ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Anh Dũng
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY WIMAX
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hà Nội - 2007
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Anh Dũng
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY WIMAX
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
Ngμnh
: Công nghệ điện tử - viễn thông
Chuyên ngμnh : Kỹ thuật vô tuyến điện tử viễn thông tin liên lạc
Mã số
: 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGÔ THÁI TRỊ
Hà Nội - 2007
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY .................................... 3
1.1. Tổng quan về các chuẩn không dây ................................................................. 3
1.2. Kiến trúc chung của các chuẩn IEEE 802.11 và 802.16 .................................. 4
1.3. Công nghệ Wifi ............................................................................................. 5
1.3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 5
1.3.2. Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu........................................................... 7
1.4. Công nghệ WiMax........................................................................................... 8
1.4.1. Khái niệm .............................................................................................. 8
1.4.2. Đặc điểm ............................................................................................... 8
1.4.3. Các chuẩn của Wimax ......................................................................... 10
1.4.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 - 2001...................................................... 10
1.4.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a - 2003 .................................................... 11
1.4.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 - 2004...................................................... 11
1.4.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e ............................................................... 11
1.4.3.5. So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản ....................... 12
1.5. So sánh công nghệ Wifi và WiMax ................................................................ 13
CHƯƠNG 2: LỚP PHY VÀ MAC CỦA CHUẨN IEEE 802.16 ....................... 14
2.1. Mô hình tham chiếu ....................................................................................... 14
2.2. Lớp vật lý ...................................................................................................... 15
2.2.1. Đặc tả WirelessMAN-SC PHY ............................................................ 15
2.2.2. Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa ......................................................... 16
2.2.3. Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM ..................................................... 17
ii
2.2.3.1. Đặc điểm................................................................................ 17
2.2.3.2. Symbol OFDM ...................................................................... 18
2.2.3.3. Cấu trúc khung ....................................................................... 19
2.2.4. Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDMA ................................................... 20
2.2.4.1. Đặc điểm................................................................................. 20
2.2.4.2. Symbol OFDMA.................................................................... 20
2.2.4.3. Cấu trúc khung ....................................................................... 21
2.3. Lớp MAC trong chuẩn IEEE 802.16 .............................................................. 22
2.3.1. Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS).............................. 22
2.3.2. Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC) ............... 22
2.3.2.1. Các định dạng MAC PDU .................................................... 22
2.3.2.2. Cơ cấu ARQ ......................................................................... 23
2.3.2.3. Truy nhập kênh và QoS ........................................................ 23
2.3.3. Lớp con bảo mật ................................................................................ 24
2.4. Lớp con hội tụ truyền (TC) ............................................................................ 24
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY
NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX.................................................. 25
3.1. Các băng tần cho WiMax .............................................................................. 25
3.1.1. Băng tần cấp phép .............................................................................. 26
3.1.1.1. Băng dưới 1 GHz ................................................................. 26
3.1.1.2. Băng tần 2.3 GHz .................................................................. 26
3.1.1.3. Băng tần 2,5 GHz .................................................................. 26
3.1.1.4. Băng tần 3.3 GHz ................................................................. 27
3.1.1.5. Băng tần 3,5 GHz ................................................................. 28
3.1.1.6. Băng 3,7 GHz ....................................................................... 28
3.1.1.7. Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz .............................................. 28
3.1.2. Băng tần không đăng ký .................................................................... 28
3.1.2.1. Băng tần 5 GHz ................................................................... 28
3.1.2.2. Băng tần 5.8 GHz .................................................................. 29
iii
3.1.3. Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam ............................................. 29
3.2. Topo mạng WiMax ........................................................................................ 30
3.2.1. Phân loại topo mạng .......................................................................... 30
3.2.2. Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) ............................................... 31
3.2.3. Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) ............................. 32
3.3. Điều chế và mã hóa ....................................................................................... 33
3.3.1. Các phương pháp điều chế đơn sóng mang ......................................... 34
3.3.1.1. Kỹ thuật điều chế pha............................................................. 34
3.3.1.2. Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM.......................... 34
3.3.2. Các phương pháp điều chế đa sóng mang ............................................ 35
3.3.2.1. Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDM ................................. 35
3.3.2.2. Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDMA ............................. 38
3.3.2.3. Điều chế đa sóng mang sử dụng Scalable OFDMA ................ 39
3.3.3 Các phương pháp mã hoá ..................................................................... 39
3.4. Đa truy nhập và song công ............................................................................. 40
3.4.1. Các phương pháp song công ............................................................... 40
3.4.2. Các phương pháp đa truy nhập............................................................. 41
3.5. Kỹ thuật trải phổ ............................................................................................ 41
3.5.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS ............................................................. 41
3.5.2. Trải phổ nhảy tần FSSS ....................................................................... 43
3.5.3. So sánh FHSS và DSSS ....................................................................... 44
3.6. Mô hình kênh của mạng WiMax .................................................................... 45
3.6.1. Giới thiệu chung................................................................................... 45
3.6.2. Mô hình kênh SUI (Stanford University Interim) .................................. 46
3.7. Mô hình suy hao đường truyền ...................................................................... 46
3.7.1. Mô hình suy hao đường truyền kích thước lớn ..................................... 47
3.7.1.1. Các phương thức lan truyền cơ bản ........................................ 47
3.7.1.2. Mô hình mất mát theo loga khoảng cách ............................... 53
3.7.1.3. Mô hình che khuất loga chuẩn ................................................ 55
3.7.1.4. Các mô hình lan truyền ngoài trời (outdoor) ........................... 55
iv
3.7.1.5. Các mô hình lan truyền trong nhà (indoor) ............................. 57
3.7.1.6. Thẩm thấu tín hiệu trong tòa nhà ............................................ 57
3.7.1.7. Mô hình vẽ tia và vị trí riêng .................................................. 58
3.7.2. Mô hình suy hao đường truyền kích thước nhỏ .................................... 59
3.7.2.1. Lan truyền đa đường kích thước nhỏ ....................................... 59
3.7.2.2. Các loại suy hao đường truyền kích thước nhỏ ........................ 59
3.7.3. Vấn đề suy hao đường truyền WiMax tại Việt Nam ............................. 62
3.8. Vấn đề dung lượng ........................................................................................ 63
3.8.1. Tổng lưu lượng và sự tập trung lưu lượng ............................................ 63
3.8.2. Điều chế thích nghi và dung lượng trung bình của một sector .............. 63
