Bài giảng môn học mạng không dây

 Nguồn gốc của mạng không dây bắt đầu vớitruyền sóng radio  Năm 1895, bởi Guglielmo Marconi, khoảng cách là 18 dặm  Năm 1901, truyền tín hiệu radio qua biển Đại tây dương  Năm 1902,

M ôn học

01/2011

Mạng không dây

 Bài tập: trên lớp và ở nhà, tiểu luận môn học

 Kiểm tra thường xuyên

 Thi giữa kỳ và cuối kỳ

 Khác: Theo yêu cầu của giảng viên

Mục tiêu của môn học

 Tìm hiểu nhiều mặt của công nghệ không dây, mạng không dây, kiến trúc và các ứng dụng

 Nắm vững các lý thuyết về công nghệ truyền dữ liệu không dây.

 Hiểu biết về các thiết bị phát, thu của môi trường truyền dẫn không dây

 Nắm được các mô hình hệ thống mạng không dây

 Xây dựng được hệ thống mạng nội bộ không dây (ad-hoc, access service)

 Hiểu biết lý thuyết và cài đặt được bảo mật trong

hệ thống mạng không dây (shared key, địa chỉ MAC, chứng thực dùng certificate)

Tài liệu tham khảo

-Sách, giáo trình chính:

 Wireless Network, P Nicopolitidis - Aristotle

University, Greece, 2003 John Wiley & Sons Ltd,

-Tài liệu tham khảo:

 Borko Furht và Mohammad Ilyas, Wireless Internet Handbook: Technologies, Standards, and Applications, Auerbach Publications, 2003

 Andrew S Tanenbaum, Computer Networks, Fourth edition, Prentice Hall, 2003

 Seshan, S., Low latency handoff for cellular data networks, Ph.D diss., University of California, Berkeley, 1995

 James F Kurose, Keith W Ross, Computer Networking: A top-down Approach Featuring the Internet, Addison- Wesley, 2003

CHƯƠNG 1:

Wireless communications

principles and fundamentals

(Nguồn gốc của truyền thông không

dây và các nguyên tắc cơ bản)

Hình ảnh mạng không dây

Hình ảnh mạng không dây

1 Introduction (Giới thiệu)

 Cho đến gần đây Mạng không dây vẫn còn là tương đốimới đối với thị trường gia đình

 Chuẩn không dây 802.11b, được sử dụng rộng rãi đầutiên, được IEEE phê chuẩn vào năm 1999

 Vào thời điểm đó, phần cứng nối mạng không dây cònrất đắt (1000USD/1 Access point)

 Ngày nay giá thành phần cứng cho mạng không dây đãgiảm

 Nhiều thiết bị di động đã được hỗ trợ công nghệ mạngkhông dây

 Sự di động

 Khái niệm không dây và di động rất khó táchrời

 Sự di động có nhiều ưu thế

1 Introduction (tiếp)

 Tiết kiệm giá thành

 Cài đặt mạng không dây rõ ràng đòi hỏi rất ítdây so với mạng có dây truyền thống

 Không sử dụng dây đặc biệt có lợi trong cáctình huống

 Lắp đặt mạng rất khó khăn trong các vùng rộng lớn: qua sông, biển hoặc các khu vực nhiễm độc

 Không được phép đi dây: các khu vực lịch sử

 Triển khai mạng tạm: sử dụng trong thời gian ngắn

Truy nhập không dây

 Hàng triệu người sử dụng thiết bị cầm tay truynhập Internet

Truy nhập không dây

 Biểu đồ tình hình Truy cập Internet di động

(Thuê bao Internet)

Sự phát triển của mạng không dây

 Truyền thông không dây đã có trong lịch sử loàingười thời kỳ xa xưa: khói, gương phản chiếu, cờhiệu, lửa …, trong Hy lạp cổ

 Nguồn gốc của mạng không dây bắt đầu vớitruyền sóng radio

 Năm 1895, bởi Guglielmo Marconi, khoảng cách là 18 dặm

 Năm 1901, truyền tín hiệu radio qua biển Đại tây dương

 Năm 1902, truyền được hai chiều qua biển

 Điện thoại sử dụng sóng radio lần đầu tiên đuợcthực hiện năm 1915: hai tàu biển nói chuyệnđược với nhau

