Hệ thống viễn thông là gì cho ví dụ
|
Khái niệm Viễn Thông Thuật ngữ Viễn Thông (télécommunication) được ghép từ từ communication (liên lạc) với tiền tố télé (từ xa). Edouard ESTAUNIE, người Pháp, chính là người đưa ra thuật ngữ télécommunication vào năm 1904. Thời bấy giờ từ télécommunication dùng để chỉ chung cho telegraph và telephone. Từ tiếng Anh gọi là telecommunication (không có dấu) hay người ta vẫn gọi tắt là telecom. Thuật ngữ viễn thông được dùng để chỉ tập hợp các thiết bị, các giao thức để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Các thành phần cơ bản của một hệ thống viễn thông bao gồm
Mô hình viễn thông cơ bản - Một máy phát (transmitter) ở nguồn (source). Máy phát sẽ lấy thông tin (information) và chuyển đổi nó thành tín hiệu (signal) để có thể truyền được. - Tín hiệu sẽ được truyền trên một kênh truyền (channel/medium). - Một máy thu (receiver) sẽ được đặt ở đích đến (sink) để thu nhận tín hiệu truyền từ nguồn và chuyển đổi tín hiệu ngược lại thành thông tin. Thực tế, viễn thông đã tồn tại từ rất xa xưa. Sơ khai nhất có thể kể đến việc liên lạc bằng cách đốt lửa cho bốc khói lên để báo động giặc đến. Hoặc dùng tiếng kèn, trống, chuông, ám hiệu… để báo hiệu những mối nguy hiểm đang đến gần. Tiếp theo là sự ra đời của telegraph, rồi telephone. Và ngày nay thì có vô số loại hình viễn thông khác nhau, như Internet, hệ thống điện thoại di động, satellite, Bluetooth, infrared…. Trong bất cứ hệ thống viễn thông nào kể trên, chúng ta điều có thể nhận ra các thành phần cơ bản kể trên. Nhiệm vụ của viễn thông là làm thế nào để truyền thông tin nhanh, chính xác, chất lượng cao, bảo mật tốt, và dĩ nhiên là đáp ứng nhu cầu truyền thông của con người. Do đó có thể nói ngành viễn thông bao gồm tất cả các lĩnh vực nhằm góp phần vào việc thực hiện và cải tiến quá trình truyền thông. Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông Mục đích của phần viết này là nhằm giới thiệu một cách tiếp cận các lĩnh vực khác nhau trong viễn thông dựa vào mô hình viễn thông ở hình 1. Trước tiên, cốt lõi của viễn thông là truyền thông tin. Thông tin là một phần quan trọng không thể thiếu. Thông tin trong viễn thông có nhiều dạng khác nhau, như tiếng nói, hình ảnh, video…. Mỗi thông tin có các thuộc tính khác nhau. Thông tin có thể tồn tại dưới 2 dạng: analog (tính hiệu liên tục theo thời gian hay còn gọi là tín hiệu tương tự) hoặc digital (tính hiệu số). Tín hiệu liên tục theo thời gian cũng được xử lý một cách hiệu quả theo qui trình: biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (biến đổi A/D), xử lý tín hiệu số (lọc, biến đổi, tách lấy thông tin, nén, lưu trử, truyền,...) và sau đó, nếu cần, phục hồi lại thành tín hiệu tương tự (biến đổi D/A) để phục vụ cho các mục đích cụ thể. Tất cả các xử lý thông tin như nén kích thước thông tin, chuyển đổi định dạng, giảm kích thước thông tin, watermaking, xóa nhiễu, tái chế, phục hồi, nhận dạng … được gọi chung là xử lý tín hiệu (Signal Processing). Thực chất xử lý tín hiệu là một môn cơ sở không thể thiếu được cho nhiều ngành khoa học, kỹ thuật như: điện, điện tử, tự động hóa, tin học, vật lý và viễn thông. Xứ lý tín hiệu có nội dung khá rộng dựa trên một cơ sở toán học tương đối phức tạp. Nó có nhiều ứng dụng đa dạng, trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Rất khó phân biệt rạch ròi đâu là xử lý tín hiệu trong viễn thông, đâu không phải là cho viễn thông. Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số khía cạnh của xử lý tín hiệu trong viễn thông: - Nhu cầu truyền thông tin multimedia (hình ảnh, âm thanh, video) với thời gian thực (real-time) ngày càng cao dẫn đến cần phải có các định dạng cho kích thước nhỏ và chất lượng tốt. Đó chính là một trong những nhiệm vụ của xử lý tín hiệu multimedia. - Bài toán nhận dạng: nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, chữ viết, chuẩn đoán bệnh qua telemedicine (y học từ xa thông qua Internet), xác định vị trí, tốc độ, đường đi của các vật thể liên lạc di động (mobile communicating object) , chuẩn đoán “bệnh” của một thiết bị viễn thông trong hệ thống (dựa vào các thông tin xác suất)… cũng là một dạng xử lý tín hiệu. - Trong truyền thông, thông tin thường bị nhiễu noise, echo, bị các hiệu ứng fading, đa đường, mixer (trộn lẫn thông tin từ nhiều nguồn)…. Thông tin thu được do đó cần phải được xử lý để làm giảm các hiệu ứng này. Truyền thông kỹ thuật số Trước khi truyền đi, thông tin sẽ phải được mã hóa, nén, điều chế, v.v. được minh họa bởi sơ đồ truyền thông tin ở hình 2. Tất cả các quá trình diễn ra trong dây chuyền truyền thông tin như điều chế, encoder, mã hóa, v.v. thì được gọi chung là truyền thông kỹ thuật số (digital communication). Đôi khi người ta vẫn xem truyền thông kỹ thuật số là một dạng xử lý tín hiệu. Tuy nhiên, chung tôi muốn tách biệt nó ra khỏi phần xử lý tín hiệu vì nó mang nhiều đặc thù riêng. Kỹ thuật truyền thông số đã phát triển từ gần 60 năm qua, có thể tính từ khi ra đời lý thuyết thông tin của Claude Shannon (1948). Nhưng phải đến những năm 70’s thì những hệ thống đầu tiền sử dụng lý thuyết thông tin này mới ra đời vì đến lúc đấy thì tốc độ tính tóan của phần cứng mới đủ khả năng thực hiện các thuật tóan phức tạp của lý thuyết truyền thông.
Mỗi một block trên hình 2 là một vấn đề nghiên cứu của truyền thông kỹ thuật số. Truyền thông kỹ thuật số xây dựng và phát triển các giao thức viễn thông ở lớp vật lý (physical) và lớp kết nối thông tin (data-link) (trong mô hình 7 lớp của ISO mà sẽ được giới thiệu ở phần sau của bài viết này). Cùng với sự ra đời và phát triển của nhiều công nghệ truyền thông mới, đặc biệt là các công nghệ không dây, truyền thông kỹ thuật số cũng không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu truyền thông với tốc độ nhanh và hiệu quả cao (ít lỗi). Các nghiên cứu nhằm tìm ra hoặc cải tiến các quá trình mã hóa, điều chế, các mã hóa sữa sai phối hợp phức tạp, các cách thức “access” vào kênh truyền có chọn lọc, các kỹ thuật trãi phổ mới vẫn đang tiếp diễn. Khuynh hướng thiết kế dây chuyền truyền thông có khả năng tự thích ứng (adaptive), có khả năng nhận thức (cognitive), có thể tự cấu hình (reconfigurable) để có thể truyền thông tin trên nhiều mạng truy cập khác nhau hay còn gọi là software defined radio (SDR) vẫn đang được tập trung nghiên cứu phát triển. Các kỹ thuật mới này đòi hỏi các thành phần RF (radio frequency) hoặc các bộ vi xử lý số (digital processor), bộ nhớ (memory) phải ngày càng cung cấp nhiều tính năng hơn với giá thành thấp hơn và năng lượng tiêu thụ thấp. Truyền sóng điện từ/vô tuyến và điện tử RF Thông tin sau khi được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự sẽ được truyền đi giữa máy phát và máy thu thông qua một môi trường hoặc dây dẫn (sóng điện từ) hoặc môi trường không dây dẫn (sóng vô tuyến). Trong viễn thông không dây, ngày này mọi người đều nói đến việc kết hợp nhiều angten để thu và phát sóng (MIMO) hoặc sử dụng angten thông minh (smart antenna) để tăng hiệu quả truyền sóng. Bên cạnh đó, những có gắng nhằm biến khả năng sử dụng đường dây tải điện kiêm đường dây tải thông tin cũng được tiếp tục nghiên cứu. Ví dụ mô hình đơn giản của máy thu kỹ thuật số Để truyền sóng thông tin, chúng ta cần phải có máy phát và máy thu. Hình 3 là ví dụ của một máy thu bao gồm angten, các bộ lọc, bộ trộn (mixer), các chuyển đổi A/D hoặc ngược lại D/A… Khía cạnh này của viễn thông gắn liền với lĩnh vực điện tử (vi mạch xử lý, FPGA, ASIC…) Mạng viễn thông
Một ví dụ đơn giản về mạng đó là mạng ad hoc như ở hình 4. Trong mạng này, bất kỳ 2 thực thể nào cũng có thể liên lạc với nhau hoặc trực tiếp, hoặc thông qua các thực thể trung gian khác. Một ví dụ phức tạp hơn là thực thể A kết từ PDA tới AP wifi bằng không dây. AP wifi lại nối kết phía sau modem ADSL đến SDLAM (cáp ADSL). DSLAM sẽ nối kết vào mạng lõi. Ở đâu bên kia, thực thể đối thoại B nối kết vào mạng lõi thông qua mạng di động UMTS chẳng hạn. Mô hình mạng vừa miêu tả ở trên được thể hiện ở hình 5 dưới đây. Hình 5: Kiến trúc mạng viễn thông Nhìn về kiến trúc mạng, ta có thể dễ dàng phân biệt 2 mạng: mạng truy cập (access network) và mạng lõi (core network/ transport network). Sự phân chia này khá rõ ràng trong mô hình mạng tế bào. - Mạng lõi/trục: Khuynh hướng phát triển của mạng lõi sẽ là mạng IP (IP-based core) để cho phép nối kết nhiều công nghệ mạng truy cập khác nhau lại với nhau dễ dàng và bởi vì thông tin trong tương lai sẽ hoàn toàn ở dạng gói. Sửa chữa camera quan sát tại nhà phạm vi tphcm. Vấn đề của mạng lõi là làm thể nào để chuyển gói thông tin thật nhanh (hàng trăm Gbps trở lên). Ý tưởng chủ đạo để thực hiện điều đó là cắt gói thông tin thành từng gói nhỏ (giống trong ATM), hoặc thực hiện routing ở mức độ thấp hơn IP chẳng hạn dựa vào label như trong MPLS, hoặc VCI/VPI trong ATM, hoặc Ethernet. Bên cạnh người ta cũng đưa khái niệm chất lượng dịch vụ (Quality of Service) vào trong mạng lõi (DiffServ, Intserv, RSVP…). Một ví dụ về mạng lõi hội tụ các mạng ATM, Ethernet, Voice, Frame Relay, IP nhờ vào MPLS được thể hiện ở hình 6. Lớp vật lý trong mạng lõi sử dụng các kỹ thuật truyền cáp quang như SDH, SONET, WDM để có thể vận chuyển thông tin với tốc độ cao. Nguồn: Điện Máy Tân Bình |
