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 ( 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. ( 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: 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 m