Công nghệ không dây công nghiệp (Phần 2)

2-1 Khái niệm về hệ thống Radio

Radio làm việc như thế nào?

Sóng điện từ

Dữ liệu được truyền qua không khí bằng sóng điện từ (Electromagnetic-EM), được hình thành do một dòng điện thay đổi hướng rất nhanh trên vật liệu dẫn điện. Sự dao động nhanh của các điện tử và từ trường xung quanh một dây dẫn tạo ra sóng điện từ trường trong không khí (nhìn hình minh họa bên). Để cho dòng điện phát bức xạ ra trong không khí trong dạng của sóng điện từ, một vài yếu tố mang tính quyết định; là: độ dài của dây dẫn và tần số của dòng điện xoay chiều. Tần số càng cao sẽ giảm các yêu cầu về chiều dài đối với dây dẫn.

Một antenna (thường gọi antenna) là một vật dẫn được thiết kế để truyền và/hoặc nhận sóng điện từ trong kết nối không dây.

Kích thước (hoặc chiều dài) của antenna sẽ tương ứng với tần số truyền/nhận mong muốn.

Tx & Rx

Mọi cấu trúc radio bao gồm 2 thành phần chính:

• Bộ phát (viết tắt là Tx: Transmitter)
• Bộ thu (viết tắt là Rx: Receiver)

Sóng điện từ được phát ra từ một bộ phát và đi tới một bộ thu. Bộ phát mã hóa âm thanh, video, và dữ liệu trên một sóng hình sin, và truyền nó qua sóng radio. Bộ thu nhận một sóng radio và giải mã những sóng đó để lấy ra thông tin. Cả bộ phát và bộ thu đều sử dụng antenna để phát và bắt các tín hiệu radio. Hình bên dưới là ví dụ của cấu trúc hệ thống và sơ đồ khối của một thiết bị radio theo chuẩn IEEE 802.11a. Chúng ta có thể thấy bộ phát và bộ thu ở trong cùng một thiết bị. Phần cao hơn, từ phía antenna (bên trái) đi đến luồng dữ liệu (bên phải), chỉ ra cách tín hiệu radio truyền luồng dữ liệu thông qua một bộ thu và một số khối chức năng, trong khi phần dưới mô tả việc truyền dữ liệu như thế nào. Một bộ dồn kênh được dùng để chọn cách thức truyền hoặc nhận dữ liệu.

Sự lan truyền

Các sóng điện từ lan truyền xuyên qua không khí, và khi vượt qua các chướng ngạy vật khác nhau chúng sẽ thay đổi hình dáng theo đó.

Sự nhiễu xạ

Độ mạnh tín hiệu giảm đi sau khi vượt qua các nhiễu xạ. Các chướng ngại gây nhiễu xạ thường có góc cạnh như góc cạnh của một tòa nhà. Khi sóng điện từ gặp một chướng ngại vật với những góc cạnh mà không thể xuyên qua, sóng điện từ bao xung quanh chướng ngại vật để đến được bộ thu.

Sự tán xạ

Khi sóng điện từ gặp nhiều chướng ngại vật nhỏ (nhỏ hơn so với độ dài bước sóng của tín hiệu), sóng điện từ sẽ phân tán thành nhiều sóng phản xạ nhỏ và làm hỏng tín hiệu chính, và điều này gây giảm chất lượng hoặc thậm chí hỏng liên kết. Những trở ngại như vậy bao gồm các bề mặt thô, đá, cát, bụi, lá cây, đèn đường,.v.v.

Phản xạ

Khi một sóng điện từ chạy tới một vật cản lớn như mặt đất, bức tường, hoặc tòa nhà, chúng phản xạ và làm thay đổi hướng, pha. Nếu bề mặt phản xạ phẳng, tín hiệu phản xạ sẽ giống sóng ban tới bề mặt là không bị phân tán.

Tất cả các hiện tượng thu được ở trên trong nhiều kênh lan truyền, không phải tất cả tín hiệu đều đến antenna của bộ thu cùng lúc, do gặp phải chướng ngại vật và làm thay đổi đường đi của tín hiệu. Dù bạn thiết lập ứng dụng ngoài trời hay trong nhà, đa đường truyền có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng chất lượng tín hiệu nhận được. Bởi vì các tín hiệu trễ gây hủy hoại đến tín hiệu chính. Các vấn đề về đa đường thường có thể được bù bởi nhiều dạng antenna ứng với các mức tần số radio và/hoặc bởi OFDM ở dải cơ bản.

Hệ nhiều vào nhiều ra

MIMO (Multiple Input/Multiple Output-nhiều đầu vào/nhiều đầu ra) là công nghệ sử dụng nhiều bộ phát và thu (với nhiều antenna) để nâng cao khả năng của kết nối không dây. Các chữ cái sau được miêu tả như một hệ thống radio: M = Nhiều; S = đơn; I = đầu vào; O = đầu ra. M, S, I và O liên quan đến những gì được thực hiện trong không khí, không phải thiết bị. Ví dụ, đối với một hệ thống radio nhiều đầu vào nhiều đầu ra, MI (nhiều đầu vào) có nghĩa nhiều bộ truyền  gửi nhiều luồng dữ liệu vào không trung. MO (nhiều đầu ra) nghĩa là nhiều bộ thu nhận được nhiều luồng dữ liệu từ không trung. Lưu ý rằng, các đầu vào và đầu ra tương ứng với các kênh radio phát thanh mang tín hiệu, không phải để các thiết bị với antenna.

Khi nhiều bộ phát và nhiều bộ thu được sử dụng, những luồng dữ liệu có thể được gửi đồng thời, sẽ làm tăng tốc độ truyền. Thêm nữa, nhiều bộ thu cho phép độ phủ sóng lớn hơn và khoảng cách truyền giữa các thiết bị xa hơn. Chuẩn IEEE 802.11n sử dụng hệ nhiều vào nhiều ra MIMO để tăng tốc độ đến 100 Mbps và hơn nữa. Công nghệ MIMO thường xuyên được sử dụng trong LTE hoặc các chuẩn không dây khác.

Điều cần biết về hệ thống Radio

Công suất tín hiệu

Tín hiệu radio truyền ở một mức công suất nhất định, với công suất đo bằng watt. Tuy nhiên công suất của một WLAN thường khoảng mW. Một điểm truy cập không dây AP thương mại, công suất truyền khoảng 30 đến 100mW, và bộ tiếp hợp không dây khoảng 50mW. Các ứng dụng nhất định yêu cầu công suất truyền cao hơn (hoặc công suất Tx) và có thể cố gắng sử dụng công suất cao hơn hoặc mô đun đặc chế công suất cao hơn để khuếch đại công suất truyền. Tuy nhiên, việc này phải thực hiện với những điểm lưu ý như; khuếch đại công suất có thể khiến cho hệ thống vượt quá mức quy định phát xạ sóng radio của quốc gia đó (ví dụ: quy định FCC).

Mức công suất đo cỡ mW là khó dựa trên toán học khi mức công suất vô cùng nhỏ tại bộ nhận tín hiệu. Do đó, thay vì việc sử dụng giá trị tuyệt đối mW, chúng ta chuyển nó sang dBm. Đơn vị của dBm trong biểu diễn logarit của mW. Sự chuyển đổi giống như sau:

dBm là đơn vị tuyệt đối và thứ nguyên là mW. Ở đó 0 dBm  bằng 1mW. Đơn vị dBm được sử dụng cho đo lường của công suất tuyệt đối. Bằng cách so sánh, decibel (dB) là một đơn vị thứ nguyên, dùng để định lượng tỷ lệ giữa hai giá trị. Nói tóm lại, khi tăng 3 dB biểu diễn cho việc tăng gần gấp đôi công suất, trong khi đó giảm 3 dB nghĩa là công suất giảm đi một nửa. Dưới đây là bảng chuyển đổi nhanh giữa hai đơn vị:

Công truyền và độ nhậy khi nhận tín hiệu

Khi một tín hiệu radio được truyền trong không khí, nó sẽ bị suy giảm cường độ tín hiệu, và được gọi là suy giảm khi truyền trong không khí. Do đó, khi đánh giá một hệ thống không dây, người ta cần phải đánh giá được mức công suất tín hiệu ở cuối bộ phát và bộ thu. Công suất tín hiệu nhận được sẽ không thể yếu quá vì có thể mất kết nối, hoặc quá mạnh gây bão hòa bộ phận khuếch đại của bộ thu.

Những mối quan tâm này yêu cầu cho sự xác định nguồn năng lượng của hệ thống không dây. Ngân sách năng lượng được dự tính sẽ cho ra một ý tưởng và giải pháp mở rộng liên kết không dây mà không mất kết nối. Lưu ý rằng, những tính toán sau đây là những ước tính lý thuyết và không có nghĩa là khoảng cách truyền thông được đảm bảo theo công thức. Công thức này dựa trên công thức Friis và ý tưởng của “suy hao truyền dẫn không gian tự do”. Công thức truyền Friis cho phép chúng ta tính toán công suất nhận được (P_r) , khi biết công suất phát xạ P_t­. Công thức truyền dẫn Friis cho rằng đúng khi cả hai antenna đẳng hướng, và “suy hao truyền dẫn không gian tự do” ngụ ý rằng không có đối tượng nào xuất hiện ở giữa và làm ảnh hưởng đến sự truyền tín hiệu. Công thức lý thuyết có thể biểu diễn:

Trong đó G_t và G_r là độ khuếch đại của antenna truyền và nhận, λ là độ dài bước sóng, và R là khoảng cách từ thiết bị radio.

Với  λ=c/F, trong đó c là tốc độ ánh sáng(3x108 m/s) và F là tần số đơn vị Hz, chúng ta có thể đơn giản hóa công thức và biểu diễn lại khoảng cách truyền  hiệu dụng (tính bằng km)  như sau:

Trong đó: f là tần số đơn vị MHz, p_t và p_r đơn vị dBm, và g_t và g_r đơn vị dBi.

Những thông số này dễ dàng có được từ thiết kế hoặc sản phẩm mẫu. Đưa các giá trị này vào công thức trên để tính ra khoảng cách truyền hiệu quả. Trong thực tế, do tổn hao hệ thống hoặc sử dụng anten truyền và nhận dị hướng, chúng ta thường lấy kết quả lý thuyết chia cho bốn (4) để tìm được khoảng cách hợp lý hơn. Thực tế, có thể chia cho 8, hoặc lớn hơn nữa vì ảnh hưởng của các điều kiện môi trường không biết được.

Công thức trên cũng chỉ ra rằng có nhiều hơn yếu tố phức tạp sẽ ảnh hưởng khoảng cách truyền. Độ nhạy của bộ thu ở mức công suất tối thiểu phải đáp ứng với yêu cầu của bộ thu để có thể nhận dữ liệu. Độ nhạy được xác định không chỉ là công suất của antenna nhận, mà còn được  thể hiện tại mô đun bộ thu nhận tín hiệu. Một điểm quan trọng cần lưu ý từ công thức ở trên là khi tăng tần số sẽ làm giảm khoảng cách truyền hiệu quả. Do đó, ở dải tần 5 GHz cho phép theo chuẩn 802.11a và 802.11n sẽ có khoảng cách truyền ngắn hơn so với dải tần 2.4 GHz cho phép 802.11b/g và 802.11n. Khi người dùng mong muốn truyền tín hiệu với khoảng cách xa  nên chọn dải tần 2.4 GHz và dùng chuẩn 802.11b/g/n trong thiết kế.

Điều chế và trải phổ

Điều chế là một quá trình chuyển một tín hiệu thư điện tử bằng một hoặc nhiều hơn các thuộc tính của chu kỳ dạng sóng, được gọi là tín hiệu mang, với một tín hiệu điều chế sẽ mã hóa thông tin khi truyền đi. Hoạt động giải nén thông tin gốc mang tín hiệu từ sóng mang đã điều chế gọi là giải điều chế. Có nhiều công nghệ điều chế sóng radio RF.  Đồ thị biểu diễn sự phân loại khác nhau của các công nghệ điều chế số. Công nghệ trải phổ là phương pháp cho việc truyền một tín hiệu radio qua một băng tần, nó được hiểu rộng hơn về nội dung tần số của thông tin dữ liệu gốc. Công nghệ trải phổ cung cấp các lợi ích cho kết nối an toàn, chống các nhiễu, nhiễu âm tốt hơn, và giới hạn về mật độ dao động công suất. Để đơn giản trong thảo luận, công nghệ trải phổ đề cập tới lớp vật lý của sóng radio trong tiêu chuẩn 802.11, có tên là FHSS, DSSS, và OFDM, và sẽ được thảo luận ở các phần dưới.

Trải phổ nhảy tần số (FHSS, hay FH)

Đây là một trong những kỹ thuật điều chế được sử dụng trong trải phổ tần số truyền tín hiệu. Nó được biết đến như công nghệ đa truy cập phân chia mã theo tần số FH-CDMA (Frequency-Hopping Code Division Multiple Access: FH-CDMA). Trải phổ cho phép một tín hiệu truyền qua một dải băng tần số rộng hơn băng thông tối thiểu được yêu cầu đối với thông tin tín hiệu. Bộ phát “trải” năng lượng, tập trung tín hiệu gốc trong một dải hẹp, đi qua một số kênh dải tần số với một phổ trường điện từ rộng hơn. FHSS có ưu điểm của việc cải thiện bảo mật, giảm sự can thiệp nhiễu dải hẹp, và tăng khả năng truyền tín hiệu.

Trải phổ trình tự trực tiếp (DSSS, hay DS )

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) chia một luồng thông tin để truyền thành những phần nhỏ, với mỗi phần được phân bổ đến một dãy kênh qua một phổ điện từ. DSSS sinh ra một bit mẫu dự phòng cho mỗi bit được truyền. Mẫu bit này được gọi là một chip (hoặc mã chipping). Thậm chí, nếu một hoặc nhiều bit trong chip bị phá hỏng khi truyền, những công nghệ thống kê được nhúng trong sóng radio có thể khôi phục dữ liệu gốc mà không cần truyền lại. Trải phổ theo trình tự trực tiếp còn được biết như đa truy cập phân chia mã theo thứ tự (DS-CDMA). Kỹ thuật điều chế chính thức được chấp nhận và sử dụng trong các chuẩn IEEE 802.11b và IEEE 802.11g.

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là lược đồ điều chế phân chia đồng thời tín hiệu số đơn lẻ thành 1000 hoặc nhiều hơn tín hiệu sóng mang. Các tín hiệu gửi đi bằng theo hướng vuông góc (góc trực giao) với nhau để chúng không gây nhiễu nhau. OFDM có khả năng vượt qua các ảnh hưởng do các hiệu ứng đa đường bằng cách sử dụng nhiều sóng mang để truyền một tín hiệu. OFDM thường sử dụng các tiêu chuẩn IEEE 802.11a hoặc IEEE 802.11g. Các tổ hợp tuyến tính hoặc phi tuyến khi truyền có thể sử dụng bằng công nghệ OFDM. Tiêu chuẩn 802.11g (tương thích với các chuẩn 802.11b trước đây) được sử dụng như bên dưới, là ví dụ cho cách thức truyền sóng theo trải phổ và sơ đồ điều chế  tương ứng với các tốc độ truyền dữ liệu.

Phổ tần (ISM) và dải tần không được đăng kí (không tiêu chuẩn)

Các dải tần không kiểm soát là một phần của phổ radio có thể được sử dụng bởi bất kỳ cá nhân nào mà không cần phải đăng kí. Dải tần miễn phí được biết đến là dải tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical-công nghiệp, khoa học, và y tế), thường được dùng rộng rãi trên thế giới cho những ứng dụng năng lượng tần số radio cho các mục đích trong công nghiệp, khoa học và mục đích y tế hoặc một số kiểu truyền thông khác. Dải tần ISM được định nghĩa bởi ITU-R trong các quy phạm điều lệ radio 5.138, 5.150 và 5.280. Có 3 dải tần ISM  được dùng phổ biến là

• 902 MHz đến 928 MHz
• 2.4GHz đến 2.5 GHz
• 5.725 GHz đến 5.875 GHz

Cách sử dụng các dải tần được chỉ định trong các phần này có thể thay đổi theo từng quốc gia khác nhau theo các qui định tần số radio quốc gia đó. Ở Mỹ, dải tần ISM sử dụng các điều luật bởi FCC (Federal Communications Commission) tại phần 18, 15 gồm các qui định cho các thiết bị truyền thông không cần đăng ký. Các quốc gia ở Châu Âu, việc sử dụng dải tần ISM được quy định bởi các các qui định của SRD (Short Range Device-thiết bị truyền sóng ngắn) được ban hành bởi ủy ban châu âu EU, dựa trên công nghệ được giới thiệu bởi CEPT và các tiêu chuẩn của ETSI.

Cơ quan quản lý có thể phân bổ một phần của dải tần radio cho truyền thông không cần đăng kí hoặc cũng có thể không thường phân bổ như dải tần ISM. Ví dụ, FCC quy định dải tần được phép và công suất cho phép lớn nhất trong những dải tần này ở Mỹ. Từ 1997, nó được thêm dải tần trong dải 5GHz theo qui định tại phần 15.407, cũng giống như các dải tần cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia không cần đăng kí (Unlicensed National Information Infrastructure: U-NII) cho ứng dụng không dây WLAN.

Ưu, nhược điểm khi sử dụng các dải tần không cần đăng ký (cấp phép)

Dải tần ISM và U-NII đều là những dải tần không cần đăng kí, và cho phép bất kì ai truyền trên những dải tần này mà không cần đăng kí với FCC hoặc các tổ chức có thẩm quyề . Tính mở của những dải tần miễn phí này cho phép phát triển hoạt động kết nối WLAN trong mảng thương mại nhỏ và gia đình. Tuy nhiên, tự do sử dụng những dải tần miễn phí đồng nghĩa có số lượng lớn người dùng không cần đăng kí có thể cùng chia sẻ băng thông. Những thiết bị loại này có thể tạo những nhiễu điện từ khi hoạt động và làm gián đoạn hoạt động truyền thông sử dụng cùng tần số, vì vậy những thiết bị này bị giới hạn những tần số nhất định. Nói chung, những thiết bị truyền thông hoạt động trong những dải tần không cần đăng kí này sẽ phải chịu những nhiễu sinh ra bởi các thiết bị khác, và nó cũng có nghĩa là người dùng không có quy định bảo vệ tránh các ảnh hưởng từ những thiết bị hoạt động trong dải tần này.

Hãy lấy băng tần 2.4GHz làm ví dụ. Trong biểu đồ bên dưới, có 3 kênh không chồng chéo với hoạt động DSSS (chuẩn IEEE 802.11b). Khi kênh liên kết được áp dụng trong IEEE 802.11n, chỉ có một kênh không chồng chéo (hoặc là kênh 3 hoặc kênh 11), có nghĩa là hoạt động của một thiết bị có thể dễ dàng gây nhiễu đối với một thiết bị khác, và ngược lại. Đó là lý do tại sao một số nhà cung cấp không vận hành với băng tần 2.4GHz. Trong các phần sau, sẽ thảo luận chỉ gồm dải tần 2.4GHz và dải tần 5GHz, bởi vì chúng được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng WLAN. Ngoài tiêu chuẩn IEEE 802.11, sự cân bằng giữa 2 dải này thường được xem xét đến nhiễu (hầu như hoàn toàn đối với dải 2.4GHz) và khoảng cách (mất nhiều công suất để truyền xa ở dải tần 5GHz).

Dải tần 2.4GHz

Chuẩn 802.11b/g được sử dụng nhiều trong các tiêu chẩn mạng không dây WLAN ngày nay. Dải tần 2.4 GHz ISM được hỗ trợ bởi hầu hết các quốc gia trên thế giới.  Nhưng không phải mọi nước hỗ trợ các kênh trong cùng dải 2.4 GHz ISM, mà người dùng cần chắc chắn rằng điểm truy cập wireless có cùng một tiêu chuẩn được sử dụng tại quốc gia đó. Sau đây là biểu đồ cho thấy các kênh được hỗ trợ trong các băng tần ở dải ISM 2.4 GHz cho các lĩnh vực khác nhau. Mặc dù dải tần ISM từ 2.4 đến 2.5 GHz, chuẩn IEEE 802.11b/g chỉ sử dụng 2.400 đến 2.483,5 GHz.  Một điểm không phù hợp nhỏ là do khoảng kênh và cung cấp bộ đệm để ngăn chặn công suất rò ảnh hưởng tới dải tần được đăng kí.

Dải tần 5GHz

Chuẩn 802.11a/h/j/n/ac sử dụng dải tần 5GHz. So với dải tần 2.4GHz, dải tần 5GHz được cân nhắc để có nhiều lựa chọn hợp lý hơn: một kênh đầy độ rộng dự trữ mà không chồng chéo nhau, và ít nhiễu không Wi-fi và đóng gói thông tin nhanh hơn. Tuy nhiên, mỗi quốc gia áp dụng các quy định riêng để phân bổ những kênh được phép và các mức năng lượng tối đa trong dải tần 5GHz. Những người khai thác mạng nên tham khảo ý kiến các cơ quan địa phương cũng như những quy định để có thể thay đổi bất cứ lúc nào. Các bảng dưới đây là các kênh hỗ trợ dải tần 5GHz cho 3 vùng US, EU, Japan.

Dải tần 900 MHz

Khi triển khai truyền thông ở khoảng cách xa thường cho những ứng dụng công nghiệp đắt tiền, và yêu cầu tốc độ kết nối nhanh và tin cậy. Dòng AWK-3191 AP/bridge/client không chỉ giảm bớt được chi phí dây kết nối, mà còn cho người dùng sử dụng truyền thông không dây ở dải tần 900MHz với tốc độ 6Mbps với khoảng cách 30km, đây là giải pháp thay thế tuyệt vời cho các thiết bị radio sóng ngắn đắt tiền. Không giống như thiết bị kết nối điểm-điểm ở tần số 900MHz, AWK-3191 hỗ trợ cả chế độ hoạt động master/slave và AP/Client để cho phép cả kết nối điểm-điểm và điểm-nhiều diểm cho các ứng dụng, bao gồm dầu và gas, giám sát đường ống, giàn khoan ngoài khơi.

2-2 Antenna WLAN

Tại sao quan trọng trong việc sử dụng đúng antenna?

Tốc độ truyền của kết nối không dây có quan hệ với cường độ tín hiệu radio khi truyền. Việc chọn loại antenna phù hợp với môi trường ứng dụng là bước quan trọng nhất để đảm bảo một kết nối không dây tốt.

Hình bên dưới là một minh họa đơn giản của tín hiệu truyền không dây. Sau khi tín hiệu số nhận được được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự, tín hiệu sẽ được trộn, lọc, khuếch đại và cuối cùng được phát ra khí quyển. Chức năng chính của antenna là điều khiển công suất phát và dạng của công suất phát. Chương này mô tả các thông số quan trọng khi chọn antenna phù hợp cho ứng dụng của bạn, như tần số của anten, trở kháng phù hợp, tỷ số điện áp sóng đứng(VSWR), độ khuếch đại, và độ phân cực.

Các thông số Antenna

Tần số

An ten là một bộ biến đổi, và được thiết kết để truyền và/hoặc nhận các sóng điện từ. Nó giống như bộ chuyển đổi để chuyển đổi lại giữa sóng điện từ và dòng điện. Sự khác nhau giữa thiết bị không dây là sử dụng các antenna khác nhau để hoạt động ở những tần số khác nhau và mục đích khác nhau, ví dụ một dải hoạt động mong muốn. Thông số quan trọng nhất của antenna là tần số làm việc của nó. Ví dụ, chiều dài bước sóng của antenna 2.4 GHz là quá ngắn để sử dụng theo chuẩn truyền thông IEEE 802.11a và khi sử dụng antenna với tần số không phù hợp sẽ là nguyên nhân tạo ra hiệu năng hoạt động kém cả về tần số radio và lưu lượng dữ liệu truyền thực tế.

Trở kháng phù hợp

Để truyền công suất truyền lớn nhất từ bộ biến đổi đến antenna cần trở kháng phù hợp của hệ thống antenna. Hình vẽ bên dưới mô tả hiệu ứng phản xạ khi trở kháng không phù hợp giữa 2 môi trường. Trở kháng không phù hợp sẽ là nguyên nhân làm tổn thất công suất và làm hỏng chức năng mạch do xung công suất khi có phản hồi. Bộ truyền sinh ra một trở kháng 50 ohms và cần phù hợp giữa đường truyền đến antenna để tối đa toàn bộ công suất, loại bỏ yếu tố thay đổi đường truyền theo tỷ số điện áp sóng đứng (Voltage Standing Wave Ratio-VSWR) và giảm sự tổn hao trên đường truyền.

Sự phân cực

Sự phân cực được đề cập đến hướng của các đường sức điện trường như các tín hiệu phát ra từ antenna. Kiểu đơn giản nhất và loại phổ biến nhất là sự phân cực tuyến tính. Nếu lắp đặt antenna không đúng sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu thu. Ví dụ, một hàng antenna được sắp xếp theo phương ngang sẽ không nhận bất kỳ tín hiệu nào được gửi từ một antenna được lắp theo chiều dọc.

Tuy nhiên, khi antenna tại hướng 45°  (phân cực chéo) có thể nhận tín hiệu gửi từ cả antenna dọc và ngang, nhưng cường độ tín hiệu bị giảm (dB). Việc biết độ phân cực của antenna rất quan trọng trong kết nối WLAN, để chắc chắn rằng tín hiệu được gửi và nhận với những điều kiện tối ưu nhất. Hình dưới biểu thị độ phân cực tuyến tính dọc và ngang.

Khuếch đại

Độ khuếch đại của antenna xác định theo hướng và hiệu suất điện của antenna. Nói chung, với độ khuếch đại thấp, bức xạ sẽ được phân bổ đồng đều hơn theo tất cả các hướng. Nói cách khác, một antenna với độ khuếch đại lớn sẽ phát ra bức xạ có định hướng rõ ràng hơn. Độ khuếch đại quyết định công suất khuếch đại hoặc hướng khuếch đại theo tỷ số cường độ, hoặc theo công suất trên một đơn vị bề mặt. Nói chung, khi chúng ta chọn một antenna, để có khoảng cách truyền xa, nên chọn một antenna có độ khuếch đại cao hơn. Đồng thời chúng ta chấp nhận mất đi khả năng bao phủ đẳng hướng của antenna. Với antenna nghiêng 45° (phân cực chéo), có thể nhận tín hiệu từ một antenna dọc và ngang, nhưng cường độ tín hiệu sẽ bị giảm (dB). Có thể nói rằng độ phân cực của một antenna trong kết nối WLAN tương đối quan trọng, để đảm bảo rằng những tín hiệu được gửi và nhận với các điều kiện tối ưu nhất. Hình bên dưới minh họa độ phân cực tuyến tính dọc và ngang.

Hướng phát của Antenna

Hiệu suất hoạt động của antenna có thể được cải thiện nhiều hơn từ dạng bức xạ của antenna. Dạng bức xạ của antenna là một trong 3 loại minh họa về cách thức antenna phát và nhận tín hiệu radio trong khi kết nối (xem hình bên phải).

Hình dạng bức xạ về bản chất là trường điện từ, nó gồm có một điện trường (E-Plane: mặt đứng) và từ trường (H-Plane: mặt ngang). Điện trường và từ trường lan truyền có hướng giống nhau, nhưng sự phân cực của những sóng này luôn vuông góc nhau (90°). Hình dạng bức xạ sẽ khác nhau ứng với mỗi loại antenna khác nhau. Biểu đồ E-Plane và H-Plane cung cấp cái nhìn 2 chiều về điện trường và từ trường hoạt động như thế nào cho mỗi antenna.

Độ rộng búp sóng nửa công suất

Độ rộng búp sóng nửa công suất (Half-power beamwidth- HPBW), thường được gọi là độ rộng búp sóng 3-dB, đây là góc đo được của hướng bầu sóng chính trên dạng phát xạ của antenna với độ khuếch đại (độ nhạy) bằng một nửa (hoặc -3dB) của giá trị lớn nhất. Đôi khi nó thường được gọi là FWHM (độ rộng toàn bộ của búp sóng tại nửa độ lớn nhất của nó). Sự đo lường độ rộng búp sóng 3-dB thường được dùng để xác định góc đứng và góc ngang của mỗi  antenna.

Lưu ý rằng, antenna là một phần tử thụ động, có nghĩa nó không thể tăng (khuếch đại) năng lượng đầu vào bằng bất kỳ cách nào. Để đạt được những khoảng cách truyền xa hơn, nó phải nén trường năng lượng để tạo ra độ hẹp (gầy) và dài hơn.

Do đó, một antenna có độ khuếch đại cao hơn sẽ mang đến với một độ rộng búp sóng hẹp hơn.

Tỷ số áp sóng đứng

Tỷ số áp sóng đứng (voltage standing wave ratio-VSWR)  là một tỷ số của điện áp lớn nhất và điện áp nhỏ nhất trên đường truyền (cáp) được sử dụng nhằm đo hiệu suất của antenna. Khi bộ phát gửi tín hiệu qua đường truyền đến antenna, một phần của tín hiệu sẽ tản ra ngoài đường truyền nếu antenna có trở kháng khác nhau, và trộn lẫn với các tín hiệu chuyển tiếp để tạo một dạng sóng điện áp đứng.

A1:1 VSWR (hoặc chỉ 1) biểu thị công suất thu được của antenna là đầy đủ (bởi vì trở kháng của antenna bằng với trở kháng trên đường truyền) và không có công suất phản xạ lại về bộ phát, nhưng cái này rất khó để đạt được. Ví dụ, một radio 50-ohm với một antenna có trở khảng 75-ohm thì theo lý thuyết VSWR là 1.5:1 so với đường truyền. Điển hình cho hệ thống antenna, một tỷ số áp sóng đứng (VSWR) của 1.2:1 có thể được cân nhắc để có thể được chấp nhận. Một tỷ số áp sóng đứng (VSWR) 2:1 thường dùng cho các hệ thống antenna, có nghĩa là sẽ làm tổn thất khoảng 10% tín hiệu truyền đi sẽ bị phản hồi từ antenna. Với tỷ số áp sóng đứng cao hơn có nghĩa là hiệu suất truyền kém hơn và có thể gây hại đến đường truyền và phá hỏng bộ phát.

Các loại antenna

Có 2 kiểu antenna cơ bản của antenna cho các sản phẩm WLAN, phân loại bằng hướng của sóng tín hiệu radio: đa hướng hoặc có định hướng.

Antenna Omni-directional - Antenna Vô hướng

Được thiết kết để phát ra tín hiệu như nhau theo tất cả các hướng 360 độ. Sử dụng loại antenna này nếu bạn cần để truyền từ một điểm trung tâm như một điểm truy cập, người sử dụng ở xung quanh khu vực. Trong một văn phòng nhỏ với 3 hoặc 4 phòng, một điểm truy cập với một antenna omni –directional có thể cung cấp đủ sóng cho tất cả các trạm không dây ở tất cả các phòng.

Antenna định hướng

Antenna có hướng hoặc antenna bảng cung cấp tín hiệu tập trung hơn loại antenna đa hướng. Tín hiệu được truyền đi trong một hình bầu dục với độ rộng chùm khoảng 30 độ. Đây là loại antenna lý lưởng cho các địa điểm văn phòng. Ví dụ, một điểm truy cập với một antenna bán hướng có thể được đặt ở góc phòng, để cung cấp phạm vi nhất định cho toàn bộ chiều dài của nó. Antenna định hướng có thể dùng ở ngoài trời để cung cấp liên kết điểm-điểm trong khoảng cách ngắn hoặc cho khách hàng ở điểm cuối của mạng điểm đến đa điểm.

2.3 Cáp

Cáp RF

Cáp RF, thường gọi là cáp đồng trục, là loại cáp phổ biến được sử dụng để kết nối một bộ phát hoặc thu RF đến antenna. Lõi và lớp kim loại lưới bảo vệ đều được làm từ đồng, và lớp điện môi cách điện thường làm bằng chất rắn hoặc nhựa cao su polyethylene. Một vài cáp RF thường bao gồm một lớp lá kim loại mỏng ở giữa lớp bảo vệ và lớp điện môi có chức năng giảm tổn thất do nhiễu.

Thông thường, lớp kim loại bảo vệ được nối đất và điện áp đặt vào các dây dẫn chính để truyền tín hiệu. Tác dụng chính của việc sử dụng cáp RF là giữ từ trường ở trong chất điện môi và giảm mất mát bức xạ. Thêm nữa, chất điện môi bảo vệ đường truyền chống lại nguồn nhiễu từ bên ngoài.

Các thông số chính

Tương thích trở kháng

Đây là một nguyên lý được giới thiệu trong phần antenna. Để có hiệu quả truyền tốt nhất, các môi trường kết nối trung gian, như cáp RF, antenna, đầu kết nối, và bộ nguồn phát phải có một trở kháng phù hợp.

Độ suy giảm

Mọi cáp RF đều có tổn hao tín hiệu, đó là sự suy giảm được đo bằng tỷ số dB/100feet. Độ suy giảm của tín hiệu RF sẽ tăng tại tần số cao hơn bởi vì dòng RF di chuyển nhiều nhất trên bề mặt ngoài (hiệu ứng bề mặt) dây dẫn và điện trở bề mặt sẽ tăng tại tần số cao hơn. Tổn hao bề của vật dẫn có thể giảm khi tăng đường kính của dây dẫn. Khi tăng gấp đôi đường kính của cáp sẽ giảm một nửa hiệu ứng bề mặt (không bao gồm tổn thất điện môi và cách điện)

Bán kính uốn cong

Bán kính uốn nhỏ nhất của độ cong phía trong đo được của cáp mà cáp có thể chịu mà không gây hỏng hóc vật lý nào, giảm hiệu năng của nó, hoặc rút ngắn tuổi thọ cáp. Hình bên dưới minh họa một cáp với bán kính uốn cong là 3cm

Cáp  Ethernet

Cáp Cat 5 (Category 5) là tiêu chuẩn thế hệ thứ 5 cho cáp xoắn Ethernet được ban hành bởi Hiệp hội công nghiệp điện tử và Hiệp hội truyền thông công nghiệp (EIA/TIA). Cáp Cat 5  gồm 4 cặp dây xoắn nhưng chỉ sử dụng 2 cặp (ở tốc độ 100MHz) cho chuẩn truyền 10Base-T và 100Base-Tx (Fast Ethernet). Một phiên bản nâng cấp, CAT 5e, với nhiều thông số kỹ thuật đặc biệt hơn để đảm bảo sự ổn định khi sử dụng tất cả 4 cặp dây xoắn cho truyền thông Gigabit 1000BASE-T. Cat5/5e có khoảng cách truyền tối đa khoảng 100m. Cáp Cat 6 thường được dùng cho chuẩn truyền Gigabit Ethernet. Nó có thể tương thích với chuẩn Cat 5 và Cat 5e, nhưng tại một thời điểm, nó cho phép tần số truyền cao hơn lên đến 250 MHz, nó phù hợp cho 10BASE-T, 100BASE-TX (Fast Ethernet), 1000BASE-T/1000BASE-TX (Gigabit Ethernet), và 10GBASE-T (10-Gigabit Ethernet).

Các thông số chính

Bán kính uốn cong

Hầu hết các loại cáp CAT 5 có thể được uốn cong ở bất kỳ bán kính nào với khoảng bốn lần so với đường kính của cáp.

Độ dài cáp tối đa

Chiều dài khuyến nghị cho đoạn cáp CAT 5 là 100m (theo chuẩn TIA/EIA 568-5-A). Bộ lặp và bộ switch có thể sử dụng để mở rộng khoảng cách truyền. Bộ chuyển đổi môi trường truyền, như bộ chuyển Ethernet to Fiber (bộ chuyển đổi quang-điện), có thể sử dụng để nâng đáng kể khoảng cách truyền.

Cáp thẳng và cáp chéo

Các cặp dây xoắn của cáp Ethernet có thể được sắp xếp lại để tạo kết nối giữa nhiều loại thiết bị. Một cáp thẳng, thường được gọi là cáp chính, có sự sắp xếp các cặp dây xoắn ở hai đầu kết nối RJ45 là giống nhau và sử dụng để kết nói một máy tính đến một bộ switch hoặc một bộ định tuyến (router). Cáp chéo có một cặp dây màu cam đổi vị trí cho cặp màu xanh lá cây ở một đầu, và được dùng để kết nối trực tiếp hai máy tính với nhau. Tuy nhiên, các giao diện mạng mới hiện nay với các cổng tự động nhận MDIX có khả năng nhận ra kiểu kết nối để chọn cấu hình MDI hoặc MDIX một cách tự động, loại bỏ sự cần thiết sử dụng cáp chéo.

10BASE-T và 100BASE-TX vs. 1000BASE-T

Kết nối 10BASE-T và 100BASE-TX yêu cầu 2 cặp dây xoắn. Kết nối 1000BASE-T yêu cầu 4 cặp dây xoắn (8 chân). Liệt kê chân dưới đây là sự phân chia chân chức năng theo 3 chuẩn (10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T) trên cả MDI và MDI-X.

Chân 4,5,7,8 không sử dụng

2-4 Đầu kết nối

Trước khi đặt mua antenna và cáp cho thiết bị không dây của bạn, trước tiên phải xác định các kiểu đầu nối. Nói chung, các phần như kiểu giắc cắm, chân, và quy định là đầu nối đực, và quy định về chân cắm, ổ cắm, và khe quy định cho đầu nối cái. Đối với đầu kết nối điện, kiểu đầu kết nối (đực và cái) không đủ để nhận dạng đúng đầu kết nối. Chương này sẽ cung cấp một số đầu kết nối được sử dụng thường xuyên và hình của chúng được đưa ra ở phần dưới đây.

Đầu kết nối antenna

Có rất nhiều kiểu đầu nối antenna đồng trục được thiết kế cho những ứng dụng khác nhau. Phần này giới thiệu về một số đầu nối antenna thông dụng như một lưu ý để nhận dạng và chọn đầu nối thích hợp.

Đầu kết nối Ethernet

Đầu kết nối đồng

Hình vẽ bên biểu thị thông tin cho kiểu đầu kết nối RJ45 và M12, những kiểu đầu kết nối phổ biến nhất. Đầu kết nối RJ45 rất thông dụng cho những ứng dụng tiêu chuẩn trong nhà, trong khi M12 được sử dụng nhiều nhất cho môi trường ngoài trời hoặc thường xuyên gặp trong những  ứng dụng rung sốc.

