Các Nguyên Tắc Căn Bản Của Truyền Thông Không Dây

Chương 2: Các nguyên tắc truyền thông không dây  2.1 Giới thiệu chung  2.2 Phổ điện từ  2.3 Các đặc tính mô hình truyền không dây  2.4 Truyền số liệu kỹ thuật tương tự kỹ thuật số  2.5 Các kỹ thuật điều biến hệ thống không dây  2.6 Đa truy nhập hệ thống không dây  2.7 Khái niệm tế bào  2.8 Chế độ mạch gói  2.9 Giới thiệu tầng mạng Giới thiệu chung    Mạng không dây sử dụng truyền không dây để truyền tin  Truyền sóng radio dạng chi phối truyền không dây  Công nghệ radio có lịch sử kỷ Sóng điện từ  Các nhà khoa học phát sóng điện từ truyền môi trường chân không  Bao gồm hạt Bản chất truyền không dây ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống mạng không dây  Tỉ lệ lỗi bit cao so với truyền có dây (10-3 10-10)  Nguyên nhân nhiễu không khí, chướng ngại vật, lan truyền theo nhiều đường, giao thoa Giới thiệu chung  Bản quyền sử dụng sóng điện từ  Các hệ thống sử dụng dải sóng dẫn đến giao thoa  Áp đặt quyền làm cho việc sử dụng sóng trở nên phức tạp  Các hệ thống cần thiết kế để chống lại thiếu thốn đường truyền không dây  Khái niệm ngăn tổ ong dẫn đến sử dụng sóng có hiệu Phổ điện từ     Các điện tử chuyển động tạo sóng điện từ lan truyền không gian (thậm chí chân không) James Clerk Maxwell (Anh) dự đoán sóng điện từ năm 1865 Heinrich Hertz quan sát năm 1887 Sử dụng ăng ten truyền bắt sóng điện từ truyền qua không gian Các tính chất sóng điện từ  Tốc độ rung điện tử xác định tần số sóng ƒ (số lượng dao động sóng giây), đo hertz  Bước sóng (khoảng cách hai điểm cao thấp liên tiếp) λ  Biên độ chiều cao điểm cực đến trục biểu diễn cường độ sóng Phổ điện từ c = λƒ c: số, tốc độ ánh sáng  Biết ƒ biết λ  Nếu λ tính mét, ƒ tính MHz, λƒ ≈ 300 (ƒ = 100 MHz, λ ≈ 3m; ƒ = 1000 MHz, λ ≈ 0.3m)  Tốc độ truyền chất liệu khác giảm  Các dải tần đặc tính chúng  Phổ điện từ phân chia thành số dải tần   Phần sóng radio, sóng cực ngắn, sóng hồng ngoại, ánh sáng phổ dùng truyền thông cách điều biến Tia cực tím, tia X, tia gamma chí tốt cho truyền thông có tần số cao, khó tạo điều biến Các dải tần đặc tính chúng  Tên dải tần dựa bước sóng chúng    LF, MF, HF: Low, Medium, High Frequency LF có bước sóng từ đến km (30 đến 300 kHz) VHF, UHF, SHF, EHF, THF: Very, Ultra, Super, Extremely, Tremendously High Frequency Các dải tần đặc tính chúng  Mọi dải tần truyền thông?    Dải tần cao có băng thông lớn Tuy nhiên dải tần sau vùng ánh sáng sử dụng truyền thông chúng khó điều biến nguy hiểm Tín hiệu có tần số cao chịu suy yếu nhiều hơn, có tầm ngắn dễ bị chặn lại chướng ngại vật đường Truyền sóng radio   Sóng radio sử dụng nhiều truyền thông đặc tính:  Dễ tạo sóng  Di chuyển qua khoảng cách xa  Dễ dàng xuyên qua nhà  Đi theo hướng từ nguồn phát Nhược điểm  Giao thoa người dùng  Băng thông thấp Truyền sóng radio  Trong dải tần VLF, LF, MF   Sóng radio theo mặt đất Trong dải tần HF, VHF   Sóng bật lại mặt đất gặp tầng điện ly Có thể sử dụng cho khoảng cách xa Frequency Division Multiple Access (FDMA)   FDMA chia phổ thành băng nhỏ cấp phát băng (kênh) cho người dùng Trong hệ thống di động, việc cấp phát kênh thực theo cặp    Một kênh cho lưu lượng từ BS đến người dùng, kênh theo chiều ngược lại Tần số kênh chiều xuống cao kênh chiều lên để giảm tiêu hao lượng phía người dùng Hai vấn đề FDMA   Kênh chiều xuống chiều lên có băng thông Nhiễu kênh băng gác Time Division Multiple Access (TDMA)  TDMA chia băng tần thành nhiều khe thời gian    N khe, chờ N-1 khe cho lần truyền Kênh hướng xuống hướng lên thực theo FDD-TDMA TDDTDMA Yếu điểm TDMA    Vấn đề đồng TDMA Sử dụng thời gian gác Tăng tổng tải (overhead) khe thời gian ngắn Time Division Multiple Access (TDMA)  