Tìm hiểu hiệu năng mức hệ thống của wimax và ứng dụng trong truyền thông băng thông rộng không dây

VĂN HỒNG HÀ TÌM HIỂU HIỆU NĂNG MỨC HỆ THỐNG CỦA WIMAX VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THÔNG BĂNG THÔNG RỘNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGHỆ AN, 2017... VĂN HỒNG HÀ TÌM H

VĂN HỒNG HÀ

TÌM HIỂU HIỆU NĂNG MỨC HỆ THỐNG CỦA WIMAX

VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THÔNG

BĂNG THÔNG RỘNG KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHỆ AN, 2017

VĂN HỒNG HÀ

TÌM HIỂU HIỆU NĂNG MỨC HỆ THỐNG CỦA WIMAX

VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THÔNG

BĂNG THÔNG RỘNG KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

Mã số: 60.48.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN MINH

NGHỆ AN, 2017

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy giáo, Tiến sỹ Lê Văn Minh – người trực tiếp hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận văn, đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả thực hiện hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn các bạn học viên lớp K23 Đại học Vinh đoàn kết, phối hợp

hỗ trợ động viên và nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, sẽ có những thiếu sót xảy ra trong quá trình thực hiện luận văn Kính mong được sự chỉ dẫn và góp ý từ phía quý Thầy, Cô để có thêm những đánh giá và nhận xét quý báu hoàn thiện hơn

Nghệ An, ngày 10 tháng 5 năm 2017

Tác giả

Văn Hồng Hà

Tôi xin cam đoan đây là công trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi, có

sự hỗ trợ của Thầy giáo hướng dẫn là Tiến sỹ Lê Văn Minh, những thầy cô giáo giảng dạy khoa Công nghệ thông tin Đại học Vinh và một số tài liệu tham khảo như đã nêu Các nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và khách quan

Nghệ An, ngày 10 tháng 5 năm 2017

Tác giả

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN:

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu: 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Kết cấu của luận văn: 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BĂNG THÔNG RỘNG KHÔNG DÂY 4

1.1 Sự phát triển của băng thông rộng không dây [6] 6

1.1.1 Thế hệ thứ nhất của những hệ thống băng thông rộng 7

1.1.2 Thế hệ thứ hai của hệ thống băng thông rộng 10

1.1.3 Sự xuất hiện của các tiêu chuẩn dựa trên công nghệ 10

1.2 Thách thức của kênh băng thông rộng không dây [4] 11

1.2.1 Hệ thống truyền thông qua khối xây dựng 12

1.2.2 Kênh băng thông rộng không dây: Pathloss và Shadowing 14

1.2.3 Hiện tượng mất đường truyền - Pathloss 15

1.2.4 Hiện tượng bóng đường truyền - Shadowing 19

1.3 Kết luận chương: 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ WIMAX [4][6][7] 24

2.1 Cơ sở của IEEE 802.16 và WiMAX 24

2.2 Khái niệm WiMAX [4] 29

2.3 Tính năng nổi bật của WiMAX 30

2.4 Lớp vật lý WiMAX 33

2.4.1 Khái niệm cơ bản về OFDM 34

2.4.2 Những tham số của OFDM trong WiMAX 35

2.4.3 Điều chế thích nghi và mã hoá trong WiMAX 38

2.4.4 Tốc độ dữ liệu lớp vật lý -PHY 38

2.5.2 Chất lượng dịch vụ - QoS 42

2.5.3 Hỗ trợ khả năng di động 46

2.5.4 Chức năng bảo mật 48

2.5.5 Dịch vụ Multicast và Broadcast 49

2.6 Các tính năng tiên tiến cho việc cải tiến hiệu suất [4] [6] 50

2.6.1 Hệ thống ăngten tiên tiến 50

2.6.2 Mô hình lai-ARQ 51

2.6.3 Cải thiện tần số tái sử dụng 52

2.7 Đặc tính hiệu suất: 53

2.8 Các ứng dụng trong WiMAX [1] [2] [8] [9] 54

2.9 Kết luận chương 2 58

CHƯƠNG 3 - HIỆU NĂNG MỨC HỆ THỐNG CỦA WIMAX 61

3.1 Mô hình kênh không dây [4] [6] 61

3.2 Phương pháp mô phỏng cho mức hệ thống [2] [4] 66

3.2.1 Mô phỏng mạng WiMAX 66

3.2.1.1 Tính toán của miền thời gian cho kênh MIMO 68

3.2.1.2 Tính toán miền tần số cho kênh MIMO 68

3.2.1.3 Tính toán của mỗi sóng mang con SINR 69

3.2.1.4 Tính toán hiệu ứng mỗi kênh con SINR 70

3.2.1.5 Liên kết thích ứng và lập biểu 71

3.2.1.6 Tính toán phần lưu lượng và tỷ lệ người dùng dữ liệu 72

3.2.2 Cấu hình hệ thống 72

3.3 Kết quả mô phỏng mức hệ thống 75

3.3.1 Kết quả của cấu hình cơ bản mức hệ thống [4] 76

3.3.2 Kết quả cấu hình nâng cao mức hệ thống 81

3.4 Tóm tắt và kết luận chương 3 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ tăng trưởng lưu lượng thoại và dữ liệu hàng tháng [7] 5

Hình 1.2.1 Hệ thống truyền thông kỹ thuật số không dây 13

Hình 1.2.2 Sự lan truyền không gian tự do 17

Hình 1.2.3 Shadowing gây ra biến động ngẫu nhiên lớn về mô hình pathloss 20

Hình 1.2.4 Shadowing gây ra các biến động ngẫu nhiên lớn về mô hình pathloss 21

Hình 2.2 Các ví dụ khác nhau về những khung MAC PDU 42

Hình 2.5 Minh hoạ chuyển vế tế bào 54

Hình 2.6 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ 55

Hình 2.7 Minh hoạ mạng ngân hàng 55

Hình 2.8 Minh hoạ về mạng giáo dục 56

Hình 2.9 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng 56

Hình 2.10 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ 57

Hình 2.11 Minh hoạ về liên kết khuôn viên 57

Hình 2.12 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ 58

Hình 2.13 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn 58

Hình 3.1 Bố cục hai tầng của các ô cho trình mô phỏng hệ thống 67

Hình 3.2 Tỉ lệ lỗi khối FEC đối với mã turbo trong kênh AWGN 71

Hình 3.3 Tốc độ trung bình DL và UL mỗi phần cho băng tần AMC ở Ped B 78

Hình 3.4 Tốc độ trung bình DL, UL của mỗi phần cho băng tần AMC ở Ped A 79

Hình 3.5 Tốc độ dữ liệu DL cho mỗi dải AMC kênh con handheld, desktop Ped B 79

Hình 3.6 Tốc độ dữ liệu DL cho mỗi dải AMC kênh con handheld, desktop Ped A 80

Hình 3.7 So sánh PUSC và hoán vị kênh phụ của sóng mang con AMC handheld 82

Hình 3.8 So sánh tỉ lệ cân bằng giữa round-robin và lập kế hoạch cho thiết bị cầm tay 82

Hình 3.9 Đường truyền trung bình DL mỗi phần cho các cấu hình MIMO khác nhau 83

Hình 3.10 Đường truyền trung bình của UL mỗi phần cho MIMO khác nhau 83

Hình 3.11 Nâng cao tốc độ DL dữ liệu người dùng mỗi kênh con cho cấu hình Ped B 85

Hình 3.12 Nâng cao tốc độ DL dữ liệu người dùng mỗi kênh con cho cấu hình Ped A 86

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Những dấu mốc quan trọng của sự phát triển của băng rộng không dây 9

