(Đồ án hcmute) đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo đến mạng vô tuyến hợp tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN CỨNG
KHƠNG HỒN HẢO ĐẾN MẠNG VƠ TUYẾN HỢP TÁC

GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN
SVTH: LÊ THỊ THÚY AN
MSSV: 11141265
SVTH: ĐỖ ĐỨC NAM
MSSV: 11141341

SKL 0 0 3 8 2 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
….. ‫…ﷴ‬..

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN CỨNG KHƠNG
HỒN HẢO ĐẾN MẠNG VƠ TUYẾN HỢP TÁC
SVTH :
Lớp
:
Khóa :
Ngành :
GVHD :

LÊ THỊ THÚY AN
11141265
ĐỖ ĐỨC NAM
11141341
11141CLVT
2011-2015
Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thơng
TS.ĐỖ ĐÌNH THUẤN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày__tháng 07 năm 2015

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên 1:Lê Thị Thúy An MSSV: 11141265 ĐT:01692037450
Họ và tên sinh viên 2:Đỗ Đức Nam

MSSV: 11141341 ĐT:01672689995
Ngành: CN-KT Điện Tử-Truyền Thơng
Lớp:11141CLVT
Giảng viên hướng dẫn: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN
Ngày nhận đề tài: 14/03/2015
Ngày nộp đề tài: 20/07/2015
1.Tên đề tài: Đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo đến mạng vơ tuyến hợp
tác
2. Các số liệu,tài liệu ban đầu:
-Tìm hiểu kiến thức về mạng không dây
-Áp dụng kiến thức môn học hệ thống viễn thông chuyên sâu
3.Nội dung thực hiện đề tài:
-Tìm hiểu kiến thức về mạng vơ tuyến hợp tác.
-Mơ phỏng Matlab đánh giá ảnh hưởng của nhiễu do phần cứng khơng hồn hảo
4. Sản phẩm:
-Lí thuyết về mạng vơ tuyến hợp tác và hình ảnh mơ phỏng Matlab đánh giá ảnh hưởng
của nhiễu do phần cứng khơng hồn hảo.

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i

do an


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên 1: Lê Thị Thúy An
Họ và tên Sinh viên 2: Đỗ Đức Nam
Ngành: CN-KT Điện tử-Truyền Thông

MSSV: 11141265
MSSV: 11141341

Tên đề tài : Đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo đến mạng vơ tuyến hợp tác

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn :TS.Đỗ Đình Thuấn
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................

6. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng 07 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ii

do an


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày__tháng 07 năm 2015

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên 1: Lê Thị Thúy An
MSSV: 11141265
Họ và tên Sinh viên 2: Đỗ Đức Nam
MSSV: 11141341
Ngành: CN-KT Điện tử-Truyền Thông
Tên đề tài : Đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo đến mạng vơ tuyến hợp tác
Họ và tên Giáo viên phản biện .....................................................................................
.......................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
7. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
8. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
9. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng 07 năm 2015
Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

iii

do an


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án này, đầu tiên chúng em xin được gởi lời cảm ơn
đến Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô trong trường và đặc biệt là quý Thầy Cô

trong khoa Điện Tử và Chất Lượng Cao Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM, đã tận tình chỉ dẫn, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều
kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Đặt biệt chúng em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn, phó bộ
mơn điện tử viễn thông, khoa điện- điện tử, trường ĐH sư phạm kỹ thuật đã
tận tình hướng dẫn, quan tâm theo dõi và động viên thực hiện để hoàn
thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Ngoài ra,chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè cùng
khóa và người thân xung quanh đã giúp đỡ về vật chất và tinh thần để chúng
em đạt được thành tích như ngày hôm nay.

iv

do an


LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông vô tuyến là lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ và có khả năng ứng
dụng rộng rãi. Đây cũng là lý do mà ngày càng có nhiều tác giả quan tâm đến việc thiết
kế, cải tiến các giao thức mạng nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn và phẩm chất hệ
thống. Để đạt được mục đích này, hướng tiếp cận mới là truyền thơng hợp tác. Tuy
nhiên, đây là lĩnh vực nghiên cứu khá mới mẻ. Do đó, xoay quanh vấn đề này cịn có
nhiều vấn đề cần phải bàn luận.Các công dụng khác của mạng vô tuyến hợp tác là giảm
các yêu cầu về truyền tải điện năng cao, do đó làm giảm mức nhiễu trong mạng, vùng
phủ sóng tăng đáng kể ngay cả những điểm chết trong mạng.Nhưng không phải lúc nào
các phần cứng cũng ln hồn hảo để đảm bảo khơng gây nhiễu ảnh hưởng đến tín
hiệu,đặc biệt là các bộ chuyển tiếp.Ở đây,chúng em xin trình bày về mạng vơ tuyến
hợp tác trong trường hợp không nhiễu phần cứng và trường hợp có nhiễu phần
cứng.Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu phần cứng để có hướng phát triển.

v

do an


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..............................................................................i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.............................................ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................. iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iv
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH,BIỂU ĐỒ ............................................................................ x
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN........................................................................................... 1
1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY ....................................... 1
1.1.1 Sơ lược về các mạng không dây....................................................................... 1
1.1.3 Các dạng thiết bị thường gặp trong mạng WLAN ........................................... 8
1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 12
1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................. 13
1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ................................................................................ 13
1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................... 13
1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................... 13
1.7 BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN......................................................................................... 14
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ................................................................. 15
2.1 GIỚI THIỆU THIỆU LÝ THUYẾT..................................................................... 15
2.1.2 Truyền thông hợp tác...................................................................................... 15
2.1.3 Đánh giá hiệu suất mạng ................................................................................ 16
2.1.4 Mạng hợp tác .................................................................................................. 19
2.2 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ............................................................................. 20
2.2.1 Phân bổ nguồn và lựa chọn chuyển tiếp ......................................................... 20

2.2.2. Giao thức chuyển tiếp năng lượng ................................................................ 23
2.2.3. Hàm mũ lỗi hóa ngẫu nhiên ......................................................................... 23
vi

do an


2.3 TRUYỀN THƠNG ĐA CHẶNG. ........................................................................ 25
2.3.1 Truyền thơng chuyển tiếp dịng đa chặng. ..................................................... 25
2.3.2 Truyền thơng chuyển tiếp đa nhánh đa chặng ................................................ 26
2.3.3 Cơ hội chuyển tiếp trong truyền thông chuyển tiếp đa chặng. ....................... 27
2.4 NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG ................................................................... 28
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 32
CHƯƠNG 3:MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC..................................................... 33
3.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 33
3.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG........................................................................................ 34
3.3 PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT: XÁC SUẤT LỖI VÀ XÁC SUẤT DỪNG ............. 36
3.4 HÀM MŨ LỖI ...................................................................................................... 37
3.5 DUNG LƯỢNG DỪNG ....................................................................................... 41
3.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỨC TẾ CỦA MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC ......... 42
3.6.1 Lưới điện thông minh ..................................................................................... 42
3.6.2 Dùng chùm tia Laser để truyền dẫn công suất vô tuyến ................................ 43
3.6.3 Công nghệ 5G ................................................................................................. 43
3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 44
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC CÓ ẢNH HƯỞNG
NHIỄU PHẦN CỨNG ................................................................................................. 45
4.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................... 45
4.2 2MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG................................................................ 47
4.2.1 Thu thập năng lượng ...................................................................................... 47
4.2.2 Truyền dẫn năng lượng .................................................................................. 48

4.2.3 Phân tích thơng lượng .................................................................................... 49
4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 57
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...................................................................... 58
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 63

vii

do an


6.1 KẾT LUẬN........................................................................................................... 63
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
AF
AWGN
BEP
CDF
CF
CSI
DF
DMT
i.n.i.d
IEEE
LAN
MGF
MIMO
MRC

OP
PDF

Giải thích
Khuếch đại và chuyển tiếp

Amplify and forward
Additive White
Gaussian Noise
Bit error probability
Cumulative
distribution function
Compress and
forward
Channel state
information
Decode and forward
Diversity
multiplexing tradeoff
Independent and non
identically distributed
Institute of electrical
and electronics
engineers
Local Area Network
Moment generating
function
Multiple input
multiple output
Maximal ratio

combining
Outage probability
Probability density

Nhiễu Gauss trắng cộng
Xác suất lỗi bít
Hàm phân phối tích lũy
Nén và chuyển tiếp
Thơng tin trạng thái kênh
Giải mã và chuyển tiếp
Ảnh hưởng hệ số ghép phân tập
Phân bố độc lập và giống nhau
Viện công nghệ điện và điện tử
Mạng máy tính cục bộ
Hàm khởi tạo Moment
Đa ngõ vào đa ngõ ra
Tổ hợp tỷ lệ cực đại
Xác suất dừng
Hàm mật độ xác suất

viii

do an


PSR
QoS
RCEE
R-D
SEP

SINR
SNR
S-R
STBC
TSR
WLAN

function
Power splitting-based
relaying
Quality of service
Random coding error
exponent
Relay to destination
link
Symbol error
probability
Signal to interference
plus noise ratio
Signal to noise ratio
Source to relay link
Space- time block
code
Time switching-based
relaying
Wireless local area
network

Chuyển tiếp dựa trên phân chia công suất
Chất lượng dịch vụ

Hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên
Đường truyền bộ chuyển tiếp đến đích
Xác suất lỗi kí tự
Tỉ lệ tín hiệu trên can nhiễu và nhiễu
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
Đường truyền từ nguồn đến bộ chuyển tiếp
Mã hóa không gian thời gian
Chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch theo thời
gian
Mạng cụ bộ không dây

ix

do an


DANH MỤC HÌNH ẢNH,BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Hệ thống mạng WPAN,WMAN,WWAN ....................................................... 2
Hình 1.2: Mơ hình thu phát sóng di động ........................................................................ 3
Hình 1.3: Sự phát triển cơng nghệ wifi ............................................................................ 5
Hình 1.4:Cơng nghệ bluetooth ......................................................................................... 6
Hình 1.5:Cơng nghệ Zigbee ............................................................................................. 7
Hình 1.6:Hệ thống với 3 thiết bị mạng thực hiện đúng chức năng cơ bản. ..................... 8
Hình 1.7: Router và Access Point được kết hợp làm một. ............................................... 9
Hình 1.8:Cơng nghệ sạc khơng dây ............................................................................... 10
Hình 1.9:Kết nối ad-hoc ................................................................................................. 11
Hình 2.1: Mạng hợp tác.................................................................................................. 19
Hình 2.2:Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 1 ....................................... 22
Hình 2.3: Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 2 ...................................... 22
Hình 2.4: Mạng chuyển tiếp hợp tác hai chặng. ............................................................ 24

Hình 2.5:Mạng chuyển tiếp dịng đa chặng ................................................................... 24
Hình 2.6:Mạng chuyển tiếp đa chặng nối tiếp . ............................................................. 26
Hình 2.7:Mạng chuyển tiếp đa nhánh đa chặng. ............................................................ 26
Hình 2.8: Nhiễu trong mạng khơng dây. ....................................................................... 29
Hình 2.9: Mạng chuyển tiếp hai chặng trong sự hiện diện của nhiễu ............................ 30
Hình 3.1: mạng chuyển tiếp hợp tác mà không cần liên kết đa dạng. ........................... 33
Hình 3.2: Hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên ngẫu nhiên vs tỷ lệ R trong NAT / s / Hz ........ 41
Hình 3.3:Lưới điện thơng minh...................................................................................... 42
Hình 3.4:Dự án sử dụng chùm tia Laser để truyền dẫn cơng suất vơ tuyến của NASA 43
Hình 3.5: Mơ hình trạm HAPS trong tương lai ............................................................. 44
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống cho bộ chuyển tiếp bị hạn chế năng lượng ....................... 45
Hình 4.2: (a) Minh họa các thơng số quan trọng trong giao thức TSR cho thu nhậpnăng
lượng và xử lý thông tin tại các relay. (b) Sơ đồ khối của các máy thu chuyển tiếp trong
giao thức TSR................................................................................................................. 46
Hình 5.1: thơng lượng nhận được theo  với trường hợp:Khơng nhiễu phần cứng (t=0),
Ps=1dB,R=3/4/5,d1=d2=1. ............................................................................................ 59
Hình 5.2: Thơng lượng nhận được theo  với trường hợp:Không nhiễu phần cứng
(t=0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,d1=d2=1. .................................................................... 60
Hình 5.3: Thơng lượng nhận được theo  với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (t=0)
Ps=1dB,R=3,d1=d2=0.5/1/1.5. ...................................................................................... 61

x

do an


Hình 5.4: Thơng lượng nhận được theo  với trường hợp:Khơng nhiễu phần cứng (t=0)
và Có nhiễu phần cứng(t=0.05 và t=0.1) ,Ps=1dB,R=3,d1=d2=1. ................................ 62

xi

do an


CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY
Từ những năm đầu thế kỷ 20, sự phát triển ấn tượng trong công nghệ truyền thông
không dây đã thay đổi đáng kể cách thức chúng ta sống và giao tiếp. Sự tiến bộ này sẽ
tiếp tục trong nhiều năm nữa trong tương lai khi nhu cầu về kết nối không dây với các
hệ thống và các thiết bị đang tăng lên từng ngày. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ
của các thiết bị không dây ngày nay, chúng ta không thể bỏ qua những kiến thức liên
quan đến hệ thống mạng không dây. Tuy rằng hệ thống mạng dây đã và sẽ ln đóng
một vai trị hết sức quan trọng trong thế giới hiện đại, trong phạm vi vài chục hoặc vài
trăm mét vuông của một hộ gia đình hay một cơng ty nhỏ, việc triển khai một hệ thống
mạng LAN hồn tồn “wireless” (khơng dây) khơng hẳn là quá khó khăn, lại giúp bớt
đi được những sợi dây rườm rà giúp việc sử dụng và di chuyển các thiết bị thuận tiện
hơn. Trở ngại lớn nhất, ngoài chi phí của các thiết bị mạng khơng dây, là việc người
dùng cần nắm vững các khái niệm mạng cơ bản nếu như muốn thực sự điều khiển được
toàn bộ hoạt động của hệ thống đó theo ý mình. Hiện tại công nghệ không dây không
chỉ cung cấp kết nối cho các dữ liệu thoại và video nhưng cũng định nghĩa lại cách
thức mà chúng ta tương tác với công nghệ. Sự phát triển trong nghiên cứu đã dẫn đến
nhiều cải tiến về tốc độ dữ liệu của kênh truyền thông và các thiết bị di động. Tiến bộ
trong công nghệ, đã chuyển đổi máy tính để bàn vào một thiết bị nhỏ gọn di động như
điện thoại thông minh di động và máy tính bảng có thể chạy các ứng dụng phức tạp
tương tự như một máy tính để bàn. Thiết bị như vậy sẽ tạo ra lưu lượng dữ liệu khổng
lồ cho mỗi ứng dụng mà họ chạy; vì nhiều ứng dụng điện thoại lưu trữ dữ liệu của họ
thơng qua các nền tảng điện tốn đám mây Internet. Mặc dù, nhiều giao thức mạng
hiệu quả, các đề án điều chế và mã hóa đã cải thiện tốc độ dữ liệu mạng mới và chất
lượng dịch vụ đáng kể, nhưng đối phó với nhu cầu ngày càng tăng tốc độ dữ liệu vẫn
còn là một thách thức.

1.1.1 Sơ lược về các mạng không dây
Cũng tương tự với hệ thống mạng dây, cách phân chia cơ bản nhất của các hệ thống
mạng không dây là theo phạm vi phủ sóng. Dĩ nhiên khi thiết lập mạng khơng dây
trong phạm vi gia đình hoặc cơng ty cỡ nhỏ, chúng ta sẽ chủ yếu làm việc với mạng
WLAN (Wireless Local Area Network hay Wireless LAN)

1

do an


WPAN - Wireless Personal Area Network: Khi làm việc với mạng dây, khái niệm
PAN – Personal Area Network chủ yếu được dùng để chỉ các kết nối trực tiếp bằng cáp
(USB, Firewire) đến một máy cá nhân của người dùng, ví dụ như khi các thiết bị máy
in, máy photo hay PDA được đấu nối trực tiếp với PC của bạn không thông qua thiết bị
mạng. Do các cổng kết nối trên một máy tính thường rất hạn chế, và cách kết nối trực
tiếp kiểu này chủ yếu nhắm tới việc phục vụ 1 người dùng nên khi kết nối bằng dây
khó có thể gọi các kết nối PAN là một “hệ thống mạng” thực sự. Thường thì người
dùng cũng không cần chú ý tới điều này, miễn sao khi nối cáp vào 2 thiết bị nhận ra
nhau là được. ). Nhưng khi chuyển sang không dây, câu chuyện lại hơi khác một chút
và chúng ta cần chú ý đến việc phân biệt được các kết nối WPAN để tránh mất thời
gian tìm lỗi khơng đúng chỗ. Hai dạng WPAN phổ biến nhất là Bluetooth và hồng
ngoại (Infrared Data Association – IrDA) tạo ra một kênh giao tiếp trực tiếp giữa hai
thiết bị, không qua các thiết bị mạng trung gian – giống như khi ta nối cáp trực tiếp từ
máy in vào PC vậy. Vì vậy các sự cố xảy ra trên các kết nối này không liên quan gì tới
các thiết bị quản lí hệ thống WLAN như wireless repeater, access point cả.

Hình 1.1: Hệ thống mạng WPAN,WMAN,WWAN
WMANS: Wireless Metropolitan Area Networks – Hệ thống mạng đô thị không dây
WWANS: Wireless Wide Area Networks – Hệ thống mạng diện rộng khơng dây

Mỗi chủng loại trên hồn tồn tương ứng với các hệ thống mạng MAN, WAN tương
ứng, khác biệt duy nhất là việc không sử dụng dây dẫn. Việc triển khai WMAN - mạng
không dây phạm vi đô thị phụ thuộc nhiều vào chính sách của thành phố, còn WWAN
2

do an


lại phụ thuộc chủ yếu vào nguồn lực của các công ty viễn thông và ISP như Viettel,
VNPT. Nhiều người nghĩ chúng ta chỉ cần chú ý vào việc tối ưu hệ thống WLAN. Tuy
nhiên để tâm theo dõi tình hình triển khai mạng khơng dây cơng cộng của các thành
phố (hiện mới chỉ có Đà Nẵng) và tình trạng hệ thống 3G, 4G trong nước cũng là việc
cần làm. Xét cho cùng, với các bước tiến của công nghệ hiện nay, ngày mà chúng ta
loại bỏ được hầu hết các cáp mạng cho nhu cầu bình dân trong phạm vi cỡ thành phố
cũng khơng hẳn cịn q xa nữa.
1.1.2 Các công nghệ kết nối không dây thường gặp trong WLAN
Việc phân loại mạng theo phạm vi địa phía trên thực chất khơng có nhiều ứng dụng
trong thực tiễn, nhưng lại là những khái niệm cơ bản cần được nắm rõ trước khi bắt
đầu tìm hiểu về các cơng nghệ truyền dẫn không dây. Xét cho cùng, tuy chúng ta chỉ
làm việc với hệ thống WLAN nhưng trong tương lai khi các công nghệ kết nối xuất
hiện ngày càng nhiều, nắm được xem mỗi công nghệ hoạt động trong phạm vi nào là
việc cần làm đầu tiên trước khi tìm đến các chi tiết khác.
Về cơ bản, các kết nối khơng dây được thiết lập bằng sóng điện từ. Tùy theo mục đích
hoạt động mà các dạng kết nối khác nhau sẽ sử dụng các dải tần số khác nhau, đồng
thời các thiết bị sử dụng kết nối đó sẽ giao tiếp theo các phương pháp (giao thức) khác
nhau. Trong phần lớn trường hợp. dữ liệu được truyền đi do các thiết bị tham gia mạng
khơng dây phát sóng ra mọi hướng xung quanh (broadcast) chứ không được định
hướng bằng dây dẫn. Cũng đồng nghĩa với việc những thiết bị khơng phải của người
nhận cũng có thể tiếp cận các sóng có chứa dữ liệu của bạn, nhưng nhờ vào các phương
pháp định danh (xác định địa chỉ gửi-nhận) và bảo mật của từng giao thức mạng nên

