Đồ án Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 1 SVTH: Lê Thị Kim Cương MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ………………………………………………………………. 4 DANH MỤC BẢNG……………………………………………………………….5 LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………………...6 Chương 1 Tổng quan về công nghệ truy cập băng rộng không dây ................................ 8 1.1 Tổng quan về băng rộng .............................................................................................. 8 1.1.1 Băng rộng là gì? .............................................................................................. 9 1.1.2 Các công nghệ băng rộng ............................................................................. 11 1.1.2.1 Cáp ....................................................................................................... 11 1.1.2.2 Đường dây thuê bao số (DSL) và ADSL ....................................... 12 1.1.2.3 Vệ tinh ................................................................................................ 14 1.1.2.4 Không dây – Truy cập vô tuyến ......................................................... 14 1.1.2.4.1 Vô tuyến tế bào ........................................................................... 14 1.1.2.4.2 Ethernet không dây ..................................................................... 15 1.1.2.5 Sợi quang ............................................................................................. 15 1.2 Tổng quan về vô tuyến và băng rộng ....................................................................... 16 1.2.1 Sức thu hút của vô tuyến ............................................................................. 16 1.2.2 WLAN ....................................................................................................... 17 1.2.2.1 Các tiêu chuẩn mạng không dây ....................................................... 18 1.2.2.2 Hoạt động của mạng WLAN ............................................................. 19 1.2.2.3 Các mạng vô tuyến ............................................................................. 19 1.3 Ưu điểm của Băng rộng không dây .......................................................................... 20 1.3.1 Sức thu hút của băng rộng không dây ........................................................ 21 1.3.2 Nhu cầu của băng rộng không dây ............................................................. 21 1.3.3 Truy cập không dây băng rộng.................................................................... 22 1.3.4 Các mạng không dây băng rộng .................................................................. 22 1.3.4.1 Mạng diện rộng không dây (WWAN) ............................................. 23 1.3.4.2 Mạng nội bộ không dây (WLAN) .................................................... 23 1.3.4.3 Mạng cá nhân không dây (WPAN) .................................................. 23 1.3.4.4 Mạng vùng WRAN ............................................................................. 24 1.3.5 Các công nghệ không dây băng rộng ......................................................... 25 1.3.5.1 Truy cập không dây cố định (FWA) ................................................ 25 1.3.5.2 3G ....................................................................................................... 26 1.3.5.3 Wi-Fi .................................................................................................... 26 1.3.5.4 WiMAX ............................................................................................... 27 1.3.5.5 Mobile-Fi ............................................................................................. 27 Chương 2: WiMAX – Công nghệ truy cập băng rộng không dây ............................... 28 2.1 Sự khác biệt giữa WiMAX với các công nghệ khác .............................................. 28 Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 2 SVTH: Lê Thị Kim Cương 2.1.1 Không giống với không dây băng hẹp: ...................................................... 28 2.1.2 Không giống không dây băng rộng có quyền sở hữu: ............................. 28 2.1.3 Không giống với có dây băng rộng ............................................................ 28 2.1.4 Không giống WLAN: ................................................................................... 29 2.2 Khả năng đột phá của WiMAX ................................................................................. 29 2.3 WiMAX là gì? ....................................................................................................... 30 2.4 Tại sao dùng WiMAX? .............................................................................................. 30 Chương 3: Nguyên lý hoạt động của WiMAX .............................................................. 32 3.1 Các đặc tính kênh ....................................................................................................... 33 3.1.1 Tán xạ kênh .................................................................................................. 33 3.1.2 K-Factor ....................................................................................................... 33 3.1.3 Doppler ....................................................................................................... 34 3.1.4 Sự phân cực nối xuyên ................................................................................. 34 3.1.5 Sự tương quan anten ..................................................................................... 34 3.1.6 Nhóm điều kiện ............................................................................................. 34 3.2 RF và phần cứng ............................................................................................... 34 3.2.1 Bộ chuyển đổi số/tương tự và tương tự/số (DAC/ADC) ......................... 35 3.2.2 Đồng hồ DAC/ADC ..................................................................................... 35 3.2.3 Bộ dao động chuyển đổi lên xuống ............................................................ 35 3.3 Tradeoff linh động ...................................................................................................... 35 3.4 Các mạng WiMAX ..................................................................................................... 36 3.5 Các loại WiMAX ....................................................................................................... 38 3.5.1 Cố định ....................................................................................................... 39 3.5.2 Mang xách hoặc di động .............................................................................. 40 3.6 Công nghệ WiMAX ................................................................................................... 41 3.6.1 Chế độ khe thời gian động TDMA MAC .................................................. 41 3.6.2 Chất lượng dịch vụ ....................................................................................... 42 3.6.3 Liên kết thích nghi ........................................................................................ 42 3.6.4 Hỗ trợ tầm nhìn không thẳng....................................................................... 42 3.6.5 Việc sử dụng phổ hiệu quả cao ................................................................... 43 3.6.6 Băng thông kênh linh hoạt ........................................................................... 43 3.6.7 Hỗ trợ anten thông minh .............................................................................. 44 3.6.8 Các kỹ thuật phát hiện lỗi ............................................................................ 45 3.6.9 Điều khiển công suất .................................................................................... 46 3.6.10 Bảo mật dữ liệu ............................................................................................. 46 3.6.11 Công nghệ ghép kênh ................................................................................... 46 3.6.12 Công nghệ điều chế ...................................................................................... 50 3.6.13 Công nghệ song công ................................................................................... 52 3.7 Các chuẩn WiMAX .................................................................................................... 53 3.8 Các profile cơ bản ....................................................................................................... 56 3.8.1 Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) ............................................. 58 3.8.2 Lớp vật lý (PHY Layer) ............................................................................... 64 3.9 Xây dựng các khối của WiMAX .............................................................................. 65 3.9.1 Trạm gốc WiMAX (BS) .............................................................................. 66 Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 3 SVTH: Lê Thị Kim Cương 3.9.2 Thiết bị nhận WiMAX ................................................................................. 70 3.9.3 Đường trục (backhual) ................................................................................. 71 3.9.4 Cơ chế làm việc ............................................................................................. 71 3.10 Kiến trúc WiMAX ...................................................................................................... 73 3.11 Cấu hình mạng (Topo mạng)..................................................................................... 75 3.11.1 Điểm tới điểm (Point to Point) ..................................................................... 75 3.11.2 Điểm tới đa điểm (Point-to-multipoint) ...................................................... 75 3.12 Ưu nhược điểm của WiMAX .................................................................................... 76 3.12.1 Ưu điểm của WiMAX .................................................................................. 76 3.12.1.1 Dung lượng cao ................................................................................... 76 3.12.1.2 Chất lượng dịch vụ ............................................................................. 76 3.12.1.3 Kiến trúc linh hoạt .............................................................................. 76 3.12.1.4 Tính di động ........................................................................................ 76 3.12.1.5 Kết nối người sử dụng được cải thiện .............................................. 77 3.12.1.6 Hoạt động lớp sóng mang mạnh ....................................................... 77 3.12.1.7 Khả năng tỉ lệ (scalability)................................................................ 77 3.12.1.8 Kết nối tầm nhìn không thẳng ........................................................... 77 3.12.1.9 Hiệu quả chi phí .................................................................................. 78 3.12.1.10 Truy cập cố định và nay đây mai đó ........................................ 78 3.12.2 Nhược điểm của WiMAX ............................................................................. 78 Chương 4: Ứng dụng của WiMAX .................................................................................... 79 4.1 Mạng đô thị (MAN-Metropolitan Are Networks) .................................................. 79 4.2 Truy cập Internet tốc độ cao Last Mile hoặc DSL không dây .............................. 81 4.2.1 Các xí nghiệp lớn và vừa ............................................................................. 81 4.2.2 Kinh doanh nhỏ và vừa ................................................................................ 82 4.2.3 Truy cập Internet tốc độ cao thuộc nhà riêng và HO ............................... 82 4.2.4 Các vùng sâu ................................................................................................. 83 4.2.5 Băng thông theo nhu cầu.............................................................................. 83 4.3 Backhaul ....................................................................................................... 84 4.4 Những ứng dụng khác ................................................................................................ 85 KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 89 CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………… ………….. .101 Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 4 SVTH: Lê Thị Kim Cương DANH MỤC HÌNH Chương 1 Tổng quan về công nghệ truy cập băng rộng không dây ................................ 8 Hình 1.1 Sự triển khai băng rộng ......................................................................................... 8 Hình 1.2 Những ứng dụng của Internet tốc độ cao ........................................................... 