Đề tài Những nguyên lý sáng tạo trong công nghệ không dây cho thiết bị di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG ________________ BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Đề tài: Những nguyên lý sáng tạo trong công nghệ không dây cho thiết bị di động Giảng viên hướng dẫn: GS.TSKH. Hoàng Kiếm Học viên thực hiện: Trần Thanh Quốc Thắng TP. HCM, năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 1 - Mở đầu Khoa học ngày nay đã trở thành nhân tố quan trọng nhất trong sự tồn tại và phát triển của nhân loại. Khoa học đã giúp cải thiện cuộc sống của con người, làm cho cuộc sống con người trỡ nên thuận tiện hơn, văn minh hơn, giúp con người lý giải, khám phá thế giới xung quanh, từ đó có thể tác động ngược trỡ lại theo hướng có lợi cho mình. Việc phát minh, sáng chế đòi hỏi phải có một quá trình lâu dài và sự chuẩn bị, nghiên cứu thật kỹ lưỡng. Trãi qua một giai đoạn dài, các nhà khoa học cũng đã rút ra được một số các nguyên lý sáng tạo, có thể dùng chúng như một sự tham khảo, một hướng suy nghĩ, tiếp cận trong quá trình sáng tạo ra một công nghệ mới hay một sản phẩm mới. Trong phạm vi hạn hẹp của bài thu hoạch này, tác giã sẽ đề cập tới sự phát triển của công nghệ không dây dựa trên các nguyên tắc sáng tạo khoa học. Xin được gửi lời cảm ơn đến Giáo sư - Tiến sỹ Khoa Học Hoàng Văn Kiếm, người đã tận tâm truyền đạt những kiến thức nền tảng cơ bản về môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học”. Bên cạnh đó cũng xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm Wireless thuộc công ty trách nhiệm hữu hạn thiết kế Renesas đã tận tình giúp đỡ tác giã hoàn thành bài thu hoạch này. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 2 - MỤC LỤC PHẦN I : CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG ................................. 4 I. Vai trò của công nghệ không dây trong thiết bị di động .............................................. 4 II. Các công nghệ không dây phổ biến trên thiết bị di động hiện nay .............................. 5 II.1. Global positioning system ........................................................................................................... 5 II.2. Bluetooth ...................................................................................................................................... 7 II.3. Wireless fidelity ............................................................................................................................ 8 II.4. Near field communication...........................................................................................................10 PHẦN II : CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY ........................................................................................................ 12 I. 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản của Alshuller .......................................................... 12 II. Công nghệ không dây dựa trên các nguyên tắc sáng tạo ........................................ 13 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 19 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 3 - BẢNG TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa GPS Global Positioning System Wi-Fi Wireless Fidelity NFC Near Field Communication GHz Gigahertz MHz Megahertz Mbps Mega bit per second Kbps Kilo bit per second ACK Acknowledge NMEA National Marine Electronics Association IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ISO International Organization for Standardization IEC International Electrotechnical Commission ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 4 - PHẦN I : CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG I. Vai trò của công nghệ không dây trong thiết bị di động Ngày nay, công nghệ không dây đã trỡ thành một trong những