Thiết kế và mô phỏng WIMAX bằng công cụ OMNET+

Contents DANH MỤC HÌNH VẼ III DANH MỤC BẢNG BIỂU .V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU IX CHƯƠNG .1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Lịch sử trình phát triển 1.2 Đặc điểm .2 1.3 Các chuẩn Wimax 1.3.1 Chuẩn IEEE802.16 basic 1.3.2 Các chuẩn bổ sung WIMAX 1.4 Các băng tần Wimax 1.5 Kỹ thuật WIMAX .6 1.5.1.Truyền sóng 1.5.2 Công nghệ OFDM 1.5.3 Công nghệ OFDMA .10 1.5.4 Điều chế thích nghi .11 1.5.5 Công nghệ sửa lỗi 12 1.5.6 Điều khiển công suất 12 1.5.7 Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 13 1.6.Kiến trúc mạng truy cập Wimax 13 1.6.1 Mô hình tham chiếu .13 1.6.2 Lớp MAC .14 1.6.3 Lớp vật lý .15 1.7 Mô hình ứng dụng Wimax 21 1.7.1 Mô hình ứng dụng tổng quát .21 1.7.2 Mô hình ứng dụng WIMAX cố định (Fixed WIMAX) 23 1.7.3 Mô hình ứng dụng WIMAX di động 24 1.8 Ưu nhược điểm Wimax 24 1.8.1.Ưu điểm 24 1.8.2 Hạn chế nhược điểm .27 CHƯƠNG .28 SO SÁNH WIMAX VỚI MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG KHÁC VÀ GIẢI PHÁP CỦA CÁC NHÀ SẢN XUẤT .28 2.1 Tổng quan chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng .28 2.2 So sánh WiMAX cố định LMDS, MMDS 29 2.3 So sánh WiMAX di động với 3G .32 2.4 So sánh WiMAX di động với WiBro 34 2.5 Giải pháp nhà sản xuất 35 2.5.1 Giải pháp Intel .35 2.5.2 Giải pháp sản phẩm SR-Telecom 36 2.5.3 Giải pháp sản phẩm Alvarion 37 2.5.4 Giải pháp sản phẩm Motorola cho ISP 38 2.5.5 Giải pháp cho chipset Fujitsu 38 CHƯƠNG .40 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ TRIỂN KHAI MẠNG WIMAX VÀ MÔ PHỎNG MẠNG WIMAX ĐƠN GIẢN BẰNG CÔNG CỤ OMNET++ .40 3.1 Các vấn đề kỹ thuật thiết kế triển khai mạng WIMAX 40 3.1.1 Lựa chọn băng tần 40 3.1.2 Lựa chọn phương thức song công 41 3.1.3 Tổng lưu lượng, bán kính phủ sóng số sector trạm gốc .42 3.1.4 Quy hoạch tái sử dụng tần số có tính toán tới loại nhiễu 44 3.1.5 Anten công nghệ nâng cao 46 3.1.6 Quản lý di động (Đối với ứng dụng Mobile WiMAX) 48 3.1.7 Trung tâm quản lý 52 3.1.8 Sơ đồ kết nối mạng WiMAX 54 3.2 Mô mạng Wimax đơn sử dụng công cụ OMNET++ 56 3.2.1 Giới thiệu chương trình mô OMNet++ 56 3.2.2 Chương trình mô mạng WiMAX đơn giản .59 3.2.3 Kết mô 61 3.2.4 Kết luận 65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 PHẦN PHỤ LỤC .68 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 79 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Miền Fresnel LOS .6 Hình 1.2: Minh họa hoạt động WiMAX Hình 1.3: So sánh FDM OFDM Hình 1.4: OFDM với 256 sóng mang .9 Hình 1.5: Các kênh OFDMA 11 Hình 1.6: Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 12 Hình 1.7: Mô hình tham chiếu 13 Hình 1.8: Cấu trúc khung OFDM với TDD 18 Hình 1.9: Định dạng TC PDU 20 Hình 1.10: Mô hình Wimax BS 21 Hình 1.11: Trung tâm quản lí 22 Hình 1.12: Mô hình ứng dụng cố định 23 Hình 1.13: Mô hình ứng dụng Mobile WIMAX 24 Hình 2.1: Các chuẩn mạng truy nhập vô tuyến băng rộng 28 Hình 2.2: Phạm vi WiMAX di động WiBro chuẩn 802.16e 34 Hình 2.3: Sơ đồ ứng dụng tổng thể Wimax ABS4000 36 Hình 3.1: Hai chế độ song công TDD FDD .42 Hình 3.2: Mô hình tái sử dụng tần số .45 Hình 3.3: Vùng phủ sóng Sector Antenna 46 Hình 3.4: Vùng phủ sóng Omni Antenna .47 Hình 3.5: CPE với Anten tích hợp bên 48 Hình 3.6: CPE với Anten 48 Hình 3.7: Chuyển giao cứng HHO 50 Hình 3.8: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) 51 Hình 3.9: Chuyển giao phân tập MDHO .52 Hình 3.10: Trung tâm quản lý mạng WiMAX 53 Hình 3.11: Sơ đồ kết nối mạng WiMAX 54 Hình 3.12: Cấu trúc liên kết chương trình mô OMNet+ + 59 Hình 3.13: Giao diện mô cấu trúc