3.8.3. Số lượng sector và BS.......................................................................... 64
3.9. Phủ sóng, tần số và chỉ định kênh .................................................................. 65
3.9.1. Kế hoạch phủ sóng .............................................................................. 65
3.9.1.1. Bảng tính năng lượng liên kết ............................................... 65
3.9.1.2. Mối q/h giữa độ dự trữ fading với sự sẵn sàng c/c d/vụ ........... 67
3.9.1.3. Phạm vi của BS - FBWA ở dải tần 3,3 GHz ........................... 67
3.9.2. Lên kế hoạch tần số và chỉ định kênh ................................................... 68
3.10. Vấn đề bảo mật trong WiMax ...................................................................... 69
3.10.1. Kiến trúc bảo mật 802.16 .................................................................. 69
3.10.2. Các liên kết bảo mật (SA) .................................................................. 70
3.10.2.1. Những thành phần của SA .................................................... 71
3.10.2.2. Ánh xạ các kết nối tới SA..................................................... 71
3.10.3. Chứng nhận số X.509 ....................................................................... 72
3.10.4. Đánh giá khả năng bảo mật và ứng dụng tại Việt Nam ....................... 72
3.11. Hệ thống Anten trong WiMax ...................................................................... 73
3.11.1. Các đặc tính và tham số của anten ..................................................... 73
3.11.2. Vùng phủ sóng của anten trạm gốc .................................................... 75
3.11.3. Anten của CPE ................................................................................. 75
3.11.4. Hệ thống anten nâng cao .................................................................... 75
v
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG
BER TRONG HỆ THỐNG WIMAX ................................................................. 77
4.1. Giới thiệu công cụ và chương trình mô phỏng ............................................... 77
4.1.1. Thiết lập sơ đồ khối mô phỏng WiMax ................................................ 77
4.1.2. Diễn giải các khối và thuật toán .......................................................... 78
4.1.3. Các tham số thiết lập trong mô phỏng ................................................... 80
4.2. Kết cấu của chương trình mô phỏng .............................................................. 80
4.3. Một số kết quả mô phỏng............................................................................... 82
4.3.1. Mô phỏng BER với các phương thức điều chế khác nhau ..................... 82
4.3.2. Mô phỏng BER với các tham số CP khác nhau ..................................... 84
4.3.3. Mô phỏng BER với các kênh SUI khác nhau (từ 1 đến 6) ..................... 86
4.3.4. Mô phỏng BER với các độ rộng băng (BW) khác nhau ........................ 86
4.4. Nhận xét kết quả mô phỏng ........................................................................... 88
CHƯƠNG 5: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG WIMAX TẠI VIỆT NAM ................ 89
5.1. Các ứng dụng của Wimax ............................................................................. 89
5.1.1. Các mô hình ứng dụng ........................................................................ 89
5.1.1.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) .......................... 89
5.1.1.2. Mô hình ứng dụng WiMax di động (Mobile WiMax) ............. 90
5.1.2. CPE Wimax ......................................................................................... 91
5.2. Một số hệ thống WiMax hiện có trên thị trường............................................. 92
5.3. Thực tế triển khai WiMax tại Việt nam .......................................................... 93
5.3.1. VNPT triển khai thử nghiệm Wimax .................................................. 93
5.3.2. Viettel triển khai thử nghiệm Wimax ................................................... 95
5.3.3. VTC triển khai thử nghiệm Wimax ...................................................... 96
5.3.4. FPT triển khai thử nghiệm Wimax ....................................................... 96
5.4. Đề xuất về triển khai WiMax tại Việt Nam ................................................... 97
5.5. Kết luận ......................................................................................................... 99
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 102
vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAS
Adaptive Antenna System
Hệ thống anten thích nghi
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
Đường thuê bao số không đối
AES
Advanced Encryption Standard
xứng chuẩn mã hóa tiên tiến
Tiêu
AK
Authorization Key
Khóa cấp phép
AP
Access Point
Điểm truy nhập
ARQ
Automatic Repeat reQuest