tính năng quan trọng nhất cho các thiết bị di động. Công nghệ không dây đã có mặt ở hầu hết các thiệt bị như điện thoại, máy tính bảng, máy tính xách tay, các thiết bị chơi game, máy in, máy quay phim… Thật khó để nói một chiếc điện thoại di động là “thông minh” nếu nó không có được các chức năng kết nối không dây. Các công nghệ không dây phổ biến hiện nay có thể kể đến 4 loại chính: Global positioning system (hệ thống định vị toàn cầu): với công nghệ này được tích hợp trên thiết bị di động, người dùng có thể dễ dàng xác định vị trí mà mình đang đứng cho dù họ đang ở bất kỳ đâu trên trái đất. Công nghệ này ra đời có thể dẫn đến việc xóa sổ cách tìm đường đi truyền thống của con người (sử dụng bản đồ, la bàn). Công nghệ GPS khi được tích hợp trên các loại phương tiện giao thông còn giúp cho người dùng có thể dàng tìm kiếm đường đi thích hợp, góp phần giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông. Ngoài ra, thiết bị GPS khi được dùng trên xe sẽ giúp chủ phương tiện và công an có thể xác định chính xác vị trí của xe trong trường hợp xe bị đánh cắp. Bluetooth: là loại công nghệ cho phép chia sẽ dữ liệu, thông tin giữa thiết bị với thiết bị mà không cần phải nối dây trực tiếp từ thiết bị này tới thiết bị kia. Người dùng có thể dễ dàng chia sẽ một đoạn nhạc hay phim trên thiết bị di động của mình với bất kỳ thiết bị nào khác của bạn bè miễn là thiết bị đó cũng được tích hợp chức năng Bluetooth. Ngoài việc chia sẽ dữ liệu, Bluetooth còn có thể được dùng cho việc điều khiển từ xa (ví dụ: bàn phím Bluetooth). Công nghệ Bluetooth còn được sử dụng trong các ứng dụng về y tế, giúp người dùng có thể tự kiểm tra sức khỏe của mình (ví dụ như kiểm tra huyết áp) thông qua việc kết nối, truyền nhận thông tin từ thiết bị di động đến các thiết bị y tế chuyên dụng. Wireless fidelity: là loại công nghệ không dây phổ biến và được sử dụng rộng rãi ngày nay. Wi-Fi cho phép thiết bị di động có thể kết nối với hệ thống mạng Internet cũng như cho phép các thiết bị có thể trực tiếp kết nối với nhau. Ưu điểm lớn ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 5 - nhất của công nghệ Wi-Fi là ở khả năng cho phép kết nối nhiều thiết bị trong phạm vi rộng và truyền nhận dữ liệu với tốc độ cao. Near field communication: là công nghệ không dây khá mới hiện nay. Công nghệ này khá giống với công nghệ Bluetooth nhưng có ưu điểm hơn ở chỗ cho phép thiết lập kết nối nhanh, dễ dàng, tiết kiệm năng lượng và bảo mật cao. Do có tính bảo mật cao, công nghệ NFC chủ yếu được dùng trong các ứng dụng thanh toán trực tuyến; lưu trữ và chia sẽ thông tin có tính chất quan trọng như thông tin cá nhân, mật mã để mỡ khóa nhà, xe… Với một thiết bị di động có chức năng NFC, người dùng có thể yên tâm lưu trữ các thông tin quan trọng trên đó và dễ dàng chia sẽ khi cần thiết mà không sợ bị đánh cắp thông tin. Ngày nay, công nghệ NFC được dùng khá phổ biến ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc… II. Các công nghệ không dây phổ biến trên thiết bị di động hiện nay II.1. Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu GPS được xây dựng và bảo trì bởi chính phủ Mỹ. Nó được chính thức đưa vào hoạt động đầy đủ từ năm 1994. Ban đầu, hệ thống này được chính phủ Mỹ xây dừng để phục vụ cho mục đích quân sự là chính. Sau đó, nó được sự chấp thuận của chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống vào các mục đích dân sự. Ngày nay, ngoài hệ thống GPS của chính phủ Mỹ còn có một hệ thống tương tự của Nga với tên gọi Global Navigation Satellite System và một vài hệ thống đang trong giai đoạn triển khai của Trung Quốc (Compass Navigation System) và liên minh châu Âu (Galileo Positioning System). Ở khía cạnh người dùng, thật ra khi nói đến thuật ngữ GPS trên một thiết bị di động bất kỳ nào đó là đang nói đến “thiết bị nhận GPS”. Một hệ thống GPS bao gồm tối