Điện thoại di động thời kỳ ban đầu

 Năm 1946, hệ thống điện thoại di động côngcộng đầu tiên xuất hiện, Mobile TelephoneSystem (MTS), ở nước Mỹ tại 25 thành phố

 Máy thu phát của MTS rất lớn, dùng để các ô tô nói chuyện với nhau

 Hệ thống tương tự, bán song công (half-duplex)

 Sử dụng BS (Base Station _ trạm cơ sở)

 Dùng một máy phát công suất lớn để phủ toàn bộ khu vực hoạt động của hệ thống

Điện thoại di động thời kỳ ban đầu

 Ngoài nhược điểm chuyển mạch cuộc gọi thủ công, số lượng các kênh của MTS rất giới hạn (3 kênh)

 Một hệ thống nâng cao của MTS, gọi là Improved Mobile Telephone System (IMTS), được đưa vào hoạt động vào những năm 1960

 Chuyển mạch cuộc gọi tự động

 Hỗ trợ song công

 Số lượng kênh tăng (23 kênh)

Điện thoại di động tương tự

 Tuy nhiên IMTS có số lượng người dùng nhỏ,không thực tế

 Sử dụng phổ điện từ không hiệu quả

 Công suất lớn của máy phát gây ra nhiễu cho các hệ thống xung quanh

 Các nhà nghiên cứu tại AT&T Bell Laboratoriestìm ra khái niệm ngăn tổ ong (cellular)

 Khái niệm này đã mang đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện thoại di động

 Thành công của điện thoại di động vượt quá sự tưởng tượng của những nhà nghiên cứu thời bấy giờ

Điện thoại di động tương tự

 Khái niệm ngăn tổ ong

 Được đề xuất vào năm 1947 bởi D H Ring

 Thay thế các BS phạm vi phủ rộng bằng cáctrạm phạm vi phủ nhỏ

 Vùng phủ của một BS này được gọi là một

 Các ngăn cách nhau có thể dùng lại kênh

 Sử dụng lại tần số để tăng hiệu quả của việc sử dụng phổ

Điện thoại di động tương tự

 Mỗi BS kết nối qua dây cáp với một thiết bị, gọi là Mobile Switching Center (MSC)

 Cần hỗ trợ sự di chuyển của người dùng từ ngănnày sang ngăn khác mà không làm giảm chấtlượng của cuộc gọi

 Thế hệ đầu tiên của hệ thống điện thoại di động(1G)

 Được thiết kế vào cuối những năm 1960 và triển khai vào đầu những năm 1980

 Là hậu duệ của MTS/IMTS

 Là hệ thống tương tự

Điện thoại di động tương tự

 Hệ thống thương mại đầu tiên, được gọi làAdvanced Mobile Phone System (AMPS), bắtđầu hoạt động vào năm 1982

 Chỉ truyền tiếng nói

 Sử dụng điều biến tần số (Frequence Modulation – FM)

 Phổ điện từ của mỗi ngăn được phân chia thành một số các kênh

 Mỗi cuộc gọi được cấp một cặp kênh

 Khi kết nối truyền thông bên trong phần có dây của hệ thống: sử dụng mạng chuyển gói

 Các hệ thống tương tự được áp dụng tại:

 Total Access Communication System (TACS): Anh, Ý, Tây ban nha, Áo

 MCS-L1: Nhật

 Nodic Mobile Telephony (NMT): một số nước khác

Điện thoại di động số

 Một số nhược điểm của các hệ thống di độngtương tự được làm giảm bớt trong các hệ thốngthế hệ thứ hai (2G)

 Số hoá biểu diễn dữ liệu

 Tiếng nói được đưa qua thiết bị chuyển đối A/D (Analog

 Giảm được nhiễu và lỗi

 Việc biểu diễn dữ liệu tương tự làm cho các hệ thống 1G

dễ bị nhiễu

 K ỹ thuật số có thể thêm các kỹ thuật phát hiện và sửa lỗi

 Có thể nén, tăng hiệu quả sử dụng phổ

 Chỉ cấp cho người dùng khi có tiếng nói hoặc dữ liệu gửi

 Một số các hệ thống 2G được triển khai trên toànthế giới

 Hỗ trợ SMS (Short Messaging Service)

