bài giảng mạng truyền thông và di động full

Mobile and Wireless Communications 2013 Thai Nguyen University of Information and Communication Technology DINH XUAN LAM - LE HOANG HIEP [OVERVIEW] This subject concerns with the history of mobility networks generations, the wireless network technologies which apply for mobile network and the future of mobile IP networks 1 MỤC LỤC Chương 1 6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG VÀ 6 MẠNG KHÔNG DÂY 6 1.1. Sự phát triển của các mạng không dây 7 1.1.1. Thời điểm sơ khai của điện thoại di động 8 1.2. Các hệ thống điện thoại mạng tế bào 9 1.2.1. Hệ thống điện thoại mạng tế bào tín hiệu tương tự 9 1.2.2. Mạng điện thoại tế bào kỹ thuật số 11 1.2.3. GSM 12 1.2.4. HSCSD và GPRS 13 1.2.5. D-AMPS 14 1.2.6. IS-95 15 1.3. Các hệ thống truyền dữ liệu không dây 15 1.3.1. Mạng cục bộ không dây (WLANs) 16 1.3.2. ATM không dây (WATM) 17 1.3.4. Các mạng cá nhân (PANs) 18 1.4. Các hệ thống truyền thông vệ tinh 19 1.5. Các hệ thống mạng tế bào thứ hệ thứ 3 và xa hơn 19 Chương 2 25 TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY 25 2.1. Cơ bản về sóng điện từ 25 2.2. Sự lan truyền sóng điện từ 28 2.2.1. Tần số của sóng đất nhỏ hơn 2 MHz 29 2.2.2. Khoảng tần số của sóng trời là 2 đến 30 Mhz. 30 2.2.3. Sự truyền LOS là phương thức truyền cho các tần số trên 30 MHz 32 2.3. Công nghệ trải phổ 33 2.3.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) 36 2.3.2. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 42 2.4. Antenna 47 2.4.1. Những thuộc tính của anten 47 2.4.2. Các kiểu Anten 52 2.5. Các phương pháp điều chế trong mạng không dây 54 2.5.1. Kỹ thuật điều chế tương tự 54 2.5.2. Kỹ thuật điều chế tín hiệu số 57 2.6. Các yếu tố ảnh hưởng tới mạng không dây 60 2.6.1. Hiện tượng đa đường (Multipath) 60 2.6.2. Hiệu ứng Doppler 61 2.6.3. Suy hao trên đường truyền - Free space path loss 62 2.6.4. Hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ 63 2.7. Khái niệm về mạng tế bào 63 2.7.1. Tái sử dụng tần số 65 2.7.2. Khái niệm Cluster 65 2.7.4. Một số kênh điều khiển trong mạng tế bào 70 2.7.5. Nhiễu trong thông tin di động 70 2.8. Chuyển giao cuộc gọi - HO (Hand Over) 72 2.8.1. Chuyển giao giữa hai ô thuộc cùng một BSC 72 2.8.2. Chuyển giao giữa 2 ô thuộc hai BSC khác nhau 74 2.8.3. Chuyển giao giữa các ô thuộc tổng đài khác nhau 75 2.8.4. Cập nhật các dịch vụ bổ xung 76 Chương 3 78 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 78 3.1. Tổng quan về các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động 78 3.2. Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA 83 3.3. Đa truy cập phân chia theo thời gian - TDMA 87 3.3.1. Tạo cụm 89 3.3.2. Thu cụm 91 3.3.3. Đồng bộ 92 3.4. Đa truy cập phân chia theo mã - CDMA 92 3.4.1. CDMA/FDD 92 3.4.2. CDMA/TDD 93 3.5. Đa truy cập phân chia theo không gian – SDMA 96 Chương 4 100 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 100 4.1. Giới thiệu chung về GSM 100 4.1.1. Giới thiệu về GSM 100 4.1.2. Lịch sử mạng GSM 100 4.1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM 100 4.1.4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM 102 4.1.5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM 102 4.2. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM 103 4.2.1. Cấu trúc của hệ thống 103 4.2.2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống 105 4.3. Cấu trúc địa lý của mạng 108 4.3.1. Vùng phục vụ PLMN 110 4.3.2. Vùng phục vụ MSC 110 4.3.3. Vùng định vị LA 110 4.3.4. Cell 111 Chương 5 112 ĐẶC TẢ IEEE 802.11 VÀ WLAN 112 5.1. Giới thiệu 112 5.1.1. IEEE 802.11b 114 5.1.2. IEEE 802.11a 115 5.1.3. IEEE 802.11g 116 5.1.4. IEEE 802.11n 120 5.2. Giới thiệu về WLAN 120 5.2.1. Lịch sử hình thành và phát triển 120 5.2.2. Cơ sở hạ tầng WLAN 122 5.2.3. Các mô hình WLAN 127 5.2.4. Các giải pháp bảo mật WLAN 130 Chương 6 139 GIỚI THIỆU VỀ MOBILE IP 139 6.1. Tổng quan về mobile IP 139 6.1.1. Các khái niệm dùng trong Mobile IP 140 6.1.2. Giao thức Mobile IP 141 6.2. Nguyên lý hoạt động của giao thức Mobile IP 143 6.2.1. Agent Discovery 145 6.2.2. Registration 146 6.2.3. Data Transfer 148 6.3. Phương pháp cải tiến Mobile IP 151 6.3.1. Định tuyến tam giác 151 6.3.2. Forwarding 152 6.4. Hướng phát triển 153 6.4.1. GPRS 153 6.4.2. Fourth Generation (4G) : 154 6.5. Mobile IP version 4 (Mobile IPv4 hay MIPv4) 155 6.5.1. Tổng quan 155 6.5.2. Khái niệm địa chỉ Care-of 162 6.5.3. Nguyên lý hoạt động của Mobile IPv4 163 6.6. Mobile IP version 6 (Mobile IPv6 hay MIPv6) 165 6.6.1. Các đặc điểm của Mobile IPv6 166 6.6.2. Hoạt động của IPv6 167 6.7. Đánh giá về Mobile Ipv4, Mobile Ipv6 168 6.7.1. Mobile Ipv4 168 6.7.2. Mobile Ipv6 170 TÀI LIỆU THAM KHẢO 171 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG VÀ MẠNG KHÔNG DÂY Mặc dù nó có lịch sử hơn một thế kỷ nhưng truyền tin không dây chỉ thấy được phổ biến trong các hệ thống truyền thông trong khoảng 15-20 năm nay. Hiện tại, lĩnh vực truyền thông không dây là một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất của ngành công nghiệp viễn thông. Các hệ thống truyền thông không dây như mạng di động, vô tuyến và điện thoại vệ tinh cũng như mạng cụ bộ không giây WLAN được sử dụng phổ biến và trở thành một công cụ cần thiết trong cuộc sống hàng ngày của con người, cả về công việc lẫn cá nhân. Để có được cái nhìn sâu sắc về động lực của thị trường không dây, có thể nói rằng số lương thuê bao không dây trên toàn thế giới sẽ nhiều hơn số lượng thuê bao cố định trong nhiều năm tới. Những lợi ích mà các hệ thống truyền thông không dây đem lại là nguyên nhân tại sao nó phổ biến hơn mạng cố định. Lợi ích quan trọng nhất đó là khả năng di động và tiết kiệm chi phí. Các mạng di động theo định nghĩa là không dây, tuy nhiên ta sẽ thấy sau đó, ngược lại không phải lúc nào cũng đúng. Tính di động nâng cao yêu cầu cho một điểm kết nối cố định vào mạng và cho phép người dùng di chuyển trong khi sử dụng các thiết bị mà không bị hạn chế. Xem xét ví dụ trong trường hợp một người sử dụng mạng điện thoại di động, anh ta có thể di chuyển bất cứ nơi nào trong khi vẫn đảm bảo có thể kết nối với đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Từ quan điểm của những người đó, tính di động được đánh giá cao ở chỗ người dùng di động có thể liên lạc được bằng cách gọi đến một số giống nhau bất kể vị trí địa lý của người đó; dù anh ta có thể đang đi xuống phố giống như người đang gọi hoặc đang ở xa hàng nghìn dặm. Những lợi ích tương tự cũng thấy được ở các hệ thống không dây khác. Những người sử dụng điện thoại vô tuyến có thể đi lại trong nhà nói chuyện với nhau mà không cần phải nối dây với nhau. Trong những trường hợp khác, trong và lĩnh vực nghề nghiệp như bác sỹ, cảnh sát hoặc là người bán hàng, họ sử dụng mạng không dây do đó họ có thể di chuyển tự do trong phạm vi nơi làm việc trong khi vẫn kết nối các thiết bị của họ với mạng của cơ quan. Mạng không dây cũng hữu ích trong việc giảm chi phí thiết lập mạng trong một vài trường hợp. Điều này xuất phát từ thực tế là một tiến trình cài đặt tổng thể của một mạng không dây đòi hỏi phải ít kết nối có dây hơn so với một mạng cố định, hoặc là không có kết nối có dây nào cả. Điều này có thể rất hữu ích: Triển khai mạng trong các khu vực khó kéo dây: Đó là trong trường hợp lắp đặt cáp trong các dòng sông, đại dương v.v…Một ví dụ khác trong tình huống này là các chất amiang (được kết hợp giữa ximăng và nước, là một chất độc cho phổi khi hit vào) được phát hiện tại các tòa nhà cũ. Hít phải các hạt amiăng là rất nguy hiểm và do đó hoặc là phải đặc biệt đề phòng khi thực hiện triển khai cáp hoặc là amiăng phải được loại bỏ. Đáng tiếc là cả hai trường hợp đều tăng tổng chi phí cho việc triển khai mạng có dây. Không được phép triển khai mạng có dây: Là tình huống triển khai mạng trong một vài trường hợp như cho các tòa nhà lâu đời. Triển khai một mạng tạm thời: trong trường hợp này, việc triển khai mạng có dây không có ý nghĩa, khi mà mạng sẽ chỉ được dùng trong một khoảng thời gian ngắn. Việc triển khai một giải pháp mạng không dây, như mạng WLAN là một giải pháp tiết kiệm chi phí cao cho những trường hợp được kể trên. Hơn nữa, việc triển khai một mạng không dây chiếm ít thời gian hơn là triển khai một mạng có dây. Lý do là: không có sợi cáp nào được lắp đặt. 1.1. Sự phát triển của các mạng không dây Truyền tin không đã tồn tại trong lịch sử của loài người. Kể cả thời xa xưa, con người đã biết sử dụng những hệ thống truyền thông cổ xưa mà có thể được gọi là không dây. Ví dụ như các loại tín hiệu bằng khói, các gương phản chiếu, cờ, lửa v.v…Có báo cáo cho rằng những người Hy Lạp cổ đại sử dụng một hệ thống truyền thông bao gồm một loạt các trạm giám sát nằm trên đỉnh đồi, mỗi trạm đều có thể nhìn thấy trạm gần đó nhất. Người ở trên trạm nhận thông điệp từ trạm gần nhất, những người làm việc dưới trạm viết lại thông điệp đó để gửi tới trạm tiếp theo. Việc sử dụng những thông điệp có hệ thống này được trao đổi giữa 2 trạm cách xa nhau. Những hệ thống như vậy cũng được sử dụng bởi những nền văn minh khác. Tuy nhiên, có một cách logic hơn để công nhận nguồn gốc của các mạng không dây mà chúng đã đã hiểu chúng như ngày nay, bắt đầu từ sự truyền tin radio đầu tiên. Vào năm 1895, một vài năm sau một sự đột phá khác: sự phát minh ra điện thoại. Trong năm này, Guglielmo Marconi đã biểu diễn truyền thông không dây dựa trên sóng radio giữa một hòn đảo nhỏ thuộc vùng Wight và một tàu kéo cách xa đó 18 dặm. Sáu năm sau, Marconi đã truyền thành công một tín hiệu radio ngang qua biển Atlantic từ Cornwall tới Newfoundland và trong năm 1902 truyền thông 2 chiều đầu tiên ngang qua biển Atlantic đã được thiết lập. Những năm sau đó, theo bước chân khám phá của Marconi, truyền tin radio tiếp tục được cải tiến. Quay lại thời điểm của đại điện thoại radio ra đời vào năm 1915, khi cuộc hội thoại dựa trên radio được thiết lập giữa các tàu thủy. 1.1.1. Thời điểm sơ khai của điện thoại di động Năm 1946, hệ thống điện thoại di động công cộng đầu tiên, được biết đến là MTS (Mobile Telephone System) được giới thiệu tại 25 thành phố Mỹ. Do những hạn chế kỹ thuật điện thoại, các thiết bị nhận của MTS có kích thước rất lớn và có thể phải dùng xe tải để vận chuyển. Do vậy, nó được sử dụng cho điện thoại di động dành cho oto. MTS là một hệ thống tín hiệu tương tự, nghĩa là nó xử lý thông tin âm thanh như một dạng sóng liên tục. Dạng sóng này sau đó được sử dụng cho điều biến/giải điều biến các sóng mang RF. Hệ thống này là dạng truyền bán song công , nghĩa là tại một thời điểm nhất định, người dùng chỉ có thể nói hoặc là nghe. Để chuyển giữa hai chế độ đó, người dùng phải ấn một nút đặc biệt trên thiết bị đầu cuối. MTS sử dụng một trạm cơ sở BS (base station) với một bộ phát sóng đơn công suất lớn bao trùm tất cả khu vực hoạt động của hệ thống. Nếu cần thiết phải mở rộng tới các khu vực lân cận, một trạm BS khác cần phải được lắp đặt cho khu vực đó. Tuy nhiên, bởi vì các trạm BS sử dụng các tần số giống nhau nên chúng cần phải cách nhau đủ xa để không gây nhiễu sóng. Do các hạn chế về công suất, các thành phần di động không truyền thẳng đến trạm BS mà mà truyền tới các địa điệm tiếp sóng nằm rải rác dọc theo khu vực hoạt động của hệ thống. Những điểm tiếp sóng này được kết nối với trạm BS và được tiếp âm các cuộc gọi tới nó. Để thực hiện một cuộc gọi từ một điện thoại cố định tới một trạm đầu cuối MTS, đầu tiên người gọi phải quay một số đặc biệt để kết nối với một người trực tổng đài MTS. Người gọi thông báo với người trực tổng đài đó số thuê bao di động. Sau đó người trực tổng đài tìm một kênh truyền rỗi để chuyển cuộc gọi tới thiết bị di động đầu cuối. Khi một người dùng di động muốn đặt một cuộc gọi, một kênh truyền rỗi (nếu có) được giữ lại bởi người người trực tổng đài khi người đó được thông báo đặt một cuộc gọi cho một điện thoại cố định cụ thể. Như vậy, các cuộc gọi MTS được chuyển mạch một cách thủ công. Hạn chế lớn nhất của MTS là việc chuyển mạch thủ công tất cả các cuộc gọi và thực tế là có rất hạn chế số các kênh truyền rỗi. Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống cung cấp sự hỗ trợ cho 3 kênh truyền, nghĩa là chỉ có 3 cuộc gọi có thể được phục vụ tại một thời điểm trong cùng một khu vực. Một bước tiến của MTS, gọi là IMTS (Improved Mobile Telephone System), được đưa vào hoạt động trong những năm 1960. IMTS sử dụng tự động chuyển mạch cuộc gọi và hỗ trợ truyền song công, do vậy loại trừ được sự tham gia trung gian của người trực tổng đài trong một cuộc gọi và sự cần thiết của nút bấm để chuyển trạng thái gọi hoặc nghe. Hơn nữa, IMTS sử dụng 23 kênh truyền. 1.2. Các hệ thống điện thoại mạng tế bào 1.2.1. Hệ thống điện thoại mạng tế bào tín hiệu tương tự IMTS đã sử dụng dải tần một cách kém hiệu quả, đó đó chỉ cung cấp được công suất nhỏ. Xa hơn nữa, thực tế cho thấy rằng các bộ phát tín hiệu công suất lớn của BS gây ra nhiễu sóng tới các hệ thống cạnh nó cộng thêm vấn đề về khả năng hạn chế nhanh chóng khiến cho hệ thống này ko có tính thực tế nữa. Một giải pháp cho các vấn đề này được tìm ra trong suốt những năm 1950 và 1960 bởi các nhà nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm AT&Bell, thông qua việc sử dụng khái niệm mạng tế bào, điều này sẽ mạng đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện thoại di động trong một vài thập kỷ sau đó. Điều thú vị đáng chú ý là cuộc cách mạng này khiến rất nhiều người phải ngạc nhiên, thậm chí cả AT&T. Họ ước lượng chỉ khoảng 1 triệu khách hàng sử dụng mạng tế bào đến cuối thế kỷ, tuy nhiên đến nay đã có hơn 100 triệu khách hàng sử dụng trên chỉ đất nước Hoa Kỳ. [...]... này đã di n ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động. .. Không có cơ sở hạ tầng mạng nào cần phải xây dựng và việc điều khiển mạng được phân tán tới các node mạng Một cơ sở hạ tầng mạng WLAN tạo ra hiệu quả làm việc của một mạng cố định tốc độ cao hơn hoặc một mạng xương sống không dây Trong một cấu trúc mạng như vậy, các node di động truy cập vào kênh không dây dưới sự kết hợp với một BS, trạm này cũng có thể giao tiếp WLAN với một mạng xương sống cố định... cao và di động tốc độ thấp 3 GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA 3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ... dụng các thiết bị di động của họ cho nhiều dịch vụ khác nhau, từ những cuộc gọi đơn giản, duyệt web và email cho tới các dịch vụ ngốn nhiều băng thông như hội nghị truyền hình, các ứng dụng thời gian thực và lưu thông hàng loạt Để minh họa cho sự kém hiệu quả của các hệ thống 2G cho các ứng dụng đỏi hỏi khả năng thực hiện, ta xét một quá trình truyền một bài thuyết trình 2Mb Việc truyền tải sẽ mất... trên TDMA tiến hóa từ GSM và IS-136, cung cấp tốc độ truyền lên tới 473 kbps và tương thích ngược với GSM/IS-136; Thế hệ di động thứ 3 (3G): Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA2000 và TD-SCDMA Hình 1.1 Sự... Cũng trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA CDMA2000 là người "nối giỏi" của 2G CdmaOne, đại di n cho họ công nghệ bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 EV-DO (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution -Data and Voice) CDMA2000 được chuẩn... bản nó vẫn là GSM GSM cũng có thể hoạt động tại dải băng tần 1900MHz được sử dụng lại Mỹ cho một vài hệ thống mạng kỹ thuật số và tại dải băng tần 450MHz để cung cấp một con đường di chuyển từ chuẩn NMT 1G cho phép sử dụng dải băng tần này vào mạng 2G Cho đến khi sự hoạt động được quan tâm đến, GSM xác định một số các kênh truyền tần số được tổ chức thành các khung và lần lượt được chia thành các khe... kbps và các kênh dữ liệu đồng bộ với tốc độ vào khoảng 721 kbps Các phạm vi hoạt động cho phép là khoảng từ 10 mét (tại công suất truyền tin khoảng 1 mW) và 100 mét (tại công suất truyền tin khoảng 10 mW) Một dự án PAN khác là HomeRF; phiên bản cuối cùng được phát hành trong năm 2001 Phiên bản này cho phép kết nối truyền tin tiếng nói 32 kbps và truyền dữ liệu lên tới 10 Mbps HomeRF cũng hoạt động. .. thoại di động, máy tính bỏ túi PDA, điện thoại thông minh Ưu điểm nổi bật: - Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên có thể đạt 50 Mbps - Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển - Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại - Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng. .. này sử dụng dải điều biến tần số (FM) cho tiếng nói và thực hiện các quyết định chuyển mạch tế báo cho một di động tại các trạm BS dựa trên khả năng nhận được tại các trạm BS gần thiết bị di động đó Dải tần có thể dùng được trong phạm vi mỗi tế bào được phân vùng thành một số lượng các kênh truyền và mỗi cuộc gọi được gán cho một cặp kênh riêng Truyền thông trong phạm vi thành phần nối dây của hệ thống . CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG VÀ 6 MẠNG KHÔNG DÂY 6 1.1. Sự phát triển của các mạng không dây 7 1.1.1. Thời điểm sơ khai của điện thoại di động 8 1.2. Các hệ thống điện thoại mạng tế. THIỆU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG VÀ MẠNG KHÔNG DÂY Mặc dù nó có lịch sử hơn một thế kỷ nhưng truyền tin không dây chỉ thấy được phổ biến trong các hệ thống truyền thông trong khoảng. lĩnh vực truyền thông không dây là một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất của ngành công nghiệp viễn thông. Các hệ thống truyền thông không dây như mạng di động, vô tuyến và điện thoại