Bài giảng Học phần Mạng máy tính – Computer networks: Chương 3 - Lớp vật lý Physical Layer

Bài giảng Học phần Mạng máy tính – Computer networks: Chương 3 - Lớp vật lý Physical Layer cung cấp cho các bạn những nội dung về khái niệm; tần số, phương tiện truyền dẫn hữu tuyến; môi trường truyền dẫn vô tuyến; một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay.

Học phần Mạng Máy Tính –

Computer Networks

Chương 3 Lớp Vật Lý

Physical Layer

3.1 Khái niệm

 3.1.1 Tín hiệu: Đại lượng vật lý được sử dụng để biểu

diễn thông tin, biến đổi theo thời gian hoặc không gian.

 Tín hiệu tương tự: liên tục, có biên độ không bị biến đổi đột ngột theo thời gian.

 Tín hiệu số: không liên tục, có biên độ thay đổi trong các mức khác nhau

3.1 Khái niệm

 Sử dụng tín hiệu trong truyền thông

 Các tín hiệu có thể được chuyển đổi qua lại với nhau trong khi truyền thông sử dụng các phương pháp giải – điều chế bằng thiết bị modem

3.1.2 Tần số, phổ tần và băng thông

 Theo phân tích Fourier thì một tín hiệu g(t) có thể được xem

là tổng hợp của các tín hiệu thành phần theo công thức:

 Trong đó các tín hiệu thành phần được biểu diễn trong công

thức S(t+T) = s(t)

 Tần số: f=

 Phổ tần số: khoảng tần số của các tín hiệu thành phần trong

tín hiệu ban đầu

 Băng thông tuyệt đối: Độ rộng phổ tần số

T

1

3.1.2 Tần số, phổ tần và băng thông

 Băng thông: Phần lớn năng lượng của tín hiệu tập trung

vào một số tín hiệu Độ rộng phổ tần cho các tín hiệu đó được gọi là băng thông hiệu dụng.

 Tần số cắt fc là tần số mà năng lượng của tín hiệu bắt đầu

suy hao.

3.1.3 Dung lượng kênh truyền

 Băng thông của đường truyền: Mỗi môi trường truyền dẫn

thường chỉ cho phép một loại tín hiệu có tần số xác định đi qua Khoảng tần số mà tín hiệu đi qua môi trường không làm mất đi một nửa năng lượng của tín hiệu đó được gọi là băng thông đường truyền, kí hiệu là B Nyquyst chứng

minh được rằng dung lượng một kênh truyền tối đa là

C=2B*log2M, M là số mức lượng tử trên một tín hiệu

 Shanon chứng minh được rằng tốc độ dữ liệu tối đa trên

một kênh truyền có nhiễu là:

C=2B*log2(1+S/N), S/N là tỉ số tín hiệu/ tạp âm, đo bằng 10log10S/N, đơn vị là decibel (dB)

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 3.2.1 Cáp xoắn đôi: Một cặp cáp xoắn đôi gồm 2 sợi cáp

đồng có đường kính khoảng 1mm, tránh nhiễu xuyên âm (crossover talk), gồm 2 loại

 UTP Unshield Twisted Pair

 STP Shield Twisted Pair

 Cắp xoắn đôi dựa vào bước xoắn thưa hay dày được phân

thành các loại như Cat3, Cat4, Cat5, Cat5e, Cat6, Cat7…

Bước xoắn 7.5 – 10 (cm) 0.6 – 0.85 (cm)

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 3.2.2 Cáp đồng trục: Một cáp đồng trục bao gồm một lõi

bằng đồng được bọc bởi một vật liệu cách điện Lớp cách điện này được bao quanh bởi một lưới dẫn diện Bên ngoài dây cáp là vỏ bảo vệ bằng nhựa Một sợi cáp đồng trục đơn

có đường kính từ 1 đến 2.5cm

 Chống nhiễu điện từ và xuyên âm tốt, băng thông đường

truyền lớn, lên đến 1GHz, gồm 2 loại:

 50 ohm: dùng cho tín hiệu số

 75 ohm: dùng cho tín hiệu tương tự và truyền hình

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

3.3.3 cáp quang

 Đặc điểm môi trường: Khi ánh sáng truyền từ môi trường

này đến môi trường khác  Khúc xạ ánh sáng Độ khúc xạ phụ thuộc vào tính chất hai môi trường (hệ số khúc xạ) Nếu góc tới lớn hơn hoặc bằng tia tới hạn  Phản xạ toàn phần.

