Mạng không dây và di động

Mạng không dây và di động

Mạng không dây và di động

ThS Trần Bá Nhiệm

Mail: tranbanhiem@gmail.com

Website: sites.google.com/site/tranbanhiem

Mục tiêu của môn học

• Môn học chuyên ngành

• Tìm hiểu nhiều mặt của công nghệ không dây, mạng không dây, kiến trúc và các ứng dụng

Tài liệu tham khảo

• Jochen Schiller, "Mobile Communications", Addison-Wesley

• Borko Furht và Mohammad Ilyas, Wireless Internet Handbook:

Technologies, Standards, and Applications, Auerbach Publications, 2003

• Andrew S Tanenbaum, Computer Networks, Fourth edition, Prentice Hall, 2003

• Seshan, S., Low latency handoff for cellular data networks, Ph.D diss.,

University of California, Berkeley, 1995

• James F Kurose, Keith W Ross, Computer Networking: A top-down

Approach Featuring the Internet, Addison-Wesley, 2003

• Chai-Keong Toh, Crossover Switch discovery for wireless ATM LANs,

Mobile Networks and Applications, 1996

• Matthew Gast, 802.11Wireless Networks The Definitive Guide, O’Reilly, 2005

Tài liệu tham khảo

• Perkins C., Mobile IP specification, Internet RFC 2002, 1996

• Johnson D and Perkins C., Route optimization in mobile IP, IETF Mobile-IP draft, 1995

• Campbell A et al., An overview of cellular IP, IEEE Wireless

Communications and Networks Conference, WCNC, 1999

• David B Johnson and David A Maltz, The Dynamic Source Routing

Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), Internet draft, 2004

• Perkins C.E and Royer E.M., Ad hoc on-demand distance vector routing, IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications (WMCSA), 1999

• Rosenberg, J et al., "SIP: Session Initiation Protocol", RFC 3261, June 2002

• P Nicopolitidis, M S Obaidat, G I Papadimitriou, and A S Pomportsis, Wireless Networks, John Wiley & Sons Ltd, 2003

Tài liệu và phương pháp đánh giá

• Web site môn học

• Tài liệu học bằng tiếng Anh

(ENGLISH)

• Bài tập lớn: 30%-40%

• Thi cuối kỳ (thi trắc nghiệm): 60%-70%

Chương 1: Gi ới thiệu tổngquan

• Truy nhập không dây

• M ạng không dây

– Sự phát triển của mạng không dây

– Những thách thức đối với sự phát triển

• Kiến trúc Internet không dây

• Các thiết bị không dây và các tiêu chuẩn

• Các ứng dụng Internet không dây

Truy nh ập không dây

• Hàng triệu người sử dụng

thiết bị cầm tay truy nhập

Internet

• Nỗ lực nghiên cứu và triển

khai mạng không dây và di

động

• Tốc độ truyền dữ liệu của

mạng không dây, có dây và

các ứng dụng

• HDTV (High Definition

TeleVision), FDDI (Fiber

Distributed Data Interface),

ISDN, ATM (Asynchronous

Transfer Mode), G

(Generation)

Truy nhập không dây

• Truy nhập Internet di động

Giới thiệu tổng quan về mạng không dây

• Sự phát triển của mạng không dây

– Điện thoại di động thời kỳ ban đầu

– Điện thoại di động tương tự

– Điện thoại di động số

– Cordless phones

– Các hệ thống truyền dữ liệu không dây

• Những thách thức

Giới thiệu về mạng không dây

• Có lịch sử nhiều hơn một thế kỷ, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông chỉ trong vòng 15-20 năm đến nay

