Tài liệu Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ wimax

Lời nói đầu Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi mới. Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án. Ngày 19 tháng 05 năm 2007 Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa 1 Tóm tắt đồ án WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó: - Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax. - Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày những đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax. - Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng và lựa chọn phát triển hệ thống WiMax. 2 Mục lục Lời nói đầu ................................................................................................................. 1 Tóm tắt đồ án ............................................................................................................. 2 Mục lục ....................................................................................................................... 3 Danh sách các hình vẽ ............................................................................................... 6 Danh sách bảng biểu ................................................................................................. 8 Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO ..............................................................................................10 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) ............................................................ 10 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ............................................................ 10 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) ...................................................... 11 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ............................................................ 12 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax .................................................................................. 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ..................................17 2.1 Khái niệm chung ........................................................................................................ 17 2.2 Lớp vật lý (PHY) ....................................................................................................... 18 2.2.1 Cở sở OFDMA........................................................................................................ 18 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá ........................................................... 22 2.2.3 S-OFDMA .............................................................................................................. 24 2.2.4 Cấu trúc khung TDD............................................................................................... 25 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác........................................................................ 27 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control)............ 29 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) ............................................................................ 29 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) ............................................. 32 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng....................................................................... 32 2.4.1 Quản lý di động....................................................................................................... 32 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng ..................................................................................... 32 2.5 Bảo mật trong WiMax ............................................................................................... 34 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động ...................................................................... 34 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh ..................................................................................... 34 2.6.2 Sử dụng lại tần số.................................................................................................... 37 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax ............................................................ 38 3 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax .................................................................. 38 2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động ......................................................................... 43 2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax ..................................................................................... 43 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng .................................................................................... 48 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) .................................................................... 48 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax ..................................... 51 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động.................................................................. 51 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động ................................................................................ 52 2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động .................................................................. 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax ......................................................................... 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 ........................................................................................................................55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế .......................................................................... 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực ................................................................................... 55 3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị ................................................................... 58 3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống .............................................................. 61 3.2 Cấu trúc của hệ thống ................................................................................................ 62 3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống ................................................................................. 62 3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận ................................................... 65 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu ........................................................................ 68 3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung................................................................... 72 3.2.5 Các thông số đầu ra ................................................................................................. 74 3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng .............................................................................. 75 3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP................................................................. 75 3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP ..................................................................... 77 3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) ....................... 78 3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống .................................. 78 3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell ............................................................ 79 3.4.1 Tái sử dụng tần số ................................................................................................... 79 3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống ...................................... 79 3.5 Các thông số cho hệ thống ......................................................................................... 81 3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức ....................................................................... 81 3.5.2 Thông số cho BS và MS ......................................................................................... 84 4 3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo ......................................................... 85 3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức ............................................................................... 86 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax ....................................................... 94 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô ............................................................. 100 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố .......... 104 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền ................................................................................ 106 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức ................................................................................... 108 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX ........................................................................................113 4.1 Tính toán đường truyền ........................................................................................... 113 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site ............................................................. 116 Kết luận ..................................................................................................................124 Tài liệu tham khảo ................................................................................................125 5 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax .............................................................................. 14 Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ .............................................. 15 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA ........................................................................ 23 Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con ........................................................................... 23 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC ................................................................ 24 Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA ........................................................................ 26 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động ................................................................................ 30 Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác.................................................................. 31 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh ................................................... 37 Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ .................................................................................. 38 Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu........................................................... 46 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax .................................................................... 49 Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP .................................................................... 50 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. ................ 54 Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax ........................................ 54 Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site ............................................................... 57 Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn ............................................................................. 58 Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 60 Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 61 Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến..................................................................................................................................... 63 Hình 3.6: Các loại góc anten ................................................................................................ 63 Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten ............................................................... 65 Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 ............................................................ 67 Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. ............................................................................ 69 Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi .................................................................. 76 Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP ............................................................. 77 Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực .................................................... 78 Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM ............................................... 79 Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector ............................................................................................. 84 Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS ............................................................................ 85 Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS ......................................... 86 Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS ........................................................................... 88 Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM.............................................................. 89 Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) .................................................... 90 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau ............................................................................................................................................. 91 Hình 3.21: Bán kính cell ...................................................................................................... 92 Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao....................................................... 93 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata ....................................................................... 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami ................................................................ 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau ....................................... 100 6 Hình 3.30: Tôpô Mesh ....................................................................................................... 110 Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm ........................................................................................ 110 Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax ..................................... 113 Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi ............................................................................ 122 7 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA................................................................................... 25 Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ ..................................................... 27 Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động .................. 28 Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS ............................................................... 31 Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp .......................................................................... 35 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ............................................ 36 Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động ............................................................... 39 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA......................................................................................... 40 Bảng 2.9: Phương thức truyền bá ........................................................................................ 40 Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động ......................................... 41 Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động ....................................................... 43 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất ........................................ 