Phân tích hiệu năng truyền tải TCP trên mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy

Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăng nhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt do nhu cầu sử dụng tăngrất nhanh, hạn chế khi sử dụng t

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

NGUYEN CÔNG KHANH

PHAN TÍCH HIỆU NANG TRUYEN TAI TCP TREN MẠNG TRUYEN THONG

ANH SANG NHIN THAY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

Mã số: 60.52.02.08

TOM TAT LUẬN VĂN THAC SĨ

HÀ NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Thế N gọc

Phản biện 1: TS Hoàng Van Võ

Phản biện 2: TS Hoàng Ứng Huyền

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 9 giờ, ngày 27 tháng 2 năm 2016

Có thê tìm hiêu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LOI MỞ DAU

Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dung sóng vô tuyến làm phương tiện

truyền dẫn chính Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăng nhưng công nghệ

này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt (do nhu cầu sử dụng tăngrất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường như bệnh viện (dễ ảnh hưởng tới

độ chính xác và chế độ hoạt động của các thiết bị y tế), và không thé sử dung gan khu vuc

không lưu của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến có thé gây nhiễu lên điều hành máy bay Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diode phát quang LED với nhiều ưu điểm

như hiệu quả chiếu sáng cao, tiết kiệm điện năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sửdụng ánh sáng nhìn thấy để truyền dẫn thông tin

Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy VLC được xem như là một lời giảicho bài toán về băng thông cũng như các nhược điểm khác của công nghệ truyền thông

sử dụng sóng vô tuyến với băng thông sử dụng gần như không giới hạn, không gây xuyên

nhiễu nên có thê sử dụng ở các môi trường bệnh viện, sân bay Đặc biệt hơn nữa chúng |ta

có thê xây dựng hạ tầng vừa dùng đề chiếu sáng vừa dùng đề truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là các bóng đèn LED.

Giao thức điều khiến truyền van TCP là một trong các giao thức cốt lõi của bộ giao thứcTCP/IP Giao thức nay dam bảo chuyền giao dữ liệu một cách đáng tin cậy cho nhiều ứng

dụng trong mạng Internet (như FTP, TELNET, thư điện tử ) TCP làm cho các chương

trình máy tính đề giao tiếp với nhau, điển hình qua mạng máy tính Khi một chương trìnhmuốn gửi rất nhiều dữ liệu, TCP là phụ trách về phân chia dữ liệu, gửi nó qua mạng, va

đưa nó trở lại với nhau một cách chính xác trên một máy tính khác nhau Trong quá trình

này, IP chọn mà dây và "nút giao thông" được sử dụng dé gửi tất cả các mảnh dữ liệu một

cách nhanh nhất Nó làm điều này bằng cách sử dụng các gói dữ liệu

Vì vậy, em đã chon lựa đề tài luận văn tốt nghiệp “ Phân tích hiệu năng truyền tải TCP

trên mạng truyền thông ánh sang nhìn thay”

Nội dung luận văn của em gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về truyền thông ánh sáng nhìn thay VLC

Chương 2: TCP và hiệu năng truyền tải TCP

Chương 3: Hiệu năng truyền tải TCP trên mạng VLC

CHUONG I: TONG QUAN VE TRUYEN THONG ANH SANG NHÌN THAY VLC

1.1 Giới thiệu về truyền thông ánh sáng nhìn thay VLC

1.1.1 Khái niệm VLC

VLC- Truyén thong bang ánh sáng nhìn thay sử dụng phan ánh sáng nhìn thay được dé

truyền thông tin, dé so sánh thì VLC gần giống công nghệ truyền thông không dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóng điện từ (Radio Frequency — RF) dé truyền dữ liệu.

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằm trongkhoảng mắt người có thé nhận biết được Các bước sóng này nam trong khoảng từ 380nm

đến 750nm

1.1.2 Lịch sử phát triển của VLC

Bảng 1.1 Quá trình phát triển của công nghệ VLC

Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bi di động

2004 cầm tay tại Nhật Bản.

200s | Thử nghiệm thực tế hệ thông truyền dẫn VLC tới điện thoại di động với

tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang va LED tại Nhật Bản

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tới

2007 lá: Be nn pe

thiét bi cam tay, hang tivi Fuji, Nhat Ban.

Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho hệ

2007 thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuan cho hệ thông VLC Hiệp

hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản — JEITA đã chấp nhận các

tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222

Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng và

2008 hồng ngoại đề truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU

Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s

VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác định

2002 phô tần sử dụng trong VLC.

Phát trién công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như TV, PC, điện thoại

2010 di động ở đại học California, USA.

Công bô hệ thông định vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà tại Nhật

2010 Bản.

Truyền dẫn với hệ thong VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với khoảng cách 5m,

2010 thực hiện bởi Siemen và Viện Heinrich Hertz, Duc.

