ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN THỊNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THEO CHUẨN HOMEPLUG AV LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHẠM VĂN THỊNH
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN
THEO CHUẨN HOMEPLUG AV
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội - 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHẠM VĂN THỊNH
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN
THEO CHUẨN HOMEPLUG AV
Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Trúc Mai
Hà Nội - 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành tới những người
đã giúp đỡ, ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
Cho phép tôi được gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và Trường Đại học Công nghệ là nơi đào tạo, cung cấp các điều kiện tốt cho các học viên học tập và nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS Trần Trúc Mai, người thầy hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này
Cuối cùng, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn của mình đến những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp; những người đã luôn ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi; tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành công việc học tập và nghiên cứu./
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Phạm Văn Thịnh
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ Công nghệ Thông tin “Đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện theo chuẩn HomePlug AV” là công trình nghiên cứu của tôi
Những nội dung được trình bày trong luận văn là kết quả nghiên cứu của
cá nhân hoặc kết quả tổng hợp từ nguồn tài liệu khác Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nguồn tài liệu khác đều được trích dẫn một cách đầy đủ và hợp lý, được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào từ trước đến nay./
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Phạm Văn Thịnh
Trang 5MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
MỞ ĐẦU 1
1 Đặt vấn đề 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 1
3 Phương pháp nghiên cứu 2
4 Cấu trúc của luận văn 2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN 4
1.1 Tổng quan về truyền dữ liệu 4
1.1.1 Mô hình truyền thông 4
1.1.2 Mô hình truyền dữ liệu 5
1.2 Giới thiệu công nghệ truyền thông qua đường dây điện (PLC) 6
1.2.1 Tổng quan về công nghệ PLC 6
1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ PLC 10 1.3. Nguyên lý hoạt động của mạng PLC trong nhà Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Giới thiệu mạng PLC trong nhà Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Kiến trúc phân tầng Error! Bookmark not defined.
1.4. Kết luận Error! Bookmark not defined.
Chương 2.TIÊU CHUẨN HOMEPLUG VÀ ỨNG DỤNG Error! Bookmark not defined.
2.1. Các tiêu chuẩn HomePlug Error! Bookmark not defined 2.1.1 Giới thiệu về HomePlug Powerline Alliance Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Chuẩn HomePlug AV Error! Bookmark not defined.
2.2. Một vài ứng dụng của tiêu chuẩn HomePlug Error! Bookmark not defined 2.2.1 Nối mạng băng rộng toàn bộ tòa nhà Error! Bookmark not defined 2.2.2 Nối mạng truyền hình độ nét cao (HDTV) Error! Bookmark not defined 2.2.3 Chơi game Error! Bookmark not defined.
2.3. Kết luận Error! Bookmark not defined Chương 3 MỘT SỐ THIẾT BỊ PLC TRÊN THỊ TRƯỜNG Error! Bookmark not defined.
3.1 Một số thiết bị trên thị trường thế giới Error! Bookmark not defined 3.1.1 Modem USB PLC Error! Bookmark not defined 3.1.2 Modem Ethernet PLC Error! Bookmark not defined 3.1.3 Modem TV cable PLC Error! Bookmark not defined 3.1.4 Modem PLC/Wi-Fi Error! Bookmark not defined 3.1.5 Modem PLC đa chức năng Error! Bookmark not defined 3.1.6 Modem thoại và âm thanh PLC Error! Bookmark not defined 3.2 Một số thiết bị trên thị trường trong nước Error! Bookmark not defined.
Trang 63.3 Thí nghiệm về mạng PLC trong nhà Error! Bookmark not defined 3.3.1 Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm Error! Bookmark not defined 3.3.2 Các thí nghiệm kết nối mạng PLC trong nhà Error! Bookmark not defined.
3.4 Kết luận Error! Bookmark not defined Chương 4 TÌM HIỂU MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN Error! Bookmark not defined.
4.1 Môi trường truyền dẫn đường dây điện Error! Bookmark not defined 4.1.1 Cấu trúc vật lý Error! Bookmark not defined 4.1.2 Nhiễu Error! Bookmark not defined 4.1.3 Các đặc trưng của môi trường truyền dẫn đường dây điện Error! Bookmark not defined.
