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 14 1.1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 14 1.2 WiMAX FORUM 16 1.3 WiMAX DI ĐỘNG 17 1.4 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM WiMAX 19 1.5 KẾT LUẬN 20 Chương GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CHO CÁC HỆ THỐNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG CỐ ĐỊNH CỦA WIMAX 21 2.1 MỞ ĐẦU 21 2.2 MƠ HÌNH THAM KHẢO 21 2.3 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP MAC 21 2.4 TỔNG QUAN CÁC TÍNH NĂNG LỚP VẬT LÝ, PHY 23 2.4.1 Băng tần 23 2.4.1.1 Băng tần cấp phép 10-66 MHz 23 2.4.1.2 Các tần số thấp 11 MHz 23 2.4.1.3 Các tần số miễn phép 11 MHz (chủ yếu 5-6MHz) 23 2.4.2 Kỹ thuật ghép song công 23 2.4.2.1 Ghép song công phân chia theo tần số, FDD 24 2.4.2.2 Ghép song công phân chia theo thời gian, TDD 24 2.5 CÁC TÙY CHỌN 25 2.5.1 Hệ thống anten thích ứng, AAS 25 2.5.2 Mã hóa khơng gian thời gian, STC 28 2.5.3 Phát lại tự động, ARQ 28 2.5.4 Cấu hình điểm đa điểm lưới 28 2.6 TỔNG KẾT CÁC ĐẶC TẢ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN KHÁC NHAU TRONG IEEE 802.16e – 2005 CHO TRUY NHẬP CỐ ĐỊNH 29 2.7 WIRELESSMAN OFDM 30 2.7.1 Tổng quan tính WirelessMAN OFDM 30 2.7.2 Cấu trúc khung 32 2.7.3 Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM 34 2.7.3.1 Các thông số WirelessMAN OFDM 34 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 14 Hình 1.2 Lộ trình phát triển cơng nghệ WiMAX 20 Hình 2.1 Mơ hình tham khảo ngăn xếp giao thức 802.16 22 Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 25 Hình 2.4 Vùng AAS, FDD 26 Hình 2.5 Vùng AAS, TDD 27 Hình 2.6 Nguyên lý STC 28 Hình 2.7 Điều chế thích ứng lớp vật lý 32 Hình 2.8 Cấu trúc khung OFDM đường xuống 33 Hình 2.9 Cấu trúc khung OFDM đường lên 34 Hình 2.10 Tiền tố dài đường xuống 34 Hình 2.11 Sơ đồ khối máy phát máy thu WirelessMAN OFDM 36 Hình 2.12 Sơ đồ khối băng gốc máy phát máy thu WirelessMAN OFDM 37 Hình 2.13 Bộ ngẫu nhiên hóa 38 Hình 2.14 Bộ mã hóa xoắn 39 Hình 2.15 Các chùm tín hiệu điều chê BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 42 Hình 2.16 Cấu trúc thời gian ký hiệu OFDM 46 Hình 2.17 Mơ tả miền tần số OFDMA (ba kênh) 47 Hình 2.18 Cấu trúc truyền dẫn sở đường xuống 49 Hình 2.19 Cấu trúc ký hiệu đường xuống cho đoạn ký hiệu số sử dụng FUSC 50 Hình 2.20 Cấu trúc cụm 51 Hình 2.21 Mơ tả lát đường lên 53 Hình 2.22 Thí dụ vùng số liệu ấn định OFDM 54 Hình 2.23 Thí dụ xếp khe OFDMA vào kênh ký hiệu đường xuống (trong chế độ PUSC) 55 Hình 2.24 Thí dụ xếp khe OFDMA vào kênh ký hiệu cho đường lên 56 Hình 2.25 Thí dụ cấu trúc khung theo thời gian TDD (vùng bắt buộc) 58 Hình 2.26 Khung OFDM có nhiều vùng 58 Hình 3.1 Chế độ PMP mạng 802.16 60 Hình 3.2 Chế độ mạng 802.16 hỗ hợp 61 Hình 3.3 Cấu trúc lớp MAC WiMAX 62 Hình 3.4 Khn dạng MACPDU 64 Hình 3.5 Hỗ trợ QoS WiMAX di động 