Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạng truy nhập không dây WiMax và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích nghi ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường thuê bao số không đối xứng AES Advanced Encryption Standard Tiêu ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Anh Dũng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY WIMAX

VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Ngμnh : Công nghệ điện tử - viễn thông

Chuyên ngμnh : Kỹ thuật vô tuyến điện tử viễn thông tin liên lạc

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 3

1.1 Tổng quan về các chuẩn không dây 3

1.2 Kiến trúc chung của các chuẩn IEEE 802.11 và 802.16 4

1.3 Công nghệ Wifi 5

1.3.1 Giới thiệu 5

1.3.2 Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu 7

1.4 Công nghệ WiMax 8

1.4.1 Khái niệm 8

1.4.2 Đặc điểm 8

1.4.3 Các chuẩn của Wimax 10

1.4.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 10

1.4.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a - 2003 11

1.4.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 11

1.4.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e 11

1.4.3.5 So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản 12

1.5 So sánh công nghệ Wifi và WiMax 13

CHƯƠNG 2: LỚP PHY VÀ MAC CỦA CHUẨN IEEE 802.16 14

2.1 Mô hình tham chiếu 14

2.2 Lớp vật lý 15

2.2.1 Đặc tả WirelessMAN-SC PHY 15

2.2.2 Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa 16

2.2.3 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM 17

2.2.3.1 Đặc điểm 17

2.2.3.2 Symbol OFDM 18

2.2.3.3 Cấu trúc khung 19

2.2.4 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDMA 20

2.2.4.1 Đặc điểm 20

2.2.4.2 Symbol OFDMA 20

2.2.4.3 Cấu trúc khung 21

2.3 Lớp MAC trong chuẩn IEEE 802.16 22

2.3.1 Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS) 22

2.3.2 Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC) 22

2.3.2.1 Các định dạng MAC PDU 22

2.3.2.2 Cơ cấu ARQ 23

2.3.2.3 Truy nhập kênh và QoS 23

2.3.3 Lớp con bảo mật 24

2.4 Lớp con hội tụ truyền (TC) 24

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX 25

3.1 Các băng tần cho WiMax 25

3.1.1 Băng tần cấp phép 26

3.1.1.1 Băng dưới 1 GHz 26

3.1.1.2 Băng tần 2.3 GHz 26

3.1.1.3 Băng tần 2,5 GHz 26

3.1.1.4 Băng tần 3.3 GHz 27

3.1.1.5 Băng tần 3,5 GHz 28

3.1.1.6 Băng 3,7 GHz 28

3.1.1.7 Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz 28

3.1.2 Băng tần không đăng ký 28

3.1.2.1 Băng tần 5 GHz 28

3.1.2.2 Băng tần 5.8 GHz 29

3.1.3 Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam 29

3.2 Topo mạng WiMax 30

3.2.1 Phân loại topo mạng 30

3.2.2 Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) 31

3.2.3 Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) 32

3.3 Điều chế và mã hóa 33

3.3.1 Các phương pháp điều chế đơn sóng mang 34

3.3.1.1 Kỹ thuật điều chế pha 34

3.3.1.2 Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM 34

3.3.2 Các phương pháp điều chế đa sóng mang 35

3.3.2.1 Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDM 35

3.3.2.2 Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDMA 38

3.3.2.3 Điều chế đa sóng mang sử dụng Scalable OFDMA 39

3.3.3 Các phương pháp mã hoá 39

3.4 Đa truy nhập và song công 40

3.4.1 Các phương pháp song công 40

3.4.2 Các phương pháp đa truy nhập 41

3.5 Kỹ thuật trải phổ 41

3.5.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 41

3.5.2 Trải phổ nhảy tần FSSS 43

3.5.3 So sánh FHSS và DSSS 44

3.6 Mô hình kênh của mạng WiMax 45

3.6.1 Giới thiệu chung 45

3.6.2 Mô hình kênh SUI (Stanford University Interim) 46

3.7 Mô hình suy hao đường truyền 46

3.7.1 Mô hình suy hao đường truyền kích thước lớn 47

3.7.1.1 Các phương thức lan truyền cơ bản 47

3.7.1.2 Mô hình mất mát theo loga khoảng cách 53

3.7.1.3 Mô hình che khuất loga chuẩn 55

3.7.1.4 Các mô hình lan truyền ngoài trời (outdoor) 55

3.7.1.5 Các mô hình lan truyền trong nhà (indoor) 57

3.7.1.6 Thẩm thấu tín hiệu trong tòa nhà 57

3.7.1.7 Mô hình vẽ tia và vị trí riêng 58

3.7.2 Mô hình suy hao đường truyền kích thước nhỏ 59

3.7.2.1 Lan truyền đa đường kích thước nhỏ 59

3.7.2.2 Các loại suy hao đường truyền kích thước nhỏ 59

