Bài giảng Mạng không dây và di động - Chương 2: Các nguyên tắc căn bản của truyền thông không dây

ệu kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số Sự khác nhau giữa các hệ thống ngày nay và trước đây là kỹ thuật truyền số liệu Kỹ thuật tương tự cho các hệ thống chỉ có tiếng nói Kỹ thuật số cho các hệ thống truyền số liệu, ví dụ như truyền file Các ưu điểm của kỹ thuật số so với tương tự Tính tin cậy Biểu diễn dữ liệu dưới dạng số làm tăng khả năng chịu nhiễu Có thể sử dụng các thuật toán phát hiện và sửa lỗi Sử dụng phổ hiệu quả Ít lỗi xuất hiện Nén dữ liệu Truyền số liệu kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số Bảo mật Áp dụng mã hoá dữ liệu số Mã hoá tiếng nói Tiếng nói cần được chuyển đổi từ hình thức tương tự sang số để có thể truyền qua mạng không dây kỹ thuật số Thiết bị thực hiện chức năng này được biết đến với tên gọi codecs (coder/decoder) trong điện thoại di động Phương pháp Pulse Code Modulation (PCM) số hoá tín hiệu tiếng nói bằng cách lấy mẫu tín hiệu trong các khoảng thời gian đều đặn Mã hoá tiếng nói Các giai đoạn của PCM Lấy mẫu: tạo ra một dãy các mẫu gọi là các xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Lượng tử hoá: Tách khoảng biên độ của tín hiệu tiếng nói thành V mức Lượng tử hoá làm méo tín hiệu do phép xấp xỉ 128 mức cho chất lượng số hoá tốt Mã hoá nhị phân: mã hoá các giá trị được lượng tử hoá thành dạng nhị phân, 011001100100001101000111100110000011 (4 bit) Mã hoá tiếng nói Nhược điểm của PCM là tốc độ bit cao, không phù hợp với các hệ thống truyền thông không dây Differential PCM Cho biểu diễn nhị phân của sự chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp Giảm được tốc độ bit nếu sự chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp có thể mã hoá sử dụng số bit nhỏ hơn số bit cho mã hoá chính mẫu Adaptive DPCM Phán đoán giá trị của mẫu dựa trên giá trị của các mẫu trước Các kỹ thuật điều biến cho các hệ thống không dây Điều biến là kỹ thuật biến số liệu thành sóng điện từ để gửi qua kênh không dây Thay đổi thuộc tính của sóng radio hay còn gọi là sóng mang có tần số của kênh không dây Các kỹ thuật điều biến được chia làm hai loại Tương tự Số Điều biến tương tự Điều biến biên độ (AM – Amplitude Modulation) Sử dụng trong phát thanh radio s(t) = (1 + x(t))cos(2πƒt) Trong đó: x(t): tín hiệu chứa thông tin c(t): sóng mang, c(t) = cos(2πƒt) s(t): tín hiệu đã qua điều biến ƒ: tần số của sóng mang Điều biến tương tự Điều biến tương tự Trong trường hợp tỉ lệ n của biên độ cực đại của tín hiệu mang thông tin x(t) với biên độ cực đại của sóng mang c(t) > 1, không thể dùng AM Ví dụ n = 2 Điều biến tương tự Điều biến tần số (FM – Frequency Modulation) Biến đổi tần số của sóng mang thay vì biên độ Khả năng chịu nhiễu tốt hơn AM FM được sử dụng trong AMPS Điều biến số Chuyển dãy bit thành dạng sóng liên tục Cũng như điều biến tương tự, điều biến số biến đổi thuộc tính của sóng mang Các kỹ thuật điều biến số phổ biến là: Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK): hai mức và 4 mức Phase Shift Keying (PSK) và các biến thể Amplitude Shift Keying (ASK) Bit 1 được biểu diễn bằng sự có mặt của sóng mang, bit 0 - không có sóng mang Trong đó A: biên độ của sóng mang Frequency Shift Keying (FSK) Bit 1 được biểu diễn bởi sự có mặt của sóng mang có tần số ƒ + k, bit 0 - tần số ƒ – k, k: offset Còn được gọi là binary FSK (BFSK) Frequency Shift Keying (FSK) Four-level FSK Truyền được 2 bit cho một lần thay tần số: tốc độ bit tăng gấp đôi tốc độ bốt (baud rate). Trong đó tốc độ bốt được định nghĩa là số lần thay đổi thuộc tính của sóng mang trong một đơn vị thời gian BFSK và four-level FSK được sử dụng trong 802.11 WLAN Phase Shift Keying (PSK) Bit 0 được biểu diễn bởi sự có mặt của sóng mang, bit 1 - sự có mặt của sóng mang với sự lệch pha là π rađian Còn được gọi là binary PSK (BPSK) Phase Shift Keying (PSK) Quadrate (four-level) PSK (QPSK) sử dụng 4 pha lệch nhau π/2 rađian QPSK và các kiểu điều biến 5 mức khác thích hợp cho môi trường di động Các biến thể của PSK Differential PSK (DPSK) Bit 1 được biểu diễn bởi sự thay đổi pha của sóng mang tương đối với pha của ký hiệu trước Bit 0 được biểu diễn bởi sự giữ nguyên pha của sóng mang so với ký hiệu trước Các biến thể của PSK π/4-shifted PSK Mã hoá cặp 2 bit bằng cách thay đổi pha của sóng mang tương đối với pha của của cặp 2 bit trước Luôn có sự thay đổi pha giữa hai cặp liên tiếp Ví dụ 101001 Các biến thể của PSK Quadrate Amplitude Modulation (QAM) Biến đổi cả biên độ và pha của sóng mang Mã hoá sử dụng 4 pha khác nhau với hai giá trị của biên độ cho 3 bit trên một lần lấy mẫu (tốc độ bit = 3 x tốc độ bốt) Với các kiểu QAM khác nhau, tập hợp của các tổ hợp được gọi là mẫu chòm sao Các kiểu QAM mức cao hơn: 16-QAM, 64-QAM Các kiểu QAM mức cao hơn tăng tốc độ bit nhưng nhận cảm hơn với nhiễu Đa truy nhập trong các hệ thống không dây Các nốt trong mạng không dây chia sẻ một môi trường truyền dẫn chung cho việc truyền tín hiệu Các giao thức MAC (Multiple Access Protocol) Là các thuật toán xác định cách thức chia sẻ môi trường truyền dẫn không dây giữa các nốt tham gia Được chia thành 3 loại Gán cố định: ví dụ TDMA, FDMA Truy nhập ngẫu nhiên: ALOHA, CSMA/CA Gán theo nhu cầu: thăm dò (polling) Frequency Division Multiple Access (FDMA) FDMA chia phổ thành các băng nhỏ và cấp phát mỗi băng (kênh) cho một người dùng Trong các hệ thống di động, việc cấp phát kênh thực hiện theo cặp Một kênh cho lưu lượng từ BS đến người dùng, một kênh theo chiều ngược lại Tần số của kênh chiều xuống cao hơn kênh chiều lên để giảm tiêu hao năng lượng phía người dùng Hai vấn đề của FDMA Kênh chiều xuống và chiều lên có băng thông như nhau Nhiễu giữa các kênh nếu không có băng gác Time Division Multiple Access (TDMA) TDMA chia một băng tần thành nhiều khe thời gian N khe, chờ N-1 khe cho lần truyền tiếp theo Kênh hướng xuống và hướng lên có thể được thực hiện theo FDD-TDMA hoặc TDD-TDMA Yếu điểm của TDMA Vấn đề đồng bộ trong TDMA Sử dụng thời gian gác Tăng tổng tải (overhead) nếu khe thời gian quá ngắn Time Division Multiple Access (TDMA) Các kiểu TDMA động Binder Giả sử số người sử dụng ít hơn số khe Mỗi người dùng được cấp một khe gọi là khe chủ và cạnh tranh trong các khe còn lại sử dụng ALOHA Các người sử dụng khác cũng có thể dùng khe chủ Crowther Mọi người dùng cạnh tranh khe thời gian dùng ALOHA Khi bắt được một khe người dùng có thể sử dụng nó trong khuông TDMA tiếp theo Roberts Sử dụng một khe đặc biệt (khe đăng ký) Mỗi người dùng gửi đi một yêu cầu đăng ký vào một khe ngẫu nhiên Các khe được gán theo thứ tự Code Division Multiple Access (CDMA) Hoạt động theo nguyên tắc khác hẳn với FDMA và TDMA Được đặc tả trong tiêu chuẩn International Standard IS-95 CDMA cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ phổ và sử dụng lý thuyết mã hóa (coding theory) và cho rằng các tín hiệu được cộng tuyến tính Chip Mỗi bit thời gian được chia thành m khoảng thời gian nhỏ hơn gọi là chip Mỗi trạm được gắn một chip duy nhất m bit gọi là dãy chip (Ví dụ 00011011) Tất cả các dãy chip có đặc điểm là trực giao từng cặp Code Division Multiple Access (CDMA) Hiệu quả sử dụng băng thông cao hơn Yếu điểm Mức độ điện năng của mọi người dùng phải như nhau Đồng bộ hoá giữa máy phát và máy thu sử dụng tín hiệu hoa tiêu ALOHA – Carrier Sense Multiple Access (CSMA) ALOHA thuần tuý Khi một máy có gói tin truyền, máy đó truyền ngay lập tức Nếu xảy ra hiện tượng xung đột, khuông bị hỏng và loại Năng suất của ALOHA: để gói tin đến được đích cần Không có lần truyền nào khác bắt đầu trong khuông thời gian từ khi bắt đầu truyền Không có lần truyền nào đang diễn ra Ưu điểm chính là sự đơn giản CSMA hiệu quả hơn ALOHA Nghe đường truyền và trì hoãn Các biến thể của CSMA P-Persistent CSMA: chờ cho lần truyền nghe được kết thúc và truyền với xác suất p Non-persistent CSMA: trì hoãn và truyền sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên ALOHA – Carrier Sense Multiple Access (CSMA) It xung đột hơn ALOHA Thuật toán tạm lui cấp mũ CSMA-Collision Avoidance (CSMA-CA) là giao thức căn bản của 802.11 Các giao thức thăm dò Tập trung hoá BS có trách nhiệm thăm dò các máy trạm Gửi một gói tin điều khiển nhỏ thông báo được truyền Các máy lần lượt được thăm dò Random Address Polling (RAP) Máy trạm gọi là tích cực khi có gói tin để truyền Thời kỳ ganh đua để thông báo về dự định truyền các gói tin Có nhiều chu trình tham dò Các trạm gặp xung đột chờ đến chu trình tiếp theo Các trạm tích cực mới không ganh đua với các trạm xung đột Thông điệp READY giữ các trạm mới 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 một số ngẫu nhiên và truyền đến BS sử dụng CDMA (q lần) Giai đoạn ganh đua có thể lặp L lần Giai đoạn thăm dò BS gửi positive acknowledgement (PACK) nếu nhận được gói tin và nốt phải chờ đến chu trình thăm dò tiếp theo nếu nhận được nagative acknowledgement (NACK) Khái niệm tế bào Sự dụng hiệu quả phổ Kiến trúc của mạng tế bào Mobile terminal Base station (BS) Mobile Switching Center (MSC) Home Location Register (HLR) và Visitor Location Register (VLR): CSDL trong MSC Khái niệm tế bào Các kênh Kênh quảng bá Kênh phân trang: thông báo về cuộc gọi đến Kênh truy nhập ngẫu nhiên: dùng cho cuộc gọi Khái niệm tế bào Dùng lại tần số Cụm cỡ 3 Giảm giao thoa giữa các tế bào Khái niệm tế bào FDMA, TDMA, CDMA dùng cho tách riêng các tế bào Microcell Các tế bào nhỏ hơn do nhu cầu lưu lượng tăng Tách tế bào lớn hơn Multilayer Cellular Network Picocell: khu vực rất hẹp như trong một tòa nhà Fixed Channel Allocation Borrowing channel allocation (BCA): Mượn tần số của tế bào tải nhẹ Dynamic channel allocation (DCA): MSC cấp các tần số cho BS dựa trên tải hiện tại của tế bào Vấn đề di động: định vị và chuyển giao Chương 4 Chế độ mạch và gói Switch network Chuyển mạch Theo một đường duy nhất Gồm các thủ tục Kiến lập mạch: yêu cầu kiến lập mạch Truyền dữ liệu Ngắt mạch: giải phóng tài nguyên Không phù hợp cho truyền dữ liệu Chuyển gói Các gói tin nhỏ đi theo nhiều đường khác nhau Thế hệ 4 (4G) Các tầng mạng Tầng phiên Song công, bán song công Đồng bộ nếu ngừng hoạt động: sử dụng checkpoint Tầng trình diễn Đinh dạng dữ liệu truyền Thực hiện mật mã hoá và nén dữ liệu Protocol Data Unit (PDU)