DSpace at VNU: Hệ đa sóng mang - đa người dùng: Công nghệ WIMAX và lớp vật lý IEEE 802.16

Đại học quốc gia Hà nội Tr-ờng đại học công nghệ Hoàng Trùng D-ơng Hệ đa sóng mang - đa ng-ời dùng: công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16 Luận văn thạc sĩ Hà Nội 2006 TểM TT LUẬN VĂN Hiện nay, việc triển khai mạng WiMAX triển khai mạnh mẽ toàn giới Việt Nam Để áp dụng thành công công nghệ này, đòi hỏi phải nắm bắt chất cơng nghệ Với mục tiêu đó, luận văn đề cập tới cơng nghệ WiMAX, phân tích kỹ thuật truyền dẫn OFDM, phân tích chi tiết quy trình lớp Vật lý IEEE 802.16 thực mô quy trình Trong phần tổng quan cơng nghệ WiMAX, luận văn đề cập đến phát triển công nghệ truyền dẫn khơng dây; hình thành chuẩn IEEE 802.16 phát triển thành WiMAX; đời phiên IEEE 802.16 khác nhau; đặc tính ứng dụng WiMAX Trong phần kỹ thuật OFDM, luận văn đưa nhìn tổng quát kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao; phân tích khả chống đa đường, hiệu suất phổ; Các đặc tính kỹ thuật tính trực giao dải bảo vệ OFDM đề cập tới Ngoài luận văn xem xét việc triển khai thuật toán Fourier rời rạc để thực điều chế OFDM Trong phần Lớp vật lý 802.16a, luận văn phân tích chi tiết chế hoạt động, từ kiểm soát lỗi, định khung tới nguyên lý điều chế, giải điều chế, xếp khung, xử lý Fourier, Trên sở đó, nắm rõ quy trình hoạt động lớp vật lý, lấy làm sở thiết lập mô Trong phần mô lớp vật lý, luận văn sử dụng phần mềm MatLab7 để xây dựng chương trình Tiến trình mơ thực từ liệu đầu vào xử lý điều chế, với tham gia tham số QAM, kích thước khối liệu, tỷ lệ mã hóa, mã hóa chập, Reed-Solomon, áp dụng cho trường hợp đường lên đường xuống Sau đó, hiển thị trực quan tín hiệu sau giải điều chế với giản đồ chòm sao, đồ thị tương quan phổ tín hiệu LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới thày giáo PGS TS Nguyễn Viết Kính, người tận tình hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Luận văn thực khuôn khổ đề tài mang mã số QC.06.21 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thày giáo Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dạy dỗ tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập trường Hoàng Trùng Dương CHƢƠNG – TỔNG QUAN WIMAX 1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Sự đời WiMAX [17] Chúng ta biết đến công nghệ truy nhập internet phổ biến quay số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử dụng hệ thống vô tuyến điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với Modem thoại tốc độ q thấp, ADSL tốc độ lên tới 8Mbps phải có đường dây kết nối, đường thuê kênh riêng giá thành đắt lại khó khăn triển khai khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thơng tin di động cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps thấp so với nhu cầu người sử dụng Ngay mạng hệ sau GSM GPRS (2,5G) cho phép truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps EDGE tới 300-400Kbps Như rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ mạng internet ngày tăng Hệ thống di động hệ 3G tốc độ truy cập internet khơng vượt q 2Mbps Còn với mạng WiFi áp dụng cho máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn Với thực tế vậy, WiMAX (Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) đời nhằm cung cấp phương tiện truy cập Internet khơng dây tổng hơp thay cho ADSL WiFi Hệ thống WiMAX có khả cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mbit/s với bán kính phủ sóng trạm anten phát lên đến 50km Mơ hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự mạng điện thoại tế bào Bên cạch đó, WiMAX hoạt động mềm dẻo WiFi truy cập mạng Mỗi máy tính muốn truy nhập mạng tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần Diễn đàn WiMAX tổ chức nhà khai thác công ty thiết bị cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu Diễn đàn WiMAX thúc đẩy chứng nhận khả tương thích thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 