i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN THỊNH

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN

THEO CHUẨN HOMEPLUG AV

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2015

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN THỊNH

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN

THEO CHUẨN HOMEPLUG AV

Ngành: Công nghệ Thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Trúc Mai

Hà Nội - 2015

i

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên, cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời

đã giúp đỡ, ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo đã tận tình

giảng dạy, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và Trƣờng Đại học Công nghệ là

nơi đào tạo, cung cấp các điều kiện tốt cho các học viên học tập và nghiên cứu.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Trần Trúc Mai,

ngƣời thầy hƣớng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi trong suốt

quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này.

Cuối cùng, cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn của mình đến những

ngƣời thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp; những ngƣời đã luôn ủng hộ,

động viên, giúp đỡ tôi; tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành công việc

học tập và nghiên cứu./.

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Phạm Văn Thịnh

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ Công nghệ Thông tin “Đánh giá

chất lƣợng hệ thống truyền thông tin qua đƣờng dây điện theo chuẩn

HomePlug AV” là công trình nghiên cứu của tôi.

Những nội dung đƣợc trình bày trong luận văn là kết quả nghiên cứu của

cá nhân hoặc kết quả tổng hợp từ nguồn tài liệu khác. Các thông tin tổng hợp

hay các kết quả lấy từ nguồn tài liệu khác đều đƣợc trích dẫn một cách đầy đủ và

hợp lý, đƣợc chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo. Kết quả

nghiên cứu này chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào từ

trƣớc đến nay./.

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Phạm Văn Thịnh

iii

MỤC LỤC

Trang LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii

MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................vi

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1

3. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2

4. Cấu trúc của luận văn .......................................................................................... 2

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƢỜNG DÂY

ĐIỆN ................................................................................................................................ 4

1.1. Tổng quan về truyền dữ liệu .............................................................................. 4

1.1.1. Mô hình truyền thông .............................................................................. 4

1.1.2. Mô hình truyền dữ liệu ............................................................................ 5

1.2. Giới thiệu công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện (PLC)......................... 6

1.2.1. Tổng quan về công nghệ PLC ................................................................. 6

1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của công nghệ PLC ........................................ 10

1.3. Nguyên lý hoạt động của mạng PLC trong nhà ............. Error! Bookmark not

defined.

1.3.1. Giới thiệu mạng PLC trong nhà ............. Error! Bookmark not defined.

1.3.2. Kiến trúc phân tầng ................................ Error! Bookmark not defined.

1.4. Kết luận ............................................................ Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 2. TIÊU CHUẨN HOMEPLUG VÀ ỨNG DỤNG ...... Error! Bookmark not

defined.

2.1. Các tiêu chuẩn HomePlug ................................. Error! Bookmark not defined.

2.1.1. Giới thiệu về HomePlug Powerline Alliance ............ Error! Bookmark not

defined.

2.1.2. Chuẩn HomePlug AV .................................. Error! Bookmark not defined.

2.2. Một vài ứng dụng của tiêu chuẩn HomePlug .... Error! Bookmark not defined.

2.2.1. Nối mạng băng rộng toàn bộ tòa nhà .......... Error! Bookmark not defined.

2.2.2. Nối mạng truyền hình độ nét cao (HDTV) .. Error! Bookmark not defined.

2.2.3. Chơi game .................................................... Error! Bookmark not defined.

2.3. Kết luận.............................................................. Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 3. MỘT SỐ THIẾT BỊ PLC TRÊN THỊ TRƢỜNG ..... Error! Bookmark not

defined.

3.1. Một số thiết bị trên thị trƣờng thế giới ............... Error! Bookmark not defined.

3.1.1. Modem USB PLC ........................................ Error! Bookmark not defined.

3.1.2. Modem Ethernet PLC .................................. Error! Bookmark not defined.

3.1.3. Modem TV cable PLC................................. Error! Bookmark not defined.

3.1.4. Modem PLC/Wi-Fi ...................................... Error! Bookmark not defined.

3.1.5. Modem PLC đa chức năng .......................... Error! Bookmark not defined.

3.1.6. Modem thoại và âm thanh PLC ................... Error! Bookmark not defined.

3.2. Một số thiết bị trên thị trƣờng trong nƣớc .......... Error! Bookmark not defined.

iv

3.3. Thí nghiệm về mạng PLC trong nhà .................. Error! Bookmark not defined.

3.3.1. Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm ......... Error! Bookmark not defined.

3.3.2. Các thí nghiệm kết nối mạng PLC trong nhà ............ Error! Bookmark not

defined.

3.4. Kết luận............................................................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 4. TÌM HIỂU MÔI TRƢỜNG TRUYỀN DẪN ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN .. Error!

Bookmark not defined.

4.1. Môi trƣờng truyền dẫn đƣờng dây điện .............. Error! Bookmark not defined.

4.1.1. Cấu trúc vật lý ............................................. Error! Bookmark not defined.

4.1.2. Nhiễu ........................................................... Error! Bookmark not defined.

4.1.3. Các đặc trƣng của môi trƣờng truyền dẫn đƣờng dây điện ................. Error!

Bookmark not defined.

4.1.4. Mô hình kênh PLC ...................................... Error! Bookmark not defined.

4.2. Kết luận............................................................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN QUA ĐƢỜNG DÂY

ĐIỆN THEO CHUẨN HOMEPLUG AV ..................... Error! Bookmark not defined.

5.1. Mô phỏng nhiễu trong hệ thống PLC ................. Error! Bookmark not defined.

5.2. Mô phỏng kênh truyền PLC và kênh Rayleigh Fading .... Error! Bookmark not

defined.

5.3. Điều chế tín hiệu BPSK, QPSK ......................... Error! Bookmark not defined.

5.4. Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM .... Error! Bookmark not defined.

5.5. Tính thông lƣợng tín hiệu BPSK, QPSK qua kênh PLC .. Error! Bookmark not

defined.

5.6. Kết quả mô phỏng .............................................. Error! Bookmark not defined.

5.7. Kết luận............................................................... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ................................................................... Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 11

Phụ lục 1. THÔNG SỐ KỸ THUẬT MỘT SỐ THIẾT BỊ PLC TRÊN THỊ TRƢỜNG

TRONG NƢỚC ............................................................. Error! Bookmark not defined.

Phụ lục 2. CÁC HÀM SỬ DỤNG TRONG MÔ PHỎNG ......... Error! Bookmark not

defined.

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise (Nhiễu trắng Gaussian cộng)

BPL Broadband Powerline (Đƣờng dây điện băng rộng)

DSL Digital Subcriber Line (Kênh thuê bao số)

IV Indoor Voltage (Điện áp trong nhà)

LAN Local Area Network (Mạng cục bộ)

LV Low Voltage (Hạ thế)

MAC Medium Access Control (Kiểm soát truy nhập đƣờng truyền)

MODEM MOdulator and DEModulator (Thiết bị điều chế và giải điều chế)

MPDU MAC Protocol Data Unit (Đơn vị dữ liệu giao thức MAC)

MV Medium Voltage (Trung thế)

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Ghép kênh phân

chia tần số trực giao)

OSI Open Systems Interconnection (Kết nối các hệ thống mở)

PC Personal Computer (Máy tính cá nhân)

PLC Power Line Communication (Truyền thông qua đƣờng dây điện)

PPDU Physical Protocol Data Unit (Đơn vị dữ liệu giao thức vật lý)

WAN Wide Area Network (Mạng diện rộng)

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối chung của mô hình truyền thông đơn giản ..................................... 4

Hình 1.2 Ví dụ mô hình truyền thông đơn giản .............................................................. 4

Hình 1.3 Mô hình truyền dữ liệu đơn giản ...................................................................... 5

Hình 1.4 Cấu trúc các mạng lƣới cung cấp điện năng ..................................................... 7

Hình 1.5 Các công nghệ PLC tốc độ thấp và cao ......................................................... 10

Hình 1.6 Sơ đồ của mạng PLC trong nhà ...................................................................... 12

Hình 1.7 Vị trí của công nghệ PLC trong mô hình OSI ............................................... 13

Hình 1.8 Các băng tần đƣợc phân bổ cho mạng PLC .................................................. 14

Hình 1.9 Công nghệ PLC và mô hình OSI ................................................................... 14

Hình 1.10 Đóng gói địa chỉ MAC trong Home Plug 1.0 .............................................. 15

Hình 1.11 Truyền dữ liệu trong kiến trúc truy nhập PLC ............................................. 16

Hình 2.1 Website của tổ chức HomePlug ..................................................................... 18

Hình 2.2 Dải tần số của HPAV ..................................................................................... 19

Hình 2.3 Phổ OFDM của HPAV ................................................................................... 19

Hình 2.4 Các sản phẩm HomePlug nối mạng trong nhà ............................................... 20

Hình 2.5 Nối mạng truyền hình độ nét cao qua đƣờng dây điện ................................... 21

Hình 2.6 Chơi game sử dụng kết nối qua đƣờng dây điện ............................................ 21

Hình 3.1 Modem F@st Plug type Sagem USB PLC ..................................................... 23

Hình 3.2 Modem Devolo Ethernet PLC của loại dLAN Ethernet HighSpeed 85 ......... 24

Hình 3.3 Modem Devolo PLC của loại dLAN duo với giao diện USB và Ethernet .... 24

Hình 3.4 Các thiết bị Devolo HomePlug AV PLC ........................................................ 25

Hình 3.5 Modem truyền hình cáp PLC Corinex CableLAN, cáp TV, đầu nối F-type và

bộ chia ............................................................................................................................ 25

Hình 3.6 Modem Thesys and Devolo PLC/Wi-Fi ......................................................... 26

Hình 3.7 Modem PLC Hub NetGear và Thesys NetPlug .............................................. 26

Hình 3.8 Modem Devolo ADSL/router PLC ................................................................ 27

Hình 3.9 Modem âm thanh PLC Devolo MicroLink dLAN ......................................... 27

Hình 3.10 Ứng dụng của Tenda 200Mbps Powerline Adapter P200 ............................ 29

Hình 3.11 Ứng dụng của Tenda PW201A Powerline Wireless N300 .......................... 31

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối 02 máy tính sử dụng cáp Ethernet .......................................... 31

Hình 3.13 Kiểm tra cấp phát địa chỉ IP cho Laptop ...................................................... 32

Hình 3.14 Kiểm tra kết nối giữa Laptop và PC ............................................................. 33

Hình 3.15 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng PLC .......................................................... 33

Hình 3.16 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng LAN ........................................................ 34

Hình 3.17 Sơ đồ kết nối 02 máy tính có sử dụng wifi ................................................... 34

Hình 3.18 Kết nối từ Laptop đến PW201A .................................................................. 35

vii

Hình 3.19 Kiểm tra cấp phát địa chỉ IP cho Laptop ...................................................... 36

Hình 3.20 Kiểm tra kết nối giữa Laptop và PC ............................................................. 36

Hình 3.21 Tốc độ truyền dữ liệu trên mạng PLC .......................................................... 37

Hình 3.22 Sơ đồ kết nối Internet sử dụng cáp Ethernet ................................................ 37

Hình 3.23 Kiểm tra kết nối Internet của Laptop sử dụng cáp Ethernet ......................... 38

Hình 3.24 Sơ đồ kết nối Internet sử dụng wifi .............................................................. 38

Hình 3.25 Kiểm tra kết nối Internet của Laptop sử dụng wifi ...................................... 39

Hình 4.1 Sơ đồ đơn giản của mạng điện trong nhà ....................................................... 41

Hình 4.2 Các loại nhiễu trong môi trƣờng PLC ............................................................ 41

Hình 4.3 Mô hình mật độ phổ cho nhiễu nền tổng quát ................................................ 43

Hình 4.4 Ví dụ một số xung đƣợc đo trong miền thời gian của mạng PLC .................. 44

Hình 4.5 Mô hình phản xạ biểu diễn mô hình kênh PLC đa đƣờng .............................. 46

Hình 4.6 Mô hình Philipps ............................................................................................ 49

Hình 4.7 Cấu trúc mạng đa đƣờng đơn giản ................................................................. 51

Hình 5.1 Biên độ và pha kênh PLC với N =4 ............................................................... 54

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đƣờng dây điện ................... 57

Hình 5.3 BER của BPSK, QPSK qua kênh AWGN, qua kênh PLC và kênh Rayleigh

Fading có nhiễu ............................................................................................................. 63

Hình 5.4 PER của BPSK, QPSK qua kênh AWGN, qua kênh PLC và kênh Rayleigh

Fading có nhiễu ............................................................................................................. 64

Hình 5.5 Thông lƣợng tín hiệu BPSK, QPSK qua kênh PLC với N =4 ....................... 65

1

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Trong thời đại hiện nay của Công nghệ Thông tin, để có thể cung cấp

thông tin đến ngƣời sử dụng cuối, các công nghệ phổ biến hiện đang đƣợc

sử dụng bao gồm công nghệ đƣờng dây điện thoại, cáp Ethernet, cáp quang,

không dây và vệ tinh. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều có các giới hạn về chi phí

và tính sẵn sàng cho một số lƣợng ngƣời dùng lớn. Bên cạnh đó, việc xây dựng

những hệ thống mới đều cần phải đầu tƣ một cơ sở hạ tầng tốn kinh phí và tốn

thời gian để lắp đặt.

Từ trƣớc, đƣờng dây điện chỉ đƣợc sử dụng cho việc truyền tải điện năng.

Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các công nghệ mạng hiện đại đặt ra nhu cầu cho

các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm ra giải pháp có khả năng cung cấp các dịch vụ

tới ngƣời dùng ở mức chi phí thấp nhất và hiệu năng cao nhất. Gần đây, vấn đề

truyền thông qua đƣờng dây điện đã đƣợc quan tâm đến với mục đích truyền

dữ liệu. Tiềm năng đƣờng dây điện có thể trở thành đƣờng truyền mạnh để

truyền không chỉ các tín hiệu điện hoặc tín hiệu điều khiển mà ngay cả

dữ liệu tốc độ cao và nội dung đa phƣơng tiện.

Ƣu điểm của việc sử dụng đƣờng dây điện làm phƣơng tiện truyền dữ liệu

là hầu hết các tòa nhà và hộ gia đình đều đã đƣợc trang bị đƣờng dây điện

kết nối tới lƣới điện. Các hệ thống truyền thông qua đƣờng dây điện sử dụng

dây điện có sẵn làm phƣơng tiện truyền để cung cấp các điểm truy cập mạng

tốc độ cao hầu nhƣ ở bất cứ nơi nào có một ổ cắm điện. Ngoài ra, việc xây dựng

mạng trong nhà sử dụng đƣờng dây điện có sẵn có thể sẽ dễ dàng và chi phí thấp

hơn việc phải lắp đặt thêm dây cáp giữa các điểm trong nhà. Trên cơ sở đó, các

hệ thống truyền thông qua đƣờng dây điện có ƣu điểm là dễ cài đặt, các ổ cắm

điện luôn sẵn có, thông lƣợng cao, chi phí thấp, an toàn và tin cậy.

“Kể từ khi xuất hiện các sản phẩm truyền thông qua đƣờng dây điện (PLC)

đầu tiên vào đầu năm 2000, các công nghệ PLC đã trải qua những sự cải tiến lớn

với mục đích cung cấp hiệu năng tối ƣu. Ngày nay, PLC đã đạt tới các hiệu năng

có thể so sánh với các công nghệ LAN khác nhƣng với lợi thế là dễ triển khai

hơn nhiều” [3].

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc giải quyết các công việc:

- Nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện;

2

- Nghiên cứu, tìm hiểu tiêu chuẩn HomePlug AV;

- Tìm hiểu một số thiết bị PLC trên thị trƣờng thế giới và trong nƣớc;

thực hiện thí nghiệm kết nối các thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà;

- Tìm hiểu môi trƣờng truyền dẫn đƣờng dây điện và thuộc tính truyền dẫn

của mạng LAN;

- Mô phỏng, đánh giá chất lƣợng hệ thống truyền thông tin qua đƣờng dây

điện theo chuẩn HomePlug AV;

- Sử dụng kết quả mô phỏng đạt đƣợc để so sánh với thiết bị thực tế.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn thực hiện theo trình tự:

- Nghiên cứu các tài liệu về công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện;

tiêu chuẩn HomePlug AV; môi trƣờng truyền dẫn đƣờng dây điện và thuộc tính

truyền dẫn của mạng LAN;

- Nghiên cứu tài liệu, khảo sát thông tin trên Internet về một số thiết bị PLC

trên thị trƣờng thế giới và trong nƣớc; liên hệ với một số đơn vị cung cấp thiết bị

trên thị trƣờng trong nƣớc để mua thiết bị và thực hiện thí nghiệm kết nối các

thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà;

- Sử dụng MATLAB để mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đƣờng

dây điện theo chuẩn HomePlug AV; qua đó đánh giá chất lƣợng hệ thống và

so sánh với thiết bị thực tế trong thí nghiệm.

4. Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 05 chƣơng, cùng phần mở đầu, phần kết luận và 02 phụ lục.

Mỗi chƣơng đƣợc bố cục gồm ba phần chính: phần giới thiệu nhằm tóm tắt

nội dung của chƣơng, các vấn đề chính sẽ đƣợc giải quyết trong chƣơng; phần

tiếp theo trình bày chi tiết việc giải quyết các vấn đề đã nêu; phần tổng kết của

mỗi chƣơng trình bày tóm tắt các kết quả đạt đƣợc.

- Phần Mở đầu. Phần này trình bày khái quát về đề tài nghiên cứu nhƣ

giới thiệu xu hƣớng truyền dữ liệu qua đƣờng dây điện sẵn có trong nhà,

mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu, cấu trúc của luận văn.

- Chương 1. Tổng quan về công nghệ truyền thông qua đường dây điện.

Chƣơng này giới thiệu tổng quan về mô hình truyền dữ liệu, một số kiến thức

tổng quan về công nghệ PLC, ƣu điểm và nhƣợc điểm của PLC, nguyên lý

hoạt động của mạng PLC trong nhà.

3

- Chương 2. Tiêu chuẩn HomePlug và ứng dụng. Chƣơng này giới thiệu

về tổ chức HomePlug là tổ chức phi lợi nhuận nghiên cứu tiêu chuẩn cho các

sản phẩm và mạng đƣờng dây điện trong nhà; tập trung giới thiệu về chuẩn

HomePlug AV. Chƣơng này cũng giới thiệu một vài ứng dụng phổ biến nhất của

tiêu chuẩn HomePlug.

- Chương 3. Một số thiết bị PLC trên thị trường. Chƣơng này giới thiệu

một số thiết bị PLC có trên thị trƣờng thế giới và trong nƣớc; kết quả thí nghiệm

kết nối các thiết bị PLC sử dụng mạng điện trong nhà và so sánh với kết quả

kết nối mạng LAN về tốc độ truyền dữ liệu.

- Chương 4. Tìm hiểu môi trường truyền dẫn đường dây điện.

Chƣơng này trình bày cấu trúc vật lý, nhiễu, các đặc trƣng và mô hình

kênh truyền của môi trƣờng truyền dẫn đƣờng dây điện. Đây là các cơ sở lý

thuyết quan trọng để thực hiện mô phỏng ở chƣơng tiếp theo.

- Chương 5. Mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đường dây điện

theo chuẩn HomePlug AV. Chƣơng này sử dụng chƣơng trình MATLAB

R2013a để mô phỏng hệ thống truyền thông tin qua đƣờng dây điện theo chuẩn

HomePlug AV đã đƣợc giới thiệu trong Chƣơng 2 và vẽ đồ thị tỷ lệ bit lỗi (Bit

Error Rate - BER), đồ thị tỷ lệ gói tin lỗi (Packet Error Rate - PER) theo tỷ lệ

tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR).

- Phần Kết luận. Phần này trình bày những kết quả đạt đƣợc, chƣa đạt

đƣợc sau thời gian nghiên cứu đề tài và những hƣớng phát triển tiếp theo.

- Phụ lục 1. Thông số kỹ thuật một số thiết bị PLC trên thị trường trong

nước. Phụ lục này giới thiệu thông số kỹ thuật một số thiết bị PLC của các hãng

Linksys, Planet, Tenda, FH-net, Airmobi đang đƣợc cung cấp tại thị trƣờng

Việt Nam và thông tin liên hệ của một số đơn vị cung cấp các thiết bị này.

- Phụ lục 2. Các hàm sử dụng trong mô phỏng. Phụ lục này giới thiệu các

hàm đƣợc xây dựng để sử dụng trong mô phỏng ở Chƣơng 5.

4

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN

Các định dạng tƣơng tự và số là phƣơng tiện đƣợc sử dụng để chuyển

thông tin qua đƣờng truyền bất kỳ. Tầng vật lý chịu trách nhiệm chuyển dòng bit

từ nút mạng này đến nút mạng khác. Đối với việc truyền dữ liệu thực tế, nhiều

đƣờng truyền vật lý khác nhau có thể đƣợc sử dụng (bao gồm cáp xoắn đôi, cáp

đồng trục băng hẹp, cáp đồng trục băng rộng, cáp quang, đƣờng dây điện,

không dây hoặc radio, vi ba, vệ tinh…). Phạm vi luận văn này chỉ tập trung vào

công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện.

1.1. Tổng quan về truyền dữ liệu

1.1.1. Mô hình truyền thông

Sơ đồ chung của một mô hình truyền thông đơn giản đƣợc minh họa trong

Hình 1.1.

Hình 1.1 Sơ đồ khối chung của mô hình truyền thông đơn giản [10]

Mục đích cơ bản của một hệ thống truyền thông là trao đổi dữ liệu giữa

hai bên. Hình 1.2 trình bày một ví dụ cụ thể, đó là việc truyền thông giữa một

máy trạm và một máy chủ qua mạng điện thoại công cộng.

Hình 1.2 Ví dụ mô hình truyền thông đơn giản [10]

Nguồn Thiết bị

truyền

Hệ

thống

truyền

Thiết bị

nhận Đích

Hệ thống nguồn Hệ thống đích

Máy trạm

Mạng điện thoại công cộng

Modem Modem Máy chủ

5

Các thành phần chính của mô hình:

Nguồn (Source): Thiết bị này sinh ra dữ liệu để truyền đi. Trong ví dụ

ở Hình 1.2, nguồn là một máy tính cá nhân (PC hay Workstation).

Thiết bị truyền (Transmitter): Nói chung, dữ liệu do các hệ thống

nguồn sinh ra không đƣợc truyền đi trực tiếp dƣới dạng mà chúng đƣợc sinh ra.

Nói đúng hơn là thiết bị truyền chuyển đổi và mã hóa (encode) thông tin bằng

một cách nào đó để tạo ra các tín hiệu điện từ, có thể đƣợc truyền qua một

hệ thống truyền dẫn nào đó. Trong ví dụ ở Hình 1.2, thiết bị truyền là MODEM.

MODEM nhận dòng bit số từ Workstation và chuyển đổi dòng bit đó thành một

tín hiệu tƣơng tự mà mạng điện thoại có thể vận chuyển đƣợc.

Hệ thống truyền (Transmission System): Đây có thể chỉ là một

đƣờng truyền đơn hoặc cũng có thể là một mạng phức tạp nối nguồn và đích.

Hệ thống truyền trong ví dụ ở Hình 1.2 là mạng điện thoại công cộng.

Thiết bị nhận (Receiver): Thiết bị nhận nhận tín hiệu từ hệ thống

truyền và biến đổi nó sang dạng mà thiết bị đích có thể xử lý đƣợc. Trong ví dụ

ở Hình 1.2, thiết bị nhận cũng là MODEM. MODEM sẽ nhận tín hiệu tƣơng tự

từ mạng hoặc đƣờng truyền đi đến và chuyển đổi nó thành dòng bit số.

Đích (Destination): Nhận dữ liệu đến từ thiết bị nhận. Trong ví dụ ở

Hình 1.2, đích là một máy chủ (Server).

1.1.2. Mô hình truyền dữ liệu

Hình 1.3 sử dụng việc gửi thƣ điện tử làm ví dụ cho mô hình truyền dữ liệu

đơn giản.

Hình 1.3 Mô hình truyền dữ liệu đơn giản [10]

Nguồn Thiết bị

truyền

Hệ

thống

truyền

Thiết bị

nhận Đích

Văn bản

Dòng bit số

Văn bản

Tín hiệu

tƣơng tự

Tín hiệu

tƣơng tự Dòng bit số

Thông tin

vào

m

1 2 3 4 5 6

Dữ liệu

vào g(t)

Tín hiệu

truyền s(t)

Tín hiệu

nhận r(t)

Dữ liệu

ra g’(t)

Thông tin

ra

m’

6

Giả sử rằng thiết bị vào và thiết bị truyền là các thành phần của một

máy tính cá nhân (PC). Ngƣời sử dụng PC muốn gửi một bản tin m cho một

ngƣời sử dụng khác. Ngƣời sử dụng sẽ kích hoạt gói phần mềm thƣ điện tử trên

PC và nhập bản tin vào bằng bàn phím (thiết bị vào). Chuỗi ký tự sẽ đƣợc

nhớ đệm một thời gian ngắn trong bộ nhớ chính; có thể coi nó nhƣ là một dãy

các bit (g) trong bộ nhớ chính. Máy tính cá nhân đƣợc nối với một môi trƣờng

truyền thông nhất định, chẳng hạn nhƣ mạng cục bộ hoặc đƣờng dây điện thoại,

bằng một thiết bị vào/ra (transmitter), chẳng hạn là một bộ thu phát của card

mạng hay MODEM. Dữ liệu vào đƣợc chuyển cho thiết bị phát dƣới dạng một

chuỗi các chuyển mức điện áp [g(t)] biểu diễn cho các bit trên một số kênh hoặc

cáp truyền thông. Thiết bị phát đƣợc nối trực tiếp với môi trƣờng truyền và

biến đổi dòng đi đến [g(t)] thành tín hiệu [s(t)] thích hợp cho việc truyền.