2010 Phát triển các chuẩn công nghiệp cho công nghệ sử dung VLC bởi IEEE.

2011

Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử dungLED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh

1.1.3.1 Dung lượng

e Băng thông lớn — Phé tan của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000 lần

so với phố sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng

e_ Mật độ dữ liệu — Công nghệ VLC có thé đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần so

với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chi tập trungtrong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra và gây xuyên

nhiễu.

e Tốc độ cao— Công nghệ VLC có thé đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng

thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra

e Quản lý — Việc quản lý trở nên khá dé dàng do không gian chiếu sáng chọn lựa dé

truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng vô tuyến

không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn nhiều

1.1.3.2 Hiệu năng

e_ Chi phí thấp — Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử dụng

sóng điện từ.

e Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả (bóng đèn LED hiện nay tiết

kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thông thường) và năng lượng dùng cho truyền

dẫn dữ liệu là không đáng kể

e_ Truyền thông dưới nước — Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rất khó

khăn nhưng VLC có thé hoạt động tốt ở môi trường này

1.1.3.3 An toàn

e An toàn - Không cần phải xem xét bat cứ van dé nào về an toàn hay sức khỏe khi

sử dụng công nghệ này.

e Không gây ảnh hưởng nguy hiểm — Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng nhìn thấy

sẽ tránh được các nguy cơ gây nguy hiểm đến một số môi trường khác (bệnh viện,

máy bay ) hay tia lửa điện bắt nguồn từ hệ thống antenna thu phát sóng điện từ

1.1.3.4 Bảo mật

e Ngăn chặn — Đối với môi trường trong nhà( indoor), sẽ rất khó dé có thể thu thập

hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản va chỉ

tập trung trong khu vực cần thiết

e Điều khiển — Dữ liệu sẽ được chuyền trực tiếp từ một thiết bi sang thiết bị khác và

người sử dụng hoàn toàn có thê nhìn thấy và biết được dữ liệu của mình đang đượcchuyền đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương án bảo mật liên kết nàokhác như khi truyền thông với sóng điện từ

1.2 Mô hình hệ thống

1.2.1 Mô hình hệ thống phía phát

LED có cấu tạo đơn giản gồm 2 lớp bán dẫn loại n và loại p ghép với nhau LED

đầu tiên chỉ phát ra ánh sáng đỏ với cường độ thấp, tuy nhiên các thế hệ LED hiện nay đã

có thê phát xạ ánh sáng ở vùng ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sángcực tím với độ sáng cao hơn rất nhiều so với các LED trước đây Các thiết bị LED có độ

bên và tính ồn định cao hơn các laser bán dan do LED sử dung dòng điện nhỏ va côngsuất quang thấp hơn nhiều so với giới hạn chịu đựng của vật liệu Tùy thuộc vào mục đích

sử dụng, các loại LED được sản xuất với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:

Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tử đang ở

vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở điều kiện bình thường,nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ điện tử ở vùng dẫn nhưng khi

được kích thích, các điện tử nhảy mức năng lượng làm cho nồng độ điện tử ở vùng dẫnlớn hơn so với nồng độ điện tử ở vùng hóa trị Đồng thời, dưới tác dụng của điện trườngphân cực thuận, các điện tử từ lớp N sẽ được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống

ở lớp P cũng được khuếch tán sang lớp tích cực Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sé tái

hợp (re-combine) và phát xạ ra photon ánh sáng Hiện tượng phát xạ ở đây chủ yếu là hiện

Diode PIN được định thiên nghịch Ánh sáng đi vào từ phía p, mỗi photon ánh sáng

có năng lượng hf lớn hơn hoặc bằng năng lượng dải cam E_g của bán dẫn và kích thích

điện tử từ dải hóa trị vượt qua dai cắm đi tới dai dẫn Quá trình này để lại trong dải hóa trị một lỗ trống do đó hình thành các cặp điện tử- lỗ trống Trong lớp nghéo, đưới tác động

của điện trường ngoài, các cặp điện tử- lỗ trống này được tách ra, điện tử trôi về phía n và

các lỗ trống trôi về phía p

Diode tách quang thác APD có nguyên tắc hoạt động tương tự nhưng các cặp điệntử- lỗ trong sẽ được qua một miền điện trường va được gia tốc, va đập mạnh vào cácnguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ionhóa do va chạm Các hat tải điện thứ cap qua miền điện trường lại tiếp tục được gia tốc vàtạo ra các cặp điện tử-lỗ trồng mới gây ra hiệu ứng thác

1.2.2.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor — IS)

