Tìm hiểu công nghệ WiMAX triển khai và ứng dụng trong mạng viễn thông việt nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ WIMAX- TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM Sinh viên thực hiện: ĐẶNG BÁ TOÀN Lớp 48K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: KS MAI THẾ ANH NGHỆ AN, 01-2012 NGHỆ AN, 01-2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Độc lập - Tự - Hạnh phúc - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: …………….………….…… Số hiệu sinh viên: ……………… Khố:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thơng Ngành: ……………… Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… … ……………………… …………………………………………………………………………………… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: ……………………………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………………………………………………… …… … ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……… ….…………………………………………………………………………………………… Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… …………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán phản biện: Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) Mục lục Lời nói đầu Danh mục bảng Danh mục các hình vẽ .9 Chương Tổng quan về công nghệ WiMAX 14 1.1 Giới thiệu chương 14 1.2 Công nghệ WiMAX 15 1.3 Đặc điểm .15 1.4 Các chuẩn được sừ dụng Wimax 18 1.4.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 18 1.4.2 Chuẩn IEEE 802.16a 19 1.4.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 19 1.4.4 Chuẩn IEEE 802.16e 20 1.5 Các băng tần được sử dụng WiMAX 20 1.6 Cơng nghệ truyền sóng .21 1.6.1 Công nghệ OFDM 23 1.6.2 Công nghệ OFDMA 25 1.6.3 Điều chế thích nghi .26 1.6.4 Công nghệ sửa lỗi 26 1.6.5 Điều khiển công suất 26 1.6.6 Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 27 1.7 Các ứng dụng của công nghệ WiMAX 28 1.8 Tình hình triển khai WiMAX .29 1.8.1 Tình hình triển khai WiMAX giới 29 Chương Kiến trúc mạng truy cập WiMAX .33 2.1 Giới thiệu chương .33 2.2 Mơ hình tham chiếu 33 2.3 Lớp MAC 34 2.3.1 Lớp hội tụ MAC 34 2.3.2 Lớp phần chung MAC 34 2.3.3 Lớp bảo mật 39 2.4 Lớp vật lý 40 2.4.1 Đặc tả WirelessMAN-SC PHY 40 2.4.2 Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa 41 2.4.3 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM 42 2.4.4 Đặc tả PHY WirelessMAN- OFDMA 46 2.4.5 Lớp hội tụ truyền dẫn TC .48 2.5.1 WiMAX cố định với LMDS, MMDS 49 2.5.2 WiMAX di động với 3G .52 2.6 Kết luận chương 54 Chương Triển khai và ứng dụng hệ thống WiMAX mạng viễn thông Việt Nam 55 3.1 Giới thiệu chương .55 3.2.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng Việt Nam 55 3.2.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng Việt Nam 55 3.4 Tình hình triển khai WiMAX Việt Nam .66 3.5 Mô phỏng một mạng WiMAX đơn giản dùng chương trình OMNet++ 71 3.5.1 Mô hình mạng 71 3.5.2 Kết quả thu được mô phỏng 74 3.6 Kết luận chương 79 Kết luận và hướng phát triển đề tài .80 Tài liệu tham khảo 81 Phụ lục Mã nguồn của chương trình 83 Lời nói đầu Trong năm gần đây, dịch vụ ứng dụng Internet có bước phát triển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, du lịch hay dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến Cùng với phát triển bùng nổ loại hình dịch vụ Internet, cơng nghệ truy cập liên tục phát triển để đáp ứng đòi hỏi ngày cao băng thông cho truy cập Internet Các công nghệ truy cập băng rộng phát triển nhanh chóng năm gần bao gồm công nghệ truy cập hữu tuyến công nghệ vô tuyến Một giải pháp hữu hiệu để giải quyết nhu cầu băng thông rộng tại nhiều vùng, nhiều khu vực đó là việc triển khai và ứng dụng các hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng WiMAX Xuất phát từ tầm quan trọng nên em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “ Tìm hiểu công nghệ WiMAX- Triển khai và ứng dụng mạng viễn thông việt nam” để giúp hiểu rõ công nghệ WiMAX, đánh giá thực trạng, lựa chọn giải pháp, thiết bị hệ thống mạng phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Trong trình thực đồ án, em gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên giúp đỡ tận tình KS Mai Thế Anh, em hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng nhiều thời gian thực ngắn lực có hạn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong đánh giá bảo quý thầy cô bạn đọc Nghệ An, ngày tháng năm Sinh viên thực Đặng Bá Toàn Danh mục bảng Bảng 2.1 So sánh chuẩn 802.16-2004 LMDS, MMDS 50 Bảng 2.2 So sánh WiMAX di động 3G 51 Bảng 3.1 Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX Lào Cai 70 Bảng 3.2 Các giá trị thống kê sau chạy mô 75 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Minh họa họat động WiMAX .21 Hình 1.2 So sánh FDM OFDM .22 Hình 1.3 OFDM với 256 sóng mang 22 Hình 1.4 Các kênh OFDMA 23 Hình 1.5 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 24 Hình 1.6 MISO .25 Hình 1.7 MIMO 26 Hình 2.8 Mơ hình tham chiếu 32 Hình 2.9 Các định dạng MAC PDU .34 Hình 2.3 Cấu trúc thời gian symbol OFDM 42 Hình 2.4 Mơ tả symbol OFDM miền tần số 42 Hình 2.5 Cấu trúc khung OFDM với TDD 44 Hình 2.6 Cấu trúc thời gian symbol OFDMA 45 Hình 2.7 Mơ tả tần số OFDMA (ví dụ với lược đồ kênh con) 46 Hình 2.8 Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) 47 Hình 2.9 Định dạng TC PDU .48 Hình 3.1 Cellular Backhaul 57 Hình 3.2 WSP Backhaul .57 Hình 3.3 Mạng ngân hang 58 Hình 3.4 Mạng giáo dục .59 Hình 3.5 Mơ hình an tồn cho truy nhập cơng cộng 60 Hình 3.6 Sử dụng Wimax cho việc thơng tin liên lạc xa bờ 60 Hình 3.7 Kết nối nhiều khu vực 61 Hình 3.8 Các cơng trình xây dựng .62 Hình 3.9 Các khu vực cơng cộng 63 Hình 3.10 Mạng truy nhập WSP 64 Hình 3.11 Triển khai vùng nơng thơn xa xơi hẻo lánh 65 Hình 3.12 Cấu hình thử nghiệm WiMAX VNPT 67 Hình 3.13 Sơ đồ kết nối trạm gốc 68 Hình 3.14 Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao 69 Hình 3.15 Giao diện mô cấu trúc cách thức hoạt động mạng WiMAX 71 Hình 3.16 Giao diện người điều khiển chương trình mơ 72 Hình 3.17 Các kịch đặt sẵn mơ hình mạng WiMAX 72 Hình 3.18 Cấu trúc liên kết chương trình mơ OMNet+ + 73 Hình 3.19 Giao diện chương trình Scalars chứa giá trị thống kê 74 Hình 3.20 Biểu đồ channel utilization frames 76 Hình 3.21 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử .76 Hình 3.22 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử 77 Hình 3.23 Đồ thị channel utilization collision multiplicity lần chạy thử 77 10 Kết luận và hướng phát triển đề tài Với mục tiêu nghiên cứu công nghệ truy nhập vô tuyến WiMAX quá trình triển khai thực tế, 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 802.16 e sở cho phiên WiMAX di động, và tiếp đến là chuẩn IEEE 802.16 m một lựa chọn đáng tin để tiến đến mạng 4G Việc triển khai WiMAX Việt Nam đáp ứng đòi hỏi ngày lớn nhu cầu truy nhập băng rộng, góp phần thúc đầy kinh tế phát triển, đặc biệt khu vực nông thôn, miền núi khu đô thị Hướng phát triển đề tài Hướng phát triển đề tài nghiên cứu sâu giải pháp điều khiển WiMAX, đặc biệt vấn đề điều chế hệ thống anten thích nghi nhằm thiết kế vùng phục vụ có hiệu Vấn đề bảo mật vấn đề điều chế WiMAX nghiên cứu sâu nhằm đưa yêu cầu cụ thể phù hợp với mạng lưới Việt Nam Trong thời gian thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Tìm hiểu công nghệ WiMAX – Triển khai và ứng dụng mạng viễn thông Việt Nam” em nhận hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy cô 80 khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại Học Vinh Vậy cho phép em bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giúp đỡ Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo KS Mai Thế Anh, người trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án Tài liệu tham khảo [1] IEEE 802.16 – 2004, (October, 2004), Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [2] IEEE 802.16e, (February, 2005), Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems [3] Hassan Yagoobi, Intel Technology Journal, (Vol 08, August 2004) Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN4 [4] WiMAX Forum, (2006), Mobile WiMAX – Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation [5] WiMAX Forum, (March, 2006) Mobile WiMAX – Part II: A Comparative Analysis [6] 3GPP TS 25.308, (Sep 2004), High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Overall Description [7] 3rd Generation Partnership Project “3GPP2”, (March 2004) CDMA2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification [8] WiMAX Forum white paper, WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments [9] www.ieee.org [10] www.quantrimang.com [11] www.svbkol.org [12] www.vnpt.com.vn 81 [13] www.wimaxforum.org [14] www.wimaxpro.org [15] www.wimax.com [16] www.3c.com.vn 82 Phụ lục Mã nguồn của chương trình Phần chương trình 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 { 83 private: // Cac tham so double radioDelay; double txRate; cPar *iaTime; 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() 84 { base_station = simulation.moduleByPath("base_station"); if (!base_station) error("base_station not found"); txRate = par("txRate"); radioDelay = par("radioDelay"); 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]; 85 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); 86 } // cap nhat hoa mang mo phong if (ev.isGUI()) { displayString().setTagArg("i",1,""); displayString().setTagArg("t",0,""); } } else { 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; 87 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); 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; 88 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"); 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()) { 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); 91 } } channelBusy = true; delete msg; } } void ABase_station::finish() { ev