Bài giảng mạng không dây phần 1

MẠNG KHONG DAYMục tiêu của môn học Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về các mạng không dây - Kiến thức cơ bản liên quan tới các mạng không dây - Các giải pháp kỹ thuật và công nghệ

MẠNG KHONG DAY

Mục tiêu của môn học

Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về các mạng không dây

- Kiến thức cơ bản liên quan tới các mạng không dây

- Các giải pháp kỹ thuật và công nghệ ứng dụng trong mạng không dây

- Tống quan về một số mạng không dây thông dụng

• Giúp sinh viên hiểu rõ nguyên tắc hoạt động, phương pháp điều khiển truy nhập và định tuyến dùng phổ biến trong các mạng không dây.

- Các phương pháp điều khiển truy nhập

- Các giao thức định tuyến

- Chất lưọ'ng dịch vụ và bảo mật trong mạng không dây

Phương pháp giảng dạy

• Sinh viên nghiên cứu các bài giảng trước khi lên lớp bài học đó

• Tương tác giữa giáo viên và sinh viên

- Khuyến khích sinh viên đặt câu hỏi và thảo luận trong quá trình học

• Các bài tập hoặc câu hỏi sẽ được gửi cho sinh viên ngay sau bài học trên lớp

Các nội dung thảo luận chính của môn học

• Mõi trường không dây - Hiểu biết về truyền thông không dây nói chung

• Điều chế - Sử dụng một định dạng tín hiệu để gửi càng nhiều bit càng tốt

• Mã hóa kiểm soát lỗi - bổ sung các bít dư để phát hiện / sửa lỗi

• Điều chế và mã hóa thích nghi - tự động điều chỉnh phương thức điều

chế và mã hóa theo điều kiện kênh hiện tại

• San bằng - chống lại các hiệu ứng đa kênh của kênh

• Các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra - sử dụng nhiều anten

- Làm cho tín hiệu mạnh theo các hướng nhất định

- Gửi các luồng dữ liệu song song

• Trài phổ chuỗi trực tiếp - mờ rộng băng thông tín hiệu

• Ghép kênh phân chia tần số trực giao - chia tín hiệu thành nhiều luồng

bít tốc độ thấp hơn

- Mỗi luồng ít bị ảnh hưởng bời pha đinh đa đường hơn

Nhiệm vụ của sinh viên và cách đánh giá

• Nhiệm vụ của sinh viên

- Đọc trước các slide bài giảng

- Làm bài tập và trả lời các câu hỏi liên quan tới bài học

- Báo cáo bài tập lớn cá nhân (nhiều chủ đề)

• Chấm điểm

A - Tham dự các bài giảng 10%

B - Kiểm tra giữa kỳ (hoặc bài tập lớn) 20%

c - Thi kết thúc môn (thi viết) 70%

Điểm tổng cộng = (A + B + C)

Mạng không dây

Bài 1

Giới thiệu mạng không dây

Phô điện từ của viên thông

UHF Ultrahigh frequency SHF = Superhigh frequency

EHF Extremely high frequency

Một số khó khăn

• Quan hệ giữa các công ty

- Cần các tiêu chuẩn chung để các sản phẩm có thể tương tác

• Nhiều kiểu sử dụng và người dùng khác nhau

• Một số tần số có hạn chế về băng thông và mức năng lượng

• Những lĩnh vực khác có nhiều băng thông có sẵn

Sự phát triển của mạng chuyển mạch

Từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói

Packet-Switching Network

Circuit-Switching Network

Mạng truyền thông cho phép trao đổi

thông tin giữa các người dùng qua

các nút mạng một cách hiệu quả.

Thông tin:

- Thông tin thoại: Voice

- Thông tin dữ liệu: Các luồng Data

Hệ thống đường dãy điện thoại

Tại sao cân truyên gói?

Khái niệm truyền thông không dây

■ Truyền thông không dây là phương thức truyền thông không đòi hỏi tiếp xúc vật lý giữa máy phát và máy thu (truyền thông không cần dây dẫn)

■ Sử dụng sóng điện từ truyền qua

các thiết bị được nhóm lại với

nhau, có khả năng giao tiếp thông

qua sóng vô tuyến thay vì các

đường truyền dẫn bằng dây.