• Một trong các lĩnh vực phát triển nhất của công nghiệp truyền thông

• Được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày

• Hai đặc điểm mang lại ưu thế cho mạng không dây là

sự di động và tiết kiệm giá thành

• Sự di động

– Khái niệm không dây và di động rất khó tách rời

– Sự di động có nhiều ưu thế

Giới thiệu về mạng không dây

• Tiết kiệm giá thành

– Cài đặt mạng không dây đòi hỏi ít dây hơn nhiều

so với mạng có dây

– Không sử dụng dây đặc biệt có lợi trong các tình huống

• Lắp đặt mạng rất khó khăn trong các vùng rộng lớn:

qua sông, biển hoặc các khu vực nhiễm độc

• Không được phép đi dây: các khu vực lịch sử

• Triển khai mạng tạm: sử dụng trong thời gian ngắn

Sự phát triển của mạng không dây

• Truyền không dây đã có trong lịch sử loài người thời kỳ

xa xưa: khói, gương phản chiếu, cờ hiệu, lửa …, trong

• Điện thoại sử dụng sóng radio lần đầu tiên đuợc thực hiện năm 1915: hai tàu biển nói chuyện được với nhau

Điện thoại di động thời kỳ ban đầu

• Năm 1946, hệ thống điện thoại di động công

cộng đầu tiên xuất hiện, Mobile Telephone

System (MTS), ở nước Mỹ, 25 thành phố

– Máy thu phát của MTS rất lớn, dùng để các ô tô nói chuyện với nhau

– Hệ thống tương tự, bán song công (half-duplex)

– Sử dụng BS (Base Station, trạm cơ sở)

• Với một máy phát công suất lớn để phủ toàn bộ khu vực hoạt động của hệ thống

Điện thoại di động thời kỳ ban đầu

– Ngoài nhược điểm chuyển mạch cuộc gọi thủ

công, số lượng các kênh của MTS rất giới hạn, 3 kênh

• Một hệ thống nâng cao của MTS, gọi là

Improved Mobile Telephone System (IMTS), được đưa vào hoạt động vào những năm 1960

– Chuyển mạch cuộc gọi tự động

– Hỗ trợ song công

– Số lượng kênh 23

Điện thoại di động tương tự

• IMTS có số lượng người dùng nhỏ, không thực tế

– Sử dụng phổ điện từ không hiệu quả

– Công suất lớn của máy phát gây ra nhiễu cho các hệ thống xung quanh

• Các nhà nghiên cứu tại AT&T Bell Laboratories

tìm ra khái niệm ngăn tổ ong (cellular)

– Khái niệm này đã mang đến một cuộc cách mạng

trong lĩnh vực điện thoại di động

– Thành công của điện thoại di động vượt quá sự tưởng tượng của những nhà nghiên cứu thời bấy giờ

Điện thoại di động tương tự

• Khái niệm ngăn tổ ong

– Được đề xuất vào năm 1947 bởi D H Ring

– Thay thế các BS phạm vi phủ rộng bằng các trạm phạm vi phủ nhỏ

– Vùng phủ của một BS này được gọi là một “ngăn” (cell)

• Phạm vi hoạt động của hệ thống được phân chia thành một tập các ngăn kề nhau và không chồng chéo

• Phổ điện từ được chia thành các kênh và mỗi ngăn dùng một tập các kênh riêng

• Các ngăn kề nhau dùng các tập kênh khác nhau để tránh nhiễu

• Các ngăn cách nhau có thể dùng lại kênh

• Sử dụng lại tần số để tăng hiệu quả của việc sử dụng phổ

Điện thoại di động tương tự

– Mỗi BS kết nối qua dây cáp với một thiết bị, gọi là Mobile Switching Center (MSC)

• Cần hỗ trợ sự di chuyển của người dùng từ ngăn này sang ngăn khác mà không làm giảm chất lượng của

cuộc gọi

– Chuyển giao (handover hay handoff)

– Không thể thực hiện tại thời điểm bấy giờ

• Thế hệ đầu tiên của hệ thống điện thoại di động (1G)

– Được thiết kế vào cuối những năm 1960 và triển khai vào đầu những năm 1980

– Hậu duệ của MTS/IMTS

– Hệ thống tương tự

Điện thoại di động tương tự

– Hệ thống thương mại đầu tiên, được gọi là Advanced

Mobile Phone System (AMPS), bắt đầu hoạt động vào năm 1982

• Chỉ truyền tiếng nói

• Sử dụng điều biến tần số (Frequence Modulation – FM)

