Bài giảng Truyền dữ liệu - Chương 4: Môi trường truyền dẫn

CHƯƠNG 4 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN 
TRUYỀN DỮ LIỆU 
Khoa Mạng máy tính và Truyền thông 
Trường Đại học Công nghệ Thông tin 
Nội dung 
Các môi trường truyền dẫn 
Đường truyền hữu tuyến 
Đường truyền vô tuyến 
Anten vô tuyến 
Lan truyền vô tuyến 
Suy hao trong không gian 
Các môi trường truyền dẫn 
Hữu tuyến (guided media – wire) 
Cáp đồng 
Cáp quang 
Vô tuyến (unguided media – wireless) 
Vệ tinh 
Hệ thống sóng radio: troposcatter, microwave, ... 
Đặc tính và chất lượng được xác định bởi môi trường và tín hiệu 
Đối với hữu tuyến, môi trường ảnh hưởng lớn hơn 
Đối với vô tuyến, băng thông tạo ra bởi anten ảnh hưởng lớn hơn 
Yếu tố ảnh hưởng trong việc thiết kế: tốc độ dữ liệu và khoảng cách 
Những thành phần cần quan tâm khi thiết kế mạng truyền dữ liệu 
Băng thông 
Băng thông cao thì tốc độ dữ liệu cao 
Suy yếu truyền dẫn 
Nhiễu (nhiễu nhiệt, nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh, nhiễu xung) 
Số lượng thiết bị nhận (receiver) 
Môi trường hữu tuyến 
Càng nhiều thiết bị nhận, tín hiệu truyền càng mau suy giảm 
Các tần số trên môi trường truyền dẫn 
Đường truyền hữu tuyến 
Cáp xoắn cặp 
Cáp đồng trục 
Cáp quang 
Các đặc tính của đường truyền hữu tuyến 
Frequency Range 
Typical Attenuation 
Typical Delay 
Repeater Spacing 
Twisted pair (with loading) 
0 to 3.5 kHz 
0.2 dB/km @ 1 kHz 
50 µs/km 
2 km 
Twisted pairs (multi-pair cables) 
0 to 1 MHz 
0.7 dB/km @ 1 kHz 
5 µs/km 
2 km 
Coaxial cable 
0 to 500 MHz 
7 dB/km @ 10 MHz 
4 µs/km 
1 to 9 km 
Optical fiber 
186 to 370 THz 
0.2 to 0.5 dB/km 
5 µs/km 
40 km 
Cáp đồng soắn cặp: twisted-pair 
Tách rời 
Xoắn lại với nhau 
Thường được bó lại 
Insulating 
outer cover 
Multi core 
Insulating 
outer cover 
Protective screen (shield) 
Khử nhiễu với dây soắn cặp 
Ứng dụng cáp soắn cặp 
Môi trường truyền dẫn thông dụng nhất 
Mạng điện thoại 
Giữa các thuê bao và hộp cáp (subscriber loop) 
Kết nối các tòa nhà 
Tổng đài nội bộ (Private Branch eXchange – PBX) 
Mạng cục bộ (LAN) 
10Mbps hoặc 100Mbps 
Tầm ngắn 
Ưu – nhược điểm của cáp soắn cặp 
Rẻ 
Dễ dàng khi thao tác làm việc 
Tốc độ dữ liệu thấp 
Tầm ngắn 
Đặc tính truyền dẫn của cáp soắn cặp 
Analog 
Cần bộ khuếch đại mỗi 5km tới 6km 
Digital 
Dùng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số 
Cần bộ lặp (repeater) mỗi 2km hoặc 3km 
Khoảng cách giới hạn 
Băng thông giới hạn (1MHz) 
Tốc độ dữ liệu giới hạn (100MHz) 
Dễ bị nhiễu và tác động của môi trường ngoài 
Nhiễu xuyên kênh đầu cuối 
Nhiễu tín hiệu từ một đôi dây này với đôi dây khác 
Nhiễu xuyên kênh xuất hiện khi tín hiệu được truyền lên đường dây nhiễu trở lại cặp dây nhận tín hiệu 
Ví dụ: tín hiệu vừa truyền ảnh hưởng đến cặp dây nhận tín hiệu 
Cáp đồng có bọc và không bọc giáp 
Không vỏ bọc giáp – Unshielded Twisted Pair (UTP) 
Dây ĐT bình thường 
Rẻ nhất 
Dễ lắp đặt 
Dễ bị nhiễu trường điện từ bên ngoài 
Vỏ bọc giáp – Shielded Twisted Pair (STP) 
Vỏ giáp bện giúp giảm nhiễu và tác động bên ngoài 
Đắt hơn 
Khó lắp đặt (cứng, nặng) 
Unshielded Twisted-Pair 
Cáp không vỏ bọc giáp (UTP) 
UTP Cat 3 
Lên đến 16MHz 
Được dùng trong liên lạc thoại ở hầu hết các văn phòng 
Chiều dài xoắn (twist length): 7.5cm tới 10cm 
UTP Cat 4 
Lên đến 20 MHz 
UTP Cat 5 
Lên đến 100MHz 
Được dùng phổ biến hiện nay trong các văn phòng 
Chiều dài xoắn: 0.6cm đến 0.85cm 
Thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 100.106 bits/second 
Shielded Twisted-Pair 
So sánh cáp có bọc và không bọc 
Cáp đồng trục (Coaxial Cable) 
Cáp đồng trục (Coaxial Cable) 
Ứng dụng cáp đồng trục 
Môi trường truyền linh hoạt nhất 
Cáp truyền hình (dây anten và truyền hình cáp) 
Truyền dẫn ĐT khoảng cách xa 
FDM 
Có thể mang đồng thời 10.000 cuộc gọi 
Sẽ bị thay thế bởi cáp quang 
Kết nối các thiết bị khoảng cách gần 
Mạng cục bộ 
Đặc tính truyền dẫn của cáp đồng trục 
Analog 
Cần bộ khuyếch đại mỗi vài km 
Khoảng cách càng ngắn nếu tần số càng cao 
Lên đến 500MHz 
Digital 
Cần bộ lặp (repeater) mỗi km 
Khoảng cách càng ngắn nếu tốc độ dữ liệu càng tăng 
Cáp quang 
Cáp quang 
Cáp quang: lợi ích 
Dung lượng cao 
Tốc độ dữ liệu hàng trăm Gbps (so với 100Mbps trên 1km coaxial cable và thấp hơn của twisted-pair cable) 
Kích thước và trọng lượng nhỏ 
Độ suy hao của tín hiệu trên đường truyền thấp. 
Cách ly trường điện từ (Ít bị ảnh hưởng của nhiễu và môi trường xung quanh) 
Khoảng cách giữa các bộ lặp xa 
Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền vào khoảng 10 -9 10 -12 
Cáp quang: ứng dụng 
Phạm vi triển khai rất đa dạng: LAN (vài km), WAN (hàng chục km). 
Môi trường truyền thích hợp để triển khai các ứng dụng mạng số đa dịch vụ tích hợp băng rộng (Broadband Integrated Services Digital Networks) 
Đường trung kế khoảng cách xa 
Trung kế đô thị 
Trung kế tổng đài nông thôn 
Thuê bao 
Cáp quang: đặc tính truyền dẫn 
Sóng lan truyền có hướng 10 14 đến 10 15 Hz 
Một phần phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy được 
Light Emitting Diode (LED) 
Rẻ 
Tầm nhiệt độ hoạt động rộng 
Tuổi thọ cao 
Injection Laser Diode (ILD) 
Hiệu quả hơn 
Tốc độ dữ liệu cao hơn 
Wavelength Division Multiplexing 
Tính năng của nguồn phát sáng 
Nguồn sáng 
LED/ 
ILD 
LED/ 
ILD 
ILD 
Băng thông 
20MHz/km 
1GHz/km 
Lên đến 1000GHz/km 
Ứng dụng 
LAN, computer data links 
Mod length phone lines 
Long haul telecom. lines 
Đường kính lõi (µm) 
> 80 
50 – 60 
1.5 – 5 
Độ suy giảm t/h (dB/km) 
0.5 – 2.0 
0.5 – 2.0 
0.15 
Cáp quang: chế độ truyền tải 
multimode: several paths/time delays 
narrow: 1 wavelength no time delays 
Sử dụng tần số với cáp quang 
Wavelength (in vacuum) range (nm) 
Frequency range (THz) 
Band label 
Fiber type 
Application 
820 to 900 
366 to 333 
Multimode 
LAN 
1280 to 1350 
234 to 222 
S 
Single mode 
Various 
1528 to 1561 
196 to 192 
C 
Single mode 
WDM 
1561 to 1620 
185 to 192 
L 
Single mode 
WDM 
Cáp quang 
Optical Dielectric SLT Cable, 72-Fiber, Composite (24 SM/48MM) 
Đường truyền vô tuyến 
Truyền và nhận bởi sóng vô tuyến trong không gian thông qua anten 
Có hướng 
Chùm định hướng (focused beam) 
Đòi hỏi sự canh chỉnh hướng cẩn thận 
Vô hướng 
Tín hiệu lan truyền theo mọi hướng 
Có thể được nhận bởi nhiều anten 
Các tần số vô tuyến 
2GHz đến 40GHz 
Sóng viba (microwave) 
Định hướng cao 
Điểm-điểm 
Vệ tinh 
30MHz đến 1GHz 
Vô hướng 
radio 
3 x 10 11 đến 2 x 10 14 
Hồng ngoại 
Cục bộ 
Đường truyền vô tuyến 
Khắc phục những khó khăn về địa lý khi triển khai hệ thống 
Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền thay đổi tùy theo hệ thống được triển khai. Ví dụ: Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền của vệ tinh ~ 10 -10 
Tốc độ truyền thông tin đạt được thay đổi, từ vài Mbps đến hàng trăm Mbps 
Phạm vi triển khai đa dạng: LAN (vài km), WAN (hàng chục km) 
Chi phí để triển khai hệ thống ban đầu rất cao 
Các băng tần vô tuyến 
Anten vô tuyến 
Các thiết bị (hoặc hệ thống) điện tử trường được sử dụng để bức xạ năng lượng điện từ hoặc thu nhận năng lượng điện từ 
Anten truyền 
Có năng lượng điện với tần số vô tuyến từ máy phát 
Chuyển thành năng lượng sóng điện từ 
Sử dụng Anten để bức xạ vào môi trường xung quanh 
Anten nhận 
Nhận 
Năng lượng sóng điện từ tác động vào Anten 
Chuyển thành năng lượng điện có tần số vô tuyến 
Chuyển tới máy thu 
Có thể dùng cùng một loại Anten cho việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến 
Truyền sóng vô tuyến (Radio Frequency RF) 
Sóng điện từ lan truyền trong không gian được sinh ra bởi điện từ trường. 
Ví dụ về Anten 
Thu phát sóng 
Sự bức xạ 
Năng lượng được bức xạ trên các hướng 
Không đồng nhất trên các hướng 
Anten đẳng hướng (theo lý thuyết) là một điểm trong không gian 
Bức xạ trên các hướng giống nhau 
Cho ra bức xạ hình cầu 
Anten đẳng hướng 
Anten Parabol 
Sử dụng trong truyền sóng vi ba và sóng vệ tinh 
Hình parabole là quỹ tích các điểm cách đều một đường thẳng và một điểm không nằm trên đường thẳng đó 
Nếu nguồn đặt tại điểm hội tụ sẽ sinh ra các sóng phản xạ lên bề mặt của anten song song với trục 
Nếu thiết bị thu đặt tại điểm hội tụ sẽ nhận được các sóng phản xạ 
Phản xạ của Anten parabolic 
Anten Parabol 
Độ lợi Anten 
Đánh giá tính định hướng của Anten 
Đánh giá bằng so sánh giữa năng lượng thụ được trên 1 hướng nhất định với một Anten đẳng hướng 
Đánh giá bằng Decibel (dB) 
Sự định hướng sẽ gây ra sự mất mát năng lượng trên các hướng khác 
Khu vực có lợi ảnh hưởng bởi kích thước và kiểu dáng Anten (tác động đến độ lợi) 
Sóng viba mặt đất 
Chảo parabol 
Chùm sóng định hướng theo đường ngắm (line of sight) 
Viễn thông khoảng cách xa 
Thay thế cho cáp đồng trục (cần ít bộ amp/repeater, nhưng phải nằm trên đường thẳng) 
Tần số càng cao thì tốc độ dữ liệu càng cao 
Truyền sóng vô tuyến qua vệ tinh 
Vệ tinh là trạm trung chuyển tín hiệu vô tuyến 
Vệ tinh nhận trên một tần số, khuyếch đại (lặp lại tín hiệu) và phát trên một tần số khác 
Cần quĩ đạo địa tĩnh 
Cao 35.784 km 
Ứng dụng vệ tinh: 
Truyền hình 
Điện thoại đường dài 
Mạng riêng 
Truyền vệ tinh điểm với điểm 
Truyền vệ tinh đa điểm 
Sóng radio 
Vô hướng, 30MHz – 1GHz 
Sóng FM 
Truyền hình UHF và VHF 
Truyền theo đường thẳng (line of sight) 
Bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa kênh 
Phản xạ 
Sóng hồng ngoại 
Điều chế bằng không liên kết ánh sáng hồng ngoại 
Truyền theo đường thẳng (hoặc phản xạ) 
Cản bởi các bức tường 
Bộ điều khiển TV từ xa, cổng điều khiển bằng hồng ngoại (IRD port) 
