Luận văn Công nghệ WiMAX: Nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu triển khai cho vùng địa hình đặc thù tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ WiMAX NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU TRIỂN KHAI CHO VÙNG ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ TẠI VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÃ SỐ:23.04.3898 LÊ QUANG ĐẠO Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG Hà Nội – 2007 LỜI CẢM ƠN Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Dũng đã tận tình hướng dẫn tận tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cũng như lãnh đạo phòng Tích hợp và phát triển hệ thống, lãnh đạo công ty Điện toán và truyền số liệu (VDC) đã tạo điều kiện về mặt công tác giao cho tôi nhiệm vụ trưởng nhóm kỹ thuật thử nghiệm Công nghệ WiMAX tại Lào Cai của công ty mà nhờ đó tôi có thể tiếp cận, nghiên cứu, thiết kế, triển khai hệ thống WiMAX cũng như quá trình nghiên cứu, đánh giá các yếu tố kỹ thuật công nghệ, kinh tế, xã hội và giáo dục từ những dự án thử nghiệm để khái quát hóa thành nghiên cứu điển hình ứng dụng WiMAX trong việc mang Internet tốc độ cao và thoại VoIP tới các khu vực có địa hình đặc thù của Việt Nam. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn của tôi từ Tập đoàn Intel, đặc biệt là TS. Bernd Nordhausen, chuyên gia cao cấp về WiMAX của tập đoàn Intel đã cùng phối hợp tốt và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện những nghiên cứu thông qua việc triển khai dự án thử nghiệm WiMAX tại Lào Cai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo của Khoa Điện tử viễn thông, những người thân trong gia đình và bạn bè - những người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Luận văn thạc sĩ khoa học i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể. Hà nội, tháng 10 năm 2007 Học viên thực hiện Lê Quang Đạo Lê Quang Đạo, KTĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC.................................................................................................................. ii DANH SÁCH BẢNG BIỂU.......................................................................................v DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ................................................. vi THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... vii PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ...........................................3 1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng ............................................................3 1.2 Công nghệ WiMAX ..............................................................................................5 1.2.1 WiMAX là gì? ........................................................................................................5 1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16..........................................................................8 1.2.3 WiMAX được công nhận là chuẩn toàn cầu.........................................................12 1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX............................................................................14 1.3.1 Đặc điểm Fixed WiMAX......................................................................................14 1.3.2 Đặc điểm Mobile WiMAX ...................................................................................15 1.4 Tình hình thử nghiệm, thương mại hóa WiMAX trên thế giới và tại Việt Nam 16 1.4.1 Thử nghiệm và thương mại hóa WiMAX trên thế giới ........................................16 1.4.2 Thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam......................................................................18 1.5 Kết luận ...............................................................................................................19 CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WIMAX...............................................20 2.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 ..............................................................21 2.1.1 Lớp MAC..............................................................................................................21 2.1.2 Lớp PHY...............................................................................................................30 2.2. WiMAX di động - IEEE 802.16e - 2005 ...........................................................38 2.2.1 Lớp PHY...............................................................................................................38 2.2.2 Lớp MAC..............................................................................................................45 2.3 Kết luận ...............................................................................................................50 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM KHI THIẾT KẾ MẠNG WiMAX ................................................51 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học iii 3.1 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập di động ..........................51 3.2 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập cố định...........................52 3.3 Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX. ....54 3.3.1 Lựa chọn băng tần.................................................................................................54 3.3.2 Lựa chọn phương thức song công.........................................................................57 3.3.3 Tổng lưu lượng, bán kính phủ sóng và số sector của mỗi trạm gốc .....................61 3.3.4 Quy hoạch và tái sử dụng tần số có tính toán tới các loại nhiễu...........................63 3.3.5 Anten và các công nghệ nâng cao.........................................................................65 3.3.6 Quản lý sự di động (Đối với ứng dụng Mobile WiMAX) ....................................73 3.3.7 Trung tâm quản lý.................................................................................................76 3.3.8 Sơ đồ kết nối mạng WiMAX................................................................................78 3.4 Kết luận ...............................................................................................................80 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU ỨNG DỤNG WiMAX CUNG CẤP DỊCH VỤ INTERNET VÀ THOẠI CHO KHU VỰC ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ TẠI VIỆT NAM ............................................................81 4.1 Giới thiệu dự án thử nghiệm WiMAX tại Tả Van ..............................................81 4.1.1 Đặc điểm điển hình của địa điểm thử nghiệm ......................................................82 4.1.2 Mục tiêu của việc nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu để triển khai ứng dụng thực tiễn từ thử nghiệm công nghệ WiMAX tại Tả Van ...............................................84 4.1.3 Chuẩn WiMAX và thời gian thử nghiệm .............................................................84 4.2 Hệ thống WiMAX thử nghiệm thực tế tại xã Tả Van.........................................85 4.2.1 Đặc điểm công nghệ của dự án thử nghiệm..........................................................85 4.2.2 Thiết bị WiMAX được thử nghiệm ......................................................................85 4.2.3 Các địa điểm tham gia thử nghiệm .......................................................................86 4.2.4 Các ứng dụng được thử nghiệm............................................................................88 4.2.5 Kiến trúc hệ thống.................................................................................................89 4.2.6 Mô hình kết nối tại trạm gốc.................................................................................91 4.2.7 Mô hình kết nối phía khách hàng..........................................................................92 4.2.8 Hệ thống VoIP trên nền WiMAX.........................................................................93 4.2.9 Cài đặt và cấu hình hệ thống WiMAX .................................................................97 4.3 Kết quả nghiên cứu, đánh giá trên phương diện kỹ thuật của hệ thống WiMAX thử nghiệm.........................................................................................................100 4.3.1 Khả năng bao phủ của mạng...............................................................................100 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học iv 4.3.2 Khả năng quản lý từ xa của hệ thống triển khai tại Tả Van................................100 4.3.3 Độ ổn định/tin cậy của hệ thống .........................................................................101 4.3.4 Tốc độ truy nhập tối đa/trung bình đạt được ......................................................101 4.3.5 Các ứng dụng chạy tốt trên nền WiMAX ...........................................................102 4.3.6 Độ trễ ..................................................................................................................102 4.3.7 Jitter của hệ thống vệ tinh ...................................................................................102 4.3.8 Chất lượng dịch vụ VoIP trên nền hệ thống WiMAX: .......................................103 4.4 Kết quả nghiên cứu, đánh giá về hiệu quả kinh tế xã hội, giáo dục và nâng cao dân trí .................................................................................................................104 4.4.1 Nhu cầu sử dụng và lợi ích mang lại từ việc truy cập Internet tốc độ cao của người dân nông thôn là rất lớn.....................................................................................104 4.4.2 Cách thức đào tạo dựa trên phương thức truyền đạt kinh nghiệm thực tế phát huy hiệu quả cao .................................................................................................................108 4.4.3 Chia sẻ băng thông giữa các người dùng khác nhau...........................................109 4.4.4 Bưu điện văn hóa xã và UBND xã đóng vai trò quan trọng trong sự thành công của việc mang băng thông rộng tới người dân nông thôn: ..........................................109 4.5 Mô hình bền vững được khuyến nghị khi triển khai băng thông rộng tới vùng nông thôn Việt Nam ..........................................................................................110 4.5.1 Mô hình kỹ thuật, công nghệ và các đối tượng được thụ hưởng dịch vụ băng thông rộng không dây: .................................................................................................110 4.4.2 Cung cấp nội dung thông tin được chuẩn hóa tới mọi người dân.......................111 4.5.3 Chi phí đầu tư hệ thống ban đầu và chi phí khai thác hàng tháng ......................112 4.5.4 Mô hình kinh doanh bền vững với sự hỗ trợ của nhà nước ................................114 4.6 Kết luận .............................................................................................................115 PHẦN KẾT LUẬN.................................................................................................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................117 TÓM TẮT LUẬN VĂN .........................................................................................119 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học v DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16.............................................................................................. 12 Bảng 2.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004....................................................... 29 Bảng 2.2: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004 .................................................................. 32 Bảng 2.3: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế .......................................................................... 34 Bảng 2.4: Kích cỡ khối bit xen kẽ.............................................................................................................. 35 Bảng 2.5: Thông số SOFDMA .................................................................................................................. 41 Bảng 2.6: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e.......................................... 42 Bảng 2.7: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX.................................................................................. 43 Bảng 2.8: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS ....................................................................................... 47 Bảng 3.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây ......................................................................... 56 Bảng 3.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ....................................................................... 71 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Hình 1.1 Lộ trình công nghệ WiMAX......................................................................................................... 5 Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX............................................................................................................ 14 Hình 1.3: Tổng quan về tình hình triển khai WiMAX trên thế giới. ....................................................... 16 Hình 1.4: Tần số được sử dụng trong các hệ thống WiMAX đã triển khai trên thế giới........................ 16 Hình 2.1 Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY ................................................................................ 20 Hình 2.2 Quá trình phân loại MAC SDU ................................................................................................. 22 Hình 2.3 Cấu trúc của MAC PDU ............................................................................................................ 24 Hình 2.4 Cấu trúc symbol trong miền tần số ............................................................................................ 31 Hình 2.5 Cấu trúc symbol trong miền thời gian ....................................................................................... 31 Hình 2.6 Quá trình truyền-nhận ............................................................................................................... 33 Hình 2.7 Quá trình xen kẽ ......................................................................................................................... 34 Hình 2.8 Cấu trúc khung TDD.................................................................................................................. 37 Hình 2.9 Cấu trúc khung con đường xuống TDD.................................................................................... 37 Hình 2.10 Cấu trúc khung con đường lên TDD. ...................................................................................... 38 Hình 2.11 Cấu trúc sóng mang con OFDMA (miền tần số) .................................................................... 39 Hình 2.12 OFDM và OFDMA................................................................................................................... 40 Hình 2.13 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) ......................................................................... 40 Hình 2.14: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS .............................................. 42 Hình 2.15: Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra ..................................................................................... 44 Hình 2.16: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX......................................................................................... 46 Hình 3.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX................................................................................... 53 Hình 3.2: Hai chế độ song công TDD và FDD......................................................................................... 57 Hình 3.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM .............................................................................................. 59 Hình 3.4: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng...................................................................... 60 Hình 3.5: Mô hình tái sử dụng tần số ....................................................................................................... 63 Hình 3.6: Phân đoạn tần số trong một cell ............................................................................................... 64 Hình 3.7: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell .......................................................... 65 Hình 3.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna......................................................................................... 66 Hình 3.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna .......................................................................................... 66 Hình 3.10: CPE với Anten tích hợp bên trong.......................................................................................... 67 Hình 3.11: CPE với Anten ngoài............................................................................................................... 67 Hình 3.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn................................................................................................... 68 Hình 3.13: Mã hóa không gian – thời gian .............................................................................................. 69 Hình 3.14: Hệ thống Anten MIMO........................................................................................................... 70 Hình 3.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4.................................................................................................... 72 Hình 3.16: Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh................................................................... 72 Hình 3.17: Chuyển giao cứng HHO ......................................................................................................... 74 Hình 3.18: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) ............................................................................................ 75 Hình 3.19: Chuyển giao phân tập MDHO................................................................................................ 76 Hình 3.20: Trung tâm quản lý mạng WiMAX .......................................................................................... 77 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối của mạng WiMAX ............................................................................................ 78 Hình 4.1: Toàn cảnh thung lũng Tả Van ................................................................................................. 83 Hình 4.2: Thiết bị BS outdoor MicroMAX SOC....................................................................................... 86 Hình 4.3: Thiết bị BS Indoor SDA – 4S Type II....................................................................................... 86 Hình 4.4: Thiết bị đàu cuối khách hàng outdoor ProST.......................................................................... 86 Hình 4.5: Hình ảnh về thiết bị trạm gốc BS được lắp trên nóc nhà điểm BĐVHX ................................ 87 Hình 4.6: Sơ đồ phân bố địa lý của các điểm thử n