Tài liệu Công nghệ wimax, ứng dụng và tiềm năng phát triển

Đồ án tốt nghiệp 4 GVHD : KS. Lê Đình Công TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Công nghệ wimax Sinh viên thực hiện: LÊ XUÂN HỐNG Lớp 46K - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: KS. LÊ ĐÌNH CÔNG Vinh, 5-2010 Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Hồng 5 GVHD : KS. Lê Đình Công Lớp 46 K-ĐTVT 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công LỜI MỞ ĐẦU Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng.Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba - đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các cơ quan chuyên môn. Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu. WiMAXtruyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo… Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là các tấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e. Trên thế giới tính đến ngày 16.10.2007 thì đã có 1272 giấy phép cấp cho WiMAX, tăng gấp đôi so với năm trước , theo thăm dò ý kiến từ ngày 11.04.2007 đến ngày 11.05.2007 với 1388 người yêu thích công nghệ tại Đông Nam Á với độ tuổi trung bình là 25 thì có tới 99,2% số người được hỏi cho biết họ muốn có WiMAX tại nơi họ sinh sống. Đây là số liệu điều tra của Motorola tại Hồng Kông, Malasia và Philippin. Chính vì những điều đó, em nhận thấy WiMAX là công nghệ đang có tiềm Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 7 GVHD : KS. Lê Đình Công năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài…cho nên em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng ở Việt Nam”. Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thời gian yêu cầu của nhà trường đặt ra. Đồ án của em bao gồm: Chương 1: Tìm hiểu công nghệ Wimax Chương 2:Tìm hiểu công nghệ Wimax di động Chương 3: Ứng dụng của Wimax Chương 4 :Tiềm năng phát triển của Wimax Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo KS.Lê Đình Công, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này ! Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ để hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất ! Xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Lê Xuân Hồng Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Chương 1: Công nghệ wimax 1.1. Lịch sử, quá trình phát triển 1.1.1. Lịch sử Ngày nay sự phát triển của mạng viễn thông với dịch vụ ngày càng đa dạng đã làm cho các công nghệ truy nhập tiên tiến ngày càng được phát minh và đưa vào phục vụ. Hiện nay chúng ta biết đến truy nhập Internet với các dịch vụ quay số Modem thoại, ADSL hay các đường thuê bao riêng hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy nhập mạng đều có đặc điểm riêng: + Với Modem quay số điện thoại thì tốc độ thấp. + ADSL có tốc độ lên tới 8Mb/s nhưng cần có đường dây kết nối. + Các đường thuê bao riêng thì giá thành đắt mà lại khó triển khai với các khu vực có địa hình phức tạp. + Hệ thống thông tin di động hiện nay cung cấp tốc độ truyền 9,6Kb/s là rất thấp so với nhu cầu của người sử dụng. + GSM (2G),GPRS (2,5G) cho phép truy nhập ở tốc độ 172,2Kb/s hay EDGE ở 300 đến 400Kb/s cũng chưa đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ Internet. + Hệ thống di động 3G thì tốc độ truy nhập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s. + Mạng WiFi (hay LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin khoảng cách ngắn. Với thực tế các công nghệ như vậy, WIMAX (Worldwide Interoprability for Microwave Access) đã ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 9 GVHD : KS. Lê Đình Công WIMAX có thể cung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s và có bán kính phủ sóng của một trạm là 50Km. Mô hình phủ sóng của WIMAX tương tự như mạng tế bào. Hoạt động của WIMAX rất mềm dẻo và tương tự như của WiFi khi truy nhập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy nhập mạng thì nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WIMAX gần nhất.