Yêu cầu lặp lại tự động
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng tính
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm gốc
BTC
Block Turbo Code
Mã khối Turbo
BTS
Base Tranceiver Station
Trạm thu phát cơ sở
CC
Convolution Code
Mã chập (xoắn)
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
Connection Identifier
mã
Định danh kết nối
Carrier to Interference-plus-Noise
Tỷ số sóng mang trên nhiễu
CP
Ratio
Cycle Prefix
giao thoa cộng nhiễu
Tiền tố lặp
CPE
Customer Premise Equipment
Thiết bị giao tiếp đầu cuối
CPS
Common Part Sublayer
kháchcon
hàng
Lớp
phần chung
CRC
Cyclic Redundancy Check
Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ
(Service-Specific) Convergence
Lớp con hội tụ (chuyên biệt về
Sublayer
dịch vụ)
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Đa truy nhập nhạy cảm sóng
CTC
Convolutional Turbo Codes
mang
Mã
Turbo chập
DCD
Downlink Channel Descriptor
Mô tả kênh đường xuống
DES
Data Encryption Standard
Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol
CID
CINR
CS
Giao thức cấu hình IP (máy
tính) động
vii
DL
Down Link
Đường xuống
DLFP
DownLink Frame Prefix
Tiền tố khung đường xuống
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
EKS
Encryption Key Sequence
Tuần tự khóa mật hóa
FBWA
Fixed Broadband Wireless Access
FCH
Frame Control Header
FDD
Frequency Division Duplexing
FDMA
Frequency-Division Multiple Access
FEC
Forward Error Correction
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần
GMH
Generic MAC Header
Mào đầu MAC chung
Hybrid Frequency Division
Song công phân chia theo tần
Duplexing
số Hybrid
HFDD
HMAC
IEEE
Hashed Message Authenication Code
Mạng truy nhập không dây
băng rộng cố định
Mào đầu điều khiển khung
Song công phân chia theo tần
số
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Sửa lỗi trước
Mã nhận thực bản tin được
băm
Institute for Electrical and Electronics Viện Các kỹ sư Điện và Điện
IP
Engineers
Internet Protocol
tử
Giao thức Internet
ISM
Industrial Scientific & Medical
Công nghiệp y tế và khoa học
ISP
Internet Service Provider
Nhà cung cấp dịch vụ
KEK
Key Encryption Key
Khóa mật hóa khóa
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
LOS
Line Of Sight
MAC
Medium Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
trường
Mạng đô thị diện rộng
MIMO
Multiple-Input, Multiple-Output
Nhiều đầu ra nhiều đầu vào
MS
Mobile Station
Trạm di động
Đường truyền nằm tầm nhìn
thẳng
Điều khiển truy nhập môi
viii
NLOS
Non-Light Of Sight
Đường truyền không nằm tầm
Orthogonal Frequency Division
nhìn thẳng
Ghép kênh phân chia tần số
Multiplexing
trực giao
Orthogonal Frequency Division
Đa truy nhập phân chia tần số
Multiplex Access
trực giao
PAN
Personal Area Network
Mạng cá nhân
PDU
Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức
PHY
Physical Layer
Lớp vật lý
PKM
Privacy Key Management
Quản lý khóa riêng tư
PMP
Point to Multi Point
Điểm - đa điểm
PTP
Point To Point
Điểm - điểm
PUSC
Partial Usage of Subchannels
Phần có ích của kênh con
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vuông góc
RTG
Receive/Transmit Transition Gap
Khoảng chuyển Thu/Phát
RS-CC
Reed Solomon - Convolution Code
Mã chập - Reed Solomon
SA
Security Association
Liên kết bảo mật
SAID
Security Association IDentifier
Định danh liên kết bảo mật
SAP
Service Access Point
Điểm truy nhập dịch vụ
SDU
Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SDMA
Space-Division Multiple Access
OFDM
OFDMA
Đa truy nhập phân chia theo
Secure Hash Algorithm
không gian
Thuật toán hàm băm an toàn
Simple Network Management
Giao thức quản lý mạng đơn
Protocol
giản
Scalable Orthogonal Frequency
Ghép kênh phân chia tần số
Division Multiplexing
trực giao tỷ lệ
SFID
Service Flow IDentifier
Định danh luồng dịch vụ
SS
Subcriber Station
Trạm thuê bao
SHA
SNMP
SOFDMA
ix
Subscriber Station Receive/Transmit
Khoảng chuyển bộ Thu/Phát
Transition Gap
Subscriber Station Transmit/Receive
trạm thuê bao
Khoảng chuyển bộ Phát/Thu
STC
Transition Gap
Space Time Coding
trạm thuê bao
Mã hóa thời gian không gian
SUI
(Channel model) Stanford University (Mô hình kênh) tạm thời của
TC
Interim
Transmission Convergence
trường Đại học Standford
Lớp con hội tụ truyền
TDD
Time Division Duplexing
Song công phân chia thời gian
TDMA
Time Division Multiple Access
TDM
Time Division Multiplexer
thời gian
Ghép kênh phân chia thời gian
TEK
Traffic Encryption Key
Khóa mật mã lưu lượng
TFTP
Trivial File Transfer Protocol
TTG
Transmit/Receive Transition Gap
thường
Khoảng chuyển Phát/Thu
UCD
Uplink Channel Descriptor
Mô tả kênh đường lên
SSRTG
SSTTG
Đa truy nhập phân chia theo
Giao thức truyền file thông
UL-MAP UpLink-MAP
Ánh xạ đường lên
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WBA
Wireless Broadband Access
Wireless
MAN - SC
Wireless
WirelessMAN - Single Carier
WirelessMAN - Single Carier
Truy nhập không dây băng
rộng
Mạng không dây đô thị diện
rộng - Sóng mang đơn.
Mạng không dây đô thị diện
MAN- SCa Multiple Access
rộng - Sóng mang đơn đa truy
WLAN
Wireless Local Area Network
nhập
Mạng cục bộ không dây
WMAN
Wireless Metropolitan Area Network
Mạng đô thị diện rộng không
WBS
Wireless Base Station
dây
Trạm cơ sở không dây
WPAN
Wireless Personal Area Network
Mạng cá nhân không dây
WWAN
Wireless Wide Area Network
Mạng không dây diện rộng
Worldwide Interoperability
Truy cập vi ba có tính tương
Microwave Access
thích toàn cầu
WiMax
x
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây ......................................................... 3
Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx ................ 5
Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình .................................................... 5
Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX .......................................................................... 8
Hình 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY............................................. 14
Hình 2.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI ..................... 14
Hình 2.3: Cấu trúc thời gian symbol OFDM .......................................................... 18
Hình 2.4: Cấu trúc symbol OFDM miền tần số ...................................................... 18
Hình 2.5. Cấu trúc khung OFDM với TDD............................................................ 19
Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA .......................................................... 20
Hình 2.7: Cấu trúc symbol OFDMA trong WiMax ............................................... 20
Hình 2.8: Cấu trúc khung OFDMA WiMax ........................................................... 21
Hình 2.9. Các định dạng MAC PDU ...................................................................... 22
Hình 2.10: Định dạng TC PDU.............................................................................. 24
Hình 3.1: Dải tần số triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới................... 29
Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng Fixed WiMax ..................................... 31
Hình 3.3: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế ......................... 32
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK ................................................................ 34
Hình 3.5: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số ..................................... 35
Hình 3.6: OFDM với 256 sóng mang..................................................................... 36
Hình 3.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM ..................................................... 36
Hình 2.8: Các kênh con trong OFDMA ................................................................. 38
Hình 3.9: Trải phổ chuỗi trực tiếp ......................................................................... 42
Hình 3.10: Trải phổ nhảy tần ................................................................................. 44
Hình 3.11: Mô hình suy hao do phản xạ, tán xạ, đa đường trong thực tế ................ 47
Hình 3.12: Mô hình phản xạ mặt đất ...................................................................... 48
Hình 3.13: Mô hình nhiễu xạ lưỡi dao ................................................................... 50
Hình 3.14: Vùng Fresnel trong tầm nhìn thẳng (LOS) ........................................... 51
xi
Hình 3.15: Sơ đồ lưỡi dao tương đương................................................................. 51
Hình 3.16: Mô tả đường truyền NLOS bị tán xạ bởi tòa nhà .................................. 52
Hình 3.17: Vị trị của CPE trên đường truyền NLOS bị tán xạ bởi cây cối.............. 52
Hình 3.18: Đường cong mẫu suy hao đường truyền theo chuẩn IEEE 802.16 và giá
trị suy hao đường truyền trong không gian tự do theo mô hình Friis ..................... 54
Hình 3.19: Xây dựng mặt cắt địa hình từ bản đồ số ............................................... 56
Hình 3.20: Kênh Fading phẳng .............................................................................. 61
Hình 3.21: Kênh Fading chọn lọc tần số ................................................................ 61
Hình 3.22: Mô hình sử dụng lại tần số sử dụng 8 kênh tần số ............................... 69
Hình 3.23: Hình dạng của chùm sóng (Beam Shaping) .......................................... 74
Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống Wimax ở phía phát và thu ................................ 77
Hình 4.2: Tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên giả PRBS .............................................. 78
Hình 4.3: Sơ đồ tạo mã hóa chập ........................................................................... 78
Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình mô phỏng .......................................... 81
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng BER với các p/thức điều chế khác nhau (SUI-1) ....... 82
Hình 4.6: Kết quả mô phỏng BER với các p/thức điều chế khác nhau (AWGN) .... 83
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh SUI-3) .............. 84
Hình 4.8: K/quả m/phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh AWGN, BPSK) .... 85
Hình 4.9: K/quả m/phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (AWGN,64QAM) .......... 85
Hình 4.10: K/quả m/phỏng với các kênh SUI khác nhau (Từ SUI-1 đến SUI-6) .... 86
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng với độ rộng băng thông khác nhau (kênh SUI-4) .... 87
Hình 4.12: K/quả mô phỏng với độ rộng băng thông khác nhau (kênh AWGN) .... 87
Hình 5.1: Mô hình ứng dụng WiMax cố định ........................................................ 89
Hình 5.2: Mô hình ứng dụng WiMax di dộng ........................................................ 90
Hình 5.3: CPE WiMAX cho truy nhập cố định, card WiMAX PC ......................... 91
Hình 5.4: Ứng dụng CPE WiMAX trong hệ thống 802.16 .................................... 91
Hình 5.5: Mô hình thử nghiệm WiMax tại Lào Cai của VDC (VNPT)………… ... 94
Hình 5.6: Mô hình đề xuất triển khai thử nghiệm Fixed WiMax giai đoạn 1 .......... 97
xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.11 ............................................................. 7
Bảng 1.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 ........................................................... 12
Bảng 1.3: So sánh công nghệ Wifi và WiMax ..................................................... 13
Bảng 3.1: Các dải tần có thể sử dụng cho hệ thống WiMax ................................... 25
Bảng 3.2: So sánh hệ thống LOS và NLOS ........................................................... 33
Bảng 3.3: Mô hình kênh SUI phân loại theo địa hình............................................. 46
Bảng 3.4: Đặc tính chung của các kênh SUI .......................................................... 46
Bảng 3.5: Các thông số địa hình cho mô hình kênh theo chuẩn IEEE 802.16 ......... 54
Bảng 3.6: Bán kính và diện tích phủ sóng theo các p/p điều chế khác nhau ........... 64
Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản..................................................... 66
Bảng 3.8: Mức độ nhạy nhỏ nhất của máy thu (dBm) (IEEE 802.16-2004) ........... 67
Bảng 3.9: Phạm vi cell trong các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau ...... 68
Bảng 3.10: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16a ........................... 70
Bảng 4.1: Các tham số của mã hóa chập ................................................................ 79
Bảng 5.1: Các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của một số hệ thống FBWA .................... 92
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ
mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần nhƣ tất yếu trong các thiết bị
cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị kỹ thuật số
khác. Với các tính năng ƣu việt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển
khai nhanh chóng, giá thành ngày càng giảm.
Xu hƣớng kết nối không dây (vô tuyến) ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối
mạng máy tính. Với chiều hƣớng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm
và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nƣớc phát triển các dịch vụ
truy nhập Internet không dây đã trở nên phổ cập, bạn có thể ngồi ở bất cứ nơi đâu
và truy nhập Internet từ máy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết
nối không dây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP. Các công nghệ hiện tại đã đem
đến cho ngƣời sử dụng những khả năng kết nối không dây thật hoàn hảo. Ví nhƣ
Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet không dây, điện thoại di
động...
Nhƣng bên cạnh ƣu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện nay còn hạn chế và
chƣa thật sự liên thông với nhau. Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là các hotspot
thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác. Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc
độ băng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn. Đó chính là WiMAX (Worldwide
Interoperability Microwave Access). Nó cũng đƣợc biết đến nhƣ là IEEE 802.16.
WiMAX là một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho mạng không
dây điểm- đa điểm. Là giải pháp cho mạng đô thị không dây băng rộng với phạm vi
phủ sóng tới 50km và tốc độ bit có thể lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính
cell từ 2-9km.
Chuẩn đƣợc thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối
trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông
tƣơng đƣơng xDSL, trục T1/E1 phổ biến hiện nay. Công nghệ WiMax đang là xu
hƣớng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây
băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động. Chất lƣợng dịch vụ
đƣợc thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng nhƣ di động, sử
dụng cả phổ tần cấp phép và không đƣợc cấp phép. WiMax thực sự đang đƣợc các
nhà cung cấp dịch vụ cũng nhƣ các nhà sản xuất quan tâm.
2
Nhận thấy Wimax là công nghệ mới có nhiều ứng dụng ở các nƣớc trên thế giới
cũng nhƣ tại Việt nam trong tƣơng lai, vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax và khả năng ứng dụng tại
Việt Nam”.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 5 chƣơng nhƣ sau :
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây.
Chƣơng 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn 802.16a.
Chƣơng 3: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng
không dây WiMax.
Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình Matlab để mô phỏng BER trong hệ
thống WiMax.
Chƣơng 5: Khả năng ứng dụng WiMax tại Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu luận văn này đƣợc xây dựng trên cơ sở những kiến thức
đã đƣợc tiếp thu trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa Điện tử Viễn thông Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng nhƣ thời gian công tác tại
Tổng Công ty truyền thông đa phƣơng tiện (VTC).
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có giới hạn, do vậy luận văn chỉ tập trung
nghiên cứu, đi sâu về một số vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng không dây
cố định (FBWA), đặc biệt là suy hao đƣờng truyền vô tuyến của WiMax. Hơn nữa,
do khả năng hạn chế của bản thân, bài luận văn này không tránh khỏi có những sai
sót, tác giả mong đƣợc sự góp ý chỉ bảo của các Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Ngô Thái Trị - TT tin
học và đo lƣờng, Đài THVN đã giúp đỡ tận tình và có nhiều góp ý, cùng nhiều tài
liệu bổ ích để bản luận văn này đƣợc hoàn thành. Tác giả cũng xin chân thành cảm
ơn các Thầy Cô giáo Khoa Điện tử viễn thông thuộc Đại học Công Nghệ - ĐH
Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho tác giả trong khóa học
vừa qua. Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, các bạn học cùng lớp đã
có những lời động viên quí báu trong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này.
Hà Nội, ngày .... tháng ..... năm 2007
Học viên
Lê Anh Dũng
3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN KHÔNG DÂY [2]
Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các
loại hình dịch vụ cung cấp nhƣ: truy nhập Internet, thƣ điện tử, thƣơng mại điện tử,
truyền file,... là sự thúc đẩy cho sự xuất hiện của hàng loạt các chuẩn không dây.
Hiện nay, căn cứ vào phạm vi sử dụng, tốc độ kết nối, chúng ta có những chuẩn
không dây tƣơng ứng với các mô hình mạng truyền thống.
Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây
- Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Đƣợc ứng dụng trong phạm vi
gia đình, hoặc trong không gian xung quanh cá nhân nào đó, tốc độ truyền dẫn trong
nhà có thể đạt 480 Mb/s trong phạm vi 10m. Trong mô hình mạng WPAN, có sự
xuất hiện của các công nghệ Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15 (Institute for
Electrical and Electronics Engineers). Hiện nay 802.15 này đang đƣợc phát triển
thành 802.15.3 đƣợc biết đến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông.
