Tìm hiểu và ứng dụng công nghệ WIMAX luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG _____________________________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX Sinh viên thực hiện: Trần Cao Cường Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Kiều Nga Vinh, 5 - 2011 1 MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH VẼ .4 DANH MỤC BẢNG 7 LỜI NÓI ĐẦU .12 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 14 1.1. Khái niệm .14 Hình 1.1. Sự hoạt động của mạng WiMax .14 1.2. Mô hình hệ thống WIMAX .14 Hình 1.2. Mạng không dây toàn cầu .16 1.3. Các chuẩn WiMAX .16 Hình 1.3. Các chuẩn không dây 17 1.4. Phân bố băng tần trong wimax 18 1.4.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 18 1.4.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX 19 1.5. Các ứng dụng trong wimax .21 1.5.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) .21 1.5.2. Mô hình ứng dụng WiMAX di động 22 Hình 1.4. Các ứng dụng WiMAX .22 1.5.3. CPE WiMAX 23 Chương 2 .24 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 24 2.1. Giới thiệu chương 24 2.2. Kỹ thuật OFDM .24 2.2.1. Khái niệm 24 Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM 25 2.2.2. Sơ đồ khối OFDM 26 Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .26 2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 27 Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ .27 Hình 2.4. ISI và cyclic prefix 28 2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM 29 Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ .29 2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM .29 2.3. Kỹ thuật OFDMA 31 2.3.1. Khái niệm 31 2.3.2. Đặc điểm .31 Hình 2.6. ODFM và OFDMA .31 Hình 2.7 .32 ình 2.8. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c 32 đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian .32 Hình 2.9. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 33 2.3.4. Hệ thống OFDMA 33 Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM .33 Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 34 2.4. Điều chế thích nghi 34 Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi .35 2 2.5. Công nghệ sửa lỗi 35 2.6. Điều khiển công suất .35 2.7. Các công nghệ anten tiên tiến 36 2.7.1. Phân tập thu và phát 36 Hình 2.13. MISO .36 Hình 2.14. MIMO .37 2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi 37 Hình 2.15. Beam Shaping .37 Hình 2.16. AAS đường xuống 38 Chương 3 .39 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX .39 3.1. Giới thiệu chương 39 3.2. Mô hình tham chiếu .39 Hình 3.1. Mô hình tham chiếu 39 Hình 3.2. Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 40 Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp 40 3.3. Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 41 3.3.1. Kết nối và địa chỉ 42 3.3.2. Lớp con hội tụ MAC .43 3.3.3. Lớp con phần chung MAC .44 Hình 3.4. Định dạng MAC PDU 45 Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung .45 Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung .46 Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 47 Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 47 3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông .48 3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) 50 3.3.6. Lớp con bảo mật .51 3.4. Lớp vật lý <PHY> .51 Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 .52 Hình 3.7. Cấu trúc thời gian symbol OFDM 55 Hình 3.8. Mô tả symbol OFDM miền tần số 56 Hình 3.9. Cấu trúc khung OFDM với TDD .57 Hình 3.10. Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) 58 Chương 4 .60 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI 60 VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG .60 VIỄN THÔNG VIỆT NAM .60 4.1. Giới thiệu chương 60 4.2. Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.2.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .60 4.2.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.3. Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX .62 4.3.1. Mạng dùng riêng .62 Hình 4.1. Cellular Backhaul .63 Hình 4.2. WSP Backhaul 63 Hình 4.3. Mạng ngân hàng .64 Hình 4.4. Mạng giáo dục 65 Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng 66 3 Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ .66 Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực 67 Hình 4.8. Các công trình xây dựng .68 Hình 4.9. Các khu vực công cộng 69 4.3.2. Các mạng phục vụ cộng đồng 69 Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP .70 Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh 71 4.4. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 71 Hình 4.12. Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT .73 .74 Hình 4.13. Sơ đồ kết nối tại trạm gốc 74 Hình 4.14. Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao .75 Bảng 4.1. Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang DANH MỤC HÌNH VẼ .4 DANH MỤC BẢNG 7 LỜI NÓI ĐẦU .12 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 14 1.1. Khái niệm .14 Hình 1.1. Sự hoạt động của mạng WiMax .14 1.2. Mô hình hệ thống WIMAX .14 Hình 1.2. Mạng không dây toàn cầu .16 1.3. Các chuẩn WiMAX .16 Hình 1.3. Các chuẩn không dây 17 1.4. Phân bố băng tần trong wimax 18 1.4.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 18 1.4.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX 19 1.5. Các ứng dụng trong wimax .21 1.5.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) .21 1.5.2. Mô hình ứng dụng WiMAX di động 22 Hình 1.4. Các ứng dụng WiMAX .22 1.5.3. CPE WiMAX 23 Chương 2 .24 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 24 2.1. Giới thiệu chương 24 2.2. Kỹ thuật OFDM .24 2.2.1. Khái niệm 24 Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM 25 2.2.2. Sơ đồ khối OFDM 26 Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .26 2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 27 Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ .27 4 Hình 2.4. ISI và cyclic prefix 28 2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM 29 Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ .29 2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM .29 2.3. Kỹ thuật OFDMA 31 2.3.1. Khái niệm 31 2.3.2. Đặc điểm .31 Hình 2.6. ODFM và OFDMA .31 Hình 2.7 .32 ình 2.8. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c 32 đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian .32 Hình 2.9. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 33 2.3.4. Hệ thống OFDMA 33 Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM .33 Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 34 2.4. Điều chế thích nghi 34 Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi .35 2.5. Công nghệ sửa lỗi 35 2.6. Điều khiển công suất .35 2.7. Các công nghệ anten tiên tiến 36 2.7.1. Phân tập thu và phát 36 Hình 2.13. MISO .36 Hình 2.14. MIMO .37 2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi 37 Hình 2.15. Beam Shaping .37 Hình 2.16. AAS đường xuống 38 Chương 3 .39 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX .39 3.1. Giới thiệu chương 39 3.2. Mô hình tham chiếu .39 Hình 3.1. Mô hình tham chiếu 39 Hình 3.2. Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 40 Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp 40 3.3. Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 41 3.3.1. Kết nối và địa chỉ 42 3.3.2. Lớp con hội tụ MAC .43 3.3.3. Lớp con phần chung MAC .44 Hình 3.4. Định dạng MAC PDU 45 Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung .45 Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung .46 Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 47 Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 47 3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông .48 3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) 50 3.3.6. Lớp con bảo mật .51 3.4. Lớp vật lý <PHY> .51 Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 .52 Hình 3.7. Cấu trúc thời gian symbol OFDM 55 Hình 3.8. Mô tả symbol OFDM miền tần số 56 5 Hình 3.9. Cấu trúc khung OFDM với TDD .57 Hình 3.10. Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) 58 Chương 4 .60 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI 60 VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG .60 VIỄN THÔNG VIỆT NAM .60 4.1. Giới thiệu chương 60 4.2. Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.2.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .60 4.2.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.3. Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX .62 4.3.1. Mạng dùng riêng .62 Hình 4.1. Cellular Backhaul .63 Hình 4.2. WSP Backhaul 63 Hình 4.3. Mạng ngân hàng .64 Hình 4.4. Mạng giáo dục 65 Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng 66 Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ .66 Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực 67 Hình 4.8. Các công trình xây dựng .68 Hình 4.9. Các khu vực công cộng 69 4.3.2. Các mạng phục vụ cộng đồng 69 Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP .70 Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh 71 4.4. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 71 Hình 4.12. Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT .73 .74 Hình 4.13. Sơ đồ kết nối tại trạm gốc 74 Hình 4.14. Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao .75 Bảng 4.1. Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 6 DANH MỤC BẢNG Trang DANH MỤC HÌNH VẼ .4 DANH MỤC BẢNG 7 LỜI NÓI ĐẦU .12 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 14 1.1. Khái niệm .14 Hình 1.1. Sự hoạt động của mạng WiMax .14 1.2. Mô hình hệ thống WIMAX .14 Hình 1.2. Mạng không dây toàn cầu .16 1.3. Các chuẩn WiMAX .16 Hình 1.3. Các chuẩn không dây 17 1.4. Phân bố băng tần trong wimax 18 1.4.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 18 1.4.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX 19 1.5. Các ứng dụng trong wimax .21 1.5.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) .21 1.5.2. Mô hình ứng dụng WiMAX di động 22 Hình 1.4. Các ứng dụng WiMAX .22 1.5.3. CPE WiMAX 23 Chương 2 .24 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 24 2.1. Giới thiệu chương 24 2.2. Kỹ thuật OFDM .24 2.2.1. Khái niệm 24 Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM 25 2.2.2. Sơ đồ khối OFDM 26 Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .26 2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 27 Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ .27 Hình 2.4. ISI và cyclic prefix 28 2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM 29 Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ .29 2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM .29 2.3. Kỹ thuật OFDMA 31 2.3.1. Khái niệm 31 2.3.2. Đặc điểm .31 Hình 2.6. ODFM và OFDMA .31 Hình 2.7 .32 ình 2.8. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c 32 đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian .32 Hình 2.9. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 33 7 2.3.4. Hệ thống OFDMA 33 Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM .33 Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 34 2.4. Điều chế thích nghi 34 Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi .35 2.5. Công nghệ sửa lỗi 35 2.6. Điều khiển công suất .35 2.7. Các công nghệ anten tiên tiến 36 2.7.1. Phân tập thu và phát 36 Hình 2.13. MISO .36 Hình 2.14. MIMO .37 2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi 37 Hình 2.15. Beam Shaping .37 Hình 2.16. AAS đường xuống 38 Chương 3 .39 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX .39 3.1. Giới thiệu chương 39 3.2. Mô hình tham chiếu .39 Hình 3.1. Mô hình tham chiếu 39 Hình 3.2. Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 40 Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp 40 3.3. Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 41 3.3.1. Kết nối và địa chỉ 42 3.3.2. Lớp con hội tụ MAC .43 3.3.3. Lớp con phần chung MAC .44 Hình 3.4. Định dạng MAC PDU 45 Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung .45 Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung .46 Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 47 Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 47 3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông .48 3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) 50 3.3.6. Lớp con bảo mật .51 3.4. Lớp vật lý <PHY> .51 Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 .52 Hình 3.7. Cấu trúc thời gian symbol OFDM 55 Hình 3.8. Mô tả symbol OFDM miền tần số 56 Hình 3.9. Cấu trúc khung OFDM với TDD .57 Hình 3.10. Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) 58 Chương 4 .60 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI 60 VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG .60 VIỄN THÔNG VIỆT NAM .60 4.1. Giới thiệu chương 60 4.2. Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.2.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .60 4.2.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam 60 4.3. Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX .62 4.3.1. Mạng dùng riêng .62 8 Hình 4.1. Cellular Backhaul .63 Hình 4.2. WSP Backhaul 63 Hình 4.3. Mạng ngân hàng .64 Hình 4.4. Mạng giáo dục 65 Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng 66 Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ .66 Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực 67 Hình 4.8. Các công trình xây dựng .68 Hình 4.9. Các khu vực công cộng 69 4.3.2. Các mạng phục vụ cộng đồng 69 Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP .70 Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh 71 4.4. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 71 Hình 4.12. Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT .73 .74 Hình 4.13. Sơ đồ kết nối tại trạm gốc 74 Hình 4.14. Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao .75 Bảng 4.1. Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 9 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 Provided 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 FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số 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 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 Dịch vụ phân phối đa điểm đa 10 . TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG _____________________________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX Sinh. triển vững chắc và lâu dài .Cho nên em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: Tìm hiểu công nghệ 12 WiMAX và ứng dụng hệ thống WiMAX tại Việt Nam.