Điều quan trọng nhất WIMAX xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16. 1.1.2. Quá trình phát triển Quá trình phát triển của WiMAX trải qua một số các chuẩn như là: Chuẩn 802.16: Chuẩn IEEE 802.16a, được công nhận vào tháng 1/2003, cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối, giữa người sử dụng và điểm kết nối, bằng các băng tần từ 2 đến 11 GHz. Dải tần này cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng. Điều này khiến cho chuẩn IEEE 802.16a trở thành một công nghệ sáng giá dành cho các ứng dụng kết nối đầu cuối là những ứng dụng hay bị ảnh hưởng của vật cản như cây cối hay nhà cửa, cũng như dành cho các trạm gốc chỉ gắn được trong nhà mà không gắn được trên đỉnh tháp hay đỉnh núi. Để hỗ trợ mô hình kinh doanh có lợi nhuận, các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ mạng cần phải duy trì một hỗn hợp khách hàng là doanh nghiệp tạo doanh thu cao và số lượng lớn các thuê bao tư nhân. Các hệ thống 802.16a có thể đáp ứng được yêu cầu này bằng cách hỗ trợ nhiều cấp dịch vụ khác biệt. Bán kính của phủ sóng của một điểm phát 802.16a điển hình có thể xa từ 4 tới 6 dặm. Chuẩn mới này sẽ giúp ngành viễn thông tạo ra các giải pháp chung cho các kiểu thị trường băng rộng: a. Băng thông theo yêu cầu. Công nghệ không dây 802.16a cho phép các nhà cung cấp dịch vụ triển khai được dịch vụ có tốc độ tương đương với sử dụng giải pháp kết nối dây chỉ trong vài ngày với chi phí cực thấp. Nó cũng cho phép đặt cấu hình tức thời theo yêu cầu kết nối tốc độ cao dùng cho các sự kiện ngắn ngày như hỗ trợ triển lãm. b. Trục nhánh của mạng tế bào. Băng thông lớn của công nghệ 802.16 khiến nó trở thành sự lựa chọn tuyệt vời để tải dữ liệu trục nhánh cho các trạm gốc của mạng Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 10 GVHD : KS. Lê Đình Công tế bào theo cấu hình mạng điểm nối điểm. c. Băng thông rộng cho gia đình: Lấp đầy khoảng trống kết nối mà thuê bao số và mạng cáp không cung cấp dịch vụ tới được. Có nhiều giới hạn ngăn cản công nghệ thuê bao số và mạng cáp tiếp cận tới người dùng băng thông rộng tiềm năng. Điều này sẽ thay đổi nhờ việc tung ra các hệ thống chuẩn dựa trên 802.16a. d. Các khu vực thiếu dịch vụ. Công nghệ Internet không dây dựa trên công nghệ IEEE 802.16 là một sự lựa chọn tự nhiên cho khu vực nông thôn thiếu dịch vụ và các khu vực ngoại ô có mật độ dân số thấp. Dịch vụ không dây kết nối tốt nhất. Chuẩn IEEE 802.16e* mở rộng tới 802.16a giới thiệu khả năng di động cho phép người sử dụng kết nối khi đang di chuyển ngoài khu vực nhà ở của mình. Các yếu tố khiến 802.16 a trở nên khác biệt Thông lượng. Bằng cách sử dụng một phương thức điều chế mạnh, IEEE 802.16a tạo ra thông lượng cao trên khoảng cách có năng suất phổ mức cao chịu lỗi phản xạ tốt. Trạm gốc có thể đánh đổi thông lượng để lấy khoảng cách. Khả năng mở rộng được. Để sử dụng được kế hoạch mạng cho cả hai phổ được cấp phép và miễn phép trên toàn cầu, chuẩn 802.16a hỗ trợ các băng thông kênh linh hoạt. Phủ sóng. Bên cạnh việc hỗ trợ phương thức điều chế mạnh và động, chuẩn IEEE 802.16a cũng hỗ trợ các công nghệ tăng cường việc phủ sóng trong đó có các kỹ thuật topo mạng nhện và ăng ten thông minh. Chất lượng dịch vụ. Chuẩn IEEE 802.16a bao gồm các tính năng Chất lượng dịch vụ cho phép các dịch vụ như thoại và email là những dịch vụ đòi hỏi mạng có độ trễ thấp hoạt động được. Dịch vụ thoại dùng 802.16a có thể dùng ghép kênh phân chia thời gian (TDM) hoặc IP (VoIP). Bảo mật. Các tính năng bảo mật