Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông

z  Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông – Phần 1 Nguồn : blogthongtin.info  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 bài viết trước. a. Xử lý tín hiệu 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 mình 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. b. 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 dưới. 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, mình 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 toán phức tạp của lý thuyết truyền thông. Sơ đồ truyền thông tin 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). 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. c. 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 trên 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…) Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông (phần 2) Nguồn : blogthongtin.info  d. Mạng viễn thông Thông thường, thông tin trao đổi giữa hai thực thể (source và sink) sẽ được truyền qua nhiều thực thể trung gian để tạo thành một đường nối (logical link) giữa 2 thực thể này. Tất cả các thực thể tham gia cấu thành cho quá trình trao đổi thông tin này tạo thành một mạng (network) viễn thông. Hình 4: Ví dụ mạng ad hoc 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. 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 mạngATM, 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. Hình 6: Mạng lõi trong tương lai sử dụng MPLS - Công nghệ Internet: Internet có thể được xem như là một mạng công cộng ở tầm thế giới dựa trên công nghệ IP (Internet Protocol). Tên Internet được sử dụng vào năm 1983 để chỉ mạng ARPANET, mạng được xây dựng từ những năm 70’s (thời kỳ chiến tranh lạnh) bởi Hoa Kỳ với mục đích dùng cho liên lạc trong quân đội. Nhiệm vụ của mạng ARPANET là làm thế nào vẫn hoặt động được nếu một phần của mạng bị hỏng, đặt trong bối cảnh bị tấn công hạt nhân của Liên Xô. Từ đó mạngInternet đã không ngừng phát triển. Điểm khác biệt của Internet và mạng điện thoại thời bấy giờ là trong Internet thông tin sẽ được đóng thành gói (packet) và không cần thiết phải tạo một circuit (mạch) nối giữa 2 thực thể liên lạc đầu và cuối.Internet hoặc động trên mô hình lớp (7 lớp) với nhiều giao thức khác nhau. Trong công nghệ mạng IP, người ta càng ngày càng quan tâm đến chất lượng dịch vụ: giao thức QoS, điều khiển tắt nghẹn mạng (congestion), điều chỉnh lưu thông traffic trong mạng, đặt/thuê trước tài nguyên mạng (RSVP),…. Cũng nhằm hướng đến một chất lượng dịch vụ tốt hơn các router, switch tốc độ cực nhanh (ultra-high speed) cũng đang được quan tâm nghiên cứu. Kéo theo là các nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả lý thuyết hàng đợi nâng cao, phân bố công việc nâng cao trong các thiết bị viễn thông. Bên cạnh Internet tốc độ cao, Internet di động (mobile) là một nhu cầu cấp thiết: Internet không dây, VoIP di động (Skype, SIP, H323, MEGACO), quản lý di động (Mobile IP, Mobike, IKEv2, IPv4-IPv6 translation). Gần đây, các kỹ thuật P2P (peer-to- peer) (chia sẻ thông tin ngang hàng) như Kazza, Bittorent, Skype, P2P TV…nhận được sử hưởng ứng mạnh mẻ của người dùng. - Công nghệ mạng di động không dây: Công nghệ mạng di động ngày càng phát triển mạnh mẻ. Mỗi mạng di động phát triển nhằm vào những đối tượng người dùng khác nhau, những ứng dụng khác nhau. Các công nghệ nổi bật: +Đầu tiên phải kể đến là mạng tế bào (cellular):Mạng tế bào phát triển thông qua các thể hệ từ 1G đến beyond 3G. Mạng di động thể hệ thứ 3G (UMTS, CDMA2000) đang được triển khai rộng khắp. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đang hướng về mạng thể hệ 3.9G (gẫn 4G) như 3G LTE của 3GPP và UMB của 3GPP2. Mục đích là tăng tốc độ truyền thông tin lên tầm hàng trăm Mbps. + Mạng satellite được dùng thay thể cho cáp dưới biển và dùng cho liên lạc ở những nơi mà không thể triển khai hạ tầng mạng (liên lạc đến các tàu trên đại dương, trên sa mạc…). Satellite còn dùng cho định vị ở ngoài trời (GPS). + Mạng WLAN 802.11: Hiện tại trên thị trường chỉ tìm thấy mạng 802.11a/b/g còn các chuẩn khác như i/k/l/m/n/f/e… nhiều chuẩn đã hoàn tất giai đoạn hóa và đang trong qua trình đưa ra thị trường và cũng nhiều chuẩn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chuẩn hóa. + Mạng WIMAX , WiBro (802.16): Phiên bản cố định (802.16d) đang trong giai đoạn thử nghiệm và triển khai ở một số nước, phiên bản di động (802.16e) đã được chuẩn hóa xong và IEEE đang bắt tay vào nghiên cứu và chuẩn hóa 802.16j (relay Wimax). + Mạng Wireless Personal Area Network (WPAN): Mạng này hoạt động ở khỏang cách tầm vài mét trở lại như Bluetooth (802.15.1), Zigbee (802.15.4), RFID, mạng băng thông cực rộng UWB (Ultra Wideband) (802.15.3). Vấn đề giải quyết giao thoa RF là một trong những vấn đề mà WPAN cần phải giải quyết. Bên cạnh người ta cũng đang ứng dụng mạng WPAN vào việc định vị trong nhà (indoor) vì GPS chỉ cho phép định vị outdoor. + Mạng adhoc và cảm biến: Ứng dụng của nó ngày càng rộng rải, trong quân đội, trong đời sống hằng ngày, trong y tế, trong quản lý môi trường… Một số vấn đề nổi cộm của mạng adhoc và cảm biến là routing, khả năng tự hiệu chỉnh (reconfigurable), bảo mật và tiết kiệm năng lượng. + Mạng 4G: Do có nhiều mạng khác nhau, khuynh hướng tiếp theo sẽ là hội tụ tất cả chúng lại để phục vụ người dùng một cách tốt hơn. Lý do hội tụ là vì không có bất kỳ công nghệ nào có thể đáp ứng tất cả các nhu cầu như: tốc độ truyền thông tin cao, chất lượng dịch vụ cao, vùng phủ sóng lớn, thích ứng cho người dùng khi di chuyển với tốc độ cao, giá thành rẻ… Tuy theo từng ứng dụng sẽ có một loại hình mạng thích ứng. Tương lai viễn thông đang phát triển theo hướng hội tụ: thiết bị đầu cuối (terminal) phát triển theo hướng tất cả trong một (one-in-all), mạng phát triển theo hướng hội tụ theo nhiều mức độ khác nhau. Các vấn đề liên quan đến mạng không dây di di động được đề cập đến ở đây e. Bảo mật Trong viễn thông vấn đề bảo mật ngày càng trở nên quan trọng và thiết yếu. Bảo mật có thể chia thành 2 mảng chính, đó là bảo mật cho mạng (network security) và mã hóa (cryptology). Ngành mã hóa là một ngành khoa học lâu đời. Trong kỷ nguyên hiện đại, mã hóa được xây dựng dựa trên các lý thuyết tóan học phức tạp về số nguyên tố, định lý fermat, hay gần đây là dựa vào đường elip, lượng tử (Quantum)… Cùng với sự phát triển vượt bật của tốc độ tính toán, các thuật tóan mã hóa ngày càng phải được cải tiến để chóng lại việc bẻ khóa bằng thuật tóan tìm kiếm exhaustive. Trong suốt quá trình liên lạc, thông tin cần phải được mã hóa sao cho chỉ có 2 thực thể đang liên lạc với nhau có thể giải mã được thông tin ấy còn các thực thể trung gian chỉ có thể đọc được địa chỉ để chuyển thông tin đi. Mã hóa có thể tham gia vào quá trình thông ở nhiều mức độ khác nhau: sóng radio, thông tin góiIP,… Trong mạng viễn thông, nhiều giao thức được nghiên cứu và hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu bảo mật trong liên lạc như: SSL/TLS, IPsec, VPN, Radius/Diameter, EAP….Mỗi một công nghệ mạng di động có một cơ chế bảo mật riêng. Một số vần đề bảo mật trong mạng là làm thế nào để thực hiện các quá trình xác thực (authentication và identification) các thực thể trong mạng nhanh, giảm khối lượng thông tin trao đổi (overhead) giữa các thực thể, giải quyết bài toán bảo mật trong mạng hội tụ…