(Luận văn) nghiên cứu mạng wimax thiết kế và triển khai wimax di động

Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trở nên p

Trang 1

tr-ờng đại học bách khoa hà nội

-luận văn thạc sĩ khoa học

ngành : kỹ thuật điện tử

Nghiên cứu MạNG WIMAX - THIếT Kế Và

Triển khai wimax di động

Trang 2

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 3

Trang 4

Trang 5

MỤC LỤC

Chương 1 Giới thiệu công nghệ WIMAX 1

1.1 Khái niệm về WiMAX 2 1.2 Các tính năng và ưư điểm của WiMAX 5 1.3 Các chuẩn IEEE 802.16 5

1.3.1 IEEE 802.16 2001 – 6 1.3.2 IEEE 802.16 a 2002 – 8 1.3.3 IEEE 802.16 c 2003 – 8 1.3.4 IEEE 802.16 2004 – 8 1.3.5 IEEE 802.16 e 8 1.4 Truyền ós ng 11

1.4.1 i u ch Đ ề ếthích nghi 11

1.4.2 C ng ngh s a l ô ệ ử ỗi 11

1.4.3 i u khi n cĐ ề ể ông suất 11

1.5 Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 12

1.5.1 Phâ ậpn t thu v àphát 12

1.5.2 C c ng ngh nten thác ô ệ ă ích nghi AAS 13

1.5.3 So s h gi c ng ngh Wiﬁ v WiMAX án ữa ô ệ à 15

Chương 2 Lớp PHY và lớp MAC 20

2.1 Mô hình tham chiếu 20

2.2 Tổng quan lớp vật lý 21

2.3 Lớp MAC( Media Access Control) 22

2.3.1 L con h t chuy n bi v dớp ội ụ ê ệt ề ịch ụ v MAC CS 22

2.3.2 L con ph n chung MAC CPS ớp ầ 23

Trang 6

2.3.2.1 C ác định ạng d MAC PDU 23

2.3.2.2 C cơ ấu ARQ 24

2.3.3 L con b o m ớp ả ật 24

2.3.4 L con h t truyớp ội ụ ền TC 24

Chương 3 Hệ thống WiMAX di động Phân tích và đánh giá 26

3.1 Mở đầu 26

3.2 Mô tả lớp PHY của WiMAX di động 27

3.2.1 Kh i niá ệm OFDM 27

3.2.1.1 Nguyê ý ơ ản l c b n của OFDM 28

3.2.1.2 H ệthống thông tin dung OFDM 30

3.2.2 Ph n bi â ệtOFDM v àOFDMA 38

3.2.3 C u tr symbol ấ úc OFDMA v àviệc chia nh kỏ ênh 40

3.2.4 Kh n ng mả ă ở ộng r quy mô 42

3.2.5 C u tr khung Tấ úc DD 43

3.2.6 C c t h ti n ti n c l PHY ác đặ ín ê ế ủa ớp 45

3.3 Mô tả lớp MAC 47

3.3.1 Hỗ trợ chất lượng QoS 48

3.3.2 Dịch ụ ập ịch v l l trình MAC (Scheduling) 50

3.3.2.1 Qu n l ngu n ả ý ồ 52

3.3.2.2 Chuy n giao ể 52

3.3.2.3 B o mả ật 54

3.4 Các tính năng tiên tiến của WiMAX di động 55

3.4.1 C ng ngh nten thô ệ ă ích nghi AAS 55

3.4.2 T s dái ử ụng ầ t n s ố 57

3.4.3 Dịch ụ v truyề đ đ ển a i m v àphát quảng á b MBS 59

Trang 7

3.5 Đánh giá hoạt động của hệ thống WiMAX di động 61

3.5.1 C tham s h ác ố ệthống iMAX di động W 61

3.5.2 Qu ỹ đường truy n WiMAX di ề động 62

3.5.3 Độ tin c v ậy àOverhead c MAP trong Wủa iMAX di động 65

3.5.4 Hi n ng ho ệu ă ạt động ủa ệ c h thống WiMAX 68

3.6 Kiến trúc WiMAX 72

3.7 Các vấn đề cần quan tâm khác 77

3.7.1 C ác ứng ụng của WiMAX di động d 79

3.7.2 Vấn đề phổ ủa WiM c AX di động 80

3.7.3 C l ác ộtrình cho s ảnphẩm iMAXW 81

3.8 Các tính toán cho quá trình thiết kế WiMAX 82

3.8.1 Tốc độ downlink và uplink cực đại theo lý thuyết 82

3.8.2 B k nh ván í ùng ph song v c ủ à ácthông s ố khác 83

3.8.3 Hi ệusuất phổ ủa trạm g c ốcBS 88

3.8.4 C t h to n trong k thu i u ch ác ín á ỹ ật đ ề ếthích nghi 90

3.8.4.1 Suy hao đường truy n trong kh ng gian t ề ô ựdo 90

3.8.4.2 L u lư ượng của cell 93

3.9 Kết luận 94

Chương 4 Thi k v tri n khai th nghiết ế à ể ử ệm WiMAX di động cho mạng Viettel 96

4.1 K ết quả thử nghiệm WiMAX c ố định ủa c Viettel 96

4.1.1 Quy mô và địa điểm triển khai 96

4.1.2 T h nín ăng của c ácCPE 97

4.2 Triển khai thử nghiệm WiMAX 101

4.2.1 Sơ đồ mạng thử nghiệm 101

Trang 8

4.2.2 C u h h th nghiấ ìn ử ệm 101 4.2.3 Dịch ụ ự v d kiến th nghiử ệm 1044.2.4 K ếtquả thử nghiệm 1044.3 C ácthức đánh gi chất lá ượng à chỉ tiê v u b o c o c ng nghá á ô ệ 1054.3.1 C h th ác ức đánh gi áchất ượng l 1064.3.2 C ácchỉ tiê u b o cá áo c ng nghô ệ 1064.4 Kế hoạch thử nghiệm WiMAX di động 1074.4.1 T n s v dung lầ ố à ượng 1084.4.2 C u tr ấ úcthử nghiệm 1084.4.3 T h ch ín ấtthử nghiệm 109 4.4.5 C ácthức đánh gi áchất ượng l 1094.5 C vác ấn đề trong Mobile WiMAX 1104.5.1 Vấn đề Radio 110 4.5.2 Vấn đề cung c p dấ ịch ụ v 111

K ếtluậnPhụ lục

T ừngữ viết ắt t

Trang 9

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thuộc tính v phi n b c 802.16 à ê ản ủa 7

Bảng 1.2 So s h gi WiMAX v Wifi án ữa à 19

Bảng 2.1 Thu ật ngữ à v mô ả t giao diện kh ng gian ô 22

Bảng 3.1 C tham s ác ố tỷ lệ OFDM 43

Bảng 3.2 C k thu mác ỹ ật ã ho v i u ch á à đ ề ế được h ỗ trợ 45

Bảng 3.3 Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC của WiMAX di động 47

Bảng 3.4 C ác ứng ụng d WiMAX v àchất lượng ịch ụ d v 49

Bảng 3.5 C ác tuỳ chọn ủa anten ti n ti c ê ến 56

Bảng 3.6 C t ác ốc độ d ữ liệu cho c c u h h SIMO/MIMOác ấ ìn 57

Bảng 3.7 C ác thông s h ố ệ thống WiMAX di động 62

Bảng 3.8 C c th ng s á ô ố OFDMA 62

Bảng 3.9 Ph ng th truyươ ức ền s ng ó 62

Bảng 3.10 Qu ỹ đường truy n DL cho WiMAX di ề động 64

Bảng 3.11 Qu ỹ đường truy n UL cho WiMAX di ề động 65

Bảng 3.12 C m h h kác ô ìn ênh đ đườnga mô phỏng hoạt động của h thống 68 ệ Bảng 3.13 Mô hình kênh thuê bao hỗn hợp cho mô phỏng hoạt động của hệ thống 68 Bảng 3.14 C ác giả thiết ấ c u h nh WiMAX di ì động 70

Bảng 3.15 T h n ng ho ín ă ạt động ủa ệ thống c h WiMAX di động 71

Bảng 3.16 Th ng s t h toô ố ín án đường truyền 84

Bảng 3.17 Hi ệu suất phổ 87

Bảng 3.18 Gi ả định ật ý v l 802.16 92

Trang 10

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ mạng không dây Khả năng liên lạc không dây đã gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị kỹ thuật số khác Với các tính năng ưu việt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành ngày càng giảm

Xu hướng kết nối không dây (vô tuyến) ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối mạng máy tính Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trở nên phổ cập, bạn có thể ngồi ở bất

cứ nơi đâu và truy nhập Internet từ máy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết nối không dây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP Các công nghệ hiện tại đã đem đến cho người sử dụng những khả năng kết nối không dây thật hoàn hảo Ví như Bluetooth kết nối không dây, Wi Fi truy xuất Internet -không dây, điện thoại di động

Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện nay còn hạn chế

và chưa thật sự liên thông với nhau Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là các hotspot thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc độ băng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn Đó chính là WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access) Nó cũng được biết đến như là IEEE 802.16 WiMAX là ột công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa mcho mạng không dây điểm đa điểm Là giải pháp cho mạng đô thị không dây - băng rộng với phạm vi phủ sóng tới 50km và tốc độ bit có thể lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính cell từ 2-9km

Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương đương xDSL, trục T1/E1 phổ biến hiện nay Công nghệ WiMax đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây

Trang 11

băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động Chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép WiMax thực sự đang được các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quan tâm

Nhận thấy Wimax là công nghệ mới có nhiều ứng dụng ở các nước trên thế giới cũng như tại Việt nam trong tương lai, vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax- thiết kế và triển khai mạng WiMAX di động”

Nội dung nghiên cứu luận văn này được xây dựng trên cơ sở những kiến thức

đã được tiếp thu trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa Điện tử Viễn thông

- Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như thời gian làm việc tại Công ty công nghệ Viettel

Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có giới hạn, bài luận văn này không tránh khỏi có những sai sót, tác giả mong được sự góp ý chỉ bảo của các Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp

Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Đức Thuận Bộ môn Công nghệ Điện tử và Y Sinh – Khoa ĐTVT Đại học Bách - - Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và có nhiều góp ý, cùng nhiều tài liệu bổ ích để bản luận văn này được hoàn thành Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã có những chỉ bảo và cung cấp chia sẻ những kết quả tài liệu quí giátrong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này

Hà Nội, ngày 28 thán 11 năm 2008

Học viên

Ngô Thanh Hương

Trang 12

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trước hết, chúng ta nên hiểu công nghệ WiMAX là công nghệ như thế nào?

WiMAX(World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập viba

có tính tương tác toàn cầu WiMAX cho phép đưa truy cập các dịch vụ vô tuyến tới số đông khách hàng là tên thông dụng của chuẩn IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX cung cấp các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến cho truy nhập không dây băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động WiMAX có nhiều

ưu điểm vượt trội, như tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao, vùng phủ rộng, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép Ngoài ra, công nghệ này còn đưa ra sự lựa chọn giá rẻ thay thế cho truy cập băng rộng qua cáp

và qua đường truyền thuê bao số DSL, chi phí lắp đặt cho một hạ tầng vô tuyến dựa trên chuẩn IEEE802.16 cũng thấp hơn nhiều so với các giải pháp hữu tuyến, thường đòi hỏi việc đi cáp trên đường phố và trong các toà nhà Do vậy, WiMAX đã trở thành một giải pháp hấp dẫn cho việc cung cấp kết nối băng rộng trong mạng vô tuyến đô thị

Từ những ưa điểm nổi trội trên của WiMAX và sự bùng nổ công nghệ trên toàn thế giới về công nghệ này, việc tìm hiểu về công nghệ và khả năng ứng dụng của nó trên thực tế là hết sức cần thiết

Luận văn này trình bày các đặc điểm của WiMAX và đi sâu nghiên cứu công nghệ WiMAX di động với các yếu tố cần thiết để thiết kế và tính toán phủ sóng khi triển khai công nghệ WiMAX ở Việt Nam

Ở Việt Nam công nghệ này chỉ mới được thử nghiệm bởi các nhà cung cấp dịch vụ Internet, do vậy phần cuối của luận văn sẽ đưa ra kết quả thử nghiệm và khả năng triển khai của công ty cổ phần viễn thông Viettel Telecom tại Việt Nam

và kế hoạch triển khai thử nghiệm công nghệ WiMAX di động của Viettel Telecom

Trang 13

Chương 4 Mô hình thiết kế và triển khai thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam của công ty Viettel Telecom và kế hoạch thử nghiệm WiMAX di động của công

ty này

Trang 14

Chương 1 Giới thiệu công nghệ WiMAX

Truy cập băng thông rộng đang đứng trước nhiều ngã rẽ trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành viễn thông trong những năm gần đây Cả hai công nghệ vô tuyến và băng thông rộng đều được sự chấp thuận của thị trường nói chung một cách nhanh chóng Các dịch vụ di động không dây phát triển từ số lượng 11 triệu thuê bao trong năm 1990 tới hơn 2 tỷ thuê bao vào năm 2005 Trong suốt thời gian phát triển, mạng Internet đã lớn mạnh và trở thành một công cụ hữu ích và

có khoảng 1 tỷ người sử dụng Sự phát triển chóng mặt của mạng Internet là yêu cầu đặt ra cho các dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao, hướng tới sự phát triển song song đối với băng thông rộng Chưa đầy một thập kỷ, các dịch vụ băng thông rộng đã phát triển từ số 0 tới trên 200 nghìn Và có nhiều câu hỏi được đặt

ra, thứ nhất là có thể phát triển sự kết hợp giữa thương mại và kỹ thuật hay không? Công nghệ truy cập không dây có thể đưa ra các ứng dụng băng thông rộng và các dịch vụ được quan tâm tới những người sử dụng hay không? Trước khi đi sâu vào nghiên cứu WiMAX chúng ta sẽ tìm hiểu về truy cập băng thông rộng hiện nay

