchuyển tiếp trực tiếp của lớp liên kết dữ liệu PDU;

● Cầu đóng gói (hoặc đường hầm) có thể được sử dụng khi cầu chuyển tiếp làkhông thể Một khung đến được đóng gói trong định dạng lớp liên kết dữ liệu vàoliên kết khác trước khi được chuyển tiếp Đây là loại cầu được sử dụng khi haihoặc nhiều hơn, mạng LAN của công nghệ giống hệt nhau cần phải được kết nốivới nhau thông qua một số khác của một loại khác nhau

Cầu tham gia như là một nút trong mạng LAN kết nối Nó nhận được mộtbản sao của tất cả các khung hình truyền đi trên mỗi một Rõ ràng, không phải tất

cả các khung cần phải được tiếp sóng Ví dụ, một khung nhận được bên A, điểmđến cũng là bên A, không cần phải được chuyển tiếp về phía B cầu vì thế phải tìmhiểu những khung hình nên được chuyển tiếp và những người thân không nên Đặcbiệt nên được thực hiện để tránh khung vòng lặp khi các đường dẫn còn một sốtồn tại giữa hai nút giao tiếp (ISO / IEC 7498:1:19)

Bộ định tuyến (router)

Router hoạt động ở cấp lớp mạng Sự khác biệt chính giữa cầu và bộ địnhtuyến sau này là không rõ ràng Bộ định tuyến thay đổi các gói tin trước so với địachỉ của chúng Router tự trao đổi thông tin để tìm một đường mà gói tin được

chuyển tải Do đó có thể tìm thấy một đường truyền dẫn tối ưu giữa hai nút, trongkhi cầu chỉ sử dụng một tập hợp con của cấu trúc liên kết có sẵn

Cổng chuyển tiếp (Gateway)

Cổng chuyển tiếp các thông tin của lớp ứng dụng Khi một nút gateway nhậnđược một số dấu hiệu cho thấy dịch vụ ứng dụng, nó chuyển một yêu cầu dịch vụtrên mạng LAN khác mà nó được kết nối Khi nhận được xác nhận tương ứng, nóbiến đổi đáp ứng ở phía bên kia Tùy thuộc vào các dịch vụ sẵn có, một yêu cầu cóthể tương ứng với nhiều hơn một yêu cầu Tương tự như vậy, đáp ứng có thể đượcxây dựng từ một số xác nhận

Để khắc phục sự chậm trễ bổ sung trong đáp ứng cho một mạng LAN ở mộtbên, một số cổng có thể có những yêu cầu ở phía bên kia trước Điều này đặc biệtđúng trong trường truyền dẫn nơi cửa ngõ có thể giữ một bản sao của tất cả các đầuvào ở một bên, khi nhận được một chỉ đọc là ở phía bên kia, giá trị lưu trữ đượctrả về trong phản hồi Chúng tôi sẽ giới thiệu loại cổng là cổng proxy

Một với nhiều tế bào hữu tuyến: Như trong trường hợp trước, các nút đượckết nối thông qua các phương tiện không dây có thể được tổ chức trong một tế bàohoặc nhiều tế bào

Mạng con riêng biệt hoặc tích hợp vô tuyến và hữu tuyến: Trong trường hợpđầu tiên, các nút khác nhau kết nối thông qua các phương tiện không dây tạo thànhmột mạng duy nhất kết nối với mạng hữu tuyến tại một số điểm Điều này là rấttương tự như sự tích hợp của mạng GSM và hệ thống điện thoại Các giải phápkhác là có một hoặc nhiều mạng con trong đó các nút không dây và có dây đượctrộn lẫn

Một hoặc nhiều điểm kết nối: kết nối giữa truyền dẫn không dây và có dây

có thể được thực hiện tại một điểm duy nhất hoặc tại một số điểm

Ad-hoc, trạm cơ sở một hoặc nhiều trạm gốc cho các mạng con vôtuyến : Trong trường hợp thứ nhất, tất cả các nút hợp tác mà không cần bất kỳ mộtvai trò khác nào từ những nút khác Trong tùy chọn thứ hai, một nút duy nhất đóngvai trò như một điều phối viên giao thông giữa các nút không dâykhác nhau Trường hợp thứ ba là có một số các trạm Một lựa chọn khác là cáctrạm gốc là nút phục vụ như một điểm kết nối

Các mạng vô tuyến khác nhau có cùng các thông số khác như:

Tất cả hoặc một phần kết nối: Tất cả các nút không dây có thể nhìn thấynhau khi kết nối tổng số đạt được

Đa hop hay đơn hop: Trong trường đa hop, lưu lượng truy cập từ một nútđến một nút có thể không xác định được (ngoài phạm vi truyền) được định tuyếnbởi các nút khác đến đích

Truyền hình vệ tinh: không có khả năng hiển thị đầy đủ, có thể được bù đắpbằng một nút vệ tinh truyền lại tất cả các tín hiệu từ các nút ở một tần số khácnhau Điều này là tương đương với một mạng lưới các nút di động bằng cách sửdụng một vệ tinh chuyển tiếp truyền thông

Tuy nhiên, chúng tôi tin rằng những thông số bổ sung không phải là thông sốchính trong một mô hình kiến trúc Chúng tôi sẽ không xem xét thêm

Mặc dù mỗi giải pháp kết nối là một sự kết hợp của các tùy chọn này, khôngphải tất cả các kết hợp đều dẫn đến một hệ thống khả thi Ví dụ, một tế bào vôtuyến (mạch dữ liệu) và một phân đoạn hữu tuyến không có thể được kết nối vớinhau thông qua một bộ lặp duy nhất cho mỗi tế bào Trong phần tiếp theo, chúngtôi sẽ chi tiết và thảo luận một số đề xuất Tài liệu tham khảo có liên quan sẽ được

đề cập và nhận xét

5 Những giải pháp cho sự liên mạng

Trong chương này chúng ta sẽ khám phá tính khả thi của những giải phápkhác nhau Tính thực tế của mỗi giải pháp sẽ được thảo luận Những giải pháp dựatrên bộ định tuyến sẽ không được nói đến khi đa phần các fieldbus không đưa ra