Bài giảng Truyền số liệu và mạng: Môi trường truyền dẫn và tầng PHY - HCMUT

Tổng hợp kiến thức truyền số liệu và mạng máy tính chương 1 về môi trường truyền dẫn và tầng vật lý. Khái quát đặc tính kỹ thuật cùng chuẩn truyền tín hiệu.

• Tác giả: Võ Quế Sơn
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Transmission Media and PHY Layer
• Loại tài liệu: Bài giảng
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về transmission media and phy layer trong mạng

Tầng vật lý (PHY layer) là lớp thấp nhất trong mô hình mạng máy tính. Lớp này tiếp nhận các khung dữ liệu từ tầng liên kết dữ liệu. Sau đó, tầng vật lý chuyển đổi dòng bit nhị phân thành tín hiệu vật lý tương ứng. Quá trình này giúp dữ liệu di chuyển an toàn qua môi trường truyền dẫn (transmission media). Môi trường truyền dẫn đóng vai trò kênh kết nối trực tiếp giữa máy gửi và máy nhận. Hệ thống phân chia môi trường truyền dẫn thành hai nhóm chính: có hướng (guided media) và không có hướng (unguided media). Phương tiện có hướng sử dụng dây dẫn vật lý như cáp đồng hoặc cáp sợi quang. Phương tiện không có hướng sử dụng sóng điện từ lan truyền tự do trong không gian hoặc khí quyển. Tầng vật lý xác định rõ quy chuẩn kỹ thuật cho đầu nối, mức điện áp và sơ đồ mã hóa đường truyền. Hiệu năng của toàn bộ hệ thống mạng phụ thuộc trực tiếp vào đặc tính vật lý của kênh truyền. Việc nắm vững cấu trúc tầng vật lý giúp kỹ sư thiết kế hạ tầng mạng bền vững và tối ưu.

1.1. Phân loại các môi trường truyền dẫn có hướng

Môi trường truyền dẫn có hướng bao gồm cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang. Cáp đôi dây xoắn (Twisted-Pair) gồm hai loại chính là UTP và STP. Các cặp dây đồng xoắn chặt vào nhau để khử hiện tượng nhiễu xuyên âm và can nhiễu điện từ. Cáp đồng trục sở hữu lớp vỏ bọc kim loại bảo vệ, phù hợp cho truyền hình cáp hoặc mạng cục bộ đời cũ. Cáp sợi quang là bước đột phá lớn trong công nghệ viễn thông hiện đại. Cáp quang truyền tải dữ liệu bằng các xung ánh sáng qua lõi thủy tinh tinh khiết. Môi trường này mang lại băng thông cực lớn và hoàn toàn miễn nhiễm với nhiễu sóng điện từ bên ngoài.

1.2. Khái niệm và chức năng cốt lõi của tầng vật lý

Tầng vật lý thiết lập các đặc tính cơ học, điện từ, chức năng và thủ tục cho kênh truyền. Đặc tính cơ học xác định hình dạng và số chân của các cổng kết nối vật lý. Đặc tính điện từ quy định mức điện áp đại diện cho bit 0 và bit 1. Đặc tính chức năng mô tả ý nghĩa của từng chân tín hiệu trên cổng giao tiếp. Đặc tính thủ tục quy định trình tự các bước trao đổi tín hiệu giữa hai đầu thiết bị. Tầng vật lý trực tiếp đồng bộ hóa xung nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu. Cơ chế này đảm bảo máy nhận trích xuất chính xác các bit dữ liệu mà không bị lệch thời gian.