Bảng 1.2.1 Các tham số kênh không dây chính 16

Bảng 2.1 Dữ liệu cơ bản về tiêu chuẩn IEEE 802.16 27

Bảng 2.2 Cấu hình ban đầu của WiMAX cố định và di động 28

Bảng 2.3 Các tham số OFDM được sử dụng trong WiMAX 36

Bảng 2.4 Điều chế và mã hóa được hỗ trợ trong WiMAX 39

Bảng 2.5 Tốc độ dữ liệu lớp PHY ở các kênh khác nhau 39

Bảng 2.6 Các luồng dịch vụ được hỗ trợ trong WiMAX 45

Bảng 2.8 Khối liên kết mẫu cho hệ thống WiMAX 59

Bảng 3.1 Các mô hình kênh đa đường của ITU 65

Bảng 3.2 Bảng thông số mô phỏng mức hệ thống 74

Bảng 3.3 Cấu hình hệ thống 75

Bảng 3.6 Thông lượng trung bình/mỗi phần đối với băng tần AMC - PF và RR 84

Bảng 3.7 Tổng dung lượng tần số tái sử dụng trên mỗi ô di động cho băng tần 86

Bảng 3.8 Tỉ lệ phần trăm thứ năm và thứ mười tần số tái sử dụng của mỗi kênh con cho mỗi băng tần AMC trong kênh Ped B kênh đa đường với phổ (1,1,3) 87

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN:

and Accounting

Chứng thực, ủy quyền và thanh toán

AAS Adaptive Ăngten System Hệ thống Ăng ten thích nghi

ADSL Asymmetric Digital Subscriber

BSID Base Station Identifier Nhận dạng trạm gốc BWA Broadband Wireless Access Truy cập băng rộng vô tuyến

CDMA Code Division Multiplex Access Truy cập đa phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối

CODEC Compression/Decompression Nén/giãn CPE Customer Premises Equipment Thiết bị đặt ở nhà khách hàng CPS Common Part Sublayer Phân lớp phần chung

CS Convergence Sublayer Phân lớp hội tụ CSG Closed Subscriber Group Nhóm thuê bao khép kín

CSGID CSG Identifier Nhận dạng CSG

DAMA Demand Assigned Multiple

DOCSIS Data Over Cable Service

Interface Specification

Thông số kỹ thuật giao tiếp dữ liệu qua cáp

DL-MAP Downlink Map Sơ đồ đường tải xuống

Protocol Giao thức nhận thức mở rộng

ECRM Effective Code Rate Map Mã hiệu quả tỷ lệ bản đồ

FDD Frequency Division Duplex Phân chia tần số kép FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số FEC Forward Error Correction Định hướng chữa lỗi

FFR Fractional frequency reuse Sử dụng lại một phần tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh

GFR Guaranteed Frame Rate Tỷ lệ khung đảm bảo GPC Grant Per Connection Kết nối trên mỗi cấp GPSS Grant Per Subscriber Station Trạm thuê bao trên mỗi cấp

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Request Yêu cầu lặp lại tự động lai

HFDD Half-duplex Frequency Division

Duplex

Bán song công phân chia tần

số

I IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers, Inc Viện kỹ thuật điện và điện tử

IMT International Mobile

Telecommnications Thông tin di động quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức Internet Ipsec Internet Protocol Security Bảo mật giao thức internet IPTV Internet Protocol Television Ti vi giao thức internet

ITU International

Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông quốc tế

L2 Layer 2 (Data Link Layer) Lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) LBS Location Based Services Những dịch vụ định vị gốc LDM Low duty mode Chế độ công suất thấp LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn LAN Local Area Network Mạng cục bộ

tiện MAN Metropolitan Area Network Hệ thống khu vực đô thị

MAP Medium Access Protocol;

Mobile Application Part

Giao thức truy cập đa phương tiện, Phần ứng dụng di động

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

Service

Dịch vụ multicast broacast đa phương tiện

MBS Mesh Base Station; Multicast

and Broadcast Service

Trạm gốc hình lưới, dịch vụ multicast và broadcast MCS Modulation and Coding Scheme Sơ đồ mã hóa và điều chế MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào, đa đầu ra MSDU MAC Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC

thống NACK Negative Acknowledgement Báo nhận âm NGN Next Generation Network Hệ thống thế hệ kế tiếp NLOS Non-Line-of-Sight Không nhìn thẳng

nrtPS Non-real-time Polling Service Dịch vụ truy vấn thời gian

không thực NTP Network Time Protocol Giao diện thời gian hệ thống

O OAM &P Operation, Administration,

Maintenance and Provisioning

Khai thác, điều hành, bảo dƣỡng và dự phòng

OFDM Orthogonal Frequency Division

OMC Operation and Maintenance

Center Trung tâm bảo trì và điều hành OSI Open Systems Interconnect Kết nối hệ thống mở

PKM Privacy Key Management Quản lý khóa riêng tƣ PMP Point-to-Multipoint Điểm đến đa điểm

PN Psedorondam Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên

PSTN Public Switched Telphone

Network

Mạng điện thọai chuyển mạch công cộng

QAM Quadrature Amplitude

Modulation Điều chế biên độ vuông

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển đổi pha vuông

góc

REG-REQ Registration Request Yêu cầu đăng ký

REG-RSP Registration Response Phản hồi sự đăng ký

RLC Radio Link Controller Điều khiển kết nối sóng vô

tuyến RNG-REQ Ranging Request Phạm vi yêu cầu RNG-RSP Ranging Response Phạm vi đáp ứng

RF Radio frequency Tần số vô tuyến ROHC Robust Header Compression Nén tiêu đề mạnh mẽ

RS Relay Station Trạm lặp, trạm chuyển tiếp

RSSI Received Signal Strength

Indicator

Chỉ thị độ lớn tín hiệu thu đƣợc

rtPS Real-Time Polling Service Dịch vụ truy vấn thời gian

thực

SDU Service Data Unit Dịch vụ đơn vị dữ liệu

SS Subscriber Station Trạm thuê bao

SNMP Simple Network Management

Protocol

Giao thức quản lý hệ thống đơn giản

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SOHO Small Office/Home Office Văn phòng nhỏ/ văn phòng

nhà ở

S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao tỉ lệ

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển phát TDD Time Division Duplex Phân chia thời gian kép TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian TDMA Time Division Multiple Access Truy cập đa phân thời

TGm Task Group in IEEE 802-16m Nhóm công tác trong IEEE

802.16m

TR Technical Report Báo cáo kỹ thuật

UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người

dùng

UIUC Uplink Interval Usage Code Mã sử dụng quay vòng liên kết

lên UMB Ultra Mobile Broadband Băng siêu rộng di động

VLAN Virtual Local Area Network Mạng cục bộ ảo

dây

WISP Wireless Internet Service

Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

WiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Truy cập vi sóng tương tác rộng lớn

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Được coi như một động lực chính đẩy nhanh tốc độ phổ cập Internet và xoá nhoà khoảng cách số giữa thành thị và nông thôn, WiMAX - công nghệ kết nối băng thông rộng không dây đã trở thành tâm điểm chú ý của cả thế giới Ngay từ khi vừa ra mắt, WiMAX đã gây một sự chú ý lớn đối với giới viễn thông Với 3 ưu thế chính: tốc độ đường truyền cao, khả năng xử lý được

cả dữ liệu và tiếng nói, truy cập Internet và không dây, WiMAX - với cả hai chuẩn di động và cố định được xem là đối thủ lớn của không chỉ những công nghệ ứng dụng truyền dữ liệu mà còn cả với công nghệ thoại Tất cả những đặc tính này của WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai Chính vì vậy, việc hiểu biết về hệ thống WiMAX là một điều không thể thiếu trong lĩnh vực công nghệ BWA

Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của

mình là “Tìm hiểu hiệu năng mức hệ thống của WiMax và ứng dụng trong truyền thông băng thông rộng không dây” Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu các kỹ thuật tiên tiến trong WiMAX và tập trung phân tích các chuẩn 802.16 đã được ứng dụng thực tế Mặt khác, giúp có được cái nhìn tổng quát trong hệ thống WiMAX và xu thế ứng dụng tại Việt Nam

- Việc sử dụng công nghệ WiMax đem lại nhiều lợi ích, phù hợp với nhiều đối tượng sử dụng, nhiều địa bàn, 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 hữu tuyến băng thông rộng Hơn nữa, việc cài đặt WiMax dễ dàng, tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ từ đó giảm giá thành dịch vụ cho người sử dụng Vì thế, WiMax được xem như công nghệ có hiệu quả kinh tế cao cho việc triển khai nhanh trong tất cả các khu vực mà các công

nghệ khác khó có thể cung cấp dịch vụ băng thông rộng Việc nghiên cứu, triển khai ứng dụng WiMax là rất khả thi

- Ưu điểm của công nghệ này là 1 trạm BTS của WiMax có thể phủ sóng từ 10 đến 50km, lại chỉ cần số lượng ít trạm phát sóng (BS), nhưng chất lượng dịch vụ vẫn được đảm bảo Do đó, việc lắp đặt rất dễ triển khai, thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ

- Với một trạm BTS WiMax, có thể quy định được 10 thuê bao ở chế

độ ưu tiên, trong khi vẫn đảm bảo được băng tần Bên cạnh đó, nhà cung cấp dịch vụ có thể cấp tiếp cho 50 thuê bao khác dùng dịch với với mức độ

ưu tiên ít hơn Do đó, việc phân loại giá thành, cũng như nhu cầu sử dụng dịch vụ phù hợp với từng đối tượng dịch vụ cũng đa dạng hơn

- Mức độ phổ cập dịch vụ là thiết bị đầu cuối cá nhân Hiện nay thiết

bị đầu cuối đã được các nhà sản xuất tích hợp sẵn để sử dụng WiMax gồm PDA, điện thoại di động, máy tính cá nhân hoặc có thể dùng Card cắm vào máy tính cố định để truy nhập, nếu nhà ở xa trạm phát trên 5km phải dùng

1 ăngten parabol nhỏ để thu tín hiệu

- Công nghệ này có thể được ví một giai đoạn bước đệm cho việc triển khai nhanh, quan trọng là đáp ứng được thuê bao di động cầm tay PDA, đáp ứng nhu cầu thông tin cá nhân có thể truy cập Internet Thậm chí, việc triển khai công nghệ này đơn giản hơn 3G, và có thể so sánh WiMax vượt trội công nghệ 4G

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông không dây WiMax, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, hiệu năng của hệ thống

- Đánh giá hiệu năng mức hệ thống của kỹ thuật truyền thông không giây WiMax từ đó có thể đưa ra những khuyến nghị làm tăng hiệu năng của

hệ thống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ thống truyền thông băng thông rộng không dây, các thách thức đối với hệ thống truyền thông băng thông rộng không dây

- Công nghệ WiMax, đặc tính của công nghệ WiMax, các tính năng cải tiến hiệu suất của hệ thống WiMax

- Đánh giá hiệu năng mức hệ thống của WiMax

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Giới thiệu về băng thông rộng không dây WiMax

- Lý thuyết về các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

- Hiệu năng mức hệ thống của WiMax

cải tiến hiệu suất của hệ thống WiMax Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mức hệ thống của kỹ thuật truyền thông không dây WiMax

4 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu về băng thông rộng không dây

Chương 2: Trình bày tổng quan về hệ thống WiMax Chương 3: Hiệu năng mức hệ thống của WiMax KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BĂNG THÔNG RỘNG KHÔNG DÂY

[1] [2] [5] [9]

Băng thông rộng không dây là nơi hội tụ của hai trong số những câu chuyện phát triển đáng chú ý nhất của ngành công nghiệp điện toán trong hiện tại và tương lai Cả mạng không dây, băng thông rộng nhanh chóng thích nghi với thị trường rộng lớn và đã phát triển như vũ bão Sự tăng trưởng đáng kinh ngạc của Internet là tăng nhu cầu về các dịch vụ Internet tốc độ truy cập cao hơn, dẫn đến sự phát triển song song trong băng thông rộng được thừa nhận

Sự tiện lợi của mạng không dây Wireless kết hợp với băng thông rộng là tiền

đề cho sự phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp điện toán Một sự kết hợp giữa công nghệ và thương mại đã mang lại lợi ích to lớn Mạng không dây cung cấp các ứng dụng băng thông rộng và dịch vụ hướng đến quan tâm người dùng

Trước khi tìm hiểu đi sâu vào mạng không dây băng thông rộng, chúng

ta hãy xem xét tình trạng truy cập băng thông rộng hiện nay Công nghệ kỹ thuật số (DSL), cung cấp băng thông rộng qua đường điện thoại xoắn đôi, đường dây thuê bao và công nghệ modem cáp, cáp đồng trục, cáp quang, máy truyền hình cáp, và hàng loạt các công nghệ truy cập băng rộng hiện nay Cả hai công nghệ này thường cung cấp lên đến một vài megabit mỗi giây của dữ liệu cho mỗi người dùng, và tiếp tục được nâng lên vài chục Mb/s

Kể từ khi triển khai ban đầu vào cuối những năm 1990, các dịch vụ này

đã có sự tăng trưởng đáng kể Ở Mỹ có hơn 100 triệu thuê bao băng thông rộng, trong đó có hơn một nửa là số hộ gia đình Ngày nay trên thế giới, số lượng này là hơn 500 triệu và được dự đoán sẽ tăng lên hơn 800 triệu vào năm

2017 Tính sẵn sàng của một giải pháp không dây băng thông rộng cho khả năng có thể tăng tốc sự phát triển [4]

Những ứng dụng thúc đẩy tăng trưởng là gì? Người sử dụng băng thông rộng trên toàn thế giới đều nhận thấy rằng nó thay đổi đáng kể theo cách chúng ta chia sẻ thông tin, kinh doanh, và tìm kiếm sự giải trí, hội nghị trực tuyến

Hình 1.1 Biểu đồ tăng trưởng lưu lượng thoại và dữ liệu hàng tháng [7]

Giai đoạn Q3/2010 – Q3/2015, (đơn vị tính PetaBytes), lưu lượng dữ liệu không bào gồm DVB-H, Wi-Fi và WiMAX di động, lưu lượng thoại không bao gồm thoại qua giao thức Internet - VoIP

Truy cập băng thông rộng không chỉ cung cấp cho việc lướt web nhanh hơn và tải tập tin nhanh hơn mà còn cho phép nhiều ứng dụng đa phương tiện, chẳng hạn như thời gian thực âm thanh và video, hội nghị đa phương tiện và chơi game tương tác Các kết nối băng thông rộng cũng đang được sử dụng cho điện thoại bằng giọng nói sử dụng Protocol (VoIP) công nghệ thoại qua Internet Nhiều hệ thống truy cập băng thông rộng tiên tiến, như cáp quang đến nhà (FTTH) với tốc độ dữ liệu rất cao với thuê bao kỹ thuật số (VDSL),

cho phép ứng dụng như video giải trí chất lượng, bao gồm cả truyền hình độ nét cao (HDTV) và video dựa trên nhu cầu (VoD) Khi thị trường băng thông rộng tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng mới có khả năng xuất hiện, và rất khó

để dự đoán những ứng dụng nào sẽ thành công trong tương lai

Vậy băng thông rộng không dây là gì? Băng thông rộng không dây là việc đưa băng thông rộng trải nghiệm nhiều bối cảnh không dây, cung cấp một số người dùng nhiều lợi ích độc đáo và tiện lợi Có hai kiểu khác nhau

cơ bản của các dịch vụ băng thông rộng không dây Kiểu đầu tiên cố gắng để cung cấp một tập các dịch vụ tương tự như của các đường dây cố định có băng thông rộng truyền thống nhưng sử dụng không dây các phương tiện truyền dẫn Kiểu này, được gọi là băng thông rộng không dây cố định, có thể được coi như là một thay thế cạnh tranh với DSL hoặc modem cáp Kiểu thứ hai là băng thông rộng không dây di động, cung cấp thêm các chức năng bổ sung của khả năng di động, di chuyển, và tính di động Băng thông rộng di động mang lại cho các ứng dụng băng thông rộng với các kịch bản trải nghiệm người dùng mới và do đó cung cấp cho người dùng một giải pháp với giá trị rất khác biệt Công nghệ WiMAX là chủ đề tìm hiểu của đề tài này Nó được thiết kế để cung cấp cả hai ứng dụng băng thông rộng cố định

và di động

Trong chương này, xem xét một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về không dây băng thông rộng Mục tiêu là để trình bày cơ sở và bối cảnh cần thiết để hiểu WiMAX Xem xét lịch sử của băng thông rộng không dây, liệt kê các ứng dụng của nó, thảo luận về định hướng kinh doanh và các thách thức Khảo sát những thách thức kỹ thuật cần phải được giải quyết trong khi phát triển và triển khai các hệ thống không dây băng thông rộng

1.1 Sự phát triển của băng thông rộng không dây [6]

Lịch sử của không dây băng thông rộng có liên quan đến WiMAX, được bắt nguồn từ sự mong muốn tìm một công nghệ cạnh tranh để thay thế các

công nghệ truy cập truyền thống là hữu tuyến Được thúc đẩy bằng việc bãi

bỏ qui định ngành công nghiệp viễn thông và sự phát triển nhanh chóng của Internet Một số hãng cạnh tranh nhau là động lực để tìm một giải pháp không dây để vượt trội các nhà cung cấp dịch vụ hiện tại Trong mấy thập kỷ qua, một số hệ thống truy cập không dây đã được phát triển, chủ yếu là do các công ty khởi nghiệp (StartUp) thúc đẩy bởi những tiềm năng đột phá của không dây Những hệ thống này có nhiều khác biệt rộng lớn trong khả năng hoạt động, sử dụng các giao thức, phổ tần số, hỗ trợ các ứng dụng và một loạt các thông số khác của hệ thống đã được triển khai thương mại Cho đến nay

đã triển khai thành công các ứng dụng vượt giới hạn đáp ứng tốt với thị trường Nhưng băng thông rộng không dây cho đến bây giờ vẫn chưa được ghi nhận đúng mức, một phần là do sự phân tán của công nghệ, do thiếu một tiêu chuẩn chung Sự xuất hiện của WiMAX là một chuẩn công nghệ được dự kiến sẽ thay đổi tình trạng này

Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường truyển DSL, ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây, làm trạm chuyển tiếp (backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di động, cung cấp các kết nối băng thông rộng di động với rất nhiều các cấp dịch vụ khác nhau Công nghệ WiMAX đã phát triển qua bốn giai đoạn sau:

1.1.1 Thế hệ thứ nhất của những hệ thống băng thông rộng

Như DSL và modem cáp ban đầu được triển khai, hệ thống không dây đã phát triển để hỗ trợ cao hơn nhiều tốc độ để cạnh tranh Hệ thống bắt đầu được phát triển cho các tần số cao hơn, chẳng hạn như các dải tần 2.5GHz và 3.5GHz Rất nhiều hệ thống tốc độ cao, được gọi là hệ thống phân phối nhiều địa phương (LMDS), hỗ trợ lên đến vài trăm Megabits/s, cũng phát triển trong các dải tần số sóng milimet, chẳng hạn như các băng tần 24GHz và 39GHz LMDS đưa dịch vụ nhắm vào người dùng doanh nghiệp vào cuối năm 1990

và nhanh chóng được thích nghi nhưng chỉ đạt được sự thành công ngắn ngủi Điểm truy cập được gắn vào mái nhà để lắp đặt cột phát sóng, phạm vi phủ sóng ngắn của nó đã hạn chế sự phát triển của nó

Trong cuối những năm 1990, một trong những triển khai quan trọng của băng thông rộng không dây đã thực hiện gọi là đa kênh dịch vụ phân phối đa điểm (MMDS) ở dải tần 2.5GHz Dải tần MMDS sử dụng để cung cấp dịch

vụ video phát sóng không dây, đặc biệt là ở khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa nơi mà các dịch vụ truyền hình cáp không có sẵn Sự ra đời của truyền hình vệ tinh bị hủy hoại việc kinh doanh băng thông rộng không dây Các nhà khai thác đang tìm kiếm những cách khác để sử dụng dải phổ này Một vài nhà khai thác bắt đầu quay lại cung cấp dịch vụ Internet truy cập không dây một chiều, sử dụng đường dây điện thoại Trong tháng 9 năm

1998, Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) đã nới lỏng các quy tắc của các dải tần MMDS để cho phép các dịch vụ thông tin liên lạc hai chiều, gây tâm điểm lớn hơn trong công nghệ sử dụng dải tần MMDS Hãng MCI và Sprint từng được trả khoảng 1tỉ USD để mua giấy phép để sử dụng dải phổ MMDS, và một số công ty bắt đầu phát triển các giải pháp không dây tốc độ cao cố định cho dải tần này

Thế hệ đầu tiên của các giải pháp băng thông rộng không dây cố định

đã được triển khai bằng cách sử dụng cùng một tháp phục vụ các thuê bao không dây Những tháp này thường cao vài trăm feet và kích hoạt vùng phủ sóng LOS với khoảng cách lên đến 35 dặm, sử dụng máy phát công suất cao

Hệ thống MMDS thế hệ đầu tiên yêu cầu các thuê bao lắp đặt ăngten ngoài trời đủ cao và hướng về phía tháp cho một đường truyền LOS rõ ràng Hãng Sprint và MCI ra mắt các dịch vụ hai chiều băng thông rộng không dây sử dụng hệ thống MMDS thế hệ đầu tiên

Bảng 1.1.Những dấu mốc của sự phát triển của băng rộng không dây [4]

2-1997 Hãng AT & T công bố phát triển mã công nghệ không dây cố

định có tên "Project Angel"

2-1997 FCC phổ đấu giá 30MHz trong dải tần 2.3 GHz cho các dịch vụ

thông tin liên lạc không dây ( WCS )

9-1997

Viễn thông Mỹ (được mua lại sau đó bởi Sprint ) thông báo dịch

vụ truy cập Internet không dây trong dải tần MMDS cung cấp 750kbps nơi sử dụng với điện thoại quay số qua modem

9-1998 FCC nới lỏng quy tắc cho dải tần MMDS để cho phép truyền

thông hai chiều 3-1999 MCI và Sprint có được một số nhà khai thác không dây để có

được quyền truy cập vào dải tần MMDS 7-1999 Lần đầu tiên làm việc với nhóm của IEEE 802.16 3-2000 AT&T ra mắt dịch vụ thương mại đầu tiên tốc độ cao cố định

không dây sau nhiều năm thử nghiệm 5-2000 Sprint ra mắt triển khai MMDS đầu tiên ở Phoenix, Arizona, sử

dụng thế hệ đầu tiên công nghệ LOS 6-2001 Hiệp hội WiMAX thành lập

10-2001 Hãng Sprint ngừng triển khai MMDS 12-2001 Hãng AT&T từ bỏ dịch vụ cố định không dây 12-2001 Tiêu chuẩn IEEE 802.16 hoàn thành với tốc độ > 11 GHz

2-2002 Hàn Quốc phân bổ phổ trong dải tần 2.3GHz cho băng thông

rộng không dây (WiBro) 1-2003 Chuẩn IEEE 802.16a hoàn thành 6-2004 Chuẩn IEEE 802.16-2004 hoàn thành và được phê duyệt 9-2004 Hãng Intel sản xuất chipset WiMAX đầu tiên, gọi là Rosedale 12-2005 Chuẩn IEEE 802.16e hoàn thành và được phê duyệt

