Công nghệ wimax và khả năng triển khai trong thực tế luận văn tốt nghiệp đại học

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Công nghệ WiMAX và khả năng triển khai trong thực tế ” em đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Vinh. Vậy cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ đó. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo –ThS. Nguyễn Anh Quỳnh – Người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này . Trong quá trình hoàn thành đồ án mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do tầm hiểu biết và điều kiện thực hiện đề tài là có hạn. Do đó sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình, chỉ dẫn của quý thầy cô, các bạn sinh viên và bạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn. Vinh, ngày tháng năm 2012 Sinh viên thực hiện: Đinh Văn Hoàn 1 MỤC LỤC Trang 2.1. Tổng quan về Wimax .24 a.Lớp con hội tụ MAC .46 c. Lớp con bảo mật .51 3.1.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .65 3.1.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65 3.2.2. Các mạng phục vụ cộng đồng .73 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2.1. Tổng quan về Wimax .24 a.Lớp con hội tụ MAC .46 c. Lớp con bảo mật .51 3.1.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .65 3.1.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 65 3.2.2. Các mạng phục vụ cộng đồng .73 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS adaptive antena system Hệ thống anten thích nghi AK Authorization key Khoá Cấp phép BE Best effort Cố gắng tối đa BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit BNI Base station network interface Giao diện giữa trạm gốc và mạng BS Base station Trạm gốc BW Bandwidth Băng thông BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộng CDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã CA Certification authority Quyền Chứng thực CP Cyclic Prefix Tiền tố Tuần hoàn CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao CPS Common part sublayer Lớp con phần chung CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra vòng dư CS Convergence sublayer Lớp con hội tụ DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu DFS Dynamic frequency selection Lựa chọn tần số động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định DL Downlink Hướng xuống EC Encryption control Điều khiển mật mã ECB Electronic code book Bảng mật mã điện tử 4 EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt Mật mã-giải mã-mật mã FEC Forward Error Correction Mã hóa sử lỗi trước ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số FDD Frequency division duplex Song công chia tần số FEC Forward error correction Sửa lỗi hướng đi FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh FSS Fixed satellite service Dịch vụ vệ tinh cố định FWA Fixed wireless access Truy nhập không dây cố định GPS Global positioning satellite Vệ tinh định vị toàn cầu H-FDD Half-duplex FDD FDD bán song công HHO Hard Handoff Chuyển vùng cứng IE Information element Phần tử thông tin IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh IP Internet Protocol Thủ tục Internet ITU International Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông Quốc tế KEK Key encryption key Khoá Mật mã Khoá LAN Local area network Mạng nội bộ LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt LOS Line of sight Tia trực xạ 5 MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra MMDS Multichannel multipoint distribution service Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động NCFG Network configuration Cấu hình mạng NLOS Non line of sight Tia không trực xạ NRTPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian thực OFDM Orthogonal frequency division multiplexing Ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giao PARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại LỜI NÓI ĐẦU Đứng trước sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, truyền thông băng thông rộng đang trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng. Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy cập Internet, 6 các trò chơi tương tác, hội nghị truyền hình,… thì truyền thông băng thông rộng di động cũng đang được ứng dụng rộng rãi, cung cấp các kết nối tin cậy cho người sử dụng ngay cả khi di chuyển qua một phạm vi rộng lớn. Trong đó, truy cập băng rộng không dây là một lĩnh vực mang lại sự quan tâm đáng kể của các tổ chức nghiên cứu cũng như các nhà cung cấp thiết bị, các nhà khai thác mạng. Ngày nay thế giới đang hướng tới tương tác toàn cầu trong truyền thông băng rộng không dây, điều này không chỉ mang lại sự hội tụ về truyền thông toàn cầu mà còn mang lại nhiều lợi nhuận về mặt kinh tế, giúp cho việc phát triển khoa học, công nghệ, chính trị, văn hoá,… giữa các nước trên toàn thế giới. Đứng trước thực tế đó, Wimax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Hệ thống Wimax có khả năng cung cấp đường truyền vô tuyến với tốc độ lên đến 70Mbps và với bán kính phủ sóng lên đến 50km. Với nhiều ưu điểm vượt trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ cố định cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép… theo đánh giá của các chuyên gia thì Wimax sẽ nhanh chóng vượt qua những công nghệ hiện có như Wi-Fi hay 3G. Đồ án gồm 3 chương. Chương 1, tổng quan về truy nhập không dây, chương này trình bày một cách khái quát về mạng không dây. Chương 2, công nghệ Wimax, trình bày về công nghệ truy nhập Wimax, tại sao phải lại dùng Wimax. Chương 3, thiết kế mạng Wimax, với kiến thức tìm hiểu được trong quá trinh làm đồ án Những nội dung và kiến thức trong tài liệu này là sự tổng hợp những nghiên cứu mà em đã tìm hiểu và đúc rút được trong thời gian học tập cũng như trong thời gian nghiên cứu làm đồ án. Vì thời gian không cho phép và kiến thức còn nhiều hạn chế nên chắc rằng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp của thầy cô và bạn bè. 7 Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trong khoa, đặc biệt thầy giáo - ThS.Nguyễn Anh Quỳnh, các thầy cô trong khoa và các bạn trong lớp đã tận tình giúp đỡ em hoàn thanh đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên: Đinh Văn Hoàn Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1. Quá trình phát triển của các mạng truy nhập không dây 8 Các mạng truy nhập vô tuyến phát triển theo hai hướng đó là công nghệ di động tế bào và các công nghệ khác như WLAN, WIMAX, Đó là hai xu hướng công nghệ phổ biến nhất hiện nay. 1.1.1. Công nghệ di động tế bào Chúng ta xem xét quá trình phát triển bắt đầu từ các hệ thống di động tế bào thế hệ hai (2G). Các hệ thống di động thế hệ hai (2G) là số hóa. Đầu tiên là hệ thống GSM, hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động được chuẩn hóa ở Châu Âu nhưng không được sử dụng rộng rãi, phổ trong băng 900MHz được cấp cho hoạt động GSM ở Châu Âu để thuận tiện cho việc Roaming giữa các quốc gia. Vào năm 1989 đặc điểm kĩ thuật của GSM được hoàn thành và hệ thống được giới thiệu vào 1991, mặc dù vậy đến 1992 mới thật sự được triển khai. GSM sử dụng kết hợp TDMA và nhảy tần chậm với khóa chuyển tần số FSK để điều chế thoại. Ngược lại, các chuẩn sử dụng ở Mĩ cho hệ thống di động số thế hệ hai gây ra một tranh cãi về các công nghệ, kết quả có nhiều chuẩn không tương thích với nhau ra đời. Vào 1992, chuẩn di động tế bào số IS-54 được hoàn thành và được triển khai vào 1994. Chuẩn này kết hợp TDMA để cải thiện chuyển giao và điều khiển tín hiệu qua FDMA. Chuẩn IS-54 này cũng được gọi là chuẩn tế bào di động kĩ thuật số Bắc Mĩ đã được cải thiện và những bổ sung của nó đã được mở rộng thành chuẩn IS-136. Một chuẩn cạnh tranh với các hệ thống 2G dựa trên CDMA đã được đề nghị bởi Qualcomn vào đầu những năm 1990. Chuẩn này là IS-95 hay IS-95A được hoàn thành vào 1993 và được triển khai về mặt thương mại dưới tên là CDMAOne 1995. Chuẩn di động tế bào kĩ thuật số thế hệ hai ở Nhật Bản được gọi là PDC được thiết lập năm 1991 và được triển khai vào 1994. Nó tương tự IS- 136 nhưng các kênh thoại 25KHz tương thích với các hệ thống tương tự Nhật Bản. Hệ thống này hoạt động trong cả các băng tần 900MHz và 1500MHz. 9 (Hình 1.1 mô tả sự phát triển hệ thống thông tin di động thế giới, từ năm 1983-2000). Cụ thể, có hai chuẩn ở băng tần 900MHz là IS-54 sử dụng kết hợp TDMA và FDMA và điều chế khóa chuyển pha, và một hệ thống khác là IS-95 hay IS- 95a sử dụng CDMA chuỗi trực tiếp với điều chế và mã hóa nhị phân. Phổ cho hệ thống di động số trong băng tần 2GHz PCS bị bán đấu giá, vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng một chuẩn hiện có hay triển khai các hệ thống độc quyền cho phổ mà họ mua được. Kết quả có ba chuẩn di động tế bào khác nhau cho băng tần này là IS-136 (về cơ bản giống với IS-54 ở một tần số cao hơn), IS- 95 và chuẩn GSM Châu Âu. Vào cuối những năm 1990, các hệ thống 2G được phát triển theo hai hướng. Chúng được chuyển đến các tần số cao hơn khi có nhiều băng rộng di động tế bào trở nên sẵn có ở Châu Âu và Mĩ, và được sửa đổi để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu thêm vào thoại. Đặc biệt vào năm 1994, Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) bắt đầu bán đấu giá phổ trong băng tần các hệ thống truyền thông cá nhân (PCS) 1.9GHz cho các hệ thống di động tế bào. Các nhà khai thác mua được phổ trong băng này có thể thông qua bất kì chuẩn nào. Các nhà khai thác khác nhau chọn các chuẩn khác nhau, vì thế GSM, IS-136 và IS-95 đã được triển khai ở băng 1900MHz trong các khu vực khác nhau làm cho việc Roaming trong nước gặp nhiều khó khăn. Thực tế có nhiều điện thoại di động tế bào số xuất hiện. Các hệ thống GSM hoạt động trong băng tần PCS được xem như các hệ thống PCS 1900. Các chuẩn IS-136 và IS-95 (CDMAOne) được chuyển sang băng PCS với tên gọi giữ nguyên. Châu Âu cấp phát thêm phổ di động tế bào trong băng 1.8GHz. Chuẩn cho băng tần này được gọi là GSM 1800 hay DCS 1800 ( Hệ thống di động tế bào số), sử dụng GSM như chuẩn cơ bản với một số thay đổi để cho phép chồng lấn giữa các tế bào vi mô và vĩ mô. Các điện thoại không dây thế hệ hai như DECT, hệ thống truyền thông truy nhập cá nhân (PACS) 10