4.1.4 Mô hình kênh PLC Error! Bookmark not defined 4.2 Kết luận Error! Bookmark not defined.
Chương 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƯỜNG DÂY
ĐIỆN THEO CHUẨN HOMEPLUG AV Error! Bookmark not defined 5.1 Mô phỏng nhiễu trong hệ thống PLC Error! Bookmark not defined 5.2 Mô phỏng kênh truyền PLC và kênh Rayleigh Fading Error! Bookmark not defined.
5.3 Điều chế tín hiệu BPSK, QPSK Error! Bookmark not defined 5.4 Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM Error! Bookmark not defined 5.5 Tính thông lượng tín hiệu BPSK, QPSK qua kênh PLC Error! Bookmark not defined.
5.6 Kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined 5.7 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 Phụ lục 1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT MỘT SỐ THIẾT BỊ PLC TRÊN THỊ TRƯỜNG
TRONG NƯỚC Error! Bookmark not defined Phụ lục 2 CÁC HÀM SỬ DỤNG TRONG MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined.
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AWGN Additive White Gaussian Noise (Nhiễu trắng Gaussian cộng) BPL Broadband Powerline (Đường dây điện băng rộng)
DSL Digital Subcriber Line (Kênh thuê bao số)
IV Indoor Voltage (Điện áp trong nhà)
LAN Local Area Network (Mạng cục bộ)
LV Low Voltage (Hạ thế)
MAC Medium Access Control (Kiểm soát truy nhập đường truyền) MODEM MOdulator and DEModulator (Thiết bị điều chế và giải điều chế) MPDU MAC Protocol Data Unit (Đơn vị dữ liệu giao thức MAC)
MV Medium Voltage (Trung thế)
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Ghép kênh phân
chia tần số trực giao) OSI Open Systems Interconnection (Kết nối các hệ thống mở)
PC Personal Computer (Máy tính cá nhân)
PLC Power Line Communication (Truyền thông qua đường dây điện) PPDU Physical Protocol Data Unit (Đơn vị dữ liệu giao thức vật lý) WAN Wide Area Network (Mạng diện rộng)
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ khối chung của mô hình truyền thông đơn giản 4
Hình 1.2 Ví dụ mô hình truyền thông đơn giản 4
Hình 1.3 Mô hình truyền dữ liệu đơn giản 5
Hình 1.4 Cấu trúc các mạng lưới cung cấp điện năng 7
Hình 1.5 Các công nghệ PLC tốc độ thấp và cao 10
Hình 1.6 Sơ đồ của mạng PLC trong nhà 12
Hình 1.7 Vị trí của công nghệ PLC trong mô hình OSI 13
Hình 1.8 Các băng tần được phân bổ cho mạng PLC 14
Hình 1.9 Công nghệ PLC và mô hình OSI 14
Hình 1.10 Đóng gói địa chỉ MAC trong Home Plug 1.0 15
Hình 1.11 Truyền dữ liệu trong kiến trúc truy nhập PLC 16
Hình 2.1 Website của tổ chức HomePlug 18
Hình 2.2 Dải tần số của HPAV 19
Hình 2.3 Phổ OFDM của HPAV 19
Hình 2.4 Các sản phẩm HomePlug nối mạng trong nhà 20
Hình 2.5 Nối mạng truyền hình độ nét cao qua đường dây điện 21
Hình 2.6 Chơi game sử dụng kết nối qua đường dây điện 21
Hình 3.1 Modem F@st Plug type Sagem USB PLC 23
Hình 3.2 Modem Devolo Ethernet PLC của loại dLAN Ethernet HighSpeed 85 24
Hình 3.3 Modem Devolo PLC của loại dLAN duo với giao diện USB và Ethernet 24
Hình 3.4 Các thiết bị Devolo HomePlug AV PLC 25
Hình 3.5 Modem truyền hình cáp PLC Corinex CableLAN, cáp TV, đầu nối F-type và bộ chia 25
Hình 3.6 Modem Thesys and Devolo PLC/Wi-Fi 26
Hình 3.7 Modem PLC Hub NetGear và Thesys NetPlug 26
Hình 3.8 Modem Devolo ADSL/router PLC 27
Hình 3.9 Modem âm thanh PLC Devolo MicroLink dLAN 27
Hình 3.10 Ứng dụng của Tenda 200Mbps Powerline Adapter P200 29
Hình 3.11 Ứng dụng của Tenda PW201A Powerline Wireless N300 31
Hình 3.12 Sơ đồ kết nối 02 máy tính sử dụng cáp Ethernet 31
Hình 3.13 Kiểm tra cấp phát địa chỉ IP cho Laptop 32
Hình 3.14 Kiểm tra kết nối giữa Laptop và PC 33
Hình 3.15 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng PLC 33
Hình 3.16 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng LAN 34
Hình 3.17 Sơ đồ kết nối 02 máy tính có sử dụng wifi 34
Hình 3.18 Kết nối từ Laptop đến PW201A 35
Trang 9Hình 3.19 Kiểm tra cấp phát địa chỉ IP cho Laptop 36
Hình 3.20 Kiểm tra kết nối giữa Laptop và PC 36
Hình 3.21 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng PLC 37
Hình 3.22 Sơ đồ kết nối Internet sử dụng cáp Ethernet 37
Hình 3.23 Kiểm tra kết nối Internet của Laptop sử dụng cáp Ethernet 38
Hình 3.24 Sơ đồ kết nối Internet sử dụng wifi 38
Hình 3.25 Kiểm tra kết nối Internet của Laptop sử dụng wifi 39
Hình 4.1 Sơ đồ đơn giản của mạng điện trong nhà 41
Hình 4.2 Các loại nhiễu trong môi trường PLC 41
Hình 4.3 Mô hình mật độ phổ cho nhiễu nền tổng quát 43
Hình 4.4 Ví dụ một số xung được đo trong miền thời gian của mạng PLC 44
Hình 4.5 Mô hình phản xạ biểu diễn mô hình kênh PLC đa đường 46
Hình 4.6 Mô hình Philipps 49
Hình 4.7 Cấu trúc mạng đa đường đơn giản 51
Hình 5.1 Biên độ và pha kênh PLC với N =4 54
Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện 57
Hình 5.3 BER của BPSK, QPSK qua kênh AWGN, qua kênh PLC và kênh Rayleigh Fading có nhiễu 63
Hình 5.4 PER của BPSK, QPSK qua kênh AWGN, qua kênh PLC và kênh Rayleigh Fading có nhiễu 64
Hình 5.5 Thông lượng tín hiệu BPSK, QPSK qua kênh PLC với N =4 65
Trang 10Từ trước, đường dây điện chỉ được sử dụng cho việc truyền tải điện năng Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các công nghệ mạng hiện đại đặt ra nhu cầu cho các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm ra giải pháp có khả năng cung cấp các dịch vụ tới người dùng ở mức chi phí thấp nhất và hiệu năng cao nhất Gần đây, vấn đề truyền thông qua đường dây điện đã được quan tâm đến với mục đích truyền
dữ liệu Tiềm năng đường dây điện có thể trở thành đường truyền mạnh để truyền không chỉ các tín hiệu điện hoặc tín hiệu điều khiển mà ngay cả
dữ liệu tốc độ cao và nội dung đa phương tiện
Ưu điểm của việc sử dụng đường dây điện làm phương tiện truyền dữ liệu
là hầu hết các tòa nhà và hộ gia đình đều đã được trang bị đường dây điện kết nối tới lưới điện Các hệ thống truyền thông qua đường dây điện sử dụng dây điện có sẵn làm phương tiện truyền để cung cấp các điểm truy cập mạng tốc độ cao hầu như ở bất cứ nơi nào có một ổ cắm điện Ngoài ra, việc xây dựng mạng trong nhà sử dụng đường dây điện có sẵn có thể sẽ dễ dàng và chi phí thấp hơn việc phải lắp đặt thêm dây cáp giữa các điểm trong nhà Trên cơ sở đó, các
hệ thống truyền thông qua đường dây điện có ưu điểm là dễ cài đặt, các ổ cắm điện luôn sẵn có, thông lượng cao, chi phí thấp, an toàn và tin cậy
“Kể từ khi xuất hiện các sản phẩm truyền thông qua đường dây điện (PLC) đầu tiên vào đầu năm 2000, các công nghệ PLC đã trải qua những sự cải tiến lớn với mục đích cung cấp hiệu năng tối ưu Ngày nay, PLC đã đạt tới các hiệu năng
có thể so sánh với các công nghệ LAN khác nhưng với lợi thế là dễ triển khai hơn nhiều” [3]
2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào việc giải quyết các công việc:
- Nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ truyền thông qua đường dây điện;
Trang 11- Nghiên cứu, tìm hiểu tiêu chuẩn HomePlug AV;
- Tìm hiểu một số thiết bị PLC trên thị trường thế giới và trong nước; thực hiện thí nghiệm kết nối các thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà;
- Tìm hiểu môi trường truyền dẫn đường dây điện và thuộc tính truyền dẫn của mạng LAN;
- Mô phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện theo chuẩn HomePlug AV;