Chip cảm biến hình ảnh sử dụng trong VLC là loại chip cảm biến điểm ảnh chủđộng (Active Pixel Sensor) hay còn được gọi là CMOS, loại chip này được sử dụng rấtrộng rãi, tích hợp trong các smart phone, máy ảnh Cấu tạo của chip cảm biến hình ảnh

CMOS chứa một bảng các cảm biến điểm ảnh (pixel) Ánh sáng chiếu qua ống kính sẽ

được lưu lại tại các điểm ảnh Mỗi điểm ảnh lại có một mạch tích hợp chứa diode tách

sóng quang, bộ khuếch đại và một số các chỉ tiết khác Cường độ ánh sáng sau đó sẽ được

chuyền thành tín hiệu điện và được giải điều chế.

Dùng đê loại bỏ các ánh sáng từ nguôn bên ngoài (ánh sáng mặt trời, ánh sáng đèn)

cũng như ánh sáng khác gây nhiễu Ngoài ra sau đó tín hiệu sẽ được qua các bộ khuếch

đại trước khi được giải điều chế

Dong tách quang /,(t) sẽ được tính toán: I,,(t) = RF,() © h(t) +n(t) (1.6)

Trong đó: P,(t) là công suất quang tức thời; h(t) là đáp ứng xung của kênh; z7) là nhiễu

được cộng độc lập với tín hiệu.

Công suất phát trung bình b được tính theo công thức:

P= lim+ | Pat P(t)>0 (1.7)

Công suất thu trung bình P được tinh theo công thức: P = PH (0) với H(0) là độ lợi kênhtruyền

1.4 Ứng dụng

1.4.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC

Hệ thông VLC có thê được triên khai đôi với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời.

Đối với môi trường truyền dẫn ngoài trời, có thê thiết kế mô hình hệ thống truyền dẫn

gôm các cột đèn chiêu sáng, đèn giao thông, màn hình quảng cáo truyền thông với các

phương tiện giao thông cũng như các thiết bị di động

Với moi liên két dau cuôi khác nhau, chúng ta có thê ứng dụng triên khai các dịch vụ khác

nhau ứng với các tốc độ truyén dẫn khác nhau như truyền dữ liệu, chia sẻ nội dung, truyền

video, định vị, điều khiển

1.4.2 Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện

e Hệ thống truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong nhà

Công nghệ VLC sẽ được kết hợp với công nghệ truyền dẫn bằng đường điện PLC,Wifi, Hồng ngoại để cung cấp mạng truy nhập không dây mà không cần thêm bất cứkết nỗi nào khác

e Hệ thống truyền dẫn VLC Multiple-input Multiple-Output (MIMO)

Truyền dẫn MIMO có thé triển khai bằng cách sử dung bảng gắn nhiều LED, khi tín

hiệu truyên đên bộ tập trung quang, bộ này sẽ chia tín hiệu đên các Diode tương ứng.

e Truyện dẫn giữa các người dùng di động bang camera với chip cảm biến hình ảnh

Ý tưởng của mô hình này đó là tín hiệu sẽ được phát bằng đèn giao thông hoặc cácbảng quảng cáo, các phương tiện giao thông hoặc người sử dụng di chuyền sẽ sử dụngcamera (vốn được tích hợp trên rất nhiều thiết bị điện tử cầm tay) đề thu nhận tín hiệu.Các ứng dụng có thê được triển khai như broadcast thông tin, định vị, dẫn đường

1.5 Kết luận

Chương I đã trình bay một cách chi tiết và cu thể về từng phan tử cau thành nên hệ

thống VLC và một số ứng dụng cơ bản của công nghệ VLC Công nghệ truyền thông sử

dụng ánh sáng nhìn thấy VLC đã đạt được những thành công nhất định (tốc độ truyền dẫnlên đến hàng Gb/s) với rất nhiều ứng dung hap dẫn (truyền dẫn dữ liệu, định vi, broadcast

dữ liệu, điều khiển, đo lường, truyền thông dưới nước), hứa hẹn sẽ làm thay đổi và mở ra

kỷ nguyên mới cho công nghệ truyền thông không dây

CHUONG II: TCP VÀ HIỆU NĂNG TRUYEN TAI TCP

2.1 Giới thiệu về TCP

2.1.1 Lịch sử của TCP

2.1.1.1 Giới thiệu về TCP/IP

Thiết kế TCP/IP được như ngày hôm nay là nhờ vai trò mang tính lịch sử của nó Internet,giống như rất nhiều thành tựu công nghệ cao khác, bắt nguồn từ nghiên cứu của Bộ Quốcphòng Mỹ Vào cuối những năm 60, các quan chức Bộ Quốc phòng Mỹ này bắt đầu nhận

thấy lực lượng quân sự đang lưu giữ một số lượng lớn các loại máy tính, một số không

được kết nối, số khác được nhóm vào các mạng đóng, do các giao thức “cá nhân” không

tương thích “Cá nhân”, trong trường hợp này, có nghĩa là công nghệ đó do một nhóm nào

đó kiểm soát.

“Cá nhân”, trong trường hợp này, có nghĩa là công nghệ đó do một nhóm nào đó

kiểm soát Nhóm này có thể không muốn tiết lộ các thông tin liên quan về giao thức củamình dé những người sử dung có thé kết nối

Kết quả là mạng ARPAnet (Advanced Research Projects Agency) Hệ thống giao thức hỗtrợ sự kết nối qua lại, phi tập trung là khởi điểm của TCP/IP ngày nay

Một vài năm sau, khi Hiệp hội Khoa học Quốc gia Mỹ muốn xây dựng một mạng lưới dékết nối các tô chức, ho áp dung giao thức của ARPAnet va bat đầu hình thành Internet.Yếu tố phi tập trung của ARPAnet chính là một phần của sự thành công của TCP/IP vàInternet.

2.1.2 Hoạt động cua TCP

2.1.2.1 Câu trúc mào đầu TCP

Hình 2.1 bên dưới mô tả các định dang của tất cả các phân đoạn TCP hợp lệ Kích thướccủa tiêu đề mà không lựa chọn là 20 byte Ta sẽ xác định một thời gian ngắn mỗi trườngcủa tiêu đề TCP bên dưới

Tại một số thời điểm sau này trong thời gian, máy chủ B nhận được phân đoạn SYN này,

xử lý nó và phản ứng với một phân đoạn TCP của riêng nó Những phản ứng từ máy chủ

B chứa bit kiểm soát SYN đặt và ISN riêng của mình đại diện là biến y máy chủ B cũngđặt các bit điều khién ACK để chỉ các byte tiếp theo dự kiến từ máy chủ A nên chứa dữliệu bắt đầu với số thứ tự x + 1

Khi máy chủ A nhận ISN máy chủ B và ACK, nó sẽ hoàn thành giai đoạn thiết lập kết nốibăng cách gửi một đoạn báo nhận đến máy chủ B Trong trường hợp này, máy chủ A đặt

bit kiểm soát ACK và chỉ ra các byte dự kiến tiếp từ Host B bang cách đặt số nhận y + 1

trong trường báo nhận.

e Truyền dữ liệu

Một thực hiện đơn giản, TCP sẽ đặt phân đoạn vào mạng cho phía nhận miễn là có dữ liệu

để gửi và miễn là phía gửi không vượt quá các cửa số quảng cáo bởi phía nhận Là phíanhận chấp nhận va xử lý phân đoạn TCP, nó sẽ gửi lại báo nhận xác định, chỉ ra dau làdòng byte Những báo nhận cũng chứa các "cửa số" mà quyết định có bao nhiêu byte nhậnhiện đang sẵn sảng dé chap nhận Nếu di liệu được nhân đôi hoặc bi mat, một "lỗ hồng"

có thé tổn tại trong dòng byte Một máy thu sẽ tiếp tục ghi nhận những vi trí tiếp giáp hiện

nhất trong các dong byte nó đã được chấp nhận

e Chấm dứt kết nối

Đề cham dứt kết nối, các ứng dụng đang chạy trên máy chủ A tín hiệu TCP dé đóng kếtnối Điều này tạo ra các phân đoạn FIN đầu tiên từ máy chủ A đến máy chủ B Khi máy

chủ B nhận được các phân đoạn FIN ban đầu, nó ngay lập tức thừa nhận các phân đoạn

và thông báo cho ứng dụng đích yêu cầu chấm dứt Một khi ứng dụng trên máy chủ B

cũng quyết định đóng cửa các kết nối, nó sau đó gửi phân đoạn FIN riêng của mình, mà

máy chủ A sẽ xử lý và đáp lại với một báo nhận.

2.1.2.3 Cửa số trượt và điều khiển luồng

Điều khiến luồng là một kỹ thuật mà mục đích chính là dé phù hợp với tốc độ truyền củangười gửi đến người nhận và mạng TCP sử dụng các trường cửa số, như là phương tiệnchủ yéu dé kiểm soát luồng Trong giai đoạn chuyền giao dữ liệu, các trường cửa số được

sử dung dé điều chỉnh tốc độ luồng của các dòng byte giữa giao tiếp TCP

2.1.2.4 Cơ chế phục hồi dữ liệu trong TCP

e TCP được cắt nhỏ thành các phân đoạn dé tiện vận chuyền Sau đó, mỗi phân đoạn

này được đóng vao trong một IP datagram dé truyền đi Do nằm trong gói dữ liệu