Với nhiều ưu điểm vượt trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóngrộng, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ cố địnhcũng như di động, sử dụng cả p
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP KHÔNG DÂY
Quá trình phát triển của các mạng truy nhập không dây
Các mạng truy cập vô tuyến hiện nay phát triển chủ yếu theo hai hướng: công nghệ di động tế bào và các công nghệ khác như WLAN và WIMAX Đây là hai xu hướng công nghệ phổ biến nhất trong lĩnh vực này.
1.1.1 Công nghệ di động tế bào
Chúng ta sẽ xem xét quá trình phát triển của các hệ thống di động, bắt đầu từ thế hệ thứ hai (2G), với hệ thống GSM là tiêu biểu GSM, hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động, được chuẩn hóa ở Châu Âu, mặc dù chưa được sử dụng rộng rãi Hệ thống này hoạt động trên băng tần 900MHz, được cấp cho GSM ở Châu Âu, nhằm tạo thuận lợi cho việc Roaming giữa các quốc gia.
1989 đặc điểm kĩ thuật của GSM được hoàn thành và hệ thống được giới thiệu vào
GSM, được triển khai vào năm 1992, sử dụng kết hợp TDMA và nhảy tần chậm với khóa chuyển tần số FSK để điều chế thoại Trong khi đó, các chuẩn di động số thế hệ hai tại Mỹ gây ra tranh cãi về công nghệ, dẫn đến sự ra đời của nhiều chuẩn không tương thích với nhau.
Năm 1992, chuẩn di động tế bào số IS-54 đã hoàn thành và được triển khai vào năm 1994 Chuẩn này tích hợp công nghệ TDMA nhằm cải thiện việc chuyển giao và điều khiển tín hiệu qua FDMA IS-54, còn được gọi là chuẩn tế bào di động kỹ thuật số Bắc Mỹ, đã được nâng cấp và mở rộng thành chuẩn IS-136.
Vào đầu những năm 1990, Qualcomm đã đề xuất một chuẩn cạnh tranh cho các hệ thống 2G dựa trên CDMA, được gọi là IS-95 hay IS-95A Chuẩn này hoàn thành vào năm 1993 và được triển khai thương mại dưới tên CDMAOne vào năm 1995.
Chuẩn di động tế bào kỹ thuật số thế hệ hai tại Nhật Bản, được gọi là PDC, được thiết lập vào năm 1991 và triển khai vào năm 1994 Hệ thống này tương tự như IS-136, nhưng sử dụng các kênh thoại 25KHz, tương thích với các hệ thống tương tự của Nhật Bản.
Trong băng tần 900MHz, có hai chuẩn chính là IS-54, kết hợp TDMA và FDMA với điều chế khóa chuyển pha, và IS-95 (hay IS-95a) sử dụng CDMA chuỗi trực tiếp với điều chế và mã hóa nhị phân Băng tần 2GHz PCS đã được bán đấu giá cho các nhà cung cấp dịch vụ, cho phép họ lựa chọn giữa các chuẩn hiện có hoặc phát triển các hệ thống độc quyền Kết quả là có ba chuẩn di động tế bào khác nhau trong băng tần này: IS-136 (giống IS-54 nhưng ở tần số cao hơn), IS-95 và chuẩn GSM Châu Âu.
Cuối những năm 1990, các hệ thống 2G phát triển theo hai hướng chính: chuyển sang tần số cao hơn và hỗ trợ dịch vụ dữ liệu bên cạnh thoại Năm 1994, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) bắt đầu bán đấu giá phổ băng tần 1.9GHz cho các hệ thống di động, cho phép các nhà khai thác lựa chọn chuẩn khác nhau như GSM, IS-136 và IS-95 Sự đa dạng này dẫn đến khó khăn trong việc Roaming nội địa Các hệ thống GSM hoạt động trong băng tần PCS được gọi là PCS 1900, trong khi IS-136 và IS-95 (CDMAOne) cũng được chuyển sang băng PCS với tên gọi giữ nguyên Châu Âu cũng cấp phát thêm phổ di động trong băng 1.8GHz.
Băng tần GSM 1800 hay DCS 1800, thuộc hệ thống di động tế bào số, sử dụng chuẩn GSM với một số điều chỉnh để cho phép chồng lấn giữa các tế bào vi mô và vĩ mô Các điện thoại không dây thế hệ hai như DECT, hệ thống truyền thông truy cập cá nhân (PACS) và hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân (PHS) hoạt động trong băng tần 1.9GHz, chủ yếu hỗ trợ các dịch vụ tổng tài nhánh riêng (PBX).
Chuẩn IS-95 đã được cải tiến để cung cấp dịch vụ dữ liệu bằng cách gán nhiều chức năng trải phổ trực giao cho một người dùng Tốc độ dữ liệu tối đa đạt 115.2Kbps, nhưng thực tế chỉ đạt khoảng 64Kbps Sự phát triển này được gọi là IS-95b.
