Sự kết nối giữa hệ thống không dây và hệ thống có dây

Chủ đề 7: Sự kết nối giữa hệ thống
không dây và hệ thống có dây

Học viên thực hiện
ST
T
1
2
3
4

Họ và tên
Lê Hoài Việt
Lương Hồng Quý
Đinh Văn Hường
Cao Văn Thế

Lớp

Nhiệm vụ

KTTT1B
KTTT1B
KTTT1B
KTTT1B

Mục 6+7
Mục 5
Mục 1+2
Mục 3+4

1.Giới thiệu:
Mạng thông tin trong các nhà máy công nghiệp hiện nay rất phổ biến,các
giải pháp trong mạng có các mức độ khác nhau bao gồm cảm biến cho diện tích
hẹp, cho văn phịng, cho nhà máy.Trơng vấn đề chúng ta nghiên cứu tập trung chủ
yếu vào mức độ mạng cảm biến – mạng thường được gọi là mạng số liên kết các
cảm biến và các bộ truyền động vào mức đầu tiên của tự động hóa.Một đặc điểm
của mạng này đó là nó khơng chỉ được ứng dụng vào trong các xưởng sản xuất,các
nhà máy cơng nghiệp mà cịn được ứng dụng trong các tòa nhà, xe hơi.
Từ khi giải pháp đầu tiên được thiết kế vào đầu những năm 1980, một số
lượng lớn các dự án đã được tiến hành phát triển và chúng đạt được nhiều thành
tựu trong cả hai hướng là ứng dụng trong công nghiệp và trong nghiên cứu phát
triển. Đa số các giải pháp đều sử dụng đường truyền hữu tuyến ( cáp xoắn đơi, cáp
đồng trục, cáp quang).Từ rất sớm thì u cầu về các nốt mạng di động và sự khó
khăn trong công tác thi công, lắp đặt cáp đã thúc đẩy phát triển một giải pháp mạng
không dây dựa trên sự truyền lan sóng radio.Ngày nay thì đa số các giải pháp đều
sử dụng phương thức truyền dẫn sóng radio. Do các đặc tính đặc biệt của truyền
dẫn khơng dây nên tất cả các nốt mạng không thể thiết lập bằng truyền dẫn khơng
dây, mặt khác thì các thiết bị kết nối có dây cần thiết để liên kết với các nốt mạng
khơng dây. Tuy nhiên thì sự khác biệt giữa truyền dẫn có dây và khơng dây cũng
dẫn tới các rằng buộc trong liên kết giữa các mạng. Điều này làm tăng các yêu cầu
đặc biệt đối với hệ thống số.
Chúng ta sẽ nghiên cứu các đặc tính của truyền dẫn không dây, chi tiết sự
khác nhau của các kết nối cơ khí, kiến trúc của các hệ thống được thiết kế, các ứng
dụng khác nhau của mạng truyền dẫn không dây trong thực tế, các dự án khác nhau
cũng như các khó khăn khi liên kết các hệ thống với nhau. Các mơ hình giải pháp
được cung cấp hiện nay và khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

2 Nội dung và các định nghĩa:
Như đã đề cập ở phần trên, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu vào các thiết bị

trong việc kết nối và ghép trộn truyền dẫn có dây và khơng dây, mặc dù cơng suất
tiêu thụ của các nốt mạng là một thông số quan trọng song trong khuôn khổ nội


dung chúng ta xem xét thì sẽ khơng nghiên cứu kỹ vấn đề này, nội dung mà chúng
ta xem xét sẽ được đề cập ở dưới đây.
Yêu cầu đối với hệ thống mạng số:
Yêu cầu đối với mạng số đó là số lượng và vùng phủ của tất cả các thiết bị
hoạt động . Chúng ta hạn chế rằng các đặc tính đưa ra ở đây chỉ là một phần các
yếu tố liên quan đến kết nối lẫn nhau giữa các thiết bị:
Chu kỳ lưu lượng với thời gian cài đặt khác nhau, trong rất nhiều giải pháp
cho mạng số yêu cầu này được chuyển thành một số lưu lượng tuần hồn.Trong
thực tế điều cần thiết đó là nó có thể chuyển hóa được thơng tin tốt trước khi kết
thúc chu kỳ, tại đó thì tín hiệu đã được lấy mẫu hoàn toàn.
Xử lý lưu lượng một cách thường xuyên với độ trễ xác định.
Cho phép lấy mẫu một cách đồng thời với một số lượng lớn các đầu vào trên
các nốt mạng khác nhau.
Cung cấp các chỉ dẫn phù hợp với thời gian,trong thực tế đó là hệ thống điều
khiển hoặc tập trung các kỳ vọng đó chính là các giá trị đáp ứng của cảm biến khác
nhau trong q trình lấy mẫu, thơng thường thì nó được tiến hành trong khoảng
thời gian vài phần trăm thời gian của chu kỳ lấy mẫu. Mạng sẽ được cung cấp cách
thức để hiểu được các giá trị đặc tính được thiết lập, tên của các giá trị hỗ trợ.
Thỉnh thoảng thì độ tuổi ( thời gian được tính kể từ khi lấy mẫu) của dữ liệu cũng
được gọi là thời gian hỗ trợ điều này rất quan trọng đối với người sử dụng hệ
thống.
Đối với các lưu lượng rời rạc, cung cấp cách thức để biết được rằng sự kiện
nào đang diễn ra, một ứng dụng sẽ đưa ra các quyết định khác nhau phụ thuộc vào
cách thức để xuất hiện sự kiện đó. Ví như một sự kiện có khả năng tiềm tàng được
phát hiện trong các nốt mạng khác nhau của mạng, nó sẽ có một phương thức để
tìm ra nó.

Dữ liệu có thể truyền từ một nốt mạng này đến một nốt mạng khác hoặc từ
một nốt mạng tới một số nốt mạng và ngược lại.
Có các giải pháp bền vững trong việc kháng nhiễu và chống rung động,..