1-2006 Sản phẩm được chứng nhận đầu tiên của WiMAX Forum được

công bố cho các ứng dụng cố định 6-2006 Dịch vụ thương mại WiBro ra mắt tại Hàn Quốc 8-2006 Hãng Sprint Nextel triển khai WiMAX di động ở Mỹ

1.1.2 Thế hệ thứ hai của hệ thống băng thông rộng

Hệ thống băng thông rộng không dây thế hệ thứ hai đã có thể khắc phục vấn đề LOS và hỗ trợ dung lượng lớn hơn Điều này đã được thực hiện thông qua việc sử dụng một kiến trúc là các ô kỹ thuật điều chế tiên tiến để cải thiện tín hiệu liên kết và hiệu năng hệ thống đa điều kiện Một số công ty mới thành lập đã phát triển các giải pháp tiên tiến độc quyền để tăng hiệu suất đáng kể so với các hệ thống thế hệ đầu tiên Hầu hết các các hệ thống mới có thể thực hiện tốt dưới điều kiện không nhìn thẳng - NLOS, với ăngten của khách hàng thường gắn dưới mái hiên hoặc thấp hơn Giải quyết vấn đề NLOS bằng cách sử dụng các kỹ thuật như ghép kênh phân chia tần

số trực giao (OFDM), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) và điều chế ăngten đa hướng Một số hệ thống khác, chẳng hạn như những phát triển bởi SOMA mạng lưới công trình và Navini Networks, chứng minh hiệu suất liên kết khả quan hơn một vài dặm đến các máy tính để bàn, thiết bị thuê bao đầu cuối mà không cần một ăngten gắn ngoài Một vài Mb lưu thông trên mỗi giây ở phạm vi có thể di động một vài dặm đã trở thành thế hệ thứ 2 của hệ thống băng thông rộng không dây cố định

1.1.3 Sự xuất hiện của các tiêu chuẩn dựa trên công nghệ

Năm 1998, IEEE đã thành lập một nhóm gọi là 802.16 để phát triển một tiêu chuẩn cho được gọi là một mạng không dây đô thị, hay Wireless MAN Ban đầu, nhóm này hướng vào việc phát triển các giải pháp băng tần nằm trong khoảng 10GHz đến 66GHz, với ứng dụng chính là cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp không thể kéo được đường dây đến nơi Những hệ thống này, như LMDS đã được hình thành để khai thác và phân phối băng thông mà thông qua một cấu hình điểm - đa điểm cho các doanh nghiệp có LOS Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được chấp thuận trong tháng 12/2001 Wireless MAN-SC, quy định một lớp vật lý được sử dụng điều chế công nghệ sóng mang đơn và kiểm soát truy cập qua phương tiện truyền

thông lớp MAC với cấu trúc ghép kênh phân chia thời gian (TDM) hỗ trợ cả hai mặt phân chia tần số (FDD) và song công phân chia thời gian (TDD) Sau khi hoàn thành các tiêu chuẩn này đã làm việc trong cả hai dãy tần

số được cấp phép và được miễn giấy phép trong phạm vi 2GHz đến 11GHz, cho phép triển khai NLOS Bản IEEE 802.16a, được hoàn thành năm 2003, với các chương trình OFDM thêm vào như là một phần của lớp vật lý để hỗ trợ triển khai trong môi trường đa đường truyền OFDM như là một phương pháp lựa chọn để kinh doanh cho băng thông rộng và đã sửa đổi một phần của tiêu chuẩn IEEE 802.11 Bên cạnh các lớp vật lý OFDM, 802.16a cũng quy định thêm những tùy chọn của lớp MAC, bao gồm hỗ trợ đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA)

Tiêu chuẩn 802.16a đã hoàn thành và được thực hiện năm 2004 Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, thay thế 802.16, 802.16a và 802.16c và là tiêu chuẩn duy nhất, mà cũng được sử dụng làm cơ sở cho mạng đô thị hiệu suất cao Tiêu chuẩn 802.16e, được hoàn thành vào tháng 12 năm 2005 là IEEE 802.16e-2005 và được công bố chính thức Nó quy định cụ thể khả năng mở rộng OFDM cho lớp vật lý và làm thay đổi hơn nữa lớp MAC để đáp ứng các phương tiện di động tốc độ cao như các ứng dụng như xe cộ di chuyển

1.2 Thách thức của kênh băng thông rộng không dây [4]

Đạt được tốc độ dữ liệu cao trong truyền thông không dây trên mặt đất là rất khó Tốc độ dữ liệu cao cho các mạng cục bộ không dây, cụ thể là tiêu chuẩn cho gia đình IEEE 802.11, đã trở thành thương mại hóa thành công chỉ trong năm 2000 Mạng không dây diện rộng, cụ thể là hệ thống di động, vẫn được thiết kế và sử dụng chủ yếu cho các dịch vụ thoại tốc độ thấp Mặc dù

có nhiều công nghệ đầy hứa hẹn, thực tế của một mạng diện rộng mà các dịch

vụ nhiều người sử dụng ở mức dữ liệu cao với băng thông hợp lý và ít tiêu thụ điện năng, trong khi vẫn duy trì độ bao phủ cao và chất lượng dịch vụ vẫn chưa đạt được

Mục tiêu của Hiệp hội IEEE 802.16 là để thiết kế một hệ thống thông tin liên lạc không dây kết hợp các công nghệ mới hứa hẹn nhất trong truyền thông và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để đạt được một trải nghiệm Internet băng thông rộng cho người sử dụng điện thoại di động hoặc di chuyển trên một phạm vi rộng hay trong vùng đô thị Điều quan trọng là nhận ra rằng hệ thống WiMAX phải đối mặt với những thách thức tương tự như hệ thống di động hiện có, và hiệu suất cuối cùng của nó sẽ đạt được bao quanh bởi các định luật vật lý và lý thuyết thông tin

Trong phần này, tôi giải thích những thách thức lớn do một kênh không dây băng thông rộng thời gian khác nhau Xác định số lượng các hiệu ứng và nguyên tắc trong các kênh không dây băng thông rộng và các

mô hình thống kê thực tế hiện nay Kết thúc với một cái nhìn tổng quan về biện pháp đối phó được sử dụng để duy trì mạnh về truyền thông trong những điều kiện thách thức Với những công nghệ đa dạng, thậm chí còn

có thể trong nhiều trường hợp để tận dụng lợi thế của những gì đã được ban đầu được xem là trở ngại Cuối cùng là tập trung vào các công nghệ đã được phát triển bởi nhiều nguồn và một số trường hợp trong thời gian gần đây và thông qua trong WiMAX để đạt được tốc độ dữ liệu cao mạnh mẽ trong các kênh

1.2.1 Hệ thống truyền thông qua khối xây dựng

Tất cả các hệ thống truyền thông kỹ thuật số không dây phải có một vài khối xây dựng quan trọng Toàn bộ hệ thống có thể bị ngắt quảng bởi một loạt các kết nối, gồm máy phát, kênh và máy thu

Máy phát nhận được các gói bit từ một lớp giao thức cao hơn và sẽ gửi các bit dưới dạng sóng điện từ đến máy thu Các bước chính trong miền tín hiệu số được giải mã và điều chế Các bộ giải mã nói chung thêm dư thừa sẽ cho phép sửa lỗi ở thiết bị nhận Bộ điều biến chuẩn bị các tín hiệu số cho các kênh không dây và có thể bao gồm một số hoạt động khác Các điều chế tín

hiệu số được chuyển đổi thành dạng sóng tương tự đại diện bởi bộ chuyển đổi (DAC) từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và sau đó chuyển đổi lại thành những dạng mong muốn của tần số vô tuyến WiMAX (RF) Sau đó tín hiệu

