BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CƠNG NGHỆ WIMAX VÀ ÁP DỤNG CHO MƠ HÌNH DỊCH VỤ MẠNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mà SỐ: NGUYỄN VIỆT HỒNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN KIM KHÁNH HÀ NỘI 2006 - i ————————————————————————————————————— Môc lôc mở đầu .1 GIíI THIƯU Lý DO CHọN Đề TàI 3 MụC TIÊU CủA Đề TàI 4 Bè CơC CđA LN V¡N CHƯƠNG I TổNG QUAN Về CáC MạNG KHÔNG DÂY Và THÔNG TIN DI ĐộNG .7 1.1 GIớI THIệU TổNG QUAN CáC CÔNG NGHệ MạNG KHÔNG DÂY 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Mét sè chn cđa m¹ng không dây 1.2 GIớI THIệU TổNG QUAN Về Hệ THốNG THÔNG TIN DI ĐộNG 1.3 NHU CầU ĐốI VớI MạNG KHÔNG DÂY TRONG TƯƠNG LAI 13 1.4 MộT Số CHUẩN CủA Hệ THốNG THÔNG TIN DI ĐộNG .17 1.4.1 ChuÈn GSM 17 1.4.1.1 Tæng quan 17 1.4.1.2 Mơc tiªu cđa IMT-2000 18 1.4.1.3 Đặc điểm IMT-2000 so víi c¸c hƯ thèng 18 1.4.2 Tiªu chuÈn CDMA2000 20 1.4.2.1 Tæng quan 20 1.4.2.2 CÊu tróc kªnh logic .21 1.4.2.3 CÊu tróc kªnh vËt lý 22 1.4.2.4 Kênh đờng xuống 23 1.4.2.5 Kênh đờng lên 26 1.4.3 Tiªu chuÈn GPRS 27 1.4.3.1 Tæng quan 27 1.4.3.2 Cấu trúc mạng GPRS giao thức 28 1.4.3.3 Qun lý di ®éng m¹ng GPRS 31 1.4.4 Tiªu chuÈn CDMA .34 1.4.4.1 Tæng quan 34 1.4.4.2 C¸c kü thuËt 34 1.5 TỉNG QUAN VỊ CHN WIMAX 36 1.5.1 Tæng quan 36 Luận văn tốt nghiệp cao häc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - ii ————————————————————————————————————— 1.5.2 C¸c chuÈn WIMAX 37 1.5.3 C¸c băng tần .37 Ch−¬ng II 42 MÔ HìNH Và HOạT ĐộNG CủA WIMAX DI ĐộNG (802.16E) 42 2.1 Tỉng quan Wimax di ®éng 42 2.2 Mô tả lớp vật lý 45 2.2.1 C¸c kh¸i niƯm OFDMA 45 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA kênh hãa .47 2.2.3 Scalable OFDMA .49 2.2.4 CÊu tróc khung TDD 50 2.2.5 C¸c đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 52 2.3 Mô tả lớp MAC 54 2.3.1 Hỗ trợ QoS 54 2.3.2 DÞch vơ scheduling MAC 56 2.3.3 Quản lý tính di động .58 2.3.3.1 Qu¶n lý nguån 58 2.3.3.2 Handoff 58 2.3.4 An ninh .60 2.4 Các đặc điểm cải tiÕn cđa Wimax di ®éng 61 2.4.1 Công nghệ ăng ten thông minh .61 2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn (fractional) 63 2.4.3 Dịch vụ Multicast Broadcast (MBS) 65 2.5 KiÕn tróc Wimax end-to-end 66 CHƯƠNG III 77 CáC VấN Đề CầN GII QUYếT KHI TRIểN KHAI CÔNG NGHệ WIMAX 77 3.1 ĐáNH GIá KHả NĂNG CủA Hệ THốNG WIMAX DI ĐộNG 77 3.1.1 Tham sè hƯ thèng wimax di ®éng 77 3.1.2 Dù phòng đờng truyền Wimax di động 80 3.1.3 §é tin cËy MAP Wimax di ®éng 82 3.2 C¸c xem xÐt vỊ chn më Wimax di ®éng .88 3.3 C¸c øng dơng cđa Wimax di ®éng .89 3.4 Các xem xét phổ Wimax di động 90 3.5 Lé tr×nh cho s¶n phÈmWimax 91 3.6 Các toán kinh tế 92 3.6.1 Thùc tÕ thÞ tr−êng 92 Luận văn tốt nghiệp cao häc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - iii ————————————————————————————————————— 3.6.2 Gi¶m chi phÝ 93 3.7 Khả áp dụng WIMAX VIệT NAM 94 CHƯƠNG IV 97 Đề XUấT GIảI PHáP THIếT Kế MạNG WIMAX CHO THµNH PHè Hµ NéI 97 4.1 Những xác định cần thiết đầu t thử nghiệm công nghệ WIMAX 97 4.1.1 Tổng quát tình hình kinh tế, trị, xà hội toàn thành phố Hà Nội.97 4.1.2 Tình hình kinh doanh Bu điện thành phố Hà Nội .99 4.1.3 Hiện trạng mạng lới viễn thông khu vùc 100 4.1.4 KÕt luËn 101 4.2 Thiết kế mô hình 101 4.2.1 ThiÕt kÕ qui m« thư nghiƯm 101 4.2.2 Lựa chọn băng tần 102 4.3 ThiÕt kÕ chi tiÕt .102 4.4 KÕ ho¹ch triÓn khai 105 4.5 Đánh Giá .105 Ch−¬ng V .107 KÕt luËn 107 5.1 KÕt luËn .107 5.2 H−íng ph¸t triÓn 107 Tài liệu tham khảo .109 Luận văn tốt nghiƯp cao häc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Mô hình mạng IMT-2000 11 Hình 1.2: Tổng quan kªnh vËt lý riªng cđa cdma2000 22 Hình 1.3 Tổng quan kênh vật lý chung cdma2000 23 Hình 1.4: Sơ đồ tổng quát mạng GPRS 29 Hình 1.5: Minh hoạ tri phæ CDMA 35 H×nh 2.1: Mobile WiMAX System Profile 43 H×nh 2.2: Basic Architecture of an OFDM System 45 H×nh 2.3: Insertion of Cyclic Prefix (CP) 46 H×nh 2.4: OFDMA Sub-Carrier Structure 47 H×nh 2.5: DL Frequency Diverse Sub-Channel 49 H×nh 2.6: Tile Structure for UL PUSC 49 H×nh 2.7: WIMAX OFDMA Frame Structure 51 H×nh 2.8: Mobile WIMAX QoS Support 55 H×nh 2.9: Adaptive Switching for Smart Antennas 63 H×nh 2.10: Multi – Zone Frame Structure 64 H×nh 2.11: Fractional Frequency Reuse 65 H×nh 2.12: Embedded MBS Support with Mobile WIMAX – MBS Zones 66 H×nh 2.13: WIMAX Network Reference Model 71 H×nh 2.14: WIMAX Network IP – Based Architecture 71 H×nh 3.1: Simulated Performance of Control Channel Coverage For TU Channel83 H×nh 3.2: Sub – MAP Burst 84 H×nh 3.3: Spectral Efficiency improvement with Optimized WIMAX 87 H×nh 3.4: Throughput with Varied DL/UL Ratios And Optimized WiMAX 88 H×nh 3.5: Roadmap For Wimax Technology 92 Hình 4.1: Bản đồ vị trí thư nghiƯm 102 Hình 4.2: Sơ đồ kết nối chi tiết 104 H×nh 4.3: Sơ đồ kết nối tổng thể 105 Luận văn tốt nghiƯp cao häc ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - v Danh Mục bảng Bng 1.1: So sánh tham số hệ thống 2G 3G 20 Bng 1.2: C¸c tham sè cđa CDMA2000 21 Bng 1.3: Dải tần tín hiệu ®−êng xuèng 26 Bng 2.1: OFDMA scalability Parameters 50 Bng 2.2 Supported Code and Modulation 52 Bng 2.3 Mobile WIMAX PHY Data Rates With PUSC Sub-Channel 53 Bng 2.4 : Mobile WIMAX Applications and Quality of Service 56 Bng 2.5: Advanced Antenna Options 62 Bng 3.1: Mobile WiMAX System Parameters 78 Bng 3.2: OFDMA Parameters 79 Bng 3.3: Propagation Model 79 Bng 3.4: DL Link Budget for Mobile WiMAX 81 Bng 3.5: UL Link Budget for Mobile WIMAX 82 Bng 3.6: Multi – Path Channel Models For Performance Simulation 85 Bng 3.7: Mixed User Channel Model For Performance Simulation 85 Bng 3.8: Mobile WIMAX Configuration Assumptions 86 Bng 3.9: Mobile WIMAX System Performance 87 Bng 3.10: WiMAX Application Classes 90 Luận văn tốt nghiệp cao học Nguyễn Việt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - vi ————————————————————————————————————— Danh mục Từ viết tắt ADSL ATM BSC BSS CCS CDMA CID CPS CS DL FDD FDMA LOS MAC NLOS NNI PCU PDU PHS PHY PSTN PVC QoS SAP SDU SS SVC TC TDD TDMA TE UI UNI VCI VPI WIMAX Asymmetric Digital Subscriber Line Asynchronous Transfer Mode Base Station Controller Base Station System Common Channel Signaling Code Division Multiple Access Connection Identifier Common Part Sublayer Convergence Sublayer Downlink Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access Line Of Sight Medium Access Control Non Line Of Sight Network to Network Interface Packet Control Unit Protocol Data Unit Payload Header Suppression Physical Layer Public Switched Telephone Network Permanent Virtual Circuit Quality of Service Service Access Point Service Data Unit Subscriber Station Switched Virtual Circuit Transmission Convergence Sublayer Time Division Duplex Time Division Multiple Access Terminal Equipment User Interface User to Network Interface Virtual Channel Identifier Virtual Path Identifier Worldwide Interoperability for Microwave Access Luận văn tốt nghiệp cao học Nguyễn Việt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - Trang – mở đầu GIớI THIệU Công nghệ không dây có mặt khắp nơi Với ứng dụng hay dịch vụ liên quan đến vận chuyển liệu có giải pháp không dây.Những công nghệ chuẩn bị đời vốn đợc hy väng lµ sÏ høa hĐn mét thÕ giíi hoµn toµn không dây, ngời sử dụng máy tính thấy thời gian không xa với sợi dây cáp mạng máy tính có lẽ không đợc sử dụng Với dịch vụ băng rộng không dây làm cho giấc mơ Internet đâu khắp nơi trë thµnh hiƯn thùc Ngµy nay, ng−êi sư dơng cã thể đạt đợc tốc độ nhanh nh ADSL truy nhập Internet nhà đờng mà không cần phải có đờng dây đồng trục dây đồng Với việc đa vào sử dụng WiMax tơng lai, ngời ta hy vọng tốc độ truy nhập không dây cạnh tranh đợc với ADSL Thuật ngữ WiMax đợc hiểu tơng tự nh Wi-Fi, phạm vi Wi-Fi đợc tính mét phạm vi WiMax đợc tính ki lô mét Với phạm vi rộng lớn WiMax, nhà cung cấp dịch vụ phủ sóng toàn khu vực đô thị với vài tháp WiMax giải pháp dành cho mạng băng rộng không dây - Hiperman châu Âu (Mạng khu vực đô thị vô tuyến hiệu cao) đợc phát triển nhng không đợc xem nh ứng viên nặng ký Trong tơng lai việc WiMax sÏ cã c¸c øng dơng doanh nghiƯp, thay thÕ Wi-Fi doanh nghiệp khả thi Phạm vi tăng thêm WiMax làm cho việc toàn bé mét toµ nhµ hay mét khu tr−êng cã thĨ đợc phủ sóng điểm truy nhập đơn đợc quản lý trung tâm hoàn toàn Tèc ®é cđa WiMax, cịng gièng nh− tèc ®é cđa công nghệ độc quyền nay, phụ thuộc nhiều vào độ lớn dải phổ mà nhà cung cấp dịch vụ Luận văn tốt nghiệp cao học ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - Trang sẵn sàng mua sử dụng số lợng cell (ô) mà họ sẵn sàng mua WiMax đợc thiết kế để hoạt động dải phổ rộng lớn mặt lý thuyết tốc độ liệu tổng thể đến 70Mbit/s cao hoàn toàn Tuy nhiên, phổ vô tuyến không rẻ chút hy vọng nhà cung cấp dịch vụ nỗ lực để theo kịp với ADSL chạy vợt xa Trớc hết, chuẩn 802.16 vốn quy định WiMax hoạt động phạm vi từ 10 đến 66GHz 802.16 đợc theo sau 802.11a vốn mở rộng dải phổ tới phạm vi từ tới 11GHz dải mang tính thực tế phạm vi mà hầu hết nhà cung cấp đà có phổ Nó hoạt động dải cha đợc cấp phép nhng gặp phải nhiễu nghiêm trọng dải Về lâu dài, thách thức mạng băng rộng không dây công nghệ phân phát mà phơng tiện để hỗ trợ ngời muốn sử dụng Băng rộng không dây, giống nh dạng khác công nghệ không dây, hoạt động theo kiểu môi trờng dùng chung Nghĩa ngời sử dụng phải cạnh tranh để giành không gian sóng không trung với ngời khác cố sử dụng 70Mbit/s cell với WiMax nghe nhiều nhng 70Mbit/s dùng chung