• Phổ điện từ của mỗi ngăn được phân chia thành một số các kênh

• Mỗi cuộc gọi được cấp một cặp kênh

• Truyền thông bên trong phần có dây của hệ thống sử dụng mạng chuyển gói

Điện thoại di động số

• Một số nhược điểm của các hệ thống di động tương tự

được được làm giảm bớt trong các hệ thống thế hệ thứ hai (2G)

– Số hoá biểu diễn dữ liệu

– Tiếng nói được đưa qua thiết bị chuyển đổi A/D (Analog to

– Giảm được nhiễu và lỗi

• Việc biểu diễn dữ liệu tương tự làm cho các hệ thống 1G dễ bị nhiễu

• Có thể thêm các kỹ thuật phát hiện và sửa lỗi

– Nén, tăng hiệu quả sử dụng phổ

Điện thoại di động số

– Chia sẻ sóng mang RF

• Sử dụng khe thời gian hoặc mã số riêng cho từng người dùng

• Chỉ cấp cho người dùng khi có tiếng nói hoặc dữ liệu gửi

• Một số các hệ thống 2G được triển khai trên toàn thế giới

– Hỗ trợ SMS (Short Messaging Service)

– Định danh người gọi

– Có thể gửi dữ liệu, tốc độ thấp (~10kbps)

– Nâng cấp lên 2.5G

• GSM hiện tại là công nghệ 2G phổ biến nhất

– Đến năm 1999, mỗi tuần có thêm một triệu thuê bao mới

– Đây là chuẩn duy nhất ở châu Âu

• Hệ thống GSM thương mại đầu tiên vào năm 1992, sử dụng dải tần 900 MHz

HSCSD và GPRS

• GSM hỗ trợ một số công nghệ mở rộng để đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn: HSCSD (High Speed Circuit

Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service)

• HSCSD

– Cho người sử dụng nhiều khe thời gian hơn trong một khuông – Không đối xứng

– Làm giảm thời gian sử dụng của pin

– Phù hợp cho duyệt Web

• GPRS

– Cùng nguyên tắc với HSCSD

– Chuyển gói, sử dụng băng thông theo nhu cầu

• Dựa trên khe thời gian

• Số lượng người dùng tăng gấp ba so với AMPS

– Cellular Digital Packet Data (CDPD)

• Hỗ trợ truyền dữ liệu cho cả AMPS và D-AMPS

• Tốc độ truyền như D-AMPS+

• Cách duy nhất hỗ trợ truyền dữ liệu trong mạng AMPS tương tự

– Không tương thích với IS-136

– IS-95, IS-136, AMPS: dải tần 800 MHz

– Máy di động chế độ kép: IS-95 và AMPS

– Tốc độ truyền dữ liệu: 4.8 – 14.4 kbps

• IS-95b

– cdmaTwo

– 115.2 kbps

Cordless phone

• Xuất hiện vào những năm 1970

• Được thiết kế cho sự di động trong những vùng phủ nhỏ, như trong nhà và văn phòng

• Thiết bị cầm tay kết nối với BS, đến lượt kết nối với

PSTN (Public Switched Telephone Network)

• Xuất hiện đầu tiên là tín hiệu tương tự (analog), chất lượng cuộc gọi thấp

• Kỹ thuật số (digital) thế hệ một xuất hiện, chất lượng cuộc gọi tương tự như điện thoại nối dây

• Thế hệ hai cho phép dùng ngoài phạm vi trong nhà và văn phòng

Cordless phone

• Thế hệ hai còn gọi là telepoint system

– Sử dụng telepoint BS

– Các BS có thể đặt ở nhà ga hoặc bến tàu

– Chỉ có thể gọi mà không nhận được cuộc gọi

– Không hỗ trợ chuyển cuộc gọi (handoff) giữa các BS

– Hệ thống telepoint được triển khai tại Anh và Nhật vào

những năm 1990 nhưng hiện nay không phát triển được

do cạnh tranh

• DECT

– Tiến hoá từ hệ thống số, sử dụng nhiều chỉ ở châu Âu

– Nhiều BS kết nối với Private Branch Exchange (PBX)