Tín hiệu phát s(t) trong môi trƣờng bị suy giảm một mức độ nhất định

trƣớc khi nó đi đến thiết bị nhận. Vì thế, tín hiệu nhận đƣợc r(t) có thể khác với

s(t). Thiết bị nhận sẽ cố gắng đánh giá tín hiệu ban đầu s(t), dựa trên r(t) và

“hiểu biết” của nó về môi trƣờng truyền và sinh ra chuỗi bit g’(t). Các bit này

đƣợc gửi tới máy tính cá nhân ở đầu ra, tại đó nói chung chúng đƣợc chứa tạm

trong bộ nhớ nhƣ một khối các bit (g’). Trong nhiều trƣờng hợp, hệ thống đích

sẽ cố gắng xác định xem lỗi có xảy ra hay không; nếu có xảy ra, nó sẽ cộng tác

với hệ thống nguồn để cuối cùng nhận đƣợc khối dữ liệu đầy đủ và không có lỗi.

Sau đó, số liệu này sẽ đƣợc biễu diễn cho ngƣời sử dụng thông qua thiết bị ra,

chẳng hạn máy in hay màn hình. Bản tin (m’) mà ngƣời sử dụng nhìn thấy

thƣờng là một bản sao chép giống hệt bản tin gốc (m).

1.2. Giới thiệu công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện (PLC)

1.2.1. Tổng quan về công nghệ PLC

Việc triển khai công nghệ truy cập là một thách thức lớn đối với cả các

nƣớc phát triển và đang phát triển. Đã có những sự đầu tƣ lớn cho việc cài đặt và

duy trì các mạng truy cập nhƣ vậy và mạng dây điện là đề cử tốt nhất với lý do

điện có trong các hộ gia đình, các khu vực kinh doanh và trong các khu

công nghiệp quy mô lớn đƣợc nối từ lƣới điện.

“Truyền thông qua đƣờng dây điện là một công nghệ sử dụng mạng điện

trung và hạ thế để cung cấp các dịch vụ viễn thông. PLC là tên chung cho

công nghệ mạng truyền dữ liệu qua dây điện” [3]. Nhƣ vậy, có thể nói

truyền thông qua đƣờng dây điện là việc sử dụng các mạng lƣới cung cấp

điện năng cho mục đích truyền thông tin. Trong đó, mạng lƣới phân phối điện

đƣợc sử dụng nhƣ môi trƣờng truyền dẫn để truyền tải các dịch vụ viễn thông

khác nhau, nhằm tiết kiệm chi phí đầu tƣ xây dựng các mạng viễn thông mới.

7

Các hệ thống cung cấp điện năng phân thành các cấp độ khác nhau tùy theo

từng quốc gia, nhƣng cơ bản bao gồm ba cấp độ (Hình 1.4):

Lƣới điện cao thế kết nối các nhà máy phát điện với các khu vực

cung cấp lớn hoặc các khách hàng lớn. Chúng thƣờng có khoảng cách dài đƣợc

triển khai với đƣờng cáp mắc trên cao.

Lƣới điện trung thế cung cấp cho các khu dân cƣ rộng lớn, các

thành phố, các khu công nghiệp lớn hoặc các khách hàng lớn. Chiều dài ngắn

hơn so với lƣới điện cao thế. Các lƣới điện trung thế đƣợc triển khai với cả hai

cách mắc trên cao và chôn ngầm dƣới đất.

Lƣới điện hạ thế cung cấp điện năng cho cho các khách hàng là các hộ

gia đình, cơ quan, trƣờng học… với khoảng cách truyền khoảng vài trăm mét. Ở

khu vực thành thị, lƣới điện hạ thế đƣợc triển khai chôn ngầm dƣới đất, còn ở

nông thôn chúng đƣợc mắc trên cao.

Hình 1.4 Cấu trúc các mạng lƣới cung cấp điện năng [4]

Hệ thống lƣới điện hạ thế kết nối trực tiếp đến tất cả khách hàng (với

số lƣợng rất lớn), do đó ứng dụng của công nghệ PLC trong lƣới điện hạ thế có

tiềm năng rất lớn.

Theo cấu trúc các mạng lƣới cung cấp điện năng, mạng PLC cũng đƣợc

chia thành ba loại: PLC trong nhà, PLC hạ thế và PLC trung thế. PLC hạ thế và

trung thế đƣợc gọi là mạng truy cập. Nói chung, công nghệ PLC có thể đƣợc

chia thành hai nhóm là công nghệ băng hẹp và công nghệ băng rộng.

“Công nghệ băng hẹp cho phép tốc độ dữ liệu lên tới 100kbps trong khi

công nghệ băng rộng cho phép tốc độ dữ liệu vƣợt quá 2 Mbps” [1].

8

Các mạng PLC băng hẹp hoạt động với dải tần số đƣợc xác định bởi

tiêu chuẩn CENELEC. Các hệ thống PLC băng hẹp cung cấp tốc độ dữ liệu lên

tới vài nghìn bit/giây (bps). Do đó, công nghệ PLC băng hẹp đƣợc ứng dụng

trong các lĩnh vực liên quan đến quản lý điện năng (bảo vệ khoảng cách, truyền

dữ liệu đo đếm công tơ, quản lý công suất…) và tự động hóa trong gia dụng

(điều khiển các thiết bị điện nhƣ đèn chiếu sáng, điều hoà, cửa … và giám sát

an ninh nhƣ cảnh báo khói, đột nhập…).

Các hệ thống PLC băng rộng cung cấp tốc độ dữ liệu (lớn hơn 2 Mbps)

cao hơn so với các hệ thống PLC băng hẹp. Trong khi các mạng băng hẹp chỉ có

thể thực hiện một số các kênh thoại và truyền dữ liệu với tốc độ bit rất thấp, các

mạng PLC băng rộng cung cấp các dịch vụ viễn thông phức tạp hơn; với nhiều

kết nối thoại, truyền dữ liệu tốc độ cao, truyền tín hiệu hình ảnh (video). Do đó,

các hệ thống PLC băng rộng cũng đƣợc coi nhƣ một công nghệ viễn thông

tiềm năng. Việc triển khai của các dịch vụ truyền thông băng rộng (BPL) qua

mạng lƣới đƣờng dây điện lực cung cấp cơ hội lớn với các mạng viễn thông

tiết kiệm chi phí mà không cần lắp đặt thêm các đƣờng cáp mới. Tuy nhiên, các

mạng lƣới điện năng không đƣợc thiết kế cho truyền tin và có một vài yếu tố

giới hạn sự áp dụng của công nghệ PLC băng rộng. Do đó, khoảng cách có thể

đƣợc bao phủ, cũng nhƣ tốc độ dữ liệu có thể đƣợc thực hiện bởi các hệ thống

PLC bị giới hạn. Một khía cạnh nữa rất quan trọng đối với việc áp dụng của

PLC băng rộng là sự tƣơng thích điện từ của nó. Đối với sự thực hiện của PLC

băng rộng, phổ tần tƣơng đối rộng là cần thiết (lên tới 30 MHz) lớn hơn dải tần

đƣợc cung cấp trong tiêu chuẩn CENELEC. Mặt khác, một mạng PLC đóng

vai trò nhƣ một ăng ten trở thành một nguồn nhiễu cho các hệ thống viễn thông

khác hoạt động trong cùng dải tần số (ví dụ các dịch vụ vô tuyến). Do đó, các

hệ thống BPL phải hoạt động với tín hiệu bị giới hạn về công suất, làm giảm

hiệu suất của chúng (tốc độ dữ liệu, khoảng cách).

Công nghệ PLC sớm phát triển sau khi các hệ thống phân phối điện đƣợc

thiết lập rộng khắp; tập trung trên ba hệ thống phân phối là hệ thống trung thế

(MV), hạ thế (LV) và điện áp trong nhà (IV). Các hệ thống MV điển hình

bao gồm các hệ thống truyền ba pha dài vài kilomet từ máy biến thế sơ cấp

(điện áp cao: điện áp truyền 3.3/6.6 - 11/33 kV) đến máy biến thế thứ cấp

hoạt động ở vài trăm vôn. Các hệ thống LV bao gồm các hệ thống truyền ba pha

dài vài trăm mét từ máy biến thế thứ cấp (400/230V) đến các kết nối của

ngƣời dùng. Các hệ thống IV có thể áp dụng cho các hệ thống bên trong căn hộ

của ngƣời dùng. Các mạng điện trong nhà chủ yếu đƣợc sử dụng để triển khai

9

các dịch vụ tự động khác nhau. Ứng dụng của các hệ thống PLC trong nhà

có thể sử dụng để quản lý các thiết bị điện tử trong tòa nhà lớn hoặc căn hộ

tƣ nhân. Đặc biệt các hệ thống tự động xây dựng dựa trên PLC đƣợc sử dụng để

theo dõi an ninh, giám sát các thiết bị điện, điều khiển ánh sáng …

Các nguyên lý của kỹ thuật PLC không phải gần đây mới xuất hiện. Năm

1838, Englishman Edward Davy đã đề xuất giải pháp cho phép các hệ thống

đo lƣờng từ xa lấy đƣợc các mức nguồn ở xa từ các hệ thống máy điện báo giữa

London và Liverpool. Năm 1897, Englishman Edward Davy đã đệ trình bằng

sáng chế đầu tiên (British Patent No. 24833) cho kỹ thuật đo lƣờng từ xa của

mạng điện qua đƣờng dây điện.

Năm 1950, hệ thống PLC đầu tiên, Ripple Control, đƣợc thiết kế và sau đó

triển khai qua mạng điện trung và hạ thế. Tần số sóng mang nằm giữa 100 Hz và

1 kHz. Hệ thống công nghiệp đầu tiên có tên là Pulsadis xuất hiện ở Pháp vào

năm 1960. Điện năng tham gia vào khoảng 100 kVA.

Sau đó hệ thống PLC băng tần CENELEC đầu tiên xuất hiện, mở rộng từ 3

đến 148,5 kHz, cho phép truyền hai chiều qua mạng điện hạ thế để đọc đồng hồ

đo điện từ xa cũng nhƣ cho một số lƣợng lớn các ứng dụng liên quan đến

lĩnh vực tự động hóa trong nhà (cảnh báo xâm nhập, phát hiện cháy, phát hiện

rò rỉ khí gas…). Lƣợng điện năng cần thêm vào ít hơn nhiều, điện năng giảm ở

các mức khoảng 100 mW.

Khái niệm “sóng mang đƣờng dây điện”, xuất hiện vào cuối Chiến tranh

Thế giới thứ Hai năm 1945. Thời gian này nhiều đƣờng điện và điện thoại đƣợc

triển khai và có nhiều đƣờng điện hạ tầng hơn là đƣờng điện thoại. Với mục đích

truyền thông, các hệ thống đƣợc thiết kế để truyền dữ liệu qua đƣờng dây

cao thế hoặc trung thế học theo việc đọc đồng hồ đo điện từ xa đã đƣợc

thực hiện trên đƣờng dây điện.

Hình 1.5 minh họa những thay đổi trong công nghệ PLC phân loại theo

tốc độ kể từ đầu những năm 1990.

10

Hình 1.5 Các công nghệ PLC tốc độ thấp và cao [3]

1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của công nghệ PLC

Giống nhƣ bất kỳ hệ thống nào, PLC có những ƣu điểm và nhƣợc điểm khi

so sánh với các công nghệ khác.

Môi trƣờng truyền đƣờng dây điện là một kênh truyền dẫn không ổn định

do sự biến đổi của trở kháng gây ra bởi tính đa dạng của các thiết bị có thể đƣợc

kết nối tới ổ cắm điện. Vì chúng đƣợc thiết kế cho phân phối năng lƣợng và

không cho truyền dẫn dữ liệu, có nhiều đặc điểm kênh không phù hợp nhƣ độ

suy hao cao và nhiễu. “Trong nhà, sự suy giảm tín hiệu trên đƣờng dây điện vào

khoảng 20 đến 60 dB, phụ thuộc cấu trúc và nội dung của mạng dây điện” [3].

Kênh truyền thu đƣợc mức độ nhiễu nhất định từ các thiết bị điện khác nhau

đƣợc kết nối tới dây điện hoặc ở trong không gian lân cận.

Các loại nhiễu khác nhau có thể đƣợc nhận ra trên hoặc xung quanh

dây điện: nhiễu xung từ việc tắt và khởi động các thiết bị điện; nhiễu trắng

băng rộng, mật độ phổ năng lƣợng của nó giống nhau ở tất cả các tần số; nhiễu

tuần hoàn ở nhiều tần số; nhiễu họa âm, bao gồm nhiều tần số sử dụng bởi các

thiết bị điện kết nối tới mạng và là bội số của tần số dòng (ví dụ tần số 50 Hz tạo

ra bội âm 300Hz, 600Hz…). Ngoài nhiễu trên đƣờng dây điện, các thiết bị đƣợc

kết nối tới mạng điện hoặc không kết nối nhƣng đƣợc đặt gần dây điện tạo ra

một mức độ nhiễu trên kênh truyền.

Sự phát triển

Thời gian

PLC tốc độ cao

PLC tốc độ thấp

11

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. J. Anatory and N. Theethayi (2010), Broadband Power-line Communication

Systems - Theory and Applications, WIT Press, Southampton.

2. Francisco Javier Canete, Jose Antonio Cortes, Luis Diez, and Jose Tomas

Entrambasaguas (2003), Modeling and Evaluation of the Indoor Power

Line Transmission Medium, IEEE Communications Magazine.

3. Xavier Carcelle (2006), Power Line Communications in Practice, Artech

House, Boston.

4. Mark E. Hazen (2008), The Technology Behind HomePlug AV Powerline

Communications, Intellon, pp.90-92.

5. Halid Hrasnica, Abdelfatteh Haidine, Ralf Lehnert (2004), Broadband

Powerline Communications Networks - Network Design, John Wiley and

Sons, Ltd.

6. Mai Tran, George Zaggoulos, Andrew Nix and Angela Doufexi, Mobile

WiMAX: Performance Analysis and Comparison with Experimental

Results, Centre for Communications Research, University of Bristol,

Bristol, United Kingdom.

7. Petr Mlynek, Martin Koutny, Jiri Misurec (2010), Multipath channel model of

power lines, Electro revue ISSN 1213-1539 Vol. 1, No. 2, pp.48-53.

8. Holger Philipps (1999), Modelling of powerline communication channels,

Proc. 3rd Intl Symp. Power-Line Communications and Its Applications,

Lancaster, UK, pp. 14-21.

9. Varinder Pal Singh (2012), Analysis of power line communication channel

model using, Thesis of Master of Science, North Dakota State University,

pp. 15-17.

10. William Stallings (2007), Data and Computer Communications, Eighth

Edition, Prentice Hall, New Jersey.

11. Manfred Zimmermann, Klaus Dostert (1999), A Multi-Path Signal

Propagation Model for the Power Line Channel in the High Frequency

Range, Proc. 3rd Int. Symp. Powerline Communications and its

Applications, pp.45-51.

12. Manfred Zimmermann, Klaus Dostert, An Analysis of the Broadband Noise

Scenario in Powerline Networks, Proc. 4th Int. Symp. Powerline

Communications and its Applications, Limerick. Ireland, pp. 131-138.

13. http://www.gaussianwaves.com

14. http://www.homeplug.org

15. http://www.mathworks.com

16. http://www.vatgia.com

12

17. http://wifi.com.vn