II. Phân tích thách thức suy hao và nhiễu trong truyền dẫn

Tín hiệu truyền qua môi trường vật lý luôn chịu ảnh hưởng của các hiện tượng suy thoái chất lượng. Ba nguyên nhân chính gây lỗi tín hiệu là suy hao (attenuation), méo dạng (distortion) và nhiễu (noise). Suy hao làm giảm biên độ tín hiệu theo hàm số mũ khi khoảng cách truyền tải tăng dần. Để khắc phục suy hao, hệ thống cần bổ sung các bộ khuếch đại hoặc bộ lặp tín hiệu trên đường truyền. Méo dạng xảy ra khi các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau. Hiện tượng này làm thay đổi hình dạng sóng ban đầu tại đầu thu. Nhiễu nhiệt và nhiễu xung xuất hiện ngẫu nhiên từ môi trường ngoài, gây biến dạng bit truyền. Nhiễu xuyên âm (crosstalk) giữa các cặp dây đặt cạnh nhau cũng làm tăng tỷ lệ lỗi bit (BER). Ngoài ra, cáp quang còn đối mặt với hiện tượng tán sắc (dispersion), gây giãn rộng xung ánh sáng và giới hạn tốc độ truyền dữ liệu.

2.1. Tác động của nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm

Nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu tần số vô tuyến (RFI) bắt nguồn từ động cơ điện hoặc sóng vô tuyến môi trường. Các nguồn nhiễu này gây ra các xung điện áp bất thường trên dây dẫn kim loại. Hiện tượng nhiễu xuyên âm xảy ra do hiện tượng cảm ứng điện từ giữa các dây dẫn song song kề nhau. Tín hiệu trên dây này rò rỉ và làm sai lệch tín hiệu trên dây khác. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các hệ thống cáp UTP mật độ cao. Các nhà sản xuất giải quyết bài toán này bằng cách tăng số vòng xoắn trên mỗi mét dây hoặc bổ sung lớp lưới kim loại bảo vệ STP.

2.2. Hiện tượng suy hao tín hiệu và tán sắc cáp quang

Suy hao quang xuất phát từ hiện tượng hấp thụ vật liệu và tán xạ ánh sáng Rayleigh trong lõi sợi thủy tinh. Quá trình sản xuất tạo ra những điểm không hoàn hảo vi mô, khiến ánh sáng bị lệch hướng. Tán sắc sợi quang bao gồm tán sắc mode trong sợi đa mode (multimode) và tán sắc sắc ký trong sợi đơn mode (single-mode). Trong sợi multimode, các tia sáng đi theo nhiều góc phản xạ khác nhau nên đến đích không cùng thời điểm. Hiện tượng này làm nhòe các xung ánh sáng liên tiếp, gây ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Do đó, sợi đa mode chỉ phù hợp cho mạng cự ly ngắn dưới hai kilomet.

III. Giải pháp tối ưu đường truyền và chuẩn giao tiếp vật lý

Để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, các kỹ sư phát triển nhiều giải pháp kỹ thuật ở tầng vật lý. Mã hóa đường truyền (line coding) chuyển đổi dòng bit thành các dạng sóng tín hiệu phù hợp. Kỹ thuật này giúp khôi phục xung nhịp, loại bỏ thành phần một chiều (DC) và phát hiện lỗi sớm. Một số phương pháp mã hóa thông dụng bao gồm NRZ, Manchester, Differential Manchester và 4B/5B. Đối với truyền dẫn không dây, các kỹ thuật điều chế số như ASK, FSK, PSK và QAM giúp tải dữ liệu lên sóng mang cao tần. Các chuẩn giao tiếp vật lý công nghiệp như RS-232, RS-422 và RS-485 thiết lập quy cách truyền dữ liệu nối tiếp tin cậy. Chuẩn RS-232 dùng tín hiệu không cân bằng cho khoảng cách ngắn. Chuẩn RS-422 và RS-485 sử dụng đường truyền vi sai cân bằng, triệt tiêu nhiễu đồng pha và mở rộng khoảng cách truyền lên đến 1200 mét.