– Có thể đi lại (handoff) giữa các BS mà không bị gián đoạn cuộc gọi

– Hỗ trợ chuyển giao (handoff)

Cordless phone

• Personal Handyphone System (PHS)

– Tương tự DECT, tại Nhật

– Hỗ trợ chuyển giao

– Kết nối 32 kbps hai chiều

– TDMA, dải tần 1900 MHz

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây

• Các hệ thống truyền dữ liệu không dây được số hoá ngay từ ban đầu

– Sử dụng tôpô hình sao

– Hiệu quả thấp, ưu điểm là đơn giản, không hỗ trợ sự di động

– Là cơ sở của các hệ thống truyền dữ liệu không dây ngày nay

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây diện rộng

• Paging systems

– Hệ thống một chiều, dựa trên khái niệm ngăn

– Tốc độ truyền dữ liệu thấp hướng đến người dùng di động

– Có thể truyền các thông điệp ngắn cho người dùng

– Truyền quảng bá từ nhiều BS

– Không cần định vị người dùng di động và định tuyến – Thiết bị nhận không cần có phần cứng phức tạp, giá thấp và kích thước nhỏ

– Phổ biến trong nhiều năm nhưng không phát triển

nữa do sự cạnh tranh

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây diện rộng

Các hệ thống truyền dữ liệu không dây diện rộng

• Ardis

– Hệ thống chuyển mạch phát triển bởi Motorola và

IBM

– Có hai phiên bản của Ardis còn gọi là DataTAC

• Mobile Data Communication 4800 (MDC4800), 4.8 kbps

• Radio Data Link Access Protocol (RD-LAP), 19.2 kbps, tương thích với MDC4800

– Sử dụng các BS gắn trên các tháp, mái nhà

– Các BS nối với mạng xương sống

– Truy nhập đường truyền nhờ một giao thức kiểu

Mạng cục bộ không dây

• Wireless Local Area Network (WLAN)

• Truyền dữ liệu tốc độ cao trong một khu vực nhỏ

• WLAN bắt đầu phát triển vào những năm 1980

• Sử dụng dải tần Industrial, Sciencific and Medical (ISM)

• Nhóm làm việc IEEE 802.11 có trách nhiệm xác định

tiêu chuẩn cho tầng vật lý và MAC của WLAN

– Tiêu chuân 802.11 đầu tiên có tốc độ 2 Mbps sử dụng

truyền phổ trải rộng trong dải tần ISM hoặc truyền sóng hồng ngoại

Mạng cục bộ không dây

• Nhóm RES10 của European

Telecommunication Standard Institute (ETSI)

– Phát triển High Performance European Radio LAN (HIPERLAN)

– 5.2 GHz

– 2 – 25 Mbps

– Không phổ biến như IEEE 802.11

Wireless ATM (WATM)

Personal Area Network (PAN)

• Truyền thông phạm vi hẹp (trong vòng vài mét)

• Bắt đầu được nghiên cứu năm 1996

• Bắt nguồn từ dự án của Ericsson năm 1994, tên là Bluetooth, mục đích truyền thông không dây giữa điện thoại di động và các phụ kiện

• Hiện tại đây là một chuẩn công nghiệp và nhiều sản phẩm Bluetooth xuất hiện trên thị trường, từ năm 2001

• Bluetooth sử dụng dải tần ISM 2.4 MHz, kênh

tiếng nói 64 kbps, kênh dữ liệu max 721 kbps,

phạm vi 10 và 100 m

Các hệ thống điện thoại di động thế hệ ba và tương lai

• Các hệ thống 2G có tốc độ truyền dữ liệu giới hạn

• Trong tương lai, các dịch vụ cho điện thoại di động sẽ

đa dạng: duyệt web, email, ứng dụng thời gian thực hay video conference

• Năm 1992, International Telecommunication Union

(ITU) bắt đầu làm việc cho các hệ thống di động thế hệ

Các hệ thống điện thoại di động thế hệ ba và xa hơn

• Mạng di động thế hệ bốn (4G)

– IP-based

– Tích hợp trong suốt với mạng có dây

– Truy nhập các nội dung đa phương tiện

Các thách thức đối với mạng không dây

• Phương tiện truyền không dây không tin cậy

– Bị suy yếu và méo

– Che giấu sự suy yếu trước các tầng trên

• Sử dụng phổ

– Điều chỉnh hiệu quả

– Thu hồi được sự đầu tư cho bản quyền sử dụng phổ – Công nghệ sử dụng phổ hiệu quả hơn

• Quản trị nguồn

– Phần cứng

– Phần mềm

Các thách thức đối với mạng không dây

• Hỗ trợ cuộc gọi đang diễn ra trong quá trình chuyển giao

• Giao tiếp với mạng có dây

– Phát triển các giao thức và giao diện cho phép thiết bị di động kết nối với mạng có dây

Kiến trúc Internet không dây

• Kiến trúc chung của h ệ

thống không dây, bao

gồm cả kết nối

Internet

Tôpô của Internet không dây thông dụng

Single-point-of-Tôpô của Internet không dây thông dụng

• Tô pô bao gồm các

mạng không dây như

PAN, WLAN, WWAN và

các thiết bị MAI

• MAI (Multiple Air

Interfaces)

Các thiết bị không dây

• Web phones

– HDML&WAP (Mỹ), WAP

(châu Âu), i-Mode (Nh t) ật)

– Trao đổi tin nhắn, truy nh p ật)

Các thiết bị không dây

• Voice portals

– Nói chuyện với các trung

tâm thông tin

Hệ điều hành cho thiết bị không dây

• PalmOS, Windows CE và

Windows NT Embeded,

Symbian OS

• Kiến trúc của Symbian OS

– Core (lõi) cho mọi thiết bị

– System layer: bao gồm các

dịch vụ truyền thông và

tính toán

– User Interface Software do

nhà sản xuất cung cấp

– Application engines cho

phép tạo giao di n người ệ

sử dụng

WAP Wireless Application Protocol

• WAP là m t tiêu chuẩn biểu ộng

diễn và phân phối các dịch vụ

không dây trên thiết bị di

– Wireless Session Protocol (WSP):

• Hướng kết nối ho c không kết nốiặc không kết nối

• Phiên hướng kết nối dùng cho truyền thông hai chiều giữa thiết

bị và mạng

• Phiên không kết nối dùng để truyền quảng bá ho c streamingặc không kết nối

– Wireless Transaction Protocol (WTP)

• Luồng dữ li u qua mạngệ

• Tin c y hai chiều, tin c y m t chiều, không tin c y m t chiềuật) ật) ộng ật) ộng

– Wireless Transport Layer Security (WTLS)

• Kiểm tra tính toàn vẹn, mã hóa và xác thực máy khách/máy chủ

– Wireless Datagram Protocol (WDP): thích nghi WAP với các mạng không dây khác nhau

– Network Carrier Method: phụ thu c nhà cung cấp dịch ộng

vụ không dây

• Tôpô của WAP

Các thiết bị không dây tích hợp JAVA

• Cho phép tải các chương trình JAVA thẳng vào thiết bị

• Chạy các ứng dụng từ nhiều nền

• Sử dụng J2ME (Java 2 Platform Mobile

Edition), Java cho các thiết bị nhỏ

• Công ngh Java có thể triển khai dùng phần ệ mềm ho c phần cứng ặc không kết nối

• Số lượng thiết bị có hỗ trợ Java tăng lên nhiều

Các ứng dụng Internet không dây

• Messaging Applications

– e-mail, chat, instant messaging

• Thương mại di đ ng ộng

– Transaction management applications

• Shopping: online catalogs, shopping cart, back-office functions

– Digital content delivery

• Duy t thông tin về thời tiết, du lịch, thể thao, chứng khoán, ệ

…

• Tải các sản phẩm học tập và giải trí

• Truyền file, hình ảnh, video