NGHIÊN cứu THIẾT kế VÙNG PHỦ SÓNG MẠNG WIRELESS LAN THEO các TIÊU CHUẨN của ITU

WLAN là một mạng cục bộ không dây, có chức năng liên kết các thiết bị điện tử có khả năng thu phát sóng trong một phạm vi nhỏ như tòa nhà, công ty, phòng họp…lại với nhau thông qua sóng

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN NGỌC ANH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÙNG PHỦ SÓNG MẠNG

WIRELESS LAN THEO CÁC TIÊU CHUẨN CỦA ITU

NGÀNH: : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG MÃ SỐ: D52027

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: TS.Phạm Văn Phước

HẢI PHÒNG - 2016

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô của Khoa Điện - Điện Tử trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện dạy dỗ và chỉ bảo cho em trong suốt quá trình học vừa qua Và đặc biệt là Tiến sĩ Phạm Văn Phước đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng vì thời gian hạn hẹp và hiểu biết còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của quý thầy, cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải phòng, ngày 21 tháng 5 năm 2016 Sinh viên thực hiện đồ án :

Nguyễn Ngọc Anh

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức được học và khảo sát thực tế, có tham khảo qua một số tài liệu chính quy nhưng không phải là sao chép ,được thực hiện dựa trên sự hướng dẫn tận tình của giảng viên hướng dẫn là Tiến sĩ Phạm Văn Phước

Một lần nữa em xin khẳng định về sự chung thực của đồ án, nếu có bất kỳ

sự sao chép nào em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện đồ án Nguyễn Ngọc Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY WLAN 1

1.1 Khái niệm và các đặc điểm 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Ưu nhược điểm của WLAN 1

1.2 Cơ chế hoạt động 2

1.3 Thành phần cấu tạo và các mô hình của WLAN 3

1.3.1 Thành phần cấu tạo 3

1.3.2 Các mô hình của WLAN 4

1.4 Một số thiết bị truyền dẫn 6

1.4.1 PCI WIRELESS CARD 6

1.4.2 PCMCIA WIRELESS CARD 6

1.4.3 USB WIRELESS CARD 6

1.4.4 WiFi Router 7

1.5 Các băng tần WLAN 7

1.5.1 Băng tần ISM 8

1.5.2 Băng tần UNII 8

1.6 Các chuẩn của WLAN 9

1.6.1 Chuẩn IEEE 802.11 9

1.6.2 IEEE 802.11b 9

1.6.3 IEEE 802.11a 10

1.6.4 IEEE 802.11g 10

1.6.5 IEEE 802.11n 10

1.6.6 IEEE 802.11ac 11

1.6.7 Một số chuẩn IEEE khác 12

1.7 Một số ứng dụng của mạng WLAN 13

Chương II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG CỦAMẠNG KHÔNG DÂY WLAN 16

2.1 Hiện tượng Fading 16

2.1.1 Khái niệm 16

2.1.2 Một số loại Fading và ảnh hưởng của nó 17

2.2 Nhiễu 18

2.3 Ăngten và các đặc trưng 22

2.3.1 Khái niệm 22

2.3.2 Phân loại 23

2.3.3 Các thuộc tính quan trọng 24

2.3.4 Các yếu tố khác 25

2.3.5 Một số loại ăng ten sử dụng trong WLAN 29

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÙNG PHỦ SÓNG WLAN 31

3.1 Một số mô hình truyền sóng 31

3.1.1 Mô hình Okumura 31

3.1.2 Mô hình truyền sóng Hata 31

3.1.3 Mô hình COST 231 Hata 32

3.1.4 Mô hình SAKAGAMIKUBOL 33

3.2 Tính toán thiết kế vùng phủ sóng WLAN 34

3.2.1 Các thông số ban đầu 34

3.2.2 Các công thức sử dụng 35

3.3 Thiết mạng WLAN cho các băng tần 400Mhz ÷ 450MHz, 2.4GHz ÷ 2.5GHz và 5.725GHz ÷ 5.875GHz 37

3.3.1 Mô phỏng tính toán suy hao đường truyền trong không gian tự do và mặt đất phẳng ở các tần số 450MHz, 2.4680GHz và 5.755GH 37

3.3.2 Mô phỏng tính toán cường độ điện trường và công suất thu trong không

gian tự do và mặt đất phẳng ở các tần số 450MHz, 2.4680GHz và 5.755GHz 45

3.4 Kết luận 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BSS The Basic Service Set Mạng nội bộ cơ bản

CCK Complementary Code Keying Khóa mã bổ sung

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ trực tiếp

ESSs Extended Service Set Mạng nội bộ mở rộng

EIRP Equivalent Isotropically Rediated

Union

Tổ chức viễn thông quốc tế

IBSS IndependentThe Basic Service Set Mạng độc lập Ad-hoc

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

MAC Media Access Control Kiểm soát truy cập môi

trường MU-

MIMO

Multi User

Multi Input Multi Output

Nhiều người sử dụng Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MIMO Multi Input Multi Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Trải phổ trực giao

PCI Peripheral Component Interconnect Chuẩn truyền dữ liệu

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu

phương QoS Quality of Service Đánh giá chất lượng dịch vụ

Infrastructure

Băng tần không giấy phép WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

Hình 1.10 Mô hình khám, chữa bệnh từ xa 14 Hình 1.11 Mô hình quản lý nhà hàng thông minh 14 Hình 1.12 Mô hình phủ sóng Wifi băng thông rộng 15 Hình 1.13 Kết nối mạng WLAN giữa 2 tòa nhà 15 Hình 2.1 Mô tả hiện tượng Fading đa đường 16 Hình 2.2 Các loại nhiễu trong quá trình truyền sóng 19

Hình 2.6 Ăng ten parabol 24

Hình 3.1 Suy hao đường truyền trực tiếp và phản xạ trong không

gian tự do

37

Hình 3.2 Mô phỏng suy hao đường truyền trong không gian tự do

với các địa hình khác nhau ở tần số 450MHz

38

Hình 3.3 Mô phỏng suy hao đường truyền ở tần số 450MHz trong

mặt đất phẳng

39

Hình 3.4 Mô phỏng suy hao đường truyền trong không gian tự do

với các địa hình khác nhau ở tần số 2.4680GHz

với các địa hình khác nhau ở tần số 5.755GHz Hình 3.7 Mô phỏng suy hao đường truyền ở tần số 5.755GHz trong

mặt đất phẳng

43

Hình 3.8 Mô phỏng cường độ điện trường và công suất thu ở

không gian tự do và miền đất phẳng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.2 Bảng tham số mô hình COST 231 Hata 33 Bảng 3.3 Bảng tham số mô hình SAKAGAMIKUBOL 34 Bảng 3.4 Kết quả tính toán suy hao đường truyền với các khoảng cách

MỞ ĐẦU

Ngày nay kết nối đã trở thành một vấn đề quan trọng với từng người từng tổ chức ở khắp mọi nơi trên thế giới Nhờ có kết nối mà chúng ta có thể liên lạc, trao đổi, cập nhật tình hình văn hóa chính trị xã hội cho nhau Tạo nên một cái nhìn tổng thể, khách quan cho mọi vấn đề Biến xã hội con người thành một xã hội kết nối Chính vì tốc độ phát triển và cập nhật tin tức là liên tục nên các mô hình mạng kết nối có dây cũ đã không còn đáp ứng được nhu cầu cơ động mọi lúc mọi nơi của tin tức nữa Dẫn đến việc buộc phải sáng tạo ra một phương thức kết nối mới Đó chính là kết nối không dây Một phương thức kết nối mang rất nhiều ưu điểm so với phương thức kết nối cũ Và trong đồ án này em sẽ trình bày về mạng không dây WLAN cùng với những vấn đề đặt ra trong việc phủ sóng WLAN một cách hiệu quả nhất Từ các vấn đề cơ bản này chúng ta sẽ dần dần làm chủ được phương pháp xây dựng mạng không dây và tiến đến phát triển được hệ thống của riêng mình mà không phụ thuộc vào quốc gia khác, góp phần

phát triển kinh tế-xã hội ngày nay cũng như mai sau

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN

1.1 Khái niệm và các đặc điểm

1.1.1 Khái niệm

WLAN là một mạng cục bộ không dây, có chức năng liên kết các thiết bị điện tử

có khả năng thu phát sóng trong một phạm vi nhỏ như tòa nhà, công ty, phòng họp…lại với nhau thông qua sóng điện từ với băng tần thường dùng là 2.4GHz hoặc 5GHz Sau khi kết nối các thiết bị này có thể chia sẻ với nhau mọi nguồn tài nguyên có trong mạng cũng như kết nối đến các hệ thống mạng khác thông qua mạng Internet WLAN được ra đời vào cuối năm 1990 nhưng sự phổ biến, công nghệ và tốc độ vẫn còn rất nhiều hạn chế Mãi đến năm 1997, khi tổ chức IEEE công bố và cho ra đời chuẩn 802.11 thì lúc này WLAN mới bắt đầu được phát triển và hoàn thiện cho đến ngày hôm nay

WLAN mang rất nhiều ưu điểm so với mạng có dây truyền thống như Ethernet hay Token Ring Ví dụ như là khả năng xuyên qua các vật cản và địa hình không

có khả năng đi dây Cho phép các thiết bị kết nối vào WLAN có thể di động linh hoạt mà không mất kết nối với mạng dữ liệu hay khả năng truyền dẫn…Chính vì

có nhiều ưu điểm vượt trội và giá thành rẻ nên mạng WLAN đã trở nên ngày càng phổ biến và góp phần tích cực vào sự phát triển cơ sở hạ tầngcông nghệ kỹ thuật cao cũng như phát triển kinh tế-xã hội của mỗi quốc gia

1.1.2 Ưu nhược điểm của WLAN

Sử dụng kết nối không dây khiến cho WLAN mang trong mình ưu điểm vượt trội so với mạng LAN truyền thống nhưng bên cạnh đó vẫn có những hạn chế, nhược điểm cần phải khắc phục như bảo mật, nhiễu tín hiệu… Chi tiết như sau: -Ưu điểm:

+Lắp đặt dễ dàng: Thiết bị đơn giản, giá thành rẻ nên hệ thống WLAN được triển khai rất nhanh chóng Không cần tốn thời gian để đi dây, lắp jack cắm như mạng truyền thống

+Kết nối nhanh chóng: Bất kì ai cũng có thể truy cập vào mạng Tốc độ kết nối chỉ mất vài giây nên quá trình cập nhật dữ liệu diễn ra đơn giản, hiệu quả

+Tính di dộng: Mọi người sau khi kết nối có thể đi từ nơi này sang nơi khác trong vùng phủ sóng mà không lo mất kết nối Giải quyết được tình trạng giới hạn dây nối và chồng chéo của dây mạng