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 Truyền dẫn quang: Đơn vị tín hiệu biểu thị bit 1 có xung ánh

sáng, bit 0 không có xung ánh sáng Gồm 3 thành phần chính:

 Nguồn quang: Diod quang hoặc laser

 Môi trường truyền dẫn: sợi thủy tinh rất nhỏ

 Diod thu quang: đầu thu quang tạo xung điện với các tín hiệu nhận được tương ứng

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 Suy hao ánh sáng qua sợi quang: phụ thuộc vào bước sóng

ánh sáng và môi trường truyền dẫn

R

T

P

P

A = 10 log10 PT: Công suất phát

PR: Công suất thu

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 Sợi quang: Lõi cáp được bao bọc bởi một lớp thủy tinh có

chiết suất nhỏ hơn để giử cho ánh sáng phản xạ toàn phần trong lõi Tiếp theo là một lớp vỏ nhựa để bảo vệ Thường người ta chế tạo nhiều sợi quang trong một bó cáp và bảo

vệ bằng một lớp vỏ bên ngoài

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến

 Sợi quang gồm hai loại:

 đa mode, lõi cáp quang có

kích thước khoảng 50µm, cho phép truyền đồng thời các tín hiệu quang ứng

với các bước sóng khác nhau trên cùng sợi quang

 đơn mode, kích thước từ

8-10µm cho phép truyền chỉ một tín hiệu quang ứng với một bước sóng nào đó trên sợi quang tại một thời điểm.

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu

tuyến

 Phương pháp kết nối sợi quang: sử dụng đầu nối, ghép

nối và phương pháp hàn Tuy nhiên, cả 3 phương pháp trên đều xuất hiện tia phản xạ ở mối nối và làm nhiễu tín hiệu ở các mức độ khác nhau

 Nguồn quang: Diod quang (LED) và Laser bán dẫn

Nguồn quang LED Laser bán dẫn

Tốc độ dữ liệu Thấp Cao Loại sợi quang Đa mode Đa mode hoặc đơn mode Khoảng cách Ngắn Dài

Độ nhạy nhiệt độ Nhỏ Lớn Giá thành Thấp Cao

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

 Ưu điểm của mạng vô tuyến so với mạng hữu tuyến

 Khả năng di động

 Thích hợp cho các khu vực địa hình phức tạp

 Bảo quản và duy trì dễ dàng

 Phổ sóng điện từ

 Sóng vô tuyến

 Sóng ngắn vi ba

 Sóng hồng ngoại

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

3.3.1 Phổ sóng điện từ: Các loại sóng bao gồm

 sóng vô tuyến,

 sóng ngắn,

 hồng ngoại

 và các sóng ánh sáng khác được dùng để truyền thông tin

bằng cách điều chế biên độ, tần số và pha của sóng

 Tia cực tím, tia X, tia gamma cũng có thể dùng để truyền tin

nhưng chúng khó chế tạo, khó điều chế và ảnh hưởng đến sức khỏe

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

 Trong đó: LF, MF, HF tương ứng là sóng ngắn (low

frequency), sóng trung (medium frequency), sóng cao tần (high frequency) Các sóng có tần số cao trên 10MHz

theo thứ tự tăng dần được gọi là UHF, SHF, EHF và THF

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

 Dung lượng thông tin mà một loại sóng điện từ mang

được tùy thuộc vào băng thông của nó Để tính toán băng thông người ta căn cứ vào biểu thức quan hệ giữa tần số, bước sóng và tốc độ ánh sáng như sau: lf = c