44 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất .............................. 44 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động ............................................................. 46 Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax .................................................................. 46 Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax .......................................................................... 52 Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường ......................................................................... 69 Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền ............................................................ 71 Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng ....................................................... 74 Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP .................................................................... 76 Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP ......................................................... 77 Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV ................................................................................. 78 Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng........................................................... 80 Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau .......................... 80 Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] .............................................................. 83 Bảng 3.10: Các thông số tham khảo cho trạm gốc và thuê bao ........................................... 85 Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami.... 98 Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới ............................................... 105 Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng ....................................... 111 Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM ........................... 111 Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM ................................ 112 Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII............................. 112 Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz........ 115 Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu ..................................................................... 116 8 Danh sách các từ viết tắt Số thứ tự 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Từ viết tắt WiMax OFDM MIMO WISP NRTV UE/MS/CPE SNR AS AoA AoD 802.16a 802.16e Ý nghĩa Hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao Hệ thống anten thông minh (đa đầu vào, đa đầu ra) Nhà cung cấp dịch vụ internet không dây Dịch vụ video gần tương ứng thời gian thực Thiết bị của người sử dụng Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu Góc phương vị Góc tới Góc lệch Chuẩn WiMax cố định Chuẩn WiMax di động 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số lượng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng các dịch vụ dữ liệu. Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ. 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên. b. Các hệ thống mạng 1G Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống sau: • AMPS (Advaced Mobile Phone System) • ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) - Châu Âu • NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Bắc Âu 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch mạch là chủ yếu. Phương pháp đa truy cập TDMA và CDMA được sử dụng 10 kết hợp với FDMA. Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu là chủ yếu. b. Các hệ thống mạng di động 2G Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống sau: • PCS (Personal Communication System): PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900 MHz. Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu. • TDMA: Là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1G AMPS, tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại. Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ: tương tự và số. • CDMA: Được triển khai năm 1995. Tương tự như TDMA, mạng CDMA cũng phục vụ đồng thời ở hai chế độ tương tự và số. Điểm khác biệt giữa TDMA và CDMA là các kênh CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất. • GSM: Ra đời năm 1988 sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy nhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA, nhờ đó tại một thời điểm có 8 thuê bao có thể sử dụng chung một kênh. GSM sử dụng cho dịch vụ truyền thoại và fax với tốc độ 9600 bit/s. Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card rời lưu trữ số điện thoại, thông tin và tài khoản thuê bao. 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2,5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G). Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói. Ưu điểm của hệ thống di động 2,5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn. b. Các hệ thống mạng 2,5G • GPRS: Là một hệ thống mới, đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM sử dụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính dựa trên từng gói 11 nhận, gởi đi, khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cước dựa trên thời gian kết nối. GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thống di động thế hệ thứ 2G GSM, có khả năng cung cấp các kết nối ảo, các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 171,2 Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ vào việc sử dụng đồng thời nhiều khe thời gian. Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho các thuê bao di động, GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên 3G. Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên nền IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như đã tạo ra một môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này. Trong khi hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại, thì mục đích chính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng số liệu chuẩn như TCP/IP. • EDGE: Được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSM nhưng lại cung cấp gần đạt đến các chuẩn dành cho 3G tốc độ xấp xỉ 384 Kbps. 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) a. Đặc điểm: Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps. Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém. b. Các hệ thống mạng 3G • WCDMA: WCDMA hay còn gọi là IMT - 2000 là một chuẩn của ITU (International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA. Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả 12 năng của mạng di động hiện nay. WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại, hình ảnh dữ liệu video... có tốc độ lên đến 2Mbps. • UMTS: Là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu. Mạng này cung cấp cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âm thanh, video, truyền hình…hiển thị trên các máy điện thoại di động. UMTS được xem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM. 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax WiMax (World interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMax. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu chuẩn còn Diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16. Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa công nghệ theo tiêu chuẩn 802.16. Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận của WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network). Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km. • Hai mô hình ứng dụng WiMax Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: - Mô hình ứng dụng cố định - Mô hình ứng dụng di động Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMax) Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh. 13 Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5 GHz hoặc 3,5 GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5 MHz. Trong mạng cố định, WiMax thực hiện cách tiếp nói không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang). WiMax cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó. Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMax BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm WiMax BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax Mô hình ứng dụng WiMax di động Mô hình WiMax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được 14 mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005. [11] Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên đến 8 Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6 Kbit/s quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2 Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400 Kbit/s cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2 Mb/s. Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15 Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất. • WiMax hoạt động như thế nào Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 Km2. - Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Và ở chương sau sẽ trình bày kĩ hơn về tổng quan kĩ thuật của hệ thống WiMax. 16 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 2.1 Khái niệm chung WiMax di động (Mobile WiMax) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện WiMax di động sử dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong các môi trường không theo tầm nhìn thẳng. OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ sung IEEE 806.16e để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ từ 1,25 đến 2 MHz. Nhóm kỹ thuật di động trong diễn đàn WiMax đang phát triển tham số hệ thống cho WiMax di động, qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE - là chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMax di động. [14] Tham số WiMax di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ sở một tập các đặc tính cơ bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc. Đó là các cấu hình được tối ưu về dung lượng hoặc được tối ưu về phủ sóng. WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5; 7; 8,75 và 10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz và 3,5 GHz. Các hệ thống WiMax di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô tuyến cũng như kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số các đặc điểm chính mà WiMax di động hỗ trợ là: Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WiMax di động có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống tối đa lên tới 63 Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên tối đa lên tới 28 Mbps cho một sector trong một kênh 10 MHz. Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16 là QoS. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối theo giao thức IP 17 trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chia nhỏ kênh và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung. Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộng không dây được cấp phát khác nhau. Vì vậy công nghệ WiMax di động được thiết kế để có thể linh hoạt để hoạt động trong các kênh khác nhau từ 1,25 đến 20 MHz thoả mãn các yêu cầu trên toàn cầu. Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMax di động là tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo AESCCM, các nguồn bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh, các chứng chỉ số, các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực. Khả năng di động: WiMax di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với trễ nhỏ hơn 50 ms để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ không bị suy giảm. Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà bảo mật được duy trì trong quá trình chuyển giao. 2.2 Lớp vật lý (PHY) 2.2.1 Cở sở OFDMA Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh, phân chia nhỏ băng thông thành các tần số sóng mang con. Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng con song song với tốc độ giảm và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi luồng con được được điều chế và truyền trên một sóng mang con trực giao tách biệt. Khoảng thời gian cho mỗi biểu trưng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM. Hơn nữa, tiền tố vòng CP có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP chính là sự lặp lại phần dữ liễu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin. Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp. Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, 18 ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số rolloff trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cos nâng. Do OFDM có một phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP. OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi. Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con cấp phát cho người dùng. So sánh truyền OFDM với truyền sóng mang đơn BER của hệ thống OFDM phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sơ đồ điều chế được sử dụng, giá trị đa đường và mức nhiễu trong tín hiệu. Tuy nhiên nếu chúng ta xem xét chỉ tiêu kỹ thuật của OFDM với nhiễu Gauss trắng cộng với AWGN thì chỉ tiêu của OFDM chính xác giống như chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền sóng mang đơn kết hợp dùng cùng sơ đồ điều chế. Nếu ta xem xét một tải phụ OFDM đơn (vì các tải phụ là trực giao với nhau nên điều này không ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật) thì điều này chính xác như truyền sóng mang đơn mà sóng mang này được điều chế trực giao cầu phương (Quadrature) không có lọc băng thông. Biên độ và pha truyền đi được duy trì không đổi trong chu kỳ ký hiệu và được cài đặt dựa trên sơ đồ điều chế và dữ liệu truyền. Sau đó vectơ được phát đi này được cập nhật ở đầu của mỗi ký hiệu. Điều này dẫn đến đáp tuyến tần số sinc là đáp tuyến cần thiết cho OFDM. Tuy nhiên, hầu hết mọi môi trường truyền sóng bị ảnh hưởng của truyền lan nhiều đường. Đối với một băng thông truyền dẫn cố định đã cho, tốc độ ký hiệu đối với truyền sóng mang đơn là rất cao, trong khi đó đối với tín hiệu OFDM tốc độ này thấp hơn N lần với N là số tải phụ được sử dụng. Tốc độ ký hiệu thấp hơn này cũng làm ISI thấp đi. Ngoài ra, hệ thống OFDM còn dùng khoảng bảo vệ ở đầu mỗi ký hiệu, khoảng bảo vệ này loại bỏ ISI bất kỳ thấp hơn chiều dài của nó. Nếu khoảng bảo vệ là đủ dài thì tất cả ISI có thể bị loại bỏ. Truyền lan đa đường dẫn đến phađinh chọn lọc tần số, làm giảm các tải phụ riêng. Do vậy, hầu hết các hệ thống 19 OFDM dùng sửa lỗi tiến FCC để có thể khôi phục những tải phụ bị suy giảm nhiều, trong khi đó chỉ tiêu kỹ thuật của truyền sóng mang đơn bị suy giảm nhanh khi có hiệu ứng đa đường Các giới hạn điều chế của hệ thống Hầu hết các hệ thống thông tin di động hiện nay như GSM, IS-95 và các hệ thống thế hệ thứ ba chỉ dùng các sơ đồ điều chế có độ dung sai nhiễu cao như BPSK, QPSK hoặc tương đương. Điều này dẫn đến hiệu quả phổ thấp nhưng hệ thống khỏe. Các hệ thống này dùng các sơ đồ điều chế cố định do cần đạt SNR cao. Tốc độ ký hiệu của hệ thống sóng mang đơn phải cao nếu muốn có được tốc độ bit cao. Kết quả là các hệ thống, ví dụ GSM đòi hỏi cân bằng phức tạp (đến 4 chu kỳ ký hiệu) để khắc phục truyền lan nhiều đường. Các hệ thống GSM được thiết kế để khắc phục độ trễ cực đại tới 15μm, tương ứng với độ trễ mẫu được thử nghiệm ở khoảng cách truyền từ 30-35 km. Tốc độ ký hiệu của GSM là 270KHz tương ứng với chu kỳ ký hiệu 3,7μs, như vậy ISI được gây ra bởi hiệu ứng đa đường trải dài trên 4 chu kỳ ký hiệu. Điều này có thể phá hủy hoàn toàn thông tin truyền đi, nhưng nó được khôi phục trong thực tế nhờ dùng cân bằng thích nghi thức. Mặc dù điều này làm việc tốt cho các sơ đồ điều chế tốt như GMSK như đã được sử dụng cho các hệ thống GSM, việc áp dụng nó thành công cho các sơ đồ điều chế cao hơn là khó khăn vì các lỗi sở tại trong cân bằng sẽ gây tỷ lệ lỗi cao. Trong các hệ thống DS-CDMA vấn đề không bị giới hạn chủ yếu cho hiệu ứng đa đường, mà bởi can nhiễu giữa những người sử dụng. Các hệ thống DS-CDMA tận dụng một thực tế là bằng việc trải rộng thông tin của người dùng trên một băng thông rộng sẽ cho phép nhiều người sử dụng truyền tín hiệu ở cùng một tần số. Mỗi một trong các ngưởi sử dụng này trải rộng thông tin bằng một cách nhân nó với một dãy giả ngẫu nhiên tốc độ cao nhất PRS. Ở máy thu tín hiệu từ mỗi người sử dụng được trích ra bằng cách nhân tín hiệu tới với cùng dãy PRS giống hệt vậy và tích phân trên chu kỳ ký hiệu thông tin. Tuy nhiên quá trình này là không trực giao trong kết nối ngược làm cho các người sử dụng xuất hiện như nhiễu đối với nhau. Thông lượng kênh của hệ thống là cực đại khi số người sử dụng là cực đại, dẫn đến mức nhiễu rất cao, điều này làm cho hệ thống mẫu cần hoạt động với tỷ số năng lượng trong một bit/nhiễu EBNR (Energy per Bit to Noise Ratio) là khoảng 5-8 dB sau giải điều chế có hiệu 20