thường thì chỉ người nhận mới có thể mở dữ liệu bạn gửi đi.Ví dụ gần gũi nhất chính là
sóng điện thoại di động, tuy các trạm thu phát sóng di động truyền dữ liệu trên một
phạm vi rất lớn, nhưng khi có cuộc gọi đến số máy của bạn thì chỉ có máy bạn đổ
chng cịn các máy xung quanh sẽ khơng phản ứng.

Hình 1.2: Mơ hình thu phát sóng di động
3

do an


Tuy vậy, cũng có một số cơng nghệ phát sóng theo dạng “có hướng” chứ khơng hồn
tồn “vơ hướng” , hơn nữa như đã nói các phương pháp định danh và bảo mật của
từng công nghệ là khác nhau. Kết hợp một số vấn đề khác như giới hạn số lượng thiết
bị, độ ổn định, khoảng cách hoạt động ..v.v. mà mỗi cơng nghệ sẽ có những ưu/nhược
riêng của mình.
Wifi:Cơng nghệ kết nối đầu tiên cần nhắc đến hiển nhiên là Wifi – công nghệ kết nối
không dây phổ biến nhất hiện nay. Cũng vì tính phổ biến của dạng kết nối này mà cái
tên Wifi thường bị lạm dụng để chỉ kết nối khơng dây nói chung. Hơn nữa, nhiều tài
liệu trích dẫn một slogan quảng cáo cũ của hiệp hội Wifi (Wifi Alliance – hiệp hội sở
hữu và quản lý công nghệ này) là "The Standard for Wireless Fidelity" và cho rằng
Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity. Tuy nhiên các thành viên chính thức của hiệp hội
ln nhấn mạnh với báo chí rằng đây là một cái tên riêng, không phải để chỉ chung các
kết nối không dây, lại càng khơng phải một từ viết tắt.Lí do mà kết nối Wifi được ưa
chuộng như vậy đơn giản là vì khả năng hoạt động hiệu quả trong phạm vi vài chục
đến vài trăm mét của các mạng WLAN – tâm điểm chú ý của bài viết lần này nói riêng
cũng như các hộ gia đình, trường học, cơng ty cỡ nhỏ nói riêng. Việc thiết lập kết nối
Wifi – như chúng ta đều biết – cũng rất dễ dàng và khơng địi hỏi nhiều kiến thức
chun mơn, vì thế đây được coi là giải pháp tối ưu cho người dùng cuối. Về mặt tốc
độ, công nghệ Wifi ngày càng được cải thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của

người dùng. Được hiệp hội Wifi xây dựng dựa trên bộ giao thức IEEE 802.11, chúng ta
có thể thấy sự tiến bộ của công nghệ này theo từng năm tháng trong bảng sau đây

4

do an


Hình 1.3: Sự phát triển cơng nghệ wifi
Các chuẩn mới nhất như ac hay ad hiện nay vẫn đang được hoàn thiện và thử nghiệm,
tuy nhiên trên lý thuyết tốc độ và tầm phủ sóng của chuẩn n hiện nay cũng đã khá đủ
cho các nhu cầu thường nhật. Việc nhiều thiết bị hiện nay hỗ trợ băng tần kép (phát
sóng bằng cả 2 dải tần 2.4GHz và 5GHz cùng lúc với băng thơng chia nhỏ) cũng giúp
tăng tính ổn định và phân phối tốc độ một cách hiệu quả.
Ngoài những ưu điểm về tính tiện dụng, linh hoạt, kết nối Wifi cũng có những nhược
điểm riêng của mình. Như đã nói, phương pháp truyền tín hiệu broadcast trong các
cơng nghệ khơng dây địi hỏi phải có các biện pháp bảo mật phù hợp đi kèm để tránh
thất thốt thơng tin. Phương pháp mã hóa WEP - Wired Equivalent Privacy hiện đã quá
cũ kĩ, quá dễ bị giải mã và phần lớn các hãng sản xuất cũng như trang tin công nghệ
luôn khuyến cáo người dùng không nên sử dụng phương pháp này. Các cơng nghệ
WPA, WPA2 mới hơn có nhiều biến thể khác nhau để phục vụ nhu cầu gia đình hoặc
doanh nghiệp, nhưng nói chung là hiện vẫn đủ bảo mật cho các nhu cầu thường ngày.
Một nhược điểm nữa cần nhắc tới là việc sử dụng dải tần 2.4GHz khiến sóng Wifi dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như sóng Bluetooth, máy bàn khơng dây, lị vi sóng và
vơ số thiết bị điện khác trong nhà. Tuy dải 5GHz phần nào giúp khắc phục điều này
nhưng do sự phổ biến của Wifi, cũng không thể bỏ qua khả năng sóng Wifi của các nhà
liền kề sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Tuy phần lớn các thiết bị đời mới có khả năng phát hiện
các trùng lặp trong việc truyền sóng và điều chỉnh cho phù hợp, nhưng nếu muốn bạn
cũng có thể sử dụng một số ứng dụng như Wifi Analyzer trên Android để tự điều chỉnh
kênh sóng trong nhà nhằm đạt hiệu năng tốt nhất.

