LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRUYỀN THÔNG
Lịch sử truyền thông bắt nguồn từ rất xa xưa, gắn liền với sự phát triển của loài người Truyền thông được hiểu là quá trình trao đổi thông tin giữa các địa điểm khác nhau, bất kể khoảng cách địa lý Khi năng lượng của một thực thể thay đổi, thông tin cũng được sinh ra và truyền tải Ngày xưa, con người sử dụng các vật liệu sẵn có như người đưa tin hoặc chim bồ câu để truyền đạt thông tin, và ở những khoảng cách xa hơn, họ áp dụng các phương pháp báo hiệu như đốt lửa trên núi và thiết lập các trạm trung gian Những phương pháp này đều có vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông điệp và đạt được mục tiêu của việc truyền tin.
Theo thời gian, sự phát triển của khoa học và kỹ thuật đã nâng cao mức độ truyền tin, khiến truyền thông dần tách biệt khỏi hệ thống ban đầu Truyền thông không còn liên tục và phục hồi toàn phần như trước, mà phục vụ cho các mục đích sử dụng cụ thể và ngày càng tách biệt Hệ thống tin tức đã xuất hiện, tách ra khỏi chu trình khép kín, theo sự phát triển của khoa học và kỹ thuật Điều này làm cho truyền thông trở nên ngày càng có ý nghĩa hơn đối với con người, phục vụ cho các mục đích của con người.
Truyền thông ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội nhân loại Tại những nơi có tính cộng đồng, trật tự và thứ bậc, truyền thông trở thành yếu tố không thể thiếu trong các hoạt động của cộng đồng.
Quá trình phát triển của nhân loại gắn liền với sự tiến bộ của toàn cầu hóa, trong đó nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng trở nên cấp thiết Viễn thông nổi bật lên như một hình thức truyền thông quan trọng, giúp xóa nhòa ranh giới địa lý và khoảng cách không gian, đồng thời định hướng cho các yếu tố khác
Những mốc lớn trong lịch sử truyền thông và những lĩnh vực phát triển quan trọng liên quan phải kể đến đó là:
- Năm 1820, George Ohm đưa ra phương trình toán học để giải thích các tín hiệu điện chạy qua một dây dẫn
- Năm 1830 Michall Faraday tìm ra định luật cảm ứng điện từ
- Năm 1844 đường dây điện tín đầu tiên được thiết lập giữa Baltimore và Washington DC
- Năm 1849, bản tin đầu tiên được in ra
- Năm 1850, đại số Boole của George Boole tạo ra nền móng cho logic học
James Clerk Maxwell đã phát triển học thuyết trường điện từ thông qua các phương trình toán học Dựa trên những học thuyết này, Henrich Hertz đã thành công trong việc truyền và nhận sóng vô tuyến.
Tổng đài điện thoại đầu tiên được ra mắt vào năm 1876, ngay sau khi Alexander Graham Bell phát minh ra điện thoại Chỉ sau năm năm, Bell đã khởi động dịch vụ gọi đường dài giữa New York và Chicago Cùng thời điểm đó, Guglieno Marconi từ Italia cũng đã lắp đặt trạm phát sóng vô tuyến để truyền tải các tín hiệu điện tín.
Vào năm 1900, nhà vật lý Einstein đã công bố nhiều tài liệu quan trọng về vật lý chất rắn, thống kê học, điện từ trường và cơ học lượng tử Cùng thời điểm này, phòng thí nghiệm Bell tại Mỹ đã phát minh ra ống phóng điện cực cho kính thiên văn xoay được Sau đó, Le De Forest đã tiên phong trong lĩnh vực vi mạch điện tử với phát minh ống chân không ba cực Hệ thống tổng đài tương tự tự động cũng được cải tiến, cho phép hoạt động mà không cần bảng chuyển mạch.
Vào năm 1910, Erwin Schrodinger đã đặt nền móng cho cơ học lượng tử thông qua việc phát triển phương trình sóng, nhằm giải thích cấu trúc và các đặc điểm của nguyên tử Cùng thời điểm này, phát thanh công cộng cũng bắt đầu phát sóng.
Vào năm 1920, Harold S Black từ phòng thí nghiệm Bell đã phát minh ra máy khuếch đại phản hồi âm bản, một thiết bị quan trọng vẫn được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ máy điện đàm ngày nay.
- V.K.Zworykin đã phát minh ra đèn hình cho vô tuyến truyền hình và cáp đồng trục
Cuối những năm 1940, phòng thí nghiệm Bell đã đặt nền móng cho các chất bán dẫn có độ tích hợp cao Howard Aiken từ Đại học Harvard đã hợp tác với IBM để lắp đặt máy tính đầu tiên có kích thước 50 feet và 8 feet Tiếp theo, J Presper Eckert và John Mauchly từ Đại học Pennsylvania đã phát triển máy tính ENIAC, đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ máy tính Dựa trên những thành tựu này, Von Neumann đã phát triển máy tính có khả năng lưu giữ chương trình.
Vào những năm 1960, sự phát triển và thương mại hóa thành công của các công nghệ như LSI (Large Scale Integrated), máy tính mini, cáp quang và máy phân chia thời gian đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử.
- Vào những năm 1970, truyền hình ảnh qua vệ tinh, các hệ thống tổng đài điện tử cũng lần lượt ra đời
Trong giai đoạn này, các công trình toán học và vật lý học đã có sự phát triển mạnh mẽ, tạo nền tảng cho những thành công trong các nghiên cứu thực nghiệm
The 0G generation marks the inception of mobile communication, featuring technologies such as Push to Talk, Mobile Telephone System (MTS), Improved Mobile Telephone Service (IMTS), and various AMTS systems This initial generation is recognized as the predecessor to today's cellular networks.
Thế hệ đầu tiên của viễn thông không dây, hay còn gọi là 1G, xuất hiện vào đầu thập niên 80 của thế kỷ 20, với tín hiệu radio analog Nhà mạng đầu tiên hoạt động trong lĩnh vực này là NTT tại Nhật Bản vào năm 1979 1G sử dụng các antenna thu phát sóng gắn ngoài, kết nối tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và xử lý thoại qua các module trong máy di động Do đó, những chiếc điện thoại di động đầu tiên có kích thước lớn và cồng kềnh.
Thế hệ di động đầu tiên dựa trên chuẩn GSM được ra mắt vào năm 1991 bởi Nokia và Radiolinja, đánh dấu sự xuất hiện của dịch vụ dữ liệu di động và SMS Hai công nghệ nổi bật trong thế hệ này là TDMA và CDMA, cùng với các phương pháp ghép kênh, tạo ra nhiều công nghệ khác nhau Đến nay, công nghệ GSM vẫn được sử dụng phổ biến trên toàn cầu.
MẠNG 4G VÀ CÁC TỔ CHỨC TIÊU CHUẨN
ĐỊNH NGHĨA VỀ MẠNG 4G
Mạng 4G được định nghĩa là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây, với băng thông rộng và tốc độ cao, đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà các mạng trước đó không thể cung cấp Nó cho phép kết nối mọi lúc, mọi nơi, đồng thời hỗ trợ khả năng tương tác và di động toàn cầu, cung cấp profile riêng cho từng khách hàng Mạng 4G cũng đảm bảo chuyển giao liên tục giữa các nền tảng công nghệ, thể hiện mong muốn của các công ty viễn thông, nhà nghiên cứu, tổ chức tiêu chuẩn và người dùng.
Người dùng nhận thấy rằng mạng 4G vượt trội hơn so với mạng hiện tại, vì nó khắc phục những bất cập mà họ thường gặp Với những cải tiến đáng kể, 4G mang lại trải nghiệm mạng tốt hơn và nhiều tính năng mới mẻ hơn.
Mạng 4G mang lại cho các nhà cung cấp dịch vụ khả năng triển khai các dịch vụ mới mà nền tảng hiện tại không đáp ứng được, đồng thời mở ra những cơ hội thương mại Thế hệ mạng tiếp theo này vượt trội hơn 3G với những đặc điểm được định lượng cụ thể, tạo ra sự cân bằng giữa người dùng và nhà cung cấp, kỹ thuật và khả năng, trải nghiệm và chi phí, cũng như giữa hiện tại và chiến lược phát triển Định nghĩa 4G hiện nay được chia thành hai nhóm chính: định nghĩa của các tổ chức tiêu chuẩn và định nghĩa của các nhà sản xuất, nhà cung cấp dịch vụ Sự khác biệt giữa hai định nghĩa này chủ yếu nằm ở mối quan hệ giữa tốc độ và chất lượng dịch vụ, do các vấn đề kỹ thuật và kinh tế đã hạn chế khả năng đáp ứng của 4G từ các nhà cung cấp dịch vụ Về mặt kỹ thuật, mạng 4G phải đảm bảo tốc độ nhanh hơn 3G để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Vào tháng 5/2013, SAMSUNG, một trong những nhà sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu thế giới, đã công bố chip 5G với tốc độ đỉnh lên đến 10Gbps, vượt xa gấp 10 lần yêu cầu của tổ chức tiêu chuẩn ITU Điều này cho thấy rằng công nghệ 4G của các nhà sản xuất hiện nay không chỉ đáp ứng mà còn vượt qua các tiêu chuẩn đặt ra.
1.2.1.1 TỔ CHỨC TIÊU CHUẨN ITU
ITU là Tổ chức viễn thông quốc tế thuộc Liên hiệp quốc, được thành lập vào năm
Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), được thành lập vào năm 1865 với tên gọi ban đầu là Liên minh Điện báo quốc tế, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghệ thông tin và viễn thông ITU phối hợp các quốc gia trên toàn cầu để chia sẻ và sử dụng tài nguyên viễn thông như tần số vô tuyến và quỹ đạo vệ tinh, đồng thời hỗ trợ phát triển cơ sở hạ tầng viễn thông tại các nước đang phát triển Ngoài ra, ITU còn xây dựng các tiêu chuẩn chung và nghiên cứu giải pháp cho những thách thức toàn cầu hiện nay, bao gồm biến đổi khí hậu và an ninh thông tin.
ITU có 3 lĩnh vực hoạt động chính gồm: ITU-T (Viễn thông - Telecom), ITU-R (Thông tin vô tuyến - Radio), ITU-D (Phát triển viễn thông - Telecommunications Development)
Tổ chức ITU đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của lĩnh vực truyền thông thông qua các khuyến nghị ITU-Recommendation Năm 2000, ITU đã giới thiệu IMT-2000, xác định các đặc điểm kỹ thuật cần thiết cho truyền thông 3G Đến năm 2008, tổ chức này tiếp tục đề xuất yêu cầu IMT-Advanced, làm cơ sở cho sự phát triển của truyền thông thế hệ thứ 4.
In 2008, the ITU proposed IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) to advance next-generation communication, outlining specific requirements detailed in a document by the ITU-R group.
Các hệ thống IMT-Advanced sẽ cung cấp hỗ trợ cho các ứng dụng di động từ cơ bản đến nâng cao, đồng thời đáp ứng một dải tốc độ dữ liệu rộng, phù hợp với nhu cầu của người dùng và yêu cầu dịch vụ.
ITU VÀ IMT-ADVANCED
đa môi trường Các hệ thống này có thể cung cấp các ứng dụng đa phương tiện chất lượng cao trong các dịch vụ và nền tảng khác nhau
IMT-Avanced được xem xét từ nhiều phương diện, gồm những người sử dụng, hãng sản xuất, phát triển nội dung, và cung cấp mạng lưới
Yêu cầu cho truyền thông thế hệ thứ 4 bao gồm các điểm chính :
* Các chức năng theo tiêu chuẩn chung trên thế giới cùng với duy trì khả năng mềm dẻo với nhiều dịch vụ và ứng dụng và hiệu quả
* Các dịch vụ tương thích trong IMT và với các mạng cố định
* Khả năng liên kết mạng với các hệ thống truy nhập radio khác
* Dịch vụ di động chất lượng cao
* Thiết bị người dùng có thể sử dụng trên toàn thế giới
* Thiết bị, dịch vụ, ứng dụng thân thiện với người dùng
* Có khả năng chuyển vùng trên toàn thế giới
Mở rộng tốc độ đỉnh dữ liệu là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng tiên tiến, với tốc độ 100Mbps cho các ứng dụng yêu cầu băng thông cao và 1Gbps cho những nhu cầu di chuyển với tốc độ thấp, đã được xác định là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.
CÁC ỨNG VIÊN CHO MẠNG THẾ HỆ THỨ TƯ
WIFI VÀ IEEE 802.11ac
1.3.1.1 Wi-Fi VÀ CÁC CHUẨN ĐÃ THƯƠNG MẠI HÓA
Wi-Fi được chuẩn hóa bởi Viện Điện và Điện tử theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, với các chữ cái bổ sung để phân biệt các phiên bản phát triển Công nghệ Wi-Fi bắt nguồn từ năm 1985 dưới sự quản lý của FCC và đến năm 1999, tổ chức Wi-Fi Alliance được thành lập để quản lý việc trao đổi sản phẩm liên quan Với sự phát triển và triển khai kéo dài, Wi-Fi đã trở thành công nghệ kết nối không dây phổ biến nhất trên toàn cầu, hiện diện trong mọi thiết bị cá nhân cũng như trong các hệ thống mạng của doanh nghiệp và hộ gia đình.
Wi-Fi đã trải qua nhiều phiên bản phát triển, được phân loại theo bảng chữ cái, nhưng chỉ một số phiên bản đủ điều kiện để phổ biến trên các thiết bị đầu cuối Hiện tại, Wi-Fi chuẩn n đang được sử dụng rộng rãi, trong khi một số thiết bị cũ vẫn hoạt động với chuẩn g nhờ tính tương thích ngược Tổ chức IEEE phân loại Wi-Fi vào nhóm WLAN, với tầm hoạt động từ vài trăm mét đến hàng chục km đối với các thiết bị chuyên dụng.
Chuẩn Wi-Fi ac hoạt động trên băng tần 5GHz, cung cấp tốc độ lý thuyết lên đến 1.3Gbps, gấp hơn hai lần so với chuẩn 802.11n khi sử dụng mô hình antenna 3x3 Nó tương thích ngược với các chuẩn Wifi b/g/n ở băng tần 2.4GHz và a/n ở băng tần 5GHz Chuẩn ac cũng được trang bị nhiều công nghệ mới, mang lại những nâng cấp vượt bậc so với các chuẩn cũ.
+ Độ rộng băng từ 40MHz có thể lên đến 80MHz hay 160MHz + Sử dụng điều chế 256-QAM
+ Nâng số luồng phân tập lên 8 luồng + Bổ sung chế độ MU-MIMO
WiMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho kết nối băng rộng không dây, thuộc nhóm WirelessMAN Được phát triển bởi WiMAX Forum từ tháng 6/2001, WiMAX được mô tả là "tiêu chuẩn kỹ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng tương tự như cáp và DSL." Vào ngày 19/10/2007, ITU đã bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN (WiMAX di động) vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000 WiMAX di động dựa trên chuẩn 802.16e của IEEE và cần tuân thủ các tiêu chuẩn của Wimaxforum Đến tháng 8/2012, ITU đã chính thức công nhận WiMAX là hợp chuẩn IMT-Advanced với Release 2.
1.3.3 CÔNG NGHỆ LTE và LTE-A
Công nghệ LTE, được phát triển bởi tổ chức 3GPP, là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực viễn thông, kế thừa và cải tiến từ các nền tảng GSM, UMTS LTE không chỉ bao gồm các đặc điểm của các công nghệ cũ mà còn phát triển những tính năng mới, giải quyết vấn đề không tương thích với các nền tảng trước đó như thoại trên GSM Công nghệ này còn được biết đến với tên gọi E-UTRA hay E-UTRAN, đánh dấu sự tiến bộ trong chuỗi phát triển từ GSM đến UMTS, HSPA, và CDMA.
Mục tiêu xây dựng chuẩn bao gồm:
* Tăng tốc ở hai đường lên và đường xuống downlink và uplink
* Tăng hiệu quả sử dụng phổ
* Toàn bộ triển khai trên nền IP
* Giao diện cơ sở hỗ trợ đa dạng các mục đích sử dụng
1.3.3.1 CÔNG NGHỆ LTE Đặc tả của LTE được mô tả trong Release 8/9 của tổ chức 3GPP Những đặc điểm quan trọng của LTE :
* Tốc độ đỉnh trên đường xuống 300Mbps và đường lên 75Mbps Trễ chuyển giao nhỏ hơn 5ms, hỗ trợ di chuyển tốc độ cao lên tới 350km/h
Sử dụng kết hợp phương pháp song công TDD và FDD giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng Đường xuống áp dụng kỹ thuật truy cập OFDMA, trong khi đường lên sử dụng SC-FDMA, nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên.
Phạm vi phủ sóng của các định dạng cell có thể đạt tới 100km, phục vụ cho 200 máy truy cập dữ liệu Hệ thống hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau, với phạm vi từ 1,4MHz đến 20MHz, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể.
* Hỗ trợ mạng CDMA cũng như DVB-H và Mobile-TV
* Hỗ trợ đa dịch vụ và các dịch vụ đa phương tiện
LTE-A là sự phát triển tiếp theo của LTE, nhằm nâng cao tốc độ và giảm chi phí, đồng thời đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn quốc tế cho thế hệ mạng tiếp theo.
*Tăng tốc đường xuống 3Gbps và đường lên 1.5Gbps
*Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ từ 16bps/Hz trong Rel.8 lên 30bps/Hz trong Rel.10
*Tăng số lượng các thuê bao đồng thời sử dụng
*Tăng hiệu quả sử dụng ở biên cell ít nhất là 2.4bps/Hz
*Bổ sung thêm nhiều công nghệ mới kết tập sóng mang, mở rộng hỗ trợ đa anten và chuyển tiếp node
*Hỗ trợ độ rộng băng tần lên 100MHz
*Sự hỗ trợ của các nhà mạng lớn cũng như các nhà sản xuất bán dẫn trên thế giới
Thiết bị di động đã trở thành một phần quan trọng trong thương mại, đồng thời là công nghệ truy cập không dây băng rộng tiềm năng, góp mặt trong mạng thế hệ mới và cạnh tranh với công nghệ WiMAX.
1.3.4 NHẬN XÉT CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Khoa học và kỹ thuật đang phát triển nhanh chóng, đánh dấu kỷ nguyên kinh tế số và "INTERNET OF THINGS", nơi mọi thứ đều có thể kết nối mạng Xu hướng phát triển của nhà thông minh, thiết bị giao thông, dịch vụ công cộng tự động và y học đang đạt được những bước tiến vượt bậc Yêu cầu truyền thông xuất hiện tự nhiên giữa các ứng dụng công nghệ trong xã hội, từ điện thoại di động đến bóng đèn điện, tất cả đều cần Internet Khi các đường truyền trở thành đường truyền dữ liệu, xu hướng công nghệ chuyển dịch từ thiết bị cầm tay sang thiết bị đeo được, cho thấy tương lai gần sẽ có sự kết nối chặt chẽ giữa cá nhân và môi trường thông tin chung Hạ tầng viễn thông có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của các ngành nghề khác, trong khi hạ tầng truyền thông tại Việt Nam hiện đang ở mức trung bình toàn cầu, chậm 10 năm so với xu hướng và 5 năm so với công nghệ ở các nước phát triển.
Hàn Quốc và Nhật Bản đã áp dụng công nghệ 4G từ năm 2009, trong khi Việt Nam vẫn đang sử dụng công nghệ 3G Các thiết bị di động hiện nay chủ yếu được sản xuất bởi các hãng lớn như Nokia, Apple, và Blackberry, nhưng chúng không hoàn toàn tương thích với khả năng cung cấp của các nhà mạng Sự phát triển của các tiêu chuẩn như 802.11, 802.20, và 802.22 đang hướng tới việc cải thiện khả năng kết nối, với tiêu chuẩn 802.16 trở thành trung tâm trong tương lai WiMAX, được hỗ trợ bởi Intel và các nhà mạng lớn như AT&T và Verizon, cho thấy sự linh hoạt trong triển khai và ứng dụng, đồng thời độc lập với các nền tảng truyền thông hiện tại Mặc dù WiMAX gặp khó khăn trong việc phát triển hạ tầng, nó cũng mở ra cơ hội cho sự phát triển tiếp theo và tạo ra môi trường cạnh tranh Các cải tiến của WiMAX để phù hợp với công nghệ LTE sẽ giúp khắc phục những thiếu sót của nền tảng hiện tại, do đó, việc nghiên cứu công nghệ WiMAX là cần thiết.
LỊCH SỬ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN WiMAX
Năm 1998, IEEE đã thành lập nhóm 802.16 nhằm phát triển tiêu chuẩn cho mạng không dây đô thị (WirelessMAN) Nhóm tập trung vào giải pháp trong băng tần 10GHz đến 66GHz, với mục tiêu chính là cung cấp kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp mà không cần sử dụng cáp quang Các hệ thống này tương tự như hệ thống LMDS, hoạt động với cấu hình PMP trong điều kiện LOS.
Chuẩn WirelessMAN-SC, được phê duyệt vào tháng 12/2001, áp dụng kỹ thuật điều chế đơn sóng mang và ghép kênh TDM ở lớp truy nhập môi trường, hỗ trợ cả hai chế độ song công FDD và TDD.
Vào tháng 6 năm 2001, Wimaxforum được thành lập dựa trên chuẩn 802.16 với nhiệm vụ giải quyết vấn đề tương tác và chứng nhận, tương tự như những gì mà Wi-Fi Alliance đã thực hiện WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access, là một biểu hiện của chuẩn IEEE 802.16 Tên gọi WiMAX được diễn đàn Wimaxforum đặt ra nhằm mục tiêu phát triển kỹ thuật truyền dẫn không dây hiệu quả như các kết nối cáp và DSL.
