Đồ án Tìm hiểu công nghệ WiMAX

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC CÁC BẢNG MỤC LỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX 13 1.1. WiMAX là gì? 13 1.2. Các chuẩn của WiMAX 16 1.2.1. Chuẩn IEEE 802.16-2001...................................................................... 16 1.2.2. Chuẩn IEEE 802.16a........................................................................... 17 1.2.3. Chuẩn IEEE 802.16-2004............................................. 18 1.2.4. Chuẩn IEEE 802.16e......... 18 1.3. Phổ WiMAX 19 1.3.1. Băng tần đăng ký........................... 19 1.3.2. Băng tần không dăng ký.. 20 1.3.3. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới........... 20 1.3.4. Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX............. 21 1.4. Truyền sóng 23 1.4.1. Công nghệ OFDM.. 24 1.4.2. Công nghệ OFDMA........... 25 1.4.3. Điều chế thích nghi......... 26 1.4.4. Công nghệ sửa lỗi..... 27 1.4.5. Điều khiển công suất........................ 27 1.4.6. Các công nghệ vô tuyến tiên tiến.... 27 1.5. So sánh WiMAX với WiFi và 3G. 28 1.5.1. WiFi 29 1.5.2. 3G 29 1.6. Kết luận 31 Chương 2: CÁC KĨ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WiMAX 32 2.1. Kĩ thuật OFDM 32 2.1.1. Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn.................... 32 2.1.2. Đa sóng mang..... 32 2.1.3. Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu......... 34 2.1.4. Sự trực giao (Orthogonal)................................................ 37 2.1.5. Trực giao miền tần số........................................... 38 2.1.6. Tạo và thu OFDM................... 39 2.1.7. Điều chế tải phụ................................................................. 39 2.1.8. Các sơ đồ điều chế.. 40 2.1.9. Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)..................... 41 2.1.10. Bảo vệ chống lại ISI.. 42 2.1.11. Độ dịch Doppler.. 43 2.1.12. Tạo kí hiệu OFDM... 44 2.1.13. Mô tả kí hiệu OFDM... 45 2.1.14. Các thông số và tín hiệu được phát của kí hiệu OFDM........ 46 2.1.15. Cấu trúc khung... 48 2.2. Kĩ thuật OFDMA cho mạng WiMAX 49 2.2.1. Nguyên lý cơ bản................................................ 50 2.2.2. Những đặc tính vượt trội.............................. 50 2.2.3. Các giao thức OFDMA................ 51 2.2.4. Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con...... 53 2.2.5. OfDMA theo tỉ lệ (scalable)........................ 55 2.2.6. Cấu trúc khung TDD............... 56 2.2.7. Tổng quát về khung (Frame).............................. 57 2.2.8. Các thành phần trong khung (Frame Parts)............................. 58 2.3. Kết luận chương 59 Chương 3: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WiMAX 60 3.1. WiMAX cố định – IEEE 802.16d-2004 60 3.1.1. Lớp MAC........... 60 3.1.2. Lớp PHY.. 69 3.2. WiMAX di động – IEEE 802.16e- 2005 75 3.2.1. Lớp PHY........... 75 3.2.2. Lớp MAC.. 81 3.3. Kết luận chương 86 Chương 4: ỨNG DỤNG ...87 4.1. Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạng WiMAX 87 4.1.1. Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập di đông... 87 4.1.2. Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập cố định... 88 4.1.3. Các vấn đề kĩ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX........... 90 4.2. Tình hình ứng dụng WiMAX ở Việt Nam 115 4.2.1. Ưu điểm 115 4.2.2. Thách thức 116 4.2.3. Tình hình thực tế 118 4.3. Xu hướng của WiMAX trong thời gian tới trên qui mô thế giới 126 4.4.Tiềm năng cho WiMAX ở Việt Nam 128 4.4.1.WiMAX cố định.......................... 128 4.4.2.WiMAX di động.... 128 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS adaptive antena system Hệ thống anten thích nghi AK Authorization key Khoá Cấp phép BE Best effort Cố gắng tối đa BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit BNI Base station network interface Giao diện giữa trạm gốc và mạng BS Base station Trạm gốc BW Bandwidth Băng thông BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộng CDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã CA Certification authority Quyền Chứng thực CP Cyclic Prefix Tiền tố Tuần hoàn CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao CPS Common part sublayer Lớp con phần chung CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra vòng dư CS Convergence sublayer Lớp con hội tụ DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu DFS Dynamic frequency selection Lựa chọn tần số động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định DL Downlink Hướng xuống EC Encryption control Điều khiển mật mã ECB Electronic code book Bảng mật mã điện tử EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt Mật mã-giải mã-mật mã FEC Forward Error Correction Mã hóa sử lỗi trước ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số FDD Frequency division duplex Song công chia tần số FEC Forward error correction Sửa lỗi hướng đi FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh FSS Fixed satellite service Dịch vụ vệ tinh cố định FWA Fixed wireless access Truy nhập không dây cố định GPS Global positioning satellite Vệ tinh định vị toàn cầu H-FDD Half-duplex FDD FDD bán song công HHO Hard Handoff Chuyển vùng cứng IE Information element Phần tử thông tin IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh IP Internet Protocol Thủ tục Internet ITU International Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông Quốc tế KEK Key encryption key Khoá Mật mã Khoá LAN Local area network Mạng nội bộ LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt LOS Line of sight Tia trực xạ MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra MMDS Multichannel multipoint distribution service Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động NCFG Network configuration Cấu hình mạng NLOS Non line of sight Tia không trực xạ nrtPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian thực OFDM Orthogonal frequency division multiplexing Ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giao PARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớ của máy tính cá nhân PDA Personal Digital Assistant Thiết bị vụ số cá nhân PDH Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PDU Protocol data unit Đơn vị dữ liệu thủ tục PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói PHY Physical layer Lớp vật lý PKM Privacy key management Quản lý khoá riêng PMP Point - to – multipoint Điểm đa điểm PPP Point-to-Point Protocol Thủ tục điểm-điểm QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature phase-shift keying Khoá dịch pha cầu phương REQ Request Yêu cầu rtPS Real-time polling service Dịch vụ thăm dò thời gian thực Rx Reception Thu SA Security association Tập hợp bảo mật SAID Security association identifier Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật SAP Service access point Điểm truy nhập dịch vụ SAR Synthetic aperture radar Rada khe hở nhân tạo SC Single carrier Kênh mang đơn SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SDU Service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SF Service flow Luồng dịch vụ SFID Service Flow Identifier Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ SNMP Simple Network Management Protocol Thủ tục quản lý mạng đơn giản SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm SS Subscriber Station Trạm thuê bao STC Space time coding Mã thời gian không gian TDD Time division duplex Song công chia thời gian TDM Time division multiplex Ghép kênh chia thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian TEK Traffic encryption key Khoá mật mã lưu lượng Tx Transmission Truyền dẫn UGS Unsolicited grant service Dịch vụ cấp phát tự nguyện UL Uplink Hướng lên MỤC LỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 .............................................19 Bảng 1.2: So sánh WiMAX di động và 3G ...........................................31 Bảng 2.1: Mã Gray ...............................................................................41 Bảng 2.2: Các thông số lớp PHY OFDM-256 .....................................48 Bảng 2.3: Tham số vật lý của OFDMA .................................................51 Bảng 2.4: Các thông số S-OFDMA ......................................................55 Bảng 3.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004 ...69 Bảng 3.2: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế ....................... 71 Bảng 3.3: Kích cỡ khối bit xen kẽ ........................................................72 Bảng 3.4: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e .................................................................................78 Bảng 3.5: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX ..........................79 Bảng 3.6: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS ................................ 83 Bảng 4.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây .....................91 Bảng 4.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ...................106 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX ................................………………13 Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX ............................................. ….14 Hình 1.3. Minh họa họat động WiMAX ........................…………….24 Hình 1.4. So sánh FDM và OFDM............................ …………………25 Hình 1.5. OFDM với 256 sóng mang .........................………………..25 Hình 1..6. Các kênh con trong OFDMA...... ………………………….26 Hình 1.7. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi …………….26 Hình 1.8. MISO ............................……………………………………28 Hình 1.9 MIMO ..................................………………………………..28 Hình 2.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách........... ………………..32 Hình 2.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM……............................. ………….33 Hình 2.3. FDM thông thường và OFDM…......................... ………….33 Hình 2.4: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống......................................................... …………35 Hình 2.5: OFDM phát và thu......................................... ……………..36 Hình 2.6. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0……….................. ……37 Hình 2.7.Tích phân của hai sóng sin khác tần số ……………………38 Hình 2.8. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số …………………..38 Hình 2.9. Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM …………………..39 Hình 2.10. Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ, 16 – QAM, với mã gray dữ liệu tới mỗi vị trí………………….40 Hình 2.11. Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray ………….. 41 Hình 2.12.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM …..42 Hình 2.13. Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI …………….43 Hình 2.14. Hiệu ứng của độ lệch Doppler ……………………………44 Hình 2.15 Bộ phát OFDM 4 sóng mang .. ……………………………45 Hình 2.16 Cấu trúc miền thời gian của ký hiệu OFDM . …………….45 Hình 2.17 Mô tả tần số OFDM..................................... ……………..46 Hình 2.18. Cấu trúc khung 802.16 OFDM…………...................... …..49 Hình 2.19. Sự sắp xếp theo hai chiều trong OFDMA……………....... 50 Hình 2.20.Sự so sánh OFDM và OFDMA………………....................51 Hình 2.21 Cấu trúc sóng mang con OFDMA……………………….... 53 Hình 2.22.Kênh con phân tập tần số DL……………………………... 54 Hình 2.23. Cấu trúc tile cho UL PUSC……………………………..... 55 Hình 2.24. Cấu trúc khung 802.16e OFDMA....................................... 57 Hình 2.25. Cấu trúc khung OFDMA………………………………..... 58 Hình 3.1 Quá trình phân loại MAC SDU ............................................. 61 Hình 3.2 Cấu trúc của MAC PDU........................................................ 63 Hình 3.3 Quá trình truyền-nhận ........................................................... 