Đầu kết nối quang

Đầu kết nối quang được sử dụng để nhanh chóng kết nối/ngắt kết nối cáp quang. Đầu nối quang được sử dụng nén tải để đảm bảo rằng mặt cắt ngang cáp quang được ép chặt với nhau để loại bỏ những khoảng trống không khí, là nguyên nhân gây mất tín hiệu. Các bảng đi kèm theo cho thấy thường sử dụng những đầu kết nối quang.

Mô đun cắm Ethernet

Các module SFP và SFP+ Ethernet là những kiểu của bộ chuyển đổi giao diện (hoặc bộ phát) có thể trao đổi với nhiều loại đa dạng của thiết bị mạng và cung cấp một giao diện gigabit. Những bộ thu phát hợp khối này là sự cải tiến từ bộ thu phát gigabit (GBIC Gigabit interface Converter). Mô đun cắm có thể dùng cho cáp đồng, nhưng nó thường dùng cho kết nối quang.

Công nghệ không dây công nghiệp (Phần 1)

Các tiêu chuẩn 802 trong mô hình tham chiếu OSI

Lịch sử của các tiêu chuẩn WLAN

Bảo mật không dây

Mạng 802.11 sử dụng tín hiệu radio kiểu broadcast để truyền thông với bất cứ card mạng không dây phù hợp để truy cập vào WLAN. Các biện pháp bảo mật để kiểm tra truy cập WLAN đều có vai trò quan trọng để ngăn ngừa truy cập trái phép vào thiết bị mạng và nguồn tài nguyên (dữ liệu). Có 2 kiểu biện pháp bảo mật chính sẵn có cho WLAN:

• Chứng thực: người dùng/các thiết bị đồng nhất được xác nhận trước khi được cấp quyền truy cập vào mạng.
• Mã hóa: Dữ liệu trao đổi giữa các điểm mạng WLAN sẽ được mã hóa để tạo những dữ liệu phân đoạn không thể đọc được.

Sự kết hợp của phương pháp xác nhận và mã hóa thường được sử dụng để cung cấp mức độ bảo mật của WLAN. Thêm nữa có 3 kiểu bảo mật của WLAN (WEP, WPA, và WPA2) giao thức IEEE 802.1X thường cung cấp một sự xác nhận cao cho kết nối WLAN.

Các giao thức bảo mật WLAN

WEP

WEP (Wired Equivalent Privacy-WEP) là biện pháp bảo mật mức thấp cung cấp bảo mật dữ liệu cho truyền thông không dây. Chìa khóa tĩnh chia sẻ (chuỗi chữ và chiều dài cố định) sử dụng để mã hóa dữ liệu và phân bổ đến tất cả trạm không dây trên mạng không dây.

Năm 2001, WEP bị xem là rất dễ bị tấn công thụ động, gồm khóa mã hóa 24 bit RC4 và không được khuyến khích sử dụng cho mạng yêu cầu bảo mật mức cao. Đối với bảo mật không dây mạnh hơn, bảo vệ truy cập wifi (Wi-Fi Protected Access WPA hoặc WPA2) yêu cầu mã hóa dữ liệu và sự xác nhận người dùng.

WPA

Bảo vệ truy cập Wifi (WPA) được tạo ra để đáp ứng cho các lỗ hỗng tìm thấy trong chuẩn WEP. Nó được thiết kế như một biện pháp tạm thời cho đến khi phát triển các biện pháp bảo mật 802.11i. Khi được sử dụng với phương thức xác nhận RADIUS và VPN, WPA được chấp nhận như một phương pháp bảo mật hiệu quả cho mạng WLAN.

WPA2

WPA2 là một bản nâng cấp mã hóa của công nghệ WPA. WPA sử dụng giao thức khóa toàn vẹn thời gian (Temporal Key Integrity Protocol-TKIP) cho việc mã hóa 128 bit dữ liệu, trong khi WPA2 sử dụng tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến (Advanced Encryption Standard-AES), Một thiết kế mã hóa mạng hoán vị phù hợp đối với các mạng WLAN sẽ  yêu cầu điều khiển truy cập an toàn cao.

802.1X

802.1X là một phương pháp chứng thực dựa trên cổng kết nối, nhằm ngăn chặn việc truy cập trái phép vào mạng. Nó được sử dụng WPA để định hình hệ thống bảo mật WLAN hoàn chỉnh. Trên nhiều hệ thống không dây, người dùng có thể đăng nhập vào các điểm truy cập riêng, nhưng không thể làm gì hơn mà không có xác nhận. 802.1X yêu cầu người dùng xác nhận với mạng không dây của nó, không chỉ với những điểm truy cập AP hoặc kết nối mạng riêng ảo VPN. Nó cung cấp bảo mật WLAN cao hơn, các kết nối không được chứng thực có thể bị từ chối cấp quyền tại các điểm truy cập.

Lựa chọn đúng cấp bảo mật cho WLAN

Sự cân bằng giữa bảo mật, sự truyền dữ liệu, và hiệu quả chi phí là điều quan trọng khi quyết định chọn kiểu bảo mật để cài đặt trên mạng WLAN. Những yếu tố như  môi trường hoạt động, kiểu tương thích của các cấp độ bảo mật, và có thể  tác động  đến sự hoạt động của mạng khi sử dụng nhiều phương thức bảo mật phức tạp, tất cả đều được xem xét đến.

Dưới đây là một số câu hỏi chính để đánh giá các lựa chọn bảo mật WLAN:

• Liệu môi trường có yêu cầu bảo mật cấp cao? Nếu mạng WLAN truyền tải thông tin như hồ sơ y khoa, nên áp dụng cấp bảo mật cao nhất. Tuy nhiên, nếu mạng WLAN chỉ sử dụng để kết nối quan sát dữ liệu giám sát môi trường, thì chỉ nên áp dụng cấp bảo mật ở mức thấp hơn để tối ưu hiệu suất của mạng WLAN.
• Các mức độ bảo mật có thể hỗ trợ môi trường mạng? Công nghệ mã hóa WPA và WPA2 cung cấp bảo mật tin cậy, nhưng các thiết bị khách (Client) có hỗ trợ chúng? Ngoài ra, nếu sự chứng thực theo 802.1X được áp dụng, thì một server RADIUS có sẵn sàng trên mạng WLAN?
• Bảo mật ở mức cao có tác động không mong muốn đối với sự hoạt động của mạng WLAN? Hiệu suất của các thiết bị không dây sẽ bị ảnh hưởng thế nào nếu chức năng mã hóa được kích hoạt? Quá trình mã hóa/giải mã có thể yêu cầu tài nguyên CPU để xử lý. Có thể tất cả các thiết bị WLAN, bao gồm những thiết bị chủ sẽ thế nào nếu tăng thêm hoạt động cho quá trình xử lý dữ liệu. Theo bảng tóm tắt bên dưới tổng hợp các đánh giá về các yêu cầu về các phương pháp bảo mật WLAN khi triển khai và đối với máy khách.

2.Khái niệm cơ bản về mạng  WWAN

Giới thiệu chung

Một mạng không dây diện rộng WWAN (Wireless Wide-Area Network-WWAN) có thể bao gồm nhiều loại kết nối mạng di động khác nhau, như phương pháp truyền thống truyền bằng sóng vi ba, vệ tinh truyền thông, và ngày nay là công nghệ mạng Cellular. Tất cả những mạng này bao trùm các khu vực có phạm vi rộng và có thể truyền dữ liệu số toàn cầu.

Trong truyền thông cellular, mạng 3G đáp ứng cho hơn 1.5 tỷ lượt dùng trong năm 2013 và số lượng người dùng tăng lên 3.5 tỷ trong năm 2015. Tuy nhiên công nghệ LTE (4G) cho thấy sự phát triển nhanh chóng và được kì vọng để thay thế cho công nghệ 3G, đây là một tiêu chuẩn chính cho mạng truyền thông cellular thế hệ mới.

Các mối quan tâm chính khi sử dụng mạng di động cellular cho việc truyền dữ liệu gồm có băng thông, quản lý IP, và chi phí hoạt động cao (như truyền thông vệ tinh). Tuy nhiên, như công nghệ tiên tiến mang lại nhiều dịch vụ hữu ích hơn, cấu trúc hạ tầng mạng cellular có thể được triển khai với một mức chi phí thấp hơn để dần thay thế sóng vi ba truyền thống, radio, và truyền thông vệ tinh.

Sự phát triển của mạng Cellular

Công nghệ 2G/2.XG

Chuyển mạch dữ liệu cho mạng GSM

GSM (Global System for Mobile Communications) là một bộ tiêu chuẩn cho truyền thông của điện thoại di động trên mạng kỹ thuật số cellular 2G. GSM được thiết kế bởi học viện tiêu chuẩn truyền thông châu âu (European Telecommunications Standards Institute-ETSI) và trở thành tiêu chuẩn phổ biến cho truyền thông di động để thay thế cho mạng di động cellular analog thế hệ thứ nhất (1G). GSM sử dụng chuyển mạch dữ liệu (circuit-switched data-CSD) bằng phương thức truyền thoại song công và công nghệ được kéo dài về mặt thời gian sử dụng-đàu tiên là  thông qua truyền thông chuyển mạch, thực tế gồm các công nghệ chuyển mạch gói, và sau đó GPRS (General Packet Radio Services) và EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) để truyền dữ liệu qua GPRS và GSM.

GPRS

GPRS là một dịch vụ chuyển mạch gói để truyền GSM trên mạng 2G/2.5G cho phép đồng thời truyền âm thanh và dữ liệu. GPRS có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ gồm có SMS, MMS, email, và truy cập internet. GPRS được phát triển đầu tiên bởi viện tiêu chuẩn truyền thông châu âu và giờ được duy trì bởi hiệp hội 3GPP-3rd Generation Partnership Project.

EDGE

Việc tăng tốc độ truyền dữ liệu là yêu cầu đối với việc phát triển GSM, và thế hệ tiếp theo là GPRS (EGPRS), sóng mang đơn IMT(IMT-SC), hay gia tăng tốc độ dữ liệu toàn cầu, là sự mở rộng của GSM. EDGE là công nghệ điện thoại di động kỹ thuật số cao hơn (tiền 3G) cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn GPRS, với tốc độ truyền lên đến 384kbps.

Thông tin bổ sung

Hình dưới đây mô tả sơ bộ của tốc độ truyền theo thời gian với những công nghệ 2G khác nhau. Ngoài ra GSM, GPRS, và EDGE hoạt động trên 4 dải tần GSM: 850 MHz, 900MHz, 1800 MHz, và 1900 MHz. Tuy nhiên, từ sau khi nhiều nước áp dụng các quy định khác nhau, một tần số GSM chung không được sử dụng trên toàn thế giới. Bảng đính kèm bên dưới là tổng quan của các dải tần số GSM được sử nhiều nước sử dụng.

Tổng quan các dải tần số sử dụng (dựa trên những sóng mang chính)

Công nghệ 3G

3GPP- từ UMTS đến HSPA+

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu (Universal Mobile Telecommunications System-UMTS) GSM dựa trên công nghệ 3G cho mạng di động cellular được phát triển bởi hiệp hội 3GPP. UMTS sử dụng công nghệ W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access-W-CDMA) dải tần rộng và kết hợp cả công nghệ không dây và công nghệ vệ tinh để truyền dữ liệu lên đến 2Mbps để cung cấp băng thông và sử dụng phổ tần hiệu quả.

HSPA (HSDPA/HSUPA/HSPA+)

Truy cập dữ liệu gói tốc độ cao (HSPA) là một phần của mạng di động 3G dựa trên UMTS, nó hỗ trợ cả HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) và HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) để truyền thông theo giao thức W-CDMA, cung cấp tốc độ tải xuống đến 14.4 Mbps và tốc độ tải lên có thể đến 5.8 Mbps. Phiên bản mới, phiên bản cải tiến HSPA(còn gọi là HSPA+) được ban hành vào năm 2008 có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 42 Mbps cho tải xuống và 22Mbps cho tải lên.

Thông tin bổ sung

Bảng dưới đây cho một thông tin sơ bộ về sự cải tiến theo thời gian giữa các công nghệ 3G-UMTS. Ngoài ra, có 5 tần số UMTS thường được sử dụng: 800, 850, 900, 1900, và 2100. Tần số UMTS sử dụng khác so cho các nhà vận hành khác nhau.

Bảng dưới đây là tổng quan của dải tần UMTS chọn cho các nhà cung cấp chính trên thế giới.

Tổng quan dải tần số UMTS (dựa trên các sóng mang chính)

3GPP2 – từ CDMA2000 đến EV-DO

CDMA2000, thường được biết như một IMT đa sóng mang (IMT-MC), là tiêu chuẩn dựa trên IMT-2000 CDMA  và được phát triển bởi ITU, nhằm cho phép gửi dữ liệu giữa 2 điện thoại di động và tổng đài trung tâm (hoặc BTS- Base Transceiver Station, trạm thu phát). CDMA2000 và W-CDMA là các tiêu chuẩn cạnh tranh nhau trong thị trường kết nối mạng di động.

CDMA2000 thực tế là một họ tiêu chuẩn ra đời với các bước phát triển theo sự phát triển của công nghệ. Các biến thể khác nhau đều được chọn cho giao diện vô tuyến cho IMT-2000 và được liệt kê dưới đây theo thứ tự thời gian.

Công nghệ 4G

Trước-4G vs. 4G

Ngày nay, các nhà khai thác đang coi công nghệ LTE và WiMAX như là công nghệ di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy nhiên, theo hiệp hội truyền thông quốc tế (International Telecommunication Union-ITU), “công nghệ 4G tiêu chuẩn” phải cung cấp tốc độ dữ liệu ổn định ở mức Gigabit truyền không di chuyển, và thấp nhất là 100Mbps cho các ứng dụng di động cao cấp và các tiêu chuẩn khác (chi tiết cho bên dưới). Phần này giới thiệu tóm tắt về công nghệ 4G (LTE), và công nghệ 4G đúng chuẩn (LTE-A)

Yêu cầu của IMT tiên tiến (4G)

• Ứng viên theo công nghệ giao diện radio (Radio Interface Technology-RIT) sẽ dựa trên mạng chuyển mạch gói IP.
• RIT sẽ cung cấp tốc độ danh định 100Mbps, và khi máy khách di chuyển tốc độ cao so với các trạm thu cơ sở BTS, và 1Gbps cho di chuyển tốc độ thấp hoặc đối với các vị trí cố định.
• RIT có thể tự động chia sẻ và sử dụng tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người sử dụng đồng thời trên một khu vực (cellular).
• RIT sẽ sử dụng nhiều băng thông được cấp khác nhau để hỗ trợ tăng băng thông có thể lên đến 40 MHz
• RIT có thể có một hiệu suất đỉnh tải xuống tối thiểu 15bits/s/Hz, và hiệu suất tải lên tối thiểu 6.75 bits/s/Hz.
• Với các môi trường trong nhà, RIT có hiệu suất lên tới 3 bits/s/Hz/cell khi tải xuống, và 2.25 bits/s/Hz/cell cho tải lên.
• RIT cung cấp khả năng chuyển giao và chuyển vòng toàn cầu giữa các nhà mạng khác nhau.
• RIT cung cấp chất lượng dịch vụ cao đáp ứng cho các dịch vụ đa phương tiện thế hệ mới.

LTE

Công nghệ tiền 4G 3GPP hay còn có tên “4G-LTE”, nhưng phiên bản LTE đầu tiên không đáp ứng đày đủ với các yêu cầu nâng cấp của IMT. LTE có tốc độ dữ liệu theo lý thuyết có thể lên 100Mbps khi tải xuống và 50 Mbps khi tải lên nếu sử dụng kênh có băng thông 20Mhz, và khi nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO), ví dụ: nhiều ăng ten được dùng. Bảng bên dưới cho phép đo lý thuyết của dữ liệu LTE.