Hình 1.1 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động trên thế giới [1]
Sự phân đoạn chuẩn và băng tần trong hệ thống 2G đã dẫn đến việc Liên Minh viễn thông quốc tế thành công trong việc lập kế hoạch cho băng tần toàn cầu và chuẩn hóa hệ thống di động 3G vào cuối năm 1996, được gọi là viễn thông di động quốc tế 2000 (IMT-2000) Ngoài dịch vụ thoại, IMT-2000 cung cấp tốc độ dữ liệu Mbps phục vụ cho các ứng dụng như truy cập Internet băng rộng, trò chơi tương tác, và giải trí hình ảnh, âm thanh chất lượng cao Tuy nhiên, thỏa thuận về một chuẩn duy nhất không đạt được, với các quốc gia chủ yếu ủng hộ hai chuẩn cạnh tranh: CDMA2000 (hỗ trợ bởi 3GPP2) và CDMA băng rộng (WCDMA, hỗ trợ bởi 3GPP) Hai chuẩn này không tương thích, yêu cầu điện thoại phải có hai chế độ để hoạt động với cả hai hệ thống.
Chuẩn CDMA2000 được phát triển từ CDMAOne nhằm mở rộng khả năng cho mạng 3G Điểm nổi bật của CDMA2000 là CDMA2000 1X (hay CDMA2000 1XRTT), cho phép truyền dẫn vô tuyến trong băng tần 1.25MHz, tương thích với CDMAOne Hệ thống này gấp đôi dung lượng thoại và cung cấp dịch vụ thoại tốc độ cao với tốc độ đỉnh khoảng 300Kbps và tốc độ thực tế khoảng 144Kbps Để đạt tốc độ dữ liệu cao hơn 1Mbps, CDMA2000 1XEV được phát triển, bao gồm CDMA2000 1XEV-DO (chỉ dữ liệu) với tốc độ đường xuống lên đến 3Mbps và đường lên 1.8Mbps, đạt tốc độ trung bình 2.4Mbps Giai đoạn tiếp theo, CDMA 1XEV-DV (thoại và dữ liệu), hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 4.8Mbps, cho phép người dùng thoại và dữ liệu cùng sử dụng trong một kênh vô tuyến Một nâng cấp khác là gộp ba kênh 1.25MHz thành một kênh 3.75MHz, được gọi là CDMA2000 3X, hiện vẫn đang trong quá trình triển khai.
WCDMA là chuẩn 3G cạnh tranh với CDMA2000, được chọn làm kế vị 3G cho GSM và là hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS Nó cũng được áp dụng trong FOMA Nhật Bản và các hệ thống điện thoại 3G tại đây WCDMA hỗ trợ tốc độ đỉnh lên tới 2.4Mbps, với tốc độ đặc trưng khoảng 384Kbps So với CDMA2000 sử dụng kênh 1.25MHz, WCDMA sử dụng các kênh rộng 5MHz Phiên bản nâng cấp của WCDMA, bao gồm HSDPA và HSUPA, cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 9Mbps.
Hình 1.2 Quá trình phát triển của các mạng di động tế bào
3GPP đã triển khai HSDPA và HSUPA trên các mạng UTMS/WCDMA hiện tại, mang lại tốc độ dữ liệu cao Đối với mạng thế hệ tiếp theo, 3GPP đã phát triển LTE như một giải pháp lâu dài, nhằm xem xét các lựa chọn cho mạng thế hệ mới Hiện tại, một số lựa chọn dựa trên công nghệ OFDM đang được thảo luận, nhưng vẫn chưa hoàn tất.
3GPP2 (CDMA2000) đang xem xét nhiều lựa chọn để phát triển từ các mạng 1×EV-DO Rev0 và Rev A, với Tổ chức phát triển giao diện không gian (AIE) chịu trách nhiệm nghiên cứu các phương án cho mạng thế hệ kế tiếp Một trong những lựa chọn được đề xuất là đa sóng mang (MC)-DO, hay còn gọi là Nx-HRPD (dữ liệu gói tốc độ cao) Tổ chức này cũng đang thảo luận về các giải pháp dựa trên OFDM, trong đó có giải pháp FLASH-OFDM của Flarion do Qualcomm phát triển Các kiến trúc mạng được xem xét bao gồm mạng vi mô, vĩ mô, siêu nhỏ, mạng vùng gia đình (HAN) và mạng vùng cá nhân (PAN) Quá trình phát triển mạng tế bào được tóm tắt trong hình 1.2.
1.1.2 Xu hướng công nghệ không dây khác
Các chuẩn cho hệ thống không dây băng thông rộng
Ba tổ chức chính chịu trách nhiệm chuẩn hóa mạng không dây băng rộng bao gồm IEEE, ETSI và 3GPP Trong khi IEEE và ETSI tập trung vào việc chuẩn hóa các mạng không dây dựa trên nền tảng mạng gói, 3GPP chủ yếu chú trọng vào các mạng tế bào và di động.
Mỹ và ETSI là tổ chức của Châu Âu có tầm ảnh hưởng gần như khắp thế giới
Tốc độ dữ liệu (Mbps)
Họ này chia sẻ hai băng tần không cấp phép ở 2.4GHz và 5GHz, đưa ra năm
1997 Có hai phiên bản của 802.11: một phiên bản trải phổ nhảy tần (FHSS) và một phiên bản trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) hoạt động trong băng tần 2.4GHz.
Chuẩn 802.11b, ra mắt vào năm 1999, hoạt động trên băng tần 2,4GHz và hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 11Mbps Các thiết bị như điểm truy cập (AP) và thẻ mạng không dây tương thích với chuẩn này đã được cung cấp từ thời điểm đó, và hiện nay, hầu hết các mạng WLAN đều hỗ trợ chuẩn 802.11b.
Một trong những ưu điểm nổi bật của chuẩn 802.11b là phạm vi phủ sóng rộng, có thể lên đến 100m, với 14 kênh chuẩn hóa Tại Mỹ, các kênh từ 1 đến 11 được sử dụng cho cấu hình điểm truy cập AP, mỗi kênh chiếm một phần băng tần 2,4GHz để truyền tải tín hiệu Để giảm thiểu nhiễu giữa các AP lân cận, các nhà thiết kế mạng WLAN thường chọn sử dụng các kênh không chồng lẫn 1, 6 và 11.
Chuẩn 802.11b gặp nhược điểm chủ yếu do nhiễu từ các thiết bị điện tử khác hoạt động trong băng tần 2,4GHz, dẫn đến suy giảm chất lượng kết nối Sử dụng phương thức DSSS, 802.11b trải phổ tín hiệu với độ rộng kênh 22MHz, giúp chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu băng hẹp Mặc dù tốc độ truyền dẫn của 802.11b thấp hơn 802.11e, nhưng nó vẫn được ưa chuộng trong môi trường sản xuất và dịch vụ nhờ chi phí thiết bị thấp và khả năng đáp ứng các nhu cầu cơ bản như duyệt Web, Email, chat và nhắn tin.
Hình 1.4 Quy mô triển khai các chuẩn truy nhập
IEEE 802.11a hoạt động trên băng tần 5GHz, được hoàn thiện vào năm 1999, với tốc độ dữ liệu mục tiêu đạt 54Mbps và phạm vi phủ sóng tối đa khoảng 30m, mặc dù người dùng thực tế thường chỉ có thể sử dụng khoảng 20Mbps Ưu điểm của 802.11a là khả năng cấp phát lên tới 8 kênh không phủ chồng tại Mỹ, cho phép hỗ trợ nhiều người dùng với yêu cầu chất lượng cao như video streaming Việc hoạt động ở băng tần 5GHz giúp 802.11a ít bị ảnh hưởng bởi các thiết bị gây nhiễu như điện thoại di động và lò vi sóng, từ đó nâng cao chất lượng kết nối Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của 802.11a là phạm vi phủ sóng hẹp hơn so với 802.11b/g, yêu cầu nhiều điểm truy cập (AP) hơn trong cùng một khu vực địa lý Mặc dù tốc độ của 802.11a nhanh hơn, người dùng có thể trải nghiệm tốc độ giảm xuống còn khoảng 1Mbps hoặc 2Mbps khi ra ngoài tầm phủ sóng.
IEEE 802.15.3 UWB, Bluetooth Wi-Media, BTSIG, MBOA
MAN LAN PAN HiperPAN ETSI
3GPP (GPRS/UMTS) 3GPP2 (1X /CDMA2000) GSMA, OMA IEEE 802.22 RAN
Chuẩn 802.11a và 802.11b không tương thích, khiến các máy trạm và điểm truy nhập của hai chuẩn này không thể kết nối Để giải quyết vấn đề này, nhiều nhà sản xuất đã phát triển Card mạng không dây hỗ trợ đa chế độ cho cả 802.11a và 802.11b.
Chuẩn này, được chuẩn hoá vào năm 2001, quy định các khía cạnh liên quan đến phân kênh và mẫu nhảy tần, nhằm mở rộng hoạt động của WLAN 802.11 tại những quốc gia chưa có quy định cụ thể về triển khai ứng dụng 802.11 Điểm truy cập AP có khả năng cung cấp thông tin về số hiệu kênh hợp pháp và mức truyền tương ứng cho người dùng.
IEEE 802.11c cung cấp kỹ thuật kết nối các mạng WLAN, tạo thành một mạng riêng biệt Bằng cách sử dụng chuẩn 802.11c giữa nhiều điểm truy cập (AP) trong một mạng hữu tuyến truyền thống, các AP có thể hoạt động phối hợp, cho phép các thiết bị kết nối với các AP khác nhau để trao đổi dữ liệu hiệu quả.
IEEE 802.11e cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng WLAN thông qua cả chế độ DCF và PCF Chuẩn này nâng cao khả năng của lớp MAC, mở rộng hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu QoS, đồng thời cải thiện tính bảo mật và hiệu quả của giao thức.
Chuẩn 802.11f, hoàn thiện vào năm 2003, được thiết kế cho mạng WLAN di động lớn, cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Giao thức IAPP (Inter Access Point Protocol) mở rộng 802.11 giúp kết nối vô tuyến giữa các điểm truy cập (AP) qua hệ thống phân phối DS (Distribution System), đảm bảo việc trao đổi thông tin liên tục và bảo mật trong quá trình chuyển giao giữa các AP Mức độ bảo mật được quản lý thông qua các khoá mã do máy chủ RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service) cung cấp, đồng thời máy chủ này cũng thực hiện ánh xạ giữa địa chỉ MAC và địa chỉ IP của các AP Chuẩn 802.11f là cần thiết cho mạng WLAN có phạm vi rộng.
IEEE 802.11g, được giới thiệu vào năm 2003, sử dụng các lược đồ điều chế và giao diện không gian tương tự như IEEE 802.11a nhưng hoạt động trong băng tần ISM 2.4GHz Mặc dù khác biệt so với IEEE 802.11b, 802.11g mang lại lợi ích về tốc độ dữ liệu trong các mạng kết hợp giữa 802.11b và 802.11g, với tốc độ tối đa lên tới 54Mbps nhờ vào phương thức ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Một trong những ưu điểm nổi bật của 802.11g là khả năng tương thích với 802.11b, cho phép nâng cấp thiết bị truy cập AP từ 802.11b lên 802.11g một cách dễ dàng Hơn nữa, các thiết bị thuộc hai chuẩn này có thể hoạt động đồng thời trong môi trường WLAN trên cùng băng tần 2,4GHz.
