Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật công nghệ wimax và ứng dụng tại thành phố thái nguyên

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN THÔNG CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 605270 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN VĂN KHANG Thái Nguyên, 2011 Luận văn được hoàn thành tại: Đại học kỹ thuật công nghiệp ĐH Thái nguyên 2 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Khang Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn họp tại: Đại học kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên Ngày 22 tháng 12 năm 2011 Có thể t m hiểu uận văn tại thư viện Đại học Thái Nguyên 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN Đặt vấn đề Wimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dây bằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cách rất lớn, Wimax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh chia theo tần số trực giao. Việc sử dụng công nghệ Wimax đem ại nhiều lợi ích, nhất là ở khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và những nơi dân cư đông đúc khó triển khai hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng.... Việc nghiên cứu công nghệ WIMAX và các giải pháp triển khai thực tế là một yêu cầu cấp thiết đối với các nhà nghiên cứu và cung cấp dịch vụ. Nội dung chính Bố cục của luận văn gồm 4 chương: Chương I: Tr nh bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương II: Tr nh bày các kiến thức tổng quan về mạng truy nhập Wimax, cơ sở về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹ thuật triển khai trong Wimax. Chương III: Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình tham chiếu, cấu trúc của mạng Wimax. Chương IV: Tr nh bày phương pháp tính toán thiết kế mạng Wimax áp dụng cho thành phố Thái Nguyên. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan và các đặc điểm chính, then chốt của mạng truy nhập băng rộng Wimax Tính toán vùng phủ, đưa ra phương án quy hoạch hệ thống mạng truy nhập băng rộng Wimax cho thành phố Thái Nguyên 2 CHƢƠNG II. CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG WIMAX Tổng quan về WiMAX WiMAX (là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN. Họ 802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY). Các đặc điểm của WiMAX Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s. Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền bị che khuất NLOS. Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz. Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8. Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con. Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD (frequency division duplexing) Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con. 3 Chuẩn IEEE 802.16 WiMAX dựa trên tiêu chuẩn 802.16 của IEEE và HiperMAN của ETSI. IEEE 802.16-2001: IEEE802.16 Con 1-2003 IEEE 802.16 Con 2-2003 IEEE 802.16a. IEEE 802.16b: IEEE 802.16c. IEEE 802.16-2004 hay IEEE 802.16d IEEE 802.16e. IEEE 802.16j 802.16m Bảng 2.1: So sánh các chuẩn 802.16 802.16 802.16a 802.16d 802.16e Phổ (GHz) 10 – 66 Cấu hình Trực xạ 2 – 11 Không trực xa Tốc độ bit 32 – 134 75 Mbps Mbps Kênh 20 Kênh 28 MHz MHz Điều chế OFDM QPSK, 256 sóng 16QAM, mang con 64QAM QPSK ,16QAM ,64QAM Tính di dộng Cố định Cố định Băng thông 20, 25 ,28 (MHz) Bán kính 2 – 7 km cell 1.5 tới 20 2 – 11 2–6 Không trực xạ <=70 MHz Kênh 20 MHz OFDM 256 sóng mang con, BPSK QPSK ,16QAM,6 4QAM Cố định Không trực xạ 15 Mbps (max 75 Mbps) Kênh 5 MHz OFDM 512/1024/204 8 BPSK,QPSK ,16QAM ,64QAM Di động 1.25 tới 20 1.5 tới 20 7-10 km 2 -7 km max 50 2 -7 km 4 WiMAX 802.16-2004. WiMAX 802.16e. Các định dạng của diễn dàn WiMAX Dải phổ: Băng tần cấp phép: 2.3 – 2.6 GHz và 3.3 – 3.6 GHz Băng tần không cấp phép 5.7 -5.8 GHz Song công. TDD và FDD. Độ rộng kênh. Những định dạng ban đầu được hạn chế cho 3,5 MHz và 7 MHz trong phổtần được cấp phép khi chúng là các kênh có phổ thông dụng được phân bổ trong băng tần 3,5 GHz. Tiêu chuẩn IEEE. Các định dạng của 802.16-2004 sử dụng OFDM với 256 sóng mang. Các định dạng của 802.16e hầu như chắc chắn dựa trên SOFDMA. Chỉ tiêu chuẩn này mới hỗ trợ tính di động. Bảng 2.2: các định dạng đã chứng nhận của điễn đàn WiMAX Tần số Song Băng thông Ký hiệu (MHz) công kênh (MHz) định dạng Ghi chú 3400-3600 TDD 3.5 3.5T1 Hiện tại 3400-3600 FDD 3.5 3.5 F1 Hiện tại 3400-3600 TDD 7 3.5T2 Hiện tại 3400-3600 FDD 7 3.5 F2 Hiện tại 5725-5850 TDD 10 5.8T Hiện tại 2300-2600 TDD 5.0/5.5 2.5 T1 Tương ai 2300-2600 FDD 5.0/5.5 2.5 F1 Tương ai 5 Các mô hình ứng dụng Mô h nh ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) Hình 2.3 :Mô hình ứng dụng WiMAX cố định Mô h nh ứng dụng WiMAX di động Hình 2.4: Mô hình ứng dụng WiMAX di động Băng tần cho WiMAX: Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz) Băng 3600-3800MHz: Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz): Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz) Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz): Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz): Các kỹ thuật được ứng dụng trong Wimax 6 - Kỹ thuật OFDM Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Hình 2.5. So sánh giữa FDM và OFDM Kỹ thuât OFDMA OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple AccessĐa truy nhập phân tần trực giao) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM. Hình 2.10. ODFM và OFDMA 7 Điều chế - Điều chế dữ liệu Sau khi đan xen bít, các bít dữ liệu được đưa vào theo thứ tự tới bộ tạo ánh xạ chùm. QPSK, 16-QAM và 64-QAM theo ánh xạ Gray được hỗ trợ, trong đó 64-QAM là tùy chọn cho các băng tần không cấp phép. Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách ghép chùm điểm với thừa số chỉ thị c để đạt được công suất trung bình bằng nhau. Điều chế thích ứng và mã hóa trên mỗi phần sẽ được hỗ trợ trong đường xuống. Đường lên sẽ hỗ trợ các kiểu điều chế khác cho mỗi SS dựa trên các bản tin cấu h nh burst MAC đến từ BS. Được gọi à Điều chế và mã hoá thích ứng. Hình 2.16 Điều chế thích ứng b. Điều chế OFDM Thêm các thông tin dẫn đường Điều chế số(ánh xạ) Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Bảng 2.3 Thông số điều chế OFDM 8 Điều chế cao tần. Công nghệ sửa lỗi Điều khiển công suất Các công nghệ anten tiên tiến Phân tập thu và phát Hình 2.17. MISO Hình 2.18. MIMO 9 - Các hệ thống anten thích nghi Hình 2.19. Beam Shaping Hình 2.20. AAS đường xuống CHƢƠNG III: CÔNG NGHỆ WIMAX Mô hình tham chiếu Hình 3.1 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của chuẩn. Trong mô hình tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI. 10 Hình 3.1. Mô hình tham chiếu Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến. Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink (liên kết vô tuyến). Lớp con hội tụ MAC Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ các lớp cao thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP (CS Service Access Point), ánh xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC SDU (Service Data Unit). Lớp con phần chung MAC Lớp con phần chung MAC (CPS) hỗ trợ kiến trúc Point-toMultipoint. Một trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đến các trạm thuê bao SS (Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS. Lớp con bảo mật 11 Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý. Lớp vật lý Lớp vật lý cung cấp kết nối vô tuyến giữa BS và SS. Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các kỹ thuật khác nhau để truyền thông tin qua môi trường vô tuyến. Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 Cấu hình mạng Cấu h nh điểm-đa điểm PMP Cấu hình mắt ưới MESH Quá trình vào mạng Đồng bộ kênh đường xuống Initial Ranging Trao đổi các khả năng Nhận thực Đăng kí Kết nối Tạo kết nối truyền tải 12 CHƢƠNG IV GIẢI PHÁP MẠNG WIMAX CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Thái nguyên Hiện nay, với sự phát triển bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cập như: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file, nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam nói chung và Thái Nguyên nói riêng đang đòi hỏi là hết sức lớn. Các khả năng triển khai công nghệ mạng WiMAX - Mạng dùng riêng - Các mạng công cộng Thiết kế mạng Wimax di động cho thành phố Thái Nguyên - Lựa chọn băng tần Băng tần 2500 – 2690 MHz (băng 2.5 GHz) Quy hoạch vùng phủ vô tuyến và dung lƣợng B¸n kÝnh cho dÞch vô tho¹i B¸n kÝnh cho dÞch vô sè liÖu 64kbps B¸n kÝnh cho dÞch sè liÖu 480kbps Hình 4.12. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhau Sau khi đã nắm được yêu cầu về vùng phủ sóng, tiếp theo ta có thể tiến hành quy hoạch vùng phủ, trong việc quy hoạch vùng phủ vô tuyến này vấn đề cần xem xét chủ yếu như sau: Lựa chọn mô hình truyền sóng 13 Tính toán quỹ đường truyền Quy hoạch vị trí cell Cụ thể ta sẽ đi từng bước như sau: Mô hình truyền sóng Mô hình Hata-Okumura Vùng thành phố: Lp = 69,55 + 26,16lgfMHZ - 13,82lghb - a(hm) + (44,9 6,55lghb)lgR [dB] Trong đó: fc: Tần số sóng mang (MHz). Lp: Tổn hao trung bình (dB). hb: Độ cao anten của trạm gốc (m). hm : Độ cao anten của máy đi động a(hm): Hệ số điều chỉnh cho độ cao của anten của trạm di động (dB). R: Khoảng cách giữa anten của trạm di động MS và anten của trạm gốc (Km). Dải thông số áp dụng cho mô h nh Hata như sau: 150  fc < 2500 MHz 30  hb  200m 1  hm  10m 1  R  20Km Trong đó a(hm) được tính như sau: - Đối với thành phố vừa và nhỏ: a(hm) = (1,11gfc - 0,7)hm - (1,56lgfc - 0,8) [dB] - Đối với thành phố lớn: 14 a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 - 1,1[dB] hay a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97[dB] fc fc   200MHz 400MHz Vùng ngoại ô: Lp = Lp (thành phố) - 2 {lg(fc/28 )2 - 5,4} [dB] Vùng nông thôn: Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33lgfc - 40,49 [dB] Mô hình Cost231 Hata. Công thức cho mô h nh này như sau: L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55 log(hb))log(d) + c Trong đó: c = 13 cho vùng thành phố lớn c = 0 cho vùng thành phố c = - 12 cho vùng ngoại ô c = - 27 cho vùng nông thôn Quỹ đường truyền Dự trữ nhiễu (Interference Margin): Dự trữ fading nhanh (fast fading margin): Độ lợi chuyển giao mềm (soft handover gain): Quỹ đường lên Tính toán vùng phủ sóng và dung ượng Số ượng cell bị giới hạn bởi cả vùng phủ và dung ượng, vì vậy cần tiến hành hai bước quy hoạch này để xác định các giới hạn về số ượng ce . Sau đó, cần điều chỉnh các