Vào năm 2003, IEEE 802.16a đã được công bố với các điều chỉnh để hoạt động trong dải tần 2÷11GHz, cho phép triển khai trong điều kiện NLOS Tiêu chuẩn này cũng bổ sung lược đồ OFDM, hỗ trợ môi trường đa đường và kỹ thuật truy cập hiệu quả.
In 2004, the IEEE released IEEE 802.16-2004, which replaced the previous standards 802.16, 802.16a, and 802.16c During this time, the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) recognized 802.16 as the foundation for HIPERMAN (high-performance metropolitan area network).
Vào năm 2003, nhóm 802.16 đã bắt đầu mở rộng đặc tả để hỗ trợ ứng dụng di động trên các thiết bị giao thông như xe và tàu Quá trình này hoàn thành vào tháng 12 năm 2005 và được công bố dưới dạng IEEE 802.16e-2005.
Wimaxforum đã khởi động quá trình kiểm tra và công bố các sản phẩm đạt chứng nhận WiMAX cố định đầu tiên vào năm 2006, tiếp theo là các sản phẩm WiMAX di động.
Vào năm 2006, nhà mạng Korea Telecom đã ra mắt phiên bản WiMAX di động với tên gọi Wibro, hoạt động ở băng tần 2,3GHz Hệ thống này dựa trên chuẩn 802.16 nhưng không tương thích với chuẩn 802.16e-2005.
Trong năm 2008 đã có trên 260 nhà cung cấp dịch cố định, di động và trong 110 quốc gia áp dụng WiMAX
Khoá họp Hội đồng thông tin vô tuyến 2007 (RA-07) của ITU diễn ra tại Thụy Sĩ từ 15 đến 19 tháng 10 năm 2007, đã chính thức thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN (WiMAX di động) vào danh sách giao diện vô tuyến IMT-2000.
Năm 2011, tổ chức IEEE công bố phiên bản 802.16m nhằm đáp ứng các yêu cầu của ITU đưa ra
Năm 2012, ITU chính thức thông qua WiMAX Release 2 phù hợp với yêu cầu IMT-Advanced
Vào ngày 26/11/2013, wimaxforum đã công bố lộ trình hội tụ giữa công nghệ TDD-LTE và mạng PHS, đồng thời cập nhật tình hình tiến triển của các nhà mạng trong việc chuyển đổi nền tảng trên toàn cầu.
WiMAX được phát triển qua ba giai đoạn chính, bắt đầu từ yêu cầu thiết kế dựa trên nhu cầu thị trường và các yếu tố kỹ thuật hiện tại Các tổ chức tiêu chuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mục đích của chuẩn này Sau khi xác định được mục tiêu thiết kế, tổ chức tiêu chuẩn IEEE tiến hành xây dựng chuẩn với hai lớp dưới cùng trong mô hình tham chiếu OSI Sau khi chuẩn được công bố, diễn đàn WiMAX tiếp tục phát triển với các đặc tả và yêu cầu chi tiết cho các lớp, giao diện và tham số của mô hình Cuối cùng, cấp chứng nhận đạt tiêu chuẩn cho các sản phẩm được thực hiện cho các nhà sản xuất thiết bị Những nhà thiết kế chuẩn IEEE thường là các kỹ sư từ các công ty thương mại, thành viên của WiMAX Forum và tham gia vào các dự án tại ITU-T, đặc biệt là bộ phận ITU-R trong dự án IMT-x.
* Trạng thái các chuẩn IEEE 802.16
Các dự án trong giai đoạn tiền bản thảo
Project P802.16q: Bổ sung Multi-Tier (tới IEEE Std 802.16) Project P802.16r: Small Cell Backhaul với Ethernet (tới IEEE Std 802.16)
Project P802.16.3: Mobile Broadband Network Performance Measurements (là một chuẩn độc lập)
Các chuẩn trong trạng thái tích cực
IEEE 802.16-2012 là bản xem lại của tiêu chuẩn IEEE Std 802.16, bao gồm các tiêu chuẩn IEEE Std 802.16h, IEEE Std 802.16j, và IEEE Std 802.16m, nhưng không bao gồm giao diện radio WirelessMAN-Advanced, đã được chuyển sang IEEE Std 802.16.1 Tiêu chuẩn này được phê duyệt bởi Hội đồng Tiêu chuẩn IEEE-SA vào ngày 08 tháng 06 năm 2012 và được công bố vào ngày 17 tháng 08 năm 2012.
+ IEEE Std 802.16p (Bổ sung đầu tiên của IEEE Std 802.16- 2012): Mở rộng hỗ trợ các ứng dụng M2M Được phê duyệt bởi IEEE-SA Standards Board, 30/09/2012; công bố 08/10/2012
+ IEEE Std 802.16n (Bổ sung thứ hai của IEEE Std 802.16- 2012): Higher Reliability Networks Được phê chuẩn bởi IEEE-SA Standards Board, 06/03/2013; công bố 19/06/2013
- IEEE 802.16.1-2012: WirelessMAN-Advanced Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Được phê chuẩn bởi IEEE-
SA Standards Board, 08/06/2012; công bố 07/09/2012
+ IEEE Std 802.16.1b (Bổ sung đầu tiên của IEEE Std 802.16.1-2012): Mở rộng hỗ trợ các ứng dụng M2M Được phê chuẩn bởi IEEE-SA Standards Board, 30/09/2012; công bố 10/10/2012
+ IEEE Std 802.16.1a (Bổ sung thứ hai của IEEE Std 802.16.1-2012): Higher Reliability Networks Được phê chuẩn bởi IEEE-SA Standards Board, 06/03/2013; công bố 25/06/2013
- IEEE Std 802.16.2-2004 (phê chuẩn lại trong 05 năm, 25/03/2010)
- IEEE Std 802.16k-2007 Các tiêu chuẩn chuyển đổi
- IEEE Std 802.16-2009, bổ sung bởi
IEEE Std 802.16j-2009 IEEE Std 802.16h-2010 IEEE Std 802.16m-2011
- IEEE Std 802.16-2004, bổ sung bởi
IEEE Std 802.16g-2007 IEEE Std 802.16f-2005 IEEE Std 802.16e-2005
IEEE Std 802.16-2004/Cor1-2005 (công bố cùng với IEEE 802.16e-2005)
- IEEE Std 802.16-2001 bổ sung bởi
- IEEE Std 802.16.2-2001 Các chuẩn thu hồi sau vòng đời 05 năm
- IEEE Std 802.16/Conformance01-2003 (thu hồi 26/01/2009)
- IEEE Std 802.16/Conformance02-2003 (thu hồi 26/01/2009)
- IEEE Std 802.16/Conformance03-2004 (thu hồi 09/01/2010) Các dự án kết thúc chu kỳ
* Các tiêu chuẩn đã thương mại hóa
Trong số các tiêu chuẩn do IEEE phát hành, hai tiêu chuẩn 802.16d và 802.16e đã được thương mại hóa và phổ biến rộng rãi, được chứng nhận bởi wimaxforum Danh sách các thiết bị đạt tiêu chuẩn này bao gồm nhiều nhà cung cấp lớn như Lenovo và Intel.
Hiện nay, các nhà sản xuất thiết bị đã cho ra mắt các thiết bị tham chiếu chuẩn 802.16m, bao phủ toàn bộ hạ tầng mạng WiMAX, bao gồm thiết bị người dùng (UE) và trạm gốc (BS).
KIẾN TRÚC WiMAX
Chuẩn kiến trúc 802.16 dựa trên mô hình OSI, bao gồm hai lớp cơ bản là lớp vật lý và lớp điều khiển truy nhập môi trường Chuẩn này phân chia thành hai mặt phẳng tham chiếu: mặt phẳng quản lý và điều khiển, cùng với mặt phẳng dữ liệu Trong mặt phẳng dữ liệu, lớp MAC được chia thành ba lớp nhỏ hơn.
* Lớp con phần chung MAC: MAC CPS
* Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng: CS Tham chiếu mặt phẳng quản lý, mô hình phân làm các lớp
* Quản lý thông tin cơ sở MIB
* Quản lý CX Coexistence Protocol
Distributed Radio Resource Management Distributed Coexistence Information Database
Toàn bộ mô hình tham chiếu cấu thành một thực thể trừu tượng: NCMS
Lớp CS thực hiện ánh xạ dữ liệu từ bên ngoài qua CS_SAP, cho phép các đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU đi vào lớp MAC CPS thông qua MAC_SAP Quá trình này bao gồm việc phân loại và kết hợp chính xác các SDU từ mạng với bộ định danh luồng dịch vụ và bộ định danh liên kết, đồng thời thực hiện các chức năng như loại bỏ tiêu đề tải Đặc tả đa CS được cung cấp để giao diện với nhiều giao thức khác nhau, trong khi định dạng bên trong của tải là duy nhất, và MAC CPS không yêu cầu hiểu hay phân tích thông tin từ tải CS.
Lớp MAC CPS đảm nhiệm các chức năng cốt lõi như truy cập hệ thống, cấp phát băng thông, thiết lập và duy trì liên kết Nó nhận dữ liệu từ các CS khác nhau qua MAC_SAP và phân loại các liên kết cụ thể tới MAC Tại lớp này, QoS được áp dụng để lập lịch truyền dữ liệu trên lớp PHY.
MAC có một lớp bảo mật riêng, cung cấp xác thực, trao đổi khóa bảo mật và mã hóa Dữ liệu, điều khiển PHY và các thống kê được truyền giữa MAC CPS và PHY thông qua PHY_SAP Định nghĩa PHY bao gồm nhiều đặc tả, mỗi đặc tả tương ứng với một dải tần và ứng dụng cụ thể.
The management and control plane of WirelessMAN-CX, known as the "CX Management part," consists of the Distributed Coexistence Information Database, Distributed Radio Resource Management, and the Coexistence Protocol (CXP) All these components operate at the same MAC layer level.
Các thiết bị IEEE 802.16, bao gồm SS, MS và BS, có thể là một phần của mạng lớn hơn và cần giao tiếp với các thực thể khác để phục vụ cho mục đích quản lý và điều khiển.
Hệ thống Quản lý và Kiểm soát Mạng (NCMS) được mô tả như một "hộp đen" chứa các thực thể trừu tượng, cho phép các lớp PHY/MAC trong tiêu chuẩn IEEE 802.16 hoạt động độc lập với kiến trúc mạng, mạng truyền tải và giao thức backend Điều này mang lại tính linh hoạt cao trong việc quản lý và tối ưu hóa mạng.
Logic NCMS được áp dụng ở cả hai mặt BS và SS/MS của giao diện radio, được xác định bởi NCMS(BS) và NCMS(SS/MS) Mọi sự phối hợp cần thiết trong hệ thống này đều phải tuân theo các quy định đã đề ra.
BS đều bị quản lý thông qua NCMS(BS)
NCMS tích hợp Control SAP (C-SAP) và Management SAP (M-SAP), giúp thể hiện rõ ràng chức năng điều khiển và quản lý ở cấp độ cao hơn Hệ thống NCMS sử dụng C-SAP và M-SAP để giao tiếp hiệu quả với toàn bộ tiêu chuẩn IEEE802.16.
Để đảm bảo hoạt động chính xác cho MAC, NCMS sẽ hiện diện trong mỗi SS/MS NCMS được coi là một lớp thực thể độc lập, hoạt động như một thực thể quản lý hoặc điều khiển.
Các thực thể quản lý hệ thống có thể thực hiện nhiệm vụ thông qua NCMS, sử dụng các giao thức quản lý tiêu chuẩn được áp dụng trong NCMS Mô hình tham chiếu quản lý là một phần quan trọng trong quy trình này.
Hệ thống quản lý mạng (NMS) bao gồm các node như BS, MS và SS, chịu trách nhiệm thu thập và lưu trữ thông tin quản lý dưới định dạng WirelessMAN Interface MIB và Device MIB Thông tin này được truyền tới NMS qua các giao thức quản lý hoặc sử dụng giao thức Simple Network Management Protocol (SNMP) Hệ thống điều khiển mạng tích hợp luồng dịch vụ và thông tin, yêu cầu phải được lưu trữ tại BS khi SS hoặc MS kết nối vào mạng.
Thông tin quản lý giữa SS/MS và BS sẽ được truyền tải qua liên kết quản lý thứ hai dành cho các SS/MS Nếu liên kết này không tồn tại, các thông điệp SNMP hoặc các giao thức quản lý khác có thể được gửi qua các giao diện khác vào trong mào đầu của khách hàng hoặc qua một liên kết truyền tải trên giao diện không dây.
Nhiều SS hoặc MS có khả năng kết nối với một BS thông qua giao diện U Việc truyền thông giữa SS hay MS đến BS diễn ra qua các liên kết quản lý sơ cấp, liên kết cơ bản, hoặc liên kết thứ cấp.
Hình 3 Kiến trúc mạng toàn cục [5]
Các thành phần tham chiếu gồm:
* ASN – Access Service Network: mạng truy nhập của WiMAX cung cấp giao diện giữa người sử dụng và mạng dịch vụ lõi Chức năng được định nghĩa:
+ Chuyển giao + Xác thực thông qua proxy server , xác thực ủy quyền và tạo tài khoản –AAA hay còn gọi là máy chủ AAA
+ Quản lý tài nguyên vô tuyến –RRM + Tương tác với các ASN khác
+ Chuyển tiếp giữa CSN và MS + Base station cung cấp giao diện thực sự giữa mobile người sử dụng và mạng WiMAX
ASN gateway là một giải pháp quan trọng trong việc liên kết và quản lý di động, cho phép điều phối hoạt động giữa các mạng cung cấp dịch vụ Nó thực hiện xử lý điều khiển thuê bao và gánh lưu lượng dữ liệu hiệu quả Đồng thời, ASN gateway cũng hoạt động như một hệ thống xác thực EAP cho các định danh thuê bao và đóng vai trò như một dịch vụ RADIUS khách với máy chủ AAA.
CÁC LỚP CON TRONG CHUẨN IEEE 802.16
2.3.1 LỚP CON HỘI TỤ DỊCH VỤ ĐẶC TRƯNG
Lớp trên cùng trong mô hình dữ liệu chuẩn IEEE 802.16 giao tiếp với các lớp phía trên qua giao diện CS SAP, nơi mọi gói tin và dịch vụ đều phải đi qua để tiếp cận các lớp bên dưới Các hành vi của lớp này có thể được liệt kê một cách rõ ràng.
* Nhận các PDU từ lớp cao hơn
* Phân loại các PDU từ các lớp trên
* Xử lý(nếu được yêu cầu) các PDU ở lớp trên dựa trên sự phân loại
* Phân phối các PDU tới MAC SAP phù hợp
* Nhận các PDU từ các thực thể ngang hàng Hiện tại, ba đặc tả CS được cung cấp : CS ATM, packet CS, và các gói CS chung
CS ATM là một giao diện logic kết nối với các dịch vụ ATM khác qua SAP CPS MAC, hỗ trợ hội tụ với các PDU phát sinh từ giao thức lớp ATM Nó nhận cell ATM từ lớp ATM, thực hiện phân loại, loại bỏ tiêu đề tải và cung cấp các PDU CS đến SAP MAC tương ứng.
Packet CS hoạt động trên đỉnh của CPS MAC, thực hiện chức năng phân loại PDU từ các lớp cao hơn và chuyển tiếp vào liên kết thích hợp Nếu cần, CS sẽ loại bỏ thông tin tiêu đề tải và phân phát kết quả đến SAP MAC liên kết với luồng dịch vụ, đồng thời nhận các PDU CS từ SAP MAC ngang hàng và khôi phục thông tin tiêu đề tải bị loại bỏ CS có trách nhiệm phân phối SDU MAC tới SAP MAC, đảm bảo QoS, phân mảnh, ghép nối và các chức năng truyền tải khác Chúng được liên kết với đặc tính luồng dịch vụ của liên kết cụ thể, trong khi CS thu nhận SDU MAC từ lớp SAP MAC tương đương và phân phối đến lớp cao hơn Packet CS được sử dụng cho truyền tải với tất cả các giao thức dựa trên gói, đồng thời hỗ trợ chính thức IEEE 802.3/Ethernet và IP, mô tả rõ ràng các cơ chế hoạt động.
Generic Packet CS (GPCS) là giao thức lớp cao hơn hỗ trợ đa giao thức trên giao diện không dây của IEEE 802.16 GPCS cung cấp lớp hội tụ gói tổng quát, sử dụng SAP MAC cho các ứng dụng của nó mà không định nghĩa lại các lớp con hội tụ khác Thay vào đó, GPCS cung cấp một SAP không đặc tả giao thức, cho phép phân tích gói diễn ra phía trên GPCS, với các tham số phân loại được chuyển tới SAP GPCS để thực hiện phân loại tham số hóa.
Các giao thức lớp cao hơn được xác định thông qua tham số TLV (type/length/value) theo kiểu giao thức GPCS GPCS thiết lập một tập hợp các tham số của SAP, phản ánh kết quả của quá trình này.
Gói dữ liệu được phân tích ở lớp cao hơn sẽ được truyền đến GPCS, bao gồm các thông tin quan trọng như SFID, địa chỉ MAC MS, dữ liệu và độ dài.
GPCS hỗ trợ dồn kênh nhiều kiểu giao thức lớp như IPv4, IPv6 và Ethernet trên cùng một liên kết Giao thức lớp cao hơn phù hợp sẽ được sử dụng để hỗ trợ dồn kênh và được báo hiệu trong thông điệp DSx TLV GPCS_PROTOCOL_TYPE Ngoài ra, GPCS cũng hỗ trợ cầu nối IEEE 802.1D trong suốt với giao diện không dây của IEEE 802.16.
Hình 4 Vị trí GPCS trong IEEE 802.16 [6]
2.3.2 CPS MAC Đây là phần chính trong lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 Trong lớp con này các chức năng chủ yếu và các đặc điểm quan trọng của chuẩn IEEE 802.16 đều thể hiện tại lớp con này
MAC được thiết kế để hoạt động trong môi trường kết nối, với mọi hoạt động gắn liền với các kết nối đa dạng Các AMS, ARS và ABS được xác định bằng mã 48bit duy nhất, dựa trên mã 24bit OUI từ IEEE Registration Authority Trong lớp MAC, có hai bộ định danh: STID 12bit và FID 4bit STID được sử dụng cho broadcast, multicast và ranging, trong khi FID chỉ được áp dụng trong AGMH và STID cũng xuất hiện trong A-MAP.
MAC sử dụng thông điệp điều khiển ngang hàng giữa ABS và AMS trong hệ thống điều khiển phẳng Thông điệp này được đóng gói trong một PDU MAC và được truyền qua kết nối.
Trong liên kết điều khiển unicast, thông điệp được gửi bao gồm HARQ, mã hóa và phân đoạn Cần lưu ý rằng các thông điệp mã hóa và không mã hóa không được gửi trong cùng một PDU.
Lớp con bảo mật cung cấp tính riêng tư và bảo mật cho các thuê bao khi truy cập không dây băng rộng thông qua mã hóa các PDU MAC giữa SS và BS Nó bảo vệ hiệu quả trước hoạt động trộm cắp và truy cập không xác thực Security Sublayer triển khai giao thức quản lý khóa xác thực server/client tại BS, điều khiển việc phân phối vòng khóa tới SS Ngoài ra, cơ chế bảo mật được củng cố bằng cách thêm cơ sở chứng chỉ số xác thực thiết bị vào giao thức quản lý khóa Nếu không hỗ trợ bảo mật theo tiêu chuẩn IEEE 802.16, các bước xác thực và trao đổi khóa sẽ bị ngừng lại, dẫn đến BS không phục vụ và không thực hiện trao đổi khóa hay mã hóa dữ liệu.
Tính riêng tư trong mạng BWA cố định bao gồm hai giao thức thành phần quan trọng Đầu tiên, giao thức đóng gói dữ liệu định nghĩa bộ mã hóa, phân tích mã dữ liệu, thuật toán xác thực và các quy tắc áp dụng cho tải PDU MAC Thứ hai, giao thức PKM cung cấp bảo mật phân tán cho dữ liệu khóa từ BS đến SS, điều này là bắt buộc để truy cập dịch vụ mạng.
Hình 5 Lược đồ lớp Security
RSA_based authentication EAP encapsulation decapsulation
Chức năng các thành phần:
+ PKM Control Manager (*) : stack này điều khiển tất cả các thành phần bảo mật, các key được phân phối và phát sinh trong stack này
Xử lý xác thực và mã hóa dữ liệu truyền tải là chức năng quan trọng của stack, giúp bảo vệ thông tin trong quá trình truyền tải thông qua việc mã hóa và giải mã Bên cạnh đó, stack cũng đảm nhiệm việc xử lý các thông điệp điều khiển liên quan đến PKM, đảm bảo sự chính xác và an toàn trong giao tiếp dữ liệu.
+ Xử lý xác thực thông điệp: thực hiện chức năng xác thực thông điệp bao gồm HMAC, CMAC, và một vài Short-HMAC có thể được hỗ trợ
Xác thực dựa trên RSA hoạt động thông qua việc sử dụng chứng chỉ số X.509 của SS và BS, kết hợp với sự ủy quyền lựa chọn và một chính sách ủy quyền từ cả SS và BS.
ĐẶC ĐIỂM TIÊN TIẾN TRONG CÔNG NGHỆ WiMAX
thấp, nhận thực số lượng lớn thiết bị ở trạm cơ sở, hỗ trợ hiệu quả truyền cụm và tăng cường xác thực thiết bị
2.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM TIÊN TIẾN TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX
2.4.1 KỸ THUẬT TRUY NHẬP KHÔNG DÂY TIÊN TIẾN
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đang được ứng dụng rộng rãi trong các chuẩn công nghệ hiện đại như ADSL, Wifi, LTE, truyền dẫn quang, truyền hình, và các hệ thống truyền thông vệ tinh.
Kỹ thuật OFDM, được phát minh bởi R.W Chang vào năm 1966, đã được chứng minh bởi nghiên cứu của Weinstein và Ebert rằng có thể thực hiện điều chế OFDM thông qua biến đổi DFT Điều này giúp giảm đáng kể độ phức tạp trong thiết kế và tính toán của bộ phát và bộ thu so với các kỹ thuật truyền thống Kỹ thuật OFDM cũng được kết hợp với các phương pháp mã kênh trong thông tin vô tuyến, mang lại nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
* Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
* Khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp
* Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng
* Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
* Công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình
* Hiệu suất đường truyền giảm do biện pháp chống nhiễu ISI
* Tỷ lệ nghịch giữa hiệu suất băng sử dụng và khả năng chống chịu trước khi biến đổi cấu trúc
* Sự sai lệch thời gian, tần số đồng bộ sẽ tác động nhanh đến hệ thống
Trong quá trình phát triển kỹ thuật truyền dẫn, tất cả các biến thể của kỹ thuật OFDM đều nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Về mặt hình thức, kỹ thuật này sử dụng một trục tọa độ tần số với sự phân đoạn bản, giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu.
Trong bối cảnh 33 quyền và miễn phí trong lĩnh vực y tế và quân sự, chi phí cao đã thúc đẩy việc nâng cao hiệu quả phổ Để tối ưu hóa việc nhận diện các đơn vị khác nhau tại một điểm trên trục thời gian/tần số, cần phải xem xét các đặc trưng sóng của môi trường như biên độ, tần số và pha Sự thay đổi của môi trường khi nhận kích thích đã dẫn đến các biện pháp tăng cường khả năng phân biệt Quá trình này bắt đầu từ FDM, kết hợp với kỹ thuật đa sóng MC, và sau đó phát triển thành OFDM, OFDMA, S-OFDMA và OFCDMA Trong số đó, OFDMA là phương pháp hiệu quả nhất trong thực tế, trong khi OFCDMA mặc dù tối ưu hơn về hình thức nhưng không đạt hiệu quả cao trong môi trường thực tế.
* Quá trình tính toán ban đầu của hệ thống OFDM
Trong không gian tuyến tính V mọi vector x trong không gian có thể biểu diễn bằng tổ hợp tuyến tính của một hệ vector
Và định nghĩa một tích vô hướng x y , Thỏa mãn:
4, Xác định dương: x x , 0 ; x x , 0 x 0 thì V gọi là không gian Euclide
Nếu V được xác định trên trường phức C, thì V là không gian tuyến tính Unita Trong không gian các hàm liên tục trên đoạn C[a,b], chúng ta định nghĩa một tích vô hướng tương ứng.
Không gian các hàm số thực: , ( ) ( ) b a f g f x g x dx
Nếu tích vô hướng của hai hàm số tỷ lệ với hàm Kronecker 1 ij 0 i j i j
Hai hàm số được gọi là trực giao hoặc trực chuẩn khi chúng thỏa mãn điều kiện cụ thể Để tìm hệ trực giao hoặc trực chuẩn, quá trình Gram-Schmidt được áp dụng để thực hiện việc trực giao hóa.
Trong lý thuyết giải tích hàm, tín hiệu cần truyền y = f(x) có thể được khai triển thành một chuỗi hàm f(x) = ∑ f_i, với điều kiện nhất định Điều này mở ra một góc nhìn mới về hệ thống truyền thông dựa trên biểu diễn này Để đảm bảo tín hiệu f(x) được truyền tải chính xác, bên phát cần tìm một tập hợp các hàm f_i sao cho hình chiếu của f(x) lên các không gian tương ứng với f_i là tương đương Tức là, tổng hợp hình chiếu tại các không gian f_i phải thể hiện đầy đủ thực thể của f(x).
f hội tụ về đúng f x ( ) với mọi Bước thứ 2 là trong vô số các không gian x
F i chứa f i, tìm f i dưới dạng đơn giản và hiệu quả nhất là tập cơ sở trực chuẩn của không gian Tại bên thu, quá trình thực hiện ngược lại với bên phát, nơi đã có tập f i tìm một cấu trúc ánh xạ thỏa mãn i ( ) i f = f x.
hay với những cơ sở cho trước xây dựng được đối tượng truyền tải yêu cầu Trong thực tế, các hàm cơ bản hay sơ cấp được sử dụng
Hàm f(x) có thể được khai triển bằng các hàm sơ cấp fi, tương ứng với các dạng khai triển như Taylor và Fourier Khai triển Taylor thường không hội tụ tốt do tính chất hội tụ địa phương, trong khi khai triển Fourier hội tụ hiệu quả với các hàm cơ bản như sin và cosine, giúp nghiên cứu trong miền tần số trở nên thuận tiện hơn.
Tổng quát hóa cho ta biến đổi Fouirer [13]
Biến đổi thuận: F f( ) s( )t e j 2 ft dt
Biến đổi ngược s t( ) F f e( ) j 2 ft df
Biến đổi đối ngẫu thể hiện qua hai không gian tương ứng dưới dạng các cặp biến đổi Fourier Hai cặp đối ngẫu quan trọng và cần thiết trong lĩnh vực này là:
* Tính chất dịch tần số: FT e [ j 2 f t 0 s t ( )] F f ( f 0 )
Khi hàm gốc s(t) được nhân với một hàm điều hòa, tần số trong miền tần số sẽ bị dịch chuyển theo tần số của hàm điều hòa đó.
* Quan hệ năng lượng: x t y t dt( ) ( ) * X f Y f df( ) ( ) *
Với x(t),y(t) là các hàm và biến đổi Fouirer tương ứng X(f),Y(f) thì các hàm số trên thỏa mãn quan hệ Parseval [1]
Từ các nguyên lý trên ta xây dựng và tìm kiếm một cấu trúc phù hợp cho hệ thống truyền dẫn
Trên băng tần truyền dẫn B, các hệ thống điều chế FM sử dụng toàn bộ băng tần này, dẫn đến việc hiệu quả sử dụng phổ thấp Mối quan hệ giữa thời gian và tần số cho thấy tín hiệu có thời gian hữu hạn thì phổ tần tiến đến vô hạn, điều này gây lãng phí khi một sóng mang chiếm toàn bộ băng tần.
Trong hệ thống FDM, băng tần B được chia thành nhiều băng con với khoảng bảo vệ giữa các băng Để hạn chế phổ cho mỗi băng và định dải cho từng sóng mang, hệ thống sử dụng bộ lọc thông thấp nhằm kiểm soát phổ và dịch tần đến các băng con đã được xác định trước Mặc dù hiệu suất phổ trong hệ thống đã được cải thiện, nhưng vẫn còn tình trạng lãng phí băng tần.
Minh họa phổ tần của hai hệ thống trên:
Hình 7 Biểu đồ tần số FM,FDM
Để tối ưu hóa việc sử dụng băng tần, cần dịch chuyển các phổ sóng mang trên mỗi băng con lại gần nhau mà vẫn giữ được khả năng phân biệt giữa các sóng mang khác nhau Việc xác định độ lệch tần số tối ưu yêu cầu sử dụng tính tương quan giữa hai tín hiệu và nhiều điều kiện khác Quan trọng nhất, phải đảm bảo tính trực giao của hai phổ để đạt được hiệu quả tốt nhất.
Sử dụng quan hệ Parseval ta sẽ có:
Một lớp hàm tuần hoàn rộng rãi đáp ứng điều kiện cho tích phân bằng hằng số đã được xác định Điều này thực sự phản ánh các hàm mà hệ thống viễn thông hiện đang áp dụng.
ỨNG DỤNG CỦA WIMAX
WiMAX được phát triển để hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau, với mục tiêu thay thế mạng đường dây hữu tuyến Nó không chỉ kế thừa nền tảng internet mà còn cung cấp các tính năng và đặc điểm hữu ích, đáp ứng đầy đủ nhu cầu của người sử dụng.
* Cung cấp đường trung kế cho các mạng tế bào
WiMAX cho phép kết nối điểm đến điểm với khoảng cách lên tới 50 km và hỗ trợ tốc độ dữ liệu đa luồng E1/T1 Nhờ vậy, các nhà vận hành mạng di động có thể tận dụng thiết bị WiMAX để chuyển tải lưu lượng từ trạm gốc về các trung tâm điều hành mạng của họ.
WiMAX có phổ tần khác nhau tại mỗi quốc gia, và việc ứng dụng làm đường trung kế có thể tùy thuộc vào khả năng sử dụng mạng toàn quốc Lưu lượng tế bào bao gồm cả thoại và dữ liệu, với chất lượng dịch vụ (QoS) của WiMAX rất phù hợp So với giải pháp cáp quang, WiMAX mang lại lợi thế lớn về kinh tế và thời gian triển khai Tại Việt Nam, mạng lõi đã chuyển đổi từ các thiết bị hạ tầng cũ sang mạng chuyển mạch gói hoàn toàn, đồng thời bổ sung các modem ở dặm cuối.
* Cung cấp mạng riêng cho lĩnh vực kinh tế
Các ngân hàng lớn có thể kết nối chi nhánh và ATM với trụ sở vùng qua mạng riêng, yêu cầu độ bảo mật và băng thông cao WiMAX cung cấp mức bảo mật kết nối cao, đáp ứng nhu cầu đồng bộ thời gian thực trong các mạng ngân hàng Với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao, WiMAX là giải pháp lý tưởng cho việc xử lý lưu lượng trong lĩnh vực ngân hàng.
* Cung cấp mạng giáo dục
Các cơ sở giáo dục có thể tận dụng WiMAX để xây dựng mạng lưới kết nối, chia sẻ tài nguyên giáo dục, bao gồm giáo trình và thư viện Điều này không chỉ giúp tổ chức các buổi hội thảo và seminar giữa các trường mà còn cung cấp một cổng thông tin chung cho giáo dục và đào tạo từ xa.
* Dịch vụ xã hội, công cộng
WiMAX với đặc tính triển khai nhanh và cấu hình linh hoạt, là giải pháp lý tưởng cho các bộ phận hoạt động công cộng trong các tình huống như truyền hình trực tiếp, tai nạn, cứu hỏa và thiên tai Thiết bị nhỏ gọn, khả năng truyền sóng rộng và vị trí lắp đặt linh hoạt cho phép triển khai tuyến truyền WiMAX chỉ trong vài giờ, cùng với khả năng giao tiếp đa dạng, đáp ứng nhanh chóng nhu cầu kết nối trong các tình huống khẩn cấp.
* Truyền thông tới các vị trí địa lý đặc biệt
Cung cấp một hệ thống liên lạc hiệu quả giữa trung tâm điều tiết và các giàn khoan, tàu đánh bắt xa bờ, thiết bị thăm dò, định vị và hướng dẫn hàng hải trên biển, bao gồm cả phao cứu sinh, hoa tiêu và hải đăng Điều này đặc biệt quan trọng tại các vùng nông thôn hoặc khu vực miền núi, nơi chi phí lắp đặt đường dây hữu tuyến không khả thi.
3 PHÂN TÍCH HIỆN TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP CHO KHU VỰC HÀ NỘI
KHẢO SÁT KHU VỰC
3.1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ VÀ DÂN CƯ
Hà Nội có khí hậu Bắc bộ điển hình với mùa hè nóng ẩm và mùa đông lạnh khô Nằm trong vùng nhiệt đới, thành phố này nhận lượng bức xạ mặt trời dồi dào suốt năm, với trung bình 122,8 kcal/cm² và nhiệt độ không khí trung bình là 23,6ºC Ảnh hưởng từ biển khiến Hà Nội có độ ẩm cao, với độ ẩm tương đối trung bình hàng năm đạt 79% và lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.800mm.
Hà Nội có khí hậu đặc trưng với sự phân chia rõ rệt giữa hai mùa nóng và lạnh Mùa nóng từ tháng 5 đến tháng 9, với nhiệt độ trung bình đạt 29,2ºC và thường xuyên có mưa Ngược lại, mùa đông kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, thời tiết khô ráo với nhiệt độ trung bình khoảng 15,2ºC Ngoài ra, tháng 4 và tháng 10 là hai thời kỳ chuyển tiếp giữa hai mùa này.
Hà Nội có hai dạng địa hình chủ yếu: đồng bằng và đồi núi Địa hình đồng bằng chủ yếu nằm trong khu vực Hà Nội cũ và một số huyện phía đông của Hà Tây (cũ), chiếm khoảng 75% diện tích tự nhiên của thành phố.
Theo tổng cục dân số thống kê năm 2011, tại Hà Nội, dân số trung bình là 6,699,600 người trên diện tích 3328,9 km 2
Liên minh viễn thông quốc tế ITU chia bản đồ tần số thành 4 khu vực, trong đó Việt Nam thuộc khu vực 3 WiMAX được thiết kế để hoạt động trong dải tần rộng từ dưới 1GHz đến 66GHz, với sự tập trung phát triển đặc biệt vào các băng tần dưới 11GHz Thiết kế của IEEE 802.16 tương thích với tất cả các quốc gia và phối hợp hiệu quả với các băng tần dành cho các công nghệ khác.
79 không dây hoạt động hiệu quả mà không cần biện pháp đặc biệt để chống nhiễu kênh, hỗ trợ cả hai chế độ song công và có kích thước băng thông linh hoạt.
Bảng 8 Băng tần IEEE 802.16 hỗ trợ dưới 2.6GHz Theo phân đoạn tần số tại Việt Nam, các phân đoạn băng khả dụng
Băng 3.5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truy cập không dây cố định hoặc cho hệ thống truy cập không dây băng rộng WiMAX cũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sử dụng băng tần này cho WiMAX Vì vậy, WiMAX forum thống nhất lựa chọn băng tần này cho WiMAX
UL AMS transmit frequency(MHz) DL AMS Receive frequency(MHz) Duplex mode
WiMAX có khả năng hoạt động với cả hai chuẩn cố định và di động, sử dụng chế độ song công FDD hoặc TDD, với độ rộng kênh 3.5MHz hoặc 7MHz Bộ thông tin và truyền thông đã cho phép thử nghiệm WiMAX tại băng tần này với chuẩn cố định Hiện tại, hiệu lực của thông tư vẫn còn và điều này tạo ra cơ hội cho việc triển khai WiMAX tại Việt Nam.
Vào cuối năm 2005, Việt Nam đã quy hoạch băng tần 2500-2690 MHz cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới và quyết định không triển khai thêm thiết bị nào khác trong băng tần này.
Ngày 24/11/2010 thông tư về quy hoạch phân bổ băng tần trong băng này,
Hình 34 Phân đoạn băng tần 2500-2690
Chính phủ đã cho phép doanh nghiệp VNPT tiến hành thử nghiệm WiMAX di động trong băng tần 2,5GHz Cụ thể, phân đoạn D được xác định là khả dụng cho việc thử nghiệm hoặc triển khai WiMAX hoạt động theo chế độ song công TDD với độ rộng băng 40MHz.
Chính phủ đã cấp phép cho ba doanh nghiệp VTC, Viettel, EVN và FPT tiến hành thử nghiệm công nghệ WiMAX di động trong băng tần này, đồng thời xác nhận đây là băng tần khả dụng cho việc triển khai WiMAX.
Sóng vô tuyến với tần số thấp có khả năng truyền xa hơn, giúp giảm số lượng trạm gốc cần thiết và hạ thấp chi phí đầu tư cho hệ thống Hiện nay, nhiều quốc gia đang chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Tại Việt Nam, dịch vụ truyền hình cáp đang phát triển mạnh mẽ, và sự gia nhập của Viettel vào thị trường cạnh tranh này hứa hẹn sẽ giải phóng một phần phổ tần, mở ra cơ hội cho việc sử dụng công nghệ WiMAX trong tương lai.
WiMAX được phát triển cho cả băng tần có bản quyền và không có bản quyền, với các hệ thống profile chuyên biệt cho từng môi trường Đối với việc lập kế hoạch trong băng tần không bảo vệ dưới 11GHz, chúng ta có thể chọn các profile thiết kế vật lý phù hợp cho môi trường không được bảo vệ và có khả năng nhiễu cao, bao gồm WirelessHUMAN, WirelessMAN-CX và WirelessMAN-UCP.
Bảng 9 Đặc tả PHY cho băng không bảo vệ
3.1.3 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TẠI ĐỊA BÀN
Theo Sách Trắng CNTT-TT năm 2013, VNPT dẫn đầu thị trường dịch vụ điện thoại cố định với 75,4% thị phần, trong khi Viettel chiếm ưu thế trong lĩnh vực điện thoại di động với 40,05% thị phần.
Cụ thể, về dịch vụ điện thoại cố định, VNPT vẫn chiếm thị phần cao nhất (75,4%) tăng 68,8% so với năm 2011 Tiếp đó là Viettel (22,96%), tăng 22,3%; FPT Telecom (0,23%), SPT (1,21%), VTC (0,06%)
Viettel hiện đang dẫn đầu thị trường dịch vụ điện thoại di động tại Việt Nam với thị phần 40,05% MobiFone đứng thứ hai với 21,4%, tăng từ vị trí thứ ba với 17,9% vào năm 2011 VinaPhone theo sát với 19,88%, giảm từ vị trí thứ hai với 30,1% vào năm 2011 Các nhà mạng còn lại như Vietnamobile chiếm 10,74%, GMobile 3,93%, và SFone chỉ chiếm 0,01% thị phần.
Thiết kế Áp dụng Đặc tả PHY Đặc điểm hệ thống Song công
WirelessHUMAN Băng không bảo vệ dưới 11GHz 8.3,8.4 và 8.5 12.3 và 12.4 TDD
WirelessMAN-CX Băng không bảo vệ dưới 11GHz 8.3 và 8.4 12.8.2 TDD
WirelessMAN-UCP Băng không bảo vệ dưới 11GHz 8.4 12.8.1 TDD
Xét riêng dịch vụ điện thoại di động 2G, Viettel dẫn đầu về tổng thị phần (45,31%), tiếp đến là MobiFone (19,81%), VinaPhone (18,55%), Vietnamobile (11,87%), GMobile (4,46%), SFone (0,01%)
Trong thị trường dịch vụ điện thoại di động 3G tại Việt Nam, ba nhà cung cấp chính là Viettel, MobiFone và VinaPhone đang chiếm ưu thế với thị phần gần như tương đương nhau Cụ thể, Viettel dẫn đầu với 34,73%, theo sau là MobiFone với 33,19% và VinaPhone với 29,71% Ngoài ra, Vietnamobile chỉ chiếm 2,36% thị phần.
XÂY DỰNG GIẢI PHÁP SỬ DỤNG WiMAX
Nhu cầu băng rộng hiện nay yêu cầu hệ thống hiệu quả với thông lượng lớn và chi phí thấp, nhưng hạ tầng hiện tại không đáp ứng đủ Công nghệ ADSL, mặc dù tận dụng cơ sở hạ tầng PSTN, gặp khó khăn trong việc kết nối di động Các công nghệ từ 3GPP như GSM, GPRS, EDGE và 3G cung cấp tốc độ từ 171,2kbps đến 18Mbps, nhưng vẫn khó cân bằng giữa chất lượng và giá cả Doanh thu lớn của các nhà cung cấp viễn thông chủ yếu đến từ dịch vụ cơ bản, trong khi dịch vụ tốc độ cao lại có giá thành cao và chưa mang lại hiệu quả kinh tế cho người dùng phổ thông WiMAX nổi lên như một giải pháp thay thế không dây cho 3G, ADSL và WiFi, với tốc độ từ 70Mbps đến 1Gbps và bán kính phủ sóng lên tới 50km.
Hiện nay, du lịch đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt tại các khu văn hóa và trung tâm mua sắm, thu hút lượng lớn khách du lịch Hoạt động dịch vụ cũng phát triển, đóng góp đáng kể vào thu nhập của vùng Xu hướng lắp đặt wifi miễn phí trên toàn thành phố ngày càng phổ biến, với nhiều thành phố lớn như Đà Nẵng và Hải Phòng đã triển khai thành công, hỗ trợ các loại hình dịch vụ và đáp ứng nhu cầu của người dân địa phương.
Xây dựng mạng Wifi phủ sóng tại các khu vực du lịch và trung tâm mua sắm nhằm mục tiêu phủ sóng Wifi toàn thành phố Sử dụng công nghệ WiMAX kết hợp với hệ thống hotspot Wifi mạnh mẽ, dịch vụ kết nối tốc độ cao sẽ được cung cấp tại các hội chợ và triển lãm đông khách Nhà cung cấp dịch vụ có khả năng điều chỉnh năng lực phục vụ theo nhu cầu thực tế, từ đó nâng cao hiệu quả kinh doanh và tăng cường tính cạnh tranh cho doanh nghiệp.
Trong hạ tầng mạng tế bào, đường liên kết giữa các BTS hướng tâm truyền tín hiệu không xử lý được tại trạm cơ sở về mạng lõi hoặc các BTS lân cận, được thiết kế riêng biệt Đường liên kết này có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến với tốc độ cao, thường sử dụng cáp quang để đảm bảo tốc độ và dung lượng cho toàn bộ cell mà backhaul cung cấp.
Trong hệ thống 3G, tuyến trục là các tuyến E1/T1 cung cấp kết nối tới các trung tâm mạng, với dung lượng được xác định theo cấp số cộng của đường E1/T1 tiêu chuẩn Việc lắp đặt backhaul thường liên quan đến việc đi dây tới trạm cơ sở và có thể kết nối trực tiếp vào đường Internet qua cùng một nhà cung cấp hoặc giữa các nhà cung cấp khác nhau Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc triển khai backhaul gặp khó khăn và chi phí cao, đặc biệt ở những vùng xa xôi hoặc khi có yêu cầu khắt khe về thời gian phục vụ, khiến việc lắp đặt cáp trở nên không khả thi, nhất là khi điểm truy cập Internet không nằm trong khu vực phục vụ.
Phương án thứ hai để giải quyết vấn đề kết nối là sử dụng đường liên kết không dây tốc độ cao Một số giải pháp bao gồm đường truyền vệ tinh, mặc dù có chi phí lớn và thời gian thiết lập dịch vụ lâu, và đường truyền viba, yêu cầu công nghệ phù hợp Tuy nhiên, dung lượng yêu cầu cho đường truyền viba lớn hơn nhiều lần so với dung lượng của cell, dẫn đến xung đột trong cấu trúc mạng đã được thiết kế cho cell triển khai.
WiMAX là công nghệ mạng không dây hoạt động trên nhiều băng tần, cho phép kết nối liên mạng hiệu quả Nó có khả năng hoạt động trong các môi trường có tầm nhìn thẳng hoặc không, với phạm vi truyền tải lớn lên đến hàng chục km Tốc độ truyền tải cho các điểm cố định có thể đạt tới 1Gbps, và thời gian triển khai nhanh chóng chỉ trong vài giờ mà không cần yêu cầu đặc biệt về nguồn điện.
Chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giải pháp mạng trục tốc độ cao với chi phí thấp, cho phép nâng cấp dịch vụ nhanh chóng theo nhu cầu mà không cần lo lắng về việc đào đường hay thay đổi hạ tầng.
Các trung tâm đô thị lớn với mật độ dân cư cao và hạ tầng phức tạp đang lắp đặt các điểm wifi hotspot công cộng bên ngoài các tòa nhà và dọc các tuyến phố đông đúc khách du lịch Các điểm truy cập wifi thường được lắp đặt trên các tòa nhà cao tầng hoặc sử dụng chung các cột anten Hệ thống WiMAX cung cấp đường backhaul cho các điểm wifi này, đảm bảo kết nối ổn định và hiệu quả.
Các trạm WiMAX có thể được lắp đặt dựa trên các tiêu chuẩn hiện có trên thị trường, với sự hỗ trợ từ những nhà cung cấp quen thuộc tại Việt Nam như Motorola và Avilron Đặc biệt, Motorola đã từng cung cấp thiết bị cho VNPT trong quá trình thử nghiệm triển khai WiMAX tại Lào Cai.
Để cải thiện kết nối internet tại trung tâm Hà Nội, chúng tôi đề xuất triển khai công nghệ WiMAX theo mô hình mạng tế bào, cung cấp đường truyền internet miễn phí cho các điểm wifi hotspot và thiết bị CPE trong khu vực này.
TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG YÊU CẦU
Lưu lượng yêu cầu vào đầu cuối tiêu thụ dữ liệu trong chuỗi cung cấp sẽ tập trung vào các UE, với số lượng UE phụ thuộc vào số lượng thuê bao SS/AMS/MS Giả thuyết rằng mỗi UE tương ứng với một người sử dụng giúp đơn giản hóa việc tính toán Tuy nhiên, để xác định số lượng và mật độ thuê bao là một bài toán phức tạp, liên quan đến các tham số như số thuê bao hiện tại, số thuê bao mới phát sinh và suy giảm dịch vụ Do đó, giả thuyết thứ hai cho rằng số lượng thuê bao phụ thuộc trực tiếp vào đặc điểm dân số và phân bố cư dân trong khu vực triển khai.
Tại Hà Nội, mật độ dân cư tập trung cao nhất tại khu trung tâm, sau đó giảm dần khi đi đến các vùng ngoại thành và các huyện thuộc tỉnh Hà Tây cũ có mật độ rất thấp Do đó, giai đoạn thứ nhất của phủ sóng sẽ tập trung tại khu trung tâm Hà Nội, nơi có nhu cầu truy nhập cao nhất, nhằm đáp ứng nhu cầu của người dân tại khu vực này.
Hình 35 Bản đồ vệ tinh khu vực trung tâm Hà Nội
Trên bản đồ vệ tinh, khu vực trung tâm cho thấy mật độ nhà ở dày đặc, cho thấy sự phân bố dân cư gần như đồng đều trong vùng triển khai mạng.
Chọn vùng cung cấp trong giai đoạn đầu tiên là khu vực trung tâm và đánh dấu trên bản đồ:
Hình 36 Vùng quy hoạch mạng
Diện tích cần triển khai là khoảng 42 km 2
Phân tích đối tượng yêu cầu lưu lượng là một yếu tố quan trọng trong dịch vụ dữ liệu, giúp xác định xu hướng và nhu cầu của người dùng Dịch vụ dữ liệu không chỉ có thời gian phục vụ lâu dài mà còn ngày càng trở nên phổ biến, từ đó cung cấp nhiều thống kê quan trọng để cải thiện chất lượng dịch vụ.
+ Nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu thường xuất hiện trong các tòa nhà
+ Thiết bị thường là đứng yên hoặc đi bộ khi yêu cầu dữ liệu
+ Thời điểm yêu cầu truy nhập tăng đột biến
Yêu cầu về dữ liệu phụ thuộc vào loại dịch vụ sử dụng, với dịch vụ VoIP trong các mạng 3G, HSPA, LTE, và 4G có nhu cầu tương tự Tại khu vực Hà Nội, mật độ dân số thay đổi đáng kể giữa ngày và đêm.
Khảo sát thiết bị thị trường cho thấy việc cung cấp dung lượng 4G theo tiêu chuẩn cho mỗi người dùng là không khả thi Hiện tại, đường truyền cáp quang chỉ có dung lượng 1Gbps cho cá nhân, bắt đầu từ năm 2013.
Vào năm 2014, dịch vụ cáp quang 1Gbps chỉ được triển khai tại hai bang ở Mỹ Tại Việt Nam, dịch vụ này chủ yếu được cung cấp cho các cơ quan và doanh nghiệp lớn Nếu áp dụng tiêu chuẩn 4G, tốc độ cung cấp cho mỗi người dùng sẽ là 100Mbps khi di chuyển.
Tốc độ 350 km/h (không phổ biến) và 1 Gbps khi đứng yên hoặc di chuyển chậm là điều không khả thi Nếu tính toán trực tiếp với các thiết bị hiện có trên thị trường và đồng thời đáp ứng yêu cầu về tốc độ, số lượng trạm phát sóng sẽ vượt quá số lượng cây xanh trong khu vực cần triển khai.
Gói cước đăng ký phổ biến hiện nay có giá trị thấp nhất và không giới hạn dung lượng, được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn đầu cung cấp tốc độ 3G từ 300 đến 500MB, trong khi giai đoạn hai cho phép truy cập miễn phí nhưng với tốc độ chỉ khoảng 30kbps Mặc dù gói cước này có giá thấp, nhưng hiệu quả sử dụng không cao, đặc biệt trong bối cảnh các dịch vụ OTT đang phát triển mạnh mẽ.
*** Cung cấp dịch vụ truy cập Internet miễn phí có tốc độ trung bình 256kbps nhanh hơn từ 4 đến 10 lần tốc độ hiện tại là chấp nhận được
Khi nhiều người dùng truy cập đồng thời vào một tài nguyên, tranh chấp có thể xảy ra Để giải quyết tình trạng này, cần áp dụng tỉ số cạnh tranh, một biện pháp đã tồn tại từ lâu trên các đường cáp DSL và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Tỉ số cạnh tranh được biểu thị dưới dạng 1:N, trong đó N là số người dùng cùng yêu cầu một tài nguyên.
Khi số lượng thuê bao thay đổi đáng kể, bao gồm cả việc đăng ký và hủy đăng ký, cũng như yêu cầu truy nhập hoặc tháo kết nối, việc tính toán dung lượng yêu cầu cần xem xét yếu tố trung bình để đảm bảo tính chính xác.
Biểu thức lưu lượng trung bình: i % i r i i
Lưu lượng dịch vụ trung bình (Mbps) C, số lượng thuê bao theo loại lưu lượng M, và tỷ số tranh chấp băng thông theo loại lưu lượng CR = 1:N đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất mạng Bên cạnh đó, tỷ lệ phần trăm sử dụng dịch vụ A % cũng là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng dịch vụ.
Dịch vụ cung cấp được chia thành hai loại chính: dịch vụ thoại và dịch vụ internet Dịch vụ thoại bao gồm tất cả các dịch vụ OTT có chức năng Voice và IM Đối với dịch vụ VoIP, yêu cầu tốc độ tối thiểu là 64kbps, trong khi dịch vụ truy nhập internet cần tốc độ cao hơn từ 4 đến 10 lần so với gói dịch vụ cơ bản 30kbps, dẫn đến việc lựa chọn tốc độ truy nhập là 256kbps Cả hai loại dịch vụ này đều có hệ số cạnh tranh là 1:10.
Trong giai đoạn đầu triển khai, dự kiến có khoảng 1 triệu người sử dụng dịch vụ, nhờ vào việc miễn phí và tốc độ nhanh hơn “3G”, đáp ứng đủ nhu cầu cho
Bảng 10 Tỷ lệ người dùng theo dịch vụ
* Thiết bị lựa chọn cho triển khai là trạm BreezMAX BST của hãng Alvarion Các đặc điểm khóa gồm:
+ Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, BPSK tới 64QAM
STT Dịch vụ Tỉ lệ thuê bao SSs
+ Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 (MHz) + Hỗ trợ các băng tần 3.5 / 5.8 (GHz)
+ Sector 60 o / 90 o / 120 o / 180 o / vô hướng + Tốc độ 30Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10MHz) + Công suất phát 40dBm trên một phần tử anten
Anten 15dBi với độ nhạy thu từ –115dBm (QPSK) đến –90dBm (64QAM) là sản phẩm nổi bật của hãng Alvarion, đơn vị đã cung cấp thiết bị viễn thông cho thị trường Việt Nam trong quá trình thử nghiệm WiMAX từ năm 2007.
MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN
Trong môi trường không dây, tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu bị suy hao do nhiều yếu tố, bao gồm suy hao đường truyền và các suy hao phụ Suy hao đường truyền là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn, phụ thuộc vào tần số, khoảng cách và môi trường truyền sóng Các suy hao phụ như fading, suy hao thâm nhập, tạp âm, nhiễu, suy hao trong đường dây và mối nối cũng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
Tần số triển khai là nhân tố chính ảnh hưởng đến suy hao đường truyền, với sự khác biệt về suy hao giữa các băng tần khác nhau; tần số cao dẫn đến suy hao lớn hơn và khó khăn trong môi trường NLOS Để tính toán suy hao đường truyền, cần áp dụng các mô hình phù hợp như mô hình không gian tự do, Hata, Okumura, COST 231 Hata, SUI và nhiều mô hình khác Những mô hình này giúp dự đoán mức suy hao theo khoảng cách dựa trên các điều kiện như địa hình, kiến trúc hạ tầng, băng tần sử dụng và loại vùng (đô thị, ngoại ô, nông thôn).
WiMAX forum khuyến nghị sử dụng mô hình SUI cho băng tần cần triển khai
Mô hình SUI được sử dụng cho băng tần 3.5GHz, mô hình này được dùng để tính toán cho WiMAX cố đinh và di trú
Mô hình SUI - Stanford University Interim là một phương pháp tính toán suy hao tín hiệu dựa trên yếu tố địa hình của vùng phủ sóng, chia thành ba loại địa hình: A, B và C Địa hình loại A là đồi núi với mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp, dẫn đến mức suy hao tín hiệu cực đại Ngược lại, địa hình loại C là bằng phẳng với mật độ cây cối thưa, tương ứng với mức suy hao tối thiểu Loại B có đặc điểm là phần lớn địa hình phẳng nhưng lại có mật độ cây cối rậm rạp, hoặc là địa hình đồi núi với mật độ cây cối thưa.
Phương trình suy hao cơ bản với những hệ số chính theo công thức
PL = A + 10.γ.log10(d/d0) + Xf + Xh + s [13] Trong đó: + PL là giá trị suy hao (dB)
+ d là khoảng cách giữa anten trạm gốc và anten của trạm di động (m) + do = 100m
Hệ số fading chuẩn loga, ký hiệu là s, được sử dụng để dự trữ fading chậm do các vật cản như cây cối và những vật cản khác gây ra, với giá trị dao động trong khoảng từ 8dB đến 10dB.
Các tham số A và được tính như sau: γ
Với : + hb: là độ cao của trạm gốc tính từ mặt đất (m) + a, b, c lấy các giá trị theo loại địa hình
Tham số Địa hình loại A Địa hình loại B Địa hình loại C a 4 4.0 3.6 b (m -1 ) 0.0075 0.0065 0.005 c (m) 1 17.7 20
Bảng 11 Bảng tham số địa hình
Các hệ số hiệu chỉnh cho tần số làm việc và chiều cao anten trạm di động
X h cho địa hình loại A và B
+ f : là tần số hoạt động (MHz) + hr: là chiều cao của anten trạm di động tính từ mặt đất (m)
Các suy hao phụ không chỉ làm tăng tổng suy hao tín hiệu mà còn giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại điểm thu Để đảm bảo chất lượng tín hiệu và duy trì thông tin liên lạc giữa trạm phát và trạm thu, cần có một mức dự trữ suy hao phụ hợp Mức dự trữ này phụ thuộc vào các loại suy hao xảy ra trong quá trình truyền tín hiệu, được chia thành hai loại chính: suy hao hệ thống và suy hao do môi trường truyền sóng.
Suy hao do cáp và mối nối có tác động tiêu cực đến công suất tín hiệu trên đường truyền từ trạm phát đến anten Mức độ suy hao này phụ thuộc vào loại cáp, chiều dài cáp và số lượng các điểm nối cáp.
Suy hao thâm nhập là hiện tượng tín hiệu thu bị suy giảm do sự hấp thụ của các vật cản như tường gạch, tường bê tông, cửa kính, cửa gỗ và cửa sắt Mỗi loại vật liệu có hệ số hấp thụ riêng, dẫn đến mức suy hao khác nhau Các giá trị suy hao được xác định dựa trên độ dày của các lớp vật liệu theo tiêu chuẩn kiến trúc, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tín hiệu.
Bảng 12 Mức suy hao thâm nhập [13]
Dự trữ nhiễu là yếu tố quan trọng giúp cải thiện chất lượng tín hiệu thu, bởi nhiễu trên đường truyền làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Nhiễu liền kênh có thể ảnh hưởng tiêu cực đến việc tái sử dụng tần số, do đó cần có mức dự trữ nhiễu để đảm bảo công suất tín hiệu thu đủ lớn Mức dự trữ nhiễu đường xuống là 2dB và đường lên là 3dB Hơn nữa, công nghệ OFDM trong điều chế sóng mang của WiMAX giúp chống nhiễu xuyên ký tự ISI, nâng cao khả năng truyền tải tín hiệu.
*** Chọn thông số cho mô hình:
Tần số sử dụng là 3.5GHz, phù hợp với địa hình loại C của Hà Nội Anten trạm gốc được lắp đặt ở độ cao 60m, trong khi anten trạm thuê bao có độ cao 2m Hệ số fading chuẩn loga được xác định là 8dB Suy hao cáp tính toán là Lc = 20.0,05 = 1 (dB), với loại cáp tiêu chuẩn cho tần số 2.5GHz có suy hao 0,05dB/m và chiều dài cáp trung bình từ trạm phát đến anten là 20m.
Suy hao mối nối được xác định là 1dB, trong khi suy hao thâm nhập đạt 10dB do đặc thù địa hình Hà Nội với nhiều nhà bê tông Ngoài ra, giá trị suy hao cáp mối nối là 2dB.
Vật cản Mức suy hao (dB)
Tường gạch có cửa sổ 2
Kim loại (cửa sắt, mái tôn) 6
Tường gạch xỉ, tường đá bọt (núi lửa) 4
+ Dự trữ nhiễu đường xuống: 2dB
+ Dự trữ nhiễu đường lên: 3dB
QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN
Tính toán quỹ đường truyền liên quan đến việc xác định tổng tăng ích hệ thống và tổng suy hao của tín hiệu khi truyền qua môi trường đến phía thu Mục tiêu là đảm bảo công suất tín hiệu nhận được không nhỏ hơn độ nhạy thu Tổng tăng ích hệ thống bao gồm các yếu tố như công suất phát, độ nhạy thu, tăng ích anten, tăng ích từ việc sử dụng đa anten và độ lợi chuyển giao mềm, với độ lợi chuyển giao mềm tạo ra tăng ích 2dB.
Tính toán quỹ đường truyền bao gồm tổng tăng ích của hệ thống và tổng suy hao Mô hình này sử dụng các tham số SS do wimaxforum cung cấp làm chuẩn Bằng cách tổng hợp các thông số này, ta có thể xác định hiệu suất của hệ thống truyền dẫn.
Bảng 13 Quỹ đường truyền cho đường xuống
Thông số Giá trị Đơn vị Công thức
Thông số trạm gốc BreezMAX BST của Alvarion
P phát trên một phần tử anten 40 dBm a
Số phần tử anten phát 4 b
Tăng ích kết hợp phần tử anten 6 dB c = 10logb
Thông số trạm thuê bao
Số phần tử anten thu 2 h
Tăng ích kết hợp phần tử anten 3 dB i = 10logh Độ nhạy thu – 100 – 90 dBm j
(BPSK) (64QAM) Tổng tăng ích hệ thống 167 157 dB k = f + g + i – j
Dự trữ suy hao phụ
Dự trữ suy hao thâm nhập 10 dB l
Tổng tăng dữ trữ suy hao phụ 12 dB m = k + l
L đường truyền cho phép 155 145 dB n = k - m
Quỹ đường truyền cho đường xuống xác định suy hao tối đa cho phép để trạm thuê bao nhận tín hiệu từ trạm gốc, trong khi quỹ đường truyền cho đường lên xác định suy hao tối đa cho phép để trạm gốc nhận tín hiệu từ trạm thuê bao Giá trị suy hao đường truyền cho phép được lấy là giá trị nhỏ hơn giữa suy hao tối đa cho phép của đường lên và đường xuống, nhằm đảm bảo thông tin có thể truyền hai chiều hiệu quả.
Bảng 14 Quỹ đường truyền cho đường lên Trong đó:
EIRP: công suất bức xạ đẳng hướng được tính theo công thức
EIRP [3] P TxR 10log 10 N TxR P backoff G TxR L TxR (dBm)
Với PTxR: Công suất NTxR : Số anten LTxR : Suy hao
Pbackoff : công suất khuếch đại GTxR : Độ lợi anten
Thông số Giá trị Đơn vị Công thức
Thông số trạm thuê bao
Công suất phát trên một phần tử 22 dBm a
Số phần tử anten phát 1 b
Tăng ích kết hợp phần tử anten 0 dB c = 10logb
Thông số trạm gốc (BreezMAX BST của Alvarion)
Số phần tử anten thu 2 g
Tăng ích kết hợp phần tử anten 3 dB h = 10logg
Suy hao cáp 2 dB i Độ nhạy thu – 115 – 108 dBm j
Tổng tăng ích hệ thống 161 154 dB k =e +f +h –i –j
Dự trữ suy hao phụ
Dự trữ suy hao thâm nhập 10 dB m
Tổng tăng dữ trữ suy hao phụ 13 dB n = l+ m
Suy hao đường truyền cho phép 148 141 dB o = k - n
Kết quả xác định suy hao đường truyền cho phép cần được dựa vào giá trị suy hao đường truyền cho phép của đường lên, vì đường lên có giá trị suy hao thấp hơn.
+ Ở mức điều chế thấp nhất BPSK suy hao đường truyền cho phép 148dB
PHẠM VI BAO PHỦ
Sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI để tính toán phạm vi phủ sóng ứng với giá trị suy hao đường truyền cho phép
* Từ phương trình suy hao:
** Và kết quả tính quỹ đường truyền:
Suy hao đường truyền cho phép đạt mức điều chế cao nhất là 141dB, trong khi mức điều chế thấp nhất là 148dB Dựa vào các thông số này, ta có thể thay vào phương trình để tìm khoảng cách hiệu dụng d.
+ Với suy hao 148dB tính được phạm vi phủ sóng tối đa 3,31km
+ Với suy hao 141dB tính được phạm vi phủ sóng tối đa 2,12km
* Bán kính phủ sóng chọn: 2,12km
** Diện tích phủ sóng với bán kính đã chọn: S=3,14.2.12 2 = 14,12km 2
*** Diện tích lục giác nội tiếp : 11,68km 2
ĐỊNH CỠ MẠNG
Quá trình định cỡ mạng truy nhập vô tuyến là nhằm xác định số lượng cell cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ
Với các thông số đã tính toán bao gồm:
+ Diện tích vùng phủ: 42km 2 + Lưu lượng: 9000Mpbs
+ Diện tích phủ sóng lớn nhất: 11,68km 2
Quá trình tính toán lưu lượng đáp ứng
+ Lưu lượng dữ liệu trên thiết bị : 30Mbps/sector
+ Tổng lưu lượng yêu cầu: 9000Mbps + Số sector cần 9000/30 = 300 (sector)
* Các cell là lục giác đều, phân bố đều do đó diện tích một cell chiếm: 0,84km 2
Có bán kính tương ứng là 0,56km < 2,12km cho phép
Tổng hợp các kết quả ta có:
Bảng 15 Kết quả định cỡ mạng
Tổng số cell cần dùng 50 cell
Cấu hình 6 sector/cell, sector 60 o
Tổng lưu lượng cần đáp ứng 9000Mbps
QUY HOẠCH VÙNG PHỦ
Xắp xếp mạng tổ ong trên sơ đồ chụp từ vệ tinh gặp phải một số sai số trong tính toán và chưa đạt được sự tối ưu Điều này dẫn đến việc xuất hiện những vùng không được bao phủ Để khắc phục tình trạng này, cần bổ sung thêm 2 cell, nâng tổng số cell lên 52 cell nhằm lấp đầy các vùng triển khai.
Hình 37 Mạng lưới thiết kế cho khu vực trung tâm Hà Nội