Cả 802.11b và 802.11g đều gặp phải vấn đề nhiễu sóng vô tuyến từ các thiết bị điện tử khác hoạt động trong băng tần 2,4GHz Hơn nữa, số lượng chỉ có 3 kênh vô tuyến không bị chồng lẫn đã hạn chế dung lượng của 802.11g so với 802.11a.
IEEE 802.11i, được chuẩn hóa vào năm 2004, nhằm nâng cao cơ chế nhận thực và bảo mật cho mạng 802.11, thay thế cho các phương thức bảo mật cũ hơn như WEP Chuẩn này sử dụng giao thức khóa tạm thời để đồng bộ hóa các thay đổi khóa giữa các trạm và điểm truy cập (AP), cùng với chuẩn mã hóa tiên tiến AES (Advanced Encryption Standard) Nhờ đó, IEEE 802.11i cung cấp mức độ bảo vệ cao hơn so với các chuẩn trước đó.
IEEE 802.15 quy định các hệ thống mạng riêng không dây PAN, bao gồm ba loại mạng WPAN khác nhau, dựa trên tốc độ dữ liệu, mức tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ (QoS).
IEEE 802.15.3 chỉ ra WPAN tốc độ dữ liệu cao phù hợp cho truyền thông đa phương tiện với QoS rất cao.
IEEE 802.15.1 chỉ định WPAN tốc độ dữ liệu trung bình với QoS trung bình.
Nó được so sánh với Bluetooth.
IEEE 802.15.4 chỉ định WPAN có QoS thấp và tốc độ dữ liệu thấp [5]
Chuẩn IEEE 802.16 ban đầu quy định về truy cập không dây băng rộng cố định (FBWA) trong khoảng tần số 10 đến 66GHz Hệ thống này thiết lập kết nối giữa vị trí thuê bao và mạng lõi, và việc truy cập mạng này tuân theo tiêu chuẩn 802.16 Các chuẩn IEEE 802.16 cũng đề cập đến giao diện không gian giữa trạm thu phát của thuê bao và trạm thu phát gốc.
So sánh các chuẩn công nghệ
Bảng 1.2 So sánh các chuẩn mạng không dây Đặc điểm 802.11 (Wi-Fi) 802.16-2004 802.16e 802.20
Mục tiêu ứng dụng, và phạm vi
LAN, Lên đến 100m tối ưu cho LAN trong nhà
MAN, Tối đa 50km (LOS), Bán kính tế bào, 7-10km (gần LOS), 2-5km (NLOS)
MAN, Bán kính tế bào, 2-5km, 1km trong nội thành mật độ cao
WAN, Một vài dặm Điều kiện kênh truyền, và phổ
LOS ngoài trời, 2.4GHz và 5GHz (không cấp phép)
N LOS, 2-11GHz (Không cấp phép và có cấp phép)
NLOS, 2-6GHz (không cấp phép và có cấp phép)
Hỗ trợ tính di động
Cố định Cố định- dùng cổng Tính di động cho phương tiện giao thông
Tính di động phương tiện giao thông Roaming Tốc độ bit 54Mbps trong băng thông 20MHz
75Mbps trong băng thông 20MHz
15Mbps trong băng thông 5MHz
điều chế QPSK
( type=1, length=1, value=2)-> điều chế 16QAM
( type=1, length=1, value=3)-> điều chế 64QAM
Các MAC PDU được truyền trong các burst, như thể hiện trong Hình 2.19 Mỗi burst PHY có khả năng chứa nhiều khối FEC, và các MAC PDU có thể mở rộng qua các đường biên khối như Ghép nối, Đóng gói, Phân đoạn và Các tiêu đề con.
Các đặc điểm bổ sung của WIMAX trong IEEE 802.16e
WiMAX di động là giải pháp không dây băng rộng, kết hợp mạng băng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng linh hoạt Công nghệ OFDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao) cải thiện hiệu suất trong môi trường không có đường nhìn (NLOS) Bổ sung IEEE 802.16e giới thiệu SOFDMA, hỗ trợ băng tần từ 1.25 đến 20MHz Nhóm công nghệ di động MTG của WiMAX Forum đang phát triển các profile hệ thống WiMAX di động, định nghĩa các đặc điểm cần thiết cho giao diện không gian tuân theo chuẩn WiMAX có thể được chứng nhận Profile này giúp cấu hình các hệ thống di động dựa trên các đặc điểm cơ bản, đảm bảo tính tương thích và hiệu quả.
Một số phần tử trong các profile BS được thiết kế để cung cấp tính linh hoạt cho việc triển khai, phù hợp với các điều kiện cụ thể yêu cầu cấu hình khác nhau như dung lượng tối ưu hoặc độ bao phủ tối ưu Profile WiMAX di động phát hành lần 1 sẽ hỗ trợ độ rộng kênh 5, 7, 8.75 và 10MHz, phù hợp với các ấn định phổ cấp phép toàn cầu trong các băng tần 2.3, 2.5, 3.3 và 3.5GHz.
Các hệ thống WiMAX di động mang lại tính quy mô cho công nghệ truy cập vô tuyến và kiến trúc mạng, tạo ra sự linh hoạt trong triển khai mạng và dịch vụ WiMAX di động hỗ trợ nhiều đặc điểm chính, cho phép tùy chỉnh và tối ưu hóa các giải pháp mạng.