5

do an


Bluetooth:Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối
thiết bị cá nhân hay mạng cục bộ nhỏ, trong phạm vi băng tần từ 2,4 đến 2,485 GHz.
Nếu Wifi là giải pháp tối ưu cho các mạng WLAN – dùng để kết nối người dùng trên
các máy tính khác nhau và với internet thì phạm vi hoạt động của Bluetooth lại hướng
nhiều hơn đến các mạng WPAN – kết nối các thiết bị xách tay (portable) như PDA,
chuột, headset hay gần đây là tablet, smartphone đến máy tính để phục vụ một hoặc hai
người dùng.

Hình 1.4:Cơng nghệ bluetooth
Về tầm phủ sóng, bluetooth có 3 class: class 1 với tầm phủ sóng gần 100m; class 2 tầm
phủ sóng khoảng 10m và class 3 chỉ khoảng 5m. Nhìn chung kết nối bluetooth thường
tốn nhiều năng lượng hơn kết nối Wifi, nhưng các chuẩn mới dần đã cải thiện được
điều này. Tốc độ truyền dữ liệu cũng khác nhau theo từng phiên bản, từ khi ra đời vào
năm 1994 đến nay Bluetooth đã trải qua khoảng 7 phiên bản chính. Ngồi phiên bản
2.1 là phiên bản đầu tiên hỗ trợ kết nối nhiều thiết bị cùng lúc, hiện nay trên thị trường
chủ yếu tồn tại các biến thể của hai phiên bản mới nhất là 3.0 và 4.0 Bluetooth 3.1 hay
Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) được giới thiệu vào năm 2009 cho phép truyền tải dữ
liệu với tốc độ lên tới 24Mbps trên nền mạng không dây (Wi-Fi) 802.11 (Bluetooth chỉ
sử dụng để thiết lập kết nối giữa các thiết bị). Đối với những thiết bị bluetooth 3.0
nhưng khơng có +HS sẽ khơng đạt được tốc độ trên. Tuy tốc độ không cao nhưng vẫn
đủ hỗ trợ các nhu cầu như chia sẻ file nhanh, kết nối với loa, tai nghe… .Bluetooth
phiên bản 4.0 là sự kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth
high speed” (Bluetooth 3.0 +HS) và “Bluetooth low energy – Bluetooth năng lượng
thấp” (Bluetooth Smart Ready/Bluetooth Smart). Mỗi chuẩn thiết bị khác nhau đều có

sự tương thích khác nhau.

IrDA – Kết nối hồng ngoại:Đây là một trong những công nghệ kết nối khơng dây có
hướng hiếm hoi với tầm hoạt động ngắn – chỉ khoảng 5m. Tuy hiện nay các kết nối
6

do an


hồng ngoại vẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển như điều khiển tivi,
cũng như được tích hợp trong một số smartphone để phục vụ chức năng điều khiển
tương tự (trong trường hợp người dùng có nhu cầu), việc chia sẻ dữ liệu qua kết nối
hống ngoại khơng cịn phổ biến. Ngồi lí do quan trọng là sự thống trị của các kết nối
tầm gần khác như Wifi và Bluetooth, việc truyền sóng có hướng cũng là một bất lợi
đáng kể khi sử dụng kết nối hồng ngoại để chia sẻ dữ liệu do tính linh động bị giảm đi
rất nhiều
Zigbee:Các kết nối Bluetooth hay Wifi tuy có tốc độ ngày càng cải thiện, tiện dụng
cho người dùng và hỗ trợ nhiều ứng dụng, phần mềm khác nhau nhưng cũng vì thế các
địi hỏi về phần cứng, điện năng tiêu thụ cũng lớn hơn. Zigbee ra đời để bổ khuyết cho
phần còn thiếu của thế giới mạng: một công nghệ hoạt động trong phạm vi hẹp, tiêu thụ
ít năng lượng để phục vụ việc kết nối và quản lý các cảm biến – sensor (theo như
quảng cáo một cặp pin AA có thể cấp năng lượng cho kết nối Zigbee trong… 2 năm)

Hình 1.5:Cơng nghệ Zigbee
Đối tượng mà công nghệ Zigbee nhắm đến là các giải pháp nhà thông minh
(SmartHome) hay các hệ thống tự động. Trong đó các thiết bị sẽ tự thu thập dữ liệu
thông qua các sensor và tự động trao đổi với nhau để đem đến trải nghiệm tốt nhất cho
người dùng. Các thiết bị tự động của thế giới Internet of Things trong tương lai phụ
thuộc rất nhiều vào những dạng kết nối như Zigbee để truyền tải dữ liệu, còn các kết
nối Bluetooth hay Wifi hiện nay chủ yếu vẫn sẽ chỉ dùng để phục vụ cong người một

cách trực tiếp.

7

do an


Ngồi những cái tên trên, cịn rất nhiều cơng nghệ kết nối không dây khác như
WiMax,NFC, UWB , EDGE… nhưng đều không phù hợp cho hệ thống WLAN cỡ nhỏ
ngày nay. Để đảm bảo tính thực tiễn, tiếp theo chúng ta sẽ điểm qua các loại thiết bị
thường thấy trong hệ thống mạng WLAN.
1.1.3 Các dạng thiết bị thường gặp trong mạng WLAN
Do sự phổ biến của công nghệ truyền sóng Wifi trong mạng WLAN, các thiết bị trong
WLAN sau đây cũng chủ yếu giao tiếp với nhau bằng sóng Wifi. Tuy nhiên đơi lúc ta
vẫn có thể bắt gặp các thiết bị hỗ trợ cả sóng Bluetooth.
Access Point: Về cốt lõi, Access Point là thiết bị cầu nối giữa hệ thống mạng có dây và
khơng dây, chấm hết. Để tiện lợi cho người sử dụng, các hãng sản xuất thường tích hợp
chức năng Access Point lên các thiết bị như router (tạo ra router wireless) hay modem,
nhưng cũng đồng thời tạo ra khá nhiều hiểu lầm. Để dễ tưởng tượng cách phân chia
cơng việc, chúng ta hãy lấy ví dụ một cơng ty gia đình nhỏ gồm vơ số máy bàn khơng
có kết nối khơng dây (tính cả PC và các máy chủ web,dns.v.v.) và một vài thiết bị di
động như tablet, smartphone. Nếu mỗi thiết bị mạng chỉ phục vụ chức năng cơ bản của
mình – khơng tích hợp thêm thắt gì phức tạp, ta sẽ có hệ thống gồm 3 thiết bị mạng:
một thiết bị Access Point cơ bản(chỉ phục vụ việc nối mạng có dây với không dây) để
tạo mạng không dây cho các thiết bị di động –nối với- một router khơng có chức năng
modem để kết nối các máy bàn – router này sau đó sẽ được nối với modem để đưa tất
cả ra Internet.

Hình 1.6:Hệ thống với 3 thiết bị mạng thực hiện đúng chức năng cơ bản.

8

do an


Nhưng với cách tích hợp thuận tiện hiện nay, trong phần lớn trường hợp chiếc router kể
trên sẽ kiêm luôn việc tạo mạng khơng dây, trong hệ thống chỉ cịn 2 thiết bị: 1 router
wireles và 1 modem. Nếu sử dụng modem nhiều cổng kiêm ln cả chức năng phát
sóng không dây phổ biến trên thị trường, ta chỉ tốn một thiết bị mạng cho cả hệ thống!
Hơn nữa nếu khơng thích người dùng hồn tồn có thể rút hết dây mạng và để Access
Point chỉ thực hiện nhiệm vụ tạo hệ thống mạng không dây mà thôi, đơn giản hóa vấn
đề. Việc kiêm nhiệm quá nhiều chức năng trong phần lớn trường hợp sẽ giảm đáng kể
hiệu năng làm việc của các thiết bị. Chưa kể trong nhiều trường hợp, nếu số cổng có
sẵn của các dạng thiết bị “đa năng” này không đủ và bạn cần lắp thêm thiết bị để mở
rộng hệ thống mạng, việc phân biệt được đâu là Access Point, đâu là router và đâu là
modem là cực kì quan trọng.

Hình 1.7: Router và Access Point được kết hợp làm một.

Wireless Repeater: Trong tương lai gần nếu các nhà sản xuất sớm hồn thiện được
cơng nghệ sạc khơng dây, có lẽ các Wireless Repeater sẽ là những thiết bị đầu tiên thực
sự….. Wireless. Chỉ có nhiệm vụ bắt sóng tín hiệu và khuếch đại trở lại để mở rộng
tầm phủ sóng, các thiết bị đảm nhiệm chức năng này không cần nối với bất cứ dây
mạng nào.

9

do an

Hình 1.8:Cơng nghệ sạc khơng dây

Ad hoc: Khơng phải lúc nào các máy tính sau khi kết nối khơng dây với nhau cũng cần
được nối ra Internet. Như đã đề cập ở trên, ta có thể thiết lập loại mạng này bằng cách
bỏ hết các dây mạng trên Access Point. Nhưng cách đơn giản nhất là để các thiết bị
không dây kết nối với nhau ở dạng ad-hoc. Ở chế độ này, các thiết bị tham gia mạng
không dây ad-hoc ngồi việc giao tiếp với nhau cịn đảm nhiệm ln cả việc chuyển
tiếp dữ liệu (hay đúng hơn là kiêm luôn chức năng repeater) cho các thiết bị khác trong
mạng. Tuy có phần tiện dụng hơn, nhưng nên nhớ rằng khả năng phát sóng và xử lí dữ
liệu của các NIC không dây trong các thiết bị cuối như laptop, tablet khơng thể sánh
với thiết bị mạng thực thụ, vì vậy khả năng mở rộng phạm vi cũng như số lượng máy
trong mạng không nhiều.

10

do an


Hình 1.9:Kết nối ad-hoc

Wireless Client: Các thiết bị đầu cuối được quản lý bởi Access Point để tạo thành một
mạng không dây. Nếu các thiết bị không dây kết nối một cách trực tiếp, ví dụ như khi
kết nối chuột không dây với laptop – hay chia sẻ dữ liệu trực tiếp giữa tablet bằng
bluetooth, các kết nối này không liên quan gì đến AP và ta khơng gọi đó là Wireless
Client. Trong trường hợp hệ thống mạng không dây được tạo bởi Access Point hay
Repeater, chế độ kết nối của các thiết bị đầu cuối lúc này là Infrastructure Mode, do lúc
này các kết nối hoạt động dựa trên hạ tầng (Infrastructure) là các thiết bị mạng và "hầu
như" hoàn toàn bảo mật. Đối với mạng ad-hoc, chế độ kết nối ad-hoc không bị phụ
thuộc vào hạ tầng mạng nhưng lại có nhược điểm là kém hiệu quả và bảo mật hơn do
các thiết bị tự giúp nhau chuyển dữ liệu. Điều này nảy sinh một vấn đề là khi sử dụng

một số phần mềm chia sẻ Internet giữa các thiết bị cuối, ví dụ như chia sẻ kết nối
ADSL từ laptop sang tablet, hay chia sẻ kết nối 3G từ smartphone sang tablet, trong
nhiều trường hợp việc chia sẻ sẽ thất bại nếu ta để chế độ kết nối là ad-hoc. Lí do là các
nhà sản xuất phần cứng hoặc hệ điều hành đã cài đặt để các máy này chỉ có thể vào
Internet nếu đang kết nối bằng Infrastructure Mode - nhằm tăng hiệu năng và tính vào
mật. Để khắc phục vấn đề này, một số phần mềm chia sẻ Internet thường xuyên được
11

do an


cập nhật như connectify có chế độ chia sẻ Infrastructure Mode, cho phép thiết bị thực
hiện chia sẻ Internet được nhận dạng như một thiết bị mạng Access Point thực thụ, qua
mặt được các rào cản mà nhà sản xuất đã đặt ra.
1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong thập kỷ qua, sự phát triển của nhiều hệ thống ănten có lẽ là thành quả nghiên
cứu quan trọng nhất để đáp ứng những thách thức tốc độ dữ liệu trong tương lai.Những
công nghệ được giới thiệu ở phần trước đáp ứng phần nào nhu cầu kết nối dữ liệu của
con người.Nhưng xã hội ngày càng phát triển đòi hỏi phải có những cơng nghệ đáp ứng
nhu cầu sử dụng dung lượng của con người truyền thông hợp tác là một trong những
cơng nghệ đó.Hệ thống MIMO được thực hiện đầu tiên trong các mạng cục bộ không
dây (WLAN) trong tiêu chuẩn IEEE 802.11n và sau đó trong các mạng di động 4G.
Tuy nhiên, việc thực hiện hệ thống MIMO trong các thiết bị di động nhỏ gọn là không
dễ dàng. Đặc biệt, một nửa bước sóng tối thiểu của ănten tách được yêu cầu (tùy thuộc
vào kế hoạch thực hiện) để thực hiện đầy đủ những lợi ích của MIMO.Để giải quyết
vấn đề này, một kỹ thuật khác đã phát triển, trong đó một mảng anten ảo được tạo ra
trong khơng gian thay vì với các thiết bị chính nó. Kênh khơng dây được phát sóng
trong tự nhiên, ví dụ như các thiết bị khơng dây phát sóng thơng tin của họ để người
lân cận sử dụng. Bằng cách sử dụng hiện tượng phát sóng này, một kế hoạch truyền
thơng hợp tác được giới thiệu mà có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ cao hơn (thông

lượng cao hơn, lỗi thấp hoặc bị xác suất dừng ) trong các mạng khơng dây. Trong
mạng lưới hợp tác, các thiết bị có thể giúp đỡ lẫn nhau bằng cách khuếch đại và phát
lại tín hiệu. Mạng khơng dây độc lập, chẳng hạn như ad-hoc và mạng cảm biến khơng
dây cũng có thể sử dụng chiến lược hợp tác sử dụng để tăng độ tin cậy của việc truyền
dữ liệu. Ngoài hợp tác của các thiết bị, các nút chuyển tiếp chuyên dụng có thể được sử
dụng để chuyển tiếp dữ liệu tốt.
Đó là vấn đề của mạng vơ tuyến hợp tác nói chung,ở đây sẽ có một điểm mới nữa là
nhiễu do phần cứng khơng hồn hảo. Trong đó, ảnh hưởng của hiện tượng tranh chấp
kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lượng liên kết là một
trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng. Tiếp cận phân tích hiệu
năng bằng mơ hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và thơng dụng do khả năng phản
ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính tốn thấp. Vì vậy,nghiên cứu này phát
triển một mơ hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết nhằm cải thiện thông số
hiệu năng.

12

do an