3.1. Kỹ thuật mã hóa đường truyền và điều chế tín hiệu

Mã hóa đường truyền tối ưu hóa phổ tần số của tín hiệu để tương thích với băng thông kênh truyền. Mã Manchester tạo ra sự chuyển mức điện áp ở giữa mỗi chu kỳ bit. Cơ chế này tự cung cấp xung nhịp đồng bộ cho bộ thu mà không cần đường xung nhịp riêng. Trong mạng không dây, kỹ thuật điều chế số điều chỉnh biên độ, tần số hoặc pha của sóng mang. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) chia kênh truyền thành nhiều sóng mang con băng hẹp. Phương pháp này chống lại hiện tượng fading đa đường và nâng cao hiệu suất phổ tần số trên các kết nối vô tuyến hiện đại.

3.2. Tiêu chuẩn giao diện vật lý RS 232 RS 422 và RS 485

Giao diện RS-232 là chuẩn truyền thông nối tiếp điểm-điểm kinh điển với mức logic điện áp từ âm 15V đến dương 15V. Chuẩn này giới hạn tốc độ ở mức 20Kbps và khoảng cách truyền dưới 15 mét do dễ bị nhiễu đất. Để khắc phục, chuẩn RS-422 áp dụng truyền dẫn vi sai hai dây cho mỗi chiều tín hiệu. Kỹ thuật vi sai đo độ chênh lệch điện áp thay vì so sánh với đất chung. Chuẩn RS-485 nâng cấp từ RS-422, hỗ trợ cấu hình đa điểm (multi-drop) với tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus. RS-485 trở thành xương sống trong mạng tự động hóa công nghiệp nhờ khả năng chống nhiễu vượt trội.

IV. Ứng dụng thực tế và xu hướng phát triển tầng vật lý mạng

Môi trường truyền dẫn và tầng vật lý đóng vai trò nền móng cho toàn bộ mạng thông tin toàn cầu. Trong mạng doanh nghiệp, cáp xoắn đôi Cat6 và Cat6a đáp ứng tốc độ 10Gbps cho các kết nối nội bộ. Cáp quang Single-Mode thống trị hạ tầng mạng trục viễn thông quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên lục địa. Công nghệ truyền dẫn không dây như Terrestrial Microwave và vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) kết nối các khu vực vùng sâu vùng xa. Tầng vật lý tiếp tục tiến hóa để đáp ứng nhu cầu băng thông khổng lồ từ điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo. Xu hướng tích hợp quang học đồng đóng gói (Co-Packaged Optics) giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ trong các trung tâm dữ liệu. Lựa chọn đúng môi trường truyền dẫn và chuẩn vật lý là yếu tố quyết định hiệu quả đầu tư và độ ổn định của hệ thống mạng.

4.1. Lựa chọn cáp mạng trong trung tâm dữ liệu và viễn thông

Trung tâm dữ liệu hiện đại kết hợp linh hoạt giữa cáp đồng và cáp quang. Cáp đồng gắn trực tiếp (DAC) được sử dụng cho các kết nối ngắn giữa các máy chủ trong cùng một tủ rack. Giải pháp này tiết kiệm chi phí và giảm độ trễ xử lý. Cáp quang đa mode OM4 và OM5 phục vụ liên kết giữa các tủ rack ở khoảng cách dưới 100 mét với các đầu nối MPO mật độ cao. Các tuyến kết nối liên tòa nhà hoặc kết nối mạng diện rộng (WAN) luôn ưu tiên cáp sợi quang đơn mode. Cáp quang đơn mode kết hợp nguồn phát laser bước sóng 1310nm hoặc 1550nm mang lại cự ly truyền dẫn hàng chục kilomet mà không cần trạm lặp.