66 Hình 3.6 Quá trình chuyển giao 73 Hình 4.1 Cấu trúc lớp vật lý S-OFDMA WiMAX 80 Hình 4.2 Cấu trúc sóng mang OFDMA 81 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 mô hiệu kênh điều khiển cho kênh mô 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 vịng 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 thơng 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 Adaptive Atenna System Hệ thống anten thích ứng ACK Acknowledge Cơng nhận AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã tiên tiến AG Absolute Grant Cho phép tuyệt đối AMC Adaptive Modulation and Codding Điều chế mã hố thích ứng A-MIMO Adaptive Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu thích ứng AMS Adaptive MIMO Switching Chuyển mạch MIMO thích ứng ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động ASP Application Service Network Mạng dịch vụ ứng dụng BE Best Effort Nỗ lực BRAN Broadband Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến băng rộng CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CINR Carrier to Interference +Noise Ratio Tỉ số sóng mang nhiễu cộng tạp âm CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối CSTD Cyclic Shift Transmit Diversity Phân tập phát dịch tuần hoàn CTC Convolutional Turbo Code Mã turbo xoắn DL Downlink Đường xuống DOCSIS Data Over Cable Service Interface Đặc tả giao diện dịch vụ liệu qua B C D sau: n ký hiệu cho số đài trạm BS cụm, n ký hiệu cho số kênh tần số tái sử dụng s số đoạn đài trạm Có thể giảm độ dự trữ phađinh 0,2 dB cho mẫu tái sử dụng tần số (1,3,3) trả giá giảm hiệu suất sử dụng phổ tần Độ lợi phân tập vĩ mô 4dB với giả thiết tương quan phađinh che tối 0,5 Có thể tính tốn bán kính cách sử dụng số mơ hình truyền sóng chẳng hạn mơ hình truyền sóng 231 HATA hay mơ hình Erceg-Greenstein Mơ hình truyền sóng 231 HATA dựa kết kinh nghiệm dải 2GHz sử dụng cho dải 2,5GHz Egceg-Greenstein mơ hình truyền sóng thường sử dụng băng tần bán kính tính thường lớn 70% Cũng cần lưu ý tổn hao đường truyền cực đại cho phép 128,2 dB tương ứng với tốc độ số liệu DL biên ô 5,76 Mbps tốc độ số liệu UL biên ô 115 kbps (cao nhiều so với hệ thống 3G) Tốc độ số liệu biên ô cao tần số mang cao bán kính nhỏ Nói cách khác, đạt quỹ đường truyền cao kích thước ô lớn tốc độ số liệu biên ô thấp bảng 4.11 4.12 Bảng 4.11 Quỹ đường truyền DL cho Mibile WiMAX Thông số BS MAP PUSC lượng Công suất phát phần tử anten 10,0 10,0 10,0 Số phần tử anten ten phát 2 Độ lợi kết hợp định kỳ 3,0 3,0 3,0 dB Độ lợi anten phát 15,0 15,0 15,0 dBi Độ lợi kuyếch đại công suất hoa tiêu -0,7 -0,7 -0,7 dB EIRP 57,3 57,3 57,3 dBm Vùng hoán vị sở PUSC PUSC PUSC Độ lợi anten thu -1,0 -1,0 -1,0 dBi Độ lợi phân tập anten thu (2 anten) 3 dB Hệ số tạp âm 7,0 7,0 7,0 dB lưu Đơn vị Watt MS (máy cầm tay nhà) 103 Dự trữ Dự trữ phađing chuẩn log 5,56 5,56 5,56 dB Dự trữ phađinh nhanh 6,0 2,0 2,0 dB Dự trữ nhiễu 2,0 2,0 2,0 dB Tổn hao thâm nhập 10,0 10,0 10,0 dB Tổng dự trữ 23,56 19,56 19,56 dB Tạp âm nhiệt -174 -174 -174 dBm/Hz Khoảng cách sóng mang 10,94 10,94 10,94 kHz QPSK 1/8 QPSK 1/2 16QA M1/2 SNR yêu cầu -3,31 3,49 8,93 dB Delta cự ly phủ sóng giới hạn 0,82 2,88 5,76 Mbps Độ nhậy máy thu Điều chế Tốc độ số liệu lưu lượng DL Độ nhậy thu sóng mang -129,9 -123,2 -117,7 dBm Độ nhậy thu (tổng hợp) -100,7 -93,9 -88,4 dBm Độ lợi hệ thống 160,0 153,0 147,8 dB 136,4 133,7 128,2 dB -174 -174 -174 dBm/H Tổn hao đường truyền cho phép cực đại Tạp âm nhiệt z Bảng 4.12 Quỹ đường truyền UL cho WiMAX di động MS Kênh FB (Máy cầm tay nhà) Vùng hốn vị Kênh FB Các sóng mang khả dụng 70 104 Ấn định toàn lưu lượng PUSC PUSC 840 840 Đơn vị Các kênh đựơc ấn định 2,5 Các sóng mang ấn định 70 72 216 Các sóng mang số liệu dược ấn định 60 48 144 3,56 3,44 -1,33 dBm Độ lợi anten thu 15,0 15,0 15,0 dBi Độ lợi phân tập anten thu 3,0 3,0 3,0 dB Hệ số tạp âm 4,0 4,0 4,0 dB Dự trữ phađịnh log chuẩn 5,56 5,56 5,56 dB Dự trữ phađinh nhanh 4,0 2.0 2,0 dB Dự trữ nhiễu 3,0 3,0 3,0 dB Tổn hao thâm nhập 10,0 10,0 10,0 dB Tổng dự trữ 22,66 20,56 20,56 dB Tạp âm nhiệt -174.0 -174,0 -174,0 dBm/Hz Khoảng cách sóng mang 10,94 10,94 10,94 kHz Cơng suất sóng mang bị chiếm Kiểu điều chế Rangin QPSK1/ QPSK1/ g SNR yêu cầu -6,0 Delta cự ly phủ hạn chế 0,66 -2,5 -2,5 dB 38 115 kbps -135,6 -132,1 -132,1 dBm Độ nhậy máy thu (tổng hợp) -117,8 -111,1 -108,8 dBm Độ lợi hệ thống 157,2 153,5 148,8 dB 134,6 133,0 128,2 dB Tốc độ số liệu lưu lượng UL Độ nhậy máy thu (trên sóng mang con) Tổn hao đường truyền cho phép cực đại 105 4.11 THÔNG TIN BỔ SUNG VÀ ĐỘ TIN CẬY MAP CỦA WiMAX DI ĐỘNG Thông tin điều khiển phát dạng tin MAP đầu khung MAP cho phép điều khiển linh hoạt việc ấn định tài nguyên DL UL để cải thiện hiệu suất phổ tần QoS Vì tin MAP chứa thơng tin ấn định tài ngun cho tồn khung, nên độ tin cậy in MAP ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống Vùng phủ kênh điều khiển đựơc mô sử dụng cấu hình mơ cho với phân tập phát dịch vòng (CSTD: Cyclic Shift Transmit Diversity) [18] CSTD dạng cuả phân tập trễ áp dụng cho hệ thống OFDM Với CSTD, anten dàn anten phát phát phiên dịch thời ký hiệu OFDM miền thời gian Đối với ký hiệu b, x(n,b) 0n N-1, N kích thước FTT Thí dụ có nt anten phát BS anten thứ phát phiên không dịch thời ký hiệu OFDM, anten thứ m phát ký hiệu OFDM với dịch vòng (m-1)D Lưu ý anten cộng thêm tiền tố dịch vòng sau dịch vịng ký hiệu OFDM, CSTD khơng ảnh hưởng lên bảo vệ chống ISI tiền tố dịch vịng Hình 4.11 cho thấy hàm phân bố tích lũy (CDF) vùng phủ kênh điều khiển cho tốc độ lặp khác với 1, anten sử dụng mơ hình truyền sóng bảng 4.11 100 4Tx_10W Lặp Lặp 4Tx_10W 90 Lặp Lặp 10% 1% 85 2Tx_10W 80 x_ 1T 1Tx_10W 0W 75 70 4Tx_10W 65 0W 60 1T x_ Vùng phủ (phần trăm MS có PER