 Định danh người gọi

 Có thể gửi dữ liệu, tốc độ thấp (~10kbps)

 Sau đó được nâng cấp lên 2.5G

Một số khái niệm về công nghệ xG

1G: (the first gerneration):Đây là thế hệ điện thoại

di động đầu tiên của nhân loại Đặc trưng của hệthống 1G là:

 Dung lượng (capacity) thấp

 Kỹ thuật chuyển mạch tương tự (circuit-switched)

 Xác suất rớt cuộc gọi cao

 Khả năng handoff (chuyển cuộc gọi giữa các tếbào) không tin cậy

 Chất lượng âm thanh rất tồi

 Không có chế độ bảo mật tốt

Một số khái niệm về công nghệ xG (tiếp)

2G: (bao gồm GSM (Global System Mobile) và CDMA (Code Division Multiple Access _ Phân đoạn đa truy cập)

 Là thế hệ đang được dùng trên thế giới:

- Kỹ thuật chuyển mạch số

- Dung lượng lớn

- Siêu bảo mật (High Security)

- NHiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax,

SMS (tin nhắn),

Một số khái niệm về công nghệ xG (tiếp)

3G (WCDMA) _ Third Generation

 WCDMA l à gì?:

(Wideband Code Division Multiple Access), tiếng Việt gọi là đa truy cập phân mã băng rộng.

 Xuất hiện đầu tiên ở Japan 3G c ó đặc điểm nổi bật so với 2 thế hệ trước:

- Truy cập Internet

- Truyền tín hiệu video

 3G là băng thông rộng

Một số khái niệm về công nghệ xG (tiếp)

 Sự khác nhau giữa WCDMA và CDMA?

 WCDMA cũng dựa trên nền CDMA, nhưng phát triển theo mỗi carrier (phần tử mang) là 5MHz chứ không phải là 1.25MHz như CDMA.

GSM

 Tại châu Âu, phổ điện từ xung quanh 900 MHz,

và sau đó 1800 MHz được phân cho các hệthống 2G

 Một tiêu chuẩn chung cho châu Âu được hìnhthành bởi một nhóm làm việc tên là GlobalSystem for Mobile Communication (GSM)

 GSM hiện tại là công nghệ 2G phổ biến nhất

 Đến năm 1999, mỗi tuần có thêm một triệu thuê bao mới

 Đây là chuẩn duy nhất ở châu Âu

 GSM sử dụng các kênh theo tần số, được tổchức thành các khuông, sau đó được chia thànhcác khe thời gian

HSCSD và GPRS

 GSM hỗ trợ một số công nghệ mở rộng để đạtđược tốc độ truyền dữ liệu cao hơn: HSCSD (HighSpeed Circuit Switched Data), GPRS (GeneralPacket Radio Service)

 HSCSD

 Cho người sử dụng nhiều khe thời gian hơn trong một khuông

 Không đối xứng

 Làm giảm thời gian sử dụng của pin

 Phù hợp cho duyệt Web

 Đối xứng và không đối xứng

 GPRS ( General Packet Radio Service) dịch

vụ truyền tin đóng gói không dây tốc độ cao

 GPRS là chuẩn kế tiếp của chuẩn di động

GSM, và là bước chuyển tiếp từ 2G >

3G, chính vì vậy người ta coi GPRS là 2,5G

 Tốc độ truyền dữ liệu của GSM là 9,6 kbps

còn GPRS có thể đạt tốc độ tối đa là

171,2 Tuy nhiên tốc độ thực tế hiện nay

có thể đạt được chỉ khoảng 40-50 kbps.

2 Quang phổ điện từ

(The Electromagnetic Spectrum)

 Phổ điện từ: Là một khoảng nào đó của

sóng điện từ.

 Quang phổ: Một khoảng hẹp của phổ điện

từ, tương ứng với ánh sáng.