Bên trên là các yêu cầu quan trọng đối với hệ thống, chúng sẽ có ảnh hưởng
trực tiếp đến sự kết nối mạng.

Các đặc tính truyền dẫn sóng radio quan trọng :
Truyền dẫn khơng dây có thể chia làm hai hệ thống chính đó là hệ thống
truyền dẫn radio và truyền dẫn trong dải tần ánh sáng.Cả hai hệ thống đều có
những đặc trưng rất khác so với hệ thống truyền dẫn hữu tuyến.
Đối với hệ thống truyền dẫn radio, các đặc tính chính bao gồm :
Đặc tính 1: So với truyền dẫn bằng cáp thì truyền dẫn vơ tuyến có tỷ lệ lỗi
bít (BER) cao hơn, trong thực tế tỷ lệ lỗi bít của hệ thống vơ tuyến là 10^-3 tới
10^-4 trong khi đó thì hệ thống hữu tuyến tỷ lệ lỗi bít là từ 10^-7 tới 10^-9 chính
vì vậy chương trình phát hiện lỗi phải được tăng cường điều chỉnh cho phù hợp.
Đặc tính 2: Việc tái sử dụng lại không gian là thấp, đặc biệt đối với phổ là hạn chế,
điều đó cũng đồng nghĩa rằng sự xây dựng tồn tại chung của các hệ thống trong
cùng một khu vực phải được tính tốn có kế hoạch ( có thể cấp mã hoặc là cấp phát
tần số) hoặc là sự điều khiển lớp truy nhập giữa (lớp MAC) có thể được thiết kế
theo phương thức có thể kiểm sốt, dung hịa xun nhiễu giữa các hệ thống với
nhau.
Đặc tính 3: Hệ thống gây nhiễu có thể làm gián đoạn quá trình truyền phát
dữ liệu radio, điều này đã được kiểm chứng trong dải tần ISM (các thiết bị, khoa
học và y học ).Ví dụ trong băng tần 2,4Ghz công suất cao của các thiết bị y tế được
cho phép, chúng có thể gây nhiễu cho các hệ thống khác nếu sử dụng trong thời
gian dài.
Đặc tính 4: Khoảng cách truyền dẫn thường là nhỏ,thông thường là vài chục
mét với mơi trường trong nhà và có thể lên tới 300m đối với mơi trường ngồi trời,

các vật cản có thể làm giảm cự ly truyền dẫn nhiều hơn.
Đặc tính 5: Sự xung đột va chạm có thể khơng phát hiện được trong q
trình bức xạ, cơng suất bức xạ tại cự ly xa nhỏ hơn so với công suất bức xạ của các
hệ thống khác gần đó.


Đặc tính 6: Một máy thu phát cần một khoảng thời gian (lên tới vài ms) để
chuyển từ chế độ phát sang chế độ thu và ngược lại, điều này cần phải được đưa
vào trong tính tốn khi thiết kế các giao thức truyền dẫn. Trong thực tế các yêu cầu
mà địi hỏi phải có trả lời ngay lập tức sẽ khơng sử dụng máy thu phát kiểu này.
Đặc tính 7: Truyền dẫn radio có thể bị ảnh hưởng bởi fading đa đường chọn
lọc tần số, các tia sóng có thể đi theo các đường truyền khác nhau do đó sẽ gây ra
nhiễu tại bên phía máy thu vì vậy tại một số điểm thì khơng thể nhận được tín hiệu
phát. Sóng quang có thể được coi là một dạng biến đổi của truyền dẫn radio, chúng
ta sẽ chỉ tập trung xem xét truyền dẫn sóng hồng ngoại vì nó thơng dụng nhất hiện
nay, do nó có một số tính chất đặc biệt.
Đặc tính 8: Vận hành truyền dẫn chỉ có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng,
máy phát và máy thu được đặt để có thể nhìn thấy trực tiếp nhau.Hạn chế của
phương pháp này có thể khắc phục bằng cách sử dụng một thiết bị lặp đặt tại vị trí
mà nó có thể nhìn thấy trực tiếp tất cả các thiết bị khác ( tương tự như công nghệ
sử dụng cho thơng tin vệ tinh ),thường thì thiết bị này hay được đặt trên trần nhà và
vì vậy nó được đặt tên là thiết bị vệ tinh do đó thơng tin được kết nối, tuy nhiên tại
một số điểm bị che khuất thì cũng khơng thể được thiết lập thơng tin.
Đặc tính 9: Các nguồn nhiệt ( mặt trời, máy móc, lị sưởi) có thể làm nhiễu
tới hệ thống truyền dẫn và gây ra lỗi cho hệ thống.
Đặc tính 10: Việc tái sử dụng phổ là hạn chế đối với tất cả các hệ thống sử
dụng chung bước sóng truyền dẫn.
Tóm lại truyền dẫn khơng dây có các đặc điểm khác so với các hệ thống có dây,
nó có tác động đến việc xây dựng các hệ thống sử dụng trong kết nối giữa các nốt
mạng có dây và không dây.

Các định nghĩa:
Để làm rõ sự lựa chọn các kiến trúc khác nhau, chúng ta sẽ định nghĩa một
số vấn đề sau:
Mạch dữ liệu : Một đường dẫn thông thường trong truyền dẫn vật lý giữa hai
hay nhiều thực thể vật lý với các cơ sở cần thiết cho việc truyền các bit trên đó.
Mạng con: Trừu tượng của một mạng con thực tế


Mạng con thực tế : một tập hợp các thiết bị và phương tiện truyền thông
chúng tạo thành một tổng thể độc lập và có thể sử dụng để kết nối các hệ thống
thực cho mục đích truyền tải dữ liệu.
Liên kết dữ liệu : một tập hợp của hai hay nhiều thiết bị đầu cuối được lắp
đặt và kết nối kênh thông tin và chúng hoạt động theo một phương pháp cho phép
thơng tin có thể được truyền đi.
LAN : Một liên kết dữ liệu sử dụng cùng lớp vật lý và giao thức điều khiển
truy nhập lớp giữa.
Segment : Đồng nghĩa với mạch dữ liệu khi nốt mạng được kết nối thông
qua đường dây dẫn.
Cell : Đồng nghĩa với mạch dữ liệu khi nốt mạng được kết nối thơng qua
mơi trường khơng dây.