Lấy vi phân 2 vế theo l, ta có:

c d

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

3.3.2 Sóng vô tuyến

vì vậy sóng vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong việc truyền thông tin Sóng vô tuyến là sóng vô hướng, nghĩa là nó có thể truyền đi theo mọi hướng nên đầu thu và phát không nhất thiết phải đối diện với nhau.

sóng vô tuyến có thể đi xuyên qua vật cản nhưng năng lượng của nó suy hao nhanh Ở tần số cao, sóng vô tuyến truyền thẳng và khó đi qua các vật cản Ngoài ra, chúng còn bị suy hao do thời tiết xấu và ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị điện từ khác.

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

tạp Chỉ cần lắp đặt 2 antena ở 2 đầu thu và phát tín hiệu là có thể thực hiện việc truyền thông tin Đối với những nơi có địa hình phức tạp thì đây là một giải pháp hiệu quả nhất

hệ thống dây dẫn.

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến

3.3.4 Sóng hồng ngoại

hẹp đặc biệt là các thiết bị điều khiển từ xa Sóng hồng ngoại là loại sóng định hướng, dễ tạo nhưng lại có hạn chế là không thể đi xuyên qua vật cản Tuy nhiên, hạn chế đó được phát huy trong một số

trường hợp ví dụ: chỉ có thể điều khiển từ xa các thiết bị điện tử trong phạm vi một căn phòng, không ảnh hưởng đến các phòng

khác.

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến

hiện nay

3.4.1 Mạng điện thoại công công – PSTN

Để truyền dữ liệu có thể dùng mạng điện thoại hoặc đường truyền riêng có tốc độ cao Dịch vụ truyền dữ liệu bằng điện thoại là một trong những dịch vụ đầu tiên về truyền số liệu.

3.4.2 Mạng thông tin di động

Đáp ứng cho nhu cầu thông tin di động và sự phát triển của các hình thức truyền thông khác nhau cũng như sự phức tạp của địa hình triển khai

3.4.3 Thông tin vệ tinh

Sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ đã giúp con người thêm một kênh thông tin quan trọng khác, đó là sử dụng các vệ tinh nhân tạo Với đặc điểm truyền xa, tốc độ cao và không phụ thuộc địa hình thông tin vệ tinh đang ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

3.4.1 Mạng điện thoại công cộng

3.4.1.1 Cấu trúc và các thành phần:

Gồm có ba kiểu cấu trúc khác nhau: kết nối đầy đủ, chuyển

mạch tập trung và phân cấp 2 mức

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

Gồm có các thành phần chính: Bộ chuyển mạch trung tâm

(tổng đài), đường truyền dữ liệu giữa các chuyển mạch

trung tâm (trung kế - trunk), hệ thống đường dây thuê bao

(local loop) và các thuê bao khách hàng Trong thực tế

mạng điện thoại được tổ chức phân cấp nhiều mức như sau:

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

3.4.1.2 Các dịch vụ dữ liệu qua mạng điện thoại

a Kết nối bằng modem quay số (dial up)

 Khi một máy tính muốn gửi dữ liệu lên đường truyền tương tự của hệ thống điện thoại, nó phải chuyển đổi tín hiệu số đó

sang dạng analog Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng

một thiết bị gọi là Modem

 Để truyền được thông tin đi, thiết bị Modem phải điều chế

một trong 3 đặc tính: biên độ, tần số hoặc pha của tín hiệu vào

 Đối với điều chế biên độ, người ta sử dụng sóng mang có 2

biên độ khác nhau đại diện cho bit 0 và bit 1 Đối với điều chế tần số, hay còn gọi là khóa dịch tần, người ta sử dụng sóng

mang có 2 tần số khác nhau để điều chế Đối với điều chế

pha, người ta chỉ cần dịch pha của sóng mang ở 0 hoặc 180 độ tương ứng với 2 mức tín hiệu

