Tổng quan về truyền thông không dây | Môn Công nghệ không dây - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58583460
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
MÔN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ~~~~~~*~~~~~~ BÁO CÁO ĐỀ TÀI:
Tổng quan về truyền thông không dây
Nhóm SV thực hiện: 1
Mã Lớp Học: 23LC61SP1 Họ tên SV MSSV 1 . Nguyễn Bá An 23661001 2 . Nguyễn Xuân Thông 23661015 lOMoAR cPSD| 58583460
TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 01 năm 2024 ĐIỂM SỐ TIÊU CHÍ
NỘI DUNG BỐ CỤC
TRÌNH BÀY TỔNG ĐIỂM NHẬN XÉT
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
................................................................................................................................. Ký tên lOMoAR cPSD| 58583460 MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY.................1
1.1. Lịch sử của Truyền thông không dây.........................................................2
1.2. Tầm nhìn không dây....................................................................................7
1.3. Các vấn để kỹ thuật....................................................................................10
1.4. Các hệ thống không dây hiện tại...............................................................14
1.4.1 Hệ thống điện thoại di động.................................................................14
1.4.2 Điện thoại không dây............................................................................22
1.4.3 Mạng LAN không dây (WLAN)..........................................................25
1.4.4 Dịch vụ dữ liệu không dây khu vựng rộng..........................................27
1.4.5. Truy cập không dây băng thông rộng................................................28
1.4.6. Hệ thống phân trang............................................................................29
1.4.7 Hệ thống vệ tinh....................................................................................30
1.4.8 Hệ thống radio chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng: Bluetooth và
Zigbee..............................................................................................................32
1.4.9 Radio băng thông siêu rộng..................................................................34
1.5 Quang phổ không dây.................................................................................35
1.5.1 Phương pháp phân bô quang phổ........................................................35
1.5.2 Phân bố quang phổ cho các hệ thống hiện có.....................................37
1.6 Các tiêu chuẩn..............................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................41 lOMoAR cPSD| 58583460
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Truyền thông không dây, theo bất kỳ tiêu chí nào, là phân khúc đang phát
triển nhanh nhất trong ngành truyền thông. Do đó, nó đã thu hút sự chú ý của
truyền thông và tưởng tượng của công chúng. Hệ thống di động đã trải qua sự tăng
trưởng mũi nhọn trong thập kỷ qua và hiện có khoảng hai tỷ người dùng trên toàn
thế giới. Thực sự, điện thoại di động đã trở thành công cụ kinh doanh quan trọng
và một phần của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các nước phát triển, và đang
nhanh chóng thay thế các hệ thống dây cũ kỹ ở nhiều nước đang phát triển. Ngoài
ra, các mạng cục bộ không dây hiện đang bổ sung hoặc thay thế các mạng có dây
trong nhiều gia đình, doanh nghiệp và trường học. Nhiều ứng dụng mới, bao gồm
các mạng cảm biến không dây, các tuyến đường và nhà máy tự động, nhà thông
minh và thiết bị gia đình, và y tế từ xa, đang nảy sinh từ ý tưởng nghiên cứu thành
các hệ thống cụ thể. Sự tăng trưởng nổ của các hệ thống không dây kết hợp với sự
phát triển của máy tính xách tay và máy tính bàn nhỏ gọn cho thấy tương lai tươi
sáng cho các mạng không dây, cả là các hệ thống độc lập và là một phần của cơ
sở hạ tầng mạng lớn hơn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật trong việc
thiết kế các mạng không dây mạnh mẽ để cung cấp hiệu suất cần thiết để hỗ trợ
các ứng dụng mới nổi. Trong chương giới thiệu này, chúng ta sẽ tóm tắt lịch sử
của các mạng không dây, từ các tín hiệu khói của thời kỳ tiền công nghiệp đến các
mạng di động, vệ tinh và không dây khác của ngày nay. Sau đó, chúng ta sẽ thảo
luận về tầm nhìn không dây chi tiết hơn, bao gồm các thách thức kỹ thuật phải
vượt qua để biến tầm nhìn này thành hiện thực. Chúng ta sẽ mô tả các hệ thống
không dây hiện tại cùng với các hệ thống và tiêu chuẩn mới nổi. Khoảng cách
giữa các hệ thống hiện tại và hệ thống mới nổi và tầm nhìn cho các ứng dụng
không dây trong tương lai cho thấy còn nhiều công việc phải làm để biến tầm nhìn này thành hiện thực. lOMoAR cPSD| 58583460
1.1. Lịch sử của Truyền thông không dây
Lịch sử của Truyền thông không dây bắt đầu từ thời kỳ tiền công nghiệp.
Những hệ thống này truyền tải thông tin qua khoảng cách tầm nhìn (sau này được
mở rộng bằng kính thiên văn) bằng cách sử dụng tín hiệu khói, tín hiệu đèn pin,
gương phản chiếu, đèn pháo hoặc cờ hiệu. Một tập hợp phức tạp các kết hợp tín
hiệu đã được phát triển để truyền đạt các tin nhắn phức tạp bằng những tín hiệu
nguyên thủy này. Các trạm quan sát được xây dựng trên đỉnh đồi và dọc theo các
con đường để truyền tải những tin nhắn này qua khoảng cách lớn. Những mạng
truyền thông sớm này đã được thay thế đầu tiên bằng mạng điện tín (do Samuel
Morse phát minh vào năm 1838) và sau đó là điện thoại. Vào năm 1895, vài thập
kỷ sau khi điện thoại được phát minh, Marconi đã thực hiện cuộc truyền thông
radio đầu tiên từ Đảo Wight đến một con tàu kéo cách xa 18 dặm, và truyền thông
radio ra đời. Công nghệ radio đã tiến bộ nhanh chóng để cho phép truyền tải qua
khoảng cách lớn với chất lượng tốt hơn, tiêu thụ ít năng lượng và thiết bị nhỏ hơn,
giá rẻ hơn, từ đó tạo điều kiện cho truyền thông radio công cộng và riêng tư, truyền hình và mạng không dây.
Hệ thống radio sớm truyền tải tín hiệu analog. Ngày nay, hầu hết các hệ
thống radio truyền tải tín hiệu số hóa được tạo thành từ các bit nhị phân, trong đó
các bit được thu thập trực tiếp từ tín hiệu dữ liệu hoặc bằng cách số hóa tín hiệu
analog. Một radio kỹ thuật số có thể truyền tải một luồng bit liên tục hoặc nhóm
các bit thành gói tin. Loại radio sau được gọi là radio gói và được đặc trưng bởi
việc truyền tải theo kiểu nổ: radio không hoạt động trừ khi nó truyền tải một gói
tin. Mạng đầu tiên dựa trên radio gói, ALOHANET, được phát triển tại Đại học
Hawaii vào năm 1971. Mạng này cho phép các trang web máy tính tại bảy khuôn
viên trải rộng qua bốn hòn đảo giao tiếp với máy tính trung tâm trên đảo Oahu
thông qua truyền tải radio. Kiến trúc mạng sử dụng mô hình sao với máy tính
trung tâm ở trung tâm. Bất kỳ hai máy tính nào cũng có thể thiết lập một liên kết
truyền thông hai chiều giữa chúng thông qua trung tâm trung tâm. ALOHANET lOMoAR cPSD| 58583460
tích hợp bộ giao thức đầu tiên cho quyền truy cập kênh và định tuyến trong các
hệ thống radio gói, và nhiều nguyên tắc cơ bản trong các giao thức này vẫn được
sử dụng cho đến ngày nay. Quân đội Hoa Kỳ rất quan tâm đến sự kết hợp giữa dữ
liệu gói và radio phát sóng có sẵn trong ALOHANET. Suốt thập kỷ 1970 và đầu
thập kỷ 1980, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) đã đầu
tư nguồn lực đáng kể để phát triển các mạng sử dụng radio gói cho truyền thông
chiến thuật trên chiến trường. Các nút trong các mạng không dây tạm thời này có
khả năng tự cấu hình (hoặc cấu hình lại) thành một mạng mà không cần sự hỗ trợ
từ cơ sở hạ tầng đã được thiết lập. Đầu tư của DARPA vào các mạng tạm thời này
đạt đỉnh vào giữa thập kỷ 1980, nhưng các mạng kết quả vẫn không đạt được kỳ
vọng về tốc độ và hiệu suất. Các mạng này tiếp tục được phát triển cho mục đích
quân sự. Mạng radio gói cũng tìm thấy ứng dụng thương mại trong việc hỗ trợ
dịch vụ dữ liệu không dây khu vực rộng. Các dịch vụ này, được giới thiệu lần đầu
vào đầu những năm 1990, cho phép truy cập dữ liệu không dây (bao gồm email,
truyền tệp và duyệt web) với tốc độ khá thấp, khoảng 20 Kbps. Thị trường mạng
dữ liệu không dây khu vực rộng này thực sự không phát triển mạnh, chủ yếu do
tốc độ dữ liệu thấp, chi phí cao và thiếu “ứng dụng quyết định”. Những dịch vụ
này chủ yếu biến mất vào những năm 1990, được thay thế bởi khả năng truyền dữ
liệu không dây của điện thoại di động và các mạng khu vực cục bộ không dây (LANs).
Sự giới thiệu của công nghệ Ethernet có dây vào những năm 1970 đã đưa
nhiều công ty thương mại rời xa mạng lưới dựa trên radio. Tốc độ dữ liệu 10 Mbps
của Ethernet vượt xa bất cứ thứ gì có sẵn sử dụng radio, và các công ty không
phiền lòng chạy dây cáp trong và giữa các cơ sở của họ để tận dụng tốc độ cao
này. Năm 1985, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép phát triển thương
mại của các mạng LAN không dây bằng cách ủy quyền việc sử dụng công khai
các dải tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) cho các sản phẩm mạng LAN
không dây. Dải ISM rất hấp dẫn đối với các nhà cung cấp mạng LAN không dây lOMoAR cPSD| 58583460
vì họ không cần phải có giấy phép FCC để hoạt động trong dải tần này. Tuy nhiên,
các hệ thống mạng LAN không dây không thể gây nhiễu cho người dùng chính
của dải ISM, điều này buộc họ phải sử dụng một hồ sơ công suất thấp và một kế
hoạch truyền tín hiệu không hiệu quả. Hơn nữa, sự nhiễu từ người dùng chính
trong dải tần này khá cao. Kết quả là, các mạng LAN không dây ban đầu này có
hiệu suất rất kém về tốc độ dữ liệu và phạm vi phủ sóng. Hiệu suất kém này, kết
hợp với lo ngại về bảo mật, thiếu tiêu chuẩn và chi phí cao (điểm truy cập mạng
LAN không dây đầu tiên được liệt kê với giá 1.400 đô la so với vài trăm đô la cho
một thẻ Ethernet có dây) dẫn đến doanh số bán hàng yếu. Ít hệ thống này thực sự
được sử dụng cho mạng dữ liệu: chúng bị giới hạn trong các ứng dụng công nghệ
thấp như kiểm soát hàng tồn kho. Thế hệ mạng LAN không dây hiện tại, dựa trên
họ hàng của các tiêu chuẩn IEEE 802.11, có hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ
liệu vẫn tương đối thấp (tốc độ dữ liệu tối đa tổng hợp hàng chục Mbps) và phạm
vi phủ sóng vẫn nhỏ (khoảng 150 m). Ethernets có dây ngày nay cung cấp tốc độ
dữ liệu 100 Mbps, và khoảng cách hiệu suất giữa mạng LAN có dây và không dây
có khả năng tăng theo thời gian mà không cần phân bổ thêm phổ. Mặc dù có sự
khác biệt lớn về tốc độ dữ liệu, mạng LAN không dây đang trở thành phương pháp
truy cập Internet được ưa chuộng trong nhiều gia đình, văn phòng và môi trường
trường học do tính tiện lợi và sự tự do không dây. Tuy nhiên, hầu hết các mạng
LAN không dây hỗ trợ các ứng dụng như email và duyệt web không đòi hỏi băng
thông cao. Thách thức cho các mạng LAN không dây trong tương lai sẽ là hỗ trợ
nhiều người dùng cùng một lúc với các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao và bị
ràng buộc về độ trễ như video. Mở rộng phạm vi cũng là mục tiêu quan trọng cho
các hệ thống mạng LAN không dây trong tương lai.
Cho đến nay, ứng dụng thành công nhất của mạng không dây là hệ thống
điện thoại di động. Gốc rễ của hệ thống này bắt đầu từ năm 1915, khi truyền tải
giọng nói không dây giữa New York và San Francisco được thiết lập lần đầu. lOMoAR cPSD| 58583460
Năm 1946, dịch vụ điện thoại di động công cộng được giới thiệu tại 25 thành phố
trên khắp Hoa Kỳ. Những hệ thống ban đầu này sử dụng một bộ phát trung tâm
để phủ sóng cả một khu vực đô thị. Sự sử dụng không hiệu quả của phổ radio kết
hợp với tình trạng công nghệ radio tại thời điểm đó đã hạn chế nghiêm trọng khả
năng của hệ thống: ba mươi năm sau khi dịch vụ điện thoại di động được giới
thiệu, hệ thống New York chỉ có thể hỗ trợ 543 người dùng.
Một giải pháp cho vấn đề về khả năng chứa xuất hiện trong những năm 50
và 60 khi các nhà nghiên cứu tại AT&T Bell Laboratories phát triển khái niệm
điện thoại di động [4]. Hệ thống di động tận dụng việc sức mạnh của tín hiệu
truyền tải giảm đi theo khoảng cách. Do đó, hai người dùng có thể hoạt động trên
cùng một tần số tại các vị trí không gian riêng biệt với sự can thiệp tối thiểu giữa
chúng. Điều này cho phép sử dụng phổ tần số di động rất hiệu quả để hỗ trợ một
số lượng lớn người dùng. Sự tiến hóa của các hệ thống di động từ khái niệm ban
đầu đến thực hiện diễn ra rất chậm. Năm 1947, AT&T yêu cầu phổ tần số cho dịch
vụ di động từ FCC. Thiết kế chủ yếu đã hoàn thành vào cuối những năm 1960,
cuộc thử nghiệm trường đầu tiên diễn ra vào năm 1978 và FCC cấp phép dịch vụ
vào năm 1982, lúc đó nhiều công nghệ ban đầu đã lỗi thời. Hệ thống di động
analog đầu tiên triển khai tại Chicago vào năm 1983 đã bị quá tải vào năm 1984,
lúc đó FCC đã tăng phân bổ phổ tần số di động từ 40 MHz lên 50 MHz. Sự phát
triển nổ của ngành công nghiệp di động đã khiến hầu hết mọi người bất ngờ. Trước
thực hiện hệ thống đầu tiên, một nghiên cứu thị trường do AT&T đặt hàng đã dự
đoán rằng nhu cầu về điện thoại di động sẽ giới hạn cho bác sĩ và người giàu.
Thực tế, AT&T gần như bỏ dự án kinh doanh di động vào những năm 1980 để tập
trung vào mạng quang, sau đó trở lại với ngành sau khi tiềm năng của nó trở nên
rõ ràng. Suốt những năm 1980 cuối, khi ngày càng nhiều thành phố trở nên quá
tải với nhu cầu dịch vụ di động, việc phát triển công nghệ di động kỹ thuật số để
tăng khả năng chứa và hiệu suất tốt hơn trở nên cần thiết. lOMoAR cPSD| 58583460
Hệ thống di động thế hệ thứ hai, được triển khai lần đầu vào đầu những
năm 1990, dựa trên truyền thông kỹ thuật số. Sự chuyển từ tín hiệu analog sang
kỹ thuật số được thúc đẩy bởi khả năng chứa cao hơn và chi phí, tốc độ và hiệu
suất năng lượng cải thiện của phần cứng kỹ thuật số. Trong khi các hệ thống di
động thế hệ thứ hai ban đầu chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, những hệ thống này
dần dần phát triển để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu như email, truy cập Internet và tin
nhắn ngắn. Thật không may, tiềm năng thị trường lớn cho điện thoại di động đã
dẫn đến sự phát triển đa dạng của các tiêu chuẩn di động thế hệ thứ hai: ba tiêu
chuẩn khác nhau chỉ ở Mỹ, và các tiêu chuẩn khác ở châu Âu và Nhật Bản, tất cả
không tương thích. Việc các thành phố khác nhau có các tiêu chuẩn không tương
thích khác nhau khiến việc lưu thông trong toàn nước Mỹ và trên thế giới bằng
cùng một tiêu chuẩn điện thoại di động trở nên không thể. Hơn nữa, một số quốc
gia đã khởi đầu dịch vụ cho hệ thống thế hệ thứ ba, cho đó cũng có nhiều tiêu
chuẩn không tương thích. Kết quả của việc phân loại tiêu chuẩn là nhiều điện thoại
di động ngày nay có khả năng đa chế độ: chúng tích hợp nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật
số để hỗ trợ lưu thông trong toàn quốc và trên toàn thế giới, và có thể còn có tiêu
chuẩn analog thế hệ đầu tiên, vì chỉ có tiêu chuẩn này cung cấp phủ sóng toàn cầu trong toàn nước Mỹ.
Hệ thống vệ tinh thường được đặc trưng bởi độ cao của quỹ đạo vệ tinh,
quỹ đạo Trái Đất thấp (LEOs ở độ cao khoảng 2000 km), quỹ đạo Trái Đất trung
bình (MEOs ở độ cao khoảng 9000 km) hoặc quỹ đạo đồng trục (GEOs ở độ cao
khoảng 40.000 km). Quỹ đạo đồng trục được coi là tĩnh từ Trái Đất, trong khi các
vệ tinh với quỹ đạo khác có khu vực phủ sóng thay đổi theo thời gian. Khái niệm
sử dụng vệ tinh đồng trục cho truyền thông lần đầu được nhà văn khoa học viễn
tưởng Arthur C. Clarke đề xuất vào năm 1945. Tuy nhiên, các vệ tinh triển khai
đầu tiên, Sputnik của Liên Xô vào năm 1957 và Echo-1 của NASA/Bell
Laboratories vào năm 1960, không phải là vệ tinh đồng trục do khó khăn trong
việc đưa vệ tinh vào quỹ đạo cao như vậy. Vệ tinh GEO đầu tiên được phóng bởi lOMoAR cPSD| 58583460
Hughes và NASA vào năm 1963. Sau đó, GEOs đã chiếm ưu thế trong cả hệ thống
vệ tinh thương mại và chính phủ trong vài thập kỷ.