Lan truyền sóng vô tuyến 
Tín hiệu lan truyền theo 3 đường 
Sóng mặt đất 
Lan truyền d ọc theo bề mặt trái đất 
Có tần số nhỏ hơn 2MHz 
AM radio 
Sóng bầu trời 
Sóng Radio nghiệp dư và dịch vụ toàn cầu 
Tín hiệu phản xạ từ tầng điện ly xuống bề mặt trái đất và ngược lại 
Đường thẳng 
Khoảng trên 30MHz 
Tín hiệu xuyên thẳng qua tầng điện ly và có phản xạ rất ít 
Lan truyền sóng mặt đất 
Earth 
Signalpropagation 
Transmitantenna 
Receiveantenna 
Ground-wave propagation (below 2MHz) 
Lan truyền sóng bầu trời 
Earth 
Sky-wave propagation (2MHz to 30MHz) 
Receiveantenna 
Transmitantenna 
ionosphere 
Signal propagation 
Sự phản xạ của sóng vô tuyến 
Sóng vô tuyến phản xạ 
Sóng vô tuyến đến 
Lan truyền đường thẳng 
Earth 
Line-of-sight (LOS) propagation (above 30MHz) 
Receiveantenna 
Transmitantenna 
Signal propagation 
Lan truyền đường thẳng và đường chân trời 
Antenna 
Radio horizon 
Các loại sóng lan truyền 
LF 
MF 
HF 
UHF 
VHF 
Khúc xạ sóng điện từ 
Vận tốc sóng điện từ là hàm số của mật độ vật liệu 
~3 x 10 8 m/s truyền trong chân không, thấp hơn khi truyền trong các môi trường khác 
Tốc độ của sóng điện từ sẽ thay đổi khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác 
Hướng truyền của sóng sẽ bị bẻ cong tại biên 
Truyền từ môi trường mật độ thấp sang môi trường mật độ cao, sóng bị bẻ cong về phía môi trường môi trường có mật độ cao 
Sự khúc xạ 
Sóng vô tuyến phản xạ 
Sóng vô tuyến đến 
Sóng vô tuyến khúc xạ 
Khúc xạ tín hiệu vô tuyến 
Chỉ số khúc xạ 
Sin(góc tới)/sin(góc khúc xạ) 
Thay đổi theo chiều dài sóng 
Gây ra sự thay đổi hướng đột ngột khi chuyển tiếp giữa các môi trường 
Gây ra sự bẻ cong từ từ nếu mật độ môi trường truyền thay đổi 
Mật độ khí quyển giảm theo độ cao 
Khiến tín hiệu radio bị bẻ cong về phía trái đất 
Truyền sóng vô tuyến theo đường thẳng 
Free space loss 
Tín hiệu phân tán theo khoảng cách 
Càng lớn khi tần số càng thấp (do chiều dài sóng dài hơn) 
S óng vô tuyến bị h ấp thụ bởi khí quyển 
Hơi nước và oxy hấp thu tín hiệu sóng vô tuyến 
Hơi nước hấp thụ mạnh sóng vô tuyến tần số 22GHz, sóng vô tuyến dưới 15GHz ít bị hấp thụ 
Oxy hấp thụ mạnh sóng vô tuyến tần số 60GHz, sóng vô tuyến dưới 30GHz ít bị hấp thụ 
Mưa và sương mù làm suy hao sóng vô tuyến 
Truyền đa đường 
Đa đường (Multipath) 
Tín hiệu thu được tốt nhất là truyền theo đường thẳng khi có thể 
Tín hiệu có thể bị phản xạ, khiến thiết bị thu có thể nhận được nhiều tín hiệu từ một nguồn 
Có trường hợp không có tín hiệu trực tiếp nào cả 
Trong các trường hợp anten cố định, có thể tăng công suất tín hiệu trực tiếp và loại bỏ các tín hiệu phản xạ 
Khúc xạ 
Có thể khiến thiết bị thu mất toàn bộ hoặc nhận được chỉ một phần tín hiệu 
Suy hao trong không gian (Free Space Loss) 
P transmitted : Công suất phát 
P received : Công suấ t thu 
G t : Độ lợi của anten phát 
G r : Độ lợi của anten thu 
d : Khoảng cách giữa máy phát và máy thu (m) 
 : chiều dài bước sóng (m) 
Suy hao trong không gian(Free Space Loss) 
Truyền đa đường 
Tài liệu tham khảo 
William Stallings (2010), Data and Computer Communications (9th Edition), Prentice Hall 
HẾT CHƯƠNG 4