Bài giảng Học phần Mạng máy tính – Computer networks: Chương 3 - Lớp vật lý Physical Layer

Bài giảng Học phần Mạng máy tính – Computer networks: Chương 3 - Lớp vật lý Physical Layer cung cấp cho các bạn những nội dung về khái niệm; tần số, phương tiện truyền dẫn hữu tuyến; môi trường truyền dẫn vô tuyến; một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay.

Học phần Mạng Máy Tính – Computer Networks Chương Lớp Vật Lý Physical Layer 3.1 Khái niệm  3.1.1 Tín hiệu: Đại lượng vật lý sử dụng để biểu diễn thông tin, biến đổi theo thời gian khơng gian  Tín hiệu tương tự: liên tục, có biên độ không bị biến đổi đột ngột theo thời gian  Tín hiệu số: khơng liên tục, có biên độ thay đổi mức khác 3.1 Khái niệm  Sử dụng tín hiệu truyền thơng  Các tín hiệu chuyển đổi qua lại với truyền thông sử dụng phương pháp giải – điều chế thiết bị modem 3.1.2 Tần số, phổ tần băng thông  Theo phân tích Fourier tín hiệu g(t) xem tổng hợp tín hiệu thành phần theo cơng thức:  Trong tín hiệu thành phần biểu diễn công thức S(t+T) = s(t)  Tần số: f= T  Phổ tần số: khoảng tần số tín hiệu thành phần tín hiệu ban đầu  Băng thơng tuyệt đối: Độ rộng phổ tần số 3.1.2 Tần số, phổ tần băng thông  Băng thông: Phần lớn lượng tín hiệu tập trung vào số tín hiệu Độ rộng phổ tần cho tín hiệu gọi băng thông hiệu dụng  Tần số cắt fc tần số mà lượng tín hiệu bắt đầu suy hao 3.1.3 Dung lượng kênh truyền  Băng thông đường truyền: Mỗi môi trường truyền dẫn thường cho phép loại tín hiệu có tần số xác định qua Khoảng tần số mà tín hiệu qua môi trường không làm nửa lượng tín hiệu gọi băng thơng đường truyền, kí hiệu B Nyquyst chứng minh dung lượng kênh truyền tối đa C=2B*log2M, M số mức lượng tử tín hiệu  Shanon chứng minh tốc độ liệu tối đa kênh truyền có nhiễu là: C=2B*log2(1+S/N), S/N tỉ số tín hiệu/ tạp âm, đo 10log10S/N, đơn vị decibel (dB) 3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến  3.2.1 Cáp xoắn đôi: Một cặp cáp xoắn đôi gồm sợi cáp đồng có đường kính khoảng 1mm, tránh nhiễu xun âm (crossover talk), gồm loại  UTP Unshield Twisted Pair  STP Shield Twisted Pair  Cắp xoắn đôi dựa vào bước xoắn thưa hay dày phân thành loại Cat3, Cat4, Cat5, Cat5e, Cat6, Cat7… Cat Cat Bước xoắn 7.5 – 10 (cm) 0.6 – 0.85 (cm) Băng thông 16 MHz 100 MHz 3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến  3.2.2 Cáp đồng trục: Một cáp đồng trục bao gồm lõi đồng bọc vật liệu cách điện Lớp cách điện bao quanh lưới dẫn diện Bên dây cáp vỏ bảo vệ nhựa Một sợi cáp đồng trục đơn có đường kính từ đến 2.5cm  Chống nhiễu điện từ xuyên âm tốt, băng thông đường truyền lớn, lên đến 1GHz, gồm loại:  50 ohm: dùng cho tín hiệu số  75 ohm: dùng cho tín hiệu tương tự truyền hình 3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến 3.3.3 cáp quang  Đặc điểm môi trường: Khi ánh sáng truyền từ môi trường đến môi trường khác  Khúc xạ ánh sáng Độ khúc xạ phụ thuộc vào tính chất hai mơi trường (hệ số khúc xạ) Nếu góc tới lớn tia tới hạn  Phản xạ toàn phần 3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến  Truyền dẫn quang: Đơn vị tín hiệu biểu thị bit có xung ánh sáng, bit khơng có xung ánh sáng Gồm thành phần chính:  Nguồn quang: Diod quang laser  Môi trường truyền dẫn: sợi thủy tinh nhỏ  Diod thu quang: đầu thu quang tạo xung điện với tín hiệu nhận tương ứng 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Ứng dụng DSL truyền thông 3.4.2 Mạng thông tin di động Hệ thống điện thoại di động phát triển qua hệ với công nghệ khác ứng với loại tín hiệu khác nhau:  Thế hệ thứ (1G): Tín hiệu thoại tương tự  Thế hệ thứ (2G): Tín hiệu thoại số  Thế hệ thứ (3G): Tín hiệu thoại số liệu số (như Internet, email,…) 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3.4.2.1 Thế hệ thứ  Năm 1946, hệ thống điện thoại di động