■ Wi-Fi (Wireless Fidelity) là một tên gọi khác rất quen thuộc khi

Đặc điểm của truyền thông không dây

Truyền thông không dâykhác với truyền thông có dây

ờ những điểm nào?

Truyền thông không dây

• Tính di động: Các thiết bị có thể di chuyển trong quá trình truyền thông

• Chi phí thấp hơn: Không cần hạ tầng hữu tuyến, các liên kết có chi phí thấp hơn

• Dễ quảng bá hơn:

■ Phân phối nội dung với chi phí thấp hơn

■ Có thể bổ sung thêm người dùng dễ dàng hơn (point-to- multipoint)

Đặc điểm của mạng số liệu không dây

Cácđặcđiểm chính của mạng sốliệu không dây?

■ Nhiều máy phát và máy thu

■ Cấu hình mạng thay đổi động (do người dùng di động)

■ Truyền thông dựa trên gói tin

■ Trước đây: các hệ thống di động chỉ bao gồm các thiết bị có khả năng thấp, chủ yếu truyền tín hiệu thoại (liên kết định hướng)

■ Hiện nay: truyền dữ liệu không dây thông minh và mang tính phân tán nhiều hơn

■ Các đặc điểm của không dây ảnh hưởng tới mọi lớp trong OSI

Quâ trình phât triển truyền thông không dđy

Do Guglielmo Marconi xđy dựng đầu tiín (ông lă nhă phât minh vô tuyến điện, Nobel Vạt ly 1909).

- Năm 1894, Marconi bắt đầu câc cuộc thử nghiệm vă, năm 1899 đậ gửi một bức điện bâo băng qua kính đăo Anh mă không cần sử dụng bât kì loại dđy nằ.

3 năm sau đó, thiết bị vô tuyến cùa Mạrconi đê cộ thể chụyển vă nhận điện bâo qua Đại Tđỵ Dương Trong chiến tranh thế giới I, lần đầu tiín nó, được sử dụng ớ cuộc chiến Boer năm 1899 Va năm 1912, một thiết bị

vô tuyến đấ được sứ dụng trín con tău Titanic.

- Trước thập niín 1920, điện bâo vô tuyến đê trở thănh một phương tiện truyền thông hữu hiệu bởi nó cho phĩp gửi câc tin nhắn câ nhđn băng quâ câc lục địa Cùng với sự ra đơi cùa radio (mây phât thanh), công nghệ không dđy đê được thương mại hóa.

- Thập niín 1980, công nghệ vô tuyến lă những tín hiệu analogue.

- Thập niín 1990, chuyển sang tín hiệu kĩ thuật số ngăy căng^có chất lượng tối hơn, nhanh chóng hơn vă ngăý nay công nghẹ phât triển đột phâ với tin hiệu 4G.

- Nặm 1994, công ty viễn thông Ericsson đê bắt đầu sâng chế vă phât triển một cong nghệ kết nối cac thiết bị di động thay thế câc dđy câp Họ đặt tín thiết bi nay iă “Bluetooth”.

- Gần đđy:Câc mạng không dđy (câc mạng WPAN, WLAN, WMAN, WWAN), công nghệ

di động, ưng dụng di động, Internet of Things

Các vấn đề với truyền thông không dây

• Không dây tiện lợi và ít tốn kém, nhưng chưa thực sự hoàn hảo

• Các hạn chế và khó khăn về chính trị và kỹ thuật đã và đang cản trở các công nghệ không dây

• Kênh không dây

- Kênh LoS (Line-of-Sight) là tốt nhất nhưng không bắt buộc phải có

- Tin hiệu vẫn có thể thu được

Đặc điểm của truyền dữ liệu không dây

• Suy hao tin hiệu rất mạnh (tín hiệu suy giảm dần)

• Đường truyền chịu nhiều nhiễu tạp; mức BER cao

• Kênh quảng bá là không an toàn; không có bảo mật vật lý để ngăn ngừa giả mạo

• Kênh không dây không nhất thiết phải đối xứng và không có tính bắc cầu

- Lưu ý, kênh vật lý là đối xứng

- Nhưng máy phát và máy thu không đối xứng vì nguyên lý điện từ, mục đích,

• Nếu A có thể nói chuyện với B, điều đó không có nghĩa là B có thể nói

chuyện với A (đối xứng)

• Nếu A có thể nói chuyện với B, và B có thể nói chuyện với c, điều đó không

có nghĩa là A có thể nói chuyện với c (chuyển tiếp)

Đặc điểm của truyền dữ liệu không dây (tt)

• Phản xạ có thể tạo ra nhiều bản sao tín hiệu tới

- Thời điểm tới và mức độ suy giảm khác nhau

- Gây nên vấn đề pha đinh đa đường

- Các tín hiệu cộng lại có thể làm suy giảm tín hiệu cuối cùng

• Các nút mạng thường xuyên di động nên topo mạngthay đổi liên tục

- Làm cho liên kết không liên tục

- Trải Doppler gây ra bởi sự di chuyển

• Nhiễu từ những người dùng khác

• Cần tính tới vấn đề về pin và quản lý năng lượng

• Phổ vô tuyến bị quản lý

Toàn cảnh các mạng không dây

18/50

PHÂN LOẠI MẠNG KHÔNG DÂY

WPAN: Mạng vô tuyến cá nhân

WLAN: Mạng vô tuyến cục bộ

WMAN: Mạng vô tuyến đô thị

WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng

WRAN: Mạng vô tuyến khu vực

Phăn loại mạng

PHÂN LOẠI MẠNG KHÔNG DÂY(TT)

WPAN (Wireless Private Area Network) là mạng vô tuyến cá nhân Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét là tối đa.

Mục đích nối két các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phim, chuột, đĩa cứng, đồng hồ, với điện thoại di động, máy tinh Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean

Đa phần các công nghệ này được chuẩn hóa bời IEEE, cụ thể là nhóm làm việc (Working Group) 802.15 Do vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3

WLAN là mạng vô tuyến cục bộ Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tằm vài trăm mét Nỗi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng khác nhau thuộc lớp 802.11 a/b/g/h/i/

WMAN là mạng vô tuyến đô thị Đại diện tiêu biểu của nhóm này chinh

là WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) hệ thống truy cập không dây băng rộng Vùng phủ sóng của nó khoảng vài km (tầm 4-5km tối đa).

PHÂN LOẠI MẠNG KHÔNG DÂY (TT)

WWAN là mạng vô tuyến diện rộng Nhóm này bao gồm các công

nghệ mạng thông tin di động như:

UMTS(Ưn/verea/ Mobile Telecommunications Systems)

GSMịGlobal System for Mobile Communication)

CDMA2000(/à một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G)

Vùng phủ của nó khoảng vài km đến hàng chục km.

WRAN là mạng vô tuyến khu vực Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22 được nghiên cứu và phát triển bởi IEEE Vùng phủ

có nó sẽ lên tầm 40-100km Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác.

CÁC CHUẢN TRONG WIRELESS LAN

Năm 1997, IEEE (Institute of Electrical and Electronics

Engineers Đọc là: i-triple-e) đã giới thiệu một chuẩn

đầu tiên cho Wireless LAN là 11

IEEE 802.11 dựa vào kiến trúc tế bào, là kiến trúc

trong đó hệ thống được chia nhỏ ra thành các cell, mỗi cell (được gọi là tập hợp dịch vụ cơ bản, hoặc BSS- Basic Service Set) được kiểm soát bởi một trạm cơ sở gọi là điểm truy cập AP (Acsses Point)

■ Các AP được nối tới mạng xương sống được gọi hệ phân phối DS ( Distribution System)

■ Tập hợp nhiều các cell gọi là ESS -Extended

Service Set (tập hợp dịch vụ mở rộng)

802.11 chỉ hỗ trợ cho tốc độ cực đại lên đến 2 Mbps, sử

dụng tần số 2,4 Ghz của sóng radio hoặc hồng ngoại.

Quá chậm đối với hầu hết các ứng dụng

Cần mở rộng IEEE 802.11 để có được băng tần lớn hơn

■ Điều chế: OFDM ( Orthogonal

Frequency-Division Multiplexing - 1 công nghệ đặc biệt trong điều chế đa sóng mang).

■ ưu điểm: do sử dụng ở tần số cao nên tránh được các can nhiễu của thiết dân dụng, tốc độ truyền nhanh

■ Nhược điểm: giá thành cao tầm phủ sóng ngắn hơn và

dễ bị che khuất

■ Điều chế: DSSS(D/'rect Sequence Spread

Spectrum), CCK(Complementary Code Keying)

■ ưu điểm: giá thành thấp, tầm phủ sóng tốt và không

dễ che khuất

■ Nhược điểm: tốc độ thấp, có thể bị nhiễu bởi các

thiết bị gia dụng như gương, bức tường, các thiết bị

CHUẢN WIRELESS LAN KHÁC

Ngoài ra còn có một số chuẩn wireless khác:

■ IEEE 802.11h: Chuẩn này được sử dụng ở châu âu, dải tần 5 Ghz, nó cung cấp tính năng lựa chọn kênh

động nhằm tránh nhiễu

■ IEEE 802.11d: tính năng bổ sung

■ IEEE 802.11c: các thủ tục quy định cách thức bắt cầu giữa các mạng Wi-Fi Tiêu chuẩn này thường đi cặp với 802.11c!

■ IEEE 802.11e: đưa QoS (Quality of Service) vào Wi-Fi, qua đó sắp đặt thứ tự ưu tiên cho các gói tin, đặc biệt quan trọng trong trường hợp băng thông bị giới hạn hoặc quá tải

KIẾN TRÚC MẠNG WIRELESS LAN

Mạng Wireless LAN gồm các mô hình:

■ Mô hình Ad-Hoc

■ Mô hình Infrastructure 1

■ Mô hình Infrastructure 2

" Roaming

■ Ad-Hoc Wireless LAN là một nhóm các máy tính, mỗi máy trang bị một Wireless card,

chúng nối kết với nhau để tạo một mạng LAN không dây độc lập Các máy tính trong cùng một Ad-Hoc Wireless LAN phải được cấu hình dùng chung cùng một kênh radio.

■ Mô hình mạng này là mô hình các máy tính liên lạc trực tiếp với nhau không thông

quaAccess Point.Mô hình này còn có tên gọi khác là IBSS (Independent Basic Service Set).

■ Ưu điểm: kết nối Peer-to-Peer không cần dùng Access Point, chi phí thấp, cấu hình và cài đặt đơn giản.

■ Khuyết điểm: topo mạng thay đổi theo thời gian, các nút di động sử dụng nguồn năng

lượng pin có hạn, băng thông trong thông tin vô tuyến hẹp

■ Mô hình này còn gọi là mô hình BSS (Basic Service Set).

32/50

MÔ HÌNH INFRASTRUCTURE 2

• Mô hình Infrastructure 2 cũng tương tự như mô hình 1, nhưng khác trong mô hình 2 các Access Point ở xa nhau có thể kết nối với nhau thông qua mạng có dây

■ Mô hình này còn gọi là mô hình ESS (Extended Service Set).

KỸ THUẬT ROAMING

■ Roaming một tính năng trong mô hình Infrastructure cho phép các máy trạm di chuyển qua lại giữa các cell (vùng phủ sóng của Access Point) với nhau mà vẫn duy trì kết nối.

■ Trong mô hình này các Access Point phải có cùng giá trị SSID (Service Set Identifier)

infrastructure

Kỹ thuặt Roaming

ưu ĐIÊM CỦA MẠNG WIRELESS LAN

■ Chủ yếu ứng dụng trong mô hình mạng nhỏ.

■ Có thể triển khai ở những nơi không thuận tiện về địa hình, không ổn định, không triển khai mạng có dây được.

■ Khả năng thiết lập các thông số truyền sóng vô tuyến ngày càng đơn giản hơn.

■ Lắp đặt, triển khai dễ dàng, đơn giản, nhanh chóng.

■ Dễ thay đổi, nâng cấp, phát triển.