Tốc độ dữ liệu cao
Công nghệ WiMAX di động tích hợp anten MIMO, lược đồ kênh con hóa mềm dẻo, mã hóa và điều chế nâng cấp, cho phép đạt tốc độ dữ liệu đỉnh lên tới 63Mbps trên mỗi sector cho đường xuống và 28Mbps cho đường lên trong kênh 10MHz.
Mã hóa đường truyền mở rộng
WiMAX di động nâng cao tính năng và chất lượng dịch vụ thông qua việc cung cấp nhiều tùy chọn cho mỗi dịch vụ Mỗi thiết bị có khả năng kết nối với trạm gốc gần nhất bằng cách sử dụng các biểu đồ mã hóa đường truyền phù hợp, dựa trên chất lượng tín hiệu, độ nhiễu và các thông số xử lý khác Hệ thống mã hóa này cũng được điều chỉnh để phù hợp với trạng thái của thiết bị ở từng giai đoạn khác nhau.
Kết hợp lược đồ mã hóa đường truyền tiên tiến với các tùy chọn kích thước kênh truyền khác nhau và khả năng nhóm sóng mang con giúp các nhà khai thác mạng tối ưu hóa việc sử dụng dải phổ có sẵn.
Chất lượng QoS là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện giao tiếp vô tuyến, cung cấp dịch vụ đa phương tiện bao gồm thoại, dữ liệu và video qua kết nối không dây QoS là cần thiết cho việc vận hành mạng hiệu quả, đặc biệt trong công nghệ WiMAX hoàn toàn dựa trên IP, nơi mối quan hệ giữa QoS và dịch vụ băng rộng trở nên đơn giản Trong chuẩn WiMAX di động, QoS được đảm bảo thông qua việc sử dụng người điều hành đường truyền tín hiệu để phù hợp với từng dịch vụ Kiến trúc IEEE 802.16 MAC tập trung vào QoS, định nghĩa các luồng dịch vụ có thể ánh xạ đến các điểm mã hóa dịch vụ khác nhau Hơn nữa, MPLS hỗ trợ IP đầu cuối-đầu cuối dựa trên QoS, trong khi các lược đồ kênh con hóa và báo hiệu dựa trên MAP cung cấp kỹ thuật linh hoạt để tối ưu hóa không gian và tài nguyên tần số qua giao diện không gian trên từng khung.
Mặc dù nền kinh tế toàn cầu hóa đang phát triển mạnh mẽ, tài nguyên phổ cho băng rộng không dây vẫn còn thiếu sự đồng bộ Công nghệ WiMAX di động được phát triển để linh hoạt hoạt động trong các kênh hóa từ 1.25 đến 20MHz, đáp ứng nhu cầu đa dạng trên toàn cầu và hướng tới sự hòa hợp phổ lâu dài Điều này giúp nền kinh tế đa dạng tận dụng các lợi ích của WiMAX, bao gồm cung cấp truy cập Internet mạnh mẽ cho vùng nông thôn và nâng cao khả năng truy cập băng rộng di động tại các khu vực thành thị và ngoại ô.
WiMAX di động cung cấp lược đồ chuyển giao tối ưu với độ trễ dưới 50ms, đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng thời gian thực như VoIP Hệ thống quản lý khóa mềm dẻo duy trì tính bảo mật trong quá trình chuyển giao Mạng WiMAX di động hoàn toàn dựa trên router IP, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa vận hành cũng như bảo trì so với các mạng lõi khác Khả năng mở rộng của mạng IP là yếu tố quan trọng, cho phép các nhà khai thác dịch vụ phát triển để đáp ứng nhu cầu của thuê bao, làm nổi bật ưu điểm của công nghệ WiMAX di động trong kiến trúc mạng IP hoàn toàn.
WiMAX di động được thiết kế để đáp ứng nhu cầu về mạng băng rộng di động, kết hợp ưu điểm của cả công nghệ băng rộng và di động Công nghệ này sử dụng các thuật toán IP di động và kiến trúc lõi, cho phép chuyển giao dịch vụ thuận tiện khi thuê bao di chuyển giữa các vùng phủ sóng khác nhau Với hệ thống chức năng và giao diện IP hoàn thiện, WiMAX di động cung cấp dịch vụ dựa trên nền IP, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ đầu cuối (QoS) Các mạng lõi sử dụng router và khối chuyển mạch IP có chi phí thấp, dễ lắp đặt và vận hành hơn so với các mạng thay thế khác, phù hợp với xu hướng dịch vụ đa phương tiện hiện nay.
Tất cả các mạng IP có khả năng hỗ trợ hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ viễn thông và đảm bảo chất lượng cho nhiều loại dịch vụ đa dạng.
Công nghệ WIMAX di động cho phép truyền thông NLOS (Non-Line of Sight), giúp kết nối liên lạc hiệu quả ngay cả trong môi trường bị che chắn bởi tường và vật cản Việc ứng dụng anten thông minh trong công nghệ này mang lại khả năng kết nối ổn định, không chỉ ở các khu đô thị mà còn ở vùng nông thôn.
Công nghệ anten thông minh, với khả năng tạo búp sóng và điều khiển công suất, giúp tối ưu hóa dịch vụ phân phối và nâng cao chất lượng dịch vụ trong mọi môi trường hoạt động WIMAX tận dụng những tính năng này để tối đa hóa hiệu suất và khả năng phục vụ.