3. Kết nối
Nói chung, mạng lưới có thể được kết nối với nhau trong nhiều cách khác
nhau như lặp, cầu, qua thiết bị định tuyến, và các cổng (Perlman, 2000) .
Lặp (repeats)
Giao thức này hoạt động trên lớp vật lý. Thông thường, làm việc theo kiểu
bit-by-bit, nhận được tín hiệu đầu vào, tái tạo tín hiệu, và phát ra ở phía bên
kia. Trong thập kỷ qua, chúng ta đã thấy sự thăng hoa của phương pháp lặp với
nhiều cổng được gọi là trung tâm (Ethernet, USB). Trong bối cảnh của bộ lặp hữu
tuyến không dây (hoặc ngược lại), điều này có thể bao hàm sự thay đổi chương

trình mã hóa (ví dụ, NRZI đến Manchester ). Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, phương
pháp lặp hoạt động thông minh với các giao thức trên lớp vật lý.
Khi truyền tải không dây dễ bị lỗi hơn so với truyền trên cáp, một loại khác
của bộ lặp được thiết kế, (Morel, 1996) Cụ thể là từ một bộ lặp, thay vì lặp đi lặp
lại các bit tín hiệu đến bằng các bit (bit lặp lại), thì lặp lại có chờ đợi cho đến khi
một số bit đã được nhận được từ phía có dây, tính tốn hiệu chỉnh mã lỗi về phía
trước (FEC), và truyền các bit cùng với mã sửa lỗi. Phương pháp điều chế khác
nhau (ví dụ như trải phổ) có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả quang phổ
hoặc công suất. Khi nhận được từ phía bên khơng dây, các từ lặp lại nhận được sử


dụng mã FEC để sửa lỗi có thể xảy ra và truyền lại (có thể) sửa chữa các bit thơng
tin cho phía bên có dây. Biện pháp có nhược điểm là trễ lâu hơn, mặc dù ngắn hơn
so với trễ của phương pháp cầu, một router hoặc gateway. Nó làm giảm tỷ lệ lỗi ở
phía khơng dây và tiến gần hơn với tỷ lệ lỗi bit (Morel, 1996) .
Một số hạn chế thực tế khi sử dụng lặp : về nguyên tắc, lặp là chuyển tiếp
những gì xuất phát từ cổng này vào cổng khác và ngược lại. Điều này sẽ có thể với
các dịng full duplex ( thơng tin đi cả 2 chiều cùng 1 lúc) cho mỗi hướng
truyền. Tuy nhiên, tất cả các bus truyền chủ yếu sử dụng một dòng duy nhất cho cả
hai hướng (haft duplex). Lặp lại do đó phải chuyển đổi từ một hướng đến một
trong những khác theo dòng dữ liệu. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng dịng bổ sung nhưng không phải là thực tế. Trong thực tế, lặp đường dây sử
dụng một số cơ chế để cảm nhận (Murdock và Goldie, 1989) và tự chủ chuyển đổi
phù hợp. Khi một tín hiệu đến được nhận ở một bên, lặp lại được bật để tín hiệu
được khơi phục và phát ra ở phía bên kia . Ngược lại sẽ xảy ra khi tín hiệu được
nhận ở phía bên kia . Khi tín hiệu được nhận ở cả hai bên, lặp lại được đặt vào chế
độ cách ly . Biện pháp này là phù hợp miễn là kiểm soát truy cập trung bình khơng
dựa trên những xung đột . Trong trường hợp này, khi một tín hiệu được cảm nhận ở
cả hai bên, lặp lại phải phát ra một tín hiệu gây nhiễu trên cả hai bên để xung đột
có thể được phát hiện ở cả hai bên . Nó cũng phải gửi tín hiệu gây nhiễu trên cổng

đầu vào khi, sau khi chuyển sang một hướng, nó cảm nhận một vụ va chạm trên
cổng đầu ra. Lặp lại do đó khơng hồn tồn độc lập với chương trình truy cập kiểm
sốt trung bình được sử dụng trong mạng .
Sử dụng thông tin vô tuyến ở một bên của bộ lặp không thay đổi diễn biến
này trừ khi kiểm sốt truy cập trung bình sử dụng cạnh tranh. Hãy nhớ rằng va
chạm có thể khơng được phát hiện trực tiếp ở phía bên khơng dây . Lặp lại do đó
khơng có cơ sở để phát hiện các vụ va chạm và truyền nó ở phía bên kia (giả định
được chuyển) . Điều này ngăn cản việc sử dụng các giao thức độc quyền dựa
trên sự xung đột. Điều này sẽ kéo dài sự chậm trễ phát sinh trong bộ lặp .
Ở các bộ lặp hai chiều, biện pháp đệm sẽ khác nhau từ một hướng khác. Giả
định rằng tỷ lệ bit cao hơn bên hơn là bên B. Ngay khi thơng tin nhận được từ bên
A, tín hiệu có thể bắt đầu bên B. Tuy nhiên, các bit được phát ra chậm hơn bên B
và lặp lại phải đệm đến bit trước khi chúng có thể được phát ra trên bên B. Ngược
lại, khi nhận được từ phía bên B, lặp lại khơng có thể bắt đầu chuyển tiếp các
thơng tin về bên A ngay lập tức . Nó phải chờ đợi cho đến khi đủ số lượng bit đã