+Tính kinh tế: Thị trường hiện nay bán các thiết bị phục vụ WLAN với giá rất phải chăng Chỉ từ 300k đồng chúng ta đã có thể sở hữu một router wifi cho khả năng kết nối từ 5-10 người

+Khả năng mở rộng: Có các mô hình mạng phù hợp với từng nhu cầu sử dụng

và địa hình cần triền khai khác nhau Đặc điểm này cho phép dễ dàng chuyển đổi từ mạng Ad hoc nhóm nhỏ người dùng sang mạng cơ sở hạ tầng phục vụ cả nghìn người trên phạm vi rộng

+Phạm vi: Hệ thống WLAN tuy có thể mở rộng nhưng thường chỉ được triển khai trong một phạm vi nhỏ như một tòa nhà, một khu vực do các vấn đề về bảo mật và thiết bị

1.2 Cơ chế hoạt động

Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ để gửi và nhận dữ liệu nên các tín hiệu mang thông tin sẽ được điều chế và gửi đi dưới dạng sóng mang Các tín hiệu này sẽ được tái tạo lại ở phía đầu thu để trở lại tín hiệu ban đầu

Các thiết bị muốn tham gia vào mạng WLAN thì phải kết nối đến điểm truy cập Access Point AP là một cầu nối trung gian giúp thiết bị có thể nhận và gửi

đi các ưu cầu của mình.Một AP có thể phục vụ một hoặc nhiều thiết bị một lúc tùy vào công suất cũng như công nghệ sử dụng

1.3 Thành phần cấu tạo và các mô hình của WLAN

1.3.1 Thành phần cấu tạo

Hình 1.1: Cấu trúc mạng WLAN Gồm bốn thành phần chính:

- Hệ thống phát tán (Wireless Distribution System)

Là một kĩ thuật mới dùng để phát triển mạng WLAN, hệ thống sẽ liên kết các kết nối của access point trong mạng nhằm quản lý và mở rộng mạng Các khung thông tin sẽ được đưa đến điểm đích nhờ vào các cầu nối và môi trường phát tán

- Điểm truy cập ( Access Point)

Với khả năng phát sóng các AP có thể liên kết với nhau để mở rộng mạng WLAN Ngoài ra thiết bị còn có chức năng kết nối mạng không dây với mạng

có dây lại với nhau, giúp các thiết bị di động kết nối vào AP có thể truy cập ra mạng Internet

- Các máy trạm (Work Stations)

Là các thiết bị có khả năng truy cập sóng vô tuyến như máy tính xách tay, pocket pc, máy tính để bàn có card wifi… Chúng được liên kết với nhau thành một mạng cục bộ WLAN để chia sẻ thông tin và dữ liệu

- Môi trường truyền dẫn

Việc truyền tải thông tin và dữ liệu trong mạng WLAN phải được thực hiện thông qua môi trường vô tuyến Có hai phương pháp truyền dữ liệu là sử dụng sóng vô tuyến và hồng ngoại Các môi trường vật lý này được tiêu chuẩn hóa theo các quy định về băng tần

1.3.2 Các mô hình của WLAN

Hình 1.2: Mô hình Ad-hoc

b) Mạng cơ sở hạ tầng

Khác với mạng Ad-hoc nhỏ hẹp, mô hình mạng cơ sở có phạm vi và khả năng mở rộng hơn rất nhiều Ad-hoc vì chúng sử dụng các thiết bị quản trị riêng biệt là Access Point Các máy trạm sẽ phải kết nối vào AP để thực hiện trao đổi thông tin Một AP có thể vừa đóng vai trò điều hành mạng vừa là cầu nối với các mạng khác Hạn chế rõ nhất của hệ thống chính là các máy trạm sẽ không thể trực tiếp kết nối với nhau tuy trong cùng một vùng mà luôn phải trao đổi qua

AP quản lý Khiến độ trễ của đường truyền tăng lên

Hình 1.3: Mô hình mạng BSS c) Mạng ESS

Đây là mô hình mở rộng của mạng BSS Một ESS có thể bao gồm hai hay nhiều mạng BSS Các AP lúc này sẽ đóng vai trò là cầu nối lưu chuyển thông tin

dữ liệu từ BSS này sang BSS khác Các AP giao tiếp với nhau thông qua hệ thống phát tán WDS Hệ thống này sẽ xác định dữ liệu nên được phát trở lại đích đến trong cùng một BSS hay chuyển tiếp đến một BSS khác thông qua AP hoặc gửi qua một mạng có dây để tới đích đến không nằm trong ESS

Hình 1.4: Mô hình mạng ESS

1.4 Một số thiết bị truyền dẫn

1.4.1 PCI WIRELESS CARD

Là thiết bị chủ yếu sử dụng trên máy tính để bàn Nó giúp máy tính có thể kết nối vào mạng WLAN thôi qua khe cắm PCI Ngày nay ít được sử dụng do các máy tính hiện đại thường tích hợp sẵn thiết bị kết nối WLAN trên vỉ mạch

Hình 1.5: PCI wireless card 1.4.2 PCMCIA WIRELESS CARD

Trước đây thường được trang bị trên máy laptop hoặc các thiết bị máy tính cầm tay như pocketPC và PDA Cũng như PCI wireless card do công nghệ phát triển nên loại card này đã không còn được sử dụng nhiều nữa

Hình 1.6 : PCMCIA wireless card 1.4.3 USB WIRELESS CARD

Là thiết bị khá phổ biến hiện nay Nó có các ưu điểm là nhỏ, gọn, tốc độ kết nối nhanh và đơn giản trong sử dụng khi kết nối thông qua cổng USB Dễ dàng tương thích với các thiết bị khác