Sự khác biệt chính giữa 802.16-2004 và 802.16e nằm ở công nghệ ghép kênh, trong đó 802.16-2004 sử dụng OFDM, còn 802.16e áp dụng OFDMA Chuẩn 802.16-2004 thích hợp hơn cho các ứng dụng cố định với anten tính hướng do OFDM ít phức tạp hơn so với SOFDMA.
Trong OFDM tất cả các sóng mang được phát song song với cùng một độ khuếch đại OFDMA phân chia không gian sóng mang thành N nhóm, mỗi nhóm có
OFDMA sử dụng sóng mang và kênh con để tối ưu hóa tài nguyên mạng, với 2048 sóng mang con, trong đó M2, NH cho đường xuống và M2, NS cho đường lên Mỗi kênh con được mã hóa, điều chế và khuếch đại riêng biệt tùy theo điều kiện kênh, giúp giảm nhiễu và cải thiện khả năng NLOS cho thuê bao di động Kênh con hóa cho phép phân bổ kênh cho các thuê bao khác nhau, tăng tính linh hoạt trong quản lý băng tần và công suất phát Công suất phát có thể được điều chỉnh, cấp phát cao hơn cho người dùng có điều kiện kém và thấp hơn cho người dùng ở vị trí thuận lợi hơn Điều này cũng cải thiện độ bao phủ trong các tòa nhà Kênh con hóa trong đường lên nâng cao hiệu suất khi công suất phát từ thiết bị người dùng bị hạn chế OFDMA hỗ trợ đa truy nhập, cho phép các thiết bị chỉ phát qua một kênh con, tập trung công suất phát vào 1/32 phổ có sẵn, mang lại độ khuếch đại cao.
Kiến trúc mạng wimax
Kiến trúc mạng đầu cuối-đầu cuối được WiMAX Forum đề xuất mô tả hệ thống truy nhập/lõi và các chức năng của chúng, bao gồm các quy trình hỗ trợ di động, bảo mật, tương tác mạng và xác thực với trạm thuê bao WiMAX Nó bao gồm các thực thể như trạm thuê bao di động (MSS), mạng dịch vụ truy nhập ASN và mạng dịch vụ kết nối CSN Hệ thống cũng xác định các giao diện giữa các thực thể khác nhau, thiết lập các quy trình, giao thức và các liên kết logic cũng như vật lý để truy cập các thực thể này.
2.7.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN
ASN bao gồm nhiều cổng ASN và các trạm gốc, cung cấp mạng WiMAX cho một khu vực địa lý nhất định ASN đảm nhiệm việc quản lý truy cập MAC, bao gồm chức năng đệm, định vị, quản lý nguồn vô tuyến RRM và hỗ trợ tính di động giữa các trạm phát sóng (BS).
ASN cung cấp quản lý các liên kết vô tuyến WiMAX và hỗ trợ nhiều cấp độ quản lý cho CSN Ngoài ra, ASN còn có thể được sử dụng như một hình thức ủy quyền, đặc biệt trong trường hợp của IP di động ủy quyền (MIP).
ASN được triển khai bởi nhà cung cấp truy cập mạng (NAP), cung cấp SS/MSS với kết nối L2 đến mạng WiMAX Nó kết nối người dùng với các nhà cung cấp dịch vụ mạng (NSP) quản lý CSN Cổng ASN tạo ra các liên kết giữa ASN và CSN.
Phần logic riêng biệt trong mạng truy nhập từ mạng dịch vụ cho phép triển khai các mạng truy nhập cụ thể Ví dụ, trong trường hợp nhiều NAP có thể thiết lập sự hợp tác hoặc các hợp đồng roaming theo thỏa thuận với một NAP khác hoặc một hoặc nhiều NSP.
2.7.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN
CSN, hay cụm chức năng mạng, cung cấp kết nối IP cho các trạm thuê bao WiMAX Nó bao gồm các cổng truy cập Internet, bộ định tuyến, máy chủ và ủy quyền cho AAA, cũng như quản lý phân phối IP và cơ sở dữ liệu người dùng Ngoài ra, CSN còn điều phối chính sách chấp nhận, tính di động giữa ASN, và các dịch vụ WiMAX đặc thù như dịch vụ dựa trên vị trí và dịch vụ tuân thủ quy định.
CSN được triển khai bởi NSP, một thực thể kinh doanh, nơi các thuê bao WiMAX ký hợp đồng theo thỏa thuận về các dịch vụ như QoS và băng tần Các thuê bao có thể truy cập các dịch vụ này thông qua ASN mà họ đang sử dụng.
Người dùng có thể kết nối với các mạng của nhà cung cấp dịch vụ khác khi mạng nhà có hợp đồng roaming ASN sử dụng các chức năng quản lý của CSN không thuộc sở hữu của nó và có thể ủy quyền cho mạng nhà hoặc liên lạc trực tiếp với CSN của mạng nhà.
Hình 2.29 Kiến trúc mạng Wimax [22]
2.7.3 Cấu hình mạng a Cấu hình điểm-đa điểm PMP
PMP (Point-to-Multipoint) là một mạng truy cập bao gồm một hoặc nhiều trạm phát sóng lớn (BS) và nhiều trạm thu nhỏ hơn (SS) Người dùng có thể nhanh chóng kết nối với mạng ngay sau khi lắp đặt thiết bị của mình Các SS có khả năng sử dụng anten định hướng để kết nối với các BS, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và hiệu suất mạng.