4.2. Xu hướng công nghệ truyền dẫn không dây thế hệ mới

Truyền dẫn không dây đang mở rộng sang các dải tần số cao hơn như sóng milimet (mmWave) và sóng terahertz. Công nghệ 5G và 6G tận dụng các chùm sóng định hướng để tăng dung lượng truyền tải dữ liệu. Mạng vệ tinh LEO cung cấp đường truyền vệ tinh độ trễ thấp trên toàn cầu. Các trạm mặt đất sử dụng ăng-ten mảng pha để theo dõi vệ tinh liên tục. Bên cạnh đó, công nghệ truyền thông bằng ánh sáng khả kiến (Li-Fi) mở ra hướng đi mới cho môi trường trong nhà an toàn và không bị can nhiễu tần số vô tuyến. Những tiến bộ này củng cố vai trò sống còn của tầng vật lý trong thời đại số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Data Communication and Networking Dr. Vo Que Son Email: sonvq@hcmut. DCN 1 Faculty of EEE HCMUT Content Chapter 1: Transmission Media and PHY Layer Wired and Wireless Media Physical layer standards: RS232, RS422, RS485 Line Coding Digital modulation/demodulation Channel parameters Gaussian noise and BER Chapter 2: Data Communication Asynchronous data transmission Synchronous data transmission Channel Coding Data Compression Telecomm. DCN 2 Faculty of EEE HCMUT Wired Media  Guided Media  How can signal be transmitted in wired media (cables)?  Voltage is sometimes referred to as electromotive Force within a atom force (EMF).

 EMF is related to an electrical force, or pressure, that occurs when electrons and protons are separated neutron Static Electricity proton Electrostatic discharge Telecomm. DCN 3 Faculty of EEE HCMUT Waves Sine Wave Square Wave • Repeat the same pattern at • Repeat the same pattern at regular regular intervals intervals. • Continuous voltage •do not continuously voltage. • occur naturally and change • Repeat the flat pattern on both the regularly over time top and bottom of the wave Telecomm.

DCN 4 Faculty of EEE HCMUT Two-wire open lines Used in short distance communication with low data rates Simple structure Data rate < 19Kbps, max distance L<50m Sensitive with Crosstalk Sensitive with EMI Telecomm. DCN 5 Faculty of EEE HCMUT Twisted-Pair Cable Used in LAN and Telephone networks Data or voice transmission UTP, STP, ScTP Reduce more EMI than two-wire open lines? Reduce Crosstalk? Introduce Skew: delay in video transmission Telecomm. DCN 6 Faculty of EEE HCMUT Noise cancellation Telecomm. DCN 7 Faculty of EEE HCMUT UTP - Unshield Twisted Pair  Intrinsic Impedance: 100 Ohm  BW: depending on CAT  Speed: 10,100, 1000 Mbps depending on cable quality/category  Average $ per node: less expensive  Maximum cable length: 100m  Media and connector size: small Telecomm.

DCN 8 Faculty of EEE HCMUT STP - Shield Twisted Pair Intrinsic Impedance: usually 150 Ohm Speed: 10,100 Mbps depending on cable quality/category Average $ per node: moderately expensive Maximum cable length: 100m Media and connector size: medium to large Telecomm. DCN 9 Faculty of EEE HCMUT ScTP - Screen Twisted Pair Intrinsic Impedance: usually 100 Ohm Speed: 10,100, 1000 Mbps depending on cable quality/category Average $ per node: less expensive Maximum cable length: 100m Media and connector size: small Telecomm. DCN 10 Faculty of EEE HCMUT Most of common cables Name Type Bandwidth Applications Level 1 0.4 MHz Telephone and modem lines Level 2 4 MHz Older terminal systems, e. IBM 3270 Cat3 UTP 16 MHz 10BASE-T and 100BASE-T4 Ethernet Cat4 UTP 20 MHz 16 Mbit/s Token Ring Cat5 UTP 100 MHz 100BASE-TX & 1000BASE-T Ethernet Cat5e UTP 100 MHz 100BASE-TX & 1000BASE-T Ethernet Cat6 UTP 250 MHz 10GBASE-T Ethernet Cat6a 500 MHz 10GBASE-T Ethernet Telephone, CCTV, 1000BASE-TX in the Class F S/FTP 600 MHz same cable.

Telephone, CATV, 1000BASE-TX in the same Class Fa 1000 MHz cable. DCN 11 Faculty of EEE HCMUT Cable and connectors Telecomm. DCN 12 Faculty of EEE HCMUT Cabling Types  Switch to router  Switch to PC or server  Hub to PC or server  Switch to switch  Switch to hub  Hub to hub  Router to router  PC to PC  Router to PC Telecomm. DCN 13 Faculty of EEE HCMUT Co-axial Cable Speed: 10-100 Mbps Average $ per node: inexpensive Media and connector size: medium Max cable length: 500m Telecomm.

DCN 14 Faculty of EEE HCMUT Co-axial Cable (1)  Applications: Computer Networks, Data Systems, CATV, Private Video Networks  RG-6/RG-59: 75 Ohm, CATV  RG-8/ RG-58: 50 Ohm, Thick and Think Ethernet LANs  RG-62: 93 Ohm, used in IBM Mainframe EMI prevention Many kinds of intrinsic impedances: co-axial cables can be used in specific systems Telecomm. DCN 15 Faculty of EEE HCMUT Optical fiber The light used in optical fiber networks is one type of electromagnetic energy. The wavelength of an electromagnetic wave is determined by how frequently the electric charge that generates the wave moves back and forth Telecomm. DCN 16 Faculty of EEE HCMUT Reflection and Refraction  Electromagnetic waves pointing out from the source are called rays  When a ray of light (the incident ray) strikes the shiny surface of a flat piece of glass, some of the light energy in the ray is reflected Telecomm.

DCN 17 Faculty of EEE HCMUT Total internal reflection Telecomm. DCN 18 Faculty of EEE HCMUT Multi-mode fiber Subscriber Connector (SC) is used in multimode Telecomm. DCN 19 Faculty of EEE HCMUT Single-mode fiber Straight Tip (ST) connector is used single mode Telecomm. DCN 20 Faculty of EEE HCMUT Attenuation Telecomm.

DCN 21 Faculty of EEE HCMUT Optical components  A LED producing infrared light with wavelengths of either 850nm or 1310nm. LEDs are used in multimode  LASER producing a thin beam of intense infrared light usually with wavelengths of 1310nm or 1550 nm. Lasers are used with single-mode Telecomm. DCN 22 Faculty of EEE HCMUT Fiber: characteristics  Fiber-optic cable is not affected by the sources of external noise  Fiber in a cable does not generate interference that disturbs transmission on any other fiber  The scattering of light, Absorption, Dispersion, manufacturing irregularities  Expensive and complicated installation Telecomm.

DCN 23 Faculty of EEE HCMUT Cabling Evolution Telephone Informatics Unstructured Structured Universal Cabling System Pre-engineered Cabling System Telecomm. DCN 24 Faculty of EEE HCMUT Cabling Evolution (1)  Telephony PABX Telecomm. DCN 25 Faculty of EEE HCMUT Cabling Evolution (2)  Data networking (80 - 90)  LAN introduction  New cable media HOST Telecomm. DCN 26 Faculty of EEE HCMUT Cabling Evolution (3) IEEE 802.

1980 10 BASE-5 10 BASE-2 SAS 10 BASE-Tx 10 BASE-FL TP-PMD FD DI 10BASE-5 DAS Coxial FDDI 10BASE-2 Fiber Distributed Data Interface .5 Token Ring Token Ring 4 mbps. 1985 CAT3 Token Ring 16 mbps. 1989 UTP IBM Type1 Token Ring 2-pairSTP ATM 1-27 Telecomm. DCN 27 Faculty of EEE HCMUT Legacy cable systems  Unstructured.

 Each system had a different kind of transmission medium (UTP, telephone cable, STP, Type-1, coax, signal cable, fiber .)  Each installed system is non-compatible with other applications.  Costly moves and changes. WHAT A MESS…… Telecomm. DCN 28 Faculty of EEE HCMUT Cabling Evolution (3) Universal Cabling Two media: copper twisted pair and optical fiber Voice, data, video, control signals Patching Facilities Universal (Generic): application independent Telecomm.

DCN 29 Faculty of EEE HCMUT Universal Cabling Standards EUROPE INTERNATIONAL NORTH AMERICA TIA/EIA EN 50173 IS 11801 568A Commercial Building Customer Telecommunications Generic Cabling for Premises Cabling Wiring Standard Customer Premises October 1995 August 1995 July 1995 Telecomm. DCN 30 Faculty of EEE HCMUT Benefits of Structured Cabling Redundancy at design stage reduces downtime & repair time Concealed cabling Ease of fault location & repair Flexibility, expandability & modular connecting platform Ease of moves, adds and changes Enhanced end-use understanding and control Continuous product support and warranty Significant long term cost containment Telecomm. DCN 31 Faculty of EEE HCMUT Cabling structure CD Campus ISO11801 Backbone EN50173-1 Cabling CD Campus Distributor BD BD Building Building Backbone BD Distributor Cabling FD Floor Distributor CP Consolidation Point FD FD FD FD FD FD Telecommunication Horizontal TO Outlet Cabling CP TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO Telecomm. DCN 32 Faculty of EEE HCMUT Campus Distributor < 1500 m Campus Distributor < 1500 m < 1500 m Telecomm.

DCN 33 Faculty of EEE HCMUT Building Distributor - Floor Distributor Telecomm. DCN 34 Faculty of EEE HCMUT Elements of a Structured Cabling System Telecomm. DCN 35 Faculty of EEE HCMUT Telecom Oulet RJ45 (ISO 8877) Horizontal Cable P2 P3 P1 P4 Telecom Outlet 8 pins 4 pairs T568 A-B 8 wires 1 drain wire Patchcord 4 twisted pairs Telecomm. DCN 36 Faculty of EEE HCMUT Wireless media Satellite Microwave Terrestrial Microwave Infrared Telecomm.

DCN 37 Faculty of EEE HCMUT Microwave Satellite and Terrestrial Microwave Advantages :  No cabling needed between sites  Wide bandwidth  Multichannel transmissions Disadvantages :  Line of sight requirement.  Expensive towers and repeaters.  Subject to interference -e. passing airplanes, rain.

DCN 38 Faculty of EEE HCMUT Satellite systems Telecomm. DCN 39 Faculty of EEE HCMUT Satellite Microwave Satellite is relay station Receives on one frequency, amplifies or repeats signal and transmits on another frequency.2 GHz Typically requires geo-stationary orbit  height of 35,784km  spaced at least 3-4° apart Typical uses  television  long distance telephone  private business networks  global positioning Telecomm. DCN 40 Faculty of EEE HCMUT Satellite frequency bands Applications:  Broadcast, TV  Long-haul telephone system  Private business network Telecomm. DCN 41 Faculty of EEE HCMUT Satellites Microwave Point-to-Point Satellite Link Connecting remote sites Telecomm.

DCN 42 Faculty of EEE HCMUT Broadcast Radio Radio is 3kHz to 300GHz use broadcast radio, 30MHz - 1GHz, for: FM radio UHF and VHF television is omnidirectional still need line of sight suffers from multipath interference reflections from land, water, other objects Telecomm. DCN 43 Faculty of EEE HCMUT LEO systems Telecomm. DCN 44 Faculty of EEE HCMUT Terrestrial Microwave Propagation model Telecomm. DCN 45 Faculty of EEE HCMUT Frequency Bands Telecomm.

DCN 46 Faculty of EEE HCMUT Terrestrial Microwave Applications Long-haul voice communications Common carriers Private network Characteristics: Using sky-wave Line-of-sight Frequency band: 2 – 40GHz Sensitive to obstacles, environment changes. DCN 47 Faculty of EEE HCMUT Terrestrial Microwave: Example Microwave link in Cellular networks Microwave link for disaster zone Telecomm. DCN 48 Faculty of EEE HCMUT Infrared Infrared (IR) light is electromagnetic radiation with longer wavelengths than those of visible light Light-of-sight Applications: PC-PC, PDA communication Data communication in small networks Telecomm. DCN 49 Faculty of EEE HCMUT Physical layer Standards  Interface standard of Physical layer  Define connector  Define signal  Define protocol  Common standards  RS232  RS422  RS485 Telecomm.

DCN 50 Faculty of EEE HCMUT