Đồ án tốt nghiệp: WIMAX và ứng dụng

Chia sẻ: Cung Ru | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ viễn thông đang phát triển không ngừng nhằm mục đích thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng lên về số lượng và chất lượng cũng như tính đa dạng về dịch vụ của người tiêu dùng. Các dịch vụ mà đa phần các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hướng đến đều đòi hỏi cơ sở hạ tầng mạng cho phép truy nhập băng thông rộng. Hiện nay có nhiều công nghệ đa truy nhập đã được triển khai như công nghệ xDSL...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: WIMAX và ứng dụng

WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Mục lục Mục lục.................................................................................................................. 1 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 5 Chương 1 Vô tuyến và bộ phận WiMAX trong vô tuyến............................... 7 1.1. Công nghệ vô tuyến........................................................................................ 7 1.1.1. Công nghệ vô tuyến..................................................................................... 7 1.1.2. Xu thế phát triển của công nghệ vô tuyến................................................... 7 1.1.3. Một số công nghệ vô tuyến hiện hành ...................................................... 11 1.1.3.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất.(1G). .................................. 11 1.1.3.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. (2G). .................................. 12 1.1.3.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. (3G). .................................. 14 1.1.3.5. Mạng lan không dây............................................................................... 15 1.1.3.6. Mạch vòng vô tuyến nội hạt................................................................... 16 1.2. Wimax trong hệ thống các công nghệ vô tuyến........................................... 17 1.2.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 17 1.2.2. Quá trình phát triển, xu thế chung và phân loại wimax ............................ 17 Chương 2 Công nghệ wimax ........................................................................... 20 2.1. Lịch sử, quá trình phát triển ......................................................................... 20 2.1.1. Lịch sử ....................................................................................................... 20 2.1.2. Quá trình phát triển ................................................................................... 21 2.2. Tầm nhìn chung............................................................................................ 24 2.2.1. Thành phần hệ thống ................................................................................. 24 2.2.2.Thành phần công nghệ ............................................................................... 25 2.3. Ưu điểm, nhược điểm................................................................................... 25 2.3.1. Ưu điểm..................................................................................................... 25 2.3.2. Hạn chế, nhược điểm wimax..................................................................... 28 Đỗ Tấn Trọng -1- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 2.4. Nguyên lý ..................................................................................................... 29 2.4.1. Sơ đồ nguyên lý......................................................................................... 29 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động................................................................................ 29 2.5. Công nghệ..................................................................................................... 31 2.5.1. Chuẩn IEEE802.16.................................................................................... 31 2.5.2. Đặc trưng lớp MAC của IEEE802.16 ....................................................... 32 2.5.2.1. Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng ........................................................... 32 2.5.2.2. Lớp con phần chung (MAC CPS) .......................................................... 33 2.5.3. Kỹ thuật OFDM ........................................................................................ 36 2.5.4. Mã hóa, tránh và sửa lỗi ............................................................................ 37 2.5.4.1. FEC (Forward Error Correction)............................................................ 37 2.5.4.2. Phương pháp kiểm tra sai dùng ARQ .................................................... 40 2.6. Kỹ thuật OFDM ........................................................................................... 43 2.6.1 Kỹ thuật OFDM nói chung. ....................................................................... 43 2.6.1.1. Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn ............................... 43 2.6.1.2. Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu..................................... 44 2.6.2. Kĩ thuật OFDMA cho mạng WIMAX ...................................................... 46 2.6.2.1. Nguyên lý cơ bản ................................................................................... 46 2.6.2.2. Những đặc tính vượt trội ........................................................................ 47 2.7. Wimax trong mối quan hệ với các công nghệ không dây đặc điểm tương tự wimax .................................................................................................................. 47 2.7.1. Wimax và WLAN ..................................................................................... 47 2.7.2. Wimax và Wifi .......................................................................................... 48 Chương 3 Wimax di dộng................................................................................ 49 3.1. Giới thiệu chung, sự ra đời và phát triển...................................................... 49 3.1.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 49 3.1.2. Tiềm năng.................................................................................................. 51 Đỗ Tấn Trọng -2- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 3.2. Công nghệ..................................................................................................... 51 3.2.1. Lớp vật lý .................................................................................................. 51 3.2.1.1. OFDM .................................................................................................... 51 3.2.1.2. Cấu trúc lớp ký hiệu OFDM và phân kênh con ..................................... 53 3.2.1.3. OFDM theo tỷ lệ .................................................................................... 55 3.2.1.4. Cấu trúc khung TDD .............................................................................. 56 3.2.1.5. Các đặc trưng ưu điểm của lớp vật lý .................................................... 57 3.2.1.6. So sánh OFDM và OFDMA .................................................................. 60 3.2.2. Chất lượng dịch vụ QoS............................................................................ 62 3.2.2.1. Chất lượng dịch vụ ................................................................................. 62 3.2.2.2. MAC....................................................................................................... 63 3.2.2.3. Quản lý ................................................................................................... 65 3.2.2.4. Bảo mật................................................................................................... 67 3.2.3. Ưu việt so với wimax cố định ................................................................... 68 3.2.3.1. Công nghệ anten thông minh ................................................................. 68 3.2.3.2. Dùng lại tần số phân đoạn...................................................................... 70 3.2.3.3. Dịch vụ đa hướng và quảng bá (MBS) .................................................. 72 3.2.4. Các vấn đề khác......................................................................................... 73 3.2.4.1. Nền IP..................................................................................................... 73 3.2.4.2. Hiệu suất wimax di động........................................................................ 77 3.2.4.3. Hiệu năng giữa wimax – evdo – hspa .................................................... 90 Chương 4. Ứng dụng................................................................................... 98 4.1. Sự ra đời, phát triển và ứng dụng trên phạm vi thế giới .............................. 98 4.1.1. Khó khăn ................................................................................................... 98 4.1.2. Tình hình trên thế giới nói chung............................................................ 100 4.1.3. Quy mô toàn cầu của wimax ................................................................... 107 4.2. Ứng dụng ở Việt Nam ................................................................................ 110 Đỗ Tấn Trọng -3- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 4.2.1. Ưu điểm................................................................................................... 110 4.2.2. Thách thức............................................................................................... 110 4.2.3. Tình hình thực tế. .................................................................................... 114 Chương 5. Tiềm năng phát triển .................................................................. 118 5.1. Sơ lược tiềm năng phát triển trên quy mô thế giới .................................... 118 5.2. Xu hướng của wimax trong thời gian tới trên quy mô thế giới ................. 120 5.3. Sự phát triển công nghệ viễn thông và di động ở việt nam ....................... 121 5.4. Tiềm năng cho wimax ở việt nam.............................................................. 122 5.4.1. WiMAX cố định...................................................................................... 122 5.4.2. WiMAX di động...................................................................................... 123 5.5. Ý kiến đánh giá của tác giả ........................................................................ 123 Kết luận ............................................................................................................ 124 Thuật ngữ viết tắt .............................................................................................. 126 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ....................................................................... 131 Tài liệu tham khảo............................................................................................. 132 Đỗ Tấn Trọng -4- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng. Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các cơ quan chuyên môn. Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu. WiMAXtruyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo… Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là các tấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e. Trên thế giới tính đến ngày 16.10.2007 thì đã có 1272 giấy phép cấp cho WiMAX, tăng gấp đôi so với năm trước , theo thăm dò ý kiến từ ngày 11.04.2007 đến ngày 11.05.2007 với 1388 người yêu thích công nghệ tại Đông Nam Á với độ tuổi trung bình là 25 thì có tới 99,2% số người được hỏi cho biết họ muốn có WiMAX tại nơi họ sinh sống. đây là số liệu điều tra của Motorola tại Hồng Kông, Malasia và Philippin. Chính vì những điều đó, em nhận thấy WiMAX là công nghệ đang có tiềm năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài…cho nên em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng ở Việt Nam”. Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thời gian yêu cầu của nhà trường đặt ra. Đỗ Tấn Trọng -5- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Em xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Đàm Thuận Trinh, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này ! Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ để hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất ! Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 05/05/2008 Sinh viên Đỗ Tấn Trọng Đỗ Tấn Trọng -6- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Vô tuyến và bộ phận WiMAX trong vô tuyến 1.1. Công nghệ vô tuyến 1.1.1. Công nghệ vô tuyến. Thời cổ đại, người ta truyền tin bằng cách chạy bộ hoặc phi ngựa, vừa tốn thời gian, vừa tốn công sức. Đến thế kỷ XIX, cùng với sự phát triển của sản xuất tư bản chủ nghĩa, những cách truyền tin cổ xưa không tài nào đáp ứng được nhu cầu truyền tin nhanh chóng, cho dù có sử dụng những phương pháp mới như bằng xe lửa, tàu thuyền. Sau khi điện bước lên vũ đài khoa học, mọi người khao khát mở ra một cuộc cách mạng tin tức trong điện học. Để giải quyết vấn đề khoa học kỹ thuật nan giải đó, rất nhiều người đã tốn biết bao nhiêu công sức và tâm huyết trên con đường khoa học đầy trắc trở này. Cuối cùng họ cũng đổi lấy được hàng loạt các thành quả khoa học to lớn: cuối thập niên 30 thế kỷ XIX, người Mỹ Beese Morse (1791 - 1872) đã chế tạo thành công chiếc máy điện báo hữu dụng, và xây dựng đường điện báo hữu tuyến đầu tiên giữa Washington và Baltimore và năm 1844. Năm 1876, người Mỹ Bell (1847 - 1922) phát minh ra điện thoại ống nghe. Đến thập niên 90 lại có người phát minh ra điện báo vô tuyến truyền tin. Trải qua quá trình phát triển lâu dài cùng với những bước đột phá của mình cho đến nay vô tuyến trở thành một hệ thống các công nghệ đa dạng phong phú gồm rất nhiều thành phần như công nghệ Viba, công nghệ vô tuyến bằng vệ tinh, công nghệ vô tuyến di động…công nghệ vô tuyến dựa trên môi trường truyền dẫn là môi trường không khí, khí quyển truyền thông tin thông qua sự truyền sóng điện từ trong môi trường vô tuyến. 1.1.2. Xu thế phát triển của công nghệ vô tuyến Thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động, máy tính và Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng. Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hóa cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hiển thị nhỏ. Các hệ thống IMT-2000, hay gọi là các hệ thống 3G, đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về sau) và có màn hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu Đỗ Tấn Trọng -7- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện. Các hệ thống tế bào đã mở ra một thời kỳ tiến bộ trong công nghệ vô tuyến và những thay đổi trong nhu cầu của người sử dụng (như trong hình 1.1). Bảng 1.1 chỉ ra sự tiến hóa của các hệ thống tế bào từ 1G đến 4G. Cùng với sự bùng nổ của lưu lượng Internet trong mạng cố định, yêu cầu cho các dải dịch vụ đang trở nên mạnh mẽ hơn thậm chí trong các mạng thông tin di động. Hệ thống tế bào 4G sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn các hệ thống tế bào 3G (W-CDMA, CDMA2000). 1G 2G 3G 4G Truy nhập vô Tương tự Số Số Tới 1Gbit/s tuyến FDMA TDMA, DS- DS-CDMA OFDM, CDMA MC-CDMA Các dịch vụ Thoại Thoại Thoại Internet chính băng rộng Internet Internet (chỉ text) (text, hình ảnh) Mạng lõi Chuyển mạch Chuyển mạch Chuyển mạch IP băng rộng kênh kênh/gói kênh/gói Bảng 1.1: Tổng quan về các hệ thống thông tin tế bào Các hệ thống mà hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao (ví dụ 1Gbit/s) thường là không có khả năng cung cấp một vùng bao phủ toàn quốc. Những nơi mà người sử dụng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao có thể là các khu vực điểm nóng (hot spot) nhỏ, gia đình, chợ, các nhà ga, sân bay, khách sạn… Do vậy không thể nào xây dựng được một siêu hệ thống vô tuyến để đáp ứng được mọi nhu cầu. Một vấn đề quan trọng là làm cách nào để cho người sử dụng các dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho cả những người sử dụng di động và những người di cư khắp mọi nơi. Đỗ Tấn Trọng -8- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào • Hệ thống vô tuyến toàn cầu Một giải pháp tốt đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể kết nối một cách hiệu quả nhiều mạng vô tuyến riêng (ví dụ các hệ thống tế bào 2G/3G/4G, WLAN, các hệ thống quảng bá…), được tối ưu hóa tới các môi trường truyền thông khác nhau, sử dụng công nghệ Internet băng rộng. Khái niệm này cho phép mỗi hệ thống vô tuyến phát triển độc lập với các hệ thống khác (như trong hình 1.2). Các hệ thống tế bào cung cấp vùng bao phủ rộng, trong khi hệ thống WLAN sẽ chỉ bao phủ các khu vực điểm nóng nhưng với tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều các hệ thống tế bào. Các hệ thống quảng bá có thể có vùng bao phủ rộng để cung cấp cho người dùng di động và di cư với các chương trình video và ca nhạc chất lượng cao một chiều. Sự kết hợp ngày càng gần của các hệ thống tế bào, WLAN và quảng bá và các hệ thống vô tuyến khác sẽ là hết sức quan trọng để cung cấp các dịch vụ toàn quốc. Đỗ Tấn Trọng -9- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu • Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu Nhu cầu về tải số lượng lớn thông tin ngày càng tăng sẽ trở nên cao hơn. Ghép dữ liệu mềm dẻo nhiều dải các tốc độ thông tin lớn hơn các hệ thống vô tuyến 3G hiện nay là yêu cầu cho các liên kết đường xuống (trạm gốc tới máy di động). Yêu cầu đặt ra cho các tốc độ dữ liệu có thể là: Các điểm nóng và môi trường đông dân cư: 100M đến 1Gbit/s Môi trường phương tiện vận tải: ~100Mbit/s Do giới hạn của nhiều băng tần hiện nay, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất phổ rất cao. Để đạt được điều này, các hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) sẽ đóng một vai trò quan trọng. • Mạng truy nhập vô tuyến Lưu lượng gói sẽ thống trị lưu lượng chuyển mạch kênh trong tương lai gần. Hình 1.3 đưa ra một khái niệm về cấu hình mạng tế bào 4G. Phần vô tuyến của mạng sẽ gần với một mạng WLAN, nhưng với sự quản lý tính di động vùng rộng như trong các hệ thống tế bào 2G/3G. Các hệ thống tế bào yêu cầu nhiều chức năng kiểm soát cuộc gọi và cơ sở dữ liệu được phân phối. Tất cả các chức năng này sẽ được liên kết qua mạng toàn IP. Lưu lượng thoại sẽ được truyền như các gói IP nhưng làm cách nào để đảm bảo các yêu cầu QoS khác nhau và giảm trễ là vấn đề kĩ thuật chính mà các hệ thống 4G phải đối mặt. Đỗ Tấn Trọng -10- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Hình 1.3: Cấu hình hệ thống tế bào 4G 1.1.3. Một số công nghệ vô tuyến hiện hành 1.1.3.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất.(1G). Các hệ thống thông tin di động đầu tiên trên thế giới phải nói tới là: a. Hệ thống AMPS (Avanced Mobile Phone Service): Hệ thống dịch vụ điện thoại di động tiên tiến. b. Hệ thống TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy cập tổng thể. c. Hệ thống NMT (Nordic Mobile Telephone): Hệ thống thông tin di động Bắc Âu. Các hệ thống thông tin di động thứ nhất đã không được ứng dụng nhiều trên thị trường do nhiều hạn chế của chúng như giá của thiết bị đầu cuối, của hệ thống cao và hạn chế về dung lượng phổ. Hạn chế chính là do sử dụng phương pháp điều chế tương tự (điều tần: FM: Frequency Modulation) trong hệ thống đã hạn chế Đỗ Tấn Trọng -11- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp đáng kể số lượng người sử dụng so với các hệ thống dùng phương pháp điều chế số. 1.1.3.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. (2G). Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) có nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống thông tin di động tương tự (anolog) 1G. Các ưu điểm vượt trội đó là việc ứng dụng các công nghệ số cho phép cải thiện chất lượng thông tin và tăng đáng kể số lượng người sử dụng. Ngoài ra trong hệ thống 2G, sự xuất hiện của kĩ thuật chuyển giao (hand-over) mở ra hệ thống điện thoại tế bào (cellular system) đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. a. Hệ thống hay chuẩn GSM: Năm 1992, hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai xuất hiện ở Châu Âu đó là hệ thống GSM (Global System for Mobile Communication) hay còn gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu. Đây là hệ thống thông tin ở Châu Âu đầu tiên sử dụng các kĩ thuật điều chế số. b. Hệ thống DCS: Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai, hệ thống DCS (Digital Communication System: Hệ thống thông tin số), xuất hiện ở Châu Âu năm 1993. Hệ thống này có các thông số kĩ thuật chính giống như hệ thống GSM nhưng ở tần số 1800 MHz. Do đó ở một số nước Châu Âu người ta còn gọi chuẩn này là GSM 1800. c. Hệ thống DECT: Năm 1993 cũng tại Châu Âu, xuất hiện hệ thống điện thoại không dây thế hệ thứ hai, hệ thống DECT (Digital European Cordless Telephone: Hệ thống điện thoại không dây số Châu Âu). Hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế tần số GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), bộ lọc sử dụng là bộ lọc Gaussian có hệ số 0,5. d. Hệ thống IS – 54: Cùng vào thời điểm năm 1992 ở Bắc Mĩ, hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ hai (IS – 54 hoặc NADC North American Digital Cellular: Hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào số Bắc Mĩ) xuất hiện. Cũng giống như hệ thống GSM ở Châu Âu, các bước tiến triển tiếp theo của hệ thống IS -54 cũng đang được nghiên cứu và phát triển. Hệ thống NADC sử dụng phương thức điều chế pha π / 4 DQPSK. Bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosin nâng (Raised-Cosine Filter) với hệ số truy cập bằng hệ số roll-off bằng 0,35. e. Hệ thống IS – 95 hay CDMA One: Cũng năm 1992 ở Châu Mĩ, một hệ thống điện thoại tế bào khác xuất hiện, đó là hệ thống IS-95 hay CDMA one. f. Hệ thống IS-136: Hệ thống IS-136 hay còn gọi là hệ thống điện thoại di động số tiên tiến (Digital Advanced Mobile Phone System) là sự phát triển của hệ thống Đỗ Tấn Trọng -12- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp tương tự AMPS có thể sử dụng băng tần 800 MHz của chuẩn IS-54 và băng tần 1900 MHz của hệ thống PCS. g. Hệ thống PDC: Năm 1994, ở Nhật Bản xuất hiện một hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ hai, hệ thống PDC (Personal Digital Cellular: Hệ thống điện thoại tế bào số cá nhân). Hệ thống này sử dụng phương thức điều chế π / 4 DQPSK, bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosine nâng có hệ số roll-off bằng 0,5 h. Hệ thống PHS: Đây là một chuẩn không dây thế hệ thứ hai của Nhật Bản xuất hiện năm 1993. Hệ thống PHS (Personal Handy Phone System: hệ thống điện thoại vô tuyến cầm tay) sử dụng điều chế π / 4 DQPSK, bộ lọc sử dụng là bộ lọc cosine nâng với hệ số truy cập băng hay hệ số roll-off là 0,5. 1.1.3.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G. Sự tăng trưởng về số lượng người sử dụng và sự phát triển mạnh các dịch vụ đa phương tiện như internet, điện thoại hội nghị… đòi hỏi các hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền dẫn cao. Tuy nhiên, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai không cung cấp tốc độ bit đủ lớn để đáp ứng các yêu cầu này, do đó yêu cầu phải nâng cấp và phát triển mạng GSM hiện hữu. Người ta đã đề xuất nâng cấp hệ thống GSM (General Packet Radio Services) và hệ thống EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution). Các hệ thống 2,5 G này như là sự sát nhập hệ thống 2G lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Ưu điểm của các hệ thống này là tận dụng được cơ sở vật chất có sẵn của mạng GSM, chỉ yêu cầu thay đổi rất ít để có thể khai thác được. a. Hệ thống GPRS: Một sự phát triển đầu tiên của hệ thống GSM để đạt được tốc độ bit thích hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit trung bình là việc dựa trên nền GSM sẵn có và thêm một lớp trong thủ tục thông tin cho phép vận chuyển các dữ liệu dạng gói với tốc độ bit khoảng 115 Kbit/s và giữ nguyên kiểu (hay mode) chuyển mạch cho các tốc độ bit thấp khoảng chục kbit/s. Hệ thống này có tên là GPRS. Bằng việc sử dụng lại các tần số, khung truyền dẫn (trame) và các cơ sở vật chất sẵn có của mạng GSM, chỉ có duy nhất có thay đổi về phần mềm trong việc cài đặt hệ thống, giải pháp GPRS sử dụng là mode thông tin khác nhau. b. Hệ thống EDGE: Một giải pháp kĩ thuật khác để đạt được tốc độ bit tương thích với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện tốc độ cao đó là giải pháp EDGE (Enhanced Data Rate for Evolution). Giải pháp này sử dụng lại các đặc trưng phổ của chuẩn GSM cho phép tốc độ bit đạt tới 384 kbit/s. Chuẩn EDGE cho phép đạt được tốc độ bit này bằng việc kết hợp sử dụng phương thức điều chế pha 8-PSK (8 – Phase Shift Keying) và sử dụng hay kết hợp nhiều khe thời gian trong Đỗ Tấn Trọng -13- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp quá trình truyền dẫn như trong mạng GPRS thay vì chỉ sử dụng khe thời gian như trong mạng GSM. Bằng việc có thể sử dụng lại hầu hết các cơ sở vật chất của mạng GSM, giải pháp này cho phép giảm giá thành đầu tư. 1.1.3.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. (3G). Các dịch vụ vô tuyến di động thế hệ thứ 3 mới (3G) không tương ứng với một giao diện thông tin duy nhất và toàn cầu, mà tương ứng với sự kết hợp các hệ thống có nhiều giao diện với nhau. Sự kết hợp này được gọi là IMT 2000 và nó kết hợp hệ thống UMTS (Universal Mobile Telephone System), hệ thống UWC-136 và CDMA 2000. Ở Mỹ, các hệ thống đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển đó là hệ thống CDMA 2000 tương ứng với sự tiến triển của hệ thống IS-95 và hệ thống UWC-136 là một tiến triển của IS-136. Ở Châu Âu, các hệ thống đang được nghiên cứu và phát triển tương ứng với chuẩn UMTS. Chuẩn UMTS và CDMA 2000 sử dụng phương pháp truy cập theo mã CDMA, trong khi chuẩn UWC-136 dựa trên phương pháp truy cập theo thời gian TDMA. Hệ thống UMTS: UMTS là một hệ thống được lựa chọn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. UMTS được quản lý bởi liên đoàn viễn thông thế giới ITU trong khuôn khổ dự án IMT-2000 toàn cầu. Năm 1998, dự án UMTS đã mở rộng đến các đối tác, các tổ chức ở Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Dự án này có tên là GPP (Third Generation Group Project Partnership). Viện các tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunication Standards Institute) là cơ quan tổ chức chuẩn hóa các giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS, công việc đã thực hiện bởi nhóm 3GPP. Mục đích của UMTS là để phát triển vùng phủ sóng tốt nhất, tăng số lượng thuê bao, cải tiến sự hội tụ giữa điện thoại cố định và di động và xúc tiến việc hoàn thành dịch vụ 3G. UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) là giao diện vô tuyến của UMTS. UTRA có hai kiểu hay phương thức đa truy cập: truy cập theo mã băng rộng W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access) dành cho mode FDD và phương pháp phân bố theo mã trong miền thời gian TD- CDMA (Time Division Code Division Multiple Access) cho mode TDD. Phương thức điều chế được sử dụng cho mỗi kênh là QPSK. Tuỳ theo nhu cầu sử dụng phổ và tốc độ bit truyền, hệ số trải phổ sẽ thay đổi cho phù hợp. Kĩ thuật điều chế và trải phổ được kết hợp gọi là HPSK. Tốc độ bit dữ liệu thay đổi tuỳ theo vận tốc di chuyển và hệ thống UMTS hoạt động theo phương thức truyền dẫn không đồng bộ. Tốc độ dữ liệu thay đổi và hệ thống cho phép giảm các ảnh hưởng của fading trong kênh vô tuyến. Đỗ Tấn Trọng -14- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.5. Mạng lan không dây Một mạng LAN (Local Area Network) là một cơ sở hạ tầng thông tin kết nối các thiết bị tin học và cho phép chia sẻ tài nguyên chung trong một cự ly giới hạn vài trăm mét. Một số mạng LAN điển hình như Ethernet, IEEE 802.3, IEEE 802.5 hoặc Token-ring, IEEE 802.4 hoặc Wireles LAN (WLAN). Mạng WLAN được ứng dụng rất nhiều trong thời gian gần đây. WLAN được ứng dụng ở nhiều khu vực khác nhau như trong các toà nhà, trong các bệnh