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
- Xem thêm -