thiểu 24 vệ tinh được điều khiển bay theo những quỹ đạo đã được tính toán sẵn (số lượng vệ tinh có thể thay đổi tùy thời điểm do mục đích bảo trì hay hỏng hóc, ngày nay con số vệ tinh đã là 32). Các thiết bị di động sẽ chứa một thiết bị dùng để nhận và phân giải thông tin từ các vệ tinh này gửi đến. Thiết bị nhận GPS có 3 chức năng chính:  Định vị ít nhất 3 vệ tinh đang ở gần nó nhất  Xác định khoảng cách từ các vệ tinh đến thiết bị ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 6 -  Tính toán ra vị trí của thiết bị nhờ vào các thông tin trên Việc tính toán vị trí của thiết bị nhờ vào 2 thuật toán chính là: 2D Trialteration và 3D Trialteration. Ý tưởng chính của 2 thuật toán này khá giống nhau: vị trí chính xác sẽ được xác định thông qua giao điểm của các đường tròn (hay các mặt cầu) Hình 2.1: Minh họa thuật toán định vị Hình vẽ trên minh họa ý tưởng căn bản của thuật toán xác định vị trí. Ban đầu, thiết bị nhận được thông tin về khoảng cách từ nó đến vệ tinh S1 là 50Km, khi đó vị trí của thiết bị sẽ là tại bất kỳ điểm nào đó trên đường tròn S1. Kế đến nó nhận được thông tin từ vệ tinh S2 đang ở cách nó 80Km, lúc này thiết bị có thể giới hạn lại vị trí của nó chỉ còn 2 điểm là giao điểm của 2 đường tròn S1 và S2. Cuối cùng, nhờ có thêm thông tin từ vệ tinh S3, nó có thể xác định được chính xác vị trí của nó là tại giao điểm của 3 đường tròn S1, S2 và S3. Thông tin truyền từ vệ tinh đến thiết bị có thể bị sai lệch do ảnh hưởng của môi trường xung quanh như: áp suất khí quyển, điều kiện về thời tiết… Việc này sẽ dẫn đến việc tính toán sai vị trí. Để làm giảm ảnh hưởng của môi trường đến việc tính toán, tín hiệu trước khi được truyền trực tiếp đến thiết bị, nó cũng sẽ được truyền đến các trạm thu phát sóng trung gian để tính toán sự sai lệch của tín hiệu trong quá trình truyền tin, thông tin sai lệch này sau đó sẽ được các trạm trung gian này truyền đến cho các thiết bị, giúp cho các thiết bị tính toán vị trí chính xác hơn. Các trạm này hiện nay được phân bổ ở Mỹ, Châu Âu, Nhật và Úc. S1 S2 S3 50Km 80Km 40Km ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 7 - Các chuẩn giao thức dùng cho việc định dạng dữ liệu GPS cũng rất đa dạng tùy vào sự lựa chọn của nhà sản xuất thiết bị nhận GPS và mục đích sử dụng. Một vài chuẩn phổ biến hiện như: SiRF, National Marine Electronics Association (NMEA). II.2. Bluetooth Công nghệ Bluetooth được cho ra mắt lần đầu tiên vào năm 1994 bởi Ericson. Ngày nay công nghệ này được quản lý bởi một tổ chức có tên gọi Bluetooth Special Interest Group. Mục đích ban đầu của công nghệ Bluetooth là nhằm thay thế cho việc truyền dữ liệu thông qua dây cáp. Bluetooth là công nghệ cho phép kết nối từ một thiết bị này đến một thiết bị khác, hoặc từ một thiết bị tới nhiều thiết bị thông qua việc sử dụng sóng radio ở tần số 2.4 – 2.5 GHz trong một phạm vi nhất định (khoảng 10m). Một vùng kết nối như vậy được gọi là một piconet. Trong một piconet sẽ có một thiết bị hoạt động như là thiết bị chủ (master), các thiết bị còn lại sẽ là thiết bị tớ (slave). Hình 2.2: (a) piconet với một thiết bị tớ; (b) piconet với nhiều thiết bị tớ Tập hợp nhiều piconet sẽ tạo thành một scatternet. Cấu tạo của một scatternet gồm hai loại:  Một thiết bị tớ trong piconet này cũng là thiết bị tớ trong piconet kia  Một thiết bị tớ trong piconet này nhưng lại là thiết bị chủ trong piconet kia (a) (b) Master Slave ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 8 - Một quá trình kết nối của hai thiết bị chủ-tớ trãi qua 4 bước chính:  Bước 1: thiết bị chủ sẽ gửi một tín hiệu dò tìm các thiết bị Bluetooth xung quanh.  Bước 2: các thiết bị Bluetooth khác khi nhận được tín hiệu dò tìm từ thiết bị chủ sẽ phản hồi lại bằng một tín hiệu trã lời.  Bước 3: thiết bị chủ khi phát hiện có tín hiệu trã lời, nó sẽ gửi một tín hiệu khác để yêu cầu được kết nối.  