Phổ điện từ

 Các điện tử khi chuyển động tạo ra sóng điện từ

lan truyền trong không gian (thậm chí trongchân không)

 Sử dụng ăng ten có thể truyền và bắt sóng điện

từ truyền qua không gian

 Các tính chất của sóng điện từ

 Tốc độ rung các điện tử xác định tần số của sóng

ƒ (số lượng các dao động của sóng trong một giây), đo bằng hertz

 Bước sóng (khoảng cách giữa hai điểm cao nhất

hoặc thấp nhất liên tiếp) λ

 Biên độ chiều cao của điểm cực đến trục biểu diễn

cường độ sóng

 Tia cực tím, tia X, tia gamma thậm chí còn tốt

hơn cho truyền thông do có tần số cao, nhưngkhó tạo ra và điều biến

Các dải tần và đặc tính của chúng (tiếp)

 Tên của các dải tần dựa trên bước sóng

của chúng

 LF, MF, HF: Low, Medium, High Frequency

 LF có bước sóng từ 1 đến 3 km (30 đến 300

kHz)

 VHF, UHF, SHF, EHF, THF: Very, Ultra, Super,

Extremely, Tremendously High Frequency

Các dải tần và đặc tính của chúng (tiếp)

 Mọi dải tần đều như nhau trong truyền thông?

 Dải tần cao hơn có băng thông lớn hơn

 Tuy nhiên dải tần sau vùng ánh sáng hiếm khi được sử

dụng trong truyền thông do chúng khó điều biến và nguy hiểm

 Tín hiệu có tần số cao chịu sự suy yếu nhiều hơn, có

tầm ngắn hơn và dễ bị chặn lại bởi các chướng ngại vật trên đường đi

2 Quang phổ điện từ

 Quang phổ điện từ (electromagnatic spectrum) gồm

rất nhiều loại bức xạ với những bước sóng khác nhau.

 Mỗi loại bức xạ ấy gọi là tia

 Bắt đầu từ bức xạ có bước sóng dài nhất là làn sóng vô tuyến (radio) dài từ 1000 mét đến 1/10 mét.

 Sau đó là tia vi ba (microwave), bước sóng dài từ 1/10 mét đến 1/1000 mét.

 Ngắn hơn nữa ta có tia hồng ngoại, ta cảm thấy được sức nóng của chúng

 Từ bước sóng 4/10,000,000 đến bước sóng

7/10,000,000 mét là tầm sóng của tia sáng ta có thể nhìn thấy

 Sau cùng là tia tử ngoại, x ray và gamma

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây

 Trong các hệ thống truyền dữ liệu không dây, dữliệu được số hoá ngay từ ban đầu

 Dữ liệu truyền bùng nổ so với công nghệ cũ

 Hệ thống đầu tiên được phát triển năm 1971 tạitrường tổng hợp Hawaii, dự án ALOHANET

 Tư tưởng là truyền dữ liệu hai chiều giữa các máy tính trên bốn đảo với máy tính trung tâm trên đảo Oahu mà không sử dụng đường điện thoại

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây

diện rộng

 Paging systems

 Hệ thống một chiều, dựa trên khái niệm ngăn

 Tốc độ truyền dữ liệu thấp hướng đến người dùng di động

 Có thể truyền các thông điệp ngắn cho người dùng

 Truyền quảng bá từ nhiều BS ( Base Station)

 Không cần định vị người dùng di động và định tuyến

 Thiết bị nhận không cần có phần cứng phức tạp, giá thấp và kích thước nhỏ

 Phổ biến trong nhiều năm nhưng không phát triển nữa

do sự cạnh tranh

 Có hai phiên bản của Ardis còn gọi là DataTAC

 Mobile Data Communication 4800 (MDC4800), 4.8 kbps

 Radio Data Link Access Protocol (RD-LAP), 19.2 kbps, tương thích với MDC4800

 Sử dụng các BS gắn trên các tháp, mái nhà

 Các BS nối với mạng xuơng sống

 Truy nhập đường truyền nhờ một giao thức

kiểu ALOHA

3 Đặc điểm và mô hình truyền

không dây

a, Đặc điểm của truyền thông không dây:

 Hạn chế của dung lượng kênh truyền

 Mô hình lưu thông, định vị user, điều kiện mạngluôn thay đổi

 Các ứng dụng không đồng nhất

 Giới hạn về năng lượng và độ trễ của thiết kế khi

đi qua các lớp của hệ thống

So sánh hệ thống Mạng Không dây

và Mạng Có dây

3 Đặc tính và mô hình truyền không

dây (tiếp)

b, M ô hình truyền thông không dây:

Các đặc tính và mô hình truyền

không dây (tiếp)

 Khối lượng thông tin có thể được chuyển qua

một kênh không có nhiễu, công thức Shannon

W log2 1

 Trong đó

 W: Giới hạn trên của tốc độ bit

 H: Băng thông của kênh

 S: Năng lượng của tín hiệu (signal)

 N: Năng lượng của nhiễu (thermal noise)

 S/N: tỷ lệ signal-to-noise

 W: tốc độ bít cực đại của một kênh của môi trường truyền dẫn bất kỳ theo lý thuyết thông tin

Các đặc tính và mô hình truyền

không dây (tiếp)

Tốc độ bit đạt được trên các kênh không dây thực sự thấp

hơn nhiều do:

 Nhiều yếu tố của sự suy yếu trên các kênh không

dây gây ra lỗi làm giảm tốc độ bit

 Các yếu tố này do tính chất vật lý của truyền sóng

 Free space path loss

 Doppler Shift

 Sự phản xạ của sóng

 Sự tán xạ của sóng

 Sự nhiễu xạ của sóng

Các đặc tính và mô hình truyền

không dây (tiếp)

 Free space path loss:

 Sự suy yếu của tín hiệu do khoảng cách giữa máy phát

và máy thu

 Doppler Shift(chuyển động)

 Do sự di động của trạm

 Tần số của tín hiệu thu không giống với tín hiệu phát

 Trong hình bên cạnh, nguồn sóng di chuyển sang trái

Tần số bên trái cao hơn và bên phải thấp hơn

Các đặc tính và mô hình truyền

không dây (tiếp)

 Sự phản xạ

 Sự thay đổi hướng của sóng khi gặp một môi trường

khác và trở lại môi trường ban đầu

 Sự tán xạ

 Xảy ra khi tín hiệu gặp chướng ngại vật

 Năng lượng của tín hiệu bị tán ra nhiều hướng và rất

khó phán đoán

 Sóng hình thành phía sau chướng ngại vật

 Năng lượng của sóng giảm đi so với ban đầu

 Mức độ nhiễu xạ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu,

UHF và sóng cực ngắn cần có LOS (Light Of Sight) để bảo đảm cường độ của sóng

Các đặc tính và mô hình truyền

không dây (tiếp)

 Sự truyền đa đường

 Tín hiệu dội lại do đi theo nhiều đường và chiều dài đường

đi khác nhau

 Dẫn đến sự thay đổi của tín hiệu thu

 Có thể khử tín hiệu thu

 Độ căng trễ của kênh

 Khoảng thời gian giữa tín hiệu thu đầu tiên và tín hiệu dội

Mô hình truyền thông không dây

 Truyền thông vô tuyến truyền các tín hiệu quakhông trung và không gian sử dụng radio,microwave, và các tần số hồng ngoại

 Ba loại truyền thông vô tuyến là:

 Truyền thông vô tuyến di động (Wireless mobile communications): Truyền thông sóng vô tuyến qua các tiện ích công cộng sử dụng packet-radio, các mạng cellular, và các trạm vệ tinh đối với các người sử dụng làm việc bên ngoài văn phòng hay làm việc ngay trên lộ trình của họ.

Mô hình truyền thông không dây (tiếp)

 Ba loại truyền thông vô tuyến là:

 Truyền thông LAN vô tuyến (Wireless LAN communication) Truyền thông sóng vô tuyến được thực hiện trong các khu vực của một công ty thông qua thiết bị.

 Bắc cầu nối vô tuyến và liên mạng (Wireless bridging and internetworking) Truyền thông sóng vô tuyến được sử dụng để kết nối các tòa nhà và các phương tiện trong các khuôn viên trường sở, các khu vực trung tâm, hay các văn phòng ở các vị trí khác trên hành tinh này (sử dụng vệ tinh).

Mô hình truyền thông không dây

Để một mạng máy tính có thể truyền dữ liệu thì nó cần phải có những yếu tố sau:

 Mỗi máy tính cần phải có một địa chỉ phân biệt trên mạng.

 Những quy định thống nhất gọi là giao

thức của mạng.

 Môi trường truyền