tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật CÔNG NGHỆ WIMAX và ỨNG DỤNG tại THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Đặt vấn đềWimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dâybằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cáchrất lớn, Wimax được phát triển d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN XUÂN THÔNG

CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ

ỨNG DỤNG TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Xuân TiếnPhản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn họp tại: Đạihọc kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

Ngày 22 tháng 12 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện Đại học Thái Nguyên

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Đặt vấn đề

Wimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dâybằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cáchrất lớn, Wimax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghépkênh chia theo tần số trực giao

Việc sử dụng công nghệ Wimax đem lại nhiều lợi ích, nhất là

ở khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và những nơi dân cư đôngđúc khó triển khai hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng

Việc nghiên cứu công nghệ WIMAX và các giải pháp triểnkhai thực tế là một yêu cầu cấp thiết đối với các nhà nghiên cứu vàcung cấp dịch vụ

Nội dung chính

Bố cục của luận văn gồm 4 chương:

Chương I: Trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương II: Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng truynhập Wimax, cơ sở về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹthuật triển khai trong Wimax

Chương III: Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình thamchiếu, cấu trúc của mạng Wimax

Chương IV: Trình bày phương pháp tính toán thiết kế mạngWimax áp dụng cho thành phố Thái Nguyên

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu tổng quan và các đặc điểm chính, then chốt củamạng truy nhập băng rộng Wimax

Tính toán vùng phủ, đưa ra phương án quy hoạch hệ thốngmạng truy nhập băng rộng Wimax cho thành phố Thái Nguyên

CHƯƠNG II CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP

BĂNG RỘNG WIMAX Tổng quan về WiMAX

WiMAX (là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thíchtoàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN Họ802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trunggiải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm

về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường(MAC) và lớp vật lý (PHY)

Các đặc điểm của WiMAX

Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km

Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s

Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyềntầm nhìn thẳng LOS và đường truyền bị che khuất NLOS

từ 1/2 đến 7/8

Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHzđược chia thành nhiều băng con Cho phép sử dụng cả hai công nghệTDD (time division duplexing) và FDD (frequency divisionduplexing)

Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con

Không trựcxạ

Tốc độ bit 32 – 134

MbpsKênh 28MHz

75 MbpsKênh 20MHz

<=70MHzKênh 20MHz

15 Mbps

Mbps)Kênh 5 MHzĐiều chế

OFDM 256sóng mangcon, BPSKQPSK ,16QAM,64QAM

OFDM512/1024/2048

BPSK,QPSK ,16QAM ,64QAM

Tính di dộng Cố định Cố định Cố định Di độngBăng thông

Độ rộng kênh Những định dạng ban đầu được hạn chế cho

3,5 MHz và 7 MHz trong phổtần được cấp phép khi chúng là cáckênh có phổ thông dụng được phân bổ trong băng tần 3,5 GHz

Tiêu chuẩn IEEE Các định dạng của 802.16-2004 sử dụng

OFDM với 256 sóng mang Các định dạng của 802.16e hầu như chắcchắn dựa trên SOFDMA Chỉ tiêu chuẩn này mới hỗ trợ tính diđộng

Băng thông kênh (MHz)

Ký hiệu định dạng

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Hình 2.5 So sánh giữa FDM và OFDM

Kỹ thuât OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple

Access-Đa truy nhập phân tần trực giao) là một công nghệ đa sóng mangphát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM

Hình 2.10 ODFM và OFDMA

Điều chế

- Điều chế dữ liệu

Sau khi đan xen bít, các bít dữ liệu được đưa vào theo thứ tựtới bộ tạo ánh xạ chùm QPSK, 16-QAM và 64-QAM theo ánh xạGray được hỗ trợ, trong đó 64-QAM là tùy chọn cho các băng tầnkhông cấp phép Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cáchghép chùm điểm với thừa số chỉ thị c để đạt được công suất trungbình bằng nhau

Điều chế thích ứng và mã hóa trên mỗi phần sẽ được hỗ trợtrong đường xuống Đường lên sẽ hỗ trợ các kiểu điều chế khác chomỗi SS dựa trên các bản tin cấu hình burst MAC đến từ BS Đượcgọi là Điều chế và mã hoá thích ứng

Hình 2.16 Điều chế thích ứng

b Điều chế OFDM

Thêm các thông tin dẫn đường

Điều chế số(ánh xạ)

Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT

Bảng 2.3 Thông số điều chế OFDM

Điều chế cao tần

Công nghệ sửa lỗi

Điều khiển công suất

Các công nghệ anten tiên tiến

Phân tập thu và phát

Hình 2.17 MISO

Hình 2.18 MIMO

- Các hệ thống anten thích nghi

Hình 2.19 Beam Shaping

Hình 2.20 AAS đường xuống

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ WIMAX

Mô hình tham chiếu

Hình 3.1 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của chuẩn.Trong mô hình tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớpvật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong

mô hình OSI

Hình 3.1 Mô hình tham chiếu

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC)

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt độngđộc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến.Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyêntrên airlink (liên kết vô tuyến)

Lớp con hội tụ MAC

Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ cáclớp cao thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP(CS Service Access Point), ánh xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụlớp MAC SDU (Service Data Unit)

Lớp con phần chung MAC

Lớp con phần chung MAC (CPS) hỗ trợ kiến trúc Multipoint Một trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đếncác trạm thuê bao SS (Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS.Lớp con bảo mật

Point-to-Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật Lớpcon bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý.

Lớp vật lý

Lớp vật lý cung cấp kết nối vô tuyến giữa BS và SS ChuẩnIEEE 802.16 định nghĩa các kỹ thuật khác nhau để truyền thông tinqua môi trường vô tuyến

Bảng 3.3 Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16

Cấu hình mạng

Cấu hình điểm-đa điểm PMP

Cấu hình mắt lưới MESH

CHƯƠNG IV GIẢI PHÁP MẠNG WIMAX CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Thái nguyên

Hiện nay, với sự phát triển bùng nổ về nhu cầu truyền số liệutốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cậpnhư: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file,nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam nói chung và Thái Nguyênnói riêng đang đòi hỏi là hết sức lớn

Các khả năng triển khai công nghệ mạng WiMAX

B¸n kÝnh cho dÞch vô

sè liÖu 64kbps B¸n kÝnh cho dÞch sè liÖu 480kbps

B¸n kÝnh cho dÞch vô tho¹i

B¸n kÝnh cho dÞch vô

sè liÖu 64kbps B¸n kÝnh cho dÞch sè liÖu 480kbps

Hình 4.12 Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhauSau khi đã nắm được yêu cầu về vùng phủ sóng, tiếp theo ta

có thể tiến hành quy hoạch vùng phủ, trong việc quy hoạch vùng phủ

vô tuyến này vấn đề cần xem xét chủ yếu như sau:

Lựa chọn mô hình truyền sóng

Tính toán quỹ đường truyền

Quy hoạch vị trí cell

Cụ thể ta sẽ đi từng bước như sau:

Mô hình truyền sóng

Mô hình Hata-Okumura

Vùng thành phố:

Lp = 69,55 + 26,16lgfMHZ 13,82lghb a(hm) + (44,9 6,55lghb)lgR [dB]

-Trong đó:

fc: Tần số sóng mang (MHz)

Lp: Tổn hao trung bình (dB)

hb: Độ cao anten của trạm gốc (m)

hm : Độ cao anten của máy đi động

a(hm): Hệ số điều chỉnh cho độ cao của anten của trạm diđộng (dB)

R: Khoảng cách giữa anten của trạm di động MS và antencủa trạm gốc (Km)

Dải thông số áp dụng cho mô hình Hata như sau:

150  fc < 2500 MHz

30  hb  200m

1  hm  10m

1  R 20Km

Trong đó a(hm) được tính như sau:

- Đối với thành phố vừa và nhỏ:

a(hm) = (1,11gfc - 0,7)hm - (1,56lgfc - 0,8) [dB]

- Đối với thành phố lớn:

a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 - 1,1[dB] fc  200MHzhay a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97[dB] fc  400MHzVùng ngoại ô:

Lp = Lp (thành phố) - 2 {lg(fc/28 )2 - 5,4} [dB]

Vùng nông thôn:

Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33lgfc - 40,49 [dB]

Mô hình Cost231 Hata

Công thức cho mô hình này như sau:

L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55log(hb))log(d) + c

Dự trữ nhiễu (Interference Margin):

Dự trữ fading nhanh (fast fading margin):

Độ lợi chuyển giao mềm (soft handover gain):

Quỹ đường lên

Tính toán vùng phủ sóng và dung lượng

Số lượng cell bị giới hạn bởi cả vùng phủ và dung lượng, vìvậy cần tiến hành hai bước quy hoạch này để xác định các giới hạn

về số lượng cell Sau đó, cần điều chỉnh các giá trị đến mức hợp lý

để đạt sự hài hòa về vùng phủ và dung lượng để có giới hạn cuốicùng

Phương án tính số cell theo quy hoạch vùng phủ

Tính toán vùng phủ sóng áp dụng cho các vùng đặc thù sau:

Diện tích đô thị: 65Km2

Diện tích ngoại ô: 124Km2

Mật độ điện thoại 88 thuê bao/100 dân

Internet đạt 2,4 thuê bao/100 dân

Thuê bao di động Wimax dự đoán: 10000

Để tính quỹ đường truyền, cần xây dựng các mô hình truyềnsóng thích hợp và các thừa số hiệu chỉnh đặc trưng cho mỗi vùngphủ Tuy nhiên, với mục đích là đơn giản hoá mô hình hệ thống nêngiả thiết rằng sử dụng một mô hình truyền sóng duy nhất là Cost 231

- Hata:

L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55log(hb))log(d) + c

Trong đó: c = 0 cho vùng đô thị

Bảng 4.3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính

Cấu hình cell Omni 2 Sector 3 Sector 4Sector 6 Sector

Diện tích cell 2,6R2 1,3 R2 1,95 R2 2,6 R2 2,6 R2

Số cell = diện tích vùng / diện tích cell

Kết quả tính toán quy hoạch vùng phủ được tổng kết ở bảngdưới đây:

Phương án tính số cell theo quy hoạch dung lượng

Bảng 4.4: Nhu cầu trung bình giờ cao điểm của người sử

Kết quả tính toán cho quy hoạch dung lượng như trong bảng 3.7

Bảng 4.5: Kết quả quy hoạch dung lượng

Tiếng

Tốc độ trung bình = (Tốc độ bit x Thời gian sử dụng giờ

cao điểm)/3600Tốc độ

Số liệu

Tốc độ trung bình = (Dung lượng sử dụng giờ cao điểm x

1,1)/3600Tốc độ

Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến

Sau khi chúng ta đã lập được quy hoạch mạng vô tuyến, ta cầntiến hành quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến: Định cỡ các phần tửmạng WiMAX.

Định cỡ các phần tử mạng truy nhập vô tuyến WiMAX gồmcác nội dung:

Định cỡ BS

Định cỡ mạng lõi và hệ thống quản lý

Quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến WiMAX

Sau khi xác định vị trí và số lượng các BS và các phần tửmạng lõi, cần tiến hành quy hoạch truyền dẫn

Quy hoạch mạng lõi

- Định cỡ các giao diện trong mạng lõi CN

- Quy hoạch truyền dẫn trong mạng lõi CN

Dịch vụ VoIP là dịch vụ gọi giữa PC với PC

Dịch vụ VOIP với VOIP Server và Voice Gateway

Dịch vụ game tương tác

PHẦN KẾT LUẬN

Luận văn “CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG TẠITHÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN” đã nghiên cứu được những nộidung chính sau:

Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng truy nhập Wimax,

cơ sở về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹ thuật triểnkhai trong Wimax

Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình tham chiếu, cấutrúc của mạng Wimax

Trình bày phương pháp tính toán thiết kế mạng Wimax ápdụng cho thành phố Thái Nguyên

Việc triển khai Wimax cho mạng truy nhập băng thông rộng sẽđáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và khắt khe của các đối tượngkhách hàng

Hướng phát triển:

Công nghệ Wimax là công nghệ hứa hẹn khả năng phát triểntại Thái Nguyên nói riêng và Việt Nam nói chung Tuy nhiên do cónhững đặc điểm riêng nên khi đưa vào triển khai cần tính toán, thiết

kế chi tiết, đầy đủ

Nội dung của luận văn mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứutổng quan và tính toán thiết kế trên lý thuyết Vì vậy hướng phát triểntiếp theo là nghiên cứu vấn đề bảo mật trong Wimax, các vấn đề vềđiều chế và anten đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế đánh giákết quả để đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống mạng hiệu quả.Trong quá trình nghiên cứu mặc dù đã rất cố gắng nhưng luậnvăn chắc chắn còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đónggóp ý kiến của các thầy, cô và bạn đọc để luận văn được hoàn thiệnhơn

Xin chân thành cảm ơn!