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

 Tín hiệu nhị phân

 Điều chế biên độ

 Điều chế tần số

 Điều chế pha

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

b Kết nối đường dây thuê bao số:

 Tốc độ cao hơn modem quay số

 Hỗ trợ chiều download upload có tốc độ khác nhau

Dải tần công nghệ DSL:

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

 Ứng dụng của DSL trong truyền thông

3.4.2 Mạng thông tin di động

Hệ thống điện thoại di động đã phát triển qua 3 thế hệ với các công nghệ khác nhau ứng với các loại tín hiệu khác nhau:

 Thế hệ thứ 1 (1G): Tín hiệu thoại tương tự

 Thế hệ thứ 2 (2G): Tín hiệu thoại số

 Thế hệ thứ 3 (3G): Tín hiệu thoại số và dữ liệu số (như

Internet, email,…)

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến

hiện nay

3.4.2.1 Thế hệ thứ 1

 Năm 1946, hệ thống điện thoại di động đầu tiên được sử dụng

là hệ thống điện thoại trên ô-tô ở St Louis Hệ thống này có một bộ thu/phát tín hiệu được đặt trên các tòa nhà và chỉ có một kênh truyền đơn sử dụng cho cả phát và thu tín hiệu

 Năm 1960, người ta cải tiến hệ thống này và đặt tên là IMTS

(Improved Mobile Telephone System) với công suất phát

mạnh hơn (khoảng 200w, antenna thường đặt trên các đỉnh đồi, núi cao), sử dụng 2 tần số, một dành cho phát tín hiệu và một dành cho thu tín hiệu

lượng kênh truyền

xa vài km để tránh nhiễu lẫn nhau

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

 năm 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System) được

Bell Labs phát triển và được lắp đặt đầu tiên tại Mỹ

từ 10 đến 20 km, cho phép hệ thống điện thoại di động này có dung lượng lớn hơn

lập được một cuộc gọi trên mỗi tần số thì hệ thống AMPS có

100 các tế bào với đường kính 10km phủ sóng cùng một diện tích có thể thiết lập được 10 đến 15 cuộc gọi cho mỗi tần số

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

3.4.2.2 Thế hệ thứ 2 (2G):

Mạng thông tin di đông thế hệ thứ 2 dùng để truyền tín hiệu thoại số,

a D – AMPS

thoại số, được qui định trong chuẩn quốc tế IS-54 và IS-136

D-AMPS được thiết kế tương thích với hệ thống APMS để cho chúng

có thể hoạt động đồng thời trên cùng một tế bào

băng tần từ 1930-1990 MHz cho kênh chiều xuống với bước sóng là 16cm, có thể sử dụng các băng tần 850 MHz và 1900 MHz để tăng

cường tối đa số lượng kênh truyền

nén dữ liệu từ băng thông PCM chuẩn là 56 Kbps xuống còn 8

Kbps hoặc thấp hơn thông qua mạch nén dữ liệu gọi là mạch

Vocoder Mục đích của việc nén này là giảm số lượng bit gửi đi trên kênh truyền qua không khí có băng thông thấp

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

thể cùng chia sẽ một cặp tần số bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép

kênh phân chia theo thời gian Mỗi cặp tần số được chia thành 25

khung/giây, độ rộng của mỗi khung là 40ms Mỗi khung này được

chia thành 6 khe thời gian với độ rộng mỗi khe thời gian là 6.67ms

(hình vẽ) Với kỹ thuật này, số lượng người dùng có thể tăng lên

thành 6 người dùng/khung

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

b GSM

 Về cơ bản, hệ thống GSM cũng tương tự như hệ thống

D-AMPS, người ta phân chia hệ thống này thành các tế bào và

sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số để chia

băng thông của hệ thống thành các dãi tần số dành cho việc

phát và thu tín hiệu

 Với mỗi dãi tần, người ta lại chia nó thành các khe thời gian

bằng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian tạo ra các

kênh truyền dành cho các đầu cuối thuê bao di động Tuy

nhiên, độ rộng của các dãi tần của hệ thống GSM lớn hơn so

với hệ thống D-AMPS (200 KHz thay vì 30 KHz của hệ thống D-AMPS) với số lượng người dùng tương ứng là 8 người

dùng, vì vậy tốc độ dữ liệu của hệ thống GSM lớn hơn so với

hệ thống D-AMPS

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

 Mỗi dãi tần có độ rộng là 200 KHz, như vậy một hệ thống GSM sẽ có 124 cặp dãi tần dành cho phát và thu tín hiệu từ trạm phát đến đầu cuối thuê bao, mỗi dãi tần hỗ trợ 8 kết nối đồng thời tương ứng với 8 khe thời gian Về mặt lý thuyết, mỗi tế bào cho phép hoạt động tới 992 kết nối, tuy nhiên

trong đó có nhiều kênh không thể sử dụng được để đảm bảo tránh xung đột tần số với các tế bào liền kề

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

c CDMA (Code Divison Multiple Access – Đa truy cập phân chia theo

mã)

CDMA cho phép các đầu cuối thuê bao sử dụng toàn bộ dãi tần để

phát và thu dữ liệu Dữ liệu của các đầu cuối thuê bao được phân

biệt với nhau bằng kỹ thuật mã hóa

gọi là các chip Trên thực tế, thông thường có khoảng 64 hoặc 128

chip trên một bit

 Mỗi đầu cuối thuê bao được gán một mã duy nhất có độ dài là m-bit được gọi là số thứ tự chip (chip sequence)

1 00011011, bit 0 11100100.

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay

 Việc tăng tốc độ đường truyền từ b bps thành mb chip/s chỉ có

thể thực hiện được trong điều kiện băng thông cho phép,

chính vì vậy mà CDMA được xem là một phương thức truyền

thông tin phổ rộng (trãi phổ)

 Ví dụ băng thông 1MHz cho 100 thuê bao, sử dụng FDM thì

mỗi thuê bao có băng thông 10KHz, tốc độ truyền 10kbps

Với CDMA, mỗi thuê bao có băng thông 1MHz, tức là tốc độ

chip là 1Mchip/s Giả sử tốc độ chip/bit là 10 thì tốc độ truyền cho mỗi thuê bao là 100kbps

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến

hiện nay

3.4.2.3 Thế hệ thứ 3 – 3G

 Nhu cầu về dịch vụ dữ liệu với tốc độ cao và sự hội tụ

CNTT  xuất hiện mạng 3G: tích hợp thoại và dữ liệu tốc

độ cao

 Năm 1992, tổ chức viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra bộ

tiêu chuẩn dành cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3G là IMT-2000 (International Mobile Telecommmunications-

2000)

 Dịch vụ thoại chất lượng cao

 Tin nhắn (thay thế email, fax, SMS, chat,…)

 Đa phương tiện (nghe nhạc, xem video, xem film, xem TV,…)

 Truy cập Internet

3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến

hiện nay

 Các chuẩn mạng 3G

sử dụng, với độ rộng băng tần là 5MHz và có thể kết nối được với hệ thống GSM Hệ thống này được cộng đồng Châu Âu

hỗ trợ mạnh và còn được gọi là hệ thống UTMS (Universal Mobile Telecommunication System)

rộng băng tần cũng là 5MHz nhưng lại không thể kết nối được với hệ thống GSM và đặc điểm kỹ thuật của nó cũng khác với W-CDMA như tốc độ chip, khung thời gian, phương thức

đồng bộ tín hiệu

 Vẫn còn nhiều mâu thuẫn về việc lựa chọn một trong các

chuẩn công nghệ trên  mạng 2,5G để đáp ứng nhu cầu thực tế