Vệ tinh đồng trục có phạm vi phủ sóng lớn, vì vậy cần ít vệ tinh (và tiền)
hơn để cung cấp phủ sóng khu vực rộng hoặc toàn cầu. Tuy nhiên, cần một lượng
lớn công suất để đến được vệ tinh và độ trễ truyền tải thường quá lớn cho các ứng
dụng bị ràng buộc về độ trễ như thoại. Nhược điểm này đã dẫn đến sự chuyển đổi
vào những năm 1990 sang các vệ tinh quỹ đạo thấp hơn [6, 7]. Mục tiêu là cung
cấp dịch vụ thoại và dữ liệu cạnh tranh với các hệ thống di động. Tuy nhiên, các
thiết bị di động vệ tinh lớn hơn nhiều, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và có giá đắt
hơn so với điện thoại di động đương đại, giới hạn sự hấp dẫn của chúng. Đặc điểm
hấp dẫn nhất của các hệ thống này là phủ sóng toàn cầu phổ biến của chúng, đặc
biệt là ở các khu vực hẻo lánh hoặc các quốc gia đang phát triển không có hạ tầng
hệ thống dây đất hoặc di động. Thật không may, những nơi như vậy thường không
có nhu cầu lớn hoặc tài nguyên để trả tiền cho dịch vụ vệ tinh. Khi các hệ thống
di động trở nên phổ biến hơn, chúng đã lấy đi hầu hết doanh thu mà các hệ thống
LEO có thể đã tạo ra ở các khu vực đông dân. Với không còn thị trường thực sự,
hầu hết các hệ thống vệ tinh LEO đã phá sản.
Một lĩnh vực tự nhiên cho các hệ thống vệ tinh là giải trí phát sóng. Các vệ
tinh truyền hình trực tiếp hoạt động ở dải tần số 12 GHz. Những hệ thống này
cung cấp hàng trăm kênh truyền hình và là đối thủ chính của cáp. Radio kỹ thuật
số được truyền qua vệ tinh cũng trở nên phổ biến. Những hệ thống này, hoạt động
ở cả châu Âu và Hoa Kỳ, cung cấp phát sóng âm thanh kỹ thuật số với chất lượng gần như CD.
1.2. Tầm nhìn không dây
Tầm nhìn của truyền thông không dây hỗ trợ trao đổi thông tin giữa con
người hoặc thiết bị là biên giới truyền thông của vài thập kỷ tới, và nhiều phần
của nó đã tồn tại dưới một dạng nào đó. Tầm nhìn này sẽ cho phép truyền thông
đa phương tiện từ bất kỳ nơi nào trên thế giới bằng cách sử dụng một thiết bị cầm lOMoAR cPSD| 58583460
tay nhỏ hoặc máy tính xách tay. Các mạng không dây sẽ kết nối máy tính cầm tay,
máy tính xách tay và máy tính để bàn ở bất kỳ nơi nào trong tòa nhà văn phòng
hoặc trường học, cũng như từ quán cà phê góc phố. Trong gia đình, các mạng này
sẽ cho phép một loại thiết bị điện tử thông minh mới tương tác với nhau và với
Internet ngoài việc cung cấp kết nối giữa máy tính, điện thoại và hệ thống an
ninh/giám sát. Những ngôi nhà thông minh như vậy cũng có thể giúp người cao
tuổi và người khuyết tật với cuộc sống hỗ trợ, giám sát bệnh nhân và phản ứng
khẩn cấp. Giải trí không dây sẽ lan tỏa trong ngôi nhà và bất kỳ nơi nào mà con
người tụ tập. Hội nghị truyền hình video sẽ diễn ra giữa các tòa nhà cách nhau
hàng khối hoặc hàng lục đại lục, và những cuộc họp này cũng có thể bao gồm
những người du lịch, từ nhân viên bán hàng đã bỏ lỡ kết nối chuyến bay đến CEO
đang đi du thuyền ở vùng biển Caribe. Video không dây sẽ cho phép các lớp học
từ xa, các cơ sở đào tạo từ xa và các bệnh viện từ xa ở bất kỳ nơi nào trên thế giới.
Các cảm biến không dây có một loạt ứng dụng thương mại và quân sự rộng lớn.
Các ứng dụng thương mại bao gồm giám sát nguy cơ cháy, các khu vực chất thải
nguy hiểm, căng thẳng và biến dạng trong các tòa nhà và cầu, chuyển động của
carbon dioxide và sự lan truyền của hóa chất và khí tại hiện trường thảm họa.
Những cảm biến không dây này tự cấu hình thành một mạng để xử lý và giải thích
các đo lường cảm biến và sau đó truyền thông tin này đến một vị trí kiểm soát tập
trung. Các ứng dụng quân sự bao gồm việc xác định và theo dõi mục tiêu đối
phương, phát hiện các cuộc tấn công hóa học và sinh học, hỗ trợ các phương tiện
robot không người lái và chống khủng bố. Cuối cùng, các mạng không dây cho
phép các hệ thống kiểm soát phân tán, với các thiết bị từ xa, cảm biến và bộ kích
kích hoạt được kết nối thông qua các kênh truyền thông không dây. Những mạng
này cho phép các tuyến đường tự động, robot di động và tự động hóa công nghiệp dễ dàng cấu hình lại.
Các ứng dụng khác nhau được mô tả ở trên đều là các thành phần của tầm
nhìn không dây. Vậy thì, chính xác là gì là truyền thông không dây? Có nhiều cách lOMoAR cPSD| 58583460
khác nhau để phân đoạn chủ đề phức tạp này thành các ứng dụng, hệ thống hoặc
vùng phủ sóng khác nhau. Các ứng dụng không dây bao gồm thoại, truy cập
Internet, duyệt web, phát sóng và tin nhắn ngắn, dịch vụ thông tin thuê bao, truyền
tệp, họp truyền hình video, giải trí, cảm biến và kiểm soát phân tán. Các hệ thống
bao gồm hệ thống điện thoại di động, mạng LAN không dây, hệ thống dữ liệu
không dây khu vực rộng, hệ thống vệ tinh và mạng không dây ad hoc. Các vùng
phủ sóng bao gồm trong tòa nhà, trường học, thành phố, khu vực và toàn cầu. Câu
hỏi về cách xác định truyền thông không dây qua các phân đoạn này đã dẫn đến
sự phân mảnh đáng kể trong ngành công nghiệp, như thể hiện qua nhiều sản phẩm,
tiêu chuẩn và dịch vụ không dây khác nhau được cung cấp hoặc đề xuất. Một trong
những lý do dẫn đến sự phân mảnh này là các ứng dụng không dây khác nhau có
các yêu cầu khác nhau. Hệ thống thoại có yêu cầu tốc độ dữ liệu tương đối thấp
(khoảng 20 Kbps) và có thể chịu được tỷ lệ lỗi bit khá cao (tỷ lệ lỗi bit, hoặc BER,
khoảng 10^−3), nhưng tổng độ trễ phải nhỏ hơn khoảng 30 msec hoặc nó trở nên
đáng chú ý đối với người dùng cuối. Trong khi đó, các hệ thống dữ liệu thường
yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều (1-100 Mbps) và BER rất nhỏ (BER mục
tiêu là 10^−8 và tất cả các bit nhận được lỗi phải được truyền lại) nhưng không có
yêu cầu độ trễ cố định. Hệ thống video thời gian thực có yêu cầu tốc độ dữ liệu
cao kết hợp với các ràng buộc độ trễ giống như hệ thống thoại, trong khi phát sóng
và tin nhắn ngắn có yêu cầu tốc độ dữ liệu rất thấp và không có ràng buộc độ trễ.
Những yêu cầu đa dạng cho các ứng dụng khác nhau làm cho việc xây dựng
một hệ thống không dây có thể đáp ứng hiệu quả tất cả các yêu cầu này cùng một
lúc trở nên khó khăn. Các mạng có dây thường tích hợp các yêu cầu đa dạng của
các ứng dụng khác nhau bằng một giao thức duy nhất. Sự tích hợp này đòi hỏi
phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu nghiêm ngặt nhất cho tất cả các ứng dụng.
Mặc dù điều này có thể khả thi trên một số mạng có dây, với tốc độ dữ liệu khoảng
Gbps và tỷ lệ lỗi bit (BER) khoảng 10^−12, nhưng không khả thi trên các mạng
không dây, có tốc độ dữ liệu thấp hơn và tỷ lệ lỗi bit cao hơn. Vì những lý do này, lOMoAR cPSD| 58583460
ít nhất trong tương lai gần, các hệ thống không dây sẽ tiếp tục bị phân mảnh, với
các giao thức khác nhau được tùy chỉnh để hỗ trợ yêu cầu của các ứng dụng khác nhau.
Sự tăng trưởng phi tuyến của việc sử dụng điện thoại di động và truy cập
Internet không dây đã tạo ra niềm tin lớn về công nghệ không dây nói chung. Rõ
ràng không phải tất cả các ứng dụng không dây sẽ phát triển. Trong khi nhiều hệ
thống và công ty không dây đã đạt được thành công ngoạn mục, cũng có nhiều
thất bại trên đường đi, bao gồm các mạng LAN không dây thế hệ đầu tiên, hệ
thống vệ tinh Iridium, dịch vụ dữ liệu khu vực rộng như Metricom và truy cập
không dây cố định (cáp không dây) đến nhà. Thật không thể dự đoán được những
thất bại và thành công của công nghệ không dây nằm ở tương lai. Hơn nữa, cần
phải có đủ linh hoạt và sáng tạo từ cả kỹ sư và người điều tiết để cho phép những
thành công tình cờ xảy ra. Tuy nhiên, rõ ràng là các hệ thống không dây hiện tại
và mới nổi của ngày hôm nay kết hợp với tầm nhìn về các ứng dụng mà không
dây có thể kích hoạt đảm bảo một tương lai sáng cho công nghệ không dây.
1.3. Các vấn đề kỹ thuật
Phải giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật để cho phép các ứng dụng không
dây của tương lai hoạt động. Những thách thức này lan rộng qua tất cả các khía
cạnh của thiết kế hệ thống. Khi các thiết bị không dây thêm nhiều tính năng, những
thiết bị nhỏ này phải tích hợp nhiều chế độ hoạt động để hỗ trợ các ứng dụng và
phương tiện truyền thông khác nhau. Máy tính xử lý dữ liệu thoại, hình ảnh, văn
bản và video, nhưng cần có những đột phá trong thiết kế mạch để triển khai cùng
một chế độ đa chức năng trên một thiết bị cầm tay rẻ tiền và nhẹ.
Vì người tiêu dùng không muốn pin lớn cần thường xuyên sạc lại, việc truyền và
xử lý tín hiệu trong thiết bị cầm tay phải tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Xử lý
tín hiệu cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện và chức năng mạng có
thể tiêu thụ nhiều năng lượng. Do đó, các mạng dựa trên cơ sở hạ tầng không dây,
chẳng hạn như mạng LAN không dây và hệ thống di động, đặt nhiều gánh nặng lOMoAR cPSD| 58583460
xử lý lên các trang web cố định có nguồn năng lượng lớn. Những hạn chế kèm
theo và điểm thất bại duy nhất rõ ràng không mong muốn cho toàn bộ hệ thống.
Mạng không dây tự động không có cơ sở hạ tầng rất hấp dẫn cho nhiều ứng dụng
do tính linh hoạt và độ bền của chúng. Đối với những mạng này, tất cả quá trình
xử lý và kiểm soát phải được thực hiện bởi các nút mạng theo cách phân tán, làm
cho việc tiết kiệm năng lượng trở nên khó khăn. Năng lượng là một tài nguyên
đặc biệt quan trọng trong các mạng mà các nút không thể sạc lại pin của họ, ví dụ
như trong các ứng dụng cảm biến. Thiết kế mạng để đáp ứng yêu cầu ứng dụng
dưới ràng buộc năng lượng khó khăn như vậy vẫn là một thách thức công nghệ
lớn. Băng thông hữu hạn và biến động ngẫu nhiên của kênh không dây cũng đòi
hỏi các ứng dụng mạnh mẽ có khả năng giảm sút một cách dễ dàng khi hiệu suất mạng giảm đi.
Thiết kế mạng không dây khác biệt cơ bản so với thiết kế mạng có dây do
tính chất của kênh không dây. Kênh này là một phương tiện truyền thông không
thể đoán trước và khó khăn. Trước hết, phổ radio là một tài nguyên khan hiếm
phải được phân bổ cho nhiều ứng dụng và hệ thống khác nhau. Vì lý do này, phổ
được kiểm soát bởi các cơ quan quy định cả vùng lẫn toàn cầu. Một hệ thống vận
hành tại một dải tần số cụ thể phải tuân theo các hạn chế cho dải tần đó do cơ quan
quy định tương ứng đề ra. Phổ cũng có thể rất đắt đỏ vì ở nhiều quốc gia, giấy
phép phổ thường được bán đấu giá cho người đặt giá cao nhất. Tại Hoa Kỳ, các
công ty đã chi hơn chín tỷ đô la cho giấy phép di động thế hệ thứ hai, và các cuộc
đấu giá ở châu Âu cho phổ di động thế hệ thứ ba thu về khoảng 100 tỷ đô la. Phổ
thu được thông qua những cuộc đấu giá này phải được sử dụng cực kỳ hiệu quả
để có lợi nhuận hợp lý và cũng phải được tái sử dụng nhiều lần trong cùng một
khu vực địa lý, do đó đòi hỏi thiết kế hệ thống di động có khả năng chứa đựng cao
và hiệu suất tốt. Ở tần số xung quanh vài Gigahertz, các thành phần radio không
dây với kích thước hợp lý, tiêu thụ năng lượng và chi phí có sẵn. Tuy nhiên, phổ
trong khoảng tần số này rất đông đúc. Vì vậy, những đột phá công nghệ để cho lOMoAR cPSD| 58583460
phép hệ thống tần số cao với cùng chi phí và hiệu suất sẽ giúp giảm thiểu thiếu
hụt về phổ. Tuy nhiên, sự mất mát tín hiệu ở các tần số cao này lớn hơn, do đó
giới hạn phạm vi, trừ khi sử dụng anten hướng.
Như một tín hiệu lan truyền qua một kênh không dây, nó trải qua biến động
ngẫu nhiên trong thời gian nếu bộ phát, bộ thu hoặc các vật thể xung quanh đang
di chuyển, do sự thay đổi của ánh sáng phản xạ và suy giảm. Do đó, đặc điểm của
kênh có vẻ thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, điều này làm cho việc thiết kế hệ
thống đáng tin cậy với hiệu suất đảm bảo trở nên khó khăn. Bảo mật cũng khó
khăn hơn khi triển khai trong các hệ thống không dây, vì sóng không khí dễ bị
người nào đó có anten RF nghe trộm. Các hệ thống tương tự tế bào không có bảo
mật, và ai cũng có thể dễ dàng nghe lén cuộc trò chuyện bằng cách quét tần số
tương tự tế bào analog. Tất cả các hệ thống tương tự tế bào kỹ thuật số đều triển
khai một mức độ mã hóa. Tuy nhiên, với đủ kiến thức, thời gian và quyết tâm, hầu
hết các phương pháp mã hóa này có thể bị phá vỡ và thực tế đã có một số phương
pháp bị xâm phạm. Để hỗ trợ các ứng dụng như thương mại điện tử và giao dịch
thẻ tín dụng, mạng không dây phải đảm bảo an toàn trước những người nghe lén như vậy.
Mạng không dây cũng là một thách thức đáng kể. Mạng phải có khả năng
xác định vị trí của người dùng cụ thể bất kể nó đang ở đâu trong hàng tỷ thiết bị
di động phân tán toàn cầu. Sau đó, mạng phải định tuyến cuộc gọi đến người dùng
đó khi nó di chuyển với tốc độ lên đến 100 km/h. Tài nguyên hạn chế của mạng
phải được phân bổ một cách công bằng và hiệu quả đối với các yêu cầu và vị trí
người dùng thay đổi. Hơn nữa, hiện nay có một hạ tầng khổng lồ của các mạng có
dây: hệ thống điện thoại, Internet và cáp quang, nên nên được sử dụng để kết nối
các hệ thống không dây lại với nhau thành một mạng toàn cầu. Tuy nhiên, các hệ
thống không dây với người dùng di động sẽ không bao giờ có thể cạnh tranh về
tốc độ truyền dữ liệu và độ tin cậy với các hệ thống có dây. Giao tiếp giữa các lOMoAR cPSD| 58583460
mạng không dây và có dây với khả năng hiệu suất khác biệt rất lớn là một vấn đề khó khăn.
Có lẽ thách thức kỹ thuật quan trọng nhất trong thiết kế mạng không dây là
việc cải tiến quá trình thiết kế chính nó. Các mạng có dây thường được thiết kế
theo phương pháp lớp, trong đó các giao thức liên quan đến các lớp khác nhau của
hoạt động hệ thống được thiết kế độc lập, với các cơ chế cơ bản để giao tiếp giữa
các lớp. Các lớp trong các hệ thống không dây bao gồm lớp liên kết hoặc vật lý,
xử lý truyền bit qua phương tiện truyền thông, lớp truy cập, xử lý truy cập chia sẻ
vào phương tiện truyền thông, lớp mạng và lớp vận chuyển, định tuyến dữ liệu
qua mạng và đảm bảo kết nối từ đầu đến cuối và giao diện ứng dụng, quy định tốc
độ dữ liệu từ đầu đến cuối và ràng buộc trễ liên quan đến ứng dụng. Mặc dù
phương pháp lớp giảm độ phức tạp và tạo điều kiện cho tính linh hoạt và tiêu
chuẩn hóa, nó cũng dẫn đến không hiệu quả và mất hiệu suất do thiếu tối ưu hóa
thiết kế toàn cầu. Khả năng chứa lớn và độ tin cậy tốt của các mạng có dây làm
cho những không hiệu quả này tương đối vô hại đối với nhiều ứng dụng mạng có
dây, mặc dù nó không thể đảm bảo hiệu suất tốt cho các ứng dụng bị ràng buộc về
trễ như âm thanh và video. Tình hình rất khác biệt trong mạng không dây. Các
liên kết không dây có thể có hiệu suất rất kém, và hiệu suất này cùng với kết nối
người dùng và thay đổi cấu trúc mạng theo thời gian. Trên thực tế, khái niệm về
liên kết không dây có phần mơ hồ do tính chất của truyền phát và phát sóng radio.
Tính động và hiệu suất kém của kênh truyền thông không dây gốc cho thấy rằng
các mạng hiệu suất cao phải được tối ưu hóa cho kênh này và phải mạnh mẽ và
thích nghi với biến thể của nó, cũng như với động lực của mạng. Do đó, các mạng
này yêu cầu các giao thức tích hợp và thích nghi ở tất cả các lớp, từ lớp liên kết
đến lớp ứng dụng. Thiết kế giao thức chéo lớp này đòi hỏi kiến thức đa ngành về
truyền thông, xử lý tín hiệu và lý thuyết và thiết kế mạng.
Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các
hệ thống không dây đang hoạt động hiện nay. Sẽ rõ ràng từ cái nhìn tổng quan này lOMoAR cPSD| 58583460
rằng tầm nhìn về mạng không dây vẫn là mục tiêu xa vời, với nhiều thách thức kỹ
thuật cần vượt qua. Những thách thức này sẽ được xem xét chi tiết trong suốt cuốn sách.
1.4. Các hệ thống không dây hiện tại
Phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các hệ thống không dây hiện
đang hoạt động. Các chi tiết thiết kế của các hệ thống này liên tục phát triển, với
các hệ thống mới xuất hiện và các hệ thống cũ bị loại bỏ. Do đó, chúng tôi sẽ tập
trung chủ yếu vào các khía cạnh thiết kế cấp cao của các hệ thống phổ biến nhất.
Thêm thông tin về các tiêu chuẩn hệ thống không dây có thể được tìm thấy trong
[1, 2, 3]. Một tóm tắt về các tiêu chuẩn hệ thống không dây chính được đưa ra trong Phụ lục D.
1.4.1 Hệ thống điện thoại di động
Hệ thống điện thoại di động rất phổ biến và có lợi nhuận trên toàn thế giới:
đây là những hệ thống đã kích hoạt cuộc cách mạng không dây. Các hệ thống di
động cung cấp giao tiếp hai chiều bằng giọng nói và dữ liệu với phạm vi vùng,
quốc gia hoặc quốc tế. Ban đầu, các hệ thống di động được thiết kế cho các thiết
bị di động trong xe với anten được gắn trên nóc xe. Ngày nay, các hệ thống này
đã phát triển để hỗ trợ các thiết bị di động nhẹ cầm tay hoạt động trong và ngoài
tòa nhà ở cả tốc độ đi bộ và tốc độ xe.
Tiền đề cơ bản đằng sau thiết kế hệ thống tế bào là tái sử dụng tần số, khai
thác sự thật rằng công suất tín hiệu giảm theo khoảng cách để tái sử dụng phổ tần
số cùng tại các vị trí không gian khác nhau. Cụ thể, khu vực phủ sóng của một hệ
thống tế bào được chia thành các ô không giao nhau, trong đó một tập hợp các
kênh được gán cho mỗi ô. Tập hợp kênh này cũng được sử dụng trong một ô khác
cách xa, như được thể hiện trong Hình 1.1, trong đó Ci chỉ ra tập hợp kênh được
sử dụng trong một ô cụ thể. Hoạt động trong một ô được kiểm soát bởi một trạm lOMoAR cPSD| 58583460
cơ sở trung tâm, như được mô tả chi tiết hơn ở dưới đây. Sự nhiễu gây ra bởi người
dùng trong các ô khác nhau hoạt động trên cùng một tập hợp kênh được gọi là
nhiễu giữa các ô. Sự phân tách không gian của các ô tái sử dụng cùng một tập hợp
kênh, khoảng cách tái sử dụng, nên nhỏ nhất có thể để tần số được tái sử dụng
càng nhiều càng tốt, từ đó tối đa hóa hiệu suất phổ. Tuy nhiên, khi khoảng cách
tái sử dụng giảm, nhiễu giữa các ô tăng lên do khoảng cách truyền tải nhỏ hơn
giữa các ô gây nhiễu. Vì nhiễu giữa các ô phải duy trì dưới ngưỡng cho hiệu suất
hệ thống chấp nhận được, khoảng cách tái sử dụng không thể giảm dưới một giá
trị tối thiểu nào đó. Trong thực tế, việc xác định giá trị tối thiểu này khá khó khăn
vì cả tín hiệu phát và tín hiệu gây nhiễu đều trải qua biến động ngẫu nhiên do đặc
tính của truyền phát tín hiệu không dây. Để xác định khoảng cách tái sử dụng tốt
nhất và vị trí trạm cơ sở, cần có một đặc điểm chính xác về truyền phát tín hiệu trong các ô.
Thiết kế ban đầu của hệ thống tế bào chủ yếu được thúc đẩy bởi chi phí cao
của các trạm cơ sở, khoảng một triệu đô la mỗi cái. Vì lý do này, các hệ thống tế
bào ban đầu sử dụng một số lượng tương đối nhỏ các ô để phủ sóng cho cả một
thành phố hoặc khu vực. Các trạm cơ sở của ô được đặt trên các tòa nhà cao hoặc
núi và phát sóng với công suất rất cao, với khu vực phủ sóng của ô lên đến vài
dặm vuông. Những ô lớn này được gọi là ô macro. Công suất tín hiệu được phát
ra đồng đều theo tất cả các hướng, vì vậy một thiết bị di động di chuyển trong một
vòng tròn xung quanh trạm cơ sở sẽ có công suất nhận được xấp xỉ không đổi nếu
tín hiệu không bị chặn bởi một vật thể suy giảm. Đường viền tròn này của công
suất không đổi tạo ra hình dạng ô lục giác cho hệ thống, vì lục giác là hình dạng
gần nhất với hình tròn có thể phủ một khu vực cho trước bằng nhiều ô không giao nhau.
Hệ thống tế bào trong các khu vực đô thị hiện nay chủ yếu sử dụng các ô
nhỏ hơn với các trạm cơ sở gần mặt đường phát sóng với công suất thấp hơn.
Những ô nhỏ này được gọi là ô micro hoặc ô picocell, tùy thuộc vào kích thước lOMoAR cPSD| 58583460
của chúng. Sự tiến hóa này thành các ô nhỏ hơn đã xảy ra vì hai lý do: nhu cầu về
dung lượng cao trong các khu vực có mật độ người dùng cao và kích thước và chi
phí giảm của điện tử trạm cơ sở. Một ô bất kỳ có thể hỗ trợ số lượng người dùng
xấp xỉ như nhau nếu hệ thống được tỷ lệ tương ứng. Do đó, đối với một khu vực
phủ sóng cho trước, hệ thống có nhiều ô micro sẽ có số lượng người dùng cao hơn
trên mỗi đơn vị diện tích so với hệ thống chỉ có một số ô macro. Ngoài ra, cần ít
công suất hơn tại các thiết bị di động trong các hệ thống ô micro, vì các thiết bị di
động gần trạm cơ sở hơn. Tuy nhiên, sự tiến hóa thành các ô nhỏ hơn đã làm phức
tạp hóa thiết kế mạng. Các thiết bị di động di chuyển qua một ô nhỏ nhanh hơn so
với một ô lớn, do đó việc chuyển giao phải được xử lý nhanh hơn. Ngoài ra, quản
lý vị trí trở nên phức tạp hơn, vì có nhiều ô trong một khu vực cho trước mà một
thiết bị di động có thể nằm ở đó. Cũng khó khăn hơn để phát triển các mô hình
truyền phát tổng quát cho các ô nhỏ, vì truyền phát tín hiệu trong các ô này phụ
thuộc nhiều vào vị trí đặt trạm cơ sở và hình học của các bộ phản xạ xung quanh.
Đặc biệt, hình dạng ô lục giác thường không phải là một xấp xỉ tốt cho truyền phát
tín hiệu trong các ô micro. Các hệ thống ô micro thường được thiết kế bằng các
hình dạng ô vuông hoặc tam giác, nhưng những hình dạng này có sai số lớn trong
xấp xỉ truyền phát tín hiệu ô micro [9].
Hình 1.1: Hệ thống di động lOMoAR cPSD| 58583460
Tất cả các trạm cơ sở trong một khu vực địa lý cho trước được kết nối thông
qua một liên kết truyền thông tốc độ cao đến một văn phòng chuyển mạch điện
thoại di động (MTSO), như được hiển thị trong Hình 1.2. MTSO hoạt động như
một bộ điều khiển trung tâm cho mạng, phân bổ các kênh trong mỗi ô, phối hợp
việc chuyển giao giữa các ô khi một thiết bị di động đi qua ranh giới của ô và định
tuyến cuộc gọi đến và từ người dùng di động. MTSO có thể định tuyến cuộc gọi
thoại qua mạng điện thoại công cộng (PSTN) hoặc cung cấp truy cập Internet.
Người dùng mới nằm trong một ô cho trước yêu cầu một kênh bằng cách gửi yêu
cầu cuộc gọi đến trạm cơ sở của ô qua một kênh kiểm soát riêng biệt. Yêu cầu
được truyền đến MTSO, nơi chấp nhận yêu cầu cuộc gọi nếu có một kênh có sẵn
trong ô đó. Nếu không có kênh nào có sẵn, yêu cầu cuộc gọi sẽ bị từ chối. Cuộc
gọi chuyển giao được khởi đầu khi trạm cơ sở hoặc thiết bị di động trong một ô
cho trước phát hiện rằng công suất tín hiệu nhận được cho cuộc gọi đó đang tiến
gần đến ngưỡng tối thiểu cho phép. Trong trường hợp này, trạm cơ sở thông báo
cho MTSO biết thiết bị di động cần chuyển giao, và MTSO sau đó truy vấn các
trạm cơ sở xung quanh để xác định liệu một trong những trạm này có thể phát hiện
tín hiệu của thiết bị di động đó hay không. Nếu có, MTSO phối hợp việc chuyển
giao giữa trạm cơ sở ban đầu và trạm cơ sở mới. Nếu không có kênh nào có sẵn
trong ô có trạm cơ sở mới, thì việc chuyển giao sẽ thất bại và cuộc gọi sẽ bị chấm
dứt. Cuộc gọi cũng sẽ bị thả nếu cường độ tín hiệu giữa thiết bị di động và trạm
cơ sở của nó giảm xuống dưới ngưỡng tối thiểu cần thiết cho việc truyền thông do
biến động tín hiệu ngẫu nhiên.
Hệ thống tế bào thế hệ đầu tiên sử dụng truyền thông tương tự, vì chúng
được thiết kế chủ yếu vào những năm 1960, trước khi truyền thông kỹ thuật số trở
nên phổ biến. Hệ thống thế hệ thứ hai chuyển từ tương tự sang kỹ thuật số do
nhiều lợi ích của nó. Các thành phần rẻ hơn, nhanh hơn, nhỏ hơn và yêu cầu ít
công suất hơn. Chất lượng thoại được cải thiện nhờ mã hóa sửa lỗi. Hệ thống kỹ
thuật số cũng có dung lượng cao hơn so với hệ thống tương tự, vì chúng có thể sử