IEEE chuẩn HiperMAN ETSI Diễn đàn WiMAX thành lập để dỡ bỏ rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi cơng nghệ truy cập vơ tuyến băng rộng BWA, riêng chuẩn khơng đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi công nghệ Theo mục tiêu này, Diễn đàn hợp tác chặt chẽ với nhà cung cấp quan quản lý để đảm bảo hệ thống Diễn đàn phê chuẩn đáp ứng yêu cầu khách hàng phủ Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX 1.1.2 Cơ chế hoạt động chung WiMAX [18] Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi tốc độ cao khoảng cách lớn nhiều với số lượng lớn người dùng Một hệ thống WiMAX gồm phần: - Trạm phát: giống trạm BTS mạng thông tin di động với công suất lớn phủ sóng vùng rộng tới 8000km2 Trạm thu: anten nhỏ thẻ mạng cắm vào thiết lập sẵn bảng mạch bên máy tính, theo cách mà WiFi dùng Các trạm phát BTS kết nối với mạng Internet thông qua đường truyền tốc độ cao dành riêng nối với BTS khác trạm trung chuyển - đường truyền thẳng LOS WiMAX phủ sóng đến vùng xa Các anten thu/phát trao đổi thông tin với qua tia sóng truyền thẳng tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, anten đặt cố định điểm cao, tín hiệu trường hợp ổn định tốc độ truyền đạt tối đa Băng tần sử dụng dùng tần số cao đến 66 GHz tần số tín hiệu bị giao thoa với kênh tín hiệu khác băng thông sử dụng lớn Đối với trường hợp nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự WiFi, tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua vật cản, phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua vật thể để đến đích Hình 1.2 – Mơ hình truyền thơng WiMAX 1.1.3 Các đặc điểm chung WiMAX [19] WiMAX tiêu chuẩn hóa IEEE 802.16 Hệ thống hệ thống đa truy cập khơng dây sử dụng cơng nghệ OFDMA có đặc điểm sau: - Khoảng cách trạm thu phát tới 50km - Tốc độ truyền thay đổi, tối đa 70Mbit/s - Hoạt động hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS đường truyền che khuất NLOS - Dải tần làm việc 2-11GHz từ 10-66GHz tiêu chuẩn hóa - Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường lên xuống sử dụng công nghệ OFDM để truyền OFDM 256 Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho mô tả dựa 802.16-2004 WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với phương pháp sửa lỗi liệu ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8 - Độ rộng băng tần WiMAX từ MHz đến 20 MHz chia thành nhiều băng 1,75 MHz Mỗi băng chia nhỏ nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời hay nhiều kênh cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu sử dụng băng tần Công nghệ gọi công nghệ đa truy nhập OFDMA OFDMA WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, có 1536 sóng mang dành cho thơng tin chia thành 32 kênh con, kênh tương đương với 48 sóng mang - Cho phép sử dụng cơng nghệ TDD FDD cho việc phân chia truyền dẫn đường lên đường xuống - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX phân chia thành lớp: Lớp hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện lớp MAC lớp trên, lớp điều khiển truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) lớp vật lý (Physical) Các lớp tương đương với hai lớp mơ hình OSI tiêu chuẩn hóa để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp mơ tả Hình 1.3 Hình 1.3 – Mơ hình phân lớp hệ thống WiMAX so sánh với OSI 1.2 SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8] 1.2.1 Các chuẩn 802.11 hạn chế WiFi Ngày có loại mạng LAN khơng dây chính: 802.11b, 802.11g 802.11a Hoạt động tốc độ 11Mbit/s, 802.11g chuẩn mà biết rõ với tên WiFi 802.11g 802.11a đời sau 802.11g sử dụng dải phổ 802.11b tương thích ngược với nó, trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng Còn IEEE 802.11a thường xem anh em họ “đuối” 802.11g, hoạt động hoàn toàn tương tự (kể việc có chế độ “Turbo” 108Mbit/s sử dụng dải phổ khác) Sự hiệu cách ghê gớm 802.11a/b/g kết loạt nhân tố: chật chội nghiêm trọng nhiễu dải 2,4GHz; xử lý cỏi tín hiệu trả về; chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo an ninh Tất nhân tố dẫn tới dịch vụ vốn không giống quảng cáo Giải pháp cho vấn đề hiệu đề xuất 802.11n Chưa biết chuẩn phải đời (một thời điểm năm 2006 thời hạn thức) vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với trước vấn đề cuối giải 1.2.2 So sánh WiFi WiMAX WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường biết tới với tên WiFi Tốc độ truyền tải: Như nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s (tốc độ phụ thuộc vào kiểu ăngten sử dụng) Trong đó, WiFi5 “chỉ” hổ trợ tốc độ 54Mbit/s phạm vi truyền tải hẹp WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, 11Mbit/s Băng tần: WiMAX hoạt động giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh WiFi hoạt động giải băng tần 2,4GHz WiFi5 hoạt động hai giải băng tần 2,4GHz 5,8GHz Phạm vi truyền tải: Nếu khơng gặp phải nhiều vật cản, WiMAX truyền tải liệu bán kính khoảng 50km Trong mơi trường có nhiều vật cản, phạm vi rút ngắn xuống từ 5-8km Trên lý thuyết, WiFi hoạt động phạm vi từ 90m300m WiFi lựa chọn thích hợp gia đình điểm truy cập phạm vi nhỏ Với phạm vi rộng lớn WiMAX, nhà cung cấp dịch vụ phủ sóng tồn khu vực thị với vài tháp Mặc dù chưa diễn việc WiMAX có ứng dụng doanh nghiệp, thay WiFi doanh nghiệp khả thi Phạm vi tăng thêm WiMAX làm cho việc tồn tòa nhà hay khu trường phủ sóng điểm truy nhập đơn quản lý trung tâm hồn tồn 1.3 WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5] WiMAX lĩnh vực thương mại công nghiệp, đầu phát triển công ty hàng đầu sản xuất linh kiện thiết bị truyền thông Tiêu chuẩn sử dụng cho phép kết nối thiết bị nhiều hãng khác thoả mãn điều kiện việc cấp chứng nhận Diễn đàn WiMAX dựa tiêu chuẩn IEEE 802.16 ETSI HIPERMAN Tiêu chuẩn 802.16a công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả thay công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL T1/E1 mà khơng cần sử dụng cáp Nó tương thích với việc kết nối điểm truy cập 802.11 tới mạng Internet WiMAX nhanh chóng hồn thời gian tới với khả tương thích khả đáp ứng thiết bị hãng khác Với ưu WiMAX lĩnh vực nhiều công ty gới để ý, nghiên cứu phát triển Sự phát triển chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp phép 2-11 GHz Sau phiên 802.16b tăng dải phổ lên tới GHz, hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất cải tiến cho 802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao Trên thực tế, WiMAX khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa tiêu chuẩn 802.16 việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11 WiMAX dựa tiêu chuẩn 802.16a/d ETSI HiperMAN Hình 1.4– IEEE802.16 ETSI-HiperMAN Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN 802.16 để áp dụng cho mạng thị (MAN) Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối tồn nhà, khu vực Bên tòa nhà mạng LAN khơng dây hoạt động theo chuẩn 802.11 (WiFi), xem hình 1.5 Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz Đến tháng 1/2003, IEEE thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động vùng 2-11GHz Đây chuẩn mở rộng 802.16 Với khoảng tần 11 GHz, cho phép truyền dẫn vùng khơng nhìn thẳng (NLOS), thích hợp triển khai đô thị ... tần Công nghệ gọi công nghệ đa truy nhập OFDMA OFDMA WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, có 1536 sóng mang dành cho thơng tin chia thành 32 kênh con, kênh tương đương với 48 sóng mang - Cho... trình lớp Vật lý IEEE 802.16 thực mô quy trình Trong phần tổng quan cơng nghệ WiMAX, luận văn đề cập đến phát triển cơng nghệ truyền dẫn khơng dây; hình thành chuẩn IEEE 802.16 phát triển thành WiMAX; ... dụng công nghệ TDD FDD cho việc phân chia truyền dẫn đường lên đường xuống - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX phân chia thành lớp: Lớp hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện lớp MAC lớp