và mã hóa có sẵn trong chuẩn 802.16a để hỗ trợ truyền thông tin an toàn và nhận dạng, giải mã số liệu. Bằng việc sử dụng chuẩn 802.16a, các nhà cung cấp dịch vụ mạng có thể giảm chi phí nghiên cứu phát triển bằng cách phân bổ chi phí trên lượng sản phẩm lớn hơn. Một điểm quan trọng nữa là đối với hàng triệu người trên thế giới không thể kết nối băng thông rộng qua mạng cáp hoặc thuê bao số, công nghệ không dây IEEE Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 11 GVHD : KS. Lê Đình Công 802.16a mới sẽ là đường dẫn thứ ba (ngoài đường dây điện thoại và cáp truyền hình) kết nối các hộ gia đình, doanh nghiệp, các điểm truy cập công cộng và các quán cafe có dịch vụ truyền dẫn tới rất nhiều lợi ích của Internet. Chuẩn cơ bản 802.16 basic Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (interface) không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát (BS - Base Station) và người sử dụng (SS - Subscriber Station). Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh uplink và downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS (line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu. Các chuẩn bổ sung (amendments) của WiMAX - 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng. - 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 - 6 Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service). Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a. - 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tần từ 10-66GHz với mục đích cải tiến interoperability. -802.16d : Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hóa 2004. Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này. - 802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa. Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn nhất mà Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 12 GVHD : KS. Lê Đình Công vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h). IEEE 802.16e hay IEEE 802.16e2005 là một chuẩn mở rộng (amendment) của chuẩn 802.16-2004, thường được gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX) vì nó có khả năng đáp ứng dịch vụ cho người dùng di động thông qua các giao thức chuyển giao. 802.16e dùng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA; sử dụng kỹ thuật MIMO và AAS để cải thiện vùng phủ và năng suất; mã Turbo và LDPC để tăng tính an toàn và cải thiện hiệu năng của NLOS. - Ngoài ra còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h... 1.2. Tầm nhìn chung 1.2.1. Thành phần hệ thống Hệ thống WIMAX gồm 2 phần: + Trạm gốc WIMAX: trạm gốc bao gồm thiết bị điện tử trong nhà và tháp WIMAX. Thông thường, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 10 km (theo lý thuyết, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 50 km). Mọi node vô tuyến bên trong vùng phủ sóng có thể truy cập internet. + Máy thu WIMAX: máy thu và anten có thể là hộp riêng lẻ hoặc card PC ở trong máy tính hay máy tính xách tay. Truy cập tới trạm gốc WIMAX tương đương với truy cập tới điểm truy cập vô tuyến trong mạng WiFi, nhưng vùng phủ sóng lớn hơn. Một vài trạm gốc được kết nối với một trạm gốc khác với việc sử dụng các liên kết sóng vi ba backhaul tốc độ cao. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 13 GVHD : KS. Lê Đình Công Hình 1.1: Các cấu hình mạng trong các vùng thành thị và nông thôn Một vài trạm gốc có thể được nối với một trạm gốc khác sử dụng các liên kết backhaul tốc độ cao. Điều này cho phép thuê bao WIMAX chuyển vùng từ một trạm gốc này tới vùng trạm gốc khác, giống như chuyển vùng được cho phép bởi các công ty điện thoại tổ ong. Một vài lựa chọn backhauling và cấu hình được hỗ trợ cho các trạm gốc WIMAX: backhauling có dây (thường qua Ethernet), kết nối vi ba điểm tới điểm, cũng như backhaul WIMAX. Đối với lựa chọn sau cùng, trạm gốc có khả năng backhaul chính nó. Điều này có thể đạt được bằng cách dự trữ phần độ rộng băng tần thường được dùng cho lưu lượng người sử dụng đầu cuối và sử dụng nó cho các mục đích backhauling. 1.2.2.Thành phần công nghệ Nhìn chung về mặt công nghệ thì WiMAX sử dụng những công nghệ sau đây là quan trọng nhất: Các chuẩn và công nghệ chính sử dụng trong WiMAX: - Chuẩn IEEE802.16 - Lớp MAC của chuẩn IEEE802.16 -Kỹ thuật OFDM - FEC (Forward Error Corection) - Phương pháp truyền khung dừng và chờ ARQ, truyền lại có lựa chọn ARQ. Trên đây là những thành phần công nghệ mà WIMAX nói chung sử dụng. WIMAX được xây dựng trên chuẩn của ITU (liên minh viễn thông thế giới) đậy là tiêu chuẩn của công nghệ không dây chuẩn cho WIMAX, ngoài ra xung quanh chuẩn đó người ta còn sử dụng thêm nhiều các kỹ thuật khác nữa như đã nói ở trên. Đối với WIMAX di động thì do đặc thù của tính di động nên người ta còn phải chú trọng nhiều đến những vấn đề liên quan để tăng khả năng phát sóng và thu sóng của thiết bị di động. 1.3. Ưu điểm, nhược điểm Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 14 GVHD : KS. Lê Đình Công 1.3.1. Ưu điểm Được xây dựng trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WIMAX là hệ thống đa truy nhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền LOS và NLOS. Chuẩn WIMAX phát triển với nhiều mục tiêu, chúng được tổng kết ở dưới đây: Hình 1.2: Ưu điểm của công nghệ WIMAX • Kiến trúc mềm dẻo: WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao gồm điểm tới điểm, điểm tới đa điểm, và bao phủ khắp nơi. MAC (điều khiển truy nhập phương tiện) WIMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở khắp nơi bằng cách sắp xếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (SS). Nếu chỉ có một SS trong mạng, thì trạm gốc WIMAX sẽ thông tin với SS trên cơ sở điểm tới điểm. Một BS trong cấu hình điểm tới điểm có thể sử dụng một anten búp hẹp hơn để phủ các vùng lớn hơn. • Bảo mật cao: WIMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và DES (trong đó là chuẩn mật mã hóa số liệu). Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS, WIMAX cung cấp các thuê bao riêng (chống nghe trộm) và bảo mật trên giao diện không dây băng rộng. Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà khai thác sự bảo vệ mạnh mẽ chống ăn trộm dịch vụ. WIMAX cũng được xây dựng hỗ trợ VLAN, mà cung cấp sự bảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 15 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công • Triển khai nhanh: so với sự triển khai của các giải pháp dây, WIMAX yêu cầu ít hoặc không yêu cầu xây dựng kế hoạch mở rộng. Ví dụ, đào hố để hỗ trợ rãnh của các cáp không được yêu cầu. Các nhà khai thác có giấy phép để sử dụng một trong số các băng tần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử dụng một trong các băng tần không được cấp phép, không cần thiết xem xét sâu hơn các ứng dụng cho Chính Phủ. Khi anten và thiết bị được lắp đặt và được cấp nguồn, WIMAX sẽ sẵn sàng phục vụ. Trong hầu hết các trường hợp, triển khai WIMAX có thể hoàn thành trong khoảng mấy giờ, so với mấy tháng cho các giải pháp khác. • QoS WIMAX: WIMAX có thể được tối ưu hóa hỗn hợp lưu lượng được mang. Bốn loại dịch vụ được hỗ trợ: Loại dịch vụ Mô tả Dịch vụ cấp tự nguyện UGS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian (UGS) thực bao gồm các gói số liệu kích thước cố định được phát ra tại các khoảng tuần hoàn, như T1/E1 và thoại trên nền IP Dịch vụ kiểm soát thời rtNS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian gian thực (rtPS) thực bao gồm các gói số liệu kích thước thay đổi mà được phát ra tại các khoảng