■ Tuy giá thiết bị cao hơn với mạng có dây nhưng hiện nay có xu hướng giảm.

NHƯỢC ĐIÉM CỦA WIRELESS LAN

■ Với mô hình lớn phải kết hợp với mạng có dây.

■ Bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như môi

trường truyền sóng, can nhiễu do thời tiết.

■ Chịu nhiều cuộc tấn công đa dạng, phức tạp, nguy hiểm của những kẻ phá hoại vô tình và cố tinh, nguy

cơ cao hơn mạng có dây.

■ Yếu tố ảnh hưởng tới sức khỏe con người còn đang nghiên cứu

ỨNG DỤNG MẠNG KHÔNG DÂY

■ Cung cấp khả năng truy cập mạng một cách linh hoạt.

■ Nối mạng giữa các tòa nhà cách xa nhau.

■ Cung cấp dịch vụ truy cập mạng không dây - mở rộng mạng.

■ Sử dụng cho văn phòng quy mô nhỏ , trường học , bệnh viện, nơi công cộng khác

■ Sử dụng trong tình huống cần thiết lập mạng trong thời gian ngắn.

Ảnh hưởng của truyền thông không dây

• ứng dụng rộng rãi hơn

• “Thu hẹp” thế giới

• Luôn luôn “trực tuyến”

• Thay đổi cách mọi người giao tiếp

- Mạng xã hội

• Mạng không dây toàn cầu có xu hướng hội tụ

Một sô môc lịch sử truyên thông không dây

Communications microwave

Experimental communications satellite

I FM radio"]

white TV

Black-and-Optical communications satellite

mmWave Wi-Fi íãĩ I satellite -^1 3G

jwi-Fi I I CDMA

ICordless -I phone Cellular Color

TV

Mobile two-way radio

phone

I 4G LTE-Advanced

Điện thoại tế bào

■ Đang thay thế dần cho điện thoại có dây

■ Các hệ thống thế hệ thứ nhất (1G) và thứ hai (2G) cung cấp dịch vụ truyền thoại và truyền dữ liệu hạn chế

■ Các hệ thống thế hệ thứ ba (3G) và thứ tư (4G) hiện nay cung cấp các dịch vụ:

Các mạng tế bào toàn cầu

Các mạng tế bào toàn cầu (tt)

4G: Kỹ thuật không dây mới (OFDM)

• Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn

• Với người dùng di động cao: 100 Mbps

• Với người dùng di động thấp: 1 Gbps

• LTE và LTE-Advanced

Tiến hóa của thiết bị di động

• Công cụ quan trọng để mọi người tương tác với thếgiới xung quanh

• Ban đầu chỉ là điện thoại di động thuần túỵ

• Ngày nay, cácthiết bịcó khả năng

- Truy cập Internet với tốc độ cao (nhiều megabit/s)

- Sử dụng nhiều ứng dụng di động

- Tích hợp các máy ảnh kỹ thuật số độ phân giải cao

- Truy cập nhiều mạng không dây (Wi-Fi, Bluetooth, Cellular)

- Tích hợp một số cảm biến on-board

Tiến hóa của thiết bị di động (tt)

• Giá thành thấp hơn

• Cải thiện khả năng hiển thị và đầu

• Máy tính bảng - cân bằng giữa điện thoại thông minh

Xu hướng tương lai

• LTE-Advanced và Gigabit Wi-Fi đang được triển khai

• LTE-U và các nghiên cứu liên quan hiện rất có triển vọng

• Truyền thông M2M (Machine-to-Machine)

- Internet of Things (loT)

- Tương tác giữa các thiết bị với nhau

• Chăm sóc sức khoẻ, phục hồi thảm hoạ, tiết kiệm năng lượng, an ninh và giám sát, nhận biết môi trường, giáo dục, sàn xuất và nhiều ứng dụng khác.

- Phổ biến thông tin

• Khai thác dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định

- Tự động điều khiển và kiểm soát

• Bộ cảm biến gia đình hoạt động với thiết bị gia dụng, hệ thống HVAC,

hệ thống chiếu sáng, trạm sạc xe điện và các tiện ích khác.

- Tương tác trong các hình thức mạng xã hội