Công nghệ mạng quang không dây và ứng dụng

Trong đồ án này, sẽ xem xét một số đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây, các tính năng và kỹ thuật làm việc của hệ thống IR không dây để sử dụng trong thực tế. Đồ án gồm có ba chương: Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ quang không dây. Chương 2: Điều chế mã hóa và đa truy nhập. Chương 3: Tìm hiểu về ứng dụng triển khai mạng quang không dây.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài : “Công nghệ mạng quang không dây và ứng dụng” Giảng viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN ĐỨC THỦY Sinh viên thực hiện : NGUYỄN QUỐC HUY Lớp : D08VT3 Khoá : 2008-2013 Hệ : ĐH CHÍNH QUY Hà Nội, 30 tháng 11 /2012 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Điểm: … (Bằng chữ ………………) Ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên phản biện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống truyền thông quang không dây đã bắt đầu tràn ngập tất cả các lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Các thiết bị như điện thoại di động, PDA, và các thiết bị ngoại vi máy tính, đang ngày càng kết hợp sử dụng thu phát hồng ngoại nhằm cung cấp sự thay thế cho vô tuyến để kết nối không dây. Trong đồ án này, em sẽ xem xét một số đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây, các tính năng và kỹ thuật làm việc của hệ thống IR không dây để sử dụng trong thực tế. Đồ án gồm có ba chương: Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ quang không dây. Chương 2: Điều chế mã hóa và đa truy nhập. Chương 3: Tìm hiểu về ứng dụng triển khai mạng quang không dây. Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Đức Thủy, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xây dựng và hoàn thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô, các bạn trong Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh, chị em cùng tất cả những người thân và bạn bè, những người đã giành cho em những gì tốt đẹp nhất trong suốt quá trình học tập để em có được đến hôm nay. Em xin chân thành cảm ơn ! ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i v DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v 1.3 Sự phát triển của hệ thống truyền thông hồng ngoại 8 1.4 Kênh quang không dây 14 1.5 Thiết kế cơ bản 16 1.6 Nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng 17 1.7 Tóm tắt và kết luận 18 2.1 Giới thiệu về điều chế và công nghệ đa truy nhập 20 2.2 Điều chế 20 2.2.1 Điều chế tương tự 20 2.2.2 Điều chế xung 21 Những cách khác để điều chỉnh các tín hiệu tương tư bao gồm việc sử dụng điều chế vị trí xung (PPM).Điều chế biên độ xung PAM (có nhiễu phụ nên không được ưa chuộng trong các hệ thống thông tin không dây IR) và điều chế xung thời gian (PDM). Điều chế sử dụng các kỹ thuật này được thực hiện bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự và truyền nó bằng cách sử dụng xung kỹ thuật số điều chế trong biên độ, vị trí hoặc thời gian theo biên độ của tín hiệu tương tự. Biên độ của sóng mang được điều chế theo đặc tính của các tín hiệu tương tự. Trong kỹ thuật L-PAM (PAM mức L) thì các bit của dữ liệu được nhóm lại và truyền như một xung đơn. Biên độ của xung được 21 2.2.3 Điều chế số 23 2.3 Công nghệ đa truy nhập quang 26 2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập điện 26 Ghép kênh điện là một hình thức đáng tin cậy cung cấp truy cập giữa nhiều người sử dụng, như đã nói ở trên, 2 kỹ thuật điều chế điện sử dụng rộng rãi trong thực tế là TDMA và CDMA 27 2.3.2 Kỹ thuật đa truy nhập quang 29 Sự ghép kênh quang đề cập tới kỹ thuật mà nhiều người dùng có thể chia sẻ các phương tiện IR bằng cách sử dụng các tính chất quang. Như đã đề cập ở trên, 2 kỹ thuật được sử ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC dụng trong đa truy nhập quang là đa truy nhập phân chia theo bước sóng WDMA và đa truy nhập phân chia không gian SDMA. WDMA xác định cách thức mà 29 2.4 Giao thức không dây tiêu chuẩn 33 2.5 Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại 33 2.6 Tổng quan Tiêu chuẩn IrDA 35 2.7.2 IrDA thu 39 2.7.3 Thông số kỹ thuật bộ thu phát 40 CHƯƠNG 3: MẠNG KHÔNG DÂY HỒNG NGOẠI 46 3.1 Giới thiệu 46 3.2 Kiến trúc mạng 46 3.3 Thông sô kỹ thuật mạng quang không dây 48 3.3.1 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 48 3.3.2 IrDA Air 53 Các giao thức IrDA 1.x đã được chấp nhận rộng rãi bởi nhiều nhà sản xuất cho một loạt các thiết bị, như máy tính xách tay, PDA, máy in, máy tính, điện thoại di động, vv .Các giao thức này được thiết kế chủ yếu sử dụng kiến trúc điểm–điểm, trong đó giao diện quang học có hình nón một góc phát xạ tối đa = 15°. Để mở rộng phương thức truyền thống điểm-điểm và cho phép hoạt động đa điểm, IrDA đã đề xuất tới hồng ngoại tiên tiến (AIr), giao thức về kết nối mạng cục bộ trong nhà. Công nghệ này đã được phát triển trong IBM, bao gồm các nhóm IR, các phòng thí nghiệm của họ ở Zurich và các thành viên khác của IrDA. AIR lớp vật lý mới (AIR-PHY) sử dụng cổng hồng ngoại góc rộng có khả năng hoạt động ở góc độ lên đến 60°. Những góc độ truyền thông rộng đã tăng độ bao phủ không gian, có nghĩa là thu phát không chồng lấn lẫn nhau. Các thiết bị IrDA đã đưa ra một mức độ tự do cho chuyển vùng. Thay đổi lặp đi lặp lại hiệu quả điều chế 4 xung (4PPM), thay đổi lặp đi lặp lại (VR), mã hóa chương trình cũng đã được áp dụng cho AIR. Số lần lặp lại được gọi là tỷ lệ lưu (RR) và dao động từ 1 đến 16 (1, 2, 4, hoặc 16), tương ứng với tỷ lệ bit giữa 4Mbps và 250 kbps. Điều này cung cấp một sự linh động giữa tỷ lệ bit và phạm vi truyền dẫn hoặc chất lượng liên kết. Trong AIr-IrPHY, máy thu ước tính tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và thông báo cho các máy phát tốc độ bit có thể được hỗ trợ. 53 3.4. Mạng Ad Hoc 57 3.4.1Các vấn đề trong thiết kế mạng Ad Hoc 57 3.4.2 Định tuyến trong mạng Ad Hoc hồng ngoại 58 3.4.3 Bảo mật trong mạng Ad Hoc hồng ngoại 59 3.5 Chất lượng dịch vụ QoS 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 3.5.1 QoS trong lớp MAC: IEEE 802.11e 62 3.5.2 QoS trong định tuyến 63 3.6 Tương lai mạng hồng ngoại 64 3.7 Ứng dụng triển khai mạng hồng ngoại 65 Đo nhiệt độ 65 Việc thu nhận và đo đạc tia hồng ngoại có thể giúp xác định nhiệt độ của vật từ xa, nếu chúng là nguồn phát ra các tia thu được. Hình chụp trong phổ hồng ngoại gọi là hình ảnh nhiệt, hay trong trường hợp vật rất nóng trong NIR hay có thể thấy được gọi là phép đo nhiệt. Kỹ thuật đo nhiệt độ bằng hồng ngoại được dùng chủ yếu trong quân sự, và ứng dụng công nghiệp. Kỹ thuật này hiện cũng đang được ứng dụng và dần quen thuộc với thị trường dân sự như: máy ảnh trên xe hơi; tùy thuộc vào giá thành của các sản phẩm có được giảm mạnh hay không 65 Kỹ thuật hồng ngoại rất quan trọng với ngành quốc phòng. Những tên lửa không đối không cự ly gần mà máy bay chiến đấu sử dụng đều có dùng tia hồng ngoại dẫn đường. Đầu tên lửa lắp thiết bị thăm đò hồng ngoại, tên lửa tự động bám sát làn khói có nhiệt độ cao của máy bay hoặc nhiệt sinh ra do ma sát giữa vỏ máy bay và không khí khi bay với tốc độ cao và phá huỷ máy bay 65 Trong chiến tranh vùng Vịnh 1991, để đối phó với tên lửa Skut của Irac, Mỹ dùng đến vệ tinh cảnh báo. Trên vệ tinh có lắp kính viễn vọng và 6000 linh kiện thăm dò hồng ngoại. Khi bắt đầu phóng tên lửa Skut, khói ở đuôi tên lửa có nhiệt độ cao bị vệ tinh phát hiện, truyền số liệu về trung tâm ở mặt đất, tính toán mục tiêu để phóng tên lửa Patriot phá huỷ tên lửa Skut ở trên không 65 Phát nhiệt 65 Tia hồng ngoại được dùng trong phòng tắm hơi và làm tan tuyết trên cánh máy bay, do da người và bề mặt cánh máy bay có thể hấp thụ tốt năng lượng của tia hồng ngoại. Một lượng lớn năng lượng mặt trời cũng nằm trong vùng hồng ngoại. Các vật nóng cỡ vài trăm độ C như lò sưởi, bếp cũng phát ra bức xạ vật đen có cực đại ở vùng hồng ngoại. Do vậy tia hồng ngoại còn được gọi là tia nhiệt 65 Truyền thông 65 Dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ.Ví dụ như từ máy tính sang máy tính, máy tính sang điện thoại, điện thoại với điện thoại hoặc các thiết bị hiện đại gia 65 dụng khác 65 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng LAN không dây IR 3 Hình 1.3 Các cấu hình khác nhau của liên kết IR không dây. Đường chấm đại diện cho các hình thức khác nhau 4 Hình 1.3 Cấu hình bán khuếch tán 8 Hình 1.4 Thứ tự các nghiên cứu truyền quang không dây 14 Hình 1.5 Mô hình kênh từ năng lượng tín hiệu truyền dòng quang được tạo ra: 15 Hình 2.1 Điều chế FM/IM 21 Hình 2.2 Điều chế xung mã PCM 22 Hình 2.3 Điều chế xung PCM sử dụng mã Manchester 23 Hình 2.4 Điều chế PSK 24 Hình 2.5 Điều chế FSK 24 36 Hình 2.5 Thành phần vật lý lớp giao thức IrDA 36 Hình 2.6 Ngăn xếp lớp giao thức IrDA 36 39 Hình 2.7 Giới hạn xung hồng ngoại IrDA 39 Hình 2.8 Đặc tính quang học của máy thu phát hồng ngoại 42 Hình 3.1 Mạng Ad hoc 47 Hình 3.2 Mạng kết cấu hạ tầng 48 Hình 3.3 : Lớp vật lý và lơp MAC trong IEEE 802.11 49 Hình 3.4 Phương pháp truy cập cơ bản DCF 51 53 Hình 3.5 Trao đổi RTS /CTS 53 Hình 3.7 Kênh truy cập AIr 55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hình 3.8 Kiến trúc MAC IEEE 802.11e 62 HCCA là một cơ chế xung đột dựa trên sự tự do, như là PCF trong tiêu chuẩn IEEE 802.11. Việc đổi mới chính được giới thiệu trong HCCA là khả năng thăm dò ý kiến các trạm trong nội dung và xung đột thời gian tự do (CFP) 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giá trị truyền tải điện năng khuếch tán đầu ra cho cấu hình được theo dõi 6 Bảng 1.2 Các đặc điểm chính của các cấu hình được giới thiệu 9 Bảng 2.1 So sánh các kỹ thuật đa truy cập trên một hệ thống di động 28 Bảng 2.2 So sánh các Công nghệ không dây IrDA, Bluetooth, và WiFi 37 Bảng 2.3 Cường độ tín hiệu tối thiểu và tối đa và Irradiances cho máy phát và nhận IrDA-Based 43 NGUYỄN QUỐC HUY – D08VT3 Page iv [...]... Local Area Network Mạng không dây cục bộ ZRP Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến vùng NGUYỄN QUỐC HUY – D08VT3 Page viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây 1.1 Giới thiệu Trong vài thập kỷ qua, các công nghệ không dây đã có nhu cầu lớn chưa từng có trong lịch sử Khách hàng công nghiệp và tư nhân đang... Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây 1.2 Cấu hình hệ thống Hệ thống quang không dây sử dụng trong nhà và ngoài trời có thể được sắp xếp trong một số cấu hình tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của một hệ thống Nhìn chung, cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang không dây trong nhà được phân loại theo hai tham số: • Đường dẫn không bị cản trở giữa truyền và nhận (LOS, non-LOS)... rẻ và nhanh chóng với các mạng không dây Duy trì và cài đặt lại cấu hình mạng có dây thường đắt tiền, tốn thời gian, và phức tạp (đặc biệt là trong các tình huống mà cáp cài đặt ở những nơi không thể tiếp cận) Hơn nữa, dây cáp dễ bị hư hỏng , có thể gây ảnh hưởng cho hoạt động của mạng Vô tuyến và tia hồng ngoại (IR) là các phần chính của quang phổ điện từ được sử dụng để truyền thông tin không dây. .. đầu tiên nghiên cứu trên mạng không dây IR Các báo cáo đầu tiên về nghiên cứu thử nghiệm của IBM đã được công bố giữa năm 1978 và 1979 Họ mô tả một liên kết song công IR đạt được tốc độ bit 64kbps sử dụng PSK và một sóng mang tần số 256kHz NGUYỄN QUỐC HUY – D08VT3 Page 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây Hệ thống bao gồm một vệ tinh quang học có chứa 40GaAs... 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây nền và λs (t) là tỷ lệ thuận với cường độ quang tức thời của tín hiệu nhận được Trong các môi trường nơi nền ánh sáng cao và sử dụng một máy thu băng thông rộng, nhiễu được đưa vào diode tách sóng quang có thể được mô hình hóa như một nhiễu Gaussian trắng bổ xung (AWGN) cộng với một DC bù đắp Đối với các ứng dụng trong nhà bằng cách sử dụng cấu hình khuếch... tất cả các thiết bị này ngày càng kết hợp công nghệ cho phép hoạt động mà không cần dây cáp Những lợi ích của công nghệ không dây mang lại cho người sử dụng là sự thuận tiện trong tính di động và tính linh hoạt của vị trí thiết bị đầu cuối Trong một số ứng dụng, bằng cách sử dụng các giải pháp không dây có thể giảm đáng kể chi phí và thời gian Cấu hình của thiết bị đầu cuối máy tính hoặc các hệ thống... gốc để truyền dây quang học bằng cách sử dụng (IM / DD) có thể được mô tả như sau: y(t) = y(t) đại diện cho dòng tức thời được tạo ra bởi bộ tách sóng quang ở phía thu, x(t) là công suất quang tức thời của máy phát, n(t) thể hiện nhiễu Gaussian trắng, và h(t) thể hiện đáp ứng đa xung NGUYỄN QUỐC HUY – D08VT3 Page 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây Kahn cũng... an toàn mắt), nên một giới hạn quang điện an toàn và hiệu quả phát ra bởi các máy phát hồng ngoại không dây Có tính đến cả những lợi thế và nhược điểm của IR, nó sẽ không thay thế vô tuyến như là phương tiện duy nhất để truyền thông tin không dây Có nhiều khả năng là sóng vô tuyến và IR sẽ tiếp tục hoạt động theo cách bổ sung lẫn nhau, được sử dụng tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể IR có thể sẽ tiếp... trắng để sử dụng đặc tính phản quang của trần nhà và các bức tường (mà cũng đã được sơn màu trắng) để giải tỏa năng lượng và phân phối nó đều ta toàn căn phòng Công suất trung bình của nguồn này là 475mW NGUYỄN QUỐC HUY – D08VT3 Page 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây Máy thu của hệ thống kết hợp một bộ tập trung bán cầu quang học của bán kính 2cm và chỉ số... NGHIỆP ĐẠI HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây chuẩn trực cũng cho phép người sử dụng thu hẹp FOV đó, do tính chất chỉ thị của nó, có thể dẫn đến độ tăng ích quang cao (khi sử dụng một bộ tập trung quang) , làm tăng độ nhạy của máy thu và giảm nhu cầu truyền năng lượng lớn trong một khoảng cách nhất định Việc sử dụng các máy thu đa dạng góc và thiết bị đa phát sóng tại chỗ cũng . HỌC Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây 1.1 Giới thiệu Trong vài thập kỷ qua, các công nghệ không dây đã có nhu cầu lớn chưa. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài : Công nghệ mạng quang không dây và ứng dụng Giảng viên hướng dẫn : TS năng và kỹ thuật làm việc của hệ thống IR không dây để sử dụng trong thực tế. Đồ án gồm có ba chương: Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ quang không dây. Chương 2: Điều chế mã hóa và đa