tuần hoàn, như MPEG video Dịch vụ kiểm soát nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng số liệu dung sai vòng phi thời gian trễ bao gồm các gói số liệu kích thước thay đổi mà yêu thực (nrtPS) Best Effort (BS) cầu tốc độ số liệu tối thiểu, như FTP. Dịch vụ BS được thiết kế để hỗ trợ các luồng số liệu mà không yêu cầu mức dịch vụ tối thiểu và có thể xử lý trên cơ sở giá trị không gian. Bảng 1.1: QoS WIMAX • Dung lượng cao: Sử dụng điều chế bậc cao (64-QAM) và độ rộng băng tần hiện tại là 7 MHz), các hệ thống WIMAX có thể cung cấp độ rộng băng tần đáng kể cho các người sử dụng đầu cuối. • Độ bao phủ rộng hơn: WIMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64-QAM. Khi được trang bị với một bộ khuyếch đại công suất lớn và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ, BPSK hoặc QPSK), các hệ thống WIMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi đường giữa BS và SS thông Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 16 GVHD : KS. Lê Đình Công suốt. • Mang lại lợi nhuận: WIMAX dựa trên chuẩn quốc tế mở. Chuẩn được thông qua đa số, sử dụng chi phí thấp, các chipset được sản xuất hàng loạt, sẽ điều khiển giá hạ xuống; và cạnh tranh giá cả làm cho các nhà cung cấp dịch vụ, người sử dụng đầu cuối tiết kiệm được chi phí. • Dịch vụ đa mức: Là loại mà QoS đạt được dựa vào hợp đồng mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. Hơn nữa, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho những người đăng ký khác nhau, hoặc thậm chí cho những người sử dụng khác nhau trong cùng một SS. • Khả năng cùng vận hành: WIMAX dựa vào các chuẩn cung cấp trung lập, quốc tế, làm cho người sử dụng đầu cuối dễ dàng truyền tải và sử dụng SS của họ tại các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Khả năng cùng vận hành bảo vệ vốn đầu tư ban đầu của nhà khai thác vì nó có thể chọn thiết bị từ các đại lý thiết bị khác nhau, và nó sẽ tiếp tục làm giảm giá thiết bị. • Khả năng mang theo được: Với các hệ thống tổ ong hiện nay, khi SS WIMAX được cấp công suất, nó tự nhận dạng, xác định các đặc tính của liên kết với BS, chỉ cần SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu hệ thống, và sau đó đàm phán các đặc tính truyền dẫn phù hợp. • Tính di động: Chuẩn 802.16e IEEE được thêm một số đặc điểm chủ yếu trong việc hỗ trợ tính di động. Các cải tiến được tạo ra cho lớp vật lí OFDMA và OFDM để cung cấp các thiết bị và dịch vụ trong môi trường di động. Các môi trường này bao gồm: OFDMA có thể chia tỷ lệ được, MIMO, và hỗ trợ chế độ idle/sleep, chuyển giao, cho phép tính di động hoàn toàn tại tốc độ 160 km/h. Chuẩn hỗ trợ bởi Forum WIMAX được hưởng hiệu năng NLOS (tầm nhìn không thẳng) tốt hơn của OFDM và hoạt động chịu được đa đường, làm cho nó phù hợp hơn với môi trường di động. • Quá trình hoạt động tầm nhìn không thẳng: NLOS thường ám chỉ đường dẫn vô tuyến có miền Fresnel thứ nhất bị chặn hoàn toàn. WIMAX dựa vào công nghệ OFDM có dung lượng vốn có của các môi trường NLOS. Dung lượng này giúp các sản phẩm WIMAX phân phát độ rộng băng tần rộng trong môi trường NLOS, mà các sản phẩm Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 17 GVHD : KS. Lê Đình Công vô tuyến khác không làm được. WIMAX cho phép cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing) cho phân chia truyền dẫn của hướng lên và hướng xuống. 1.3.2. Hạn chế, nhược điểm wimax Với bất cứ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưỏng của môi trường truyền sóng là không thể tránh khỏi. Hệ thống WIMAX cũng có những hạn chế về đường truyền: • Ảnh hưởng của thời tiết xấu đặc biệt là mưa to có thể làm gián đoạn các dịch vụ. • Các sóng vô tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WIMAX và là nguyên nhân gây suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối. • Ngoài ra vì đây là công nghệ hoàn toàn mới do đó việc chuẩn hóa chưa thực sự trên phạm vi toàn thế giới nên khó khăn trong lắp ráp, thay thế ở các khu vực khác nhau. 1.4. Nguyên lý 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý Hình 1.3: Mô hình truyền thông của WIMAX 1.4.2. Nguyên tắc hoạt động WIMAX sử dụng kĩ thuật phát sóng vô tuyến ngắn để kết nối các máy tính tới một Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 18 GVHD : KS. Lê Đình Công khu vực của mạng. Quá trình kết nối thông qua các dây kết nối DSL hoặc các bộ biến đổi cáp.Các công việc của WIMAX rất phù hợp với không gian gần từ các trạm chính nơi mà yêu cầu thiết lập đường nối dữ liệu tới mạng toàn cầu được đưa ra. Sử dụng trong vòng 3 đến 5 dặm của trạm chính sẽ có thể thiết lập đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s. Người sử dụng trong vòng bán kính 30 dặm từ trạm chính với một anten ROD và truyền trong tầm nhìn thẳng sẽ có thể kết nối với tốc độ lên tới 280Mb/s. Cấu trúc WIMAX gồm 2 phần: • Trạm phát: cũng như trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2. • Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ (card) mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong máy tính. Các trạm (BTS) phát được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line of sight), vì vậy mà WIMAX có vùng phủ sóng rộng lớn. Các anten thu, phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia truyền sóng 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. Có thể sử dụng ở tần số cao lên đến 66Ghz bởi vì tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Nếu có tia phản xạ thì WIMAX dùng băng tần thấp hơn 2 - 11Ghz vì 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 để đến đích. Về mặt cấu trúc phân lớp, WIMAX được chia thành 4 lớp: • Lớp con tiếp ứng (convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên. • Lớp đa truy nhập (MAC). • Lớp truyền dẫn (Transmission). • Lớp vật lí. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 19 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Các lớp này tương ứng với hai lớp dưới cùng của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với các ứng dụng lớp trên. Digital Digital audio/ Telephone ATM video multicast OSI Data Link Layer Bridge LAN IP Backhau Virtual Poin to Frame Poin relay Convergence MAC OSI Physical Layer Transmission Physical Hình 1.4: Mô hình phân lớp trong hệ thống WIMAX so sánh với OSI 1.5. Công nghệ 1.5.1. Chuẩn IEEE802.16 Chuẩn 802.16 là chuẩn đưa cho mạng không dây MAN ở dải tần 2-11Ghz. Các linh kiện thì có khả năng di động và dùng cho vệc kết nối các hotspots của 802.11 với Internet, khả năng kết nối không dây với mạng DSL trong việc kéo dài đường truyền tới nhà thuê bao. Nó cung cấp vùng phủ dịch vụ khoảng 50 km và không cần tầm nhìn thẳng tới trạm cơ sở. Tốc độ dữ liệu lên tới 280Mbps cho mỗi trạm cơ sở. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 20 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Hình 1.5: Các chuẩn không dây cho các mạng khác nhau Chi tiết về tiêu chuẩn này được cụ thể trong bảng sau: 802.16 12/2001 Hoàn thành 802.16a 1/2003 802.16e Đánh giá vào Q32004 < 6 GHz Không yêu cầu Phổ cho phép Điều kiện kênh Từ 10-66 GHz < 11GHz Yêu cầu tầm nhìn Không yêu cầu Tốc độ bit thẳng 32 - 134 Mbps ở > 75 Mbps ở 20 >1 Mbps ở 5 MHz 28 MHz cho mỗi MHz cho mỗi kênh cho mỗi kênh kênh Điều chế được sử QPSK, dụng Ứng dụng Độ rộng kênh Khả năng 16QAM, OFDM 256 của Như 802.16a 4QAM sóng mangQPSK, Cố định 16QAM,64QAM Cố định 20,25 và tới 28 1,25 - 20 MHz MHz ứng 1 - 3 dặm dụng Di động và xách tay Như 802.16a 3 -5 dặm. Lớn nhất Khoảng 1 - 3 dặm là 30 dặm cho các ứng dụng có anten ở các toà nhà cao Bảng 1.2: Các đặc tính của chuẩn IEEE802.16 1.5.2. Đặc trưng lớp MAC của IEEE802.16 1.5.2.1. Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng MAC CS bao gồm các chức năng thích ứng đặc trưng. Hai đặc điểm có thể dùng được: ATM (kiểu truyền dẫn không đồng bộ) CS, để thích ứng lưu lượng ATM, và gói CS, để thích ứng lưu lượng IP và Internet. Các chức năng chính CS là: Phân loại SDU và ghép kênh (vào trong một kết nối dữ liệu đơn); và xoá hoặc tạo lại tiêu đề tải trọng. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 21 GVHD : KS. Lê Đình Công 1.5.2.2. Lớp con phần chung (MAC CPS) MAC CPS chịu trách nhiệm đối với một vài chức năng quan trọng có chung kĩ thuật CS khách. Phần này miêu tả các chức năng sau: a) Quá trình kết nối WiMAX là hướng kết nối. Điều này có nghĩa là trước khi gửi thông tin người sử dụng, nó cần thiết lập một kết nối giữa một SS và một BS hoặc một SS và một SS khác phụ thuộc vào cấu hình sử dụng. Đa hướng được hỗ trợ. Mỗi kết nối có một nhận dạng kết nối 16 bit (CID). Có bốn loại kết nối khác nhau: cơ bản, sơ cấp, thứ cấp và dữ liệu. Kết nối dữ liệu thường được sử dụng để truyền thông tin người sử dụng trên một đường không trực tiếp, trong khi đó ba loại còn lại được sử dụng để truyền thông tin điều khiển. b) MAC PDU Các MAC PDU được chia làm ba phần: một tiêu đề chung (6 byte); một tải trọng độ dài thay đổi và một mã kiểm tra tuần hoàn (4 byte). Độ dài PDU lớn nhất là 2 Kbyte. Tải trọng có thể được sử dụng để truyền thông tin điều khiển qua các tiêu đề con. Tải trọng có thể rỗng hoặc đầy với các tiêu đề con, các MAC PDU hoặc các đoạn. Để mà đàm phán băng thông, nó được phát triển một MAC PDU không chấp nhận. PDU này có một tiêu đề đặc biệt, chứa các thông số băng thông. Có năm loại tiêu đề con: đoạn, gói, quản lí trợ cấp, lưới và cấp phát hồi tiếp nhanh. Tiêu đề con đoạn được sử dụng để điều khiển đoạn MAC SDU thành hai hoặc nhiều MAC PDU, trong khi đó tiêu đề con gói được sử dụng để tập hợp một hoặc nhiều MAC SDU thành một MAC PDU. Tiêu đề con quản lí trợ cấp cho phép các yêu cầu băng thông không cần gửi một PDU dành riêng. Yêu cầu được mang cùng với một MAC PDU chung. Khi cấu hình MAC được sử dụng, tiêu đề con lưới chứa một ID node, được sử dụng chỉ địa chỉ của node trong hàng xóm của chúng. IEEE 802.16TM-2004 mô tả 41 bản tin quản lí được phát trong các tải trọng MAC PDU qua các kết nối quản lí. Các MAC PDU được sắp xếp trong các khung lớp vật lí. c) Phân kênh Không chỉ TDD (phân kênh phân chia theo thời gian) mà cả FDD (phân kênh phân Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 22 GVHD : KS. Lê Đình Công chia theo tần số) cũng được hỗ trợ. Trong FDD cả các cạnh cũng phát ngay lập tức trên các tần số khác nhau, trong khi đó trong TDD chỉ một tần số được sử dụng và nó được chia sẻ dựa vào thời gian. Khung TDD có hai phần: khung con đường lên và khung con đường xuống. Mỗi khung con được phân chia thành các khe vật lí (PL) đối với các giao diện không gian sóngm mang đơn, và thành các burst đối với các giao diện không gian OFDM. Các MAC PDU được chèn trong các PL hoặc các burst theo các giao diện không gian được triển khai. Trên FDD, mô hình song công và bán song công được cho phép. d) Sắp xếp Sắp xếp được triển khai để cấp phát băng thông cho các kết nối. Đối với giao diện không gian sóng mang đơn, BS gửi trong khung con đường lên một sắp xếp đường xuống (DL-MAP) và một sắp xếp đường lên (UL-MAP). DL-MAP chứa các khe thời gian một SS có thể sử dụng để trên đường xuống. UL-MAP chứa các khe thời gian một SS phải nghe trong đường lên. Khung con đường lên bắt đầu với các MAP này, được gửi qua giao diện không gian tới tất cả các SS. Vì vậy, ULMAP và DLMAP định nghĩa băng thông được cấp phát cho các kết nối (qua số các khe thời gian có thể), các khe thời gian mỗi trạm phải phát và nhận, và mô tả burst được sử dụng. Đối với giao diện không gian OFDM, các kí hiệu OFDM và các kênh con được sử dụng. IEEE 802.16TM-2004 mô tả xử lý sắp xếp cho mỗi giao diện không gian. Chúng khá khác nhau. e) Lập lịch, yêu cầu băng thông và trợ cấp Lập lịch được triển khai để định nghĩa quyền ưu tiên truyền dẫn các MAC SDU qua các kết nối MAC tồn tại. Với mỗi kết nối nó được kết hợp với một loại lập lịch được xác định trước. Mỗi loại có các thông số xác định các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS). Có bốn loại được định nghĩa: dịch vụ trợ cấp tự nguyện (UGS), dịch vụ kiểm soát thời gian thực (rtPS), dịch vụ kiểm soát thời gian không thực (nrtPS) và nỗ lực tốt nhất (BE). UGS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít không đổi thời gian thực, giống như trạng thái mạch. rtPS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít thay đổi thời gian thực giống như lưu lượng video. nrtPS liên quan tới lưu lượng tốc độ bít thay đổi thời gian không thực trễ dung sai, giống phân phối video. Đối với lưu lượng dữ liệu tốc độ bit thay đổi, nó được định nghĩa một loại nỗ lực tốt nhất (BE). Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp 23 GVHD : KS. Lê Đình Công Đối với các kết nối UGS, BS trợ cấp một cách định kỳ một lượng băng thông cố định, được đàm phán khi thiết lập kết nối. Các loại khác phải yêu cầu định kỳ băng thông, được cấp phát động trong khoảng truyền dẫn. Băng thông có thể được yêu cầu bởi một yêu cầu một mình (MAC PDU yêu cầu BW) hoặc một yêu cầu mang (tiêu đề con MAC PDU). Các yêu cầu có thể tăng lên hoặc kết hợp lại. Các yêu cầu kết hợp thay thế các kết nối ưu tiên được yêu cầu băng thông, trong khi đó các yêu cầu tăng lên cải thiện dòng băng thông bởi lượng yêu cầu. Các SS phải yêu cầu băng thông theo chu kì đối với các kết nối BE, rtPS, nrtPS, vìvậy giảm sử dụng băng thông. Chu kì cập nhật phụ thuộc loại lập lịch và chất lượng liên kết. Thêm vào các yêu cầu riêng lẻ, BS có thể cấp phát một yêu cầu khoảng thời gian, trong đó một hoặc nhiều SS có thể gửi các bản tin yêu cầu băng thông. Xử lý này được gọi là bầu cử. Bầu cử có thể được thực hiện theo hai cách: bầu cử đơn hướng và bầu cử dựa vào đấu tranh. Trong bầu cử đơn hướng, BS cấp phát băng thông nghe các yêu cầu của một SS, trong khi đó trong bầu cử dựa vào đấu tranh, BS cấp phát băng thông nghe yêu cầu của một nhóm đa hướng các SS hoặc tất cả các SS. SS có nhiều cách để yêu cầu băng thông, kết hợp bầu cử đơn hướng với trả lời của các yêu cầu dựa vào đấu tranh và hiệu quả của băng thông tự nguyện. Băng thông có thể được trợ cấp trên kết nối (GPC) hoặc trên SS (GPSS). Trong cả hai trường hợp, các yêu cầu băng thông được thông tin trên kết nối, để mà cải thiện cấp phát băng thông BS. Tuy nhiên, trong GPC băng thông được trợ cấp cho các kết nối đặc biệt, trong khi đó trong GPSS nó được trợ cấp cho SS, cái mà quyết định phân phối nó. f) Sự giải quyết xung đột Mặc dù BS điều khiển cấp phát băng thông trong đường xuống, nó có thể xuất hiện xung đột trong khoảng thiết lập và khoảng thời gian yêu cầu băng thông. Thuật toán mũ nhị phân rút ngắn được triển khai để giảiquyết các trạng thái xung đột. g) ARQ ARQ là xử lý phát lại các MAC PDU đã bị mất hoặc sai lạc. Theo IEEE 802.16TM-2004, cơ cấu ARQ là cơ cấu ARQ dựa vào bít chỉ dẫn dựa vào số thứ tự đoạn của các tiêu đề con đoạn hoặc gói. Cơ cấu có thể làm việc hoặc như một xác nhận tích luỹ, lựa chọn hoặc như một cơ cấu ARQ kết hợp. ARQ hỗ trợ tuỳ chọn và Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT