2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động
Hệ thống WiMax dựa trên chuẩn giao diện IEEE 802.16, tiêu chuẩn này đã phát triển vài năm. Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE không đảm bảo rằng thiết bị từ một nhà cung cấp này sẽ tương thích với thiết bị của nhà cung cấp khác. Trong diễn đàn
52
WiMax Forum, một tổ chức thương mại phi lợi nhuận bao gồm hơn 350 công ty thành viên đã tiếp tục những gì mà IEEE để lại.
2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động
Diễn đàn WiMax nhận biết một số ứng dụng cho các hệ thống dựa trên chuẩn 802.16e. Những ứng dụng này có thể bị hỏng bởi năm lớp chính. Những lớp ứng dụng này được tổng kết trong bảng dưới đây cùng với thông số về góc trễ và jitter đểđảm bảo chất lượng kinh nghiệm user.
Nhóm Ứng dụng Nguyên tắc thông dải Nguyên tắc góc trễ Nguyên tắc nhiễu 1 Trò chơi tương tác đa người chơi Thấp 50 Kbps Thấp <25ms N/A 2 Hội nghị hình ảnh và Voip Thấp 32-64 Kbps Thấp <160ms Thấp <50ms 3 Xếp loại phương tiện Thấp và cao 5 Kbps đến 2Mbps N/A Thấp <100ms 4 Thông báo nhãn và trình duyệt Web Trung bình 10 Kbps đến 2Mbps N/A N/A 5 Tải nội dung
phương tiện Cao >2Mbps N/A N/A Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax
2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động
Để thu được lợi nhuận tốt nhất từ hệ thống WiMax, các ấn định phổ với lượng lớn là đáng quan tâm nhất. Điều này cho phép các hệ thống được triển khai theo kiểu TDD với dải thông kênh lớn, sử dụng lại tần số linh hoạt và sự kém hiệu quả của phổ tần nhỏ chấp nhận cùng tồn tại với vận hành viền bên cạnh. Phạm vi hoạt động khác của diễn đàn WiMax là đang cộng tác với các tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu để phân cấp phổ của dải tần số thấp (<6 GHz) là trung lập vềứng dụng và công nghệ. Hơn nữa, sự thúc đẩy chính để tạo sự hòa hợp tốt hơn cho phân cấp phổ như tối thiểu số lượng thiết bị cần thay đổi khi bao phủ hệ thống toàn cầu.
Hiệu suất hệ thống sẽ được phát triển bởi diễn đàn WiMax đối với chuẩn giao diện vô tuyến 802.16e-2005 được mong đợi cấp phép trong dải tần 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz và 3,5 GHz. Băng tần 2.3 GHz phân cho vùng phía Nam Hàn Quốc cho
53
dịch vụ WiBro dựa trên công nghệ di động WiMax. Với 27 MHz của phổ dành cho mỗi nhà vận hành, dài tần này được hỗ trợ triển khai TDD với 3 kênh trên một trạm gốc và một dải thông kênh nhỏ là 8,75 MHz. Dịch vụ WiBro sẽ ra mắt trong năm 2006 với các sản phẩm theo chuẩn WiMax. Băng thông từ 2,5 đến 2,7 GHz sẵn sàng cho dịch vụ cố định không dây và di động của nước Mỹ. Dải thông này hiện đang sử dụng không đúng mực và tiềm năng sẵn có trong nhiều quốc gia từ Bắc Mỹ đến châu Âu cũng như một số quốc gia vùng châu Á Thái Bình Dương. Dải thông 3,3 đến 3,5 GHz cũng sử dụng cho các dịch vụ cố định không dây tại nhiều nước trên thế giới và cũng phù hợp với giải pháp của WiMax cho cả dịch vụ di động và cốđịnh.
2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax
Phòng thí nghiệm hệ thống WiMax được thành lập là Cetecom Labs tại Malaga, Tây Ban Nha tháng 7 năm 2005 và các sản phẩm theo chuẩn WiMax đối với các dịch vụ cốđịnh là sẵn có và đang được triển khai trên băng tần cấp phép 3,5GHz và băng tần 5,8 GHz. Phòng thí nghiệm thứ 2 là TTA được thành lập ở Hàn Quốc. Cả hai phòng thí nghiệm này sẽ sẵn sàng hoạt động cho chứng chỉ WiMax di động phát hành 1 (release 1) vào quý 3 năm 2006 do vậy vào cuối năm 2006 sẽ cho phép triển khai các sản phẩm WiMax di động đã được chứng nhận. Diễn đàn xem xét hiệu suất di động WiMax một cách đều đặn dựa trên cơ hội của thị trường. Điều này sẽ dùng cho các dải băng tần khác, băng tần kênh và có thể bao gồm sự thay đổi FDD song công hoặc bán song công tuân theo sự cần thiết của vùng trong thị trường được lựa chọn.
54
Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax.
Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax
Các thuộc tính và khả năng thực thi của WiMax di động làm nó trở thành một giải pháp thuyết phục với khả năng thực thi cao và dịch vụ không dây băng rộng chi phí thấp. Thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng linh động, WiMax di động đang trên đường hội nhập vào thị trường toàn cầu. Công nghệ này dựa trên giao diện tiêu chuẩn mở được phát triến bởi gần 400 công ty làm nền tảng cho sự chấp nhận của thế giới và yêu cầu của thị trường rộng lớn.
55
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16
3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế
Cách nhìn tổng quan về hệ thống được thiết kế:
Khi thiết kế một hệ thống cần phải tính đến rất nhiều các yếu tố, một hệ thống được triển khai có rất nhiều vấn đề tưởng như riêng rẽđộc lập nhưng lại có sự liên quan với nhau. Đơn cử nhưđể lựa chọn vị trí đặt thiết bị phát sóng sẽ liên quan đến các yếu tố: chi phí, tầm phủ sóng, công suất cần thiết của hệ thống, tầm phủ sóng và lưu lượng chịu ảnh hưởng của việc lựa chọn thiết bị phát sóng và tần số hoạt động. Do đó một phần nào ta có thể hình dung được mức độ phức tạp khi thiết kế một hệ thống lớn.
Đểđơn giản hóa những vấn đề trên, ở phần này em xin trình bày từng vấn đề riêng biệt với những giải pháp riêng.
3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực
Vấn đềđầu tiên khi xây dựng một hệ thống là ta cần biết hệ thống được triển khai ở đâu, phủ sóng cho khu vực nào và công suất cần thiết là bao nhiêu. Càng nhiều thông sốđược xác định chính xác càng tốt. Các bản thiết kế, sơ đồ hoặc tài liệu liên quan đến cấu trúc hiện tại của tòa nhà,v.v... sẽ có hữu ích trong việc ước lượng lưu lượng vùng phủ sóng...
Trong một vùng phủ sóng có rất nhiều trạm phát sóng được đặt ở những vị trí khác nhau, ta phải lựa chọn vị trí nào tập trung các trạm phát sóng để đạt được kết quả tốt nhất theo một quan điểm thiết kế RF
Do đó người thiết kế phải tìm hiểu các đặc tính hoạt động của thiết bị.
Để lập một sơ đồ thiết kế cho một hệ thống, người thiết kế cần phải tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi sau:
+ Độ dự trữ suy hao cần thiết cho hệ thống là bao nhiêu? + Mức độ suy hao hệ thống cần khắc phục được là bao nhiêu?
+ Thiết bị của người sử dụng được gắn ở bên ngoài có anten có độ tăng ích cao hay không?
56
Bởi vì khi truyền sóng vô tuyến xảy ra hiệu ứng đa đường, tín hiệu bị phản xạ và tán xạ hay còn gọi là hiện tượng pha-đinh.Thông thường độ dự trữ pha-đinh cho hệ thống từ 8 đến 10 dB. Nếu tại phía thu, thiết bị được đặt trong tòa nhà (indoor) thì bản thân tòa nhà đó là nguyên nhân gây suy hao.
Một số giá trị suy hao tương ứng :
5 đến 7 dB nếu vật liệu là gỗ; cho tới trên 25 dB nếu như tòa nhà đó được thiết kế gồm các vật liệu là kim loại và kính.
Nếu thiết bị của người sử dụng có anten có độ tăng ích và độđịnh hướng tốt, nó có thể khắc phục một phần suy hao đường truyền và làm tăng độ nhạy cho thiết bị thu. Khi một vị trí được xác định, mô hình truyền sóng sẽ được lựa chọn dựa trên các tiêu chí về kinh độ, vĩ độ, độ cao. Điều này sẽ giúp người thiết kế một giải pháp để ước lượng trước phạm vi phủ sóng tại mỗi vị trí và nhanh chóng xác định phương án phù hợp. [4]
57
Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site Xác định một khu vực site phủ sóng Site được lựa chọn Chi phí có chấp nhận Site có thể chia thành khu vực Không gian có phù hợp với thiêt bị và anten Site này có thỏa mãn phủ sóng Khả năng kết nối có khả thi Có thể kết nối sóng vô tuyến Site này hoạt động được
58
3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị
Ở trong một hệ thống, thiết bị được lựa chọn phải thích hợp với những thiết bị mà người sử dụng đã có.Tiêu chuẩn để lựa chọn thiết bị là sự cân bằng giữa công nghệ phổ biến đang sử dụng có ở mọi nơi, giá thành thấp và công nghệ giải pháp trong tương lai, đồng thời cũng có khả năng thương mại hóa.
59
Xác định các yêu cầu về vị trí đặt thiết bị cho hệ thống:
Sau khi xác định được thiết bị phù hợp cho hệ thống, vấn đề cần giải quyết tiếp theo là triển khai các site ở đâu và như thế nào để đạt được phạm vi phủ sóng và công suất mong muốn của hệ thống.
Một vị trí được lựa chọn phải đạt được những yêu cầu:
- Cung cấp phạm vi phủ sóng RF tối ưu: phủ sóng cho tất cả các vị trí trong khu vực, dễ lắp đặt và dễ bảo mật…
Trên thực tế khi xây dựng một hệ thống, việc xác định một vị trí thuận tiện trong phạm vi năng lượng và kết nối với mạng có thể còn quan trọng hơn việc xác định vị trí để có RF tối ưu.
Xét diện tích khu vực cần được phủ sóng, mật độ thuê bao sử dụng, đối tượng đầu tiên trong thiết kế một hệ thống là tính toán băng thông yêu cầu của người sử dụng. Chỉ cần tính được mức độ sử dụng thông thường của một thuê bao từ đó có thể xác định được mức độ sử dụng của tổng các thuê bao trên một trạm gốc bằng công thức tính toán đơn giản:
: Băng thông
Ví dụ: chuẩn 802.11b có It = 11Mbps
: băng thông trung bình theo mức độ sử dụng của thuê bao
Đây không phải là giá trị cao nhất theo yêu cầu của thuê bao nhưng là giá trị trung bình của những người sử dụng dịch vụ.
Để xác định thông số này còn phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí các thuê bao đến trạm phát sóng, mật độ thuê bao, số lượng thuê bao.
- Sau đó ta lập kế hoạch lắp đặt các thiết bị theo yêu cầu triển khai
Sử dụng các bản vẽ, bản thiết kế, các dữ liệu liên quan kết hợp lại với một cách nhìn tổng quát về site vật lý để xác định những vị trí có thể lắp đặt để đạt tối ưu các yêu cầu nêu trên. Tùy theo vị trí lắp đặt thiết bị mà vùng được phủ sóng và khả năng thu được tín hiệu, kết nối, lựa chọn.
60
Số lượng kênh có giá trị trong một hệ thống có thể dự tính được dựa vào các yếu tố:
+ Dải tần được cấp phát
+ Dải tần của thiết bị ta lựa chọn
+ Yếu tố liên quan đến người sử dụng và nhiễu trong băng tần sử dụng
Khi lập một bản khảo sát về site, một trong những yếu tố còn lưu ý là mức nhiễu thấp nhất, lựa chọn kênh truyền với mức nhiễu thấp nhất, sử dụng độ mở của anten, góc nghiêng, chia nhỏ khoảng cách trong một site để đảm bảo sự tách biệt về mặt tín hiệu giữa các kênh kết hợp.
- Góc hướng xuống của anten: Bởi vì hệ thống của WISP (wireless internet service provider) được đặt ở bên ngoài và thậm chí là có thể được đặt nâng cao, góc nghiêng xuống trở thành một thông số quan trọng để tối ưu vùng phủ sóng và hạn chế tối thiểu nhiễu.
Có thể nói như sau:
Anten ta sử dụng phân cực thẳng đứng, tập trung năng lượng trực giao với sự định hướng của anten.
Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax
Góc hướng xuống chính xác được xác định từ hai thành phần: cơ và điện Phần cơ của góc hướng xuống có tác dụng đểđịnh hướng anten
61
Phần điện của góc hướng xuống thu được sau khi thiết kế anten, có thể sử dụng cho nhiều hướng hoặc anten omni định hướng.
Giá trị góc hướng xuống của anten được tính theo công thức = arctg H: chiều cao hiệu dụng
D: khoảng cách từđỉnh của trạm phát tới khu vực cần phủ sóng
Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax
3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống
Năm chữ C này là chữ viết tắt của 5 yếu tố sẽ giúp ta đưa ra quyết định đối với công nghệđược lựa chọn và triển khai:
+ Cost – chi phí
+ Coverage – Vùng phủ sóng + Capacity – Dung lượng + Complexity – Độ phức tạp + C/I - tỷ số tín hiệu/can nhiễu
Chi phí bao gồm chi phí ban đầu và chi phí sau khi triển khai thiết bị
Vùng phủ sóng có thể là cả khu vực được phủ sóng hoặc khu vực được phủ sóng trong khả năng của một trạm gốc
Dung lượng: có thể là công suất cần thiết hoặc công suất của riêng một kênh truyền trong một trạm gốc
62
Tỷ số C/I: mức độ nhiễu mà hệ thống có thể khắc phục được
Nhiễu này xác định từ hai nguồn: xuất phát từ bên trong thông qua kênh được sử dụng lại trong hệ thống hoặc có thể xuất phát từ các hệ thống khác mà ta không kiểm soát được. [6]
Các thành phần này có mối quan hệ mật thiết với nhau và ảnh hưởng lẫn nhau
3.2 Cấu trúc của hệ thống
3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống Mẫu anten Mẫu anten
Anten được sử dụng bởi các cell và MS là các phần tử quan trọng của hệ thống thông tin. Hệ thống anten dùng cho mạng thông tin di động có thểđược chia thành 2 nhóm chính tuỳ thuộc vào mẫu bức xạ của chúng:
-Anten đẳng hướng (omnidirectional antenna): Trong mặt phẳng ngang, trường bức xạ sóng điện từ của anten ra mọi hướng là như nhau. Kiểu anten này được dùng cho các cell với một anten đặt ở chính giữa cell, những cell như vậy được gọi là omnidirectional.
-Anten định hướng (sector antenna): Trong mặt phẳng ngang, trường bức xạ sóng điện từ theo một hướng chính với độ rộng chùm tia ở mức 1/2 công suất vào khoảng 600, kiểu anten này thường được sử dụng trong các trạm được sector hóa. Công suất phát thường được tập trung vào một hướng do đó nó được dùng phổ biến do 2 lý do mở rộng vùng phủ sóng và sử dụng lại tần số
- Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bịđầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu này sẽđược điều chế vào các ký hiệu (tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số liệu lúc này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu. Hình 3.5 mô tả cấu trúc của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Hệ thống MIMO có hiệu suất sử dụng phổ tần cao bởi hệ thống có thể làm việc được trong môi trường phân tán. Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu. Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi
63
anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian. Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần sốđược phát đồng