Trạm gốc BS có thể trang bị nhiều anten với khả năng phát sóng theo mọi hướng hoặc trong một cung nhất định, đóng vai trò là trung tâm cho các trạm thuê bao SS Hướng phát sóng xuống (DL) có thể được thực hiện dưới dạng quảng bá, đa điểm hoặc đơn điểm Kết nối giữa một SS và BS được xác định qua mã nhận dạng kết nối CID, ví dụ như 2.30.
Hình 2.30 Cấu hình điểm-đa điểm mạng WiMAX b Cấu hình mắt lưới MESH
Hình 2.31 với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH.
Một số điểm phân biệt:
- Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một Node
- Neighborhood : Tất cả các neighbor khác
- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor từ neighborhood.
Kiểu MESH khác với PMP ở chỗ trong PMP, các điểm truy cập chỉ liên lạc với bộ phát sóng (BS) và toàn bộ lưu lượng đều đi qua BS Ngược lại, trong kiểu MESH, tất cả các Node có thể giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc thông qua định tuyến nhiều bước.
Một hệ thống với truy cập đến kết nối backhaul được gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống khác được gọi là Mesh SS Mặc dù Mesh có một hệ thống được gọi là Mesh BS, hệ thống này vẫn cần phối hợp quảng bá với các Node khác.
Hình 2.31 Cấu hình Mesh mạng WiMAX [23]
Để một trạm thuê bao WiMAX có thể kết nối với mạng, nó cần hoàn tất thủ tục vào mạng Trạng thái vào mạng sẽ được điều chỉnh nếu có lỗi xảy ra, cho phép tiếp tục từ bất kỳ trạng thái nào Đồng thời, việc đồng bộ kênh đường xuống cũng rất quan trọng trong quá trình này.
Khi một SS muốn kết nối vào mạng, nó sẽ quét một kênh trong danh sách tần số đã được định nghĩa Thông thường, SS được cấu hình để sử dụng một BS cụ thể với các tham số vận hành đã được thiết lập, hoạt động trong băng tần được cấp phép Nếu SS phát hiện một kênh đường xuống và đồng bộ hóa thành công ở mức vật lý thông qua phần đầu chu kỳ khung, thông tin về điều chế cùng các tham số UL và DL khác sẽ được thu thập bằng cách quan sát DCD và UCD của kênh đường xuống.
Khi một SS đã đồng bộ với kênh DL và nhận DL và UL-MAP cho một khung, nó sẽ khởi động thủ tục Ranging ban đầu bằng cách gửi một thông điệp MAC yêu cầu Ranging với công suất truyền dẫn tối thiểu Nếu không nhận được phản hồi, quá trình sẽ tiếp tục.
THIẾT KẾ MẠNG WIMAX
Thiết kế mạng wimax ở nghi lộc
3.2.1 Lựa chọn các thông số kỹ thuật
Trạm BS-WiMAX có công suất phát Pt (dB) được kết nối với anten phát qua cáp, yêu cầu phối hợp trở kháng để tối ưu hóa công suất phát sóng và giảm thiểu suy hao Suy hao cáp phát Lt (dB) và suy hao đấu nối cáp L’t (dB) ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Khi tín hiệu đến anten phát, nó sẽ được tăng ích với hệ số tăng ích nhất định.
Quá trình lan truyền tín hiệu trong không gian gây ra suy hao không gian tự do (Loss, dB) và suy hao do mưa trên toàn tuyến (Lm, dB) Khi tín hiệu được thu, nó sẽ được tăng cường với hệ số tăng ích (Gr, dB) Tuy nhiên, tín hiệu truyền qua cáp đến thiết bị thu cũng gặp phải suy hao.
Lr (dB) và suy hao đấu nối cáp L’r (dB) Công suất thu được lý thuyết chỉ là Pr (dB)
Như vậy công suất thu Pr sẽ được tính toán như sau (không tính Fading):
Pr = Pt + Gt + Gr – (Lt + Lt’ + Loss + Lm + Lr + Lr’)
- Suy hao không gian tự do Loss(dB) = 92.5 + 20*log f(Ghz) + 20*log d(km) với f(Ghz) là tần số thu phát, d(km) là khoảng cách thu phát.
Suy hao do mưa trên toàn tuyến Lm được tính bằng suy hao do mưa trung bình trên mỗi km nhân với chiều dài tuyến d (km) Để tính toán hiệu ứng Fading, cần chú ý đến hệ số Fading của nhiều tia Po.
Po= 0.3 * a * (U/15) -13 * (f/4) * (d/50) 3 , trong đó a gọi là hệ số địa hình (chọn a=5), U ở đây là độ cao của địa hình, đại lượng (U/15) -1.3 gọi là độ gồ ghề của địa hình.
- Xác suất xảy ra lỗi bit BER > 10 -3 : Pa = 10 -FMa/10
- Xác suất xảy ra lỗi bit BER > 10 -6 : Pb = 10 -FMb/10
- Dự trữ fading FMa ứng với tỷ lệ lỗi bit BER -3
- Dự trữ fading FMb ứng với tỷ lệ lỗi bit BER -6
RXa là ngưỡng thu của thiết bị tương ứng với BER -3, trong khi RXb là ngưỡng thu của thiết bị tương ứng với BER -6 Các độ dự trữ fading được tính toán với công thức: FMa = P – RXa và FMb = P – RXb.