- Sử dụng kết quả mô phỏng đạt được để so sánh với thiết bị thực tế
3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu luận văn thực hiện theo trình tự:
- Nghiên cứu các tài liệu về công nghệ truyền thông qua đường dây điện; tiêu chuẩn HomePlug AV; môi trường truyền dẫn đường dây điện và thuộc tính truyền dẫn của mạng LAN;
- Nghiên cứu tài liệu, khảo sát thông tin trên Internet về một số thiết bị PLC trên thị trường thế giới và trong nước; liên hệ với một số đơn vị cung cấp thiết bị trên thị trường trong nước để mua thiết bị và thực hiện thí nghiệm kết nối các thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà;
- Sử dụng MATLAB để mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện theo chuẩn HomePlug AV; qua đó đánh giá chất lượng hệ thống và
so sánh với thiết bị thực tế trong thí nghiệm
4 Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 05 chương, cùng phần mở đầu, phần kết luận và 02 phụ lục Mỗi chương được bố cục gồm ba phần chính: phần giới thiệu nhằm tóm tắt nội dung của chương, các vấn đề chính sẽ được giải quyết trong chương; phần tiếp theo trình bày chi tiết việc giải quyết các vấn đề đã nêu; phần tổng kết của mỗi chương trình bày tóm tắt các kết quả đạt được
- Phần Mở đầu Phần này trình bày khái quát về đề tài nghiên cứu như
giới thiệu xu hướng truyền dữ liệu qua đường dây điện sẵn có trong nhà, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu, cấu trúc của luận văn
- Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông qua đường dây điện
Chương này giới thiệu tổng quan về mô hình truyền dữ liệu, một số kiến thức tổng quan về công nghệ PLC, ưu điểm và nhược điểm của PLC, nguyên lý hoạt động của mạng PLC trong nhà
Trang 12- Chương 2 Tiêu chuẩn HomePlug và ứng dụng Chương này giới thiệu
về tổ chức HomePlug là tổ chức phi lợi nhuận nghiên cứu tiêu chuẩn cho các sản phẩm và mạng đường dây điện trong nhà; tập trung giới thiệu về chuẩn HomePlug AV Chương này cũng giới thiệu một vài ứng dụng phổ biến nhất của tiêu chuẩn HomePlug
- Chương 3 Một số thiết bị PLC trên thị trường Chương này giới thiệu
một số thiết bị PLC có trên thị trường thế giới và trong nước; kết quả thí nghiệm kết nối các thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà và so sánh với kết quả kết nối mạng LAN về tốc độ truyền dữ liệu
- Chương 4 Tìm hiểu môi trường truyền dẫn đường dây điện
Chương này trình bày cấu trúc vật lý, nhiễu, các đặc trưng và mô hình kênh truyền của môi trường truyền dẫn đường dây điện Đây là các cơ sở lý thuyết quan trọng để thực hiện mô phỏng ở chương tiếp theo
- Chương 5 Mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện
theo chuẩn HomePlug AV Chương này sử dụng chương trình MATLAB
R2013a để mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện theo chuẩn HomePlug AV đã được giới thiệu trong Chương 2 và vẽ đồ thị tỷ lệ bit lỗi (Bit Error Rate - BER), đồ thị tỷ lệ gói tin lỗi (Packet Error Rate - PER) theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR)
- Phần Kết luận Phần này trình bày những kết quả đạt được, chưa đạt
được sau thời gian nghiên cứu đề tài và những hướng phát triển tiếp theo
- Phụ lục 1 Thông số kỹ thuật một số thiết bị PLC trên thị trường trong
nước Phụ lục này giới thiệu thông số kỹ thuật một số thiết bị PLC của các hãng
Linksys, Planet, Tenda, FH-net, Airmobi đang được cung cấp tại thị trường Việt Nam và thông tin liên hệ của một số đơn vị cung cấp các thiết bị này
- Phụ lục 2 Các hàm sử dụng trong mô phỏng Phụ lục này giới thiệu các
hàm được xây dựng để sử dụng trong mô phỏng ở Chương 5