Hình 1.7: USB wireless card 1.4.4 WiFi Router

Có chức năng thu phát, định tuyến và kết nối internet nên WiFi router được sử dụng rất rộng rãi Tùy vào công nghệ sử dụng cũng như giá thành mà mỗi thiết

bị có tốc độ khác nhau tuy nhiên ở một thiết bị cơ bản vẫn cung cấp kết nối có tốc độ lên tới 150Mbps

Hình 1.8: WiFi router 1.5 Các băng tần WLAN

Mạng WLAN cũng như các hệ thống truyền thông khác đều phải hoạt động theo các quy định về tần số của Tổ chức viễn thông quốc tế - ITU Nội dung các quy định này là:

- Tần số sử dụng trong mạng WLAN phải nằm trong giới hạn quy định để tránh can nhiễu đến cái hệ thống mạng khác

- Công suất phát cũng không được quá lớn gây xung đột, nhiễu loạn đến các hệ thống viễn thông xung quanh

- Chỉ sử dụng các thiết bị được quy định

Cụ thể, WLAN được phép sử dụng 2 loại băng tần là ISM và UNII như sau: 1.5.1 Băng tần ISM

Đây là băng tần sử dụng cho các hoạt động y tế, khoa học và công nghiệp Có 3 loại là : 900MHz, 2.4GHz và 5.8GHz

a) Băng tần ISM 900MHz

Là miền tần số có khoảng giá trị từ 902MHz-928MHz hay nói cách khác là 915MHz±13MHz Tuy nó từng được triển khai trên mạng WLAN nhưng ngày nay đã không còn được sử dụng nhiều vì có tốc độ thấp (1Mbps), bảo mật kém

và cùng với đó là chi phí thay thế sửa chữa cũng rất đắt đỏ Chỉ còn một số ít thiết bị có tầm phủ sóng hẹp, quy mô gia đình như Wireless camera và Wireless phone là còn sử dụng

b) Băng tần ISM 2.4GHz

Được sử dụng rộng rãi ngày này, hỗ trợ nhiều chuẩn WLAN như 802.11,

802.11b và 802.11g Giá trị miền tần số của nó nằm trong khoảng từ 2.5GHz hay 2.45GHz±50MHz Tuy nhiên các thiết bị WLAN thực tế chỉ sử dụng khoảng giá trị từ 2.4GHz-2.4835GHz do quy định về sử dụng công suất trên băng tần này

2.4GHz-c) Băng tần ISM 5.8GHz

Dải tần số có giá trị quy định là 5.725GHz-5.875GHz Ngày này đã không còn được sử dụng nữa vì nó chồng lấn lên hệ thống băng tần khác là UNII Upper 5GHz

1.5.2 Băng tần UNII

Là mạng cơ sở hạ tầng thông tin không cấp phép Hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11a và nhiều ISP không dây khác UNII hoạt động trên 4 dải tần số sau: + UNII Low: Có dải tần từ 5.15GHz-5.25GHz Chỉ sử dụng trong nhà Công suất cực đại là 50mW Nhưng năm 2014, quy định thay đổi cho phép sử dụng ở bên ngoài trời và tăng công suất giới hạn lên 1W

+ UNII Mid: Có dải tần từ 5.25GHz-5.35GHz Cho phép sử dụng trong nhà

và ngoài trời Công suất cực đại là 250mW

+ UNII Worldwide: Sử dụng dải tần 5.47GHz-5.725GHz Được đưa ra vào năm 2003 để điều chỉnh lại băng tần sử dụng của các thiết bị UNII ở Mĩ

và các quốc gia khác Công suất cực đại là 250mW

+ UNII Upper: Dải tần từ 5.725GHz-5.850GHz Công suất giới hạn là 1W 1.6 Các chuẩn của WLAN

1.6.1 Chuẩn IEEE 802.11

Là chuẩn đầu tiên của mạng WLAN, được tổ chức IEEE công bố vào năm

1997 và hoàn thiện vào năm 1999 Nó sử dụng kỹ thuật IR khuếch tán trên dải tần cơ sở hoặc trải phổ nhẩy tần FHSS và trải phổ trực tiếp DSSS trên dải tần radio 2.4GHz để truyền dữ liệu Tốc độ truyền dữ liệu đạt từ 1-2Mbps Do tốc

độ quá chậm nên chuẩn 802.11 tiếp tục được phát triển lên nhiều chuẩn mới có tốc độ và tính năng vượt trội với nhận biết là các chữ cái đằng sau tiền tố 802.11

ví dụ như 802.11a, 802.11b, 802.11g… Ngày nay chuẩn 802.11 chỉ còn dùng để nghiên cứu không có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên nó vẫn mang vai trò cách mạng quan trọng khi đưa ra tiêu chuẩn vật lý PHY và lớp MAC cho truyền sóng trong mạng WLAN

1.6.2 IEEE 802.11b

Là nâng cấp đầu tiên của chuẩn 802.11 Chuẩn 802.11b vẫn mang trong mình cấu trúc cũng như các kỹ thuật đặc trưng của 802.11 Hoạt động trên băng tần 2.4GHz nhưng tốc độ tối đa đã tăng lên 11Mbps do sử dụng mã CCK CCK

là kỹ thuật điều chế phát triển từ điều chế khóa dịch pha QPSK Nó sử dụng chuỗi mã giả ngẫu nhiên có chiều dài mã là 8 và tốc độ chipping rate là 11Mchip/s 8 complex chips sẽ kết hợp tạo thành một symbol đơn (như trong QPSK – 4 symbol) Khi tốc độ symbol là 1,375MSymbol/s thì tốc độ dữ liệu sẽ đạt được: 1,375x8=11Mbps với cùng băng thông xấp xỉ như điều chế QPSK tốc