Band F: Tx331-3335MHz; Rx381-3400Mhz Độ rộng kênh truyền: 3.5MHz
Phương thức song công: FDD
Dạng IP: Sử dụng cả kiểu IP động và tĩnh
Với diện tích gần 350 km² và dân số khoảng 200.000 người, quy hoạch mạng sẽ cần 12 cell và 12 trạm BTS Wimax, mỗi trạm phục vụ khoảng 250 khách hàng Mỗi kênh có công suất 40 Mbit/s, đủ băng thông để hỗ trợ hàng trăm doanh nghiệp với kết nối tốc độ T-1 và hàng ngàn hộ dân với kết nối DSL Khi triển khai mạng di động, công suất sẽ đạt 15 Mbit/s trong phạm vi bán kính 3 km của mỗi cell.
3.2.2 Sơ đồ thiết kế tổng thể
Hệ thống trạm gốc WiMAX được lắp đặt trên cột anten của Bưu điện, cung cấp đường ADSL tốc độ 8Mbps từ Bưu điện trung tâm Nghi Lộc cho mỗi điểm truy nhập Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm một máy chủ NMS chạy phần mềm BreezeLITE để quản lý và giám sát các thiết bị CPE, cùng với một Voice Gateway để chuyển đổi lưu lượng VoIP đến mạng PSTN và ngược lại.
Tín hiệu IP được chuyển đổi thành tín hiệu sóng qua điểm truy nhập WiMAX và sau đó được truyền đến các thiết bị CPE Các CPE sẽ nhận tín hiệu sóng WiMAX và chuyển đổi lại thành tín hiệu IP, từ đó cung cấp truy cập Internet cho máy tính và các ứng dụng dựa trên Internet như VoIP.
Hình 3.1 Sơ đồ kết nối tổng thể
Triển khai tại trạm gốc (BS) (hình 3.2)
Lắp đặt anten của BTS trên độ cao 50m trên cột anten
Lắp đặt dây tín hiệu vào phòng máy Đảm bảo hệ thống nguồn UPS
Cài đặt đường trung kế Internet cho trạm BTS, phối hợp thực hiện giữa các bên
Cài đặt hệ thống Mail server
Cài đặt hệ thống VoIP
Cài đặt hệ thống NMS
Triển khai tại trạm đầu cuối (hình 3.3)
Switch Switch Điểm truy nhập WiMAX
Anten lắp ngoài trời hướng về tháp anten BTS có thể nằm trong tầm nhìn thẳng (LOS) hoặc không (NLOS) Việc cung cấp nguồn cho thiết bị ngoài trời được thực hiện qua cáp tín hiệu CAT5, giúp thuận tiện cho quá trình lắp đặt.
Khối trong nhà được lắp đặt tại vị trí của người dùng cuối và hoạt động như một Router Thiết bị ngoài trời và thiết bị trong nhà được kết nối thông qua cáp truyền tín hiệu CAT5 Thiết bị trong nhà sẽ kết nối với một Switch, từ đó kết nối đến máy tính và điện thoại VoIP.
Phương pháp triển khai VoIP sẽ được thực hiện độc lập với các thiết bị mạng truyền dẫn WiMAX, điều này rất quan trọng vì khi WiMAX trở thành dịch vụ, các thiết bị WiMAX CPE sẽ được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau Nếu VoIP phụ thuộc vào thiết bị cụ thể, việc cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên nền tảng WiMAX, như VoIP, sẽ gặp nhiều khó khăn.
Mô hình ứng dụng trong hình 3.4 cho thấy mỗi đầu cuối được trang bị một hoặc nhiều điện thoại IP, cho phép các máy này gọi lẫn nhau qua số nội bộ Khi thực hiện cuộc gọi đến thuê bao PSTN, người dùng chỉ cần bấm số mở rộng và sau đó là số cần gọi Để gọi đến các điện thoại IP từ PSTN hoặc di động, người dùng cần quay số đến một trong hai đường kết nối với Voice Gateway, sau đó nhập số điện thoại IP cần liên lạc.
Cơ chế làm việc của mạng VoIP
Tại VDC, một SIP Server sẽ được triển khai, bao gồm phần mềm và thiết bị phần cứng do USAID cung cấp SIP Server này có chức năng trao đổi tín hiệu cuộc gọi và quản lý các thuê bao điện thoại IP Phần mềm đi kèm được cấp phép sử dụng trong vòng một năm.
Khi các điện thoại IP thực hiện cuộc gọi, chúng sẽ truy cập vào SIP Server để xác định địa chỉ IP của thiết bị đích Sau đó, hai thiết bị sẽ giao tiếp trực tiếp với nhau qua giao thức RTP theo mô hình ngang hàng Hệ thống hỗ trợ tối đa 40 thuê bao VoIP và có 2 đường thoại kết nối tới mạng PSTN Các đường PSTN này được cấu hình chỉ cho phép thực hiện các cuộc gọi nội bộ tại Nghi Lộc, với khả năng gọi cả hai chiều.
Ngoài điện thoại IP SIP, còn có điện thoại cầm tay Wi-Fi VoIP, thiết bị này kết nối với điểm truy cập Wi-Fi để thực hiện cuộc gọi VoIP Do tính nhạy cảm về thời gian của ứng dụng VoIP, việc kết hợp công nghệ WiMAX và Wi-Fi để phát triển ứng dụng này mang lại cơ hội tốt cho việc thử nghiệm tích hợp công nghệ thoại qua các kết nối không dây.
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối trạm gốc BS
(Breeze LITE) Điểm truy nhập WiMAX
Router+ Modem ADSL upload: 1Mbps Download: 8Mbps
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối đầu cuối ( End-User)
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP