Đồ Án Tìm Hiểu Công Nghệ Wimax.pdf

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: .3 Đặc điểm số chuẩn Wimax:(Bảng 1) 3 Wimax với số công nghệ trước: 4 Một số ứng dụng Wimax: 6 Triển vọng Wimax Việt Nam: Chương 2: SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI VÀ 3G 11 Công nghệ WiFi: .11 Công nghệ 3G 12 Nhận xét 14 Chương 3: ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX .15 Công nghệ OFDM 17 Công nghệ OFDMA cho mạng WiMax .21 Kênh hóa dải tần số .22 Anten cho ứng dụng vô tuyến cố định 23 Phân tập thu phát 23 Điều chế thích nghi 24 Các kỹ thuật sửa lỗi trước 24 Điều khiển công suất 25 Chương 4: BẢO MẬT TRONG WIMAX 26 Security Association (SA) 26 Giao thức quản lí khóa PKM 27 Mã hóa 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 -1- LỜI MỞ ĐẦU Gần phương tiện thông tin đại chúng báo, đài, Internet,… đưa tin rầm rộ việc triển khai công nghệ Wimax Việt Nam công ty lớn VTC, FPT, Viettel,…Các cơng ty sức để cạnh tranh với hy vọng lực lượng dẫn đầu nước công nghệ Wimax Chúng ta biết đến công nghệ truy nhập Internet phổ biến quay số qua Modem thoại, ADSL, hay đường thuê kênh riêng, sử dụng hệ thống vô tuyến điện thoại di động, hay mạng WiFi Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với Modem thoại tốc độ thấp, ADSL tốc độ lên tới 8Mbps cần có đường dây kết nối, đường thuê kênh riêng giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps, thấp so với nhu cầu người sử dụng, mạng hệ sau GSM GPRS (2,5G) cho phép truy cập tốc độ lên đến 171,2Kbps hay EDGE khoảng 300-400Kbps chưa đủ để đáp ứng nhu cầu ngày tăng sử dụng dịch vụ mạng Internet Hệ thống thông tin di động hệ 3G tốc độ truy cập Internet không vượt 2Mbps Với mạng WiFi (chính mạng LAN khơng dây) áp dụng cho máy tính trao đổi thơng tin với khoảng cách ngắn Là sinh viên Điện Tử Viễn Thông, kỹ sư Viễn Thông tương lai em tị mị khát khao muốn tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ Wimax, muốn xem có ưu nhược điểm so với cơng nghệ khác, tương lai giúp cho em nhiều công việc sống -2- Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.Khái niệm công nghệ Wimax: Wimax tên viết tắt World Interoperability for Microwave Access Về mặt kỹ thuật Wimax công nghệ dựa kết hợp phần chuẩn 802.16a HiperMan, chuẩn mà thiết kế với mục đích cung cấp giải pháp truy nhập cho mạng không dây băng rộng cỡ lớn, cụ thể mạng đô thị MAN Với kết hợp IEEE ETSI, xét mặt chuẩn hóa Wimax trở thành cơng nghệ chuẩn toàn giới Đặc điểm số chuẩn Wimax:(Bảng 1) Ngày đưa chuẩn Phổ tần Môi trường truyền 802.16 12/2001 802.16a/REVd 802.16a/2003 802.16REVd quí 3/2004 802.16e Quí 2/2005 10 ÷ 66GHz LOS < 11 GHz NLOS < GHz NLOS Cao đến 75 Mbps với độ rộng kênh 20 MHz Lên tới 15 Mbps với độ rộng kênh MHz OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM 64 QAM OFDM 256, OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM 64 QAM Cố định Cả cố định di động Tính di động cao roaming 20, 25, 28 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz Lựa chọn băng thông từ 1,25 MHz đến 20 MHz 32 ÷ 134 Mbps với độ Tốc độ bit rộng kênh 28MHz QPSK, 16 QAM 64 Phương thức điều QAM chế Tính di động Băng thơng kênh Bán kính phủ sóng ÷ km ÷ 10 km, tối đa tới 50 km Bảng 1: Các chuẩn IEEE 802.16 -3- ÷ km Wimax với số công nghệ trước: Mạng đô thị Man theo định nghĩa mạng bao phủ phạm