sử dụng hệ thống điện thoại ô-tô St Louis Hệ thống có thu/phát tín hiệu đặt tịa nhà có kênh truyền đơn sử dụng cho phát thu tín hiệu  Năm 1960, người ta cải tiến hệ thống đặt tên IMTS (Improved Mobile Telephone System) với công suất phát mạnh (khoảng 200w, antenna thường đặt đỉnh đồi, núi cao), sử dụng tần số, dành cho phát tín hiệu dành cho thu tín hiệu  hỗ trợ 23 kênh từ tần số 150MHz đến 540MHz hạn chế số lượng kênh truyền  công suất phát lớn nên hệ thống thông tin khác phải đặt cách xa vài km để tránh nhiễu lẫn 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  năm 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System) Bell Labs phát triển lắp đặt Mỹ  Chia vùng địa lý thành tế bào (cell) có đường kính khoảng từ 10 đến 20 km, cho phép hệ thống điện thoại di động có dung lượng lớn  hệ thống ITMS có đường kính hoạt động 100km cho thiết lập gọi tần số hệ thống AMPS có 100 tế bào với đường kính 10km phủ sóng diện tích thiết lập 10 đến 15 gọi cho tần số 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3.4.2.2 Thế hệ thứ (2G): Mạng thông tin di đông hệ thứ dùng để truyền tín hiệu thoại số, gồm công nghệ: D-AMPS, GSM, CDMA PDC a D – AMPS  D-AMPS hệ thứ hệ thống AMPS, sử dụng cho tín hiệu thoại số, qui định chuẩn quốc tế IS-54 IS-136 DAMPS thiết kế tương thích với hệ thống APMS chúng hoạt động đồng thời tế bào  sử dụng băng tần từ 1850-1910 MHz cho kênh chiều lên dãi băng tần từ 1930-1990 MHz cho kênh chiều xuống với bước sóng 16cm, sử dụng băng tần 850 MHz 1900 MHz để tăng cường tối đa số lượng kênh truyền  Ở thiết bị đầu cuối, tín hiệu thoại mã hóa thành tín hiệu số nén liệu từ băng thông PCM chuẩn 56 Kbps xuống cịn Kbps thấp thơng qua mạch nén liệu gọi mạch Vocoder Mục đích việc nén giảm số lượng bit gửi kênh truyền qua khơng khí có băng thông thấp 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Về mặt sử dụng tần số, hệ thống D-AMPS, người dùng chia cặp tần số cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian Mỗi cặp tần số chia thành 25 khung/giây, độ rộng khung 40ms Mỗi khung chia thành khe thời gian với độ rộng khe thời gian 6.67ms (hình vẽ) Với kỹ thuật này, số lượng người dùng tăng lên thành người dùng/khung 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến b GSM  Về bản, hệ thống GSM tương tự hệ thống DAMPS, người ta phân chia hệ thống thành tế bào sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số để chia băng thông hệ thống thành dãi tần số dành cho việc phát thu tín hiệu  Với dãi tần, người ta lại chia thành khe thời gian kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian tạo kênh truyền dành cho đầu cuối thuê bao di động Tuy nhiên, độ rộng dãi tần hệ thống GSM lớn so với hệ thống D-AMPS (200 KHz thay 30 KHz hệ thống D-AMPS) với số lượng người dùng tương ứng người dùng, tốc độ liệu hệ thống GSM lớn so với hệ thống D-AMPS 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Mỗi dãi tần có độ rộng 200 KHz, hệ thống GSM có 124 cặp dãi tần dành cho phát thu tín hiệu từ trạm phát đến đầu cuối thuê bao, dãi tần hỗ trợ kết nối đồng thời tương ứng với khe thời gian Về mặt lý thuyết, tế bào cho phép hoạt động tới 992 kết nối, nhiên có nhiều kênh sử dụng để đảm bảo tránh xung đột tần số với tế bào liền kề 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến c CDMA (Code Divison Multiple Access – Đa truy cập phân chia theo mã)  Thay phân chia dãi tần thành kênh truyền nhỏ, hệ thống CDMA cho phép đầu cuối thuê bao sử dụng toàn dãi tần để phát thu liệu Dữ liệu đầu cuối thuê bao phân biệt với kỹ thuật mã hóa  Trong hệ thống CDMA, bit chia thành khoảng nhỏ gọi chip Trên thực tế, thơng thường có khoảng 64 128 chip bit  Mỗi đầu cuối thuê bao gán mã có độ dài m-bit gọi số thứ tự chip (chip sequence)  (bit 1) đại diện số thứ tự chip  (bit 0) đại diện số bù số thứ tự chip  Ví dụ m=8, trạm A gán số thứ tự chip 00011011, bit 00011011, bit 11100100 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Việc tăng tốc độ đường truyền từ b bps thành mb chip/s thực điều kiện băng thơng cho phép, mà CDMA xem phương thức truyền thông tin phổ rộng (trãi phổ)  Ví dụ băng thơng 1MHz cho 100 thuê bao, sử dụng FDM th bao có băng thơng 10KHz, tốc độ truyền 10kbps Với CDMA, th bao có băng thơng 1MHz, độ chip 1Mchip/s Giả sử tốc độ chip/bit 10 tốc độ truyền cho thuê bao 100kbps 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3.4.2.3 Thế hệ thứ – 3G  Nhu cầu dịch vụ liệu với tốc độ cao hội tụ CNTT  xuất mạng 3G: tích hợp thoại liệu tốc độ cao  Năm 1992, tổ chức viễn thông quốc tế ITU đưa tiêu chuẩn dành cho hệ thống thông tin di động hệ 3G IMT-2000 (International Mobile Telecommmunications2000)  Dịch vụ thoại chất lượng cao  Tin nhắn (thay email, fax, SMS, chat,…)  Đa phương tiện (nghe nhạc, xem video, xem film, xem TV,…)  Truy cập Internet 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Các chuẩn mạng 3G  W-CDMA (Wideband CDMA): hãng Ericsson đề nghị sử dụng, với độ rộng băng tần 5MHz kết nối với hệ thống GSM Hệ thống cộng đồng Châu Âu hỗ trợ mạnh gọi hệ thống UTMS (Universal Mobile Telecommunication System)  CDMA2000: hãng Quanlcomm đề nghị sử dụng, với độ rộng băng tần 5MHz lại kết nối với hệ thống GSM đặc điểm kỹ thuật khác với W-CDMA tốc độ chip, khung thời gian, phương thức đồng tín hiệu  Vẫn cịn nhiều mâu thuẫn việc lựa chọn chuẩn công nghệ  mạng 2,5G để đáp ứng nhu cầu thực tế 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Các chuẩn mạng 2,5G  Hệ thống EDGE cải tiến từ hệ thống GSM cách tăng số lượng bit baud để tăng băng thông sử dụng cho thuê bao, nhiên điều dẫn đến hậu tỉ lệ bit lỗi buad tăng lên hệ thống phải hy sinh khoảng băng thông để xử lý sửa lỗi  Hệ thống GPRS hệ thống hoạt động lớp hệ thống D-AMPS GSM, cho phép thuê bao di động gửi nhận gói liệu IP hệ thống thông tin di động Khi hệ thống GPRS hoạt động, số khe thời gian sử dụng để truyền liệu Số lượng vị trí khe thời gian tram gốc (base station) quản lý cách tự động tùy thuộc vào tỉ lệ lưu lượng tín hiệu thoại liệu tế bào (cell) 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  3.4.3 thơng tin vệ tinh  Thơng tin vệ tinh có số tính chất đặc trưng phù hợp với nhiều ứng dụng Một vệ tinh có vai trị lặp sóng ngắn khơng trung, gồm nhiều thu phát tín hiệu làm việc dải tần định, có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau phát lại tần số khác để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu thu Luồng tín hiệu phát xuống có phạm vi rộng, bao phủ phần bề mặt trái đất có đường kính khoảng vài trăm km  Theo định luật Kepler, chu kỳ quay vòng quang trái đất quĩ đạo vệ tinh tỉ lệ với bán kính quĩ đạo Như vậy, vệ tinh cao chu kỳ lớn Các vệ tinh gần bề mặt trái đất có chu kỳ khoảng 90 phút, vệ tinh độ cao 35,800 km có chu kỳ khoảng 24 giờ, vệ tinh độ cao 384,000 km có chu kỳ khoảng tháng 3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến  Quỹ đạo hoạt động vệ tinh: ... tốc độ truyền cho thuê bao 100kbps 3. 4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3. 4.2 .3 Thế hệ thứ – 3G  Nhu cầu dịch vụ liệu với tốc độ cao hội tụ CNTT  xuất mạng 3G: tích hợp thoại liệu tốc độ cao... trọng 3. 4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3. 4.1 Mạng điện thoại công cộng 3. 4.1.1 Cấu trúc thành phần: Gồm có ba kiểu cấu trúc khác nhau: kết nối đầy đủ, chuyển mạch tập trung phân cấp mức 3. 4... thực tế mạng điện thoại tổ chức phân cấp nhiều mức sau: 3. 4 Một số mạng truyền thông phổ biến 3. 4.1.2 Các dịch vụ liệu qua mạng điện thoại a Kết nối modem quay số (dial up)  Khi máy tính muốn