độ 2Mbps Các sản phẩm sử dụng chuẩn 802.11b xuất hiện trên thị trường từ giữa những năm 1999 Tuy nhiên do dễ bị gây nhiễu bởi các hệ thống mạng

khác hay từ lò vi sóng, điện thoại sử dụng băng tần 2.4GHz nên sử dụng khá khó khăn và tốc độ chậm

1.6.3 IEEE 802.11a

Được phát triển song song với chuẩn 802.11b nhưng 802.11a lại hoạt động

ở tần số 5GHz tốc độ đạt đến 54Mbps Chuẩn 802.11a sử dụng công nghệ mã OFDM- ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho phép chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao ra làm nhiều luồng tốc độ thấp hơn truyền đồng thời trên một kênh truyền nên tốc độ tăng gấp nhiều lần so với chuẩn b Nhưng do giá thành cao nên chú yếu sử dụng ở các công ty, doanh nghiệp Ở tần số 5GHz, chuẩn 802.11a sẽ có hiệu suất cao nhưng vì vậy cũng sẽ làm phạm vi truyền ngắn hơn

và sử dụng nhiều năng lượng hơn

1.6.4 IEEE 802.11g

Ra đời vào tháng 6-2003, chuẩn 802.11g là sự kết hợp của 2 chuẩn 802.11a

và 802.11b Có tốc độ cao như chuẩn 802.11a nhưng lại chỉ hoạt động ở tần số 2.4GHz như 802.11b nên 802.11g mang ưu điểm của cả 2 chuẩn trước cũng loại

bỏ những nhược điểm còn tồn tại Và do tương thích hoàn toàn với các hệ thống dùng chuẩn 802.11b nên 802.11g được sử dụng rất rộng rãi Tuy nhiên chuẩn 802.11g vẫn còn một số nhược điểm như dễ dàng bị xuyên nhiễu bởi các hệ thống vô tuyến khác

1.6.5 IEEE 802.11n

Được cho là bước nhẩy vọt của công nghệ WLAN khi mang đến rất nhiều những cải tiến cũng như lợi ích cho người dùng Có tốc độ lên đến 600Mbps, hoạt động được ở cả 2 tần số 2.4GHz và 5GHz, độ rộng kênh truyền mở rộng từ 20MHz đến 40MHz khiến chuẩn 802.11n được sử dụng rất nhiều trên các hệ thống mạng Điểm khác biệt này là do chuẩn 802.11n được trang bị công nghệ

đa ăng ten MIMO Đây là công nghệ giúp các thiết bị mạng được trang bị nhiều ăng ten hơn ở mỗi đầu của tín hiệu truyền và nhận Tốc độ tăng lên giúp người dùng làm việc nhanh hơn, các ứng dụng đa phương tiện được sử dụng nhiều

hơn, cùng với đó là giá thành hạ thấp khiến mọi người có thể tiếp cận dễ dàng là những đặc điểm giúp cho chuẩn 802.11n vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay 1.6.6 IEEE 802.11ac

Chuẩn IEEE 802.11ac là chuẩn Wi-Fi mới nhất hiện nay Được công bố vào tháng 12-2013 nhưng hiện nay vẫn có rất ít thiết bị hỗ trợ và ứng dụng một cách đầy đủ những công nghệ và tính năng của nó đem lại

Một số nét cơ bản cũng như nổi bật nhất của IEEE 802.11ac như sau:

- Tốc độ tăng lên gấp nhiều lần

Sử dụng mã hóa hiệu quả hơn nên nếu cùng sử dụng 3 dải kết nối đơn, mức tối đa mà chuẩn 802.11n có thể truyền được ở băng tần 40MHz là 450Mbps thì chuẩn 802.11ac với độ mở rộng kênh tới 80MHz có thể truyền lên tới 1300Mbps Gấp gần ba lần sao với chuẩn cũ

- Băng thông rộng hơn

Hỗ trợ đầy đủ các băng tần 20MHz, 40MHz, 80MHz thậm chí mở rộng lên tới 160MHz nên tốc độ xử lý, chống nhiễu cũng như bảo mật bỏ xa các chuẩn Wi-Fi cũ khi chỉ có khả năng cung cấp băng tần 20MHz và 40MHz

- Hỗ trợ nhiều ăng ten hơn

So với 4 ăng ten trên chuẩn 802.11n thì trên 802.11ac công nghệ MIMO đã

hỗ trợ tới 8 ăng ten khiến tốc độ truyền nhận, xử lý cũng như mã hóa nhanh hơn đáng kể Giảm độ trễ xuống tối đa

- Công nghệ MU-MIMO

Với công nghệ Wi-Fi cũ thì một thiết bị có thể phát đi nhiều luồng dữ liệu tại một thời điểm nhưng chỉ có thể hướng đến một người dùng duy nhất nhưng với chuẩn 802.11ac được hỗ trợ nhiều ăng ten hơn cũng như khả năng xử lý đa nhiệm thì mỗi ăng ten có thể phục vụ nhiều người dùng khác nhau cùng một lúc Giúp độ trễ giảm xuống, tốc độ xử lý tăng lên vì không cần đợi tới lượt mình

- Công nghệ Beamforming ( Điều hướng chùm sóng)

Thông thường các thiết bị Wi-Fi cũ sẽ phát sóng ra toàn bộ không gian để đến được mọi thiết bị của người dùng nhưng với tính năng Beamforming thì

chùm sóng sẽ hướng đến đúng thiết bị cần dùng Beamforming giúp cải thiện việc sử dụng băng thông không dây và tăng phạm vi phủ sóng cho một mạng không dây Điều này cũng sẽ giúp cải thiện chất lượng hình ảnh, âm thanh cũng như những nhu cầu truyền dữ liệu khác cần đến băng thông cao và độ trễ thấp Beamforming có thể được thực hiện bởi các bộ phát (transmitter) và bộ thu (receiver) sử dụng công nghệ MIMO (multiple-input, multiple-output) Lúc đó,

dữ liệu sẽ được gửi và nhận thông qua nhiều ăng ten để tăng thông lượng và phạm vi phủ sóng

1.6.7 Một số chuẩn IEEE khác

- IEEE 802.11i: Là chuẩn bổ sung các phương pháp bảo mật cho việc truy cập, xử lý dữ liệu qua mạng không dây Sử dụng phương pháp mã hóa AES (Advanced Encryption Standard), một chuẩn mã hóa mạnh hỗ trợ 128bit, 192bit

và 256bit

- IEEE 802.11e: Hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện như gọi điện, xem video, nghe nhạc… có thể hoạt động với chất lượng tốt hơn thông qua mạng không dây

- IEEE 802.11j: Đây là chuẩn dành riêng cho thị trường Nhật Bản Nó tuân theo các yêu cầu về hoạt động ở băng tần 4.9-5GHz của thị trường này

- IEEE 802.11h: Chuẩn được tạo ra để đáp ứng các yêu cầu về băng tầng 5GHz ở các nước Châu Âu Được trang bị công nghệ chọn tần số (DFS) và điều khiển truyền (TPC) các rắc rối về kỹ thuật đã được giải quyết một cách triệt để

- IEEE 802.11ad: Được hiệp hội thương mại WiGig(The Wireless Gigabit Alliance) phát triển và giới thiệu Nó có tốc độ truyền tải lên đến hàng gigabit hoạt động ở băng tần không được cấp phép 60GHz

- IEEE 802.11ah: Mới được công bố vào đầu năm 2016 Nó thường được biết đến với tên gọi HaLow Hoạt động ở băng tần dưới 1GHz nên nó có khả năng đâm xuyên rất tốt cũng như phủ sóng tốt hơn Tiết kiệm năng lượng cũng

là một điểm nổi bật ở chuẩn này Tuy nhiên băng thông được cho là điểm yếu của WiFi 802.11ah, cao nhất chỉ 18 Mbps và thấp nhất là 150 Kbps Nhưng điều

này đủ đáp ứng về mặt kỹ thuật cho các ứng dụng IoE trong tương lai, nơi mà các thiết bị hoạt động chủ yếu chỉ là tiếp nhận tín hiệu trong phạm vi ngắn

1.7 Một số ứng dụng của mạng WLAN

Điểm kết nối Internet công cộng

Là hệ thống WLAN điển hình nhất hiện nay Thường được trang bị ở các quán cafe, quán ăn…Người dùng có thể tự do truy cập mạng vào mà không mất cước phí Tốc độ nhanh, tiện dụng là những ưu điểm hàng đầu của hệ thống này Tuy nhiên vấn đề bảo mật lại là nhược điểm lớn vì ai cũng có thể truy cập nên

có thể dễ dàng ăn cắp các thông tin quan trọng như tài khoản ngân hàng, thẻ tín dụng…

Hình 1.9: Mô hình mạng Wifi công cộng

Hệ thống y tế từ xa Telemedicine

Hệ thống này cung cấp những kết nối từ xa cho phép các bác sĩ các thể tiến hành hội chuẩn, khám bệnh hay chỉ đạo phẫu thuật cho các trường hợp không thể đến trực tiếp thăm, khám cũng như đào tạo các cán bộ y tế tuyến dưới Nhiều bệnh viện ở trong nước đã triển khai hệ thống này ví dụ như từ 10 đến 15/4/2014, Bệnh viện Xanh Pôn đã ứng dụng hệ thống Telemedicine truyền trực tiếp hình ảnh, âm thanh từ phòng mổ đến phòng hội chẩn, điều đó cho phép các bác sĩ trẻ thuộc các bệnh viện tuyến dưới có thể theo dõi và học hỏi kỹ thuật phẫu thuật thông qua hình ảnh truyền từ phòng mổ…

Hình 1.10: Mô hình khám, chữa bệnh từ xa

Hệ thống quản lý nhà hàng thông minh sử dụng thiết bị Ipad

Thay vì gọi món thông qua người phục vụ thì thực khách chỉ cần gọi, đặt món hay hủy thực đơn ngay trên thiết bị ipad Thiết bị ipad lúc này sẽ là một cilent kết nối vào mạng WLAN và gửi các dữ liệu thông qua Access Point để đưa vào máy chủ Máy chủ sẽ so sánh dữ liệu nhận được với cơ sở dữ liệu đang

có để gửi yêu cầu của thực khách đến đầu bếp

Hình 1.11: Mô hình quản lý nhà hàng thông minh

Hệ thống Wi-Fi miễn phí

Một số thành phố như Đà Nẵng, Huế, Hội An, Hạ Long và thành phố Hải Phòng của chúng ta đã và đang triển khai dự án phủ sóng wifi miễn phí cho người dân truy cập Internet Đây là kết quả của việc triển khai dự án đầu tư hệ thống truy nhập vô tuyến băng thông rộng trên địa bàn thành phố Vừa giúp người dân có thể nhanh chóng tiếp cận các dịch vụ số vừa giúp khách du lịch có

thể dễ dàng tìm kiếm các thông tin về văn hóa, lịch sử, địa điểm du lịch của thành phố Góp phần thúc đẩy kinh tế-văn hóa-xã hội