được nhận được để phát ra các gói tin hồn chỉnh ở tốc độ bit bên. Điều này có
nghĩa rằng giao thức lặp phải biết kích thước tối đa của một gói tin.
Cầu (bridge)
Là một lớp liên kết dữ liệu chuyển tiếp . Một cầu nhận được một khung MAC hồn
chỉnh, kiểm tra nó, và có thể chuyển tiếp nó đến phía bên kia. Trái ngược với lặp,
cầu lọc các thông tin được chuyển tiếp từ một mạng LAN khác . Các loại khác
nhau của mạng LAN kết nối với nhau dẫn đến nhiều loại khác nhau của cầu
(Varghese và Perlman, 1990):
●
Cầu xuyên qua ( Pass through) có thể được sử dụng khi các mạng LAN của
cả hai bên cung cấp dữ liệu có chức năng lớp liên kết và xử lý giống hệt nhau. Các
khung hình sau đó có thể được thông qua không thay đổi. Thiết bị chuyển mạch
Ethernet là một ví dụ gần đây của thể loại này của cầu ;

●
Cầu chuyển tiếp (translation) được sử dụng khi cả hai mạng LAN có chức
năng lớp liên kết dữ liệu và xử lý được đầy đủ, tương tự như cho phép một bản
chuyển tiếp trực tiếp của lớp liên kết dữ liệu PDU;
●
Cầu đóng gói (hoặc đường hầm) có thể được sử dụng khi cầu chuyển tiếp là
khơng thể . Một khung đến được đóng gói trong định dạng lớp liên kết dữ liệu vào
liên kết khác trước khi được chuyển tiếp . Đây là loại cầu được sử dụng khi hai
hoặc nhiều hơn, mạng LAN của công nghệ giống hệt nhau cần phải được kết nối
với nhau thông qua một số khác của một loại khác nhau.
Cầu tham gia như là một nút trong mạng LAN kết nối . Nó nhận được một
bản sao của tất cả các khung hình truyền đi trên mỗi một. Rõ ràng, khơng phải tất
cả các khung cần phải được tiếp sóng . Ví dụ, một khung nhận được bên A, điểm
đến cũng là bên A, không cần phải được chuyển tiếp về phía B. cầu vì thế phải tìm
hiểu những khung hình nên được chuyển tiếp và những người thân khơng nên. Đặc
biệt nên được thực hiện để tránh khung vòng lặp khi các đường dẫn còn một số
tồn tại giữa hai nút giao tiếp (ISO / IEC 7498:1:19).
Bộ định tuyến (router)
Router hoạt động ở cấp lớp mạng. Sự khác biệt chính giữa cầu và bộ định
tuyến sau này là khơng rõ ràng. Bộ định tuyến thay đổi các gói tin trước so với địa
chỉ của chúng. Router tự trao đổi thơng tin để tìm một đường mà gói tin được


chuyển tải. Do đó có thể tìm thấy một đường truyền dẫn tối ưu giữa hai nút, trong
khi cầu chỉ sử dụng một tập hợp con của cấu trúc liên kết có sẵn .
Cổng chuyển tiếp (Gateway)
Cổng chuyển tiếp các thông tin của lớp ứng dụng. Khi một nút gateway nhận
được một số dấu hiệu cho thấy dịch vụ ứng dụng, nó chuyển một yêu cầu dịch vụ
trên mạng LAN khác mà nó được kết nối. Khi nhận được xác nhận tương ứng, nó
biến đổi đáp ứng ở phía bên kia . Tùy thuộc vào các dịch vụ sẵn có, một yêu cầu có

thể tương ứng với nhiều hơn một yêu cầu. Tương tự như vậy, đáp ứng có thể được
xây dựng từ một số xác nhận.
Để khắc phục sự chậm trễ bổ sung trong đáp ứng cho một mạng LAN ở một
bên, một số cổng có thể có những yêu cầu ở phía bên kia trước. Điều này đặc biệt
đúng trong trường truyền dẫn nơi cửa ngõ có thể giữ một bản sao của tất cả các đầu
vào ở một bên, khi nhận được một chỉ đọc là ở phía bên kia, giá trị lưu trữ được
trả về trong phản hồi. Chúng tôi sẽ giới thiệu loại cổng là cổng proxy .

4. Giải pháp thay thế chính
Kết nối là sự lựa chọn chính, có nhiều mức độ khác nhau trong kiến trúc của
một mạng lưới hỗn hợp vô tuyến – hữu tuyến.
Một với nhiều phân đoạn hữu tuyến: Phần hữu tuyến của hệ thống có thể
bao gồm một phân khúc của trường dữ liệu duy nhất mà trên đó tất cả các thiết bị
được nối. Nó có thể được thực hiện một vài phân đoạn cần phải được kết nối với
nhau.
Một với nhiều tế bào hữu tuyến: Như trong trường hợp trước, các nút được
kết nối thông qua các phương tiện khơng dây có thể được tổ chức trong một tế bào
hoặc nhiều tế bào .
Mạng con riêng biệt hoặc tích hợp vơ tuyến và hữu tuyến: Trong trường hợp
đầu tiên, các nút khác nhau kết nối thông qua các phương tiện không dây tạo thành
một mạng duy nhất kết nối với mạng hữu tuyến tại một số điểm . Điều này là rất
tương tự như sự tích hợp của mạng GSM và hệ thống điện thoại . Các giải pháp
khác là có một hoặc nhiều mạng con trong đó các nút khơng dây và có dây được
trộn lẫn.