11 Hình 1.3 Các công nghệ và tốc độ truy cập ...................................................................... 13 Hình 1.4 Các công nghệ truy cập Internet ........................................................................ 14 Hình 1.5 Các thuê bao dịch vụ thoại cố định so với di động .......................................... 16 Hình 1.6 - Sử dụng dữ liệu di động .................................................................................... 21 Chương 3: Nguyên lý hoạt động của WiMAX ................................................................. 32 Hình 3.1 Một giải pháp cho nhiều nhu cầu ...................................................................... 33 Hình 3.2 Vùng phủ WiMAX với các loại trạm thuê bao khác nhau ............................. 38 Hình 3.3 Các loại WiMAX .................................................................................................. 40 Hình 3.4 Làm việc với anten thông minh .......................................................................... 45 Hình 3.5 Dạng sóng OFDM ................................................................................................ 47 Hình 3.6 Kênh OFDM ....................................................................................................... 49 Hình 3.7 Điều chế thích nghi............................................................................................... 51 Hình 3.8 Mô hình phân lớp của chuẩn WiMAX............................................................... 57 Hình 3.9 Các lớp của giao thức 802.16 ............................................................................ 58 Hình 3.10 Định dạng MAC PDU........................................................................................ 59 Hình 3.11 Các giai đoạn truyền PSDU .............................................................................. 60 Hình 3.12 Burst FDD - với Scheduling linh hoạt ............................................................ 65 Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 5 SVTH: Lê Thị Kim Cương DANH MỤC BẢNG Chương 1 Tổng quan về công nghệ truy cập băng rộng không dây ................................ 8 Bảng 1.1 Thông lượng băng rộng của các loại truy cập theo thời gian ........................ 15 Bảng 1.2 Những đặc trưng của các tiêu chuẩn mạng không dây ................................... 18 Bảng 1.3 So sánh các công nghệ mạng cá nhân không dây (WPAN) .......................... 24 Chương 3: Nguyên lý hoạt động của WiMAX ................................................................. 32 Bảng 3.1 Các số liệu cơ bản của chuẩn IEEE 802.16 ...................................................... 55 Bảng 3.2 Các đặc điểm của 802.16 MAC ........................................................................ 68 Bảng 3.3 Đặc điểm 802.16 PHY ........................................................................................ 70 Bảng 3.4 Cơ chế làm việc cho kết nối WiMAX ............................................................... 71 Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 6 SVTH: Lê Thị Kim Cương LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ viễn thông đang phát triển không ngừng nhằm mục đích thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng lên về số lượng và chất lượng cũng như tính đa dạng về dịch vụ của người tiêu dùng. Các dịch vụ mà đa phần các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hướng đến đều đòi hỏi cơ sở hạ tầng mạng cho phép truy nhập băng thông rộng. Hiện nay có nhiều công nghệ đa truy nhập đã được triển khai như công nghệ xDSL, truy nhập quang, truy nhập vô tuyến qua các hệ thống di động tổ ong GSM và CDMA, Wi-Fi. Tuy nhiên với các hệ thống di động GSM và CDMA để có thể cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu băng rộng đòi hỏi phải nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng, thiết bị đầu cuối và tiến lên thế hệ mới 3G. Công nghệ xDSL cũng có khá nhiều nhược điểm về truy nhập có dây nên chi phí đầu tư lớn. Wi-Fi cho phép truy nhập băng rộng nhưng bán kính phủ sóng hẹp và còn nhiều vấn đề về bảo mật. Có một công nghệ không dây băng rộng mới đang được nhiều nhà nghiên cứu, triển khai viễn thông trên thế giới quan tâm phát triển. Đó là WiMAX. WiMAX là viết tắt của từ Worldwide Interoperability for Microwave Access – khả năng tương tác toàn cầu cho truy cập vi ba. WiMAX là một công nghệ dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp và xDSL. WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử dụng có thể di chuyển trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và di động mà không cần tầm nhìn thẳng (LOS) trực tiếp với một trạm gốc. WiMAX không phải là một công nghệ mới nhưng là công nghệ không dây đã được cải tiến rất nhiều để có được những tính năng ưu việt. Về cơ bản, công nghệ WiMAX có nhiều khác biệt so với công nghệ WiFi. WiFi được thực hiện trên bộ tiêu chuẩn kết nối mạng không dây nội bộ được phát triển bởi nhóm làm việc theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 và được thiết kế để tạo ra kết nối không dây, cho phép kết nối Internet tới một nhóm các máy tính khác trong một tòa nhà, văn phòng làm việc trong Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 7 SVTH: Lê Thị Kim Cương một phạm vi nhỏ hẹp (100m). Trong khi đó WiMAX được thiết kế cho phép truy cập không dây băng rộng trong phạm vi rộng lớn (50 km), là phương thức mới để người sử dụng có thể truy cập Internet băng rộng mọi nơi, mọi lúc với giá thảnh rẻ hơn, thuận lợi hơn so với việc sử dụng các công nghệ dây dẫn khác DSL và cáp. Với các tính năng nổi trội của Wimax như đã nói ở trên đây cùng với nhu cầu băng rộng và khả năng cung cấp tại Việt Nam. Hiện tại thì việc triển khai Wimax tại Việt Nam đang được đặc biệt quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ. Một số doanh nghiệp đã được Bộ Thông Tin và Truyền Thông cấp giấy phép thử nghiệp WiMAX như: VNPT, FPT, Viettel, VTC. Chính vì vậy em đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học là “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ WiMAX cũng như những kỹ thuật được sử dụng để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại. Đề tài được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ truy cập băng rộng không dây Chương 2: Công nghệ truy cập băng rộng không dây WiMAX Chương 3: Nguyên lý hoạt động của WiMAX Chương 4 : Ứng dụng Wimax Em xin chân thành cảm ơn các Thầy trong bộ m