Các kiểu TDMA động  Binder     Crowther    Giả sử số người sử dụng số khe Mỗi người dùng cấp khe gọi khe chủ cạnh tranh khe lại sử dụng ALOHA Các người sử dụng khác dùng khe chủ Mọi người dùng cạnh tranh khe thời gian dùng ALOHA Khi bắt khe người dùng sử dụng khuông TDMA Roberts    Sử dụng khe đặc biệt (khe đăng ký) Mỗi người dùng gửi yêu cầu đăng ký vào khe ngẫu nhiên Các khe gán theo thứ tự Code Division Multiple Access (CDMA)     Hoạt động theo nguyên tắc khác hẳn với FDMA TDMA Được đặc tả tiêu chuẩn International Standard IS-95 CDMA cho phép người dùng sử dụng toàn phổ sử dụng lý thuyết mã hóa (coding theory) cho tín hiệu cộng tuyến tính Chip    Mỗi bit thời gian chia thành m khoảng thời gian nhỏ gọi chip Mỗi trạm gắn chip m bit gọi dãy chip (Ví dụ 00011011) Tất dãy chip có đặc điểm trực giao cặp m S • T ≡ ∑ S i Ti = m i =1 Code Division Multiple Access (CDMA)   Hiệu sử dụng băng thông cao Yếu điểm   Mức độ điện người dùng phải Đồng hoá máy phát máy thu sử dụng tín hiệu hoa tiêu ALOHA – Carrier Sense Multiple Access (CSMA)  ALOHA tuý    Khi máy có gói tin truyền, máy truyền Nếu xảy tượng xung đột, khuông bị hỏng loại Năng suất ALOHA: để gói tin đến đích cần     Không có lần truyền khác bắt đầu khuông thời gian từ bắt đầu truyền Không có lần truyền diễn Ưu điểm đơn giản CSMA hiệu ALOHA   Nghe đường truyền trì hoãn Các biến thể CSMA   P-Persistent CSMA: chờ cho lần truyền nghe kết thúc truyền với xác suất p Non-persistent CSMA: trì hoãn truyền sau khoảng thời gian ngẫu nhiên ALOHA – Carrier Sense Multiple Access (CSMA)   It xung đột ALOHA  Thuật toán tạm lui cấp mũ CSMA-Collision Avoidance (CSMA-CA) giao thức 802.11 Các giao thức thăm dò   Tập trung hoá  BS có trách nhiệm thăm dò máy trạm  Gửi gói tin điều khiển nhỏ thông báo truyền  Các máy thăm dò Random Address Polling (RAP)  Máy trạm gọi tích cực có gói tin để truyền  Thời kỳ ganh đua để thông báo dự định truyền gói tin  Có nhiều chu trình tham dò  Các trạm gặp xung đột chờ đến chu trình  Các trạm tích cực không ganh đua với trạm xung đột  Thông điệp READY giữ trạm tích cực vào ganh đua Các giao thức thăm dò  Các giai đoạn   Giai đoạn mời ganh đua: BS truyền thông điệp READY Giai đoạn ganh đua     Các nốt tích cực phát sinh số ngẫu nhiên truyền đến BS sử dụng CDMA (q lần) Giai đoạn ganh đua lặp L lần Giai đoạn thăm dò BS gửi positive acknowledgement (PACK) nhận gói tin nốt phải chờ đến chu trình thăm dò nhận nagative acknowledgement (NACK) Khái niệm tế bào   Sự dụng hiệu phổ Kiến trúc mạng tế bào     Mobile terminal Base station (BS) Mobile Switching Center (MSC) Home Location Register (HLR) Visitor Location Register (VLR): CSDL MSC Khái niệm tế bào  Các kênh     Kênh quảng bá Kênh phân trang: thông báo gọi đến Kênh truy nhập ngẫu nhiên: dùng cho gọi Khái niệm tế bào    Dùng lại tần số Cụm cỡ Giảm giao thoa tế bào Khái niệm tế bào  FDMA, TDMA, CDMA dùng cho tách riêng tế bào  Microcell  Các tế bào nhỏ nhu cầu lưu lượng tăng  Tách tế bào lớn  Multilayer Cellular Network  Picocell: khu vực hẹp tòa nhà  Fixed Channel Allocation  Borrowing channel allocation (BCA): Mượn tần số tế bào tải nhẹ  Dynamic channel allocation (DCA): MSC cấp tần số cho BS dựa tải tế bào Vấn đề di động: định vị chuyển giao  Chương Chế độ mạch gói   Switch network Chuyển mạch   Theo đường Gồm thủ tục      Kiến lập mạch: yêu cầu kiến lập mạch Truyền liệu Ngắt mạch: giải phóng tài nguyên Không phù hợp cho truyền liệu Chuyển gói   Các gói tin nhỏ theo nhiều đường khác Thế hệ (4G) Các tầng mạng  Tầng phiên    Tầng trình diễn    Song công, bán song công Đồng ngừng hoạt động: sử dụng checkpoint Đinh dạng liệu truyền Thực mật mã hoá nén liệu Protocol Data Unit (PDU)