70 Hình 3.4 Quá trình xen kẽ ................................................................... 71 Hình 3.5 Cấu trúc khung TDD ............................................................. 73 Hình 3.6 Cấu trúc khung con đường xuống TDD ............................... 74 Hình 3.7 Cấu trúc khung con đường lên TDD ..................................... 75 Hình 3.8 OFDM và OFDMA ............................................................... 77 Hình 3.9 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) ........................ 77 Hình 3.10: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS..78 Hình 3.11: Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra ................................ 80 Hình 3.12: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX ................................... 82 Hình 4.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX ..............................89 Hình 4.2: Hai chế độ song công TDD và FDD .................................... 91 Hình 4.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM ..........................................93 Hình 4.4: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng .................. 94 Hình 4.5: Mô hình tái sử dụng tần số .................................................. 98 Hình 4.6: Phân đoạn tần số trong một cell ........................................... 99 Hình 4.7: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell ....... 100 Hình 4.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna ..................................... 101 Hình 4.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna ...................................... 101 Hình 4.10: CPE với Anten tích hợp bên trong ..................................... 102 Hình 4.11: CPE với Anten ngoài .......................................................... 102 Hình 4.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn .............................................. 103 Hình 4.13: Mã hóa không gian – thời gian ......................................... 104 Hình 4.14: Hệ thống Anten MIMO ...................................................... 105 Hình 4.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4 ............................................... 106 Hình 4.16: Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh ................ 107 Hình 4.17: Chuyển giao cứng HHO .................................................... 109 Hình 4.18: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) ........................................ 110 Hình 4.19: Chuyển giao phân tập MDHO ............................................ 111 Hình 4.20: Trung tâm quản lý mạng WiMAX ..................................... 112 Hình 4.21: Sơ đồ kết nối của mạng WiMAX ....................................... 114 Hình 4.22: Toàn cảnh thung lũng Tả Van ........................................... 120 Hình 4.23: Hình ảnh về thiết bị trạm gốc BS được lắp trên nóc nhà điểm BĐVHX ............................................. 122 Hình 4.24: Hình ảnh thực tế thiết bị Out door phía khách hàng ........... 123 Hình 4.25 Hình ảnh người dân Tả Van truy cập Internet .................... 123 Hình 4.26 WiMAX trên taxi........................................... .................... 127 MỞ ĐẦU *** Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây, internet không dây... để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và quan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được. Hiện nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth... và một trong số đó có thể đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax. WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn. Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào Cai,Cao Bằng. Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn quốc. Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân khách quan cũng như chủ quan. Vì vậy, em chọn đề tài “ tìm hiểu công nghệ WiMAX ”. Trong giới hạn đồ án này, em đã tìm hiểu kĩ thuật và những khó khăn của công nghệ WiMAX khi áp dụng rộng rãi ở nước ta. Đồ án gồm có bốn chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống WiMAX. Chương 2: Các kĩ thuật sử dụng trong WiMAX Chương 3: Đặc điểm công nghệ WiMAX. Chương 4: Ứng dụng. Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Quốc Trung và các thầy cô giáo trong Khoa Kĩ thuật – Công nghệ, trường đại học Qui Nhơn. Đồ án còn nhiều thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn nhiệt tình góp ý để đồ án được hoàn thiện. Qui nhơn, tháng 6 năm 2009 Sinh viên Trần Thiện Tôn Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WiMAX 1.1 WiMAX là gì ? WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ không dây băng rộng, hỗ trợ khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động. Hai phiên bản của WiMAX đã được IEEE đưa ra như sau: Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX ü Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được thiết kế thích hợp cho dạng truy nhập cố định. Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa. ü Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, hỗ trợ cho dạng di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng. Phiên bản này đã được hợp chuẩn năm 2005. Lộ trình công nghệ WiMAX có thể hình dung qua hình vẽ sau: Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể: Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi. Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS). Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm. Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn. Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE). Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài. Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu. Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà s