Đồ án Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax

1 Lời nói đầu Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi mới. Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án. Ngày 19 tháng 05 năm 2007 Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa 2 Tóm tắt đồ án WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó: - Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax. - Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày những đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax. - Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng và lựa chọn phát triển hệ thống WiMax. 3 Mục lục Lời nói đầu ................................................................................................................. 1 Tóm tắt đồ án ............................................................................................................. 2 Mục lục ....................................................................................................................... 3 Danh sách các hình vẽ ............................................................................................... 6 Danh sách bảng biểu ................................................................................................. 8 Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO .............................................................................................. 10 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) ............................................................ 10 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ............................................................ 10 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) ...................................................... 11 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ............................................................ 12 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax .................................................................................. 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX .................................. 17 2.1 Khái niệm chung ........................................................................................................ 17 2.2 Lớp vật lý (PHY) ....................................................................................................... 18 2.2.1 Cở sở OFDMA ........................................................................................................ 18 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá ........................................................... 22 2.2.3 S-OFDMA .............................................................................................................. 24 2.2.4 Cấu trúc khung TDD ............................................................................................... 25 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác ........................................................................ 27 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) ............ 29 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) ............................................................................ 29 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) ............................................. 32 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng ....................................................................... 32 2.4.1 Quản lý di động ....................................................................................................... 32 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng ..................................................................................... 32 2.5 Bảo mật trong WiMax ............................................................................................... 34 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động ...................................................................... 34 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh ..................................................................................... 34 2.6.2 Sử dụng lại tần số .................................................................................................... 37 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax ............................................................ 38 4 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax .................................................................. 38 2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động ......................................................................... 43 2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax ..................................................................................... 43 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng .................................................................................... 48 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) .................................................................... 48 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax ..................................... 51 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động .................................................................. 51 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động ................................................................................ 52 2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động .................................................................. 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax ......................................................................... 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 ........................................................................................................................ 55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế .......................................................................... 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực ................................................................................... 55 3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị ................................................................... 58 3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống .............................................................. 61 3.2 Cấu trúc của hệ thống ................................................................................................ 62 3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống ................................................................................. 62 3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận ................................................... 65 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu ........................................................................ 68 3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung ................................................................... 72 3.2.5 Các thông số đầu ra ................................................................................................. 74 3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng .............................................................................. 75 3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP ................................................................. 75 3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP ..................................................................... 77 3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) ....................... 78 3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống .................................. 78 3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell ............................................................ 79 3.4.1 Tái sử dụng tần số ................................................................................................... 79 3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống ...................................... 79 3.5 Các thông số cho hệ thống ......................................................................................... 81 3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức ....................................................................... 81 3.5.2 Thông số cho BS và MS ......................................................................................... 84 5 3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo ......................................................... 85 3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức ............................................................................... 86 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax ....................................................... 94 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô ............................................................. 100 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố .......... 104 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền ................................................................................ 106 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức ................................................................................... 108 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX ........................................................................................ 113 4.1 Tính toán đường truyền ........................................................................................... 113 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site ............................................................. 116 Kết luận .................................................................................................................. 124 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 125 6 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax .............................................................................. 14 Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ .............................................. 15 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA ........................................................................ 23 Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con ........................................................................... 23 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC ................................................................ 24 Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA ........................................................................ 26 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động ................................................................................ 30 Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác .................................................................. 31 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh ................................................... 37 Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ .................................................................................. 38 Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu ........................................................... 46 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax .................................................................... 49 Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP .................................................................... 50 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. ................ 54 Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax ........................................ 54 Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site ............................................................... 57 Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn ............................................................................. 58 Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 60 Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 61 Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến ..................................................................................................................................... 63 Hình 3.6: Các loại góc anten ................................................................................................ 63 Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten ............................................................... 65 Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 ............................................................ 67 Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. ............................................................................ 69 Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi .................................................................. 76 Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP ............................................................. 77 Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực .................................................... 78 Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM ............................................... 79 Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector ............................................................................................. 84 Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS ............................................................................ 85 Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS ......................................... 86 Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS ........................................................................... 88 Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM .............................................................. 89 Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) .................................................... 90 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau ............................................................................................................................................. 91 Hình 3.21: Bán kính cell ...................................................................................................... 92 Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao ....................................................... 93 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata ....................................................................... 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami ................................................................ 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau ....................................... 100 7 Hình 3.30: Tôpô Mesh ....................................................................................................... 110 Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm ........................................................................................ 110 Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax ..................................... 113 Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi ............................................................................ 122 8 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA ................................................................................... 25 Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ ..................................................... 27 Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động .................. 28 Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS ............................................................... 31 Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp .......................................................................... 35 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ............................................ 36 Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động ............................................................... 39 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA ......................................................................................... 40 Bảng 2.9: Phương thức truyền bá ........................................................................................ 40 Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động ......................................... 41 Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động ....................................................... 43 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất ........................................ 44 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất .............................. 44 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động ............................................................. 46 Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax .................................................................. 46 Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax .......................................................................... 52 Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường ......................................................................... 69 Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền ............................................................ 71 Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng ....................................................... 74 Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP .................................................................... 76 Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP ......................................................... 77 Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV ................................................................................. 78 Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng ........................................................... 80 Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau .......................... 80 Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] ...................