Tổng quan về công nghệ WINAX và một số mô hình ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ MỘT SỐ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Thị Minh Sinh viên thực hiện : Chu Văn Hào VINH – 2011 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU .6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN .8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG .14 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 14 PHẦN MỞ ĐẦU 17 Chương 1 19 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX .19 1.1. Giới thiệu chương 20 1.2. Khái niệm 20 1.3. Sự đi lên từ WiFi đến WiMAX 20 1.4. Đặc điểm .22 1.5. Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX 26 1.5.1. Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 26 1.5.2. Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX 28 1.6. Các chuẩn của Wimax .29 1.6.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 29 1.6.2. Chuẩn IEEE 802.16a .29 1.6.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 30 1.6.4. Chuẩn IEEE 802.16e .30 Đơn sóng mang 31 Đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDM 31 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 32- 134.4 Mbps 31 1- 75 Mbps .31 1- 75 Mbps .31 Khối TDM/TDMA .31 Khối TDM/TDMA/OFDMA 31 Khối TDM/TDMA/OFDMA 31 TDD và FDD 31 TDD và FDD 31 TDD và FDD 31 20, 25, 28 .31 1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 31 2 1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 31 WirelessMAN- SC .31 WirelessMAN- SCa, WirelessMAN- OFDM, WirelessMAN- OFDMA 31 WirelessMAN- SCa, WirelessMAN- OFDM, WirelessMAN- OFDMA 31 Không 32 256- OFDM như là WiMAX cố định .32 S- OFDMA như là WiMAX di động 32 1.7. Các băng tần của Wimax .32 1.7.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 32 1.7.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX .33 1.8. Truyền sóng .34 Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX .35 1.8.1. Công nghệ OFDM 36 Hình 1.3. Cấu trúc của một ký hiệu OFDM[10] .38 Hình 1.4. Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường .39 1.8.2. Công nghệ OFDMA 40 Hình 1.5. Các kênh con trong OFDMA 40 1.8.3. Điều chế thích nghi .40 Hình 1.6. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 41 1.8.4. Công nghệ sửa lỗi .41 1.8.5. Điều khiển công suất 41 1.8.6. Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 42 Hình 1.7. MISO 42 Hình 1.8. MIMO .43 Hình 1.9. Beam Shaping .44 1.9. Các ứng dụng .44 1.9.1. Các mô hình ứng dụng 44 1.9.2. Mô hình hệ thống WiMAX .45 Hình 1.10. Mô hình hệ thống WiMAX .45 1.9.3. Các ứng dụng 46 Hình 1.11. Các ứng dụng WiMAX .46 1.10. Kết luận chương 47 Chương 2 48 KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 48 2.1. Giới thiệu chương 48 2.2. Mô hình tham chiếu .48 3 Hình 2.2. Mô hình tham chiếu [8] .48 2.3. Lớp MAC 49 2.3.1. Lớp con hội tụ MAC .49 2.3.2. Lớp con phần chung MAC 50 2.3.3. Lớp con bảo mật .54 2.4. Lớp vật lý 55 2.4.1. Đặc tả WirelessMAN- SC PHY 55 2.4.2. Đặc tả PHY WirelessMAN- SCA .56 2.4.3. Đặc tả PHY WirelessMAN- OFDM .56 Hình 2.2. Cấu trúc thời gian symbol OFDM .58 Hình 2.3. Mô tả symbol OFDM miền tần số .58 Hình 2.4. Cấu trúc khung OFDM với TDD 60 2.4.4. Đặc tả PHY WirelessMAN- OFDMA 60 Hình 2.5. Cấu trúc thời gian symbol OFDMA 61 Hình 2.6. Cấu trúc sóng mang con OFDMA .61 Hình 2.7. Cấu trúc khung của OFDMA[10] 63 2.4.5. Lớp con hội tụ truyền dẫn TC .63 Hình 2.8. Định dạng TC PDU .64 2.5. Kết luận chương 64 Chương 3 65 SO SÁNH WIMAX VỚI MỘT SỐ CÔNG NGHỆ .65 TRUY CẬP VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG KHÁC 65 3.1. Giới thiệu chương 65 3.2. Tổng quan về các chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng .65 Hình 3.1. Các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng [5] 65 3.3. So sánh WiMAX cố định và LMDS, MMDS 66 3.4. So sánh WiMAX di động với 3G .69 Bảng 3.2. So sánh WiMAX di động và 3G .69 3.5. So sánh WiMAX di động với WiBro .71 Hình 3.2. Phạm vi của WiMAX di động và WiBro trong chuẩn 802.16e .71 Bảng 3.3. Các đặc tính chính của WiMAX di động và WiBro .71 3.6. So sánh WiMAX và 3G LTE .72 3.7. Giải pháp của các nhà sản xuất 74 3.7.1. Giải pháp của Intel 74 4 3.7.2. Giải pháp sản phẩm của SR- Telecom 75 Hình 3.3. Sơ đồ ứng dụng tổng thể Wimax của ABS4000 .75 3.7.3. Giải pháp sản phẩm của Alvarion .76 3.7.4. Giải pháp sản phẩm của Motorola cho ISP .77 3.7.5. Giải pháp Chipset của Fujitsu .79 3.8. Kết luận chương 81 Chương 4 81 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG 81 HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM .81 4.1. Giới thiệu chương 82 4.2. Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam .82 4.2.1. Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .82 4.2.2. Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam .82 4.3. Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX .84 4.3.1. Mạng dùng riêng .84 Hình 4.1. Cellular Backhaul .85 Hình 4.2. WSP Backhaul 85 Hình 4.3. Mạng ngân hàng 86 Hình 4.4. Mạng giáo dục 87 Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng 88 Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ .88 Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực .89 Hình 4.8. Các công trình xây dựng .90 Hình 4.9. Các khu vực công cộng .91 4.3.2. Các mạng phục vụ cộng đồng .91 Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP 92 Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh 93 4.4. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 93 Hình 4.12. Cấu hình thử nghiệm WiMAX của VNPT 95 Hình 4.13. Sơ đồ kết nối tại trạm gốc .95 Hình 4.14. Sơ đồ kết nối trạm đầu cuối thuê bao 96 4.5. Kết luận chương 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 5 LỜI NÓI ĐẦU Với sự tiến bộ không ngừng về mặt khoa học công nghệ, đặc biệt là nghành viễn thông thế giới, công nghệ truy nhập băng rộng không dây là công nghệ mới ra đời nhằm đa dạng hoá các hình thức truy nhập và truyền dẫn. Cùng với sự tồn tại của các giải pháp truy nhập truyền thống như: Modem thoại (Dial- up), ISDN, thuê kênh kết nối trực tiếp (lease- line), xDSL… BWA ra đời áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi băng thông rộng với các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao như truyền dữ liệu, truy cập Internet… Với các tính năng dùng kỹ thuật không dây nên công nghệ này đặc biệt phù hợp với mô hình kết nối các văn phòng, nhà cao tầng… mà việc dùng cáp gặp nhiều khó khăn. Công nghệ WiMAX dùng sóng vô tuyến trong xây dựng giải pháp mạng hiện đại. Với nhiều ưu điểm nổi trội, giải pháp mạng không dây WiMAX sẽ là một trong những xu hướng tất yếu để mở rộng, và thay thế dần hệ thống LAN truyền thống sử dụng kết nối cáp, WiMAX hỗ trợ cho nhiều thiết bị ứng dụng dựa trên chuẩn TCP/IP và việc kết nối mạng được thực hiện bất cứ nơi đâu trong vùng phủ sóng. Đồng thời, một trạm phát sóng có thể cho phép hỗ trợ nhiều kết nối cũng như thiết bị truy xuất. Mạng không dây WiMAX sẽ tiết kiệm được thời gian lắp đặt chạy dây, tiết kiệm công sức nhân lực vì không cần phải lắp đặt các điểm truy cập mạng LAN thông thường. Việc kết nối được tự động hóa giữa các mạng cài đặt và phần cứng khác nhau, giúp việc triển khai cũng như bố trí lại đơn giản và linh 6 hoạt. Việc ứng dụng công nghệ WiMAX vào hạ tầng mạng sẽ giúp sử dụng, kết nối Internet tốc độ cao không còn là chuyện xa vời, hiếm hoi đối với những nơi hẻo lánh mà khả năng kéo cáp gặp nhiều khó khăn. Góp phần thu hẹp khoảng cách giữa nông thôn và thành thị trong việc chiếm lĩnh thông tin. Với sự chỉ bảo tận tình của Cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, cũng như sự nỗ lực học hỏi, tìm tòi nghiên cứu của bản thân, em đã chọn đề tài tốt nghiệp là: “Tổng quan công nghệ WiMAX và một số mô hình ứng dụng”. Cấu trúc Đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX Chương 2: Kiến trúc mạng truy cập WiMAX Chương 3: So sánh WiMAX với một số công nghệ đa truy cập vô tuyến băng rộng khác và giải pháp của các nhà sản xuất Chương 4: Nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống WiMAX trên mạng viễn thông Việt Nam. Tuy đồ án đã hoàn thành nhưng không thể tránh khỏi được thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là Cô giáo ThS. Nguyễn Thị Minh đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Vinh, tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện Chu Văn Hào 7 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX, các đặc điểm chính của WiMAX cố định, WiMAX di động, Các chuẩn của Wimax, các băng tần của Wimax ở Việt Nam và trên thế giới. Chương 2: Đi sâu nghiên cứu các đặc tả về lớp vật lý và lớp MAC của các chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16 – 2004) và WiMAX di động (IEEE 802.16e – 2005). Chương 3: So sánh công nghệ Wimax với một số công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng khác và giải pháp của các nhà sản xuất như Intel, SR- Telecom, Alvarion, Motorola, Fujitsu. Chương 4: Nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu triển khai ứng dụng WiMAX để cung cấp dịch vụ Internet và thoại VoIP cho những người dân nông thôn, những vùng đặc thù khó khăn về địa lý điển hình của Việt Nam. Nghiên cứu đề cập một cách toàn diện trên các mặt: kỹ thuật công nghệ, kinh tế xã hội cũng như giáo dục khi triển khai. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang LỜI NÓI ĐẦU .6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN .8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG .14 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 14 PHẦN MỞ ĐẦU 17 Chương 1 19 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX .19 1.1. Giới thiệu chương 20 1.2. Khái niệm 20 1.3. Sự đi lên từ WiFi đến WiMAX 20 1.4. Đặc điểm .22 1.5. Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX 26 1.5.1. Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 26 1.5.2. Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX 28 1.6. Các chuẩn của Wimax .29 1.6.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 29 1.6.2. Chuẩn IEEE 802.16a .29 1.6.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 30 1.6.4. Chuẩn IEEE 802.16e .30 Đơn sóng mang 31 Đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDM 31 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 9 QPSK, 16QAM, 64QAM .31 32- 134.4 Mbps 31 1- 75 Mbps .31 1- 75 Mbps .31 Khối TDM/TDMA .31 Khối TDM/TDMA/OFDMA 31 Khối TDM/TDMA/OFDMA 31 TDD và FDD 31 TDD và FDD 31 TDD và FDD 31 20, 25, 28 .31 1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 31 1.75, 3.5, 7, 14, 1.25, 5, 10, 15, 8.75 31 WirelessMAN- SC .31 WirelessMAN- SCa, WirelessMAN- OFDM, WirelessMAN- OFDMA 31 WirelessMAN- SCa, WirelessMAN- OFDM, WirelessMAN- OFDMA 31 Không 32 256- OFDM như là WiMAX cố định .32 S- OFDMA như là WiMAX di động 32 1.7. Các băng tần của Wimax .32 1.7.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 32 1.7.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX .33 1.8. Truyền sóng .34 Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX .35 1.8.1. Công nghệ OFDM 36 Hình 1.3. Cấu trúc của một ký hiệu OFDM[10] .38 Hình 1.4. Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường .39 1.8.2. Công nghệ OFDMA 40 Hình 1.5. Các kênh con trong OFDMA 40 1.8.3. Điều chế thích nghi .40 Hình 1.6. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 41 1.8.4. Công nghệ sửa lỗi .41 1.8.5. Điều khiển công suất 41 1.8.6. Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 42 Hình 1.7. MISO 42 Hình 1.8. MIMO .43 Hình 1.9. Beam Shaping .44 1.9. Các ứng dụng .44 1.9.1. Các mô hình ứng dụng 44 1.9.2. Mô hình hệ thống WiMAX .45 10