Một hoặc nhiều điểm kết nối: kết nối giữa truyền dẫn khơng dây và có dây
có thể được thực hiện tại một điểm duy nhất hoặc tại một số điểm.
Ad-hoc, trạm cơ sở một hoặc nhiều trạm gốc cho các mạng con vô
tuyến : Trong trường hợp thứ nhất, tất cả các nút hợp tác mà không cần bất kỳ một

vai trò khác nào từ những nút khác. Trong tùy chọn thứ hai, một nút duy nhất đóng
vai trị như một điều phối viên giao thông giữa các nút không dây
khác nhau. Trường hợp thứ ba là có một số các trạm. Một lựa chọn khác là các
trạm gốc là nút phục vụ như một điểm kết nối.
Các mạng vô tuyến khác nhau có cùng các thơng số khác như:
Tất cả hoặc một phần kết nối: Tất cả các nút khơng dây có thể nhìn thấy
nhau khi kết nối tổng số đạt được .
Đa hop hay đơn hop: Trong trường đa hop, lưu lượng truy cập từ một nút
đến một nút có thể khơng xác định được (ngồi phạm vi truyền) được định tuyến
bởi các nút khác đến đích .
Truyền hình vệ tinh: khơng có khả năng hiển thị đầy đủ, có thể được bù đắp
bằng một nút vệ tinh truyền lại tất cả các tín hiệu từ các nút ở một tần số khác
nhau . Điều này là tương đương với một mạng lưới các nút di động bằng cách sử
dụng một vệ tinh chuyển tiếp truyền thông.
Tuy nhiên, chúng tôi tin rằng những thông số bổ sung không phải là thơng số
chính trong một mơ hình kiến trúc. Chúng tôi sẽ không xem xét thêm .
Mặc dù mỗi giải pháp kết nối là một sự kết hợp của các tùy chọn này, không
phải tất cả các kết hợp đều dẫn đến một hệ thống khả thi. Ví dụ, một tế bào vô
tuyến (mạch dữ liệu) và một phân đoạn hữu tuyến khơng có thể được kết nối với
nhau thông qua một bộ lặp duy nhất cho mỗi tế bào. Trong phần tiếp theo, chúng
tôi sẽ chi tiết và thảo luận một số đề xuất. Tài liệu tham khảo có liên quan sẽ được
đề cập và nhận xét.

5. Những giải pháp cho sự liên mạng
Trong chương này chúng ta sẽ khám phá tính khả thi của những giải pháp
khác nhau. Tính thực tế của mỗi giải pháp sẽ được thảo luận. Những giải pháp dựa
trên bộ định tuyến sẽ khơng được nói đến khi đa phần các fieldbus khơng đưa ra


bất cứ tầng mạng nào, do đó loại trừ giải pháp này. Chỉ có sự ngoại lệ đáng chú ý

là LON (EIA-709.1 1998), thứ mà có ngăn xếp 7 tầng và cung cấp việc định tuyến
giữa phần có dây và các nút không dây.
Những giải pháp dựa trên bộ chuyển tiếp
Một giải pháp dựa trên bộ chuyển tiếp mang lại dấu vết mà tất cả các nút đều
chia sẻ môi trường giống nhau. Sơ đồ điều khiển truy cập môi trường (MAC –
medium access control) giống nhau này phải được sử dụng trong phần khơng dây
và phần có dây. Loại liên mạng này có một vài ưu điểm. Khơng cần một trạm cơ
bản trong các cell không dây. Rất dễ dàng bảo đảm tính chu kỳ vì một kế hoạch
MAC được sử dụng. Sự giống nhau này thích hợp với sự đảm bảo cho giới hạn
chờ. Tuy nhiên, sự chờ này có thể tăng lên khi có sự tác động của một số lượng cao
hơn của các nut đang chia sẻ phương tiện truyền đạt. Hơn nữa, tỷ lệ lỗi bit (BER)
cao hơn trong phần khơng dây có tác động trực tiếp lên tốc độ lỗi khung trong
mạng. Điều này gây ra giới hạn chờ cao hơn bởi vì những sự truyền lại cần thiết.
Cuối cùng, những bộ chuyển tiếp giới thiệu về một vài điểm hạn chế trong sự tự do
thiết kế. Giữa một phân đoạn và một mạng khơng dây chỉ có một bộ chuyển tiếp
được sử dụng. Hơn nữa các vòng lặp được loại bỏ từ topology. Việc này ngăn chặn
việc sử dụng các điểm đa liên mạng.
Các đặc tính của sự truyền thơng khơng dây tác động đến tất cả các giải
pháp có thể thực hiện trong cách giống nhau. Việc giả sử tốc độ bit như nhau được
sử dụng trong các bên của bộ chuyển tiếp, các đặc tính 1,3 và 7 sẽ giới hạn lưu
lượng và tăng góc trễ. Đặc tính 5 tạo ra các hạn chế trong loại MAC protocol. Tất
cả các protocol này đều cần dị sự xung đột khơng được sử dụng trực tiếp. Cuối
cùng, đặc tính 6 sẽ tăng góc trễ và thời gian đáp ứng cho các protocol đáp ứng yêu
cầu.
Một vài giải pháp có thể thực hiện được là:
Giải pháp 1 (RPS1): một cell không dây và một phân đoạn có dây: đây là
một giải pháp thú vị để liên kết một số nút riêng biệt tới một phân đoạn đơn. Một
ví dụ của giải pháp này được biểu diễn như hình 1. Giải pháp này có thể hỗ trợ
những cell không dây phức tạp miễn là các nút không dây trong 2 cell khác nhau
không nhận được tín hiệu radio từ các nút khác.

Giải pháp 2 (RPS2): một cell không dây và nhiều phân đoạn có dây: khi
khơng có nút khơng dây riêng biệt, thì giải pháp này có thể được sử dụng để liên
kết hai hay nhiều phân đoạn có dây có khoảng cách xa cùng nhau khi khơng có
đoạn cáp nào ở giữa.
Giải pháp 3 (RPS3): nhiều cell không dây và một phân đoạn có dây: phân
đoạn có dây có thể được xem như một trục chính cho các cell khơng dây. Lần lượt
các cell có thể tạo thành một mạng con đơn (sử dụng các bộ chuyển tiếp không
dây) được kết nốt đến phân đoạn có dây thơng qua một bộ chuyển tiếp đơn. Vì thế
mà các cell khơng dây chồng lấn nhau và cần thiết phải sử dụng kênh khác cho mỗi
cell. Khi các nút khơng dây có thể di chuyển và đi ngang qua các cell khác nhau,
chúng phải thay đổi tần số của sự phát ra và sự thu nhận. Để khởi động quá trình
này, các bản tin đặc biệt sẽ được gửi đều đặn bởi một nut nhất định của mạng.
Trạm di động mà không nhận bản tin như vậy sẽ bắt đầu lắng nghe trong các kênh
khác cho đến khi nó nhận được bản tin này.