giá trị đến mức hợp lý để đạt sự hài hòa về vùng phủ và dung ượng để có giới hạn cuối cùng. Phương án tính số cell theo quy hoạch vùng phủ Tính toán vùng phủ sóng áp dụng cho các vùng đặc thù sau: 15 Diện tích đô thị: 65Km2 Diện tích ngoại ô: 124Km2 Mật độ điện thoại 88 thuê bao/100 dân Internet đạt 2,4 thuê bao/100 dân Thuê bao di động Wimax dự đoán: 10000 Để tính quỹ đường truyền, cần xây dựng các mô hình truyền sóng thích hợp và các thừa số hiệu chỉnh đặc trưng cho mỗi vùng phủ. Tuy nhiên, với mục đích à đơn giản hoá mô hình hệ thống nên giả thiết rằng sử dụng một mô hình truyền sóng duy nhất là Cost 231 - Hata: L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55 log(hb))log(d) + c Trong đó: c = 0 cho vùng đô thị c = - 12 cho vùng ngoại ô f = 2500Mhz (2495Mhz – 2690Mhz) hb = 32 m hm = 1.5m Với tổn thất đường truyền tối đa cho phép của đường xuống số liệu 2048kb/s và đường lên dịch vụ tiếng 128 kb/s là: 138,02(dB) và 140,37dB. Bảng 4.3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính Cấu hình cell Omni 2 Sector 3 Sector 4Sector 6 Sector Diện tích cell 2,6R2 1,3 R2 1,95 R2 2,6 R2 2,6 R2 Số cell = diện tích vùng / diện tích cell Kết quả tính toán quy hoạch vùng phủ được tổng kết ở bảng dưới đây: 16 Thông số Vùng thành phố Vùng ngoại ô 65 124 Tổn hao cực đại 140,37 140,37 Bán kính cell (R) 1 2.3 Diện tích cell 2.6 13.8 Số cell 26 9 138,02 138,02 Bán kính cell 0.8 2 Diện tích cell 1.8 10.1 Số cell 36 12 Tổng số cell 83 2 Diện tích vùng phủ (km ) Tiếng Tổn hao cực đại Số liệu Hỗn hợp Phƣơng án tính số cell theo quy hoạch dung lƣợng Bảng 4.4: Nhu cầu trung bình giờ cao điểm của người sử dụng Thông số Khu ô thị Ngoại ô Tỷ lệ thuờ bao 72% 28% Số ượng thuê bao 7200 2800 Tốc độ 128 kb/s 128kb/s Giờ cao điểm 90 giây 90 giây 2048 kb/s 2048 kb/s 100 Mb 200 Mb Tiếng Số liệu Tốc độ Giờ cao điểm Kết quả tính toán cho quy hoạch dung ượng như trong bảng 3.7. Bảng 4.5: Kết quả quy hoạch dung lượng 17 Khu đô thị Ngoại ô Tỷ lệ thuê bao 72% 28% Số thuê bao 7200 2800 128 kbps 128 kbps 90 giây 90 giây Thông số Tốc độ bít Giờ cao điểm Tốc độ trung bình = (Tốc độ bit x Thời gian sử dụng giờ Tiếng cao điểm)/3600 Tốc độ T. bình Tốc độ bít Giờ cao điểm Số liệu 3,2 kbps 3,2 kbps 2048 kbps 2048 kbps 100 Mb 200 Mb Tốc độ trung b nh = (Dung ượng sử dụng giờ cao điểm x 1,1)/3600 Tốc độ 30,56 kbps 61 kbps Tốc độ T. bình tổng 33,76 kbps 64,2 kbps Dung ượng cell 48000 kbps 48000 kbps 1422 748 Số cell 5 4 Tổng số cell 9 T. bình Số người sử dụng/cell Như vậy theo quy hoạch dung ượng thì cần 9 cell (mỗi cell có dung ượng 48000 kbps) để đáp ứng nhu cầu về dung ượng của người sử dụng. Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến Sau khi chúng ta đã ập được quy hoạch mạng vô tuyến, ta cần tiến hành quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến: Định cỡ các phần tử mạng WiMAX. 18 Định cỡ các phần tử mạng truy nhập vô tuyến WiMAX gồm các nội dung: Định cỡ BS Định cỡ mạng lõi và hệ thống quản lý Quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến WiMAX Sau khi xác định vị trí và số ượng các BS và các phần tử mạng lõi, cần tiến hành quy hoạch truyền dẫn. Quy hoạch mạng lõi - Định cỡ các giao diện trong mạng lõi CN - Quy hoạch truyền dẫn trong mạng lõi CN. Lựa chọn thiết bị ULAP Wi4 của Motorola Cấu hình một số dịch vụ Các dịch vụ dữ liệu Dịch vụ thoại trên nền IP Dịch vụ VoIP là dịch vụ gọi giữa PC với PC. Dịch vụ VOIP với VOIP Server và Voice Gateway Dịch vụ game tương tác