cách thức hoạt động mạng WiMAX 60 Hình 3.14 Giao diện điều khiển chương trình mô .61 Hình 3.15 Các kịch đặt sẵn mô hình mạng WiMAX .61 Hình 3.16 Giao diện chương trình Scalars chứa giá trị thống kê 62 Hình 3.17 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử 64 Hình 3.18 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử 64 Hình 3.19 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử 65 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh chuẩn 802.16-2004 LMDS, MMDS .31 Bảng 1.2 So sánh WiMAX di động 3G 33 Bảng 1.3 Các đặc tính WiMAX di động WiBro 34 Bảng 1.4 : Phân bổ tần số cho công nghệ không dây 41 Bảng 1.5 Các giá trị thống kê sau chạy mô 63 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS AK BE BER BNI BS BW BWA CDMA CA CP CPE CPS CRC CS DES DFS DFT DHCP adaptive antena system Authorization key Best effort Bit error ratio Base station network interface Base station Bandwidth Broadband wireless access code division multiple access Certification authority Cyclic Prefix Customer Premise Equipment Common part sublayer Cyclic redundancy check Convergence sublayer Data encryption standard Dynamic frequency selection Discrete Fourier Transform Dynamic host configuration Hệ thống anten thích nghi Khoá Cấp phép Cố gắng tối đa Tỷ lệ lỗi bit Giao diện trạm gốc mạng Trạm gốc Băng thông Truy nhập không dây băng rộng Đa truy nhập chia mã Quyền Chứng thực Tiền tố Tuần hoàn Thiết bị đầu cuối thuê bao Lớp phần chung Kiểm tra vòng dư Lớp hội tụ Tiêu chuẩn mật mã liệu Lựa chọn tần số động Biến đổi Fourier rời rạc Thủ tục cấu hình chủ không cố DL EC ECB EDE FEC ETSI protocol Downlink Encryption control Electronic code book Encrypt-Decrypt-Encrypt Forward Error Correction European Telecommunications định Hướng xuống Điều khiển mật mã Bảng mật mã điện tử Mật mã-giải mã-mật mã Mã hóa sử lỗi trước Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu FBSS FDMA Standard Institute Âu Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia tần số FDD FEC FFT FSS FWA HHO Access Frequency division duplex Forward error correction Fast Fourier transform Fixed satellite service Fixed wireless access Hard Handoff Song công chia tần số Sửa lỗi hướng Biến đổi Fourier nhanh Dịch vụ vệ tinh cố định Truy nhập không dây cố định Chuyển vùng cứng IE IETF IDFT IFFT IP ITU Information element Internet Engineering Task Force Inverse Discrete Fourier Transform Inversion Fast Fourier transform Internet Protocol International Telecommunications Phần tử thông tin Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet Biến đổi Fourier rời rạc ngược Biến đổi Fourier ngược nhanh Thủ tục Internet Hiệp hội viễn thông Quốc tế KEK LAN LMDS Union Key encryption key Khoá Mật mã Khoá Local area network Mạng nội Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt Tia trực xạ Lớp điều khiển truy nhập môi LOS MAC Line of sight Medium access control layer MAN MDHO OFDM trường Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng Orthogonal frequency division Ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA multiplexing Orthogonal frequency division Đa truy nhập chia tần số trực giao multiple access PARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại PCMCIA Personal Computer Memory Card Hiệp hội quốc tế mạch PDA PHY PKM PMP PPP QAM QoS QPSK REQ rtPS SDU SF SFID SNMP International Association Personal Digital Assistant Physical layer Privacy key management Point - to – multipoint Point-to-Point Protocol Quadrature amplitude modulation Quality of Service Quadrature phase-shift keying Request Real-time