4
- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 bao
gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải
pháp vǎn phòng di động, cho phép ngƣời sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực
công cộng nhƣ văn phòng, khách sạn hay các sân bay. Tại Việt Nam WLAN đã
đƣợc triển khai ứng dụng ở nhiều nơi. Công nghệ này cho phép ngƣời sử dụng có
thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với
phƣơng thức truy nhập gián tiếp truyền thống.
- Mạng WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE
802.16, đƣợc hoàn thành vào tháng 10/2001 và đƣợc công bố vào ngày 8/2002, định
nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô
thị. Việc đƣa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng
rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km
và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với
đƣờng truyền cáp hoặc ADSL.
- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): Hệ thống WWAN đƣợc triển khai
bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng ký trƣớc
với cơ quan chức năng và sử dụng chuẩn mở nhƣ AMPS, GSM, TDMA và CDMA.
Khoảng cách hàng trăm km, tốc độ từ 5 kb/s đến 20 kb/s. Trong tƣơng lai, các kết
nối WirelessWAN sẽ dùng chuẩn 802.20 để thực hiện các kết nối diện rộng.
1.2. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 VÀ
802.16 [7]
Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớp điều khiển
truy nhập môi trƣờng - MAC (Medium Access Control) cho truy nhập băng rộng
không dây cố định - FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) cho phạm vi mạng
khu vực đô thị - MAN (Metropolitan Area Network).
Hình 1.2 minh hoạ vị trí của các chuẩn IEEE 802.11 và 16 trong hệ thống các
chuẩn IEEE 802.
5
Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx
1.3. CÔNG NGHỆ WIFI [2,7]
1.3.1. Giới thiệu
Subscriber
Gateway
RADIUS AAA
Server
Billing System
INTERNET
SHDSL
SHDSL
Hotspot
Hotspot
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
AP
AP
AP
AP
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
AP
AP
Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình
WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến
mạng Internet và các mạng Intranet. Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong
một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trƣờng đại học... Một hệ thống
WLAN có thể đƣợc tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng. Tốc độ đạt đƣợc trong
WLAN cần phải đƣợc hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đƣờng trục.
6
Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là:
- Trạm gốc không dây (WBS) hay còn gọi là AP (Access Point)
- Khối giao tiếp ngƣời sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE.
AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải đƣợc đấu nối với mạng
của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet. Thông thƣờng AP đƣợc
đấu với Router, Hub hoặc Switch để đƣợc cấp một địa chỉ IP riêng. Sau đó kết
nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn
thông dụng nhƣ cáp quang, cáp đồng hoặc viba. AP có khả năng chuyển đổi
tín hiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dạng tín hiệu số tƣơng
thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến. AP bao gồm một bộ thu phát
(Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller) thực hiện các chức năng chủ
yếu nhƣ:
Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác, giao diện vô
tuyến hƣớng phía khách hàng.
Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến, chứng thực
giao diện kết nối với khách hàng.
Quản trị tài nguyên vô tuyến.
Đăng ký khối giao diện ngƣời sử dụng.
Định tuyến, tính cƣớc.
Duy trì và chuyển đổi giao thức, mã hoá và giải mã, nén và giải nén.
CPE là thiết bị đặt ở phía khách hàng, nó có một địa chỉ ngoài nhƣ là một node
trên mạng và nhiều địa chỉ trong để cung cấp cho mạng LAN của khách hàng.
CPE tiếp nhận luồng tín hiệu số từ các AP và chuyển đổi chúng thành dạng tín
hiệu tƣơng thích với các thiết bị đầu cuối của khách hàng (tƣơng tự hoặc số).
CPE cũng bao gồm một bộ thu phát và các thiết bị phụ trợ thực hiện một số
chức năng nhƣ:
Cung cấp giao diện vô tuyến hƣớng tới trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ.
Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng.
Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn
- Xem thêm -