Phương tiện truyền dẫn có dây (tiếng Anh Guided Transmission Media, Wired Transmission Media) là đường truyền vật lý bằng các dây dẫn để truyền sóng điện từ trường từ bộ phát tới bộ thu trong một hệ thống truyền dữ liệu. Các phương tiện truyền dẫn có dây có thể là cáp đồng trục, cáp đồng xoắn kép, cáp quang, đường điện, … Một quá trình truyền dữ liệu có thể sử dụng các phương tiện truyền dẫn khác nhau, với những đặc tính quan trọng khác nhau như băng thông, thời gian trễ, giá thành và khả năng dễ dàng triển khai.

Đặc tính và chất lượng của quá trình truyền dữ liệu phụ thuộc vào các đặc tính của phương tiện truyền và các đặc tính của tín hiệu truyền. Đối với các phương tiện truyền dẫn có dây, phương tiện truyền đóng vai trò quan trọng khi xác định những giới hạn của quá trình truyền dữ liệu.

Tốc độ dữ liệu và khoảng cách là các đặc tính mang tính quyết định khi thiết kế các hệ thống truyền dữ liệu với trọng tâm là đạt được tốc độ dữ liệu cao nhất trên quãng đường xa nhất. Các yếu tố thiết kế liên quan tới phương tiện truyền tín hiệu truyền xác định tốc độ dữ liệu và khoảng cách bao gồm:

• Băng thông (Bandwidth): khi tất cả các yếu tố khác được giữ không đổi, dải băng thông của tín hiệu càng lớn thì tốc độ dữ liệu đạt được càng lớn.

• Suy hao truyền tín hiệu: các tổn hao như sự suy giảm tín hiệu khi truyền dẫn. Đối với các phương tiện truyền dẫn có dây, cặp xoắn kép sẽ có suy hao lớn hơn so với cáp đồng trục; cáp đồng trục lại suy hao lớn hơn so với cáp quang.

• Sự giao thoa: giao thoa từ các tín hiệu trong những dải tần số chồng lấn có thể làm méo tín hiệu hoặc làm suy giảm tín hiệu. Đối với các phương tiện truyền dẫn có dây, sự giao thoa có thể do các tín hiệu từ những dây cáp chạy gần hoặc các dây dẫn nằm trong cùng một bó cáp. Hiện tượng đó tạo ra nhiễu xuyên kênh. Sự giao thoa còn có thể do các sóng điện từ do các quá trình truyền dẫn không dây tạo ra. Việc bổ sung các lớp bọc kim loại cho các phương tiện truyền dẫn có dây có thể giảm thiểu hiện tượng này.

• Số lượng các bộ thu: Các phương tiện truyền dẫn có dây có thể dùng để xây dựng các kết nối điểm – điểm hoặc tạo các đường truyền chia sẻ cho nhiều thiết bị cùng kết nối. Trong trường hợp sau, mỗi kết nối sẽ làm suy giảm và làm méo tín hiệu truyền, điều này dẫn tới việc làm giảm tốc độ dữ liệu, hoặc làm giảm khoảng cách truyền.

Đối với các phương tiện truyền dẫn có dây, khả năng truyền (theo nghĩa tốc độ dữ liệu hay băng thông) phụ thuộc vào khoảng cách và vào việc phương tiện truyền dẫn đó kết nối điểm – điểm hay đa điểm. Các dạng phương tiện truyền dẫn có dây bao gồm: thiết bị từ tính, cáp xoắn kép, cáp đồng trục, cáp quang, đường điện.

Thiết bị từ tính: một trong những cách truyền dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác là ghi dữ liệu vào những băng từ hoặc thiết bị ghi như CD, DVD, ổ cứng, … và di chuyển vật lý những thiết bị đó tới máy tính đích và đọc dữ liệu từ đó. Mặc dù phương pháp truyền dữ liệu dạng này không hiện đại lắm, nhưng khá hiệu quả trên phương diện giá thành, đặc biệt trong những trường hợp yêu cầu băng thông lớn và giá thành truyền tải một bit là yếu tố quan trọng. Mặc dù yếu tố giá thành và băng thông là ưu thế, tuy vậy phương tiện truyền này lại có thời gian trễ cao.

Trong nhiều ứng dụng yêu cầu kết nối trực tuyến, một trong những phương tiện truyền tải lâu đời nhất và hiện giờ vẫn phổ biến nhất là đôi dây xoắn. Cáp xoắn kép thường có một cặp dây đồng có bọc cách điện, đường kính thường nhỏ hơn 1mm. Trong một sợi cáp có thể có nhiều cặp dây được xếp với nhau và bọc trong một vỏ nhựa bảo vệ. Việc xoắn hai sợi dây đồng vào nhau sẽ làm giảm nhiễu xuyên kênh giữa những cặp dây cạnh nhau trong một sợi cáp và làm cho khả năng chịu nhiễu từ môi trường bên ngoài tốt hơn. Những cặp dây cạnh nhau trong một bó cáp có thể có độ dài đoạn xoắn khác nhau để làm giảm nhiễu xuyên kênh. Cáp xoắn kép thường có hai loại: cáp không bọc UTP và cáp có bọc STP và có nhiều dạng khác nhau như Cat 3, Cat 4, Cat 5, Cat 6, Cat 7,... Các chuẩn mạng LAN khác nhau sử dụng những cặp xoắn kép một cách khác nhau. Chuẩn Ethernet 100Mbps sử dụng hai trong bốn cặp, mỗi cặp dùng truyền tín hiệu theo một hướng. So sánh với các phương tiện truyền dẫn có dây khác, cáp xoắn kép khá giới hạn về khoảng cách, băng thông và tốc độ truyền dữ liệu. Do những tính năng kỹ thuật phù hợp và giá thành thấp, cáp xoắn kép được sử dụng phổ biến lâu dài. (xt. Cáp xoắn kép)

Cáp đồng trục, tương tự như cáp xoắn kép, gồm cặp dây dẫn, tuy vậy có cấu trúc khác. Cáp bao gồm một dây dẫn ngoài thường được bọc và có dạng ống kim loại bao quanh một dây dẫn đơn bên trong. Dây dẫn bên trong được giữ bằng một lớp chất cách điện rắn lấp đầy ống kim loại rỗng của dây dẫn ngoài. Cáp đồng trục đơn thường có độ dày từ 1cm đến 2.5cm. Cáp đồng trục có thể sử dụng với khoảng cách dài hơn so với cáp xoắn kép và cho phép truyền nhiều kênh truyền tín hiệu trên một đường truyền chia sẻ. Cấu trúc của cáp đồng trục cho phép tín hiệu truyền với băng thông lớn và khả năng chịu nhiễu tốt. Băng thông của tín hiệu truyền qua cáp phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp và độ dài. Những cáp hiện đại có thể có băng thông truyền lên tới vài GHz. (xt. Cáp đồng trục)

Việc sử dụng đường điện để truyền dữ liệu là ý tưởng không mới. Các công ty cung cấp điện đã sử dụng đường điện để truyền tín hiệu tốc độ thấp khi thu nhận các dữ liệu điều khiện hệ thống mạng lưới điện và thiết bị điện theo chuẩn X.10. Hiện nay đường điện cũng được quan tâm trở lại khi sử dụng để truyền thông tốc độ cao cho các mạng LAN trong nhà hoặc kết nối Internet.

Cáp quang là phương tiện truyền dẫn sử dụng dây thủy tinh để dẫn ánh sáng phục vụ truyền thông với khoảng cách lớn. Hiện nay cáp quang được sử dụng phổ biến để truyền dữ liệu tầm trung và đường dài. Bốn yếu tố chính tạo ra ưu thế của cáp quang so với cáp đồng là: tốc độ dữ liệu, khoảng cách truyền, khả năng triển khai, giá thành. Cáp quang có thể truyền tải một lượng lớn dữ liệu so với cáp đồng qua khoảng cách hàng trăm km mà không cần bộ khuếch đại hay bộ lặp tín hiệu, do đó làm giảm giá thành lắp đặt và vận hành, đồng thời làm tăng độ tin cậy của hệ thống truyền thông vì các bộ lặp tín hiệu thường là các nguồn gây lỗi cho mạng. Việc sử dụng cáp quang trong tòa nhà có giá thành tương đương cáp đồng. Hai chế độ hoạt động phổ biến của cáp quang là chế độ đơn mốt (single mode) và chế độ đa mốt (multimode). Cáp quang đa mốt sử dùng LED làm nguồn sáng và có thể truyền tín hiệu với khoảng cách trong vòng 2km. Chế độ đơn mốt có thể truyền tín hiệu với khoảng cách xa lên tới hàng chục km. (xt. Cáp quang)

Cáp xoắn kép được A. G. Bell đưa vào sử dụng năm 1881trong truyền điện thoại, điện tín. Các phiên bản hiện nay sử dụng theo công bố tiêu chuẩn 2009 của Tổ chức Công nghiệp Viễn thông TIA với các chuẩn ANSI/TIA-568-C.0 – C.3.