ngời sử dụng cell Giả sử có dịch vụ ADSL cung cấp tốc độ 12Mbit/s Tại tốc độ đó, có ngời đồng thời sử dụng cell WiMax-không trờng hợp tiết kiệm cho nhà cung cấp (tất nhiên, nhà cung cấp có nhiều thuê bao giả định tất ngời sử dụng dịch vụ lúc) Mặc dù vậy, số lợng ngời thuê bao tăng lên, việc xử lý vấn đề hệ thống dùng chung giải pháp nan giải Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp này, nghiên cứu công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng WIMAX thử nghiệm dịch vụ WiMax Việt Nam Bản luận văn đợc hoàn thành nhờ hớng dẫn tận tình, chu đáo thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh Tôi xin trân trọng cám ơn ! Luận văn tốt nghiệp cao học ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 - Trang Lý DO CHọN Đề TàI Wimax công nghệ xuất giới Tại Việt Nam, Bu điện TP Hà Nội trực thuộc Tỉng C«ng ty B−u chÝnh ViƠn th«ng ViƯt Nam (VNPT) doanh nghiệp tiên phong thử nghiệm công nghệ Khi đợc thức triển khai dịch vụ này, có bùng nổ ''triều đại'' Wimax tất lĩnh vực viễn thông nh Internet, điện thoại di động, điện thoại IP Phone, điện thoại VoIP Đây dịch vụ truy nhập Internet băng rộng vô tuyến Đặc biệt, việc truy nhập có dịch vụ có thoại, nhng khác với dịch vụ viễn thông khác, công nghệ Wimax, thoại ứng dụng Băng tần di động 8001.800 MHz băng tần Wimax cao hơn, 2.3 - 3.3 GHz, băng tần 3G 1.900-2.100 2.200 GHz Việc sử dụng công nghệ WiMax đem lại nhiều lợi ích, khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa nơi dân c đông đúc khó triển khai hạ tầng sở mạng hữu tuyến băng thông rộng Hơn nữa, việc cài đặt WiMax dễ dàng, tiết kiệm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ từ giảm giá thành dịch vụ cho ngời sử dụng Vì thế, WiMax đợc xem nh công nghƯ cã hiƯu qu¶ kinh tÕ cao cho viƯc triĨn khai nhanh khu vực mà công nghệ khác khó cung cấp dịch vụ băng thông rộng Hiện thành phố lớn nh thành phố Hà Nội (có mật độ dân c cao), đà có sở hạ tầng mạng hữu tuyến băng thông rộng vững việc phát triển WiMax không khả thi Nhng huyện ngoại thành nh huyện Đông Anh, Sóc Sơn có đặc điểm dân c tha thớt, vùng rừng núi rộng lớn, khả kéo cáp đến hộ dân c khó khăn Do vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng Wimax vùng khả thi Ưu điểm công nghệ trạm BTS Wimax phủ sóng từ 10 đến 50km, lại cần trạm phát sóng, nhng chất lợng dịch vụ đợc đảm bảo Do đó, việc lắp đặt dễ triển khai, thuận lợi cho doanh nghiệp cung cấp dịch vụ Luận văn tốt nghiệp cao học ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Ngun ViƯt Hång líp cao häc XLTT&TT 2004 ... WiMax đợc xem nh công nghệ có hiệu kinh tÕ cao cho viƯc triĨn khai nhanh c¸c khu vực mà công nghệ khác khó cung cấp dịch vụ băng thông rộng Hiện thành phố lớn nh thành phố Hà Nội (có mật độ dân... mét thêi gian không xa với sợi dây cáp mạng máy tính có lẽ không đợc sử dụng Với dịch vụ băng rộng không dây làm cho giấc mơ Internet đâu khắp nơi trở thành thực Ngày nay, ngời sử dụng đạt đợc... 97 4.1.1 Tổng quát tình hình kinh tế, trị, xà hội toàn thành phố Hà Nội. 97 4.1.2 Tình hình kinh doanh Bu điện thành phố Hà Nội .99 4.1.3 Hiện trạng mạng lới viễn thông khu vực 100 4.1.4