Công nghệ WIMAX, ứng dụng và tiềm năng phát triển

Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT TR NG I H C VINHƯỜ ĐẠ Ọ KHOA CÔNG NGHỆ ÁNĐỒ T T NGHI P I H CỐ Ệ ĐẠ Ọ t i:Đề à Công nghệ wimax Sinh viên th c hi n: ự ệ LÊ XUÂN H NGỐ L p 46K - TVT ớ Đ Gi ng viên h ng d n: KS. LÊ ÌNH CÔNGả ướ ẫ Đ Vinh, 5-2010 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công LỜI MỞ ĐẦU Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng.Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba - đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các cơ quan chuyên môn. Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu. WiMAXtruyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo… Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là các tấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e. Trên thế giới tính đến ngày 16.10.2007 thì đã có 1272 giấy phép cấp cho WiMAX, tăng gấp đôi so với năm trước , theo thăm dò ý kiến từ ngày 11.04.2007 đến ngày 11.05.2007 với 1388 người yêu thích công nghệ tại Đông Nam Á với độ tuổi trung bình là 25 thì có tới 99,2% số người được hỏi cho biết họ muốn có WiMAX tại nơi họ sinh sống. Đây là số liệu điều tra của Motorola tại Hồng Kông, Malasia và Philippin. Chính vì những điều đó, em nhận thấy WiMAX là công nghệ đang có tiềm năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài…cho nên em chọn đề Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng ở Việt Nam”. Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thời gian yêu cầu của nhà trường đặt ra. Đồ án của em bao gồm: Chương 1: Tìm hiểu công nghệ Wimax Chương 2:Tìm hiểu công nghệ Wimax di động Chương 3: Ứng dụng của Wimax Chương 4 :Tiềm năng phát triển của Wimax Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo KS.Lê Đình Công, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này ! Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ để hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất ! Xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Lê Xuân Hồng Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Chương 1: Công nghệ wimax 1.1. Lịch sử, quá trình phát triển 1.1.1. Lịch sử Ngày nay sự phát triển của mạng viễn thông với dịch vụ ngày càng đa dạng đã làm cho các công nghệ truy nhập tiên tiến ngày càng được phát minh và đưa vào phục vụ. Hiện nay chúng ta biết đến truy nhập Internet với các dịch vụ quay số Modem thoại, ADSL hay các đường thuê bao riêng hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy nhập mạng đều có đặc điểm riêng: + Với Modem quay số điện thoại thì tốc độ thấp. + ADSL có tốc độ lên tới 8Mb/s nhưng cần có đường dây kết nối. + Các đường thuê bao riêng thì giá thành đắt mà lại khó triển khai với các khu vực có địa hình phức tạp. + Hệ thống thông tin di động hiện nay cung cấp tốc độ truyền 9,6Kb/s là rất thấp so với nhu cầu của người sử dụng. + GSM (2G),GPRS (2,5G) cho phép truy nhập ở tốc độ 172,2Kb/s hay EDGE ở 300 đến 400Kb/s cũng chưa đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ Internet. + Hệ thống di động 3G thì tốc độ truy nhập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s. + Mạng WiFi (hay LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin khoảng cách ngắn. Với thực tế các công nghệ như vậy, WIMAX (Worldwide Interoprability for Microwave Access) đã ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WIMAX có Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công thể cung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s và có bán kính phủ sóng của một trạm là 50Km. Mô hình phủ sóng của WIMAX tương tự như mạng tế bào. Hoạt động của WIMAX rất mềm dẻo và tương tự như của WiFi khi truy nhập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy nhập mạng thì nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WIMAX gần nhất.Điều quan trọng nhất WIMAX xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16. 1.1.2. Quá trình phát triển Quá trình phát triển của WiMAX trải qua một số các chuẩn như là: Chuẩn 802.16: Chuẩn IEEE 802.16a, được công nhận vào tháng 1/2003, cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối, giữa người sử dụng và điểm kết nối, bằng các băng tần từ 2 đến 11 GHz. Dải tần này cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng. Điều này khiến cho chuẩn IEEE 802.16a trở thành một công nghệ sáng giá dành cho các ứng dụng kết nối đầu cuối là những ứng dụng hay bị ảnh hưởng của vật cản như cây cối hay nhà cửa, cũng như dành cho các trạm gốc chỉ gắn được trong nhà mà không gắn được trên đỉnh tháp hay đỉnh núi. Để hỗ trợ mô hình kinh doanh có lợi nhuận, các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ mạng cần