RF này được bức xạ dưới dạng sóng điện từ của một ăngten phù hợp

Thiết bị nhận, thực hiện sự đảo ngược cần thiết của các hoạt động này Sau khi chuyển xuống tín hiệu nhận RF và lọc ra các tín hiệu ở tần số khác, kết quả tín hiệu dải tần cơ sở được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số bởi bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) Tín hiệu kỹ thuật

số này sau đó được điều chế và giải mã với các mạch tích hợp năng lượng và hiệu ứng không gian lý tưởng, tái sản xuất các dòng bit ban đầu

Các nhà thiết kế của một hệ thống truyền thông kỹ thuật số có vô số sự lựa chọn Điều quan trọng là các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX tập trung chủ yếu vào các khía cạnh kỹ thuật số của truyền thông không dây, đặc biệt ở phía máy phát còn việc thực hiện thu là không xác định Mỗi nhà sản xuất thiết bị thu tính toán để phát triển được thuật toán độc quyền hiệu quả Ngoài việc đồng ý về tần số sóng mang và truyền chùm phổ, ít yêu cầu được đặt vào các đơn vị RF Tiêu chuẩn quan tâm chủ yếu đến bộ truyền số bởi vì máy thu phải đảm bảo rằng máy phát hiểu được tín hiệu nhận được nhưng không phải ngược lại

Hình 1.2.1 Hệ thống truyền thông kỹ thuật số không dây

1.2.2 Kênh băng thông rộng không dây: Pathloss và Shadowing

Mục tiêu chính của phần này là để giải thích các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến tín hiệu nhận được trong một hệ thống không dây và làm thế nào

họ có thể mô hình được sử dụng một số ít các thông số Các giá trị tương đối của các thông số này, được tóm tắt trong bảng 1.2.1 và mô tả trong suốt phần này, làm cho tất cả sự khác biệt khi thiết kế một hệ thống truyền thông không dây Trong phần này, tôi giới thiệu tổng thể mô hình kênh và thảo luận các xu hướng quy mô lớn ảnh hưởng đến mô hình này

Mô hình tổng thể, tôi sử dụng để mô tả các kênh trong thời gian rời rạc

là một dòng đơn giản tap-delay (TDL):

[ , ] [ , ] [ 1, ] v [ , ]

Tại đây, các kênh rời rạc thời gian là thời gian khác nhau, do đó nó thay

đổi liên quan đến tham số t và có giá trị không đáng kể trong khoảng thời gian kênh v+1 Nói chung, tôi giả định rằng các kênh được lấy mẫu với tần số f s =

1/T, trong đó T là biểu tượng thời gian, và do đó, thời gian của các kênh trong trường hợp này là về vT Giá trị lấy mẫu v+1 là trong số phức chung

Giả sử rằng các kênh là tĩnh trong khoảng thời gian (v+1)T giây, sau đó

chúng ta có thể mô tả các đầu ra của các kênh như:

Trong đó x[k] là một dãy đầu vào các ký hiệu dữ liệu với tỷ lệ 1/T, và *

biểu thị sự chập Trong ký hiệu đơn giản hơn, kênh có thể được biểu diễn theo

thời gian (v +1)×1 dưới dạng vector cột:

cần biết một số các thuộc tính quan trọng về h(t) Một số câu hỏi có thể người

ta có thể có sau

Giá trị cho tổng công suất thu được là gì? Nói cách khác, giá trị tương

đối của h i là gì điều kiện?

Câu trả lời Một số hiệu ứng gây ra nhận được công suất thay đổi theo

thời gian dài (pathloss), trung bình (shadowing), và khoảng cách ngắn (fading)

Làm thế nào nhanh chóng làm thay đổi kênh với tham số t?

Câu trả lời Thời gian kênh chặt chẽ quy định cụ thể thời gian mà giá trị

của kênh tương quan Thời gian gắn kết phụ thuộc vào một cách nhanh chóng như thế nào truyền và nhận được chuyển động tương đối với nhau

Các giá trị gần đúng thời hạn kênh v là gì?

Trả lời: Giá trị này được gọi là sự chậm trễ lan truyền và được đo hoặc

ước lượng dựa vào khoảng cách tuyên truyền và môi trường

1.2.3 Hiện tượng mất đường truyền - Pathloss

Sự khác biệt rõ ràng đầu tiên giữa các kênh có dây và không dây là công suất truyền đạt được ở thiết bị nhận Giả sử rằng một ăngten đẳng hướng được

sử dụng, như thể hiện trong hình 1.2.2, năng lượng tín hiệu truyền mở rộng trên hơn một đầu sóng cầu, do đó năng lượng nhận được tại một khoảng cách

ăngten d là tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt hình cầu, 4d 2 Công thức cho không gian tự do pathloss, hoặc công thức Friis, được cho chính xác hơn là:

2 2

Trong đó P r và P t là công suất nhận và công suất truyền, và  là bước

sóng Trong bối cảnh mô hình TDL của công thức (1.2.1), P r /P t là giá trị trung

bình của độ lợi kênh, nghĩa là P r /P t = E|| h||2, trong đó E [•] biểu thị giá trị

mong đợi, hoặc có ý nghĩa toán học Nếu ăngten định hướng được sử dụng tại

máy phát hoặc máy thu, mức tăng G t hoặc G r là đạt được, và nhận được công suất chỉ đơn giản là tăng thu của các ăngten Một quan sát quan trọng từ công

thức (1.2.5) là kể từ khi c = f c  =c/f c , công suất nhận giảm bậc hai với

các tần số sóng mang Nói cách khác, cho công suất phát được đưa ra, phạm

vi được giảm khi sóng tần số cao hơn được sử dụng Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống tốc độ dữ liệu cao, vì hầu hết băng thông lớn đều có tần số cao hơn

Môi trường lan truyền trên mặt đất không phải là không gian miễn phí Những phản xạ từ trái đất hoặc các vật thể khác sẽ làm tăng công suất nhận được vì nhiều năng lượng sẽ tiếp cận người nhận Tuy nhiên, bởi vì một sóng phản xạ thường trải qua giai đoạn chuyển pha 180°, sự phản xạ ở những khoảng cách tương đối lớn (thường >1km) tạo ra nhiễu phá huỷ và sự xấp xỉ hai tia phổ biến cho pathloss là:

Hình 1.2.2 Sự lan truyền không gian tự do

Khác biệt đáng kể so với tổn thất đường truyền trong không gian tự do

ở một vài khía cạnh Thứ nhất, độ cao của ăngten đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền là quen thuộc: Các máy phát vô tuyến thường được đặt trên vật có sẵn cao nhất Thứ hai, bước sóng phụ thuộc tần số sóng mang đã biến mất khỏi công thức Thứ ba, và là điều quan trọng nhất, sự phụ thuộc vào

khoảng cách đã thay đổi d -4

để giảm thiểu sự mất mát năng lượng nghiêm trọng hơn với khoảng cách trong hệ thống mặt đất hơn là trong không gian

tự do

Để mô tả chính xác hơn các môi trường lan truyền khác nhau, các mô hình thực nghiệm thường được phát triển bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm Một trong những đơn giản nhất và phổ biến nhất là công thức tổn thất thực nghiệm pathloss:

Nhóm tất cả các hiệu ứng khác nhau thành hai tham số: số mũ pathloss α

và pathloss đo được P 0 tại một khoảng cách tham chiếu của d 0, mà thường

được chọn là 1m Mặc dù P 0 nên được xác định từ các phép đo, nó thường được ước lượng gần đúng, trong vài dB, đơn giản là (4/)2 khi d 0= 1 Công thức đơn giản này có thể biểu diễn hợp lý hầu hết các xu hướng quan trọng của pathloss chỉ với hai tham số này, ít nhất là qua một số phạm vi quan tâm

(1.2.7)

như Pathloss lớn và tăng công suất: Trong môi trường pathloss nghiêm trọng

thường được mong muốn trong một mạng không dây đa người dùng, chẳng hạn như WiMAX Tại sao? Vì nhiều người dùng đang cố gắng truy cập đồng thời vào mạng, cả đường lên và đường xuống nói chung đều trở nên hạn chế, điều đó có nghĩa là tăng cường công suất phát của tất cả người dùng cùng một lúc sẽ không làm tăng tổng lượng mạng Thay vào đó, mức độ nhiễu thấp hơn

là thích hợp hơn Trong một hệ thống di động có các trạm cơ sở, hầu hết các máy phát nhiễu xa hơn máy phát mong muốn Do đó, công suất nhiễu của chúng sẽ bị suy giảm nghiêm trọng hơn bởi một con số lớn hơn con đường mòn của tín hiệu mong muốn Một số lượng lớn pathloss có thể được gây ra

một phần bởi một tần số cao hơn tần số sóng mang

Các mô hình pathloss chính xác hơn cũng đã được phát triển, bao gồm các mô hình nổi tiếng Oka-mura, cũng có xu hướng điều khiển tần số Các mô hình Pathloss đặc biệt phù hợp với WiMAX

Ví dụ 1.2.1:

Hãy xem xét người dùng trong đường xuống của một hệ thống di động, nơi trạm gốc mong muốn nằm ở khoảng cách 500m và nhiều trạm gốc nhiễu gần đó đang truyền ở cùng mức công suất Nếu ba trạm gốc cản trở ở khoảng cách 1 km, ba ở khoảng cách 2km, và 10 ở khoảng cách 4km, sử dụng công thức pathloss thực nghiệm để tìm ra tỷ số tín hiệu đến nhiễu (SIR) - tiếng ồn

(1.2.8)

(1.2.9)

Chứng minh rằng hiệu suất của toàn hệ thống có thể được cải thiện đáng

kể khi các pathloss trong thực tế là lớn Những tính toán này có thể được xem

như là một ràng buộc trên, Trong đó γ < SIR, do sự bổ sung của tiếng

ồn Điều này có nghĩa là khi pathloss nặng hơn, các microcell phát triển ngày càng hấp dẫn, vì công suất tín hiệu cần thiết có thể tiếng ồn giảm xuống thấp nhất, và hiệu suất tổng thể sẽ tốt hơn so với trong một hệ thống có pathloss thấp hơn ở cùng mức công suất truyền

1.2.4 Hiện tượng bóng đường truyền - Shadowing

Mô hình pathloss cố gắng để giải thích cho các mối quan hệ phụ thuộc khoảng cách giữa công suất truyền và nhận Tuy nhiên, nhiều yếu tố khác hơn

là khoảng cách có thể có một ảnh hưởng lớn đến tổng công suất thu được Ví

dụ, cây và tòa nhà có thể được đặt giữa máy phát và máy thu và gây suy hao tạm thời cường độ tín hiệu nhận được; Mặt khác, một đường truyền thẳng tạm thời sẽ dẫn đến công suất thu được cao bất thường như thể hiện trong hình 1.2.3 Vì mô hình hoá các vị trí của tất cả các đối tượng trong mọi môi trường truyền thông có thể không thể thực hiện được, phương pháp chuẩn cho các biến thể của cường độ tín hiệu là đưa ra một hiệu ứng ngẫu nhiên gọi là

shadowing Với shadowing, công thức pathloss thực nghiệm trở thành:

0 0

công suất nhận được bây giờ cũng được mô hình như là một quá trình ngẫu nhiên Trong thực tế, xu hướng khoảng cách trong pathloss có thể được coi là giá trị trung bình, hoặc mong đợi, nhận được sức mạnh, trong khi giá trị 

shadowing gây ra nhiễu loạn từ đó giá trị kỳ vọng Khi shadowing được gây

(1.2.10)

ra bởi các đối tượng vĩ mô, nó thường có một khoảng cách tương quan hàng chục mét Do đó, shadowing thường được gọi là fading quy mô lớn

Giá trị shadowing  thường được mô hình hóa như một biến ngẫu nhiên lognormal, có nghĩa là:

quan trọng của shadowing, = 11.8 dB và s = 8.9 dB, tương ứng

Shadowing là một hiệu ứng quan trọng trong mạng không dây bởi vì nó gây ra tín hiệu SINR nhận được thay đổi đáng kể trên những thang thời gian dài Ở một số địa điểm trong một ô nhất định, truyền thông tốc độ cao đáng tin cậy có thể là gần như không thể Việc triển khai thiết kế hệ thống và trạm cơ sở phải chiếm shadowing lognormal qua nhiều phần tử, công suất truyền biến đổi, hoặc đơn giản chấp nhận rằng một số người dùng sẽ gặp phải hiệu suất kém tại một tỷ lệ phần trăm địa điểm nhất định Mặc dù shadowing đôi khi có thể mang lại lợi ích Ví dụ, nếu một đối tượng được chặn nhiễu nó thường là gây phương hại đến hiệu năng hệ thống bởi vì nó đòi hỏi một lợi nhuận nhiều dB được xây dựng vào hệ thống Hãy làm một ví dụ số thực tế để xem làm thế nào hiệu ứng shadow ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống không dây

Hình 1.2.3 Shadowing gây ra biến động ngẫu nhiên lớn về mô hình pathloss

(1.2.11)

10x , ~x N(0, s)

Hình 1.2.4 Shadowing gây ra các biến động ngẫu nhiên lớn về mô hình

pathloss

Ví dụ 1.2.2

Hãy xem xét một trạm gốc WiMAX truyền đến một thuê bao; các tham

số kênh là = 3, P =-40 dB, và d 0 =1m, và σ s= 6 dB Giả định công suất

truyền của P t =1W (30dBm) và một băng thông của B= 10 MHz Do tỷ lệ 1/2

mã xoắn, một SNR nhận đƣợc là 14.7 dB là cần thiết cho 16 QAM, nhƣng chỉ cần 3 dB là cần thiết cho BPSK Cuối cùng, chúng ta chỉ xét đến tiếng ồn

xung quanh, với mật độ công suất phổ là N 0 = -173 dBm/ Hz, với số nhiễu thu

Các kết quả SNR = P r /I tot có thể dễ dàng tính toán trong dB như sau:

=-91dBm+(dB)+98dBm=7dB+(dB)

Trong kịch bản này, SNR trung bình nhận được là 7dB, đủ tốt cho BPSK nhưng không đủ tốt cho 16 QAM Từ đó chúng ta có thể nhìn thấy từ phương

trình (1.2.11): (dB) = x có một phân phối Gaussian trung bình zero với độ

lệch chuẩn 6, xác suất mà chúng tôi có thể đạt được BPSK là:

Và tương tự cho QPSK là:

Tóm tắt ví dụ: Mặc dù 75% người dùng có thể sử dụng BPSK điều chế

để có được một tốc độ dữ liệu ở lớp PHY là 10MHz 1bit/symbol 1/2=5 Mbps,

ít hơn 1% của người sử dụng đáng tin cậy có thể sử dụng 16 QAM (4 bit/symbol) cho tốc độ dữ liệu nhiều hơn mong muốn của 20Mbps Ngoài ra, trong khi không có shadowing, tất cả những người sử dụng có thể ít nhất là tỷ

lệ thấp BPSK được thông qua, với shadowing, 25% người sử dụng xuất hiện không thể giao tiếp ở tất cả Điều thú vị là, với shadowing, 16 QAM có thể không bao giờ được gửi Với shadowing, nó có thể nhận được một phần nhỏ của thời gian

1.3 Kết luận chương:

- Trong chương này, tôi đưa ra một cái nhìn tổng quan cấp cao về băng thông rộng không dây bằng cách trình bày cơ bản, ứng dụng, thách thức kinh doanh, các vấn đề thiết kế kỹ thuật và ứng dụng của nó

4 = Q[ ]=0.75

- Băng thông rộng không dây hứa hẹn là một thị trường tăng trưởng mạnh cho ngành công nghiệp viễn thông Và sự nổi lên của WiMAX tạo ra cơ hội mới cho thành công

- Các hệ thống không dây băng thông rộng được sử dụng để cung cấp nhiều ứng dụng và dịch vụ cho cả người dùng cố định và di động

- WiMAX có thể được triển khai trong nhiều băng tần khác nhau: 2.3GHz, 2.5GHz, 3.5GHz và 5.8GHz

- WiMAX đối mặt với một số thách thức cạnh tranh từ cả hai lựa chọn thay thế băng thông rộng di động và cố định

- Các yêu cầu dịch vụ thị trường của băng thông rộng không dây làm cho thiết kế kỹ thuật của băng thông rộng không dây gặp thách thức về nhiều mặt: + Giá trị trung bình của công suất kênh có thể được mô hình đơn giản chỉ dựa vào khoảng cách giữa máy phát và máy thu, tần số sóng mang, và số

mũ pathloss Các nhiễu loạn quy mô lớn từ kênh trung bình này được mô tả như là shadowing lognormal

+ Hệ thống di động phải đấu tranh với sự can thiệp nghiêm trọng từ các

ô lân cận; liên quan đến sự can thiệp này có thể được giảm đi bằng sectoring

và tần số tái sử dụng các mẫu

+ Các hiệu ứng kênh quy mô nhỏ được gọi chung là fading Kênh không dây băng thông rộng có chức năng tự tương quan cho ta thấy rất nhiều về hành vi của cú nó

+ Các mô hình thực tế về thời gian, tần số và mối tương quan không gian

có thể được phát triển từ các mô hình kênh thống kê phổ biến như Rayleigh, Ricean và Nakagami

+ Một số kỹ thuật đạt được có sẵn cho băng thông hẹp và băng thông rộng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ WIMAX [4][6][7]

Sau nhiều năm phát triển, một giải pháp tương thích dựa trên chuẩn đang phổ biến cho băng thông rộng không dây được ứng dụng đó là sản phẩm không dây băng rộng WiMAX cho khả năng tương tác và phù hợp với các tiêu chuẩn WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn WMAN của mạng không dây được phát triển bởi nhóm IEEE 802.16 và được thông qua cả IEEE và ETSI HIPERMAN Trong chương này, tôi trình bày một tổng quan về giải pháp của

kỹ thuật WiMAX cho mạng không dây băng thông rộng

Chúng ta bắt đầu chương này bằng cách tóm tắt các hoạt động của nhóm IEEE 802.16 và mối quan hệ với WiMAX Tiếp theo, thảo luận về các tính năng nổi bật của WiMAX và mô tả ngắn gọn những đặc điểm của lớp vật lý (PHY) và lớp MAC của WiMAX, về khía cạnh dịch vụ, chất lượng dịch vụ,

an ninh, tính di động, trình bày kiến trúc mạng và hiệu suất của WiMAX

2.1 Cơ sở của IEEE 802.16 và WiMAX

Các nhóm IEEE 802.16 được thành lập vào năm 1998 để phát triển một tiêu chuẩn giao tiếp không khí cho băng thông rộng không dây Tập trung ban đầu của nhóm là sự phát triển của một hệ thống băng thông rộng không dây điểm tới đa điểm với tầm nhìn thẳng LOS dựa trên hoạt động trong băng tần

từ 10GHz - 66GHz Các chuẩn kết quả đưa ra là ban đầu 802.16, hoàn thành vào tháng 12/2001 dựa trên sóng mang đơn ở lớp vật lý với sự bùng nổ ghép kênh phân chia thời gian (TDM) lớp MAC Nhiều khái niệm liên quan đến lớp MAC thích nghi cho chuẩn không dây, phổ biến là modem cáp DOCSIS Tiêu chuẩn 802.16a, bao gồm các ứng dụng NLOS trong dải tần 2GHz-11GHz, sử dụng một kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) dựa trên lớp vật lý Lớp MAC, hỗ trợ cho phân chia tần số trực giao đa truy nhập (OFDMA) Những sửa đổi khác dẫn đến một tiêu chuẩn mới trong năm 2004,

được gọi là IEEE 802.16-2004, thay thế tất cả các phiên bản trước và hình thành cơ sở cho các giải pháp WiMAX đầu tiên Những giải pháp WiMAX đầu dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 nhắm mục tiêu ứng dụng WiMAX cố định Trong tháng 12/2005, nhóm IEEE hoàn thành và phê duyệt bản sửa đổi IEEE 802.16e-2005, để các tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 thêm hỗ trợ tính di động IEEE 802.16e-2005 là cơ sở cho các giải pháp WiMAX cho các ứng dụng di chuyển, di động được gọi là WiMAX di động

Các đặc tính cơ bản của tiêu chuẩn IEEE 802.16 khác nhau được tóm tắt trong bảng 2.1 Tiêu chuẩn này cung cấp một loạt các tùy chọn thiết kế cơ sở khác nhau Ví dụ, có rất nhiều lựa chọn của lớp vật lý: một lớp sóng mang con đơn dựa vào lớp vật lý gọi là Wireless-MAN-SCa, OFDM dựa trên lớp vật lý được gọi là Wireless-MAN-OFDM, còn OFDMA dựa trên lớp vật lý gọi là Wireless-OFDMA Tương tự như vậy, có nhiều sự lựa chọn cho kiến trúc MAC, ghép kênh, hoạt động băng tần, v.v Các tiêu chuẩn này được phát triển để phù hợp với nhiều ứng dụng và triển khai các kịch bản khác nhau, và

do đó cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống Trong thực tế, IEEE 802.16 là tập hợp các chuẩn tương thích

Vì những lý do thực tế của khả năng tương tác, phạm vi của nhu cầu tiêu chuẩn được giảm đi, và một bộ nhỏ hơn của sự lựa chọn thiết kế để thực hiện cần phải được xác định Hiệp hội WiMAX thực hiện điều này bằng cách định nghĩa một số giới hạn các hồ sơ hệ thống để cấp giấy chứng nhận Một hệ thống hồ sơ định nghĩa là các tập hợp con các tính năng của lớp vật lý và lớp MAC bắt buộc Hiệp hội WiMAX lựa chọn từ các tiêu chuẩn 802.16e-2005 IEEE 802.16-2004 hoặc IEEE Tình trạng bắt buộc và tùy chọn của một tính năng cụ thể trong thuộc tính hệ thống WiMAX có thể khác với những gì trong tiêu chuẩn IEEE gốc Hiện nay, Hiệp hội WiMAX có hai hồ sơ hệ thống khác nhau: một là dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004, OFDM PHY, gọi là hồ sơ hệ thống cố định; hai là dựa trên chuẩn có khả năng mở rộng IEEE 802.16e-2005

OFDMA PHY, được gọi là hồ sơ hệ thống di động Một hồ sơ cấp giấy chứng nhận được xác định là sự kmởi tạo cụ thể của một hồ sơ hệ thống mà các tần

số hoạt động, băng thông kênh và chế độ ghép kênh cũng rất cụ thể Thiết bị WiMAX đã được chứng nhận cho khả năng tương tác với một hồ sơ cấp giấy chứng nhận cụ thể

Hiệp hội WiMAX đến nay được xác định năm hồ sơ cấp giấy chứng nhận cố định và mười bốn chứng nhận hồ sơ di động (xem Bảng 2.2) Đến nay, có hai WiMAX thiết bị cố định đã được chứng nhận Đó là hệ thống băng tần 3.5GHz hoạt động trên kênh 3.5MHz, sử dụng cấu hình hệ thống cố định dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 OFDM lớp vật lý với điểm – đa điểm lớp MAC Một trong các hồ sơ sử dụng ghép kênh phân chia tần số (FDD), và cái khác sử dụng ghép kênh phân chia thời gian (TDD)