vi đô thị Về mặt ứng dụng, mạng MAN người ta triển khai cung cấp thông tin cho nhiều loại dịch vụ cơng cộng khác y tế, văn hóa, xã hội…Về mặt kĩ thuật, mạng MAN tập hợp nhiều công nghệ khác nhau, công nghệ tương ứng với phần khác mạng Cũng giống mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây mạng MAN khơng dây Có ba ứng dụng xây dựng nên mạng MAN truy nhập trục (backhaul), phân tán đến người dùng cuối (last-mile) vùng dịch vụ (hotzone) WiMax công nghệ cho mạng MAN không dây Đã có nhiều cơng nghệ băng rộng khơng dây đời, nay, chưa có cơng nghệ không dây băng rộng hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp giải pháp truy nhập cho mạng MAN cách tối ưu WiMax Các công nghệ trước cung cấp giải pháp đơn lẻ, hướng tới mục phần cụ thể mạng MAN ví dụ LMDS hay WiFi,… LMDS cơng nghệ sử dụng dải tần 20GHz để truyền sóng LMDS chuẩn hoạt động hậu thuẫn tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU,… Ở dải tần số lớn này, LMDS cho phép truyền sóng tầm nhìn thẳng (LOS) phạm vi vài số (5-7km) LMDS cho phép triển khai dịch vụ tốc độ cao thoại, video, Internet,… Hệ thống LMDS có tốc độ cao, hiệu suất điều chế đạt tới 5bit/Hz/s LMSD thích hợp với mạng trục, tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu tốc độ lớn LMDS khơng thích hợp với khách hàng riêng lẻ, hộ gia đình WiFi thực cơng nghệ hướng tới mạng LAN khơng dây dùng để triển khai cho mạng rộng MAN Nhưng khơng thiết kế cho MAN nên việc triển khai cho MAN gặp nhiều vấn đề Thứ nhất, dải tần làm việc 802.11 dải tần miễn phí, nhiễu lớn Do hồn tồn khơng thích hợp với việc triển khai dịch vụ công cộng cỡ lớn Thứ hai, 802.11 thiết kế cho mạng thuê bao, kênh truyền cố định kích thước khoảng 20MHz, linh hoạt Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp chế QoS, vấn đề vô vô quan trọng hệ thống mạng đa dịch vụ Thứ tư, ta truyền mơi trường tốt, nhiễu, LOS sử dụng Anten định hướng với cơng suất đủ lớn WiFi đật tới khoảng cách vài -4- km phạm vi bao phủ hẹp Thứ năm, WiFi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, kiến trúc đảm bảo liên thông tốt mạng đô thị… Chỉ có đời WiMax giải tất ba loại dich vụ mạng MAN Nó sử dụng trạm gốc để thiết lập tyến trục, phân phối dich vụ tới khách hàng riêng lẻ thiết lập nên vùng truy nhập dịch vụ Hiện nay, WiMax xem giải pháp tồn diện cơng nghệ khơng dây băng rộng đô thị, ngoại ô vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền khơng dây loại liệu, hình ảnh, âm nhanh DSL hay cáp, tất nhiên nhanh nhiều lần công nghệ không dây hành 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng Phạm vi bao phủ WiMax lên tới vài chục km với tốc độ lớn 70Mbps Băng thông WiMax đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hàng trăm thuê bao DSL Hiện việc triển khai mạng cable, DSL nhiều thời gian tốn mà kết số lượng khách hàng có nhu cầu mà khơng cung cấp dịch vụ Wimax khắc phục hạn chế này, có khả cung cấp dịch vụ nhanh chóng dễ dàng, nơi nông thôn, rừng núi,… nơi vơ khó khăn bất lợi việc triển khai hệ thống có dây khả khắc phục hạn chế mặt vật lý mạng có dây Trong tương lai, Wimax tích hợp vào thiết bị không cố định máy xách tay, PDA,… Một hệ thống WiMax gồm hai phần:(Hình 1) - Trạm phát: giống trạm BTS mạng thông tin di động với cơng suất lớn phủ sóng tới vùng rộng tới 8000km2 - Trạm thu: Có thể anten nhỏ như thẻ (Card) mạng cắm vào thiết lập có sẵn Mainboard bên máy tính, theo cách mà WiFi dùng Các trạm phát BTS kết nối tới mạng Internet thông qua đường truyền tốc độ cao dành riêng nối tới BTS khác trạm trung chuyển đường truyền thẳng LOS (Line of Sigh) WiMax phủ sóng tới vùng xa -5- Các anten thu/phát trao đổi thơng tin với qua tia sóng truyền thẳng tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, anten đặt cố định điểm cao, tín hiệu trường hợp ổn định tốc độ truyền đạt tối đa Băng tần sử dụng dùng tần số cao đến 66GHz tần số tín hiệu bị giao thoa với kênh tín hiệu khác băng thông sử dụng lớn Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự WiFi, tần số thấp, tín hiệu dễ dàng vượt qua vật cản, phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vịng qua vật thể để đến đích Hình 1: Mơ hình truyền thơng Wiamx Một số ứng dụng Wimax: Phủ sóng phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hỗ trợ đồng thời nhiều thuê bao cung cấp dịch vụ VoIP, Video mà ADSL cung chưa đáp ứng đặc tính ưu việt WiMax Các đường ADSL khu vực mà trước đường dây chưa tới truy cập Internet Do vậy, WiMax có nhiều ứng dụng tương lai WiMax -6- sáng sủa nhà sản xuất chip hàng đầu giới, Intel, quan tâm phát triển công nghệ WiMax Có thể kể số ứng dụng tiềm phát triển WiMax như:  Dịch vụ thoại liệu cho hộ gia đình doanh nghiệp nhỏ : Các khách hàng chủ yếu vùng nông thôn ngoại ô.Với nhiều loại CPE khác chức QoS , hệ thống WiMax cung cấp dịch vụ truy cập internet, VoIP, chơi game, truyền hình ảnh  Đa dịch vụ tới đơn vị kinh doanh : Khách hàng tập trung vùng thị, cơng ty,tập đồn, tổ chức, quan phủ Dịch vụ hướng tới tập khách hàng dịch vụ liệu băng rộng, dịch vụ thoại, đường thuê kênh - leased line, mạng riêng ảo-VPN, dịch vụ hội nghị truyền hình-Video Confernecing  Cung cấp đường truyền tới hotspot WiFi Với việc sử dụng loại CPE làm đường kết nối tới Hotspot (cấu trúc WiMax bên WiFi bên - WiFi inside, WiMax outside),các nhà cung cấp dịch vụ hướng tới khách hàng sân bay, trung tâm thương mại, quán cafe internet, khách sạn, trường học  Dịch vụ di động: Khi chuẩn 802.16e thức đời WiMax trở lên di động hoàn toàn Các thiết bị đầu cuối PDA, Palm, máy tính xách tay Dịch vụ lúc dịch vụ Multimedia  Bên cạnh đó, hệ thống WiMax giúp cho nhà khai thác di động phụ thuộc vào đường truyền phải thuê nhà khai thác mạng hữu tuyến, đối thủ cạnh tranh họ Hầu hết đường truyền dẫn BSC MSC hay MSC chủ yếu thực đường truyền dẫn cáp quang, tuyến viba điểm - điểm Phương pháp thay giúp nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai dịch vụ với phạm vi phủ sóng rộng mà khơng làm ảnh hưởng đến mạng  Ngoài ra, WiMax với khả phủ sóng rộng, khắp ngõ ngách thành thị nông thôn, công cụ hỗ trợ đắc lực lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay tổ chức cứu hộ khác trì thơng tin liên lạc nhiều điều kiện thời tiết địa hình khác -7- Những ưu điểm công nghệ WiMax: - Thơng lượng: Với việc sử dụng mơ hình điều chế linh hoạt mạnh mẽ, WiMax cung cấp thơng lượng cao phạm vi bao phủ rộng Các mơ hình điều chế thích ứng động cho phép BS cân thông lượng khoảng cách Thông lượng lớn WiMax đạt khoảng 75Mbps điều kiện truyền tốt - Khả mở rộng: Để thực dễ dàng việc triển khai (cell planning) dải tần cấp phép (licensed band) dải tần miễn phí (license-exempt), 802.16 cung cấp cách linh động độ rộng kênh truyền khác Ví dụ, nhà điều hành đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành chia làm hai sector, sector 10MHz, sector, sector 5MHz, điều ưu việt hẳn so với số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định WiFi Bằng việc tập trung công suất, nhà điều hành đảm bảo chất lượng, phạm vi bao phủ phần thông lượng Để mở rộng mạng, vùng bao phủ, họ sử dụng lại tần số - Phạm vi bao phủ: Để hỗ trợ cách mạnh mẽ linh động mô hình điều chế, Wimax cung cấp cơng nghệ làm tăng phạm vi bao phủ, bao gồm kỹ thuật Mesh topology anten thông minh (smart-antenna) - Chất lượng dịch vụ (QoS): Khả cung cấp dịch vụ voice đặc biệt quan trọng, môi trường tồn cầu Chính WiMax cung cấp thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai dịnh vụ voice, video với độ trễ thấp Tính request/grant lớp MAC 802.16 cho phép nhà điều hành cung cấp đồng thời dịch vụ với độ đảm bảo khác dịch vụ T1 best-effort, giống cable - Bảo mật: Tính bảo mật tích hợp sẵn 802.16 cung cấp chế truyền thông tin cậy an toàn 802.16 định nghĩa riêng lớp cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi lớp SS Triển vọng Wimax Việt Nam: Dù di chuyển vùng sâu, vùng xa, bạn kết nối Internet tốc độ cao, xem truyền hình theo u cầu, điện thoại VoIP…Mạng khơng dây băng rộng vẽ viễn cảnh cải thiện liên kết tỷ người với tỷ người tương lai -8- Hiện nối Internet đâu dù bạn nhà, công ty, điểm cà phê Internet tràn ngập thành phố, khách sạn, sân bay…nếu có “điểm truy cập” (hostpot) xuất hiện, WiFi Tuy nhiên bạn ngồi “vùng phủ sóng” hostpot, bạn đứt liên lạc Wimax phân phối điểm bắt đầu kết nối mạng băng rộng không dây khu vực rộng với nhiều dịch vụ mạnh hơn, tốc độ cao hơnkhi so sánh với mức truyền thống đường liên kết thuê riêng (Leased Line), dịch vụ nối Internet qua TV cáp (Cable Modem), dịch vụ liên kết số băng thông rộng (xDSLADSL VDC, FPT…)… Wimax cung ứng điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông “backhaul” cho nhà cung cấp dịch vụ, hệ thống hạ tầng cho khu vực (campus network) cho hostpot truy cập Internet Trong vài năm tới, kĩ thuật theo chuẩn 802.16e cho phép tạo ứng dụng không dây với tốc độ cao môi trương dày đặc người dùng, cho phép thiết lập liên kết liên tục với hệ thống mạng so với Cuộc “cách mạng” tốc độ: Wimax công nghệ không dây cho mạng MAN (mạng diện rộng khu vực – hay mạng diện rộng thành phố) dựa theo chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn thiết lập cho việc cung cấp kết nối đầu cuối dùng cơng nghệ mạng khơng dây băng rộng có tốc độ tương đương mức E1 (T1) hay xDSL cho doanh nghiệp hay hộ gia đình Wimax dùng cho việc liên kết hệ thống mạng (từ việc kết nối hệ thống mạng doanh nghiệp, kết nối trạm liên lạc, hostpot, vào hệ thống Internet dến việc kết nối điểm giao tiếp với hạ tầng viễn thông di động, backhaul) thay cho thiết bị tốn thiếu chuẩn hóa bị giới hạn nhằm mang lại hiệu lợi nhuận cao hơn, Wimax làm cách mạng tốc độ cho kết nối Internet tốc độ cao Wimax thiết kế mang lại chuẩn hóa cho cơng nghệ khơng dây băng rộng, qua giúp thiết bị lớn, đắt tiền hoạt động hiệu triển khai dịch vụ cách đơn giản hạ thấp chi phí gia tăng lợi nhuận cho nhà cung cấp thiết bị hay dịch vụ Qua Wimax dịch vụ viễn thông đạt hiệu cao Công nghệ Wimax cung cấp đủ dải tần làm sở để cung cấp cho nhiều dịch vụ thương mại với mức -9- dịch vụ tương đương E1 cho hàng trăm hộ gia đình truy cập Internet với tốc độ cao tương tự xDSL Các quốc gia phát triển thích hợp sử dụng cơng nghệ đầy tiềm Wimax việc triển khai hạ tầng mạng cách hiệu quả, nhanh chóng với giá thành hợp lý, góp phần phát triển mạng lưới viễn thông tới vùng nông thơn, vùng sâu, vùng xa, nơi khó triển khai hạ tầng sở mạng dây dẫn băng rộng Wiamx với kĩ thuật phủ sóng điện thoại di dộng tỏ hữu ích việc kết nối đương dài mà không cần đến dây cáp mạng Công nghệ cung cấp đường dây dẫn lưu động băng thông lớn theo chuẩn 802.16e phù hợp với phần cứng máy tính xách tay thiết bị tương lai khác, giúp việc truy nhập Internet dễ dàng nhanh chóng thiết bị di chuyển khỏi vùng phủ sóng điểm truy cập WiFi - 10 - b) Hoạt động OFDM Điều chế OFDM chia dải phổ sẵn có thành nhiều sóng mang độc lập Để đạt điều này, sóng mang phải trực giao với để khơng gây nhiễu sóng mang vị trí gần Trong tín hiệu OFDM, tất sóng mang truyền đồng thời Hai tín hiệu gọi trực giao đỉnh (peak ) tín hiệu sóng mang trùng với điểm khơng (null) tín hiệu khác với kết tín hiệu sóng mang đặt thẳng hàng Những tín hiệu sóng mang độc lập điều chế giải điều chế cách riêng rẽ Nếu hay hai sóng mang bị suy giảm hay bị tác động fading lựa chọn tần số (các tín hiệu tần số khác truyền với lượng phát vận tốc khác ) tác động nhỏ thơng tin trải sóng mang cịn lại Do truyền song song đồng thời nhiều sóng mang nên tốc độ liệu cao Vì tín hiệu OFDM truyền sóng mang song song, bit sửa lỗi trước (Forward Error Correction) thêm vào sóng mang để máy thu tái tạo lại bit thông tin bị nhiễu hay hiệu ứng đa đường Cơ chế sửa lỗi cho phép OFDM tăng tính tin cậy truyền liệu c) Những ưu điểm hệ thống OFDM  Cơng nghệ thích hợp cho hệ thống tốc độ cao  Thích hợp với với dụng không dây - 19 -  Rất hiệu môi trường đa đường dẫn  Sử dụng dải tần hiệu cho phép chồng phổ sóng mang Hạn chế ảnh hưởng fading chọn lọc tần số thành kênh fading phẳng tương ứng với tần số sóng mang OFDM khác  Phương pháp có ưu điểm quan trọng loại bỏ hầu hết giao thoa sóng mang giao thoa tín hiệu  Giải vấn đề fading trình thực điều chế giải điều chế OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT  OFDM có ưu điểm bật khác khắc phục tượng khơng có tầm nhìn thẳng tín hiệu đa đường dẫn  Độ bao phủ rộng độ đâm xuyên tốt hơn, cho phép cung cấp dịch vụ truy cập vô tuyến tới khách hàng trước không phục vụ, làm tăng doanh thu tiềm cho nhà điều hành mạng cung cấp dịch vụ  Giảm chi phí lắp đặt hoạt động trình lắp đặt đơn giản hơn, không yêu cầu điều kiện LOS (Line-of-Sight) đảm bảo nhu cầu cài đặt thêm thiết bị phụ trợ bổ sung  Hiệu sử dụng phổ cao, tức có nhiều liệu truyền qua dải thông so với công nghệ cạnh tranh d) Nhược điểm hệ thống OFDM Mặc dù OFDM có nhiều ưu điểm nêu trên, điều khơng có nghĩa OFDM khơng có nhược điểm:  Thứ nhất, địi hỏi khắt khe vấn đề đồng sai lệch tần số, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler di chuyển lệch pha gây nhiễu giao thoa tần số (InterCarrier Interference - ICI) mà kết phó bỏ trực giao tần số sóng mang làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Tuy nhiên OFDM giảm bớt phức tạp vấn đề đồng thông qua khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM điều chỉnh tần số thích hợp việc thêm GI đồng nghĩa với việc giảm thêm hiệu sử dụng phổ tần số - 20 -