WIMAX các vấn đề công nghệ và triển khai ứng dụng

giáo dục đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI ====== ====== luận văn thạc sĩ cao học wimax vấn đề công nghệ triển khai ứng dụng ngành : điện tử viễn thông MÃ số : hoàng tuấn phơng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Việt Hơng hà nội 2008 Lun cao học Ngành: Điện tử viễn thông MỤC LỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .2 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY .10 1.1 Giới Thiệu 10 1.2 Kiến Trúc Mạng 11 1.1.1 Mơ Hình Tổ Chức Nguyên Lý Hoạt Động 12 1.1.2 Một Số Tiêu chuẩn Kỹ Thuật Tiêu Biểu Cho WLAN .13 1.1.3 Các Kỹ Thuật Điều Chế 15 1.1.4 Kết Nối .22 1.1.5 Nhận Thực 22 1.1.6 Quản Lý Chất Lượng Dịch Vụ 23 1.1.7 Bảo Mật 24 1.3 Các Dịch Vụ Mạng 24 1.3.1 Nhóm Sử Dụng Cho Mạng Dùng Riêng 24 1.3.2 Nhóm Sử Dụng Dịch Vụ Ở Các Điểm Cơng Cộng (Điểm Nóng) .25 1.3.3 Nhóm Người Sử Dụng Cho Phủ Sóng Thị Trấn Và Thành Phố 25 1.4 Kết Luận 26 CHƯƠNG 2: MẠNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG WiMAX 27 2.1 Khái Quát Chung 27 2.2 Kiến Trúc Mạng Không Dây Băng Thông Rộng WiMAX 28 2.2.1 Mục Tiêu Của Công Nghệ WiMAX .29 2.2.2 Cơ Chế Hoạt Động Của WiMAX 31 2.2.3 Mơ Hình Ứng Dụng WiMAX 34 2.2.4 Các Chuẩn Của WiMAX 36 2.2.5 Băng Tần Dành Cho WiMAX 37 2.2.6 Phương Thức Điều Chế 41 Học viên: Hoàng Tuấn Phương 130 Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông 2.2.7 Quản Lý Chất Lượng Dịch Vụ 42 2.2.8 Bảo Mật 43 2.3 So Sánh Giữa Công Nghệ WiMAX Wi-Fi 43 2.4 Kết Luận 44 CHƯƠNG 3: TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 45 3.1 Giới Thiệu .45 3.2 Sự Phát Triển Của Tiêu Chuẩn 802.16 46 3.2.1 Tiêu Chuẩn 802.16-2001 46 3.2.2 Tiêu Chuẩn 802.16-2002 47 3.2.3 Tiêu Chuẩn 802.16a-2003 47 3.2.4 Tiêu Chuẩn 802.16-2004 .48 3.2.5 Tiêu Chuẩn 802-16c Và Phạm Vi Mở Rộng Của Nó .48 3.3 Các Phân Lớp Giao Thức Trong Phạm Vi Tiêu Chuẩn IEEE 802.16 48 3.4 Lớp Vật Lý (PHY) 50 3.4.1 Các Hệ Thống Dải Tần Số 10-66 GHz .51 3.4.2 Các Hệ Thống Dải Tần Số 2-11 GHz 52 3.4.3 Q Trình Kiểm Sốt Lỗi .52 3.4.4 Quá Trình Định Khung (Framing) 53 3.4.5 Phân Lớp Phụ Hội Tụ Truyền Tải (TC) 59 3.5 Phân Lớp Kiểm Soát Truy Nhập Môi Trường Truyền Thông (MAC) 60 3.5.1 Sự Định Lượng Kết Nối 60 3.5.2 Dữ Liệu MAC PDU 61 3.5.3 Các Phân Lớp Phụ 63 3.5.4 Kiểm Sốt Liên Kết Sóng Vơ Tuyến 65 3.5.5 Những Cấp Phát (Grants) Và Yêu Cầu Về Độ Rộng Dải Tần 65 3.5.6 Các Yêu cầu Về Độ Rộng Dải Tần .67 3.5.7 Kiểm Sốt Vịng (Polling) .68 3.5.8 Chất Lượng Dịch Vụ 70 3.5.9 Bảo Mật 72 3.6 Kết Luận 74 Học viên: Hoàng Tuấn Phương 131 Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thơng CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ WIMAX 75 4.1 Các Yếu Tố Cần Quan Tâm Khi Triển Khai Công Nghệ WiMAX 75 4.1.1 Phân Vùng Dân Cư 75 4.1.2 Các Dịch Vụ Cung Cấp 77 4.1.3 Tốc Độ Tiếp Nhận Thị Trường 78 4.1.4 Lựa Chọn Dải Tần Số 78 4.1.5 Các Khoản Chi Phí Đầu Tư 80 4.1.6 Thiết Bị Đầu Cuối 81 4.1.7 Các Khoản Chi Phí Vận Hành 81 4.1.8 Một Số Kết Luận Khi Triển Khai Kinh Doanh Dịch Vụ WiMAX 82 4.2 Tình Hình Triển Khai Công Nghệ WiMAX Ở Một Số Nước Trên Thế Giới 83 4.3 Triển Khai Công Nghệ WiMAX Việt Nam 84 4.4 Phương Án Thử Nghiệm Công Nghệ WiMAX Của VNPT Tại Lào Cai 87 4.4.1 Giới Thiệu Về Dự Án ABC/LMI WiMAX TRIAL 87 4.4.2 Những Ứng Dụng Cơ Bản Của Dự Án 91 4.4.3 Phương Án Kỹ Thuật .91 4.4.4 Triển Khai Công Việc 100 4.4.5 Hệ Thống Truyền Dẫn 102 4.4.6 Chính Sách Đối Với Người Dùng Đầu Cuối (End user) 104 4.4.7 Kế Hoạch Thực Hiện .105 4.5 Thiết bị cấu hình hệ thống WiMax thử nghiệm Lào Cai .105 4.5.1 Mô Tả Hệ Thống WiMax Thử Nghiệm Tại Lào Cai 105 4.5.2 Phần Mềm Quản Tý Hệ Thống BREEZELITE 108 4.6 Đánh Giá, Nhận Xét Về Công Nghệ Wimax 120 4.6.1 Đánh Giá Về Mặt Kỹ Thuật, Công Nghệ 120 4.6.2 Đánh Giá Về Hiệu Quả Kinh Doanh Tại Việt Nam .123 4.6.3 Nhận Xét Đánh Giá Hệ Thống .124 4.7 Kết Luận 125 KẾT LUẬN 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 Học viên: Hoàng Tuấn Phương 132 Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AES AP ARG ARQ ATM BS CBR CID CPS CS DAMA DCD DHCP DL-MAP FDD FEC GFR GPC GPSS IE IEEE IP LAN LOS MAC NLOS OFDM OFDMA OSI PDU PHY PKM PMP PTP QAM QPSK Adavanced Encryption Standard Access Point Amphibious Readiness Group Automatic Restransmission Request Asynchronous Transfer Mode Base Station Constant Bit Rate Connection Identifier Common Part Sublayer Convergence Sublayer Demand Assigned Multiple Access Downlink Channel Descriptor Dynamic Host Configuration Protocol Downlink Map Frequency Division Duplexing Forward Error Correction Guaranteed Frame Rate Grant Per Connection Grant Per Subcriber Station Information Element Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Local Area Network Line of Sight Medium Access Control Non-Line of Sight Orthogonal frequency-devision multiplexing Orthogonal frequency-devision multiplexing access Open Systems Interconnect Protocol Data Units Physical Layer Privacy Key Management Point-to-Multipoint Point-to-Point Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Học viên: Hoàng Tuấn Phương Luận văn cao học QoS REG-REQ REG-RSP RF RLC RNG-REQ RNG-RSP SA SDU SOHO SS TC TDMA TDD TDM UCD UDP UIUC UL-MAP VLAN WAN WEP WiMAX WLAN Ngành: Điện tử viễn thông Quality of Service Registration Request Registration Response Radio Frequency Radio Link Controller Ranging Request Ranging Respond Security Association Service Data Unit Small Office/Home Office Subcriber Station Transmittion Convergence Time Division Multiplex Access Time Divison Duplexing Time Divison Multiplexing Uplink Channel Descriptor User Diagram Protocol Uplink Interval Usage Code Uplink Map