1.1 Khái niệm về WiMAX WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) là hệ thống truy cập

vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên các chuẩn IEEE 802.16 Các chuẩn này

do hai tổ chức quốc tế là Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802 và diễn đàn WiMAX là tổ chức triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16

Mục đích của công nghệ truy cập vô tuyến đang được triển khai nhiều ứng dụng triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động Trong khi, mạng Wifi chỉ phục vụ mạng nội bộ LAN, còn mạng WiMAX chủ yếu phục vụ cho mạng đô thị MAN

Công nghệ WiMAX đưa ra sự lựa chọn giá rẻ thay thế cho truy cập băng rộng qua cáp và qua đường truyền thuê bao số DSL, chi phí lắp đặt cho một hạ tầng

Trang 15

vô tuyến dựa trên chuẩn IEEE802.16 cũng thấp hơn nhiều so với các giải pháp hữu tuyến, thường đòi hỏi việc đi cáp trên đường phố và trong các toà nhà Do vậy, WiMAX đã trở thành một giải pháp hấp dẫn cho việc cung cấp kết nối băng rộng trong mạng vô tuyến đô thị

Công nghệ WiMAX còn là giải pháp thiết thực để mở rộng các dịch vụ tới các vùng miền khác nhau trên khắp cả nước, từ nông thôn tới các thị trường đang phát triển, trong khi hạ tầng công nghệ hữu tuyến bị hạn chế

Thực chât, WiMAX không phải là một công nghệ mới mà nó chỉ là một sự thích nghi mang tính thương mại và có đổi mới dựa trên công nghệ đã được sử dụng để mang các dịch vụ vô tuyến băng rộng phủ khắp toàn cầu

1.2.Các tính năng và ưu điểm của WiMAX WiMAX đã được thiết kế để chú trọng vào những thách thức gắn với các loại triển khai truy nhập có dây truyền thống như:

➢ Bachhaul Sử dụng các anten điểm – điểm để nối nhiều hotspot với nhau và đến các trạm gốc qua những khoảng các dài (đường kết nối giữa điểm truy nhập WLAN và mạng băng rộng cố định)

➢ Last mile Sử dụng các anten điểm – đa điểm để nối các thuê bao thuộc nhà riêng hoặc doanh nghiệp tới trạm gốc

WiMAX đã được phát triển với nhiều mục tiêu quan tâm như:

➢ Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm –

đa điểm, công nghệ mesh và phủ sóng khắp mọi nơi MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền dẫn) hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao SS (Subcriber Station) Nếu có duy nhất một SS trong mạng, trạm gốc BS (Base Station) sẽ liên lạc với trạm thuê bao SS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể

sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn

➢ Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không

Trang 16

thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).iMX

➢ Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố

để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Các nhà vận hành mà đã có được các đăng ký để sử dụng một trong các dải tần đăng ký, hoặc dự kiến sử dụng một trong các dải tần không đăng ký, không cần đệ trình các ứng dụng hơn nữa cho chính phủ

➢ Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào

sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng SS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô

phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức

➢ Tính tương thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có tính chất

rõ rệt nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải

và sử dụng SS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì

nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị, và nó sẽ tiếp tục đưa chi phí thiết bị xuống khi có một sự chấp nhận đa số

➢ Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng

di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao)

và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA

mở rộng được, MIMO (nhiều đầu ra nhiều đầu vào), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và han – off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 d km/h Mạng WiMax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ trong thành phố nào

Trang 17

➢ Lợi nhuận: WiMAX dựa vào một chuẩn quốc tế mở Sự chấp nhận đa số của chuẩn, và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi phí giảm, và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng kể cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Môi trường không dây được sử dụng bởi WiMAX cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phá vỡ những chi phí gắn với triển khai có dây, như thời gian và công sức.

➢ Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thắng giữa BS và SS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

➢ Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao

và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và SS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) – cùng công nghệ thì có thể sử dụng ở nhà

và di chuyển Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50

km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS)

➢ Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

➢ Tính mở rộng Chuẩn 802.16 2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Các nhà vận hành có thể cấp phát lại phổ qua hình quạt như số thuê bao gia tăng Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử

-luan van tot nghiep download -luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 18

dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

➢ Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và SS, sử dụng chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ

1.3 Các chuẩn 802.16 1.3.1 IEEE 802.16-2001 Chuẩn WiMAX đầu tiên được phê chuẩn bởi IEEE là chuẩn 802.16-2001

Chuẩn ra đời vào tháng 12/2001 cung cấp băng rộng không dây cố định trong hệ thống điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm

IEEE802.16-2001 sử dụng điều chế đơn sóng mang trong dải tần 10-66 GHz

và cho song công cả đường lên và đường xuống TDD và FDD Giản đồ điều chế

có thể được dùng là QPSK, 16QAM và 64QAM Sự quan trọng của các giản đồ sửa lỗi và điều chế khác nhau là có thể dùng được trong mạng chịu nhiều điều kiện thời tiết khác nhau mà đó chính là nguồn gốc ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service)

Trạm gốc BS tạo ra các bản đồ uplink và downlink mà sau đó được chia sẻ với tất cả các nút của mạng Các bản đồ này bao gồm thời gian truyền, khoảng thời gian và sự điều chế Các thuê bao chỉ cần tập trung vào trạm BS và không cần lắng nghe các nút khác của mạng Do sử dụng thuật toán lập lịch, mạng không phải chịu đựng tình trạng quá tải hoặc tình trạng vượt quá lượng thuê bao

SS có thể thương lượng để được cấp băng thông theo từng cụm Các SS có thể

sử dụng các giản đồ điều chế khác nhau QPSK, 16QAM và 64QAM và các khung khác nhau cũng có thể dùng các giản đồ điều chế này Giản đồ điều chế thực hiện tính ổn định và chất lượng của kết nối

Tính năng quan trọng trong chuẩn 802.16 2001 là nó có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau Một ID của luồng dịch vụ sẽ thực hiện kiểm soát

Trang 19

QoS Các luồng dịch vụ được mô tả bởi các tham số QoS Các luồng dịch vụ có thể được bắt nguồn từ một trong hai BS hoặc SS

802.16-2001 hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS

1.3.2 IEEE 802.16a-2003 Chuẩn kế tiếp này được phê chuẩn vào 1/2003 và có nhiều sự thay đổi so với

chuẩn 802.16 2001 trước đó Sự thay đổi quan trọng nhất là nó thêm vào tính năng hỗ trợ hoạt động trong tần số cấp phép 2 11 GHz Tính năng này quan -trọng là vì sẽ có rất nhiều công nghệ hoạt động trong dải tần đó Tính năng quan trong lớn nhất là IEEE802.16a-2003 hỗ trợ hoạt động trong tầm nhìn không thẳng NLOS Với tính năng này có thể mở rộng mạng hơn rất nhiều so với khi hoạt động trong chuẩn 802.16 2001 Trong chuẩn 802.16a 2003 cũng có nhiều - -

-sự thay đổi trong giản đồ điều chế Cùng với điều chế đơn sóng mang, QPSK, 16QAM, 64QAM thì OFDM cũng là một tuỳ chọn của chuẩn này.Trong phạm vi tần số 2 11 GHz thì có thể sử dụng OFDMA.-

Trang 20

Bảng 1 Các thuộc tính và phiên bản của 802.161

802.16e Thời gian

phê chuẩn

12-2001 1-2003 12-2002 6-2004 2005 Dải tần

hoạt động

10-66 GHz 2-11 GHz 10-66 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz Ứng dụng Trục

“backhaul”

cho các Hotspots

Dịch vụ E1/T1 cho các công ty lớn

Backhaul cho các Hotspots

Truy cập băng rộng

di động cho tất cả các khách hàng

độ rộng kênh 28 MHz

Tối đa 75 Mbps tại

độ rộng kênh 20 MHz

Tối đa 75 Mbps tại

độ rộng kênh 20 MHz Tối đa 15 Mbps tại độ

rộng kênh 5 MHz Điều chế QPSK,

16QAM, 64QAM

OFDM 256 sóng mang con, QPSK, 16QAM, 64QAM

QPSK, 16QAM

OFDM 256 sóng mang con, QPSK, 16QAM, 64QAM

Scalable OFDMA Tính

chuyển

động

Cố định Cố định Cố định Cố định Khách đi

bộ, di động chuyển vùng

20, 25 và 28 MHz

Lựa chọn trong khoảng 15-20 MHz

Bán kính tế

bào

1- 3 dặm 4- 6 dặm

Có thể lên tới 30 dặm tuỳ vào chiều cao, độ tăng ích của anten và năng lượng truyền

1- 3 dặm 4- 6 dặm

Có thể lên tới 30 dặm tuỳ vào chiều cao, độ tăng ích của anten và năng lượng truyền

Hộp mở rộng được nối tới PC bằng một anten ngoài

PC card

Chuẩn 802.16a hỗ trợ thêm kiến trúc mạng Mesh Có nghĩa là lưu lượng có thể được định tuyến từ SS này tới một SS khác Do vậy nên trong lớp MAC có một vài sự thay đổi để có thể truyền dẫn từ SS đến SS

Trang 21

1.3.3 IEEE 802.16c-2002 Trong chuẩn này đã thêm vào hồ sơ hệ thống một cách chi tiết so với chuẩn đầu tiên trong dải tần 10 66 GHz Chuẩn này cũng đã sủa một vài lỗi trong phiên -bản đầu tiên

1.3.4 IEEE 802.16-2004

Ba chuẩn 802.16 2001, 802.16c và 802.16a 2003 được tích hợp lại cùng nhau -

-và tạo ra một chuẩn mới có tên gọi là 802.1 2004 hoặc 802.166- -Revd

802.16-2004 được phê duyệt vào 24/6/802.16-2004 Chuẩn này chỉ rõ giao diện không gian cho

hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định mà hỗ trợ nhiều dịch vụ đa phương tiện Lớp MAC hỗ trợ cơ bản kiến trúc PMP thêm tuỳ chọn topo mesh

MAC được xây dựng để hỗ trợ nhiều đặc tính kỹ thuật của PHY tuỳ từng môi truờng hoạt động cụ thể Đối với tần số 10 66GHz, PHY dựa trên điều chế đơn -sóng mang, với tần số dưới 11GHz mà hoạt động không cần trong LOS thì có dạng điều chế OFDM, OFDMA

1.3.5 IEEE 802.16e

✓ Là sự sửa đổi tới chuẩn IEEE 802.16 (giao diện không gian cho các hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định), việc sửa đổi dựa trên 802.16a và 802.16c

✓ Chuẩn bao gồm lớp MAC và PHY cho kết nối cố định và di động trong dải tần cấp phép

✓ Chuẩn 802.16e đưa ra các khả năng di động mà cho phép nguời sử dụng kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ internet không dây (WISP-wireless internet service provider) khi họ di chuyển ra khỏi nhà hoặc là cơ quan hoặc là tới thành phố khác miễn là vẫn có một WISP

✓ Là đích ngắm cho các nguời dùng di động là những nguời mong muốn giữ được kết nối trong khi đang di chuyển hoặc lái xe với tốc độ từ 75 93 dặm một -giờ

1.4.Truyền sóng Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có

Trang 22

thể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng NLOS Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai Cả LOS và NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến

Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắc nghẽn từ máy phát đến máy thu Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel thứ nhất thì không bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không thỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát Độ hở Fresnel được yêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí máy phát và máy thu

Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Các tín hiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường được phản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ

Các tín hiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực, và độ ổn định quan

hệ với đường truyền trực tiếp Là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu

Điều đó không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính

Hiện tượng đa đường cũng có thể gây ra sự phân cực tín hiệu bị thay đổi Vì vậy sử dụng phân cực như là biện pháp sử dụng lại tần số, như được thực hiện thông thường trong các triển khai LOS có thể khó giải quyết trong các ứng dụng NLOS

Một hệ thống vô tuyến sử dụng các tín hiệu đa đường này như thế nào hướng tới một thuận lợi là chìa khóa để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS

Một sản phẩm mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản (đôi lúc được gọi là “gần tầm nhìn thẳng”) thì không phải là công nghệ NLOS bởi vì phương pháp này vẫn còn dựa vào đường truyền trực tiếp đủ mạnh mà không sử dụng năng lượng xuất hiện trong các tín hiệu gián tiếp

Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng khao khát Ví dụ, các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không

Trang 23

cho phép anten được bố trí cho LOS Với những triển khai tế bào kề nhau phạm

vi rộng, nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh chung giữa các vị trí cell liền kề Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu cầu từ CPE đến trạm gốc

Hình 1 Minh họa họat động WiMAX1Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che thiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt CPE thích hợp Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước và cải thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS Xem minh họa trên hình 1.2

Công nghệ NLOS và những tính g cao trong WiMAX tạo khả năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà Điều này có hai khó khăn chính;

đầu tiên là khắc phục những tổn hao xuyên qua tòa nhà và thứ hai là phủ sóng các khoảng cách hợp lý với công suất truyền và các tăng ích anten thấp hơn mà thường được kết hợp với các CPE trong nhà

Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiện NLOS bằng cách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các

Trang 24

công nghệ sửa lỗi, các công nghệ anten thích ứng, điều khiển công suất, kênh con Dưới đây trình bày khái quát về những giải pháp nêu trên

1.4.1 Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến Khi liên kết vô tuyến chất lượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn hơn

Hình 1 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi2

Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ

đồ điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian

1.4.2 Công nghệ sửa lỗi Các công nghệ sửa lỗi đã được hợp nhất trong WiMAX để giảm các yêu cầu tỉ

số tín hiệu trên tạp âm hệ thống Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được dùng để phát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng Các công nghệ sửa lỗi mạnh giúp khôi phục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số

và các lỗi cụm Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể được sửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tốc độ lỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau

BPSK, SNR = 6dB, 1bit/ Hz QPSK, SNR = 9dB, 2bit/ Hz 16QAM, SNR = 16dB, 4bit/ Hz 64QAM, SNR = 22dB, 6bit/ Hz

Trang 25

1.4.3 Điều khiển công suất Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ

hệ thống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở một mức đã xác định trước Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này Điều khiển công suất giảm sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với những trạm gốc cùng vị trí Với LOS, công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảng cách của nó đến trạm gốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào

độ hở và vật cản 1.5 Các công nghệ vô tuyến tiên tiếnCông nghệ anten có thể dùng để cải thiện truyền dẫn theo hai cách – sử dụng công nghệ phân tập và sử dụng các hệ thống anten và các công nghệ chuyển mạch tiên tiến Các công nghệ này có thể cải thiện tính co dãn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhưng không bảo đảm phát dẫn sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu

1.5.1 Phân tập thu và phát Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản

xạ xảy ra trong các môi trường NLOS Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặc nhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm Phân tập truyền sử dụng mã thời gian không gian STC (Space Time Code) Đối với phân tập nhận, các công nghệ như kết hợp tỷ lệ tối đa MRC ( Maximum Rate Combining) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt Về MISO (Multiple Input- Single Output-một đầu ra nhiều đầu vào) xem hình 1.3

Trang 26

Hình 1 3 MISO iple Input-

Mở rộng tới MIMO( Mult Multiple Output) (xem hình 1.4), sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng các đường tín hiệu MIMO

sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theo không gian Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải mã ở máy thu

Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹp tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóng mang Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại không đổi phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO cho OFDMA

Hình 1 4 MIMO

Trang 27

1.5.2 Các hệ thống ăngten thích nghi AAS (Advanced Antenna Systems) AAS(Advanced Antenna Systems hay Adaptive Antenna System) là một phần tùy chọn Các trạm gốc có trang bị AAS có thể tạo ra các chùm mà có thể được lái, tập trung năng lượng truyền để đạt được phạm vi lớn hơn Khi nhận, chúng

có thể tập trung ở hướng cụ thể của máy thu Điều này giúp cho loại bỏ nhiễu không mong muốn từ các vị trí khác Xem hình 1.5 và hình 1.6

Tiêu chuẩn 802.16 cung cấp thêm các tính năng và một cấu trúc báo hiệu cho phép sử dụng các hệ thống ănten thông minh Cấu trúc khung riêng biệt điểm –

đa điểm PMP được định nghĩa cho phép truyền các chùm DL và UL sử dụng các tia định hướng, mỗi tia dành cho một hay nhiều SS Ngoài ra có một tín hiệu giữa BS và SS cho phép SS cung cấp các phản hồi về chất lượng kênh cho BS

Hình 1 Dạng phủ sóng chùm (Beam Shaping5 )

Trang 28

Hình 1 6 Anten AAS đường xuống Các thành phần thực và thành phần ảo của đáp ứng kênh đối với mỗi tia và sóng mang con cụ thể được cung cấp cho BS BS có thể xác định độ phân giải tần số của phản hồi này Tiêu chuẩn cho phép SS cung cấp đáp ứng kênh theo mỗi sóng mang con thứ 4, 8, 16 hay 64 Một số sảnh phẩm ban đầu theo chuẩn WiMAX dùng ănten thích nghi để cải thiện hiệu quả tần số của hệ thống

1.5.3 So sánh giữa công nghệ Wifi và WiMAX

Sự khác nhau cơ bản nhất giữa Wifi và WiMAX là chúng được thiết kế cho các ứng dụng hoàn toàn khác nhau

- Wifi là một công nghệ mạng phủ sóng vùng nội hạt LAN, được thiết kế

để tăng thêm tính di động cho các mạng LAN hữu tuyến riêng

- WiMAX được thiết kế để cung cấp một dịch vụ truy nhập không dây băng rộng BWA (Broadband Wireless Access) cho mạng vùng đô thị MAN

Do vậy, Wifi chỉ hỗ trợ truyền dẫn trong phạm vi vài trăm mét thì WiMAX có thể hỗ trợ người dùng trong bán kính tới hàng chục kilômét

Bên cạnh đó, một số cải thiện vè công nghệ liên kết vô tuyến là khác nhau giữa hai công nghệ này Chuẩn IEEE 802.11 WLAN mô tả bốn giao diện liên kết

vô tuyến hoạt động trong băng tần vô tuyến không cấp phép 2.4GHz hoặc

Trang 29

5GHz Các chuẩn WiMAX bao gồm một dải rộng hơn các bổ sung tiềm năng để giải quyết các yêu cầu của sóng mang khắp thế

giới Các băng tần WiMAX sử dụng cả băng tần cấp phép và băng tần không cấp phép trong dải từ 2-11GHz

Trong các băng tần không cấp phép, các chuẩn WiMAX kết hợp đặc điểm lựa chọn tần số động ở những nơi mà sóng vô tuyến tự động tìm kiếm một kênh chưa sử dụng Trong các vùng ở xa, nhiễu có thể được giảm thiểu

Đối với WiMAX, kênh đường lên và đường xuống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian TDD và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDD

Trong TDD, với khe thời gian được ấn định cho đường lên và đường xuống tách biệt nhau vì thế kênh truyền là song công toàn phần Trong khi giảm tốc độ truyền là 50% thì các hệ thống này chỉ sử dụng một nửa băng tần vô tuyến so với FDD

Đối với Wifi, sử dụng kỹ thuật TDD trên cơ sở tranh chấp nơi mà điểm truy cập và các trạm sử dụng chung một kênh Bởi vì hoạt động trong môi trường dùng chung nên tất cả các mạng Wifi là bán song công Wifi sử dụng hai công nghệ truyền dẫn vô tuyến cơ bản

- 802.11b: Liên kết vô tuyến sử dụng công nghệ trải phổ tuần tự trực tiếp được gọi là khoá mã bổ sung CCK Sau đó luồng bit được xử lý với mã đặc biệt và được điều chế sử dụng Khoá dịch pha cầu phương QPSK

- 802.11a và 802.11g: Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao OFDM Đầu phát mã hoá luồng bit trên 64 sóng mang sử dụng BPSK, QPSK hay một trong hai kiểu 16–QAM, 64-QAM Một số thông tin được phát là không cần thiết, vì thế đầu thu không phải nhận tất cả các sóng mang con để khôi phục thông tin

WiMAX sử dụng công nghệ OFDM và OFDMA cho lớp vật lý để làm tăng quy mô và tốc độ cho mạng

Cả Wifi và WiMAX đều sử dụng điều chế thích ứng và nhiều mức FFC để tối

ưu hoá tốc độ truyền và hiệu suất lỗi Khi môt tín hiệu vô tuyến giảm công suất

Trang 30

hay có nhiễu dẫn đến tỷ lệ lỗi sẽ tăng Điều chế thích ứng có nghĩa là đầu phát sẽ

tự động thay đổi để hiệu suất tăng lên hay thậm chí còn giảm đi

Cơ chế hiệu chỉnh lỗi trước FEC ( Forward Error Correction) nhằm khắc phục bớt lỗi và cải thiện hiệu năng truyền dẫn Tuy nhiên, lúc đầu Wifi với chuẩn 802.11b chưa có FEC nhưng FEC mã xoắn đã được kết hợp với 802.11a và 802.11g WiMAX sử dụng cả hai hệ thống FEC mã xoắn và Reed-Solomon

Bên cạnh đó WiMAX được hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến hiện đại như các ănten thông minh có thể làm giảm nhiễu và nâng cao tốc độ truyền Kết hợp với tính đa dạng đầu phát, đa dạng đầu thu MIMO để cải thiện phạm vi bao phủ Tốc

độ truyền dữ liệu được hỗ trợ cho WiMAX là rất cao, lên tới 100Mbps trong một kênh 20MHz, trong đó tốc độ được duy trì là 70Mbps Đối với Wifi, tốc độ truyền được hỗ trợ tối đa chỉ đạt 54Mbps

Lớp MAC của Wifi và WiMAX hoàn toàn khác nhau

➢ Đối với WiMAX thì giao diện lớp MAC có thể chia sẻ kênh vô tuyến giữa hàng trăm người dùng trong khi vẫn đảm bảo QoS, WiMAX sử dụng kỹ thuật yêu cầu cấp/phát loại trừ các tranh chấp đường lên hỗ trợ trễ nhất quán cho thoại và trễ biến đổi cho các dịch vụ dữ liệu Giao thức MAC của WiMAX cũng có đặc điểm sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động ARQ (Automatic Repeat Request)

➢ Ngược lại trong Wifi thì giao thức lớp MAC dựa trên cơ sở tranh chấp, giao thức MAC của Wifi được gọi là đa truy nhập cảm ứng sóng mang tránh xung đột CSMA/CA Trong khi WLAN là bán song công chia

sẻ môi trường, tất cả các trạm sẽ phát và thu trên cùng một kênh vô tuyến, vấn đề cơ bản là các trạm không lắng nghe khi đang gửi và vì thế không thể phát hiện xung đột Do vậy, một kỹ thuật đã được hỗ trợ cho Wifi gọi là chức năng điều khiển phân tán DCF (Distributed Control Function) Nền tảng kỹ thuật cơ bản là định nghĩa một hệ thống của các khoảng thời gian đợi và các bộ đếm thời gian lùi để giảm xung đột nhưng không huỷ bỏ các xung đột Một trạm Wifi sẽ chỉ phát nếu nó cho rằng kênh rỗi Tất cả việc

Trang 31

truyền dẫn được xác nhận, vì thế nếu trạm gốc không được xác nhận, nó cho rằng xung đột đã xảy ra và thử lại sau một khoảng thời gian đợi ngẫu nhiên Tác động của xung đột sẽ gia tăng khi lưu lượng tăng lên hay đang trong tình trạng trạm di động không thể lắng nghe các trạm khác ( vấn đề node ẩn)

Trong mạng WiMAX, giao thức yêu cầu cấp/phát nhận được hỗ trợ Truy nhập đường lên sẽ được điều khiển bởi trạm gốc Các người dùng muốn truyền đường lên đầu tiên phải gửi các yêu cầu trên một kênh truy nhập trên cơ sở tranh chấp Cho phép dành riêng để dùng kênh đường lên sau đó được cấp phát bởi trạm gốc sử dụng một hệ thống chấp nhận Chỉ có một trạm gốc được cho phép gửi trong một thời điểm, như vậy không có xung đột đường lên

Vấn đề bảo mật, điểm khác nhau chính giữa Wifi và WiMAX là riêng tư hay khả năng để bảo vệ các truyền dẫn không bị lấy trộm Bảo mật là một trong các thiếu sót quan trọng của Wifi, mặc dù các hệ thống mật mã hoá tốt hơn là có sẵn

Trong Wifi, mật mã hoá là tuỳ chọn, và có ba dòng công nghệ khác nhau được định nghĩa:

• WEP (Wired Equipvalent Privacy) : Mật mã hoá 104 bit hoặc 40 bit trên cở sở RC4 với khoá tĩnh

• WPA (Wifi Protected Access) : Một chuẩn mới sử dụng khoá WEP

104 hoặc 40 bit nhưng thay đổi khoá trên mỗi gói để cản trở những kẻ trộm khoá Giao thức chuyển khoá được gọi là giao thức toàn vẹn khoá theo thời gian TKIP ( Temporal Key Integrity Protocol)

• IEEE 802.11i/ WPA2: Chuẩn này dựa trên công nghệ mật mã hoa mạnh được gọi là chuẩn mật mã nâng cao AES ( Advanced Encryption Standard)

Mã hoá trong WiMAX ban đầu là chuẩn mật mã số 3DES Sau đó kết hợp với chuẩn mật mã nâng cao AES và đảm bảo tính bảo mật cao

Về tính di động trong Wifi và WiMAX cũng có những khác biệt Trong khi chuẩn 802.16 của WiMAX được thiết kế cho truy nhập băng rộng di động bảo

Trang 32

đảm tốc độ cao và chuyển giao không gián đoạn, đảm bảo tốc độ di chuyển của giao thông Với Wifi, tính di động bị hạn chế và chỉ đảm bảo cho việc di động tốc độ thấp

Bảng 1 So sánh giữa WiMAX và Wifi2

Tính mở rộng

- Kênh trong giải tần số 20 MHz

- Thiết kế cho 10s MAC ( hàng chục người dùng)

- Kênh có thể chọn từ 1.5 -20MHz

- Thiết kế cho 1000s MAC ( hàng nghìn người dùng)

Khả năng hoạt động

- Kênh tần số 20 MHz

- Tốc độ dữ liệu tối đa 54 Mbps - - Kênh tần số từ 1.5Tốc độ dữ liệu tối đa 63 Mbps-20MHz

Chất lượng dịch vụ

- Địa chỉ MAC phân quyền

- Chất lượng dịch vụ theo mức tập trung

Tầm hoạt động

- Tối ưu cho NLOS trong nhà

- Chưa hỗ trợ MESH

- Tối ưu cho NLOS ngoài trời

- Hỗ trợ MESH và kỹ thuật Anten tiên tiến

Bảo mật Sử dụng chuẩn WEP Sử dụng Tripple DES (128bits) và

RSA (1024 bits) luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 33

Chương 2 Lớp PHY và lớp MAC

2.1 Mô hình tham chiếu Hình 2.1 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

Hình 2 Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với mô 1

Trang 34

ngoài, mà nhận được qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP – CS Service Access Point), vào trong các MAC SDU (Service Data Unit) được tiếp nhận bởi lớp con phần chung MAC (CPS) qua SAP MAC Tức là phân loại các đơn

vị dữ liệu dịch vụ mạng ngoài (các SDU) và kết hợp chúng với định danh luồng dịch vụ (SFID) MAC và định danh kết nối (CID) riêng Nó cũng có thể bao gồm các chức năng như nén đầu mục tải (PHS) Nhiều đặc tính CS được cung cấp cho giao tiếp với các giao thức khác nhau Định dạng bên trong của payload CS là duy nhất với CS, và MAC CPS không được đòi hỏi phải hiểu định dạng hay phân tích bất cứ thông tin nàu từ payload CS MAC CPS cung cấp chức năng MAC cốt lõi truy nhập hệ thống, định vị dải thông, thiết lập kết nối, và quản lý kết nối Nó nhận dữ liệu từ các CS khác nhau, qua MAC SAP,

mà được phân loại tới các kết nối MAC riêng MAC cũng chứa một lớp con bảo mật riêng cung cấp nhận thực, trao đổi khóa bảo mật, và mật hóa

Lớp vật lý là một ánh xạ hai chiều giữa các MAC PDU và các khung lớp vật lý được nhận và được truyền qua mã hóa và điều chế các tín hiệu RF

-2.2.Tổng quan lớp vật lý

• 10-66 GHz Trong thiết kế của đặc tả PHY cho 10 66 GHz, sự truyền lan “line of sight” (tầm nhìn không bị vật cản) là cần thiết Do kiến trúc “điểm nhiều điểm” về cơ bản BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ Sự truy nhập theo hướng đường lên cho bởi TDMA Tiếp theo những thảo luận mở rộng về sóng công (duplexing), một thiết kế “cụm” (burst) được chọn cho phép cả TDD tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc và FDD tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt Thiết kế “cụm” này cho phép cả TDD và FDD được xử lý theo cách tương tự

-• 2-11 GHz Các băng tần 2 11 GHz đã cấp phép và được miễn đều nằm trong dự án IEEE 802.16a Chuẩn 802.16a chủ yếu bao gồm sự phát triển những đặc tả vật lý mới cho giao diện không gian và mỗi đặc tả trong

Trang 35

chúng đưa ra tính hoạt động cùng nhau Lớp vật lý 2 11 GHz được thiết kế

-do nhu cầu theo hướng hoạt động không trong tầm nhìn thẳng NLOS( light- -of sight) Vì các ứng dụng mang tính dân cư, các việc truyền sóng phải được thực hiện theo nhiều đuờng

Non-Bảng 2 Thuật ngữ và mô tả giao diện khô1 ng gian

Tên gọi Băng tần ứng dụng Song công Mô tả

WirelessMAN- SC 10-66 GHz TDD, FDD Đơn sóng mang

WirelessMAN-Sca 2-11 GHz băng tần

cấp phép

TDD, FDD Đơn sóng mang được mở rộng

tới các tần số NLOS WirelessMAN-

OFDM 2-11 GHz băng tần cấp phép TDD, FDD OFDM hoạt động cho NLOS WirelessMAN-

OFDMA

2-11 GHz băng tần cấp phép

TDD, FDD OFDM được chia thành các

nhóm con cung cấp đa truy cập trong một dải tần đơn WirelessHUMAN 2-11 GHz băng tần

Chuẩn định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ tổng thể để ánh

xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC Lớp con quy tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ gói được định nghĩa để ánh

xạ các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet và VLAN Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phân loại các SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) theo kết nối MAC thích hợp, bảo toàn hay cho phép QoS và cho phép định vị dải thông Ngoài những chức năng cơ bản này, các lớp con quy tụ có thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn như chặn và xây dựng lại đầu mục tải tối đa để nâng cao hiệu suất kết nối không gian

Trang 36

2.3.2 Lớp con phần chung MAC CPS (Common Part Sublayer) Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) là trung tâm của chuẩn Trong lớp con này, các quy tắc cho quản lý kết nối, định vị dải thông và cơ cấu cho truy nhập hệ thống được định nghĩa Ngoài ra các chức năng như lập lịch đường lên, yêu cầu và cấp phát dải thông, và yêu cầu lặp lại tự động (ARQ) cũng được định nghĩa

2.3.2.1 Các định dạng MAC PDU

Hình 2 2 Các định dạng MAC PDU MAC-BS và MAC MS trao đổi các bản tin, và các bản tin này được xem -như các PDU Định dạng của MAC PDU như hình 2.9 Trên hình ta có thể thấy bản tin bao gồm ba phần: header MAC chiều dài cố định là 6 bytes, payload chiều dài thay đổi và CRC Các MAC PDU có thể chứa hoặc các bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ MAC SDU Payload là tùy - chọn, CRC cũng tùy chọn và chỉ được sử dụng nếu MS yêu cầu trong các tham số QoS

Có hai loại header MAC: header MAC chung (GMH) và header MAC yêu cầu dải thông (BR) GMH được sử dụng để truyền dữ liệu hoặc các bản tin quản lý MAC Header BR được sử dụng bởi MS để yêu cầu nhiều dải thông hơn trên UL Header MAC và các bản tin quản lý MAC không được mật hóa

* Các loại MAC PDU bao gồm:-

- MAC PDU dữ liệu: payload là các MAC SDU, các segment

- MAC PDU quản lý: payload là các bản tin quản lý MAC hoặc các gói IP được gói gọn trong các MAC CS PDU, được truyền trên các kết nối quản

lý

- Các MAC PDU yêu cầu dải thông: HT =1; và không có payload, chỉ có header

2.3.2.2 Cơ cấu ARQ (Automatic Repeat Request)

Trang 37

ARQ sẽ không được sử dụng với đặc tả PHY WirelessMAN-SC C ơ cấu ARQ là một phần của MAC, mà là tùy chọn bổ sung Khi được bổ sung, ARQ

có thể được phép trên cơ sở mỗi kết nối Mỗi kết nối ARQ sẽ được chỉ rõ và được dàn xếp trong thời gian tạo kết nối Một kết nối không thể có sự kết hợp

cả lư ượng ARQ và không ARQ Chỉ hiệu quả với các ứng dụng không thời u lgian thực

2.3.2.3 Truy nhập kênh và QoS IEEE 802.16 có thể ỗ h trợ nhi u d ch v ề ị ụ thông tin (dữ ệ li u, tho i, video) ạvới các yêu cầu QoS khác nhau Cơ cấu nguyên lý để cung cấp QoS là phải kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụ được nhận biết bởi CID Một luồng dịch vụ là một luồng vô hướng mà được cung cấp một QoS riêng biệt MS và BS cung cấp QoS này theo tập tham số QoS được định nghĩa cho luồng dịch vụ Mục đích chính của các đặc tính QoS được định nghĩa ở đây là để xác định thứ tự và lập lịch truyền ở giao diện không gian

2.3.3 Lớp con bảo mật 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 Mục tiêu của nó là để cung cấp điều khiển truy nhập, bảo mật liên kết dữ liệu, chịu trách nhiệm mật hóa, giải mã

dữ liệu vào/ra ở lớp vật lý (PHY) Đồng thời sử dụng cho cấp phép và trao đổi khóa bảo mật, ngăn chặn đánh cắp dịch vụ

Bảo mật của 802.16 gồm các thành phần sau: các liên kết bảo mật (SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phép quản lý khóa riêng tư (authorization PKM), quản lý khóa và riêng tư (PKM), mật hóa dữ liệu Chương 3 sẽ nghiên cứu sâu hơn về vấn đề bảo mật trong WiMax

2.3.4 Lớp con hội tụ truyền TC Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC Lớp này thực hiện

sự biến đổi các MAC PDU độ dài có thể thay đổi vào trong các khối FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một khối được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi cụm Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với khối FEC hiện thời bị

Trang 38

đầy Nó bắt đầu với 1 con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục MAC PDU tiếp theo bắt đầu bên trong khối FEC

Hình 2 3 Định dạng TC PDUKhuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hoá MAC PDU tiếp sau trong trường hợp khối FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được Không

có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một cụm khi

có một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện

khởi đ

PDU của lớp con TC

P = con trỏ 1 byte

Trang 39

Chương 3 Hệ thống WiMAX di động

Phân tích và đánh giá

3.1 Mở đầu Một hệ thống được thiết kế và triển khai cần phải tính toán đến rất nhiều yếu

tố, các vấn đề tưởng như là riêng rẽ nhưng thực chất lại có mối liên quan với nhau Ví dụ như việc lựa chọn vị trí đặt thiết bị phát sóng sẽ liên quan tới các yếu

tố như: chi phí, công suất cần thiết của hệ thống, tầm phủ sóng, lưu lượng chịu ảnh hưởng của việc chọn thiết bị phát sóng và tần số hoạt động Do đó, ta có thể hình dung được một phần nào sự phức tạp khi thiết kế một hệ thống lớn Trong luận văn này chỉ đề cập sâu vào việc trình bày cách thức tính toán các tham số phục vụ cho việc thiết kế một mạng WiMAX di động

Khi thiết kế hệ thống thì các tổng hợp đuợc càng nhiều thông số càng tốt Và đầu tiên cần phải biết hệ thống được triển khai ở đâu, phủ sóng cho khu vực nào

và công suất cần thiết là bao nhiêu Ngoài ra, các bản thiết kế, sơ đồ, tài liệu liên quan tới cấu trúc hiện tại của toà nhà, …sẽ có hữu ích trong việc ước lượng được lưu lượng và vùng phủ sóng

Trong một vùng phủ sóng, có rất nhiều trạm phát sóng được đặt ở các vị trí khác nhau, do đó cần phải lựa chọn vị trí nào tập trung các trạm phát sóng để đạt được kết quả tốt nhất theo một quan điểm thiết kế RF Do đó, người thiết kế cũgn phải tìm hiểu các đặc tính hoạt động của thiết bị

Để lập sơ đồ thiết kế cho một hệ thống, người thiết kế cần phải tìm ra câu trả lời những vấn đề sau:

• Độ dự trữ suy hao cần thiết của hệ thống là bao nhiêu?

• Mức độ suy hao hệ thống cần khắc phục được là bao nhiêu?

• Thiết bị của người sử dụng được gắn ở bên ngoài có ănten có độ tăng ích cao hay không?

Trang 40

Bởi vì khi truyền sóng vô tuyến xảy ra hiệu ứng đa đường, tín hiệu bị phản

xạ hay còn gọi là Phadinh Thông thường, độ dự trữ phadinh cho một hệ thống từ

8 –10 dB Nếu tại phía thu, thiết bị được đặt trong toà nhà (Indoor) thì bản thân toà nhà đó là nguyên nhân gây suy hao đường truyền Một số suy hao tương ứng:

từ 5 7 dB đối với vật liệu là gỗ, cho tới 25dB nếu toà nhà đó được thiết kế với - vật liệu là kim loại và kính

Nếu thiết bị của người sử dụng có ănten có độ tăng ích và định hướng tốt, nó

có thể khắc phục một phần suy hao đường truyền và tăng độ nhạy thu cho thiết

bị

Khi một vị trí được xác định, mô hình truyền sóng sẽ được lựa chọn dựa trên các tiêu chí về kinh độ, vĩ độ, độ cao Điều này sẽ giúp người thiết kế một giải pháp ước lượng trước phạm vi phủ sóng tại mỗi vị trí và nhanh chóng xác định phương án nào phù hợp

Trước khi đi vào phân tích các tham số liên quan đến thiết kế đối với một mạng WiMAX di động trên cơ sở tiêu chuẩn 802.16e cần nhắc lại một số khái niệm liên quan đến WiMAX di động

3.2 Mô tả lớp vật lý PHY của WiMAX di động 3.2.1 Khái niệm OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Trước hết ta tìm hiểu khái niệm về OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng , trong đó các sóng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu của các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau và phía thu có thể khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

OFDM là một công nghệ điều chế và mã hoá số, đã được sử dụng thành công trong ứng dụng hữu tuyến cũng như modem DSL và modem cáp Các sản phẩm của các công ty thành viên WiMAX Forum đang sử dụng các hệ thống 802.16 dựa trên OFDM để vượt qua những thách thức của việc truyền sóng NLOS

Tiêu đề	Nghiên cứu Mạng WiMAX - Thiết kế và Triển khai WiMAX di động
Tác giả	Ngô Thanh Hương
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Đức Thuận
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2008
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	126
Dung lượng	17,43 MB