phải duy trì một hỗn hợp khách hàng là doanh nghiệp tạo doanh thu cao và số lượng lớn các thuê bao tư nhân. Các hệ thống 802.16a có thể đáp ứng được yêu cầu này bằng cách hỗ trợ nhiều cấp dịch vụ khác biệt. Bán kính của phủ sóng của một điểm phát 802.16a điển hình có thể xa từ 4 tới 6 dặm. Chuẩn mới này sẽ giúp ngành viễn thông tạo ra các giải pháp chung cho các kiểu thị trường băng rộng: a. Băng thông theo yêu cầu. Công nghệ không dây 802.16a cho phép các nhà cung cấp dịch vụ triển khai được dịch vụ có tốc độ tương đương với sử dụng giải pháp kết nối dây chỉ trong vài ngày với chi phí cực thấp. Nó cũng cho phép đặt cấu hình tức thời theo yêu cầu kết nối tốc độ cao dùng cho các sự kiện ngắn ngày như hỗ trợ triển lãm. b. Trục nhánh của mạng tế bào. Băng thông lớn của công nghệ 802.16 khiến nó trở thành sự lựa chọn tuyệt vời để tải dữ liệu trục nhánh cho các trạm gốc của mạng tế Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công bào theo cấu hình mạng điểm nối điểm. c. Băng thông rộng cho gia đình: Lấp đầy khoảng trống kết nối mà thuê bao số và mạng cáp không cung cấp dịch vụ tới được. Có nhiều giới hạn ngăn cản công nghệ thuê bao số và mạng cáp tiếp cận tới người dùng băng thông rộng tiềm năng. Điều này sẽ thay đổi nhờ việc tung ra các hệ thống chuẩn dựa trên 802.16a. d. Các khu vực thiếu dịch vụ. Công nghệ Internet không dây dựa trên công nghệ IEEE 802.16 là một sự lựa chọn tự nhiên cho khu vực nông thôn thiếu dịch vụ và các khu vực ngoại ô có mật độ dân số thấp. Dịch vụ không dây kết nối tốt nhất. Chuẩn IEEE 802.16e* mở rộng tới 802.16a giới thiệu khả năng di động cho phép người sử dụng kết nối khi đang di chuyển ngoài khu vực nhà ở của mình. Các yếu tố khiến 802.16 a trở nên khác biệt Thông lượng. Bằng cách sử dụng một phương thức điều chế mạnh, IEEE 802.16a tạo ra thông lượng cao trên khoảng cách có năng suất phổ mức cao chịu lỗi phản xạ tốt. Trạm gốc có thể đánh đổi thông lượng để lấy khoảng cách. Khả năng mở rộng được. Để sử dụng được kế hoạch mạng cho cả hai phổ được cấp phép và miễn phép trên toàn cầu, chuẩn 802.16a hỗ trợ các băng thông kênh linh hoạt. Phủ sóng. Bên cạnh việc hỗ trợ phương thức điều chế mạnh và động, chuẩn IEEE 802.16a cũng hỗ trợ các công nghệ tăng cường việc phủ sóng trong đó có các kỹ thuật topo mạng nhện và ăng ten thông minh. Chất lượng dịch vụ. Chuẩn IEEE 802.16a bao gồm các tính năng Chất lượng dịch vụ cho phép các dịch vụ như thoại và email là những dịch vụ đòi hỏi mạng có độ trễ thấp hoạt động được. Dịch vụ thoại dùng 802.16a có thể dùng ghép kênh phân chia thời gian (TDM) hoặc IP (VoIP). Bảo mật. Các tính năng bảo mật và mã hóa có sẵn trong chuẩn 802.16a để hỗ trợ truyền thông tin an toàn và nhận dạng, giải mã số liệu. Bằng việc sử dụng chuẩn 802.16a, các nhà cung cấp dịch vụ mạng có thể giảm chi phí nghiên cứu phát triển bằng cách phân bổ chi phí trên lượng sản phẩm lớn hơn. Một điểm quan trọng nữa là đối với hàng triệu người trên thế giới không thể kết nối băng thông rộng qua mạng cáp hoặc thuê bao số, công nghệ không dây IEEE 802.16a Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công mới sẽ là đường dẫn thứ ba (ngoài đường dây điện thoại và cáp truyền hình) kết nối các hộ gia đình, doanh nghiệp, các điểm truy cập công cộng và các quán cafe có dịch vụ truyền dẫn tới rất nhiều lợi ích của Internet. Chuẩn cơ bản 802.16 basic Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (interface) không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát (BS - Base Station) và người sử dụng (SS - Subscriber Station). Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh uplink và downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS (line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu. Các chuẩn bổ sung (amendments) của WiMAX - 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng. - 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 - 6 Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service). Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a. - 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tần từ 10- 66GHz với mục đích cải tiến interoperability. -802.16d : Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hóa 2004. Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này. - 802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa. Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn nhất mà vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h). IEEE 802.16e hay IEEE 802.16e- Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công 2005 là một chuẩn mở rộng (amendment) của chuẩn 802.16-2004, thường được gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX) vì nó có khả năng đáp ứng dịch vụ cho người dùng di động thông qua các giao thức chuyển giao. 802.16e dùng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA; sử dụng kỹ thuật MIMO và AAS để cải thiện vùng phủ và năng suất; mã Turbo và LDPC để tăng tính an toàn và cải thiện hiệu năng của NLOS. - Ngoài ra còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h . 1.2. Tầm nhìn chung 1.2.1. Thành phần hệ thống Hệ thống WIMAX gồm 2 phần: + Trạm gốc WIMAX: trạm gốc bao gồm thiết bị điện tử trong nhà và tháp WIMAX. Thông thường, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 10 km (theo lý thuyết, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 50 km). Mọi node vô tuyến bên trong vùng phủ sóng có thể truy cập internet. + Máy thu WIMAX: máy thu và anten có thể là hộp riêng lẻ hoặc card PC ở trong máy tính hay máy tính xách tay. Truy cập tới trạm gốc WIMAX tương đương với truy cập tới điểm truy cập vô tuyến trong mạng WiFi, nhưng vùng phủ sóng lớn hơn. Một vài trạm gốc được kết nối với một trạm gốc khác với việc sử dụng các liên kết sóng vi ba backhaul tốc độ cao. Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Hình 1.1: Các cấu hình mạng trong các vùng thành thị và nông thôn Một vài trạm gốc có thể được nối với một trạm gốc khác sử dụng các liên kết backhaul tốc độ cao. Điều này cho phép thuê bao WIMAX chuyển vùng từ một trạm gốc này tới vùng trạm gốc khác, giống như chuyển vùng được cho phép bởi các công ty điện thoại tổ ong. Một vài lựa chọn backhauling và cấu hình được hỗ trợ cho các trạm gốc WIMAX: backhauling có dây (thường qua Ethernet), kết nối vi ba điểm tới điểm, cũng như backhaul WIMAX. Đối với lựa chọn sau cùng, trạm gốc có khả năng backhaul chính nó. Điều này có thể đạt được bằng cách dự trữ phần độ rộng băng tần thường được dùng cho lưu lượng người sử dụng đầu cuối và sử dụng nó cho các mục đích backhauling. 1.2.2.Thành phần công nghệ Nhìn chung về mặt công nghệ thì WiMAX sử dụng những công nghệ sau đây là quan trọng nhất: Các chuẩn và công nghệ chính sử dụng trong WiMAX: - Chuẩn IEEE802.16 - Lớp MAC của chuẩn IEEE802.16 -Kỹ thuật OFDM - FEC (Forward Error Corection) - Phương pháp truyền khung dừng và chờ ARQ, truyền lại có lựa chọn ARQ. Trên đây là những thành phần công nghệ mà WIMAX nói chung sử dụng. WIMAX được xây dựng trên chuẩn của ITU (liên minh viễn thông thế giới) đậy là tiêu chuẩn của công nghệ không dây chuẩn cho WIMAX, ngoài ra xung quanh chuẩn đó người ta còn sử dụng thêm nhiều các kỹ thuật khác nữa như đã nói ở trên. Đối với WIMAX di động thì do đặc thù của tính di động nên người ta còn phải chú trọng nhiều đến những vấn đề liên quan để tăng khả năng phát sóng và thu sóng của thiết bị di động. 1.3. Ưu điểm, nhược điểm 1.3.1. Ưu điểm Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD : KS. Lê Đình Công Đ ược xây dựng trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WIMAX là hệ thống đa truy nhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền LOS và NLOS. Chuẩn WIMAX phát triển với nhiều mục tiêu, chúng được tổng kết ở dưới đây: Hình 1.2: Ưu điểm của công nghệ WIMAX • Kiến trúc mềm dẻo: WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao gồm điểm tới điểm, điểm tới đa điểm, và bao phủ khắp nơi. MAC (điều khiển truy nhập phương tiện) WIMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở khắp nơi bằng cách sắp xếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (SS). Nếu chỉ có một SS trong mạng, thì trạm gốc WIMAX sẽ thông tin với SS trên cơ sở điểm tới điểm. Một BS trong cấu hình điểm tới điểm có thể sử dụng một anten búp hẹp hơn để phủ các vùng lớn hơn. • Bảo mật cao: WIMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và DES (trong đó là chuẩn mật mã hóa số liệu). Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS, WIMAX cung cấp các thuê bao riêng (chống nghe trộm) và bảo mật trên giao diện không dây băng rộng. Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà khai thác sự bảo vệ mạnh mẽ chống ăn trộm dịch vụ. WIMAX cũng được xây dựng hỗ trợ VLAN, mà cung cấp sự bảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS. • Triển khai nhanh: so với sự triển khai của các giải pháp dây, WIMAX yêu cầu ít hoặc không yêu cầu xây dựng kế hoạch mở rộng. Ví dụ, đào hố để hỗ trợ rãnh của các Lê Xuân Hồng Lớp 46 K-ĐTVT 13 . 1.2.2.Thành phần công nghệ Nhìn chung về mặt công nghệ thì WiMAX sử dụng những công nghệ sau đây là quan trọng nhất: Các chuẩn và công nghệ chính sử dụng trong. Chương 1: Tìm hiểu công nghệ Wimax Chương 2:Tìm hiểu công nghệ Wimax di động Chương 3: Ứng dụng của Wimax Chương 4 :Tiềm năng phát triển của Wimax Em xin