Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình tính toán mạng wireless 802 16

1 Lời nói đầu Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi mới. Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty Điện toán và truy ền số liệu khu vực 1 VDC. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đạ i học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án. Ngày 19 tháng 05 năm 2007 Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa 2 Tóm tắt đồ án WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó: - Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax. - Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày những đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax. - Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng và lựa chọn phát triển hệ thống WiMax. 3 Mục lục Lời nói đầu 1 Tóm tắt đồ án 2 Mục lục 3 Danh sách các hình vẽ 6 Danh sách bảng biểu 8 Danh sách các từ viết tắt 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO 10 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) 10 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) 10 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) 11 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 12 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 17 2.1 Khái niệm chung 17 2.2 Lớp vật lý (PHY) 18 2.2.1 Cở sở OFDMA 18 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá 22 2.2.3 S-OFDMA 24 2.2.4 Cấu trúc khung TDD 25 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác 27 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) 29 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) 29 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) 32 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng 32 2.4.1 Quản lý di động 32 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng 32 2.5 Bảo mật trong WiMax 34 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động 34 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh 34 2.6.2 Sử dụng lại tần số 37 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax 38 4 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax 38 2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động 43 2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax 43 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng 48 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) 48 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax 51 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động 51 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động 52 2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực 55 3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị 58 3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống 61 3.2 Cấu trúc của hệ thống 62 3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống 62 3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận 65 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu 68 3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung 72 3.2.5 Các thông số đầu ra 74 3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng 75 3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP 75 3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP 77 3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) 78 3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống 78 3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell 79 3.4.1 Tái sử dụng tần số 79 3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống 79 3.5 Các thông số cho hệ thống 81 3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức 81 3.5.2 Thông số cho BS và MS 84 5 3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo 85 3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức 86 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax 94 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô 100 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố 104 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền 106 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức 108 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX 113 4.1 Tính toán đường truyền 113 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site 116 Kết luận 124 Tài liệu tham khảo 125 6 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax 14 Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 23 Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con 23 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC 24 Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA 26 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động 30 Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác 31 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 37 Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ 38 Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu 46 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax 49 Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP 50 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. 54 Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax 54 Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site 57 Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn 58 Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax 60 Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax 61 Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến 63 Hình 3.6: Các loại góc anten 63 Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten 65 Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 67 Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. 69 Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi 76 Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP 77 Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực 78 Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM 79 Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector 84 Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS 85 Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS 86 Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS 88 Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM 89 Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 90 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau 91 Hình 3.21: Bán kính cell 92 Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao 93 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau 100 7 Hình 3.30: Tôpô Mesh 110 Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm 110 Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax 113 Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi 122 8 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 25 Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ 27 Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động 28 Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS 31 Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp 35 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 36 Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động 39 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA 40 Bảng 2.9: Phương thức truyền bá 40 Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động 41 Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động 43 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất 44 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất 44 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động 46 Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax 46 Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax 52 Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường 69 Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền 71 Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng 74 Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP 76 Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP 77 Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV 78 Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng 80 Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau 80 Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] 83 Bảng 3.10: Các thông số tham khảo cho trạm gốc và thuê bao 85 Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami 98 Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới 105 Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng 111 Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 111 Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 112 Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII 112 Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz 115 Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu 116 9 Danh sách các từ viết tắt Số thứ tự Từ viết tắt Ý nghĩa 1 WiMax Hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu 2 OFDM Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao 3 MIMO Hệ thống anten thông minh (đa đầu vào, đa đầu ra) 4 WISP Nhà cung cấp dịch vụ internet không dây 5 NRTV Dịch vụ video gần tương ứng thời gian thực 6 UE/MS/CPE Thiết bị của người sử dụng 7 SNR Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 8 AS Góc phương vị 9 AoA Góc tới 10 AoD Góc lệch 11 802.16a Chuẩn WiMax cố định 12 802.16e Chuẩn WiMax di động 10 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số lượng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng các dịch vụ dữ liệu. Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ. 1.1 Hệ thống thông tin di động th ế hệ thứ 1 (1G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên. b. Các hệ thống mạng 1G Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống sau: • AMPS (Advaced Mobile Phone System) • ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) - Châu Âu • NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Bắc Âu 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch mạch là chủ yếu. Phương pháp đa truy cập TDMA và CDMA được sử dụng [...]... Area Network) Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km • Hai mô hình ứng dụng WiMax Tiêu chuẩn IEEE 802. 16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: - Mô hình ứng dụng cố định - Mô hình ứng dụng di động Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMax) Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE .802. 16- 2004 Tiêu chuẩn... BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax Mô hình ứng dụng WiMax di động Mô hình WiMax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802. 16e Tiêu chuẩn 802. 16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802. 16- 2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động... cho ADSL và WiFi Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15 Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự... Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802. 16- 2004 Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802. 16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMax Tổ công tác IEEE 802. 16 là người chế định ra tiêu chuẩn còn Diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802. 16 Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận,... cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc... nghệ theo tiêu chuẩn 802. 16 Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận của WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan... Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém b Các hệ thống mạng 3G • WCDMA: WCDMA hay còn gọi là IMT - 2000 là một chuẩn của ITU (International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả 12 năng của mạng di động hiện... xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên nền IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như đã tạo ra một môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này Trong khi hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại, thì mục đích chính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng. .. WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại, hình ảnh dữ liệu video có tốc độ lên đến 2Mbps • UMTS: Là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu Mạng này cung cấp cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âm thanh, video, truyền hình hiển thị trên các máy điện thoại di động UMTS được xem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM 1.5 Giới thiệu về hệ thống... Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu là chủ yếu b Các hệ thống mạng di động 2G Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống sau: • PCS (Personal Communication System): PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900 MHz Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu • TDMA: Là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1G . dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802. 16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng. 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau 100 7 Hình 3.30: Tôpô Mesh 110 Hình 3.31: Tôpô. của WiMax di động 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802. 16 55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc