Thiết lập mạng wimax

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Thiết lập mạng wimax

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAMHỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỶ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI THIỆN MINH

HÀ NỘI, 2010

Luận văn được hoàn thành tại:

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thôngTập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt NamNgười hướng dẫn khoa học:

TS Bùi Thiện Minh

1.2 Những cơ sở quan trọng của công nghệ WiMAX

Cơ sở quan trọng của công nghệ WiMAX là sự tương thích của thiết bị WiMAX, được Diễn đàn WiMAX chứng nhận, tạo sự tin cậy và làm tăng số lượng lớn cho nhà cung cấp dịch vụ khi mua thiết bị không chỉ từ 1 công ty và tất cả đều tương thích với nhau Các cơ sở quan trọng khác là chi phí, độ bao phủ, công suất và chuẩn cho cả truy cập vô tuyến cố định và di động.

1.3 Diễn đàn WiMAX

Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị và cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA.

1.4 Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho truy nhập băng rộng cung cấp công nghệ truy nhập "km cuối cùng" cho các điểm nóng với dịch vụ số liệu, video, và thoại tốc độ cao.

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16, 16a, 16e

OFDM 256 sóng mang, BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

OFDMA khả định cỡ, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64QAM

Tính di động Cố định Cố định Di rời, xách tay, di động

Băng thông kênh 20, 25, 28MHz

Khả định cỡ từ 1,75 đến 20 MHz

Khả định cỡ: 1,25; 5; 10; 20 MHzBán kính ô điển

1.5 WiMAX di động

WiMAX di động được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.16e là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ mạng di động và cố định thông qua một công nghệ vô tuyến băng rộng Giao diện vô tuyến của WiMAX di động tiếp nhận đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu năng cho môi

trường truyền dẫn không trực xạ S- OFDMA được đưa vào 802.16e để hỗ trợ băng thông khả định cỡ từ 1,25 đến 20 MHz

1.6 Lộ trình phát triển sản phẩm WiMAX

Năm 2006 cả hai phòng thí nghiệm tại Tây Ban Nha và Hàn Quốc cấp chứng nhận theo chuẩn của phát hành 1 WiMAX di động, nhằm triển khai sản phẩm có chứng nhận WiMAX di động vào cuối năm 2006

Năm 2007, toàn cầu có khoảng 50 mạng di động sử dụng công nghệ Mobile WiMAX theo tiêu chuẩn 802.16e, nhưng tất cả vẫn trong trạng thái thử nghiệm ITU đã chấp nhận công nghệ WiMAX di động là chuẩn toàn cầu từ tháng 10/2007 và gọi đây là "công nghệ không dây thế hệ mới"

Năm 2010 các nhà cung cấp dịch vụ dự kiến xây dựng và thử nghiệm phiên bản 2 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16m Hiện nay internet băng rộng vô tuyến phát triển dựa trên công nghệ WiMAX đã đạt đến con số 519 mạng trong 146 quốc gia

1.7 Kết luận

Chương này đề tài xét quá trình hình thành các chuẩn khác nhau trong họ chuẩn 802.16 như: 802.16, 802.16a, 802.16-2004 và 802.16e Trong đó 802.16e dành cho di động băng rộng Ngoài ra, cũng xét sự hình thành của WiMAX Forum, vai trò của nó trong việc tương hợp toàn cầu các thiết bị dựa trên chuẩn mở của IEEE 802.16 và lộ trình phát triển sản phẩm WiMAX

CHƯƠNG 2

CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG VÀ GIẢI PHÁPCÔNG NGHỆ

2.1 Mô hình truyền sóng

2.1.1 Truyền sóng LOS và NLOS

Thông thường, kênh vô tuyến của một hệ thống truyền thông không dây được mô tả hoặc ở kiểu tầm nhìn thẳng (LOS) hoặc không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) Trong một đường truyền LOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không có chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật.Trên một đường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao đường truyền và quỹ đường truyền vô tuyến

Công nghệ NLOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt được ở nhiều điều kiện địa hình phức tạp Chính công nghệ NLOS và các đặc tính cao cấp trong WiMAX làm nó có thể sử dụng thiết bị tại nhà của khách hàng

2.1.2 Các mô hình truyền sóng thường dùng trong WiMAX

Một số mô hình truyền sóng được IEEE 802.16 khuyến nghị sử dụng trong WiMAX là : mô hình SUI, mô hình COST 231 Hata

biến đổi, mô hình ECC33, mô hình Hata-Okumura và mô hình Cost231- Walfisch-Ikegami

2.1.2.2 Mô hình Cost123- Walfisch-Ikegami

Mô hình này cho phép ước lượng tổn hao đường truyền chặt chẽ hơn thông qua việc xem xét nhiều dữ liệu đặc tả môi trường đô

thị bao gồm: Độ cao các tòa nhà hr, độ rộng của các con đường w, khoảng cách giữa các tòa nhà b, hướng đường phố so với hướng truyền trực tiếp φ Công thức tổn hao đường truyền khác với tổn

hao trong không gian tự do sẽ được áp dụng:

LP (dB) = 42,6 + 26.log10(R) + 20.log10(f) với R ≥ 20m (2.4) (2.5)Tổn hao không gian tự do được cho bởi:

L0 (dB) = 32,4 + 20.log10(R) + 20.log10(f) với R ≥ 20m (2.6)Lrts (dB) = -16,9 - 10.log10(f) + 20.log10(

) + L0ri (2.7)Lp = L0 + Lrts + Lmsd

Với Lrts + Lmsd > 0Với Lrts + Lmsd ≤ 0

Lmsd (dB) = Lbsh + ka + kd.log10(R) + kf .log10(f) – 9.log10(

) (2.9)

(2.10)

(2.12)

(2.13)

2.1.2.3 Mô hình SUI

Mô hình SUI chính là mô hình mở rộng của nhóm Wireless AT&T và Erceg Nó sử dụng cho ba loại địa hình cơ bản: Loại A, L0ri =

-10 + 0,354

4,0 –0,1142,5 + 0,075

f = 4 +

0,7 Với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bìnhVới trung tâm thành phố

Lbsh =

-18.log10(1+ )

Với hb > hr

B và C Các mô hình kênh SUI đã được lựa chọn để thiết kế, xây dựng và kiểm thử cho công nghệ WiMAX với 6 kịch bản khác nhau (từ SUI-1 đến SUI-6) Công thức cơ bản tính tổn hao đường truyền cho mô hình là:

γ = − + ; 6 log2000

2.1.2.4 Mô hình Cost231-Hata

Cost231 đã mở rộng mô hình của Hata cho dải 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz bằng cách phân tích các đường cong truyền sóng của Okumura ở dải tần cao hơn Công thức tính tổn hao đường truyền cho mô hình này là:

LP = 46.3 + 33.9 logfC – 13.82 loghb – a(hm) +(44,9– 6,55loghb)logd + Cm (2.15)

a(hm) = (1.1 logfc – 0.7)hm – (1.56 logfc – 0.8) (2.16)

2.1.2.5 Mô hình ECC33

Mô hình ECC33 khác với mô hình Hata Okumura, trong đó suy luận của các phép đo Okumura và giả định thay đổi cho các hệ

thống băng rộng được tính đến Mô hình tổn hao đường truyền được định nghĩa như sau:

  (2.20) Gr =[42.57 13.7 log( ) log( ) 0.585+ f ][ hr − ] (2.21)

2.2 Các giải pháp công nghệ NLOS2.2.1 Công nghệ OFDM

Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM đem lại cho các nhà khai thác hiệu quả đáng kể khả năng khắc phục khó khăn khi truyền sóng trong điều kiện NLOS Dạng sóng OFDM trong WiMAX có ưu điểm là hoạt động được trong môi trường NLOS với trễ lan truyền lớn Nhờ ưu điểm của thời biểu trưng OFDM và sử dụng một tiền tố vòng, dạng sóng OFDM đã loại bỏ được các vấn đề nhiễu liên biểu trưng (ISI) và sự phức tạp của sự cân bằng thích nghi Bởi vì dạng sóng OFDM bao gồm nhiều sóng mang trực giao băng hẹp, fading lựa chọn được định vị cho một tập con các sóng mang tương đối dễ cân bằng Khả năng khắc phục trễ, đa đường và ISI một cách có hiệu quả cho phép tăng tốc độ dữ liệu

2.2.2 Kênh con hóa

Kênh con hoá cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ lợi của hệ thống là tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống Kênh con hoá tập trung công suất phát vào một vài sóng mang OFDM, điều này làm tăng độ lợi hệ thống và

mở rộng hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà hoặc giảm công suất tiêu thụ của CPE

2.2.3 Anten trong các ứng dụng không dây cố định

Các anten định hướng tăng độ dự trữ bằng cách thêm vào độ lợi Các hệ thống anten thích ứng (AAS) là một phần tuỳ chọn trong chuẩn 802.16 Chúng cũng có đặc tính khử nhiễu đồng kênh từ các trạm khác Các hệ thống AAS được coi là sự phát triển trong tương lai và thậm chí có thể cải tiến đế tái sử dụng lại phổ và dung lượng của mạng WiMAX.

2.2.4 Phân tập thu phát

Nguyên lý phân tập được sử dụng để thu những tín hiệu đa đường và phản xạ xuất hiện trong trường hợp truyền NLOS Phân tập là một đặc điểm tuỳ chọn trong WiMAX Thuật toán phân tập được cung cấp bởi WiMAX trên cả phía phát và phía thu làm tăng độ khả dụng của hệ thống

2.2.5 Điều chế thích nghi

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR- Signal to Noise Ratio) của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền

2.2.6 Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi

Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi đã được kết hợp vào WiMAX để giảm yêu cầu tỉ lệ SNR của hệ thống Thuật toán yêu cầu tự động gửi lại – ARQ được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi mà không

sửa được bằng thuật toán FEC Thuật toán này đã cải tiến đáng kể hiệu suất BER đối với cùng một mức ngưỡng

2.2.7 Điều khiển công suất

Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước.

2.3 Kết luận

Công nghệ WiMAX có thể cung cấp khả năng che phủ trong cả điều kiện tầm nhìn thằng và không theo tầm nhìn thẳng Trong đó NLOS có nhiều ưu điểm triển khai cho phép nhà khai thác cung cấp dữ liệu băng rộng đến nhiều đối tượng khách hàng.

Chương 3

THIẾT LẬP MẠNG WIMAX3.1 Định cỡ cell WiMAX

3.1.1 Giới thiệu

Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu trên OFDM dựa trên IEEE 802.16 Đề tài phân tích hệ thống và trích xuất các tính năng có ảnh hưởng đến quy hoạch cell Các phương pháp định cỡ là ước lượng việc triển khai trong các tinh huống điển hình

3.1.2 Clustering và Sectorazation

Để tránh nhiễu trong các mạng di động, các tế bào được kết hợp vào các cụm, trong đó tần số các kênh được ấn định riêng cho các tế bào.Và mối quan hệ với tỉ số tín hiệu trên nhiễu như sau:

  (3.1)Tương tự như phương trình trước, dự kiến CIR đường lên trong một sector và cụm tế bào được cho bởi phương trình:

3.1.3 Nhiễu khoảng cách tế bào

Trong quá trình truyền lên UL, SS của các tế bào đồng kênh tạo ra nhiễu Những SS này được phân bổ ngẫu nhiên trong vùng tế bào, có lúc chúng có thể gần hơn hoặc xa hơn tế bào lân cận. Quan hệ giữa vùng tế bào và mô hình tổn hao đường truyền được thể hiện như phương trình (3.3), tọa độ x0,y0 phụ thuộc vào bán kính tế bào và cụm thực hiện (cluster).

(3.5).Do đó, kết quả của yếu tố (1+intcor) hiệu chỉnh giả định sai của nguồn trung tâm nhiễu.

Hình 3.1: DL CINR trên diện tích bề mặt tế bào (bán kính tế bào 1000m, cluster 7, 1 sector )

3.2 Lập quy hoạch mạng WiMAX3.2.1 Đặt vấn đề

Mục tiêu của việc định cỡ và quy hoạch mạng là ước tính số lượng site cần thiết để cung cấp đủ vùng phủ sóng và dung lượng

cho vùng cần cung cấp dịch vụ và thuê bao được dự báo Trong phần này mô tả một nguyên tắc phù hợp cho việc định cỡ và quy hoạch mạng WiMAX trên cơ sở sử dụng OFDM và OFDMA PHY của IEEE 802.16

Quá trình này được dựa trên nhiều giả định như sự phân bổ thuê bao, địa hình và vị trí site Các thông số đầu vào chính cần thiết cho việc định cỡ mạng là các tham số của thiết bị, đặc điểm thị trường, quy định về cấp phép và các mô hình truyền sóng

Hình 3.2 cho thấy biểu đồ của các hoạt động thực hiện trong thiết kế mạng và lập kế hoạch, bắt đầu từ thu thập dữ liệu thị trường, nhập vào yêu cầu thiết kế và đạt được các mô hình kinh doanh để lập kế hoạch cung cấp một site danh nghĩa bằng cách sử dụng một phần mềm mô phỏng mạng.

Quỹ đường truyền

Kết quả Test

Công cụ dự đoán truyền sóng

Định nghĩa lưới tế bào

Quy hoach tần số

Chọn lựa anten

Ước lượng phủ sóngVị trí tế bào riêng

Ước lượng C/I

Mô hình truyền sóng

Chấp nh

site này?

Danh sách site phát triển

Xây dựng

Hình 3.2: Quy trình quy hoạch cell

3.2.2 Thông số đầu vào

3.2.2.1 Tính năng thiết bị BS và SS

Thông số tính năng thiết bị bao gồm công suất phát của BS và SS, độ lợi ăng ten, độ suy hao phi đơ, độ cao BS và SS, cấu hình hỗ trợ OFDM/OFDMA và các đặc tính khác của thiết bị.

3.2.2.2 Dân số học

Dân số học đóng một vai trò then chốt trong việc xác định tính hiện thực của việc kinh doanh bất kì mạng viễn thông nào Theo truyền thông, các vùng dân số học được phân chia thành: thành phố, ngoại thành, nông thôn và vùng sâu vùng xa.

3.2.2.3 Thông số thị trường

Thông số đầu vào thị trường bao gồm các khu vực cung cấp dịch vụ, thiết bị thâm nhập thị trường trong một năm hoặc dự đoán trong vòng 5 đến 10 năm, dịch vụ cung cấp cho thuê bao, mục tiêu vùng phủ sóng cho các vùng khác nhau và tỉ lệ thuê bao

3.2.2.4 Phổ tần và mô hình truyền sóng

Tùy thuộc vào phổ tần phân bổ cho các khu vực quy hoạch, một mô hình truyền sóng thích hợp với phổ tần phân bổ Mô hình truyền sóng phổ biến cho Wimax theo đề nghị IEEE 802.16 là mô hình SUI, mô hình COST 231 Hata biến đổi và mô hình ECC33

3.2.3 Phân tích vùng phủ sóng

Phân tích vùng phủ sóng cơ bản vẫn là một bước quan trọng nhất trong việc thiết kế của bất kỳ một mạng lưới nào Sự lựa chọn của các mô hình truyền sóng và dự trữ fading cho xác suất vùng phủ sóng là những yếu tố quan trọng để loại trừ thiết kế cell bị nhiễu hoặc chất lượng kém ở trong mạng.

3.2.4 Phân tích dung lượng mạng

Phân tích dung lượng liên quan đến yêu cầu truy cập và lưu lượng có thể cho các yêu cầu dịch vụ khác nhau được xem như là một yếu tích cực, tỉ lệ kết nối và tỉ lệ TDD cho đường lên và đường xuống IEEE802.16 hỗ trợ điều chế thích nghi và phương thức mã hóa dẫn đến một cấu trúc vòng cho tính toán dung lượng Tính toán thông lượng cell dựa trên cơ sở của mỗi phương thức điều chế Bán kính cell ban đầu được xác định bởi vùng phủ sóng theo yêu cầu Nếu dung lượng có thể điều khiển bán kính cell thì số lượng cell yêu cầu cuối cùng cho mạng được tính toán

3.4 Thiết kế Cell WIMAX

Một trong những kỹ thuật quan trọng nhất và các vấn đề kinh doanh của bất kỳ công nghệ không dây là hiệu quả (chi phí và hiệu suất) cung cấp vùng phủ sóng và dung lượng, trong khi tránh xây dựng một số lượng lớn BS mới Thiết kế Cell được thực hiện với sự trợ giúp của một hệ thống quy hoạch mạng sử dụng công cụ kỹ thuật số tốc độ cao và bản đồ về dân số Bước đầu tiên trong việc thiết kế một hệ thống không dây là phát triển một qũy đường truyền Quỹ đường truyền xác định bán kính tối đa của các tế bào của mỗi BS cho một mức độ nhất định về độ tin cậy

Tổn hao đường truyền, tác động môi trường và địa hình là những yếu tố quan trọng khi lập kế hoạch cho một phạm vi phủ sóng tối ưu Các địa hình và môi trường xung quanh một vị trí Cell đóng một vai trò rất quan trọng trong việc xác định các vùng Cell Một vùng cell có thể giảm từ 7 km ở một khu vực chủ yếu là căn hộ với mật độ cây thưa đến 3 km tại một địa hình đồi núi với mật độ cây dày hơn Với mô hình thích ứng của Erceg, kích thước tế bào cho một số tần số sóng mang từ 450MHz đến 3.5GHz ước tính cho các hệ thống WiMAX bằng cách sử dụng tổn hao đường truyền