Virtual Local Area Network Wide Area Network Wireless Equivalent Privacy Worldwide Interoperatibility for Microwave Access Wireless Local Area Network Học viên: Hoàng Tuấn Phương Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1: Định dạng thông điệp DL – MAP 55 Bảng 3.2 Định dạng thông điệp UL _ MAP 56 Bảng 3.3: Cung cấp thí dụ sách truyền tải theo yêu cầu 72 Bảng 4.1: Bảng cấu hình hệ thống 106 Bảng 4.2: Bảng thơng tin vị trí lắp đặt 107 Bảng 4.3: Các thông số thống kê hệ thống 119 Bảng 4.4: Các thông số thống kê BTS 119 Học viên: Hoàng Tuấn Phương Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Vị trí tiêu chuẩn IEEE 802.11 mơ hình OSI 12 Hình 1.2 : Cấu trúc mạng Wi-Fi .13 Hình 1.3: Nguyên lý trải phổ 17 Hình 1.4 Nguyên lý trải phổ dãy trực tiếp có thành phần nhiễu băng hẹp 18 Hình 1.5 : Phổ tín hiệu OFDM 21 Hình 1.6 : Mơ hình kết nối mạng Wi-Fi 22 Hình 2.1 : Mơ hình hoạt động WiMAX .32 Hình 2.2: Mơ hình ứng dụng WiMAX cố định 35 Hình 2.3 : Các bước thực OFDMA máy phát 42 Hình 3.1: Phân lớp giao thức tiêu chuẩn 802.16 .49 Hình 3.2: Cấu trúc khung phụ đường xuống TDD 54 Hình 3.3 Cấu trúc khung phụ đường xuống .57 Hình 3.4 Cấu trúc khung phụ đường lên 58 Hình 3.5: Sự định dạng TC PDU 59 Hình 3.6 PDU SDU ngăn xếp giao thức 62 Hình 3.8: Trình bày q trình sử dụng bit thăm dị 70 Hình 3.9 Trình bày định dạng MAC PDU mã hoá 73 Hình 4.1 Mơ hình triển khai Wimax .83 Hình 4.2: Sơ đồ kết nối tổng thể .94 Hình 4.3 Sơ đồ kết nối trạm gốc (Base Station) 95 Hình 4.4: Sơ đồ kết nối người dùng đầu cuối (End-user) 97 Hình 4.5 Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP 98 Hình 4.6 Sơ đồ kết nối cho ứng dụng Web Server 99 Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc hệ thống 106 Hình 4.8: Cửa sổ thị thông tin chung BST 110 Hình 4.9: Cửa sổ Hardware cho MBST 110 Hình 4.10: Cửa sổ Air Interface cho MBST 111 Hình 4.11: Cửa số Interface cho MBST 112 Hình 4.12: Cửa sổ Files cho MBST 112 Hình 4.13: Cửa sổ Ports Counters cho MBST 114 Hình 4.14: Cửa sổ Hardware cho SU .115 Hình 4.15: Cửa sổ Air Interface cho SU 115 Hình 4.16: Cửa sổ Ports Counters cho SU .117 Hình 4.17: Cửa sổ Burst Counters cho SU .118 Hình 4.18: Cửa sổ Monitor cho MBST SU 120 Học viên: Hoàng Tuấn Phương Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông MỞ ĐẦU Mạng không dây bước tiến lớn ngành máy tính Dấu mốc quan trọng cho mạng không dây diễn tiến trình đến chuẩn chung khởi động Trước nhà cung cấp thiết bị khơng dây dùng cho mạng LAN phát triển sản phẩm độc quyền, thiết bị hãng liên lạc với thiết bị hãng khác Nhờ thành công mạng hữu tuyến Ethernet, số công ty bắt đầu nhận việc xác định chuẩn khơng dây chung quan trọng Vì người tiêu dùng dễ dàng chấp nhận cơng nghệ họ khơng cịn bị bó hẹp sản phẩm dịch vụ hãng cụ thể Chuẩn khơng dây thức ban hành năm 1997 Sau có hai phiên chuẩn, 802.11b (hoạt động băng tần 2,4GHz) 802.11a (hoạt động băng tần 5,8GHz), phê duyệt Vào tháng 8/1999, liên minh tương thích Ethernet khơng dây WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) thành lập sau đổi tên thành liên minh Wi-Fi Mục tiêu hoạt động tổ chức WECA xác nhận sản phẩm nhà cung cấp phải tương thích thực với Như công nghệ kết nối cục không dây chuẩn hóa, có tên thống Wi-Fi Những người ưa thích Wi-Fi tin cơng nghệ gạt lề hết kỹ thuật kết nối không dây khác Tuy nhiên, vài năm gần dây, hệ mạng dựa công nghệ WiMax, hay gọi theo tên kỹ thuật 802.16, đời trở lên phổ dụng Wimax phiên phủ sóng diện rộng Wi-Fi Với thơng lượng tối đa lên tới 70Mbit/s tầm xa lên tới 50km, so với Wi-Fi Ngoài Wi-Fi cho phép truy nhập nơi cố định có thiết bị hotspot (giống hộp điện thoại cơng cộng) WiMax bao trùm thành phố Học viên: Hoàng Tuấn Phương Luận văn cao học Ngành: Điện tử viễn thông nhiều tỉnh thành giống mạng điện thoại di động Một tương lai hứa hẹn đón chờ WiMax Đứng truớc xu phát triển đó, tác giả lựa chọn đề tài: “WiMax – CÁC VẤN ĐỀ CÔNG NGHỆ VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG” nhằm chuẩn bị kiến thức cần thiết, làm chủ công nghệ để sẵn sang đáp ứng yêu cầu Mục đích đề tài: - Nghiên cứu mạng khơng dây đặc biệt mạng không dây băng thông rộng WiMax để tìm hiểu cơng nghệ mạng chuẩn bị triển khai đưa vào khai thác Việt Nam Đối tuợng phạm vi đề tài: - Nghiên cứu khái quát mạng cục không dây tiêu biểu mạng Wi-Fi - Nghiên cứu mạng không dây băng thơng rộng WiMax - Nghiên cứu tình hình triển khai ứng dụng công nghệ WiMax giới Việt Nam Một ví dụ cụ thể triển khai thử nghiện dự án VNPT tỉnh Lào Cai Đánh giá, nhận xét mặt công nghệ, kỹ thuật hiệu kinh doanh công nghệ WiMax Bố cục luận văn - Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn bao gồm chương Chương 1: Khái quát mạng cục không dây - Trình bày khái qt mạng khơng dây mà tiêu biểu mạng không dây Wi-Fi, vấn đề liên quan đến kiến trúc mạng, dịch vụ mạng cục không dây Chương 2: Mạng không dây băng thơng rộng WiMax - Trình bày mạng WiMax, kiến trúc, mơ hình hoạt động, băng tần sử dụng…cũng dịch vụ WiMax Chương trình bày Học viên: Hoàng Tuấn Phương ... xu phát triển đó, tác giả lựa chọn đề tài: ? ?WiMax – CÁC VẤN ĐỀ CÔNG NGHỆ VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG” nhằm chuẩn bị kiến thức cần thiết, làm chủ cơng nghệ để sẵn sang đáp ứng u cầu Mục đích đề tài:... 802.16 sử dụng cho mạng WiMax cố định Cụ thể lớp vật lý, phân lớp MAC, vấn đề bảo mật, QoS chuẩn 802.16 Chương 4: Triển khai ứng dụng cơng nghệ WiMax - Trìng bày tình triển khai ứng dụng mạng WiMax. .. viễn thông CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX 75 4.1 Các Yếu Tố Cần Quan Tâm Khi Triển Khai Công Nghệ WiMAX 75 4.1.1 Phân Vùng Dân Cư 75 4.1.2 Các Dịch Vụ Cung Cấp