Cáp đồng trục được sử dụng trong đường dây điện thoại đầu tiên vượt Đại Tây Dương năm 1858. Tới năm 1929, Phòng thí nghiệm Bell Telephone Lab của hãng AT&T đăng ký bằng sáng chế cho cáp đồng trục hiện đại. Tới năm 1949, bờ Đông nước Hoa Kì và miền Tây được kết nối bằng hệ thống cáp đồng trục đường dài. Năm 1962, 960km cáp đồng trục kết nối Sydney-Melbourne chứa tới 3x1260 kết nối điện thoại đồng thời và truyền tín hiệu TV trong thành phố.

Cáp quang được sử dụng thử nghiệm trong truyền tín hiệu truyền hình từ những năm 1930. Tới năm 1965, hệ thống truyền dữ liệu sử dụng cáp quang ra đời tại phòng Lab nghiên cứu của hàng Telefunken và được đăng ký bằng sáng chế vào năm 1966. Tới năm 1968, NASA sử dụng cáp quang trong các máy quay truyền hình trên các tầu thám hiểm mặt trăng. Hiện nay cáp quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dữ liệu đường dài.

Ứng dụng phổ biến nhất của cáp xoắn kép là trong hệ thống điện thoại có dây, hệ thống mạng máy tính. Hầu như các điện thoại đều kết nối tới các trạm của hãng điện thoại bằng cáp xoắn kép. Các cuộc gọi điện thoại và đường truy cập Internet qua công nghệ ADSL đều thực hiện trên những cáp nối này. Cáp Cat 5e/Class D công bố năm 2000 sử dụng cho các ứng dụng 1Gbps Ethernet, đảm bảo các yêu cầu truyền với tốc độ 1Gbps.

Cáp Cat 6/Class E công bố năm 2002 có những đặc tính tốt hơn Cat 5e trong những hệ thống áp dụng công nghệ Ethernet dùng hỗ hợp tốc độ 100Mbps với 1000Mbps. Cáp Cat 6A/Class EA sử dụng cho các ứng dụng 10Gbps Ethernet.

Cáp đồng trục là phương tiện truyền dẫn khá đa năng và được sử dụng trong nhiều lớp ứng dụng khác nhau. Những ứng dụng phổ biến nhất là:

• Phân phối tín hiệu TV;

• Truyền thoại đường dài;

• Kết nối máy tính khoảng cách ngắn;

• Mạng cục bộ, mạng khu vực.

Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi trong dịch vụ truyền hình cáp và mạng khu vực. Trong trường hợp này, tín hiệu truyền hình được truyền từ trạm phát tới từng nhà. Hệ thống truyền hình cáp có thể truyền được hàng trăm kênh truyền hình tới khoảng cách lên tới hàng chục tới hàng trăm km. Cáp đồng trục thường được dùng trong dịch vụ điện thoại đường dài, tuy vậy hiện nay dần được thay thế bằng cáp quang đối với các đường truyền liên quốc gia.

Cáp quang thường sử dụng trong các mạng máy tính và mạng viễn thông do tính linh hoạt cà có thể tạp thành các bó cáp lớn. Cáp quang có ưu thế lớn trong truyền thông đường dài vì tia hồng ngoại truyền trong sợi thủy tinh với độ suy hao thấp hơn nhiều so với sóng điện từ trong các dây dẫn điện, cho phép truyền dữ liệu khoảng cách lớn sử dụng ít bộ lặp hơn nhiều. Vì sự suy giảm tín hiệu trong các cáp quang hiện đại nhỏ hơn cáp đồng rất nhiều nên cáp quang thường được ưu tiên sử dụng cho các khoảng cách lớn từ cỡ 70-150 km với các bộ lặp tín hiệu.

Tài liệu tham khảo

1. A.S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
2. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2007.
3. Dimitri Bertsekas, and Robert Gallager, "Data Networks," Prentice Hall, 1992.