polling service Service data unit Service flow Service Flow Identifier Simple Network Management nhớ máy tính cá nhân Thiết bị vụ số cá nhân Lớp vật lý Quản lý khoá riêng Điểm đa điểm Thủ tục điểm-điểm Điều chế biên độ cầu phương Chất lượng dịch vụ Khoá dịch pha cầu phương Yêu cầu Dịch vụ thăm dò thời gian thực Đơn vị liệu dịch vụ Luồng dịch vụ Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ Thủ tục quản lý mạng đơn giản SNR SS Protocol Signal-to-noise ratio Subscriber Station Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm Trạm thuê bao STC TDD TDM TDMA TEK Tx UGS UL Space time coding Time division duplex Time division multiplex Time division multiple access Traffic encryption key Transmission Unsolicited grant service Uplink Mã thời gian không gian Song công chia thời gian Ghép kênh chia thời gian Đa truy nhập phân chia thời gian Khoá mật mã lưu lượng Truyền dẫn Dịch vụ cấp phát tự nguyện Hướng lên LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, phát triển công nghệ thông tin gắn liền với phát triển kinh tế, giàu sang thịnh vượng quốc gia Những lợi ích mà mang lại phủ nhận Chính việc xây dựng hệ thống hạ tầng công nghệ thông tin vững mạnh, đại động lực góp phần to lớn thúc đẩy phát triển lên đất nước Vài năm trở lại công nghệ không dây Wireless LAN (WLAN) sử dụng ngày nhiều đời sống, với tính nǎng ưu việt làm thay đổi đáng kể phương thức truyền dẫn mạng LAN truyền thống Với mạng WLAN, khách hàng lưu động kết nối đến mạng LAN, đến Internet thông qua kết nối không dây Trong đô thị đại giới ngày tự hào với hàng trăm điểm kết nối WLAN công cộng, người dùng nước phát triển hay khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, hải đảo thưa thớt dân cư - nơi mà việc triển khai công nghệ đòi hỏi khoản chi phí cao đáng kể sao? Công nghệ WiMAX đời giải pháp hoàn hảo đáp ứng yêu cầu kể trên, mặt công nghệ lẫn chi phí triển khai Công nghệ WiMAX dùng sóng vô tuyến xây dựng giải pháp mạng đại Với giá thành tính ổn định cao, giải pháp mạng không dây WiMAX xu hướng tất yếu để mở rộng, thay dần hệ thống LAN truyền thống sử dụng kết nối cáp, WiMAX hỗ trợ cho nhiều thiết bị ứng dụng dựa chuẩn TCP/IP việc kết nối mạng thực nơi đâu vùng phủ sóng Đồng thời, trạm phát sóng cho phép hỗ trợ nhiều kết nối thiết bị truy xuất Với Internet, tốc độ điều cốt yếu Mạng không dây WiMAX tiết kiệm thời gian lắp đặt chạy dây, tiết kiệm công sức nhân lực không cần phải lắp đặt điểm truy cập mạng LAN thông thường Việc kết nối tự động hóa mạng cài đặt phần cứng khác nhau, giúp việc triển khai bố trí lại đơn giản linh hoạt Việc ứng dụng công nghệ WiMAX vào hạ tầng mạng giúp sử dụng, kết nối Internet tốc độ cao không chuyện xa vời, hoi nơi hẻo lánh mà khả kéo cáp gặp nhiều khó khăn Góp phần thu hẹp khoảng cách nông thôn thành thị việc chiếm lĩnh thông tin Nhằm tìm hiểu công nghệ này,em chọn đề tài tốt nghiệp là: “Thiết kế,mô mạng WIMAX công cụ OMNET++” Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm chương: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX CHƯƠNG 2: SO SÁNH WIMAX VỚI MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG KHÁC VÀ GIẢI PHÁP CỦA CÁC NHÀ SẢN XUẤT CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ TRIỂN KHAI MẠNG WIMAX VÀ MÔ PHỎNG MẠNG WIMAX ĐƠN GIẢN SỬ DỤNG CÔNG CỤ OMNET++ Tuy có nhiều cố gắng đồ án tránh khỏi thiếu sót, kiến thức kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế Em mong nhận góp ý, bảo thầy cô giáo tất bạn để em hoàn thiện vốn kiến thức Hình 3.19 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử Ở lần chạy thử 1, nhìn vào đồ thị hiệu lực kênh giá trị trung bình suốt trình mô thấp khoảng 0,035%, số lượng frame bị va chạm thời điểm cao khoảng frames với mật độ truyền lớn Do ta kết luận trường hợp mạng bị tải Tương tự ta thấy lần chạy thứ 2, hiệu lực kênh cao frame bị va chạm ít, trường hợp mạng hoạt động tối ưu lần chạy Lần chạy thử hiệu lực kênh cao, mật độ truyền thấp, nhiều frame truyền kênh, ta nhận thấy trường hợp mạng hoạt động với lưu lượng thấp (low traffic) 3.2.4 Kết luận Mô hình mô tả phần cấu trúc, cách triển khai mạng WiMAX Qua kịch mô hình mạng mô cho khả xảy mạng WiMAX hoạt động thực tế Từ qua nhiều lần thực nghiệm với thông số khác, ta lựa chọn mô hình mạng tối ưu hay đưa giải pháp nhằm tối ưu thông số, tăng hiệu kênh truyền 65 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu công nghệ truy nhập vô tuyến WiMAX,đồng thời thiết kế mô qua nghiên cứu, phân tích, so sánh đánh giá việc thực nội dung đồ án tốt nghiệp rút kết luận sau: - WiMAX công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng phát triển dựa họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 với hai tiêu chuẩn chủ yếu áp dụng thông qua IEEE 802.16-2004 sở cho phiên WiMAX cố định tiêu chuẩn IEEE 802.16e sở cho phiên WiMAX di động - So với công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng có phạm vi ứng dụng, WiMAX công nghệ nhận quan tâm đặc biệt nhà sản xuất người cung cấp dịch vụ người sử dụng nhờ đặc tính trội nó, đặc biệt nhu cầu truy nhập liệu ngày mạnh Với việc WiMAX tối ưu cho dịch vụ liệu, WiMAX song song tồn với mạng 3G tối ưu cho thoại Tùy thuộc mục đích nhà cung cấp, yêu cầu khách hàng, mạng có phát triển tương ứng Với khả cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng cho cố định di động, WiMAX lựa chọn mang tính đinh cho nhà cung cấp dịch vụ thời gian tới nhằm chiếm lĩnh thị trường tăng khả cạnh tranh Hiểu rõ đặc điểm kỹ thuật, vận dụng vào điều kiện thực tế để triển khai hệ thống cách nhanh chóng hiệu đem lại khả hế t sức lớn cho nhà cung cấp dịch vụ người sử dụng Một lần em xin cảm ơn thầy cô ,bạn bè nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiêp mình.Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Trung Dũng trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện cho em suốt thời gian làm đồ án 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE 802.16e, (February, 2005), Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems [2] WiMAX Forum white paper, WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments [3] www.quantrimang.com [4] www.svbkol.org [5] www.vnpt.com.vn [6] www.wimaxforum.org [7] www.wimaxpro.org [8] www.wimax.com [9] www.3c.com.vn 67 PHẦN PHỤ LỤC Mã nguồn file “network.ned” mô tả cấu trúc mạng WiMAX module Wimax parameters: numCpes: numeric, // number of cpes txRate: numeric, // transmission rate slotTime: numeric const; submodules: base_station: ABase_station; parameters: txRate = txRate; display: "p=161,72;i=device/antennatower_l"; cpe: ACpe[numCpes]; parameters: txRate = txRate, slotTime = slotTime; display: "i=device/pc_s"; connections nocheck: display: "b=524,422"; endmodule Mã nguồn file “cpe.cpp” mô tả cách thức hoạt động đầu cuối CPE #include class ACpe : public cSimpleModule { private: // Cac tham so double radioDelay; double txRate; cPar *iaTime; 68 cPar *pkLenBits; double slotTime; bool isSlotted; // bien trang thai, tro su kien cModule *base_station; cMessage *endTxEvent; enum {IDLE=0, TRANSMIT=1} state; int pkCounter; public: ACpe(); virtual ~ACpe(); protected: virtual void initialize(); virtual void handleMessage(cMessage *msg); }; Define_Module(ACpe); ACpe::ACpe() { endTxEvent = NULL; } ACpe::~ACpe() { cancelAndDelete(endTxEvent); } void ACpe::initialize() { base_station = simulation.moduleByPath("base_station"); if (!base_station) error("base_station not found"); txRate = par("txRate"); radioDelay = par("radioDelay"); 69 iaTime = &par("iaTime"); pkLenBits = &par("pkLenBits"); slotTime = par("slotTime"); isSlotted = slotTime>0; WATCH(slotTime); WATCH(isSlotted); endTxEvent = new cMessage("send/endTx"); state = IDLE; pkCounter = 0; WATCH((int&)state); WATCH(pkCounter); if (ev.isGUI()) displayString().setTagArg("t",2,"#808000"); scheduleAt(iaTime->doubleValue(), endTxEvent); } void ACpe::handleMessage(cMessage *msg) { ASSERT(msg==endTxEvent); if (state==IDLE) { // phat sinh goi va thiet lap thoi gian chay chuong trinh su kien ket thuc char pkname[40]; sprintf(pkname,"pk-%d-#%d", id(), pkCounter++); ev length() / txRate; sendDirect(pk, radioDelay, base_station->gate("in")); scheduleAt(simTime()+txtime, endTxEvent); } else if (state==TRANSMIT) { // ket thuc su truyen nhung tin hieu state = IDLE; // hoach dinh viec gui tiep theo if (!isSlotted) { scheduleAt(simTime()+iaTime->doubleValue(), endTxEvent); } else { simtime_t t = simTime()+iaTime->doubleValue(); t = slotTime * ceil(t/slotTime); scheduleAt(t, endTxEvent); } // cap nhat hoa mang mo phong if (ev.isGUI()) { displayString().setTagArg("i",1,""); displayString().setTagArg("t",0,""); } } else 71 { error("invalid state"); } } Mã nguồn file “base station.cpp” mô tả cách thức hoạt động trạm gốc #include class ABase_station : public cSimpleModule { private: // bien trang thai ,con tro su kien bool channelBusy; cMessage *endRxEvent; double txRate; long currentCollisionNumFrames; simtime_t recvStartTime; // nhung su thong ke long totalFrames; long collidedFrames; simtime_t totalReceiveTime; simtime_t totalCollisionTime; double currentChannelUtilization; cOutVector collisionMultiplicityVector; cOutVector collisionLengthVector; cOutVector channelUtilizationVector; public: ABase_station(); virtual ~ABase_station(); protected: virtual void initialize(); virtual void handleMessage(cMessage *msg); 72 virtual void finish(); }; Define_Module(ABase_station); ABase_station::ABase_station() { endRxEvent = NULL; } ABase_station::~ABase_station() { cancelAndDelete(endRxEvent); } void ABase_station::initialize() { txRate = par("txRate"); endRxEvent = new cMessage("end-reception"); channelBusy = false; currentCollisionNumFrames = 0; totalFrames = 0; collidedFrames = 0; WATCH(currentCollisionNumFrames); WATCH(totalFrames); WATCH(collidedFrames); totalReceiveTime = 0.0; totalCollisionTime = 0.0; currentChannelUtilization = 0; WATCH(totalReceiveTime); WATCH(totalCollisionTime); WATCH(currentChannelUtilization); collisionMultiplicityVector.setName("collision multiplicity"); 73 collisionLengthVector.setName("collision length"); channelUtilizationVector.setName("channel utilization"); if (ev.isGUI()) displayString().setTagArg("i2",0,"x_off"); } void ABase_station::handleMessage(cMessage *msg) { if (msg==endRxEvent) { ev length() / txRate; if (!channelBusy) { ev arrivalTime()) 75 { cancelEvent(endRxEvent); scheduleAt(endReception, endRxEvent); } // cap nhat hoa mang if (ev.isGUI()) { displayString().setTagArg("i2",0,"x_red"); displayString().setTagArg("t",0,"COLLISION"); displayString().setTagArg("t",2,"#800000"); char buf[32]; sprintf(buf, "Collision! (%ld frames)", currentCollisionNumFrames); bubble(buf); } } channelBusy = true; delete msg; } } void ABase_station::finish() { ev