Hình 1.12: Mô hình phủ sóng Wifi băng thông rộng

Kết nối mạng giữa các tòa nhà

Giữa các tòa nhà cách xa nhau thì khả năng kéo cáp rất khó thực hiện vì liên quan đến nhiều chủ thể, chi phí thi công cao Nếu thuê riêng đường truyền thì lại tốn phí hàng tháng nên giải pháp sử dụng WLAN khá tối ưu Mạng WLAN sẽ được kết nối bằng cách cài đặt cầu nối không dây

(wireless bridge) tại mỗi tòa nhà Có thể sử dụng mô hình kết nối điểm tới điểm (point – to – point) hoặc điểm tới đa điểm (point – to – multipoint)

Hình 1.13 : Kết nối mạng WLAN giữa 2 tòa nhà

Chương II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN

SÓNG CỦA MẠNG KHÔNG DÂY WLAN

2.1 Hiện tượng Fading

2.1.1 Khái niệm

Fading là hiện tượng tín hiệu vô tuyến đến máy thu bị sai lệch một cách bất thường do các tác động của môi trường truyền dẫn Các sai lệch này có thể là tín hiệu bị tăng giảm cường độ, bị triệt tiêu về không hoặc là các biến động đột ngột về tần số, biên độ Có nhiều nguyên nhân gây hiện tượng này ví dụ như:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù Sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đặc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng

là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động

Hình 2.1: Mô tả hiện tượng Fading do đa đường

2.1.2 Một số loại Fading và ảnh hưởng của nó

a) Fading do đa đường

Là hiện tượng sóng vô tuyến khi truyền đến máy thu bao gồm nhiều thành phần sóng khác nhau do các hiện tượng phản xạ, tán xạ… khi gặp vật cản gây ra Sóng tổng hợp lúc này sẽ là tổng hợp của các sóng tới trực tiếp, sóng bị phản xạ, sóng bị tán xạ, sóng nhiễu xạ Đây là nguyên nhân khiến sóng thu được có tín hiệu bị tăng giảm bất thường Gây khó khăn cho việc khôi phục dữ liệu ban đầu b) Fading phẳng

Là loại fading xuất hiện khi kênh truyền có băng thông lớn hơn băng tần hoạt động của tín hiệu và độ suy hao không phụ thuộc quá nhiều vào tần số Fading phẳng thường tác động đến các hệ thống đơn giản do chúng có độ rộng băng tần hẹp so với độ rộng của kênh truyền

• Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: Do tín hiệu bị phản xạ khi gặp vật cản cũng như sự thay đổi độ khúc xạ của khí quyển mà sinh ra fading phẳng Nó làm giảm cường độ tín hiệu ở phía thu Tuy nhiên ở hệ thống

có dung lượng nhỏ, tín hiệu suy hao do đa đường không nhiều nên fading

đa đường được coi như là fading phẳng

• Fading phẳng do hấp thụ: Sóng điện từ bị hấp thụ và tán xạ do các hiện tượng thời tiết như mưa, sương mù, tuyết hay các phần tử tồn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian

c) Fading chọn tần

Xuất hiện khi băng tần hoạt động của tín hiệu vượt quá băng thông của kênh truyền nên loại fading này ảnh hưởng lớn đến các hệ thống vô tuyến phức tạp do có độ rộng băng tín hiệu lớn Nó gây ra nhiều tác hại nhưng tác hại lớn nhất là gây ra nhiễu ký tự ISI Loại nhiễu khiến máy thu phải xử lý các tín hiệu

có độ trễ khác nhau

d) Fading nhanh

Loại fading có chu kỳ của một symbol Ts lớn hơn thời gian kết hợp của kênh Tc Điều này gây ra sự phân tán tần số do hiệu ứng Doppler Tần số tín hiệu thu được ở máy thu sẽ bị dịch đi một giá trị ∆f so với giá trị ban đầu do chuyển động tương đối của máy thu và máy phát:

∆f=|fthu−fphát| Chuyển động tương đối thay đổi càng nhanh thì sự thay đổi giá trị dịch tần càng lớn và được xem như là tốc độ biến thiên nhanh của fading

e) Fading chậm

Fading có chu kỳ của một symbol Ts nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh

Tc Nguyên nhân gây ra là sự che chắn toàn phần hoặc một phần của các chướng ngại vật trên đường truyền sóng như tòa nhà, cây cối, ngọn núi… hay còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Sự suy hao này chỉ xảy ra trên khoảng cách truyền tin lớn do đó tốc độ biến đổi rất chậm Vì vậy hiệu ứng này còn được gọi

là fading chậm

2.2 Nhiễu

Trong truyền sóng vô tuyến, nhiễu là một vấn đề cố hữu không thể nào triệt tiêu hoàn toàn mà chỉ có thể giảm bớt xuống mức thấp nhất Nhiễu làm sai lệch thông tin ở phía thu Khiến phía thu không nhận được chính xác thông tin phía phát đã gửi đi Ở các dịch vụ cơ bản nhiễu thường xuất hiện dưới dạng tín hiệu hình ảnh bị nhòe, biến dạng, tín hiệu âm thanh bị méo, ngắt quãng…do đó trong thực tế nhiễu thường ít được quan tâm tuy nhiên nếu xét đến một hệ thống phức tạp nhiễu có thể gây ra những tác hại lớn ví dụ như quá trình điều khiển máy móc qua sóng điện từ nếu các tín hiệu đến sai lệch thì sẽ dẫn đến quá trình sản xuất, lắp ráp cũng sai lệch theo Hay như ở việc giải mã dữ liệu nếu có 1 bit sai cũng có thể làm hệ thống bị treo, ngừng làm việc

Hình 2.2 Các loại nhiễu trong quá trình truyền sóng

Nhiễu từ các tiếng ồn phát ra trong không gian truyền sóng

Loại nhiễu này được sinh ra từ các nguồn phát ở trong không gian Nguồn phát có thể là từ các hoạt động của máy móc phát ra như tiếng động cơ máy bay,

xe máy, băng chuyền sản xuất hoặc từ tiếng chuông báo, tiếng nhạc, tiếng nói của con người…

Nhiễu của chính bản thân thiết bị tạo ra

Trong quá trình thiết kế, lắp đặt hệ thống vô tuyến, có thể một số linh kiện hoặc thành phần nào đó của hệ thống bị lỗi nên gây ra nhiễu làm cho tín hiệu không ổn định, đứt đoạn ví dụ bộ nguồn, bộ tạo tín hiệu

Nhiễu từ môi trường tự nhiên

Khi sóng vô tuyến truyền trong không gian sẽ bị sự can nhiễu từ các tia bức

xạ của mặt trời, bức xạ từ khí quyển, tầng điện ly làm sóng bị suy giảm, triệt tiêu

Nhiễu do các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến khác

Là loại nhiễu do các thiết bị cũng sử dụng sóng vô tuyến gây ra Nguyên nhân là do băng tần sử dụng trên các thiết bị đó có thể trùng hoặc gần bằng băng tần của sóng của tín hiệu phát nên gây ra can nhiễu Các thiết bị này có thể là điện thoại di động, lò vi sóng, đèn hồng ngoại…

- Nhiễu đa đường

Quãng đường của sóng khi đi từ máy phát đến máy thu trong thực tế không theo một đường thẳng nhất định mà đi qua rất nhiều vật cản như núi, nhà cao tầng, các hàng cây…Sóng khi gặp các vật cản này sẽ phản xạ theo nhiều hướng khác nhau Kết quả là sóng đến máy thu sẽ gồm 2 thành phần là sóng tới trực tiếp và sóng phản xạ Thành phần sóng phản xạ do đến chậm hơn nên sẽ có nhiều pha sóng khác nhau khiến chúng bị triệt tiêu hoặc tăng cường tùy từng trường hợp

- Nhiễu đồng kênh (C/I) và nhiễu kênh lân cận (C/A)

Trong mạng tổ ong luôn tồn tại hiện tượng can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết

bị phát sóng nên ta chỉ có thể hạn chế được nhiễu ở mức thấp nhất Việc hạn chế

sẽ được thực hiện một phần bằng cách điều khiển khoảng cách sử dụng lại tần

số Khoảng cách này càng lớn thì mức độ can nhiễu càng nhỏ Để đảm bảo chất lượng tín hiệu thì công suất thu của sóng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng công suất nhiễu đồng kênh I (Interference) và công suất nhiễu kênh lân cận A (Adjacent)

Hình 2.3: Mô hình mạng vô tuyến tổ ong + Nhiễu đồng kênh C/I

Là loại nhiễu sinh ra khi hai máy phát hoạt động trên cùng một tần số hoặc cùng một kênh Máy thu sẽ thu được cả hai tín hiệu nhưng với mức cường độ

Mức nhiều đồng kênh được định nghĩa bằng tỷ số của cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu:

c i

Pi là công suất nhiễu thu được

Hình 2.4: Mô phỏng nhiễu đồng kênh Hình vẽ mô phỏng các tín hiệu máy thu thu được Các tín hiệu này một là tín hiệu sóng mang Carrier mong muốn từ trạm gốc đang phục vụ và một là tín hiệu can nhiễu đồng kênh Interference từ trạm gốc khác

Giả thiết cả hai trạm phát đều có công suất và các thông số khác như nhau Khi máy thu di động di chuyển về gần phía trạm gốc đang phục vụ ta sẽ có tỉ số C/I>0dB nghĩa là cường độ tín hiệu thu được lớn hơn cường độ tín hiệu nhiễu Và khi nó di chuyển đến điểm nằm giữa hai trạm phát ta sẽ có có tỉ số C/I=0dB nghĩa là cường độ hai tín hiệu bằng nhau Trường hợp còn lại khi máy thu di chuyển đến gần trạm can nhiễu ta sẽ có tỉ số C/I<0dB, lúc này tín hiệu thu mong muốn rất kém do cường độ tín hiệu gây nhiễu mạnh hơn

Theo khuyến cáo, máy di động có thể hoạt động tốt khi tỉ số C/I mà nó nhận là 9dB Tuy nhiên thực tế giá trị cần thiết này lên tới 12dB Nếu tỉ số C/I quá thấp thì tỷ lệ lỗi bit BER sẽ quá cao và mã hóa kênh cũng không thể sửa lỗi chính xác được