Bước 4: các thiết bị khác nếu chấp nhận kết nối từ thiết bị chủ sẽ gửi một tín hiệu báo cho phép kết nối. Các thiết bị Bluetooth thực hiện truyền dữ liệu thông qua một tập các giao thức (profile) đã được quy định từ trước. Một vài giao thức Bluetooth được sử dụng phổ biến:  Advanced Audio Distribution Profile: giao thức này liên quan đến việc truyền nhận dữ liệu âm thanh, được hiện thực trong các thiết bị tai nghe Bluetooth.  Human Interface Device Profile: giao thức này liên quan đến việc truyền dữ liệu của các thiết bị điều khiển nhập xuất, được hiện thực trong các thiết bị bàn phím Bluetooth.  Health Device Profile: giao thức này quy định việc truyền dữ liệu trong y học, được hiện thực trong các thiết bị y tế. II.3. Wireless fidelity Wi-Fi là công nghệ không dây dựa trên bộ giao thức 802.11 của tổ chức Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Bộ giao thức IEEE 802.11 ra đời đầu tiên vào những năm 1985. Năm 1999, một tổ chức với tên gọi Wi-Fi Alliance ra đời đã đăng ký và sỡ hữu độc quyền thương hiệu Wi-Fi. Tuy nhiên, công nghệ Wi- Fi của tổ chức Wi-Fi Alliance vẫn chủ yếu dựa vào các bộ giao thức 802.11 do IEEE đề xuất. Nhiệm vụ chính của tổ chức Wi-Fi Alliance là đứng ra kiểm tra và cấp chứng nhận Wi-Fi cho những thiết bị đã thõa yêu cầu của bộ giao thức 802.11 và có khả năng hoạt động tương thích với các thiết bị Wi-Fi khác. Đồng thời tổ chức này cũng tiếp tục nghiên cứu và đề xuất cho ra các công nghệ Wi-Fi mới (ví dụ: Wi-Fi Protected Setup, Wi-Fi Direct…) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 9 - Hình 2.3: Wi-Fi logo Khi mua một thiết bị mới, nếu thiết bị đã được chứng nhận là đầy đủ tính năng và có khả năng tương thích với các thiết bị Wi-Fi khác, Wi-Fi logo sẽ được dán kèm trên thiết bị. Công nghệ Wi-Fi hoạt động ở 2 tần số radio là 2.4GHz và 5GHz trong phạm vi hơn 100m. Bộ giao thức Wi-Fi hoạt động ở tầng liên kết trong mô hình TCP/IP. Do đó, Wi-Fi có khả năng hoạt động tương thích với các giao thức TCP/IP dùng cho việc truy cập vào mạng Internet. Một hệ thống mạng Wi-Fi có thể phân ra thành 2 dạng chính:  Dạng hạ tầng (infrastructure mode): là dạng mà các thiết bị sẽ không truyền dữ liệu trực tiếp cho nhau. Ở dạng này, các thiết bị sẽ truyền dữ liệu đến một thiết bị trung gian gọi là access point, sau đó access point sẽ phân tích gói dữ liệu và truyền tới thiết bị nhận.  Dạng trực tiếp (ad-hoc mode): là dạng mà các thiết bị sẽ truyền dữ liệu trực tiếp với nhau mà không cần phải thông qua access point. Ưu điểm của dạng này là cho phép thiết lập kết nối đơn giản hơn so với dạng hạ tầng nhưng cho tốc độ chậm hơn và khoảng cách truyền ngắn hơn. Về phương diện bảo mật, một hệ thống mạng Wi-Fi có thể chia ra làm 2 loại chính:  Mạng mỡ: đây là loại mạng không bảo mật, các thiết bị được phép tự do truy cập vào mạng, quá trình thiết lập kết nối diễn ra rất đơn giản và nhanh chóng. Ban đầu access point sẽ liên tục phát ra tín hiệu thông báo cho các thiết bị biết về sự hiện diện của nó, các thiết bị sẽ bắt tín hiệu phát ra từ access point, thiết bị nếu muốn kết nối vào access point sẽ gửi tới access ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 10 - point đó một tín hiệu yêu cầu được kết nối, access point sẽ gửi trỡ lại một tín hiệu thông báo cho phép kết nối.  