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

DSpace at VNU: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạng truy nhập không dây WiMax và khả năng ứng dụng tại Việt Nam tài liệu,...

Đại học quốc gia Hμ nội

Trường đại học công nghệ

Lờ Anh Dũng

NGHIấN CỨU ỨNG DỤNG CễNG NGHỆ

MẠNG TRUY NHẬP KHễNG 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 vμ thông tin liên lạc

Mã số : 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học:

TS NGễ THÁI TRỊ

Hà Nội – 2007

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

1.3 CÔNG NGHỆ WIFI [2,7]

1.3.1 Giới thiệu

INTERNET

SHDSL

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

Hotspot

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

CISCO AIRONET 350 SERIES

AP

Hotspot

RADIUS AAA

Server

Billing System

SHDSL

Subscriber Gateway

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:

Chuẩn Tần số Tốc độ Ghép kênh Ghi chú

IEEE 802.11 900 MHz 2 Mbps FHSS

DSSS

IEEE 802.11b 2,4 GHz

900 MHz 11 Mbps

FHSS DSSS

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

IEEE 802.11g 2,4 GHz ISM 54 Mbps DSSS

FHSS

Nhanh hơn và tương thích với 802.11b

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt:

1 TS Trịnh Anh Vũ (2005), Giáo trình thông tin di động

Tài liệu tiếng Anh:

2 Aditya Agrawal (Apr, 2003), “802.16a: The Right Technology at the Right Place

at the Right Time”, WiMAX™ Forum

3 Arunabha Ghosh and David R Wolter (Feb, 2005), “Broadband Wireless Access

with WiMax/8O2.16:Current Performance Benchmarks and Future Potential”,

IEEE Communications Magazine

4 Boscher Christophe (2006), “WiMAX - making ubiquitous high-speed data

services a reality”, Strategy white paper of Alcatel

5 Daniel Larsson (Dec, 2006), “Analysis of channel estimation methods for

OFDMA”, Master ofScience Thesis Stockholm, Sweden

6 Daniel Sweeney (2006), WiMax Operator’s Manual Building 802.16 Wireless

Networks (Second Edition), Apress USA

7 Deepak Pareek (Jun, 2006), The Business of WiMAX, John Wiley & Sons Ltd.,

India

8 Eugene Crozier, “WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments”,

Wimax forum

9 FIPS PUB 197 (Nov, 2001), Advanced Encryption Standard (AES), National Institute of Standards and Technology

http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf

10 Hassan Yaghoobi (2004), “Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16

WirelessMAN”, Intel® Technology Journal

11 IEEE Std 802.16-2001 (2001), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE Press

12 IEEE Std 802.16a -2003 (2003), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2.3 GHz, IEEE Press

13 IEEE Std 802.16-2004 (2004), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE Press

14 IEEE 802.16d-2004 (May, 2004), Draft IEEE Standard for Local and

Metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE Press

15 IEEE Std 802.16e-2005 (Feb, 2006), Part 16: Air Interface for Fixed and

Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques

Society

16 Michael F Finneran (Jan, 2004), A Comparison of Technologies Markets and

Business Plans, dBrn Associates Inc

17 Mohammad Azizul Hasan (Jun, 2007), Performance Evaluation of

WiMAX/IEEE 802.16 OFDM Physical Layer, Helsinki University of Technology

18 Nortel (2006), “Considerations for deploying mobile WiMAX at various frequencies”

19 Rappaport (2004), Wireless Communications Principles and Practice, IEEE

Transactions on communications

20 Ron Olexa (2005), Implementing 802.11 and 802.16 and 802.20 Wireless

Networks Planning Troubleshooting and Operations, Elsevier Inc

21 Sen Xu - Manton Matthews - Chin Tser Huang (Mar, 2006), Security Issues

in Privacy and Key Management Protocols of IEEE 802.16, Department of

Computer Science and Engineering - University of South Carolina Columbia, SC

29208, USA

22 Terry Wason (2006), WiMAX Networks, Wi-LAN Inc