Công nghệ WiMAX và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ MẠNH HẢI CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN MINH TUẤN Hà Nội 2009 LỜI NÓI ĐẦU Sự đời WiMAX/IEEE 802.16 khởi đầu thời đại truy nhập không dây băng rộng WiMAX/IEEE 802.16 cung cấp truy nhập không dây di động băng rộng cho dịch vụ dựa IP Nó cho phép chuyển giao mạng có cơng nghệ khác nhà quản lý khác cung cấp băng thông rộng vùng xa xôi Mục tiêu đồ án nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16 cơng nghệ WiMAX tập trung lên WiMAX di động Đó nội dung công nghệ Wimax Đồ án bao gồm chương Chương 1: Tổng quan họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 WiMAX Forum Nội dung chương giới thiệu họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 gồm 802.16c định nghĩa hồ sơ cho ứng dụng điển hình, 802.16a, bao gồm tăng cường cho điều khiển, đưa chế độ lưới hỗ trợ tần số bổ sung Đồng thời sửa đổi bổ sung đưa vào truyền dẫn dải GHz đến 10 GHz, truyền dẫn không trực xạ dịch vụ cấp phép miễn phép Sửa đổi cơng bố vào năm 2004 dạng tiêu chuẩn IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004 Chuẩn kết hợp hoàn thiện chuẩn 802.16, sửa đổi bổ sung 802.16c IEE.16a Một bổ sung cho IEEE 802.16d khởi thảo với tên gọi 802.16e (hoàn thành vào cuối năm 2005) WiMAX Forum định nghĩa hồ sơ sở sử dụng tùy chọn khả dụng 802.16 để cấp phát chứng nhận cho sản phẩm định nghĩa chế bổ sung cho việc kết nối mạng Chương 2: Giao diện vô tuyến cho hệ thống không dây băng rộng cố định WiMAX Nội dung chương trình bày tồn phần giao diện vơ tuyến Wimax cố định Chương 3: Lớp MAC WiMAX di động Nội dung chương trình bày lớp MAC Nhiệm vụ lớp MAC (Medium Access Control) quản lý tài nguyên vô tuyến giao diện vô tuyến cách hiệu Chương 4: Mơ hình lớp vật lí WiMAX di động tính tiên tiến Nội dung chương trình bày lớp vật lí Wimax, gồm lớp vật lí sử dụng:    Đơn sóng mang OFDM OFDMA Chương 5: Một số ứng dụng Wimax Nội dung chương trình bày số ứng dụng Wimax Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Minh Tuấn giúp đỡ tơi hồn thành đồ án MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 VÀ WIMAX FORUM 1.1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 1.2 WiMAX FORUM 1.3 WiMAX DI ĐỘNG 1.4 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM WiMAX 1.5 KẾT LUẬN Chương GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CHO CÁC HỆ THỐNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG CỐ ĐỊNH CỦA WIMAX 2.1 MỞ ĐẦU 2.2 MƠ HÌNH THAM KHẢO 2.3 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP MAC 2.4 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP VẬT LÝ, PHY 2.4.1 Băng tần 2.4.1.1 Băng tần cấp phép 10-66 MHz 2.4.1.2 Các tần số thấp 11 MHz 2.4.1.3 Các tần số miễn phép 11 MHz (chủ yếu 5-6MHz) 2.4.2 Kỹ thuật ghép song công 2.4.2.1 Ghép song công phân chia theo tần số, FDD 2.4.2.2 Ghép song công phân chia theo thời gian, TDD 2.5 CÁC TÙY CHỌN 2.5.1 Hệ thống anten thích ứng, AAS 2.5.2 Mã hóa khơng gian thời gian, STC 2.5.3 Phát lại tự động, ARQ 2.5.4 Cấu hình điểm đa điểm lưới 2.6 TỔNG KẾT CÁC ĐẶC TẢ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN KHÁC NHAU TRONG IEEE 802.16e – 2005 CHO TRUY NHẬP CỐ ĐỊNH 2.7 WIRELESSMAN OFDM 2.7.1 Tổng quan tính WirelessMAN OFDM 2.7.2 Cấu trúc khung 2.7.3 Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM 2.7.3.1 Các thông số WirelessMAN OFDM 2.7.3.2 Sơ đồ khối máy phát máy thu WirelessMAN OFDM 35 2.7 Mô tả khối 38 2.7.4.1 Ngẫu nhiên hóa, PBRS 38 2.7.4.2 Khối mã hóa kênh 38 2.7.4.3 Bộ đan xen/ giải đan xen .40 2.7.4.4 Điều chế/ giải điều chế 40 2.7.4.5 IFFT FFT 42 2.7.4.6 Bộ ước tính kênh cân .43 2.8 WirelessMAN OFDMA 45 2.8.1 Mô tả ký hiệu OFDMA, thơng số ký hiệu tín hiệu phát 45 2.8.2 Sắp xếp kênh khe OFDMA .47 2.8.3 Ấn định sóng mang OFDMA 48 2.8.4 Sắp xếp kênh đường xuống 49 2.8.4.1 Cấu trúc ký hiệu cho FUSC 49 2.8.4.2 Cấu trúc ký hiệu đường xuống PUSC 50 2.8.4.3 Cấu trúc ký hiệu đường xuống TUSC1 TUSC2 .52 2.8.5 Cấu trúc ký hiệu đường lên PUSC .52 2.8.6 Khe OFDMA vùng số liệu .53 2.8.7 Sắp xếp số liệu OFDMA 54 2.8.8 Cấu trúc khung PMP 57 2.9 TỔNG KẾT .58 Chương LỚP MAC CỦA WIMAX DI DỘNG 60 3.1 MỞ ĐẦU 60 3.2 CẤU TRÚC LỚP MAC 61 3.3 LỚP CON PHẦN CHUNG CỦA MAC (MAC CPS) .63 3.3.1 Khuôn dạng MACPDU 63 3.3.2 Các dịch vụ MAC .65 3.3.2.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QOS) 65 3.3.2.2 Dịch vụ lập biểu MAC 67 3.3.2.3 Cơ chế yêu cầu ấn định băng thông 69 3.3.3 Quản lý công suất di động .71 3.3.3.1 Quản lý công suất 71 3.3.3.2 Chuyển giao 71 3.3.4 An ninh .73 3.4 TỔNG KẾT .74 Chương MƠ HÌNH LỚP VẬT LÝ VÀ CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WIMAX DI DỘNG76 4.1 MỞ ĐẦU 76 4.2 OFDMA KHẢ ĐỊNH CỠ 78 4.3 CẤU TRÚC KÝ HIỆU OFDM 81 4.4 SẮP XẾP KÊNH CON 81 4.4.1 Sắp xếp kênh sử dụng toàn đường xuống (FUSC: Down Link Fully Used Channelization) 83 4.4.2 Sắp xếp kênh sử dụng phần (PUSC: Partially Used Subchannelization) .84 4.4.3 Sắp xếp AMC 85 4.5 ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HÓA 86 4.6 CÁC CÔNG NGHỆ ANTEN THÔNG MINH 89 4.7 CẤU TRÚC KHUNG TDD 92 4.8 CÁC TÍNH NĂNG TĂNG CƯỜNG KHÁC CỦA LỚP VẬT LÝ 96 4.9 CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WiMAX 96 4.9.1 Tái sử dụng tần số phần 96 4.9.2 Dịch vụ đa phương quảng bá (MBS) .98 4.10 QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG WiMAX DI ĐỘNG 99 4.10.1 Các thông số hệ thống WiMAX di động 99 4.10.2 Quỹ đường truyền WiMAX 102 4.11 THÔNG TIN BỔ SUNG VÀ ĐỘ TIN CẬY MAP CỦA WiMAX DI ĐỘNG .106 4.12 PHỔ TẦN CỦA WiMAX 108 4.13 TỔNG KẾT 109 Chương ỨNG DỤNG CỦA WIMAX 110 5.1 GIỚI THIỆU 110 5.1.1 Ứng dụng cho mạng không dây 110 5.1.2 Ứng dụng y học 111 5.1.3 Hệ thống bảo mật 111 5.1.4 Kết nối mạng ngân hàng 112 5.1.5 VoIP 113 5.1.6 Truy nhập tới nhà 114 5.1.7 Kết luận 116 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu hình topo WMAN Hình 1.2 Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX Hình 2.1 Mơ hình tham khảo ngăn xếp giao thức 802.16 Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD Hình 2.4 Vùng AAS, FDD Hình 2.5 Vùng AAS, TDD Hình 2.6 Nguyên lý STC Hình 2.7 Điều chế thích ứng lớp vật lý Hình 2.8 Cấu trúc khung OFDM đường xuống Hình 2.9 Cấu trúc khung OFDM đường lên Hình 2.10 Tiền tố dài đường xuống Hình 2.11 Sơ đồ khối máy phát máy thu WirelessMAN OFDM Hình 2.12 Sơ đồ khối băng gốc máy phát máy thu WirelessMAN OFDM Hình 2.13 Bộ ngẫu nhiên hóa Hình 2.14 Bộ mã hóa xoắn Hình 2.15 Các chùm tín hiệu điều chê BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Hình 2.16 Cấu trúc thời gian ký hiệu OFDM Hình 2.17 Mơ tả miền tần số OFDMA (ba kênh) Hình 2.18 Cấu trúc truyền dẫn sở đường xuống Hình 2.19 Cấu trúc ký hiệu đường xuống cho đoạn ký hiệu số sử dụng FUSC Hình 2.20 Cấu trúc cụm Hình 2.21 Mơ tả lát đường lên Hình 2.22 Thí dụ vùng số liệu ấn định OFDM Hình 2.23 Thí dụ xếp khe OFDMA vào kênh ký hiệu đường xuống (trong chế độ PUSC) Hình 2.24 Thí dụ xếp khe OFDMA vào kênh ký hiệu cho đường lên Hình 2.25 Thí dụ cấu trúc khung theo thời gian TDD (vùng bắt buộc) Hình 2.26 Khung OFDM có nhiều vùng Hình 3.1 Chế độ PMP mạng 802.16 Hình 3.2 Chế độ mạng 802.16 hỗ hợp Hình 3.3 Cấu trúc lớp MAC WiMAX Hình 3.4 Khn dạng MACPDU Hình 3.5 Hỗ trợ QoS WiMAX di động Hình 3.6 Quá trình chuyển giao Hình 4.1 Cấu trúc lớp vật lý S-OFDMA WiMAX Hình 4.2 Cấu trúc sóng mang OFDMA Hình 4.3 Cấu hình sóng mang cho 1024-FFT OFDMA DL FUSC .83 Hình 4.4 Các cấu trúc DL PUSC UL PUSC 85 Hình 4.5 Các cấu hình kênh đựơc tổ chức theo BIN AMC 86 Hình 4.6 Chuyển mạch thích ứng cho chế độ MIMO 91 Hình 4.7 Cấu trúc khung OFDMA TDD (chỉ cho vùng bắt buộc) 93 Hình 4.8 Cấu trúc khung đa vùng 97 Hình 4.9 Tái sử dụng tần số phần 98 Hình 4.10 Hỗ trợ MBS nhúng vùng MBS 99 Hình 4.11 Kết mơ hiệu kênh điều khiển cho kênh mơ hình truyền sóng TU (thành phố điển hình) [7,8] 107 Hình 4.12 Cụm MAP 107 Hình 5.1 Kiến trúc mạng di động sử dụng T1 luồng truyền dẫn MSC .110 Hình 5.2 Ứng dụng y tế 111 Hình 5.3 Kiến trúc Wimax cho ứng dụng bảo mật .112 Hình 5.4 Kiến trúc Wimax cho hoạt động giám sát 112 Hình 5.5 Kết nối Wimax cho hệ thống ngân hàng 113 Hình 5.6 Kiến trúc hệ thống VoIP đơn giản 114 Hình 5.7 Mạch vòng nội hạt mạng PSTN 115 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.2 Các loại ứng dụng cho hệ thống dựa 802.16e 18 Bảng 2.1 Các đặc tả giao diện vô tuyến 29 Bảng 2.2 Các tính WirelessMAN OFDM 31 Bảng 2.3 Các thông số WirelessMAN OFDM 35 Bảng 2.4 Thí dụ đặt kênh cho băng cấp phép 45 Bảng 2.5 Các thông số ký hiệu 49 Bảng 2.6 Ấn định sóng mang đường xuống OFDM-PUSC 50 Bảng 2.7 Các thông số ký hiệu 52 Bảng 3.1 Các trường tiêu đề MAC PDU 64 Bảng 3.2 QoS ứng dụng WiMAX 66 Bảng 3.3 Các tùy chọn lập biểu dịch vụ 68 Bảng 4.1 Các ứng dụng WiMAX 77 Bảng 4.2 Các thông số cuả S-OFDMA .79 Bảng 4.3 Các cấu hình kênh FUSC sở 83 Bảng 4.4 Các dạng điều chế mã hóa sử dụng lớp vật lý 87 Bảng 4.5 Tốc độ số liệu vật lý cho kênh PUSC .87 Bảng 4.6 Các tính tùy chọn anten tiên tiến 90 Bảng 4.7 Các tốc độ số liệu cho cấu hình SIMO/MIMO khác (cho kênh 10 MHz, khung 5ms, kênh PUSC, 44 ký hiệu OFDM số liệu) 91 Bảng 4.8 Các thông số hệ thống WiMAX di động 101 Bảng 4.9 Các thông số OFDMA .101 Bảng 4.10 Mơ hình truyền sóng 102 Bảng 4.11 Quỹ đường truyền DL cho Mibile WiMAX .103 Bảng 4.12 Quỹ đường truyền UL cho WiMAX di động 104 THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT A A AS Adap ACK Ackn AES Adva AG Abso AMC Adap A-MIMO Adap Outp AMS Adap ARQ Auto ASP Appl B BE Best BRAN Broa C CCI Co-C CINR Carri CP Cycli CQI Chan CSN Conn CSTD Cycli CTC Conv D DL Dow DOCSIS Data Vùng phủ ô (phần 65 60 55 50 45 40 -3 Hình 4.11 Kết mô hiệu kênh điều khiển cho kênh mô hình truyền sóng TU (thành phố điển hình) [7,8] Ta nhận thấy việc sử dụng CSTD với hai anten phát anten thu, mã CTC R=1/2, lặp 6, cho phép đạt vùng phủ ô 95% PER cơng tác 1% Lưu ý nâng cao hiệu MAP cách sử dụng triệt nhiễu MS Kích thước tin MAP thay đổi phụ thuộc vào số người sử dụng ấn định khung Khi mạng chủ yếu truyền dẫn lưu lương số liệu dạng cụm FTP HTTP, số người sử dụng đựơc lập biểu khung thường nhỏ (nhỏ 10) Trong trường hợp này, ấn định tài nguyên thực hiệu tin MAP chứa thông tin MAP cố định Thông tin MAP trường hợp thường 10% băng tần 10MHz với kích thước khung 5ms Khi mạng chủ yếu truyền VoIP, số người sử dụng lập biểu khung lớn Thơng tin MAP tăng tuyến tính với số người sử dụng lập biểu khung Để điều khiển thông tin MAP, WiMAX đưa MAP phát đa phương (hình 4.12) SUB-DL-UL-MAP Số thứ tự kênh logic SUB-DL-UL- MAP k+3 SU-DL-UL- MAP Cụm DL #1 Cụm DL #6 SUB- -MAP DL-UL k+5 Cụm DL #2 Hình 4.12 Cụm MAP 107 Giải pháp cho phép phát nhiều MAP với tốc độ khác cho người sử dụng với SINR khác Vì tin quảng bá phát với độ tin cậy cao cần thiết cho phủ sóng biên ơ, tin điều khiển chung (chẳng hạn ấn định lưu lượng) phát cách hiệu tùy theo điều kiện SINR người sử dụng Như thấy hình 4.8, phần trăm lớn vùng phủ hỗ trợ tốc độ cao QPSK 1/12 PER 1% (hầu 60% cho QPSK 1/4) Vì cách sử dụng tin MAP phát đa phương, thơng tin điều khiển giảm đáng kể Ngay số người sử dụng lớn (20 người sử dụng DL 20 người sử dụng UL) khung, phần thông tin MAP thấp 20% Vì tin điều khiển WiMAX linh hoạt truyền số liệu Nó có đủ độ tin cậy chiếm số phần trăm từ thấp đến trung bình phụ thuộc vào tải mạng ứng dụng 4.12 PHỔ TẦN CỦA WiMAX Để đạt ưu điểm tốt hệ thống WiMAX, cần có khối tần phổ lớn Điều cho phép triển khai hệ thống chế độ TDD có độ rộng băng thông lớn, tái sử dụng tần số linh hoạt với chi phí tối thiểu cho băng bảo vệ để hỗ trợ đồng tồn với nhà khai thác liền kề Một hoạt động quan trọng khác WiMAX Forum cộng tác với quan tiêu chuẩn luật tòan giới để thúc đẩy việc cấp phát phổ cho băng tần thấp (