Mạng bảo mật: đây là loại mạng có sử dụng các giao thức chứng thực, mã hóa để bảo vệ thông tin và chỉ cho phép những người dùng hợp pháp được phép truy cập vào mạng. Quá trình kết nối giữa các thiết bị trãi qua rất nhiều bước tinh vi và có thể tóm lược gồm 5 bước chính: tìm kiếm, chứng thực, liên kết, trao đổi khóa và mã hóa thông tin. Với mạng bảo mật, thông tin trước khi truyền đi sẽ được mã hóa với các thuật toán tương ứng với giao thức bảo mật mà hệ thống đang sử dụng. Ví dụ mạng được bảo mật với giao thức Wired Equivalent Privacy sẽ sử dụng thuật toán RC4 để mã hóa thông tin; mạng được bảo mật với giao thức Wi-Fi Protected Access sẽ sử dụng thuật toán Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol. II.4. Near field communication Công nghệ NFC là công nghệ không dây dựa trên việc truyền sóng radio tương tự như Wi-Fi và Bluetooth nhưng ở tần số thấp hơn là 13.56 MHz. Năm 2004, Nokia, Philips và Sony đã chính thức thiết lập một diễn đàn chung về công nghệ NFC. Kể từ thời điểm đó đến nay, NFC đã phát triển nhanh chóng và trỡ thành công nghệ truyền dữ liệu không dây đáng tin cậy nhất. NFC chỉ cho phép thiết lập kết nối giữa các thiết bị trong một phạm vi ngắn (nhỏ hơn 4cm) với tốc độ từ 106 Kbps tới 848 Kbps. Trong một phiên kết nối giữa 2 thiết bị NFC, một thiết bị được gọi là thiết bị khởi tạo (initiator) và thiết bị còn lại được gọi là đối tượng (target). Trong công nghệ NFC có 2 kiểu hoạt động:  Kết nối bị động: trong kết nối này, thiết bị khởi tạo có khả năng cung cấp năng lượng cho đối tượng thông qua sóng radio. Đối tượng hoạt động dựa theo sự điều khiển của thiết bị khởi tạo. Do đó, các đối tượng có thể đơn giản chỉ là 1 tấm thẻ hay 1 loại nhãn mà không cần có nguồn cung cấp năng lượng. Đây cũng có thể được coi là một điểm mạnh của công nghệ NFC so với các công nghệ không dây khác.  Kết nối chủ động: trong kết nối này, thiết bị khởi tạo và đối tượng có sự tương tác qua lại lẫn nhau. Cả 2 đều có nguồn cung cấp năng lượng riêng. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 11 - Công nghệ NFC dựa trên nhiều loại tiêu chuẩn như: tiêu chuẩn của ISO/IEC cho các loại thẻ, giao thức truyền nhận dữ liệu; tiêu chuẩn cho việc định dạng dữ liệu sẽ được dựa theo các tài liệu trên diễn đàn NFC… ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 12 - PHẦN II : CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY I. 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản của Alshuller  Nguyên tắc phân nhỏ  Nguyên tắc tách khỏi  Nguyên tắc phẩm chất cục bộ  Nguyên tắc phản đối xứng  Nguyên tắc kết hợp  Nguyên tắc vạn năng  Nguyên tắc chứa trong  Nguyên tắc phản trọng lượng  Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ  Nguyên tắc thực hiện sơ bộ  Nguyên tắc dự phòng  Nguyên tắc đẳng thế  Nguyên tắc đảo ngược  Nguyên tắc cầu (tròn) hóa  Nguyên tắc linh động  Nguyên tắc giải "thiếu" hoặc "thừa"  Nguyên tắc chuyển sang chiều khác  Sử dụng các dao động cơ học  Nguyên tắc tác động theo chu kỳ  Nguyên tắc liên tục tác động có ích  Nguyên tắc "vượt nhanh"  Nguyên tắc biến hại thành lợi  Nguyên tắc quan hệ phản hồi  Nguyên tắc sử dụng trung gian  Nguyên tắc tự phục vụ  Nguyên tắc sao chép  Nguyên tắc "rẻ" thay cho "đắt" ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 13 -  Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học  Sử dụng các kết cấu khí và lỏng  Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng  Sử dụng vật liệu nhiều lỗ  Nguyên tắc thay đổi màu sắc  Nguyên tắc đồng nhất  Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần  Thay đổi các thông số hóa lý của đối tượng  Sử dụng chuyển pha  Sử dụng sự nở nhiệt  Sử dụng chất oxy hóa mạnh  Thay đổi độ trơ  Sử dụng vật liệu hợp thành composit II. Công nghệ không dây dựa trên các nguyên tắc sáng tạo  Nguyên tắc phân nhỏ Những ứng dụng của công nghệ không dây ngày nay rất đa dạng, từ việc cho phép thiết bị này truy cập vào thiết bị khác để chia sẽ thông tin, ứng dụng cho đến việc cho phép thiết bị truy cập vào hệ thống vệ tinh để xác định vị trí. Công nghệ không dây trên thiết bị di động được phân chia thành 4 loại, mỗi loại phục vụ cho những mục đích khác nhau:  GPS được dùng trong các ứng dụng tìm kiếm, định vị  Bluetooth được dùng trong các ứng dụng chia sẽ dữ liệu trực tiếp  Wi-Fi dùng trong các ứng dụng kết nối Internet  NFC dùng trong các ứng dụng thanh toán trực tuyến đòi hỏi bảo mật cao  Nguyên tắc tách khỏi Công nghệ NFC có thể được coi là công nghệ được cải tiến, tách ra từ công nghệ Bluetooth. NFC sử dụng phương thức cho phép kết nối thiết bị với thiết bị như Bluetooth nhưng không cần tốc độ cao vì NFC dành cho những ứng dụng chia sẽ thông tin nhỏ nhưng đòi hỏi bảo mật cao. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 14 - Ngoài ra công nghệ NFC còn thừa kế khả năng tiết kiệm năng lượng như công nghệ Bluetooth để thích hợp cho các ứng dụng trên thiết bị di động.  Nguyên tắc phẩm chất cục bộ Trong hệ thống mạng Wi-Fi, thay vì đồng nhất vai trò của tất cả thiết bị như là client, chúng lại được phân chia thành 2 loại thiết bị: client và access point. Việc phân chia này giúp chuyên môn hóa vai trò của từng loại thiết bị để cho phép tốc độ truy cập dữ liệu nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị client và cho phép mỡ rông hệ thống mạng dễ dàng hơn.  Nguyên tắc phản đối xứng Hệ thống vệ tinh GPS là một hệ thống bất đối xứng với 24 vệ tinh được bố trí trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng nghiêng một góc 55° so với mặt phẳng quỹ đạo. Việc bố trí này giúp cho khả năng bao quát của hệ thống rộng hơn và tránh việc có quá nhiều vệ tinh cùng tập trung tại một điểm. Ngoài ra, cách bố trí này còn giúp tránh lực hấp dẫn giữa các vệ tinh, giúp các vệ tinh giữ đúng quỹ đạo bay.  Nguyên tắc kết hợp Công nghệ Wi-Fi ngày nay cho phép kết hợp việc truyền và nhận tin đồng thời tại cùng một thời điểm, giúp cho tốc độ truy cập của Wi-Fi cải thiện rõ rệt. Sự kết hợp này đạt được nhờ vào việc cho phép sử dụng kết hợp các antenna thu phát sóng radio, trong khi một antenna đang được dùng cho việc truyền thông tin đến thiết bị khác, antenna còn lại vẫn có thể nhận thông tin gửi đến cho thiết bị. Các bộ giao thức Wi-Fi trước đây chỉ cho phép Wi-Fi hoạt động ở tần số 2.4 GHz. Với chuẩn Wi-Fi 802.11n ra đời năm 2009, nó cho phép Wi-Fi có thế hoạt động kết hợp trên 2 tần số: 2.4GHz và 5GHz, cho phép tốc độ truy cập Wi-Fi có thể đạt tới một con số đáng kinh ngạc 600Mbps.  Nguyên tắc vạn năng Công nghệ Wi-Fi mới nhất hiện nay: Wi-Fi direct, cho phép kết nối trực tiếp giữa thiết bị với thiết bị mà không cần thông qua access point. Với công nghệ mới này, Wi-Fi hoàn toàn có thể dần thay thế cho Bluetooth, giúp tiết kiệm chi phí trong sản xuất nhưng vẫn đảm bảo đủ tính năng mong muốn của một thiết bị di động, vừa ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 15 - có khả năng kết nối vào mạng Internet, vừa có khả năng kết nối trực tiếp với thiết bị khác.  Nguyên tắc chứa trong Để gia tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu so với các phiên bản cũ, công nghệ “Bluetooth 3.0 + High Speed” ngoài việc đưa ra các chuẩn giao thức giúp cho việc tiết kiệm năng lượng, nó còn chứa trong đó bộ giao thức 802.11 cho phép tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn gấp nhiều lần so với các phiên bản trước đó. “Bluetooth 3.0 + High Speed” cho phép sử dụng 802.11 radio, hiện thực các phương thức tổ chức và truyền nhận dữ liệu như trong bộ giao thức 802.11 của Wi-Fi.  Nguyên tắc phản trọng lượng Cuộc chạy đua giữa công nghệ Wi-Fi và công nghệ Bluetooth là 1 cuộc chiến thật sự. Công nghệ Wi-Fi ngày càng thể hiện ưu điểm vượt trội về mặt tốc độ và khoảng cách hơn so với Bluetooth. Để công nghệ Bluetooth có thể tiếp tục tồn tại, các nhà phát triển đã bù trừ sự yếu kém về mặt tốc độ và khoảng cách bằng việc cải thiện mức tiêu thụ năng lượng. Phiên bản Bluetooth mới nhất “Bluetooth 4.0” đã đem đến một giải pháp hoàn hảo cho việc tiết kiệm năng lượng, giúp tiết kiệm pin và cho thời gian sử dụng lâu hơn so với các phiên bản Bluetooth trước đó cũng như công nghệ Wi-Fi mới nhất hiện nay.  