Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax

1 Lời nói đầu Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi mới. Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án. Ngày 19 tháng 05 năm 2007 Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa 2 Tóm tắt đồ án WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó: - Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax. - Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày những đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax. - Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng và lựa chọn phát triển hệ thống WiMax. 3 Mục lục Lời nói đầu . 1 Tóm tắt đồ án . 2 Mục lục . 3 Danh sách các hình vẽ . 6 Danh sách bảng biểu . 8 Danh sách các từ viết tắt . 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO 10 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) 10 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) 10 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) 11 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 12 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 17 2.1 Khái niệm chung 17 2.2 Lớp vật lý (PHY) . 18 2.2.1 Cở sở OFDMA 18 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá . 22 2.2.3 S-OFDMA 24 2.2.4 Cấu trúc khung TDD . 25 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác 27 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) 29 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) 29 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) . 32 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng . 32 2.4.1 Quản lý di động . 32 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng . 32 2.5 Bảo mật trong WiMax . 34 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động 34 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh . 34 2.6.2 Sử dụng lại tần số 37 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax 38 4 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax 38 2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động . 43 2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax . 43 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng 48 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) 48 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax . 51 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động 51 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động 52 2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax . 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực . 55 3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị . 58 3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống 61 3.2 Cấu trúc của hệ thống 62 3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống . 62 3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận . 65 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu 68 3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung . 72 3.2.5 Các thông số đầu ra . 74 3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng 75 3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP . 75 3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP . 77 3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) . 78 3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống 78 3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell 79 3.4.1 Tái sử dụng tần số . 79 3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống 79 3.5 Các thông số cho hệ thống . 81 3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức . 81 3.5.2 Thông số cho BS và MS . 84 5 3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo . 85 3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức . 86 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax . 94 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô . 100 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố 104 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền 106 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức . 108 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX 113 4.1 Tính toán đường truyền . 113 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site . 116 Kết luận 124 Tài liệu tham khảo 125 6 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax 14 Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 23 Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con . 23 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC 24 Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA 26 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động 30 Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác 31 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh . 37 Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ 38 Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu . 46 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax 49 Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP 50 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. 54 Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax 54 Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site . 57 Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn . 58 Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax 60 Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax 61 Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến . 63 Hình 3.6: Các loại góc anten 63 Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten . 65 Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 67 Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. 69 Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi 76 Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP . 77 Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực 78 Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM . 79 Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector . 84 Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS 85 Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS . 86 Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS . 88 Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM 89 Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 90 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau . 91 Hình 3.21: Bán kính cell 92 Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao . 93 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata . 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau . 100 7 Hình 3.30: Tôpô Mesh . 110 Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm 110 Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax . 113 Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi 122 8 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA . 25 Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ . 27 Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động 28 Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS . 31 Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp 35 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 36 Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động . 39 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA . 40 Bảng 2.9: Phương thức truyền bá 40 Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động . 41 Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động . 43 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất 44 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất 44 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động . 46 Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax 46 Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax 52 Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường . 69 Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền 71 Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng . 74 Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP 76 Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP . 77 Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV . 78 Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng . 80 Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau 80 Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] 83 Bảng 3.10: Các thông số tham khảo cho trạm gốc và thuê bao . 85 Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami 98 Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới . 105 Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng . 111 Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM . 111 Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 112 Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII . 112 Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz 115 Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu . 116 9 Danh sách các từ viết tắt Số thứ tự Từ viết tắt Ý nghĩa 1 WiMax Hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu 2 OFDM Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao 3 MIMO Hệ thống anten thông minh (đa đầu vào, đa đầu ra) 4 WISP Nhà cung cấp dịch vụ internet không dây 5 NRTV Dịch vụ video gần tương ứng thời gian thực 6 UE/MS/CPE Thiết bị của người sử dụng 7 SNR Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 8 AS Góc phương vị 9 AoA Góc tới 10 AoD Góc lệch 11 802.16a Chuẩn WiMax cố định 12 802.16e Chuẩn WiMax di động 10 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số lượng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng các dịch vụ dữ liệu. Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ. 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên. b. Các hệ thống mạng 1G Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống sau: • AMPS (Advaced Mobile Phone System) • ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) - Châu Âu • NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Bắc Âu 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch mạch là chủ yếu. Phương pháp đa truy cập TDMA và CDMA được sử dụng [...]... (Mobile WiMax) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Giao diện WiMax di động sử dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong các môi trường không theo tầm nhìn thẳng OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ sung IEEE 806.16e để hỗ trợ băng. .. đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa công nghệ theo tiêu chuẩn 802.16 Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận của WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng. .. còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km • Hai mô hình ứng dụng WiMax Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: - Mô hình ứng dụng cố định - Mô hình ứng dụng di động Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMax) Mô hình cố định sử dụng. .. xuống – DL và hướng lên – UL Có hai kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập và lân cận Hoán vị phân tập kéo theo các sóng mang con ngẫu nhiên tạo thành các kênh con Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào Các hoán vị phân tập gồm đường xuống FUSC sóng mang con sử dụng hoàn toàn, đường xuống PUSC sóng mang con sử dụng một phần và đường lên PUSC và các hoán... OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như Hình 2.1: - Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu - Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ - Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC 22 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các sóng mang con... BS Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMax BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation) Các trạm WiMax BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax Mô hình ứng dụng WiMax di... tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2 Mb/s Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn Với thực tế như vậy, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng... thế cho ADSL và WiFi Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15 Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ... khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích Và ở chương sau sẽ trình bày kĩ hơn về tổng quan kĩ thuật của hệ thống WiMax 16 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 2.1 Khái niệm chung WiMax. .. truyền thông băng rộng thế hệ mới WiMax di động hỗ trợ một dải rộng các 34 công nghệ anten thông minh để nâng cao hiệu suất hệ thống Các công nghệ anten thông minh được hỗ trợ gồm: - Tạo chùm (beamforming): Nhờ khả năng tạo chùm, hệ thống sử dụng nhiều anten để truyền các tín hiệu quan trọng để nâng cao dung lượng và khả năng phủ sóng của hệ thống cũng như giảm khả năng mất dịch vụ - Mã không gian - . chung WiMax di động (Mobile WiMax) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng. hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các