Đồ án Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng ở Việt Nam

WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Mục lục Mục lục.................................................................................................................. 1 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 5 Chương 1 Vô tuyến và bộ phận WiMAX trong vô tuyến............................... 7 1.1. Công nghệ vô tuyến........................................................................................ 7 1.1.1. Công nghệ vô tuyến..................................................................................... 7 1.1.2. Xu thế phát triển của công nghệ vô tuyến................................................... 7 1.1.3. Một số công nghệ vô tuyến hiện hành ...................................................... 11 1.1.3.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất.(1G). .................................. 11 1.1.3.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. (2G). .................................. 12 1.1.3.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. (3G). .................................. 14 1.1.3.5. Mạng lan không dây............................................................................... 15 1.1.3.6. Mạch vòng vô tuyến nội hạt................................................................... 16 1.2. Wimax trong hệ thống các công nghệ vô tuyến........................................... 17 1.2.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 17 1.2.2. Quá trình phát triển, xu thế chung và phân loại wimax ............................ 17 Chương 2 Công nghệ wimax ........................................................................... 20 2.1. Lịch sử, quá trình phát triển ......................................................................... 20 2.1.1. Lịch sử ....................................................................................................... 20 2.1.2. Quá trình phát triển ................................................................................... 21 2.2. Tầm nhìn chung............................................................................................ 24 2.2.1. Thành phần hệ thống ................................................................................. 24 2.2.2.Thành phần công nghệ ............................................................................... 25 2.3. Ưu điểm, nhược điểm................................................................................... 25 2.3.1. Ưu điểm..................................................................................................... 25 2.3.2. Hạn chế, nhược điểm wimax..................................................................... 28 Đỗ Tấn Trọng -1- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 2.4. Nguyên lý ..................................................................................................... 29 2.4.1. Sơ đồ nguyên lý......................................................................................... 29 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động................................................................................ 29 2.5. Công nghệ..................................................................................................... 31 2.5.1. Chuẩn IEEE802.16.................................................................................... 31 2.5.2. Đặc trưng lớp MAC của IEEE802.16 ....................................................... 32 2.5.2.1. Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng ........................................................... 32 2.5.2.2. Lớp con phần chung (MAC CPS).......................................................... 33 2.5.3. Kỹ thuật OFDM ........................................................................................ 36 2.5.4. Mã hóa, tránh và sửa lỗi ............................................................................ 37 2.5.4.1. FEC (Forward Error Correction)............................................................ 37 2.5.4.2. Phương pháp kiểm tra sai dùng ARQ .................................................... 40 2.6. Kỹ thuật OFDM ........................................................................................... 43 2.6.1 Kỹ thuật OFDM nói chung. ....................................................................... 43 2.6.1.1. Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn ............................... 43 2.6.1.2. Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu..................................... 44 2.6.2. Kĩ thuật OFDMA cho mạng WIMAX ...................................................... 46 2.6.2.1. Nguyên lý cơ bản ................................................................................... 46 2.6.2.2. Những đặc tính vượt trội ........................................................................ 47 2.7. Wimax trong mối quan hệ với các công nghệ không dây đặc điểm tương tự wimax .................................................................................................................. 47 2.7.1. Wimax và WLAN ..................................................................................... 47 2.7.2. Wimax và Wifi .......................................................................................... 48 Chương 3 Wimax di dộng................................................................................ 49 3.1. Giới thiệu chung, sự ra đời và phát triển...................................................... 49 3.1.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 49 3.1.2. Tiềm năng.................................................................................................. 51 Đỗ Tấn Trọng -2- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 3.2. Công nghệ..................................................................................................... 51 3.2.1. Lớp vật lý .................................................................................................. 51 3.2.1.1. OFDM .................................................................................................... 51 3.2.1.2. Cấu trúc lớp ký hiệu OFDM và phân kênh con ..................................... 53 3.2.1.3. OFDM theo tỷ lệ .................................................................................... 55 3.2.1.4. Cấu trúc khung TDD.............................................................................. 56 3.2.1.5. Các đặc trưng ưu điểm của lớp vật lý .................................................... 57 3.2.1.6. So sánh OFDM và OFDMA .................................................................. 60 3.2.2. Chất lượng dịch vụ QoS............................................................................ 62 3.2.2.1. Chất lượng dịch vụ ................................................................................. 62 3.2.2.2. MAC....................................................................................................... 63 3.2.2.3. Quản lý ................................................................................................... 65 3.2.2.4. Bảo mật................................................................................................... 67 3.2.3. Ưu việt so với wimax cố định ................................................................... 68 3.2.3.1. Công nghệ anten thông minh ................................................................. 68 3.2.3.2. Dùng lại tần số phân đoạn...................................................................... 70 3.2.3.3. Dịch vụ đa hướng và quảng bá (MBS) .................................................. 72 3.2.4. Các vấn đề khác......................................................................................... 73 3.2.4.1. Nền IP..................................................................................................... 73 3.2.4.2. Hiệu suất wimax di động........................................................................ 77 3.2.4.3. Hiệu năng giữa wimax – evdo – hspa .................................................... 90 Chương 4. Ứng dụng................................................................................... 98 4.1. Sự ra đời, phát triển và ứng dụng trên phạm vi thế giới .............................. 98 4.1.1. Khó khăn ................................................................................................... 98 4.1.2. Tình hình trên thế giới nói chung............................................................ 100 4.1.3. Quy mô toàn cầu của wimax................................................................... 107 4.2. Ứng dụng ở Việt Nam................................................................................ 110 Đỗ Tấn Trọng -3- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 4.2.1. Ưu điểm................................................................................................... 110 4.2.2. Thách thức............................................................................................... 110 4.2.3. Tình hình thực tế. .................................................................................... 114 Chương 5. Tiềm năng phát triển .................................................................. 118 5.1. Sơ lược tiềm năng phát triển trên quy mô thế giới .................................... 118 5.2. Xu hướng của wimax trong thời gian tới trên quy mô thế giới ................. 120 5.3. Sự phát triển công nghệ viễn thông và di động ở việt nam ....................... 121 5.4. Tiềm năng cho wimax ở việt nam.............................................................. 122 5.4.1. WiMAX cố định...................................................................................... 122 5.4.2. WiMAX di động...................................................................................... 123 5.5. Ý kiến đánh giá của tác giả ........................................................................ 123 Kết luận ............................................................................................................ 124 Thuật ngữ viết tắt .............................................................................................. 126 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ....................................................................... 131 Tài liệu tham khảo............................................................................................. 132 Đỗ Tấn Trọng -4- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng. Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các cơ quan chuyên môn. Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu. WiMAXtruyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo… Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là các tấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e. Trên thế giới tính đến ngày 16.10.2007 thì đã có 1272 giấy phép cấp cho WiMAX, tăng gấp đôi so với năm trước , theo thăm dò ý kiến từ ngày 11.04.2007 đến ngày 11.05.2007 với 1388 người yêu thích công nghệ tại Đông Nam Á với độ tuổi trung bình là 25 thì có tới 99,2% số người được hỏi cho biết họ muốn có WiMAX tại nơi họ sinh sống. đây là số liệu điều tra của Motorola tại Hồng Kông, Malasia và Philippin. Chính vì những điều đó, em nhận thấy WiMAX là công nghệ đang có tiềm năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài…cho nên em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng ở Việt Nam”. Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thời gian yêu cầu của nhà trường đặt ra. Đỗ Tấn Trọng -5- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Em xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Đàm Thuận Trinh, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này ! Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ để hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất ! Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 05/05/2008 Sinh viên Đỗ Tấn Trọng Đỗ Tấn Trọng -6- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Vô tuyến và bộ phận WiMAX trong vô tuyến 1.1. Công nghệ vô tuyến 1.1.1. Công nghệ vô tuyến. Thời cổ đại, người ta truyền tin bằng cách chạy bộ hoặc phi ngựa, vừa tốn thời gian, vừa tốn công sức. Đến thế kỷ XIX, cùng với sự phát triển của sản xuất tư bản chủ nghĩa, những cách truyền tin cổ xưa không tài nào đáp ứng được nhu cầu truyền tin nhanh chóng, cho dù có sử dụng những phương pháp mới như bằng xe lửa, tàu thuyền. Sau khi điện bước lên vũ đài khoa học, mọi người khao khát mở ra một cuộc cách mạng tin tức trong điện học. Để giải quyết vấn đề khoa học kỹ thuật nan giải đó, rất nhiều người đã tốn biết bao nhiêu công sức và tâm huyết trên con đường khoa học đầy trắc trở này. Cuối cùng họ cũng đổi lấy được hàng loạt các thành quả khoa học to lớn: cuối thập niên 30 thế kỷ XIX, người Mỹ Beese Morse (1791 - 1872) đã chế tạo thành công chiếc máy điện báo hữu dụng, và xây dựng đường điện báo hữu tuyến đầu tiên giữa Washington và Baltimore và năm 1844. Năm 1876, người Mỹ Bell (1847 - 1922) phát minh ra điện thoại ống nghe. Đến thập niên 90 lại có người phát minh ra điện báo vô tuyến truyền tin. Trải qua quá trình phát triển lâu dài cùng với những bước đột phá của mình cho đến nay vô tuyến trở thành một hệ thống các công nghệ đa dạng phong phú gồm rất nhiều thành phần như công nghệ Viba, công nghệ vô tuyến bằng vệ tinh, công nghệ vô tuyến di động…công nghệ vô tuyến dựa trên môi trường truyền dẫn là môi trường không khí, khí quyển truyền thông tin thông qua sự truyền sóng điện từ trong môi trường vô tuyến. 1.1.2. Xu thế phát triển của công nghệ vô tuyến Thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động, máy tính và Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng. Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hóa cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hiển thị nhỏ. Các hệ thống IMT-2000, hay gọi là các hệ thống 3G, đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về sau) và có màn hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu Đỗ Tấn Trọng -7- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện. Các hệ thống tế bào đã mở ra một thời kỳ tiến bộ trong công nghệ vô tuyến và những thay đổi trong nhu cầu của người sử dụng (như trong hình 1.1). Bảng 1.1 chỉ ra sự tiến hóa của các hệ thống tế bào từ 1G đến 4G. Cùng với sự bùng nổ của lưu lượng Internet trong mạng cố định, yêu cầu cho các dải dịch vụ đang trở nên mạnh mẽ hơn thậm chí trong các mạng thông tin di động. Hệ thống tế bào 4G sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn các hệ thống tế bào 3G (W-CDMA, CDMA2000). 1G 2G 3G 4G Tương tự Số Số Tới 1Gbit/s Truy nhập vô tuyến FDMA TDMA, DS- CDMA DS-CDMA OFDM, MC-CDMA Thoại Thoại Thoại Các dịch vụ chính Internet (chỉ text) Internet (text, hình ảnh) Internet băng rộng Mạng lõi Chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh/gói Chuyển mạch kênh/gói IP băng rộng Bảng 1.1: Tổng quan về các hệ thống thông tin tế bào Các hệ thống mà hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao (ví dụ 1Gbit/s) thường là không có khả năng cung cấp một vùng bao phủ toàn quốc. Những nơi mà người sử dụng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao có thể là các khu vực điểm nóng (hot spot) nhỏ, gia đình, chợ, các nhà ga, sân bay, khách sạn… Do vậy không thể nào xây dựng được một siêu hệ thống vô tuyến để đáp ứng được mọi nhu cầu. Một vấn đề quan trọng là làm cách nào để cho người sử dụng các dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho cả những người sử dụng di động và những người di cư khắp mọi nơi. Đỗ Tấn Trọng -8- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào • Hệ thống vô tuyến toàn cầu Một giải pháp tốt đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể kết nối một cách hiệu quả nhiều mạng vô tuyến riêng (ví dụ các hệ thống tế bào 2G/3G/4G, WLAN, các hệ thống quảng bá…), được tối ưu hóa tới các môi trường truyền thông khác nhau, sử dụng công nghệ Internet băng rộng. Khái niệm này cho phép mỗi hệ thống vô tuyến phát triển độc lập với các hệ thống khác (như trong hình 1.2). Các hệ thống tế bào cung cấp vùng bao phủ rộng, trong khi hệ thống WLAN sẽ chỉ bao phủ các khu vực điểm nóng nhưng với tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều các hệ thống tế bào. Các hệ thống quảng bá có thể có vùng bao phủ rộng để cung cấp cho người dùng di động và di cư với các chương trình video và ca nhạc chất lượng cao một chiều. Sự kết hợp ngày càng gần của các hệ thống tế bào, WLAN và quảng bá và các hệ thống vô tuyến khác sẽ là hết sức quan trọng để cung cấp các dịch vụ toàn quốc. Đỗ Tấn Trọng -9- Lớp KTVT B-44 WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu • Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu Nhu cầu về tải số lượng lớn thông tin ngày càng tăng sẽ trở nên cao hơn. Ghép dữ liệu mềm dẻo nhiều dải các tốc độ thông tin lớn hơn các hệ thống vô tuyến 3G hiện nay là yêu cầu cho các liên kết đường xuống (trạm gốc tới máy di động). Yêu cầu đặt ra cho các tốc độ dữ liệu có thể là: ƒ Các điểm nóng và môi trường đông dân cư: 100M đến 1Gbit/s ƒ Môi trường phương tiện vận tải: ~100Mbit/s ƒ Do giới hạn của nhiều băng tần hiện nay, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất phổ rất cao. Để đạt được điều này, các hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) sẽ đóng một vai trò quan trọng. • Mạng truy nhập vô tuyến Lưu lượng gói sẽ thống trị lưu lượng chuyển mạch kênh trong tương lai gần. Hình 1.3 đưa ra một khái niệm về cấu hình mạng tế bào 4G. Phần vô tuyến của mạng sẽ gần với một mạng WLAN, nhưng với sự quản lý tính di động vùng rộng như trong các hệ thống tế bào 2G/3G. Các hệ thống tế bào yêu cầu nhiều chức năn