3.7.3 Vấn đề suy hao đường truyền WiMax tại Việt Nam 62

3.8 Vấn đề dung lượng 63

3.8.1 Tổng lưu lượng và sự tập trung lưu lượng 63

3.8.2 Điều chế thích nghi và dung lượng trung bình của một sector 63

3.8.3 Số lượng sector và BS 64

3.9 Phủ sóng, tần số và chỉ định kênh 65

3.9.1 Kế hoạch phủ sóng 65

3.9.1.1 Bảng tính năng lượng liên kết 65

3.9.1.2 Mối q/h giữa độ dự trữ fading với sự sẵn sàng c/c d/vụ 67

3.9.1.3 Phạm vi của BS - FBWA ở dải tần 3,3 GHz 67

3.9.2 Lên kế hoạch tần số và chỉ định kênh 68

3.10 Vấn đề bảo mật trong WiMax 69

3.10.1 Kiến trúc bảo mật 802.16 69

3.10.2 Các liên kết bảo mật (SA) 70

3.10.2.1 Những thành phần của SA 71

3.10.2.2 Ánh xạ các kết nối tới SA 71

3.10.3 Chứng nhận số X.509 72

3.10.4 Đánh giá khả năng bảo mật và ứng dụng tại Việt Nam 72

3.11 Hệ thống Anten trong WiMax 73

3.11.1 Các đặc tính và tham số của anten 73

3.11.2 Vùng phủ sóng của anten trạm gốc 75

3.11.3 Anten của CPE 75

3.11.4 Hệ thống anten nâng cao 75

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG

BER TRONG HỆ THỐNG WIMAX 77

4.1 Giới thiệu công cụ và chương trình mô phỏng 77

4.1.1 Thiết lập sơ đồ khối mô phỏng WiMax 77

4.1.2 Diễn giải các khối và thuật toán 78

4.1.3 Các tham số thiết lập trong mô phỏng 80

4.2 Kết cấu của chương trình mô phỏng 80

4.3 Một số kết quả mô phỏng 82

4.3.1 Mô phỏng BER với các phương thức điều chế khác nhau 82

4.3.2 Mô phỏng BER với các tham số CP khác nhau 84

4.3.3 Mô phỏng BER với các kênh SUI khác nhau (từ 1 đến 6) 86

4.3.4 Mô phỏng BER với các độ rộng băng (BW) khác nhau 86

4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng 88

CHƯƠNG 5: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG WIMAX TẠI VIỆT NAM 89

5.1 Các ứng dụng của Wimax 89

5.1.1 Các mô hình ứng dụng 89

5.1.1.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 89

5.1.1.2 Mô hình ứng dụng WiMax di động (Mobile WiMax) 90

5.1.2 CPE Wimax 91

5.2 Một số hệ thống WiMax hiện có trên thị trường 92

5.3 Thực tế triển khai WiMax tại Việt nam 93

5.3.1 VNPT triển khai thử nghiệm Wimax 93

5.3.2 Viettel triển khai thử nghiệm Wimax 95

5.3.3 VTC triển khai thử nghiệm Wimax 96

5.3.4 FPT triển khai thử nghiệm Wimax 96

5.4 Đề xuất về triển khai WiMax tại Việt Nam 97

5.5 Kết luận 99

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích nghi ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường thuê bao số không đối

xứng AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát cơ sở

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã CID Connection Identifier Định danh kết nối

CINR Carrier to Interference-plus-Noise

Ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu giao thoa cộng nhiễu

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị giao tiếp đầu cuối

khách hàng CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ

DCD Downlink Channel Descriptor Mô tả kênh đường xuống DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình IP (máy

tính) động

DL Down Link Đường xuống

DLFP DownLink Frame Prefix Tiền tố khung đường xuống DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp EKS Encryption Key Sequence Tuần tự khóa mật hóa

FBWA Fixed Broadband Wireless Access Mạng truy nhập không dây

băng rộng cố định FCH Frame Control Header Mào đầu điều khiển khung

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần

số FDMA Frequency-Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần

HFDD Hybrid Frequency Division

Engineers

Viện Các kỹ sư Điện và Điện

tử

ISM Industrial Scientific & Medical Công nghiệp y tế và khoa học ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị diện rộng

MIMO Multiple-Input, Multiple-Output Nhiều đầu ra nhiều đầu vào

NLOS Non-Light Of Sight Đường truyền không nằm tầm

nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division

PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

PKM Privacy Key Management Quản lý khóa riêng tư

PUSC Partial Usage of Subchannels Phần có ích của kênh con QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RTG Receive/Transmit Transition Gap Khoảng chuyển Thu/Phát RS-CC Reed Solomon - Convolution Code Mã chập - Reed Solomon

SAID Security Association IDentifier Định danh liên kết bảo mật SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SDMA Space-Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian SHA Secure Hash Algorithm Thuật toán hàm băm an toàn

SNMP Simple Network Management

SFID Service Flow IDentifier Định danh luồng dịch vụ

SSRTG Subscriber Station Receive/Transmit

TC Transmission Convergence Lớp con hội tụ truyền

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian TDM Time Division Multiplexer Ghép kênh phân chia thời gian TEK Traffic Encryption Key Khóa mật mã lưu lượng

TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền file thông

thường TTG Transmit/Receive Transition Gap Khoảng chuyển Phát/Thu UCD Uplink Channel Descriptor Mô tả kênh đường lên

WBA Wireless Broadband Access Truy nhập không dây băng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng đô thị diện rộng không

dây WBS Wireless Base Station Trạm cơ sở không dây

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây WWAN Wireless Wide Area Network Mạng không dây diện rộng WiMax Worldwide Interoperability

Microwave Access

Truy cập vi ba có tính tương thích toàn cầu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây 3

Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx 5

Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình 5

Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX 8

Hình 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY 14

Hình 2.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 14

Hình 2.3: Cấu trúc thời gian symbol OFDM 18

Hình 2.4: Cấu trúc symbol OFDM miền tần số 18

Hình 2.5 Cấu trúc khung OFDM với TDD 19

Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 20

Hình 2.7: Cấu trúc symbol OFDMA trong WiMax 20

Hình 2.8: Cấu trúc khung OFDMA WiMax 21

Hình 2.9 Các định dạng MAC PDU 22

Hình 2.10: Định dạng TC PDU 24

Hình 3.1: Dải tần số triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới 29

Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng Fixed WiMax 31

Hình 3.3: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế 32

Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK 34

Hình 3.5: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số 35

Hình 3.6: OFDM với 256 sóng mang 36

Hình 3.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM 36

Hình 2.8: Các kênh con trong OFDMA 38

Hình 3.9: Trải phổ chuỗi trực tiếp 42

Hình 3.10: Trải phổ nhảy tần 44

Hình 3.11: Mô hình suy hao do phản xạ, tán xạ, đa đường trong thực tế 47

Hình 3.12: Mô hình phản xạ mặt đất 48

Hình 3.13: Mô hình nhiễu xạ lưỡi dao 50

Hình 3.14: Vùng Fresnel trong tầm nhìn thẳng (LOS) 51

Hình 3.15: Sơ đồ lưỡi dao tương đương 51

Hình 3.16: Mô tả đường truyền NLOS bị tán xạ bởi tòa nhà 52

Hình 3.17: Vị trị của CPE trên đường truyền NLOS bị tán xạ bởi cây cối 52

Hình 3.18: Đường cong mẫu suy hao đường truyền theo chuẩn IEEE 802.16 và giá trị suy hao đường truyền trong không gian tự do theo mô hình Friis 54

Hình 3.19: Xây dựng mặt cắt địa hình từ bản đồ số 56

Hình 3.20: Kênh Fading phẳng 61

Hình 3.21: Kênh Fading chọn lọc tần số 61

Hình 3.22: Mô hình sử dụng lại tần số sử dụng 8 kênh tần số 69

Hình 3.23: Hình dạng của chùm sóng (Beam Shaping) 74

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống Wimax ở phía phát và thu 77

Hình 4.2: Tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên giả PRBS 78

Hình 4.3: Sơ đồ tạo mã hóa chập 78

Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình mô phỏng 81

Hình 4.5: Kết quả mô phỏng BER với các p/thức điều chế khác nhau (SUI-1) 82

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng BER với các p/thức điều chế khác nhau (AWGN) 83

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh SUI-3) 84

Hình 4.8: K/quả m/phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh AWGN, BPSK) 85

Hình 4.9: K/quả m/phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (AWGN,64QAM) 85

Hình 4.10: K/quả m/phỏng với các kênh SUI khác nhau (Từ SUI-1 đến SUI-6) 86

Hình 4.11: Kết quả mô phỏng với độ rộng băng thông khác nhau (kênh SUI-4) 87

Hình 4.12: K/quả mô phỏng với độ rộng băng thông khác nhau (kênh AWGN) 87

Hình 5.1: Mô hình ứng dụng WiMax cố định 89

Hình 5.2: Mô hình ứng dụng WiMax di dộng 90

Hình 5.3: CPE WiMAX cho truy nhập cố định, card WiMAX PC 91

Hình 5.4: Ứng dụng CPE WiMAX trong hệ thống 802.16 91

Hình 5.5: Mô hình thử nghiệm WiMax tại Lào Cai của VDC (VNPT)………… 94

Hình 5.6: Mô hình đề xuất triển khai thử nghiệm Fixed WiMax giai đoạn 1 97

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.11 7

Bảng 1.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 12

Bảng 1.3: So sánh công nghệ Wifi và WiMax 13

Bảng 3.1: Các dải tần có thể sử dụng cho hệ thống WiMax 25

Bảng 3.2: So sánh hệ thống LOS và NLOS 33

Bảng 3.3: Mô hình kênh SUI phân loại theo địa hình 46

Bảng 3.4: Đặc tính chung của các kênh SUI 46

Bảng 3.5: Các thông số địa hình cho mô hình kênh theo chuẩn IEEE 802.16 54

Bảng 3.6: Bán kính và diện tích phủ sóng theo các p/p điều chế khác nhau 64

Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản 66

Bảng 3.8: Mức độ nhạy nhỏ nhất của máy thu (dBm) (IEEE 802.16-2004) 67

Bảng 3.9: Phạm vi cell trong các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau 68

Bảng 3.10: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16a 70

Bảng 4.1: Các tham số của mã hóa chập 79

Bảng 5.1: Các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của một số hệ thống FBWA 92

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 một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho 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 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 ứng

dụng công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương như sau :

Chương 1: Tổng quan về mạng không dây

Chương 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn 802.16a

Chương 3: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng

không dây WiMax

Chương 4: Xây dựng chương trình Matlab để mô phỏng BER trong hệ

thống WiMax

Chương 5: Khả năng ứng dụng WiMax tại Việt Nam

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 Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng như thời gian công tác tại Tổng Công ty truyền thông đa phương tiện (VTC)

Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có giới hạn, do vậy luận văn chỉ tập trung nghiên cứu, đi sâu về một số vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng không dây

cố định (FBWA), đặc biệt là suy hao đường truyền vô tuyến của WiMax Hơn nữa,

do khả năng hạn chế của bản thân, 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 TS Ngô Thái Trị - TT tin học và đo lường, Đài THVN đã giúp đỡ tận tình và có nhiều góp ý, cùng nhiều tài liệu bổ ích để bản luận văn này được hoàn thành Tác giả cũng xin chân thành cảm

ơn các Thầy Cô giáo Khoa Điện tử viễn thông thuộc Đại học Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho tác giả trong khóa học vừa qua Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, các bạn học cùng lớp đã

có những lời động viên quí báu trong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2007

Học viên

Lê Anh Dũng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN KHÔNG DÂY [2]

Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cấp như: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file, là sự thúc đẩy cho sự xuất hiện của hàng loạt các chuẩn không dây Hiện nay, căn cứ vào phạm vi sử dụng, tốc độ kết nối, chúng ta có những chuẩn không dây tương ứng với các mô hình mạng truyền thống

Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây

- Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Được ứng dụng trong phạm vi

gia đình, hoặc trong không gian xung quanh cá nhân nào đó, tốc độ truyền dẫn trong nhà có thể đạt 480 Mb/s trong phạm vi 10m Trong mô hình mạng WPAN, có sự xuất hiện của các công nghệ Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15 (Institute for Electrical and Electronics Engineers) Hiện nay 802.15 này đang được phát triển thành 802.15.3 được biết đến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông

- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 bao

gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải pháp vǎn phòng di động, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực công cộng như văn phòng, khách sạn hay các sân bay Tại Việt Nam WLAN đã được triển khai ứng dụng ở nhiều nơi Công nghệ này cho phép người sử dụng có thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống

- Mạng WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE

802.16, được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày 8/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô thị Việc đưa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km

và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với

đường truyền cáp hoặc ADSL

- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): Hệ thống WWAN được triển khai

bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng ký trước với cơ quan chức năng và sử dụng chuẩn mở như AMPS, GSM, TDMA và CDMA Khoảng cách hàng trăm km, tốc độ từ 5 kb/s đến 20 kb/s Trong tương lai, các kết nối WirelessWAN sẽ dùng chuẩn 802.20 để thực hiện các kết nối diện rộng

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 VÀ

802.16 [7]

Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớp điều khiển truy nhập môi trường - MAC (Medium Access Control) cho truy nhập băng rộng không dây cố định - FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) cho phạm vi mạng khu vực đô thị - MAN (Metropolitan Area Network)

Hình 1.2 minh hoạ vị trí của các chuẩn IEEE 802.11 và 16 trong hệ thống các chuẩn IEEE 802

Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx

AP

CISCO AIRONET 350 SERIES AP Hotspot

Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình

WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến mạng Internet và các mạng Intranet Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trường đại học Một hệ thống WLAN có thể được tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng Tốc độ đạt được trong WLAN cần phải được hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đường trục

Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là:

- Trạm gốc không dây (WBS) hay còn gọi là AP (Access Point)

- Khối giao tiếp người sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE

 AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải được đấu nối với mạng của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet Thông thường AP được đấu với Router, Hub hoặc Switch để được cấp một địa chỉ IP riêng Sau đó kết nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn thông dụng như cáp quang, cáp đồng hoặc viba AP có khả năng chuyển đổi tín hiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dạng tín hiệu số tương thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến AP bao gồm một bộ thu phát (Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller) thực hiện các chức năng chủ yếu như:

 Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác, giao diện vô tuyến hướng phía khách hàng

 Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến, chứng thực giao diện kết nối với khách hàng

 Quản trị tài nguyên vô tuyến

 Đăng ký khối giao diện người sử dụng

 Định tuyến, tính cước

 Duy trì và chuyển đổi giao thức, mã hoá và giải mã, nén và giải nén

 CPE là thiết bị đặt ở phía khách hàng, nó có một địa chỉ ngoài như là một node trên mạng và nhiều địa chỉ trong để cung cấp cho mạng LAN của khách hàng CPE tiếp nhận luồng tín hiệu số từ các AP và chuyển đổi chúng thành dạng tín hiệu tương thích với các thiết bị đầu cuối của khách hàng (tương tự hoặc số) CPE cũng bao gồm một bộ thu phát và các thiết bị phụ trợ thực hiện một số chức năng như:

 Cung cấp giao diện vô tuyến hướng tới trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ

 Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng

 Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn

1.3.2 Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu

 Chuẩn IEEE 802.11: IEEE 802.11b định nghĩa lớp vật lý và lớp con MAC cho

việc truyền tin qua mạng LAN không dây dùng chung Tại lớp vật lý, IEEE 802.11b hoạt động tại tần số vô tuyến 2,45GHz với tốc độ bit tối đa là 11 Mbps Nó sử dụng

công nghệ truyền dẫn trải trải phổ dãy trực tiếp (DSSS)

 Chuẩn IEEE 802.11g: Do IEEE phát triển, những mạng dùng chuẩn 802.11b cho

phép dữ liệu được truyền với dung lượng tối đa 10 megabit/giây (trung bình là 4 Mbps) Chuẩn mới hơn là IEEE 802.11g cho phép truyền dữ liệu với dung lượng cao nhất - 54 Mbps (trung bình 22 Mbps) Cả hai chuẩn này đều dùng băng tần 2,4

GHz và hoạt động tương tác

 Chuẩn IEEE 802.11a: Chuẩn IEEE 802.11a hoạt động trong dải tần 5 GHz, tạo

cho các kết nối sử dụng chuẩn 802.11a ít bị ảnh hưởng hơn đối với sự giao thoa sóng điện từ mà các kết nối sử dụng chuẩn 802.11b, 802.11g hoạt động ở tần số 2,4 GHz có thể gây ra Bởi dải tần 2,4 GHz thường được dùng trong công nghiệp, y tế,

và sử dụng trong các thiết bị gia đình Bảng 1.1 dưới đây sẽ so sánh các chuẩn IEEE 802.11:

Được sử dụng phổ biến

nhất

IEEE 802.11a 5 GHz 54 Mbps OFDM Mới hơn, nhanh hơn,

dùng tần số cao hơn IEEE 802.11e 5 GHz UNII 54 Mbps OFDM

1.4 CÔNG NGHỆ WiMAX [6, 11, 24]

1.4.1 Khái niệm

WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập

vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX cung cấp phạm vi và băng thông lớn hơn họ các chuẩn Wi-Fi WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động, phạm vi phủ sóng được mở rộng Hình 1.4 mô tả một ví dụ về ứng dụng mạng WiMAX

Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX

1.4.2 Các ưu điểm của WiMax

điểm - đa điểm, mạng lưới (mesh)

lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS - Unsolicited Grant Service), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch

vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

o 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

tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS

nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau

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 hand-off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 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

chuẩn và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi phí giảm đột ngột 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

của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

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 MS không bị cản

trở 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)

một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

(RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF

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

1.4.3 Các chuẩn của Wimax [31]

1.4.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 [11]

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị Đặc điểm chính của IEEE 802.16 - 2001:

 Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dải tần 10 - 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC

 Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz

 Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

 Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz

 Bán kính cell: 2 - 5 km

 Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật

1.4.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a - 2003

Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:

 Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho dải 2 - 11 GHz (NLOS)

 Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz

 Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16 QAM, 64 QAM

 Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz

 Bán kính cell: 6 - 9 km

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa

 Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công nghệ Mesh, ARQ

1.4.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004

Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 - 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 - 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh con OFDM

Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cung cấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)

1.4.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác 802.16e hoạt động ở các

băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2

- 5 km

802.16e hỗ trợ cho phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing), cho phép số sóng mang thay đổi, thực hiện các chức năng chuyển vùng và chuyển mạng, có thể cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic, mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ),

di động hạn chế và di động

802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng

và mềm Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động

và các đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn

1.4.3.5 So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản

Bảng 1.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16

1.5 SO SÁNH CÔNG NGHỆ WIFI VÀ WIMAX [16]

Tính mở

rộng

- Kênh trong giải tần số 20 MHz

- Thiết kế cho 10s MAC

- Không phân chia nhiều mức dịch vụ khác nhau cho người

- Chất lượng dịch vụ theo mức tập trung

Tầm bao

phủ

- 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

RSA (1024 bits)

Bảng 1.3: So sánh công nghệ Wifi và WiMax

CHƯƠNG 2

LỚP PHY VÀ MAC CỦA CHUẨN IEEE 802.16

2.1 MÔ HÌNH THAM CHIẾU [12,37]

Hình 2.1 và 2.2 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 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY

Hình 2.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI

Trên hình ta có thể thấy lớp MAC bao gồm 3 lớp con Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ cung cấp bất cứ biến đổi hay ánh xạ dữ liệu mạng bên ngoài, mà nhận đƣợc qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP), vào trong các MAC SDU đƣợc 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 nhƣ nén đầu mục tải (PHS) Nhiều đặc tính CS đƣợc 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 đƣợc đòi hỏi phải hiểu định dạng hay phân tích bất cứ thông tin này 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 đƣợc 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 đƣợc nhận và đƣợc truyền qua mã hóa và điều chế các tín hiệu RF

- WirelessMAN - OFDMA và SOFDMA: 2 - 11 GHz

Sau đây sẽ đi nghiên cứu và phân tích cụ thể từng thành phần

2.2.1 Đặc tả WirelessMAN-SC PHY

Đặc tả này đƣợc thiết kế nhằm mục đích cho hoạt động ở dải tần 10-66GHz, với mức độ mềm dẻo cao để cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể tối ƣu các triển khai hệ thống đối với quy hoạch cell, chi phí, khả năng vô tuyến, các dịch vụ và dung lƣợng

Để cho phép sử dụng phổ mềm dẻo, cả TDD và FDD được hỗ trợ Hai công nghệ này sử dụng một định dạng truyền dẫn burst mà cơ cấu khung của nó hỗ trợ burst profiling thích ứng, ở đó những tham số truyền, bao gồm các kế hoạch điều chế và mã hóa, có thể được điều chỉnh riêng cho mỗi trạm thuê bao trên cơ sở từng khung một Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Cấu trúc khung bao gồm một khung con đường xuống và một khung con đường lên Kênh đường xuống là TDM, với thông tin cho mỗi MS được ghép kênh trên một luồng dữ liệu duy nhất và được nhận bởi tất cả các MS trong cùng dải quạt Để

hỗ trợ các MS bán song công phân chia tần số, đường xuống cũng được cấu tạo chứa một đoạn TDMA

Kênh đường lên được phân thành một số khe thời gian Số các khe thời gian được gán cho các sử dụng khác nhau (đăng ký, cạnh tranh, bảo vệ, hoặc lưu lượng) được điều khiển bởi MAC trong BS và có thể thay đổi đối với thời gian để chất lượng tối ưu

Mỗi MS sẽ cố gắng nhận tất cả các phần của đường xuống trừ những burst mà burst profile của nó hoặc không được thực hiện bởi MS hoặc không mạnh bằng burst profile đường xuống hoạt động hiện thời của MS Các MS bán song công sẽ không cố gắng nghe các phần trùng khớp đường xuống với truyền dẫn đường lên được chỉ định cho chúng, nếu có thể, được điều chỉnh bởi sự sớm định thời truyền của chúng Các chu kỳ khung có thể là 0,5 ms, 1 ms, 2ms

2.2.2 Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa

WirelessMAN-SCa PHY dựa vào công nghệ điều chế sóng mang đơn và được thiết kế cho hoạt động NLOS ở các dải tần dưới 11GHz Các thành phần trong PHY này gồm:

 Các định nghĩa TDD và FDD, một trong hai phải được hỗ trợ

 Đường lên TDMA, đường xuống TDM hoặc TDMA

 Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đường lên và đường xuống

 Các cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánh giá kênh được cải thiện đối với NLOS và các môi trường trải rộng trễ được mở rộng

 FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chế được mã hóa mắt lưới thực dụng với chèn tùy chọn

 Các tùy chọn FEC BTC và CTC bổ sung

 Tùy chọn không FEC sử dụng ARQ cho điều khiển lỗi

 Tùy chọn phân tập truyền mã hóa thời gian không gian (STC)

 Các chế độ mạnh cho hoạt động CINR thấp

 Các thiết lập tham số và các bản tin MAC/PHY mà thuận tiện cho các bổ sung AAS tùy chọn

2.2.3 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM

2.2.3.1 Đặc điểm

WirelessMAN-OFDM PHY dựa vào điều chế OFDM và được thiết kế cho họat động NLOS ở các dải tần số dưới 11GHz WirelessMAN-OFDM, một lược đồ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) với 256 sóng mang Đa truy nhập của các trạm thuê bao khác nhau dựa vào đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA)

 Lớp PHY OFDM hỗ trợ các hoạt động TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS cả FDD và H - FDD

 Mã hóa sửa lỗi trước FEC: một lược đồ mã xoắn RS-CC tốc độ thay đổi được kết hợp, hỗ trợ các tốc độ mã hóa 1/2, 2/3, 3/4 và 5/6 BTC tốc độ thay đổi (tùy chọn) và mã CTC cũng được hỗ trợ tùy chọn

 Nếu phân tập truyền được sử dụng, một phần khung DL (được gọi là miền) có thể được định rõ để trở thành miền phân tập truyền Tất cả các burst dữ liệu trong miền phân tập truyền sử dụng mã hóa STC Cuối cùng, nếu AAS được sử dụng,

một phần khung con DL có thể được chỉ định như là miển AAS Trong phần của khung con này, AAS được sử dụng để giao tiếp với các SS có khả năng AAS AAS cũng được hỗ trợ trong UL

 Truyền kênh con ở đường lên là một tùy chọn cho một SS, và sẽ chỉ được sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã các truyền dẫn như vậy

2.2.3.2 Symbol OFDM

Ở miền thời gian, biến đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDM, chu kỳ thời gian này được xem như thời gian symbol hữu ích Tb, một bản sao Tg sau cùng của chu kỳ symbol hữu ích, được quy ước là CP (tiền tố chu kỳ), được sử dụng để thu thập đa đường, trong khi duy trì sự trực giao Hình 2.3 minh họa cấu trúc này

Hình 2.3: Cấu trúc thời gian symbol OFDM

Ở miền tần số, một symbol OFDM bao gồm các sóng mang con, số sóng mang con xác định kích thước FFT được sử dụng Có ba loại sóng mang con:

 Sóng mang con dữ liệu: cho truyền dữ liệu

 Sóng mang con pilot: cho các mục đích ước lượng khác nhau

 Sóng mang con Null: không truyền dẫn, dùng cho các dải bảo vệ, các sóng mang con không hoạt động và sóng mang con DC

Hình 2.4: Cấu trúc symbol OFDM miền tần số

Mục đích của các dải bảo vệ là để cho phép tín hiệu suy yếu và tạo ra FFT dạng hình “brick wall” Các sóng mang phụ không hoạt động chỉ trong trường hợp truyền kênh con bởi một SS

2.2.3.3 Cấu trúc khung

OFDM PHY hỗ trợ truyền dựa theo khung Một khung chứa khung con đường xuống và đường lên Khung con đường xuống chỉ chứa một PHY PDU đường xuống Mỗi PHY PDU được truyền từ một SS khác nhau Xem minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5: Cấu trúc khung OFDM với TDD

Trong mỗi khung TDD, TTG và RTG sẽ được chèn giữa khung con đường xuống và đường lên và ở cuối mỗi khung, tách biệt ra cho phép BS chuyển hướng Trong hệ thống FDD, cấu trúc khung UL và DL tương tự, ngoại trừ UL và DL được truyền trên các kênh riêng rẽ Khi các SS là H-FDD, BS phải đảm bảo rằng không lập lịch để truyền và nhận cùng thời điểm

2.2.4 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDMA

2.2.4.1 Đặc điểm

Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng được thiết kế dựa trên điều chế OFDM WirelessMAN-OFDMA, lược đồ OFDM 2048 sóng mang OFDM Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán một tập con các sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó được xem như là OFDMA Nó hỗ trợ kênh con ở UL và DL Chuẩn hỗ trợ 5 lược đồ kênh con khác nhau Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai họat động TDD và FDD Mã xoắn (CC) là lược đồ mã hóa được yêu cầu và các tốc độ

mã hóa giống nhau được hỗ trợ như được hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM Các lược đồ

mã hóa BTC và CTC được hỗ trợ tùy chọn

2.2.4.2 Symbol OFDMA

Ở miền tần số, cấu trúc một symbol OFDMA cũng giống như OFDM, bao gồm

3 loại sóng mang con (data, pilot, null), số sóng mang xác định kích thước FFT sử dụng Hình 2.6 và 2.7 minh họa cấu trúc này

Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Hình 2.7: Cấu trúc symbol OFDMA trong WiMax

(Các sóng mang con có cùng màu biểu thị cho cùng một kênh con)

Trong chế độ OFDMA, các sóng mang con hoạt động được chia thành các tập sóng mang con, mỗi tập được xem như một kênh con Ở đường xuống, một kênh con có thể được dành cho (nhóm) các máy thu khác nhau; ở đường lên, một máy phát có thể được gán cho một hoặc hơn các kênh con, nhiều máy phát có thể truyền đồng thời Các sóng mang con tạo ra một kênh con có thể, nhưng không cần thiết phải kề nhau Symbol được chia thành các kênh con logic để hỗ trợ khả năng mở rộng, đa truy nhập, và các khả năng xử lý ma trận ăng ten tiên tiến

2.2.4.3 Cấu trúc khung

Trong hệ thống TDD, mỗi khung ở truyền dẫn đường xuống bắt đầu với một preamble và theo sau bởi một đoạn truyền dẫn DL và một đoạn truyền dẫn UL Ở mỗi khung, TTG và RTG sẽ được chèn giữa đường lên và đường xuống ở cuối mỗi khung cho phép BS chuyển hướng

Hình 2.8: Cấu trúc khung OFDMA WiMax

Trong các hệ thống TDD và H-FDD, các hạn định cho phép trạm thuê bao phải được thực hiện bởi một SSRTG và bởi một SSTTG BS sẽ không truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn (SSRTG+RTD) trước định vị đường lên được lập lịch của nó, và sẽ không truyền thông tin đường xuống tới nó sớm hơn (SSTTG+RTD) sau tận cùng của định vị đường lên được lập lịch, ở đó RTD biểu

thị trễ toàn phần Các tham số SSRTG và SSTTG có khả năng được cung cấp bởi

MS tới BS dựa vào yêu cầu trong thời gian vào mạng

Hai kênh con được truyền đầu tiên trong symbol dữ liệu đầu tiên của đường xuống được gọi là FCH FCH sẽ được truyền sử dụng QPSK tốc độ 1/2 với 4 lần lặp

sử dụng sơ đồ mã hóa bắt buộc (thông tin FCH sẽ được gửi trên 4 kênh con liền kề) trong một vùng PUSC FCH chỉ rõ chiều dài của bản tin DL-MAP mã hóa được sử dụng cho bản tin DL-MAP

Những chuyển tiếp giữa điều chế và mã hóa xảy ra trên các biên symbol OFDMA ở miền thời gian và trên các kênh con trong một symbol OFDMA trong miền tần số

2.3 LỚP MAC TRONG CHUẨN IEEE 802.16 [12, 13, 14, 15]

2.3.1 Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS)

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

2.3.2 Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC)

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 2.9: 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

ARQ sẽ không được sử dụng với đặc tả PHY WirelessMAN-SC Cơ 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 lưu lượng ARQ

và không ARQ Chỉ hiệu quả với các ứng dụng không thời gian thực

2.3.2.3 Truy nhập kênh và QoS

IEEE 802.16 có thể hỗ trợ nhiều dịch vụ thông tin (dữ liệu, thoại, video) với 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

2.4 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 đầy Nó bắt đầu với

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

PDU của lớp con TC

P = con trỏ 1 byte

Hình 2.10: Định dạng TC PDU

Khuôn 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 đầu trong TC hiện tại

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX

Trong mạng truy nhập băng rộng không dây WiMax có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải nghiên cứu, tìm hiểu để lựa chọn được phương án kỹ thuật tối ưu với chi phí triển khai mạng kinh tế và hiệu quả Trong phạm vi của luận văn này sẽ đề cập tới một số vấn đề chính và có liên hệ với tình hình thực tế tại Việt nam như: băng tần, topo mạng, điều chế, mã hóa, đa truy nhập và song công, trải phổ, mô hình kênh, mô hình suy hao đường truyền, dung lượng, bảo mật, anten Trong đó sẽ tập trung đi sâu vào mô hình suy hao đường truyền WiMax

3.1 CÁC BĂNG TẦN CHO WIMAX [34, 38, 39]

Bảng 3.1 trình bày các dải tần số có thể sử dụng trong WiMax

3.1.1 Băng tần cấp phép

3.1.1.1 Băng dưới 1GHz

Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy, WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 698MHz

- 806MHz Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phóng được một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax

Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các

hệ thống truyền hình tương tự Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các

hệ thống truyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng

có băng tần để cấp cho WBA/WiMax ở đây

3.1.1.2 Băng tần 2.3 GHz

Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2.5GHz nên là băng tần được WiMax Forum xem xét cho WiMax di động Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quốc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ, Canada, Singapore Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2300-2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như với băng 2.5GHz

Úc chia băng tần này thành các khối 7MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD

Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005)

3.1.1.3 Băng tần 2,5 GHz

Đã được cấp phát trong phần lớn các nước trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dương Mỗi quốc gia thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