Hình 1. Kiến trúc cell đơn phân đoạn phức tạp dựa trên bộ chuyển tiếp


Hình 2. Kiến trúc fieldbus R (M: trạm chủ, S: trạm khách, H: bộ chuyển tiếp)

Giải pháp 4 (RPS4): nhiều cell khơng dây và nhiều phân đoạn có dây: giải
pháp này về cơ bản là một sự tổng quát hóa của các giải pháp trước. Trường hợp
khơng dây và có dây được tích hợp lại là nền tảng của sự tiếp cận fieldbus – R (như
hình 2). fieldbus – R sử dụng sự điều khiển truy cập môi trường (MAC) bus token.
Khi các token đi xuyên qua các cell không dây, rất cần thiết để giảm tỉ lệ lỗi bit
trong phần không dây. Điều này được thực hiện bằng việc sử dụng việc mã hóa
khác nhau, điều khiển chuỗi trải phổ và các biện pháp đối phó đặc biệt trong máy
thu Rake. Khi tốc độ bit khơng cịn giống như trong phần có dây (1.5Mbit/s) và

trong phần khơng dây (2.0Mbit/s).
Những giải pháp dựa vào cầu nối
Các giải pháp dựa vào cầu nối có thể được sử dụng khi bộ chuyển tiếp
không được sử dụng. Chẳng hạn như, trong sự hiện diện của một số lượng lớn các
nut, giải pháp dựa trên bộ chuyển tiếp có thể dẫn đến các khoảng thời gian dài
không thể chấp nhận được. việc sử dụng một cầu nối sẽ chia các nut thành hai
đường liên kết dữ liệu. Giải pháp dựa vào cầu nối có thể đưa sự giảm đáng kể trong
góc trễ được so sánh với kiến trúc dựa vào bộ chuyển tiếp. Một cách đặc biệt đây
là trường hợp khi chủ yếu lưu lượng cịn duy trì trong mỗi kết nối dữ liệu (cell


hoặc phân đoạn) và lưu lượng đi qua cầu nối là nhỏ nhất. Những cầu nối cũng đưa
ra nhu cầu sử dụng tốc độ bit tương tự trong phần có dây và phần không dây.
Trong nhiều trường hợp, trễ này phải được tăng lên gấp hai lần. Nhiều
fieldbus bắt đầu bởi sự thực hiện ở một trạm. Người khởi đầu sẽ gửi một khung và
người trả lời sẽ đáp lại bằng một khung khác mà chứa dữ liệu ở trong. Để giới hạn
góc trễ truyền có thể trơi qua giữa khung khởi đầu và sự đáp ứng nếu như đã được
giới hạn bởi hạn định cao hơn. Điều này cũng được sử dụng để thiết lập bộ định
thời mà sẽ khởi động lại một lần nữa nều như nó tạm ngưng. Cầu nối cũng giới
thiệu một trễ thêm vào trong khung khởi đầu cũng như là trong khung đáp lại khi
người bắt đầu và người trả lời ở trong các phân đoạn và các cell khác nhau.
Các đặc tính của truyền thơng khơng dây có ảnh hưởng thấp hơn trong các
giải pháp dựa trên bộ chuyển tiếp. Đặc tính 1 có thể được giảm nhẹ bằng cách sử
dụng sự sửa lỗi trong cell không dây. Việc sử dụng sự phát hiện lỗi và thử lại liên
tiếp nhau không là một giải pháp tốt vì điều này sẽ làm tăng trễ thêm vào trong cầu
nối. Trong hình 3, một trạm trong phân đoạn có dây sẽ khởi tạo việc giao dịch.
Người trả lời là một nut không dây. Một trong số các cầu nối sẽ phát lại yêu cầu
qua cell không dây tương ứng sau một vài trễ truy cập. Người phản hồi sẽ đáp lại
trước khi trễ phản hồi lớn nhất. Phản hồi sẽ không được nhận một cách trực tiếp
bởi cầu nối mà sẽ được phát lại một lần nữa, nhờ đó sẽ loại bỏ được trễ lớn nhất

trước khi sự phản hồi được gửi lại người khởi đầu.
Một vài giải pháp có thể thực hiện được là:
Giải pháp 1 (BRS1): một cell không dây và một phân đoạn có dây: cầu nối
này có thể được sử dụng như là trạm cơ bản cho cell không dây. Trong miền
fieldbus, kiến trúc này là một sự lựa chọn để nơi lỏng sự rằng buộc của bộ chuyển
tiếp nhưng có vẻ phù hợp để tăng thời gian và góc trễ có thể thực hiện được.
Giải pháp 2 (BRS2): một cell không dây và nhiều phân đoạn có dây: giải
pháp này được gợi ý để liên kết hai fieldbus mà không thể được kết nối thông qua
dây. Điều này được mô tả như trong hình 4. Trong giải pháp được đề xuất cả hai
phân đoạn đều sử dụng các topology giống nhau và sự kết nối được tạo .


Hình 3. Sự tiếp cận các nut riêng biệt
bởi các cầu nối. Giải pháp này cung cấp độ đáng tin cậy tốt hơn giải pháp RPS2.
Buchholz đã báo cáo một cách tiếp cận tương tự trong hoàn cảnh trong các tòa nhà.
Hệ thống này bao gồm một số phân đoạn Ethernet mà được liên kết thông qua một
vài cell không dây. Sự lựa chọn này là đồng nhất nhưng với hai ngoại lệ. Có thể có
nhiều hơn một cell khơng dây. Đối với tốc độ bit cao hơn, mỗi khung Ethernet
được phân mảnh trước khi nó được gói gọn trong một khung LLC (Logical Link
Control) của topology không dây.
Giải pháp 3 (BRS3): nhiều cell không dây và một phân đoạn có dây: kiến
trúc này là của hai loại. Mỗi cell có thể sử dụng một kênh khác nhau. Trong cách
tiếp cận này một số nut không dây được kết nối tới một phân đoạn có dây thơng
qua một số cầu nối. Sự thiết lập các nut có dây (bao gồm các cầu nối) sử dụng một
topology khác từ topology không dây nhưng nhiệm vụ của tầng liên kết dữ liệu là
giống nhau và việc đánh địa chỉ là bình thường với tất cả các nút có dây hay là
khơng. Để tránh truyền hai lần, các cầu nối sẽ phải biết được topology để quyết
định có chuyển tiếp khung đã nhận được hay là không. Một sự lựa chọn thứ hai là
sử dụng các kênh giống nhau cho tất cả các cell và dựa vào thời gian và mã để tách
riêng lưu lượng

Giải pháp 4 (BRS4): nhiều cell không dây nhiều phân đoạn có dây: đối lập
với RPS4, trong giải pháp này, có thể tồn tại nhiều hơn một đường đơn giữa hai nút
bất kỳ, các topology cầu nối sẽ đảm bảo rằng khơng có việc lặp bản tin


Hình 4. Sự liên kết giữa hai fieldbus có dây thông qua một cell không dây
Các cầu nối đôi khi là các giải pháp hay khi các bộ chuyển tiếp không thể sử
dụng hoặc để chia cắt mạng thành những miền nhỏ hơn.
Các giải pháp trên nền tảng gateway
Với các gateways, hoạt động của mỗi đoạn hoặc mỗi phần thông tin sẽ được
quản lý bởi những giao thức khác nhau ứng với những tầng khác nhau của mơ hình
OSI. Điều này là hữu ích khi một phần có dây và một phần không dây được xây
dựng xung quanh các giao thức khơng tương thích tại lớp kết nối dữ liệu. Ví dụ
một giao thức dựa vào mơ hình client-server như giao thức Profibus (CENELEC
EN50170, 1996a) sẽ không chứa những thông tin tại lớp kết nối dữ liệu giống với
một giao thức dựa vào mơ hình nhà sản xuất-khách hàng như là worldFIP
(CENELEC EN 50170, 1996b). Giao thức đầu tiên sẽ chứa địa chỉ của nút nguồn
và nút đích. Giao thức thứ hai sẽ chỉ chứa những định danh của dữ liệu (ID). Rõ
ràng là chúng ta không thể sử dụng các bridges trong trường hợp này. Điều này


cũng cần thiết khi mà lớp ứng dụng của mỗi giao thức là khác nhau. Một mạng
không dây worldFIP sẽ khơng thể kết nối với một mạng có dây CANopen mặc dù
khung điều khiển truy cập của chúng tương thích với nhau.
Vì hai mạng trên hoạt động khơng đồng bộ với nhau, các giải pháp dựa trên
nền tảng gateway cũng có những mặt hạn chế như là các giải pháp dựa trên nền
tảng bridge. Thậm chí khả năng nghẽn của giải pháp dựa trên nền tảng gateway
còn cao hơn bởi những vấn đề xảy ra thêm khi sử dụng những lớp giao thức cao
hơn. Ngoại trừ trong những trường hợp đặc biệt, thời gian nghẽn dài nhất có thể
được tính bằng tổng giá trị của các mạng riêng bị nghẽn khi đi qua các cổng kết

nối. Điều này nói lên rằng trên lý thuyết giải pháp gateway có thể kém hơn hoặc
không kém hơn giải pháp bridge tuy nhiên trong đa số các trường hợp thực tế, giải
pháp gateway thường tỏ ra kém hiệu quả hơn. Chúng ta sẽ lấy ví dụ về trường hợp
thời gian nghẽn dài nhất của giải pháp gateway tốt hơn. Trong giải pháp dựa trên
nền tảng bridge độ dài của thời gian timeout cho việc truyền tin sẽ tăng lên để truy
cập vào tài khoản có thời gian đáp ứng lâu hơn của các node đang ở trong liên kết
dữ liệu khác. Nếu chúng ta tính tốn các giá trị timeout mới này cộng thêm khả
năng mất gói khi sử dụng kết nối khơng dây thời gian nghẽn dài nhất của mạng có
thể tăng rất nhanh. Cách tiếp cận dựa trên nền tảng gateway sẽ giúp thời gian
timeout của mạng được giữ nguyên. Điều này có nghĩa là giao thức dựa trên nền
tảng bridge sẽ có thời gian nghẽn dài hơn giao thức dựa trên nền tảng Gateway.
Một giải pháp thú vị để cải thiện thời gian nghẽn dài nhất của mạng hoặc
giảm chu kỳ mẫu cho giá trị tiến trình là cho gateway hoạt động như một proxy.
Đáp ứng của gateway ở trong mạng sẽ như một nút mạng ở các mạng khác. Ví dụ
cho cách tiếp cận này đã được giới thiệu trong cuốn (Morel and Croisier,
1995).Một mạng không dây sẽ được kết nối qua một gateway đơn đến WorldFIP.
Một gateway sẽ đóng vai trị như một trạm phát tín hiệu cho một mạng không dây.
Cách tiếp cận dựa trên nền tảng gateway được chọn bởi những ràng buộc chặt chẽ
của giao thức WorldFIP. Giao thức này yêu cầu tối đa 70bit cho với bit cuối cùng
cho việc yêu cầu và bit đầu tiên cho những đáp ứng liên quan. Các bridges sẽ
không đủ điều kiện để đáp ứng các yêu cầu này. Các gateway đóng vai trị như một
proxy tương ứng với các nút mạng khơng dây trong các mạng có dây. Các tế bào
không dây sẽ được truy vấn bằng phương pháp round-robin dựa trên một chu kỳ
không đổi. Ở phần đầu của chu kỳ, các gateway sẽ phát một bản tin quảng bá đến
các nút không dây về giá trị cập nhật của các nút đó. Các nút khơng dâTray sử
dụng bản tin này như một yêu cầu mẫu, chúng sẽ giữ lại các giá trị và chuẩn bị trả


lại các giá trị đáp ứng khác. Mỗi nút sẽ gửi đáp ứng của mình ngay sau khi nút liền
trước gửi bản tin đáp ứng. Khơng có một quy trình hỏi vịng nào được thực hiện

bởi đặc tính 6 sẽ làm tăng thời gian đáp ứng (hình 5).

6. Sự tuân theo các yêu cầu của hệ thống số
Bảng 1 đưa ra một tổng kết về việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống số của
các kiến trúc khác nhau. Đối với các bản tin và sự kiện trong mạng vấn đề chính
vẫn là thời gian nghẽn của chúng. Điều này sẽ được thảo luận sau và kết quả của
chúng sẽ được viết ở trong bảng 1
Mục đích của việc lấy mẫu theo chu kỳ và việc truyền dữ liệu sẽ được thỏa
mãn một cách dễ dàng khi sử dụng một vài cơ chế quảng bá để điều khiển việc lấy
mẫu. Với các bridges và các gateways một cấp độ điều khiển tương tự cũng có thể
được áp dụng ở mỗi mạng con và mỗi nút nhưng sự kết hợp không đáp ứng được
yêu cầu về chu kỳ và mô phỏng lấy mẫu. Giải pháp của vấn đề nằm trong định
nghĩa về thuật toán phân bố đồng hồ đồng bộ. Các phương pháp mô phỏng lấy mẫu
được xây dựng dựa trên các đồng hồ này. Độ chính xác sẽ phụ thuộc nhiều vào
giao thức điều khiển việc truy cập dữ liệu, giao diện phần cứng tiếp hợp giữa các
mạng và các phần mềm triển khai.
Sự ổn định về thời gian sẽ đạt được một cách dễ dàng bằng cách sử dụng
một cơ chế giống như WorldFLIP với các trạm lặp. Chúng sẽ không hoạt động khi
các router và bridge đang được sử dụng. Ở đây, các đồng hồ đồng bộ hóa sẽ được
sử dụng, mỗi bản tin sẽ được dán một nhãn với xác định, nhãn này sẽ được truyền
đi cùng với các dữ liệu. Bằng cách so sánh các nhãn với nhau, tính nhất quán và ổn
định của hệ thống sẽ được ước lượng.
Sự sắp xếp các sự kiện sẽ được đảm nhiệm bởi các đồng hồ phân bố. Khi các
repeaters được sử dụng, người ta có thể hạn chế được việc bị gị bó trong các giao
thức nhưng cách làm này sẽ phải đối mặt với nhiều rủi ro hơn bởi vì các giải pháp
trên nền tảng repeaters thường có tỉ lệ lỗi bit cao hơn và xác suất lỗi khung lớn
hơn.


Hình 5. Kết nối sử dụng proxy gateway

Yêu cầu của
Mức độ của việc đáp ứng yêu cầu hệ thống sử dụng
hệ thống số
Repeaters
Bridges
Gateways
Hạn chế thời gian Thời gian trễ sẽ dài Có thể hạn chế được Có thể hạn chế
nghẽn
hơn nếu có nhiều tuy nhiên cách tính được, có nhiều cách
trạm trên cùng một tốn phức tạp hơn so khác nhau cho mỗi
kết nối
với dùng repeaters
mạng khác nhau
Tính chu kỳ
Dế hơn nếu sử dụng Khó có thể đạt được Khó có thể đạt được
cùng cấu trúc MAC trừ khi sử dụng các trừ khi sử dụng các
đồng hồ đồng bộ
đồng hồ đồng bộ
Lấy mẫu đồng thời
Dễ dàng đạt được Yêu cầu phải có các Yêu cầu phải có các
khi sử dụng các bản đồng hồ đồng bộ
đồng hồ đồng bộ
tin quảng bá
Tính ổn định
Rất dễ đạt được
Có thể đạt được khi Có thể đạt được khi
sử dụng các nhãn sử dụng các nhãn
thời gian

thời gian
Sắp xếp sự kiện
Có thể dựa vào trật Yêu cầu phải có các Yêu cầu phải có các
tự khung truyền
đồng hồ đồng bộ
đồng hồ đồng bộ
Khó khăn
Hệ số BER ở hệ Triển khai dễ hơn Giống với hệ thống
thống không dây lớn repeaters, hệ thống bridges
sẽ làm tăng khả khơng dây có thể sử
năng lỗi khung và dụng giao thức khác
lỗi bit

Bảng 5. Khả năng đáp ứng yêu cầu của các hệ thống số của giải pháp trên nền tảng
repeaters

7. Kết luận
Có thể thấy có rất nhiều kiến trúc có thể được sử dụng để kết nối một hệ
thống không dây với một hệ thống có dây. Lựa chọn kiến trúc nào cho từng trường
hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các giao thức được sử dụng, định mức bảo
đảm của hệ thống, sự ràng buộc về định mức thời gian… Trên đây chúng ta vừa


tìm hiểu về các giải pháp và thảo luận về tính ứng dụng cũng như tính học thuật
các giải pháp này. Bài viết cũng chỉ ra rằng một số giải pháp có thể khơng phù hợp
với một số hệ thống và giao thức. Tóm lại, các kết nối càng ở mức thấp trong mơ
hình OSI thì hoạt động của nó càng hiệu quả và ngược lại.