LTE-A

Công nghệ LTE cải tiến (LTE-A: Long Term Evolution Advanced) được trình lên chính thức bởi tổ chức 3GPP tới ITU-T vào mùa thu  năm 2009 như một ứng viên cho tiêu chuẩn IMT-Advanced, và mong đợi được ban hành chính thức vào năm 2013. LTE-Advanced là thiết yếu đối với công nghệ LTE hiện tại cho các mạng di động. LTE và LTE-Advanced cùng sử dụng quang phổ bổ sung và ghép kênh để cho phép tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Phối hợp truyền đa điểm cũng cho phép nâng cao dung lượng hệ thống, giúp nâng cao tốc độ xử lý các dữ liệu. Phiên bản 10 của LTE dự kiến sẽ đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao theo yêu cầu của IMT-Advanced. Phiên bản thứ 8 hiện nay, đang cung cấp tốc độ tải xuống lên đến 300Mbps, nhưng vẫn không đáp ứng đủ tiêu chuẩn IMTA yêu cầu.

Thông tin bổ sung

LTE trong năm 2013 vẫn là một công nghệ phát triển, và tần số sử dụng hoặc điều chỉnh vẫn tiến triển qua thời gian. Theo bảng cho dưới cho một cái nhìn nhanh về tần số LTE sử dụng trong năm 2013. Để có thêm thông tin mới nhất vui lòng liên hệ với bên cung cấp dịch vụ LTE ở địa phương.

Tổng quan các dải tần LTE sử dụng (dựa trên các sóng mang chính)

3. Khái quát về WPAN

Tiêu chuẩn IEEE 802.15 cho WPAN

Công nghệ WPAN (Wireless Personal Area Network-Mạng không dây cá nhân), thường được biết đến theo chuẩn IEEE 802.15, được phát triển bởi IEEE cho kết nối mạng cá nhân bằng một mạng không dây ở khoảng cách ngắn, nó bao gồm kết nối không dây giữa các máy tính di động, và các thiết bị như điện thoại di động, laptop, và các thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân (PDA). Bảng dưới đây so sánh cá thông số quan trọng cho các kiểu công nghệ WPAN.

IEEE 802.15.4 tốc độ thấp WPAN

ZigBee

Được phát triển mới mục tiêu công suất tiêu thụ và chi phí thấp, ZigBee là một tiêu chuẩn chung dựa trên IEEE 802.15.4 cho mạng liên kết trực tiếp các thiết bị với thiết bị (Machine-to-Machine: M2M) sử dụng dải tần miễn phí (868 MHz ở châu âu, 900MHz ở Mỹ, và 2.4GHz ở nhiều nước trên thế giới). Với chi phí tương đối thấp cho phép ZigBee triển khai trên diện rộng trong các ứng dụng điều khiển và giám sát không dây, và với yêu cầu công suất thấp cho phép nhiều điểm nút hoạt động trong nhiều tháng, và thậm chí lên đến một vài năm, mà không cần phải thay pin. Mạng kết nối hỗn hợp (Mesh) cung cấp độ tin cậy cao, vùng phủ sóng rộng, và mạng linh hoạt. Tốc độ truyền dữ liệu có thể dao động từ 20 Kbps  (868 MHz) đến 250 kbps (2,4 GHz).

Lớp mạng ZigBee hỗ trợ các kiểu cấu trúc mạng hình sao, cây và lưới. Mỗi mạng sẽ phải có ít nhất một thiết bị điều phối. Trong mạng hình sao, thiết bị điều phối phải ở điểm nút trung tâm. Cả cấu trúc mạng hình sao và cấu trúc lưới cho phép sử dụng những bộ định tuyến ZigBee để mở rộng kết nối tăng cấp mạng. Các đặc điểm kỹ thuật theo toàn bộ tiêu chuẩn sẽ có bốn thành phận: lớp mạng, lớp ứng dụng, các đối tượng thiết bị ZigBee (ZDOs: ZigBee Device Objects), và các đối tượng áp dụng theo nhà sản xuất được xác định, cho phép tùy biến và hỗ trợ tích hợp hệ thống.

ZigBee không chỉ được thiết kế ứng dụng cho mạng truyền dẫn năng lượng (công suất lớn), mà còn sử dụng cho những ứng dụng như tự động hóa tòa nhà, điều khiển chiếu sáng, điều khiển hệ thống thông gió HVAC, các thiết bị y tế, và cho kho lưu trữ hàng hóa. Các nút của ZigBee có chi phí hoạt động hiệu quả cao và có thể khôi phục từ chế độ ngủ (chờ) với thời gian nhỏ 30 mili giây để giảm độ trễ thấp kết nối mạng.

Giải pháp ZigBee

Giao thức ZigBee vừa được hơn 300 công ty chấp nhận (Liên minh ZigBee) trên toàn thế giới, đây như một tiêu chuẩn mở tin cậy để cung cấp một hạ tầng mạng cá nhân với chi phí thấp và tốc độ dữ liệu kết nối thấp.

Một mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị hoặc nốt; Bộ điều phối ZigBee (ZC), bộ định tuyến ZigBee, và các thiết bị ZigBee (ZED-ZigBee End Device)

Bộ điều phối ZigBee

Mỗi mạng ZigBee có một bộ điều phối việc quản lý và định tuyến dữ liệu của mạng. Bộ điều phối là thành phần chính bởi vì hoạt động truyền thông mạng ZigBee dựa vào ZC.

Bộ định tuyến ZigBee

Bộ định tuyến chuyển tiếp dữ liệu qua mạng thông qua định tuyến mạng đa bước và ZC chính. Các kết nối khác đến các bộ định tuyến, các thiết bị cuối có thể kết nối trực tiếp đến bộ điều phối ZC.

Thiết bị cuối ZigBee

Thiết bị cuối ZigBee thường được kết nối đến mạng qua các bộ định tuyến. Thêm nữa, để có một nguồn cung cấp tin cậy, các thiết bị cuối có thể cũng sử dụng nguồn pin bởi vì nó tiêu thụ năng lượng ít. Hầu hết các thiết bị ở chế độ ngủ để bảo toàn nguồn pin và sẽ ở chế độ bình thường (thức) để thu thập và truyền dữ liệu.

Biểu đồ dưới đây minh họa một cấu trúc mạng ZigBee điển hình, cấu trúc này thường bao gồm 3 loại thiết bị. Thiết bị nối tiếp có thể kết nối đến bất kì loại thiết bị ZigBee nào để trao đổi dữ liệu theo mạng cá nhân (PAN). Một tiện ích được cung cấp bởi các hãng sản xuất thiết bị để cấu hình mạng ZigBee.

Các thiết bị ZigBee có thể cấu hình như một bộ điều phối mạng (ZC) có thể có giao diện kết nối Ethernet, sẽ cung cấp khả năng truy cập tới các thiết bị khác trên cơ sở mạng Ethernet hoặc Internet. Sơ đồ dưới đây thể hiện 2 cấu trúc giống nhau.

Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cho mạng ZigBee là kết nối lý tưởng không dây WPAN trong các ứng dụng công nghiệp. Mạng ZigBee cung cấp kết nối truyền thông không dây chi phí thấp cho các thiết bị serial, như các cảm biến, thiết bị đo, và màn hình hiển thị, để cung cấp truyền thông linh hoạt với lượng dây cáp tối ưu tối thiểu. Thêm nữa mạng ZigBee bao gồm những lợi ích:

• Mạng lưới ZigBee có thể mở rộng đến 120 nút.
• Cấu hình theo cấu trúc hình sao, cây và mạng hỗn hợp.
• Dễ dàng cài đặt và tiêu thụ ít công suất giảm tổng giá thành cho người sở hữu.