Nguyên tắc dự phòng Bảo mật là ưu tiên hàng đầu trong việc phát triển công nghệ Wi-Fi. Do tính chất đặc thù của công nghệ Wi-Fi là truyền dữ liệu trong môi trường không khí thông qua sóng radio, dữ liệu rất dễ bị thất thoát, đánh cắp hay cố tình làm nhiễu. Vì thế, nguyên tắc dự phòng, hạn chế tối đa việc thất thoát thông tin rất được quan tâm trong việc phát triển ra các chuẩn, giao thức. Thể hiện của nguyên tắc dự phòng trong công nghệ Wi-Fi là việc cho phép kiểm tra, phát hiện các gói tin đã được gửi thành công hay chưa? Các gói tin có bị thất thoát hay bị sai trong quá trình gửi không? Nếu có, chúng sẽ được gửi lại. Việc kiểm tra các gói tin đã được gửi thành công hay chưa có thể thực hiện nhờ vào một cơ chế đơn giản như sau: thiết bị gửi sẽ gửi gói tin đến thiết bị nhận, nếu việc nhận thành công, thiết bị nhận sẽ gửi 1 gói tin (ACK) trỡ lại để thông báo cho thiết bị gửi ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 16 - biết là gói tin đã được nhận thành công; trong trường hợp việc nhận thất bại, thiết bị nhận sẽ không gửi ACK trỡ lại và sau một khoảng thời gian đã được tính toán trước, nếu thiết bị nhận không nhận được tín hiệu ACK, nó sẽ tự động gửi lại gói tin nói trên. Việc kiểm tra tính toàn vẹn của gói tin được thực hiện thông qua thuật toán Temporal Key Integrity Protocol. Nếu gói tin không còn nguyên vẹn, thiết bị nhận cũng sẽ không gửi gói tin ACK.  Nguyên tắc đảo ngược Công nghệ NFC ra đời như là 1 công nghệ đi ngược lại với xu hướng phát triển của công nghệ Wi-Fi và công nghệ Bluetooth. Thay vì cố gắng làm gia tăng khoảng cách kết nối giữa các thiết bị để cho phép các thiết bị có thể truy cập xa hơn như Bluetooth và Wi-Fi, NFC lại chỉ cho phép các thiết bị kết nối với nhau ở khoảng cách ngắn nhằm làm tăng tính bảo mật của thiết bị. Với ý tưởng đảo ngược này, công nghệ NFC đã thể hiện ưu điểm hoàn toàn vượt trội trong vấn đề bảo mật thông tin, rất thích hợp dùng cho các ứng dụng đòi hỏi bảo mật cao.  Nguyên tắc cầu (tròn) hóa Các vệ tinh trong hệ thống GPS được bố trí dựa theo nguyên tắc cầu tròn hóa, phản đối xứng nhằm giúp cho hệ thống vệ tinh có thể bao quát hơn, tránh lực hấp dẫn… (xem phần giải thích trong mục “Nguyên tắc phản đối xứng”)  Nguyên tắc linh động Hệ thống kết nối giữa thiết bị và access point trong công nghệ Wi-Fi được xây dựng rất linh động. Khi người dùng di chuyển thiết bị càng xa access point thì tín hiệu liên kết giữa thiết bị và access point càng yếu, làm ảnh hưởng tới tốc độ truyền dữ liệu. Tuy nhiên với bộ giao thức được thiết kế linh động, thiết bị khi đó có thể tự tìm cho mình một access point khác gần nhất, tín hiệu mạnh nhất để kết nối nhưng vẫn đảm bảo dữ liệu từ access point trước đó có thể truyền đầy đủ tới thiết bị thông qua access point mới. Ngoài ra, tính linh động của công nghệ Wi-Fi còn thể hiện ở việc nếu thiết bị đã kết nối với access point trước đó và thực hiện đầy đủ các bước kết nối thì khi thiết bị muốn kết nối lại, nó có thể bỏ qua một số bước (ví dụ: bước chứng thực, nhập mật ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 17 - mã) giúp cho quá trình thiết lập kết nối nhanh hơn, thuận tiện hơn cho người sử dụng.  Nguyên tắc sử dụng trung gian Thay vì chỉ cho phép 2 thiết bị trực tiếp kết nối để chia sẽ dữ liệu với nhau, công nghệ NFC cho phép sử dụng thẻ trung gian (token) để lưu trữ thông tin của thiết bị này, sau đó thông tin này sẽ được chia sẽ cho thiết bị khác. Việc cho phép sử dụng kết hợp này giúp người dùng linh động hơn trong việc lựa chọn phương thức kết nối NFC phù hợp với ứng dụng của mình. Một ví dụ minh họa: hệ thống khóa trong nhà bạn là một hệ thống điều khiển tự động, sử dụng NFC. Mã số được lưu trong điện thoại của bạn và bạn sẽ sử dụng bằng cách tiếp xúc điện thoại của bạn với giao diện NFC gắn trong nhà. Thêm vào đó, bạn có thể lấy thông tin mã số nhà để lưu vào thẻ trung gian như một phương án dự phòng hoặc cho người thân trong gia đình sử dụng. Trong hệ thống GPS, việc truyền dữ liệu từ vệ tinh tới thiết bị nhận một cách trực tiếp có thể làm cho tín hiệu bị sai lệch, nhiễu do ảnh hưởng của bầu khí quyển và vị trí của thiết bị nhận, dẫn đến việc thiết bị không thể tính toán chính xác vị trí của nó. Để làm giảm sự sai lệch trên, tín hiệu từ vệ tinh sẽ được truyền đến những trạm thu phát sóng trung gian đã được cố định vị trí rồi mới truyền tới thiết bị nhận nhằm làm giảm sự sai số do ảnh hưởng của việc truyền tin trong bầu khí quyển.  Nguyên tắc tự phục vụ Công nghệ Wi-Fi thể hiện ưu điểm vượt trội ở khả năng tự động kết nối, tạo thuận lợi cho người sử dụng. Khi một thiết bị Wi-Fi đã được kết nối với một thiết bị khác thì ở những lần kết nối sau, người dùng không cần thiết phải thực hiện lại các thao tác như lần đầu. Thiết bị sẽ ghi nhớ lại những lần kết nối trước đó và nó sẽ tự động tìm kiếm, lựa chọn những kết nối tối ưu nhất và thực hiện việc kết nối.  Nguyên tắc sao chép Một điều rất dễ nhận thấy là cả 3 loại công nghệ Wi-Fi, NFC và Bluetooth có rất nhiều điểm giống nhau, sao chép lẫn nhau như:  Sử dụng sóng radio để truyền và nhận dữ liệu  Cho phép kết nối trực tiếp từ thiết bị tới thiết bị ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 18 -  Cho phép mã hóa, bảo mật thông tin trong lúc truyền  Nguyên tắc đồng nhất Các thiết bị GPS, Wi-Fi và Bluetooth đã có một thời gian phát triển khá dài. Tuy nhiên, các thiết bị mới ra đời dù cho tốc độ nhanh hơn, bảo mật hơn nhưng chúng vẫn có thể hoạt động tương thích với thiết bị cũ nhờ vào sự phát triển đồng nhất giữa các chuẩn, giao thức. Các thiết bị GPS khác nhau có thể xuất ra các định dạng dữ liệu khác nhau (như Sirf, NMEA…) nhưng dữ liệu đầu vào của chúng đều tuân thủ theo một định dạng nhất định nhằm giúp cho các thiệt bị khác nhau vẫn có thể hoạt động tương thích với dữ liệu chung từ vệ tinh. Một thiết bị Wi-Fi mới nhất cho phép hoạt động trên cả 2 tần số 2.4GHz và 5GHz với tốc độ có thể lên đến 600Mbps theo chuẩn 802.11n vẫn có thể hoạt động tương thích với một access point cũ 5GHz với tốc độ chỉ 54Mbps theo chuẩn 802.11a. Điều này đạt được nhờ vào việc phát triển đồng nhất các chuẩn giao thức ra đời sau với các chuẩn trước đó. Các thiết bị Bluetooth mới nhất như tai nghe, bàn phím hoàn toàn có khả năng hoạt động tương thích với một chiếc điện thoại hỗ trợ Bluetooth trước đó nếu như chúng được hiện thực các giao thức Advanced Audio Distribution Profile, Human Interface Device Profile mà không cần quan tâm đến sự tương thích phần cứng giữa chúng.  Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần Trong công nghệ Wi-Fi, các gói tin sẽ được chia nhỏ trước khi truyền đi và sẽ được gộp lại sau khi tất cả các gói tin đã được nhận. Việc phân chia này có hai lợi ích: lợi ích thứ nhất là cùng một gói tin lớn, nếu chia nó ra thành nhiều gói tin nhỏ thì sẽ có thể truyền đồng thời các gói tin nhỏ này, giúp gia tăng tốc độ truyền dữ liệu; lợi ích thứ hai là giúp việc sử dụng hệ thống mạng hiệu quả hơn vì khi đó các gói tin nhỏ sẽ được truyền tới bất cứ đường mạng nào đang trống. TP.HCM, tháng 04 năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO TRONG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY CHO THIẾT BỊ DI ĐỘNG - 19 - Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học” Giảng viên: GS.TSKH Hoàng Văn Kiếm Chương trình đào tạo thac sĩ CNTT qua mạng Trung tâm phát triển CNTT ĐH Quốc gia TP.HCM - 2005 2. Giải một bài toán trên máy tính như thế nào? GS.TSKH Hoàng Kiếm Nhà xuất bản giáo dục – 2003 3. 40 thủ thuật (nguyên tắc) sáng tạo cơ bản PGS-TS Phan Dũng 4. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide Tác giả Matthew Gast Nhà xuất bản O’Reilly – 2002 5. Understanding GPS Principles and Applications Tác giả Elliott D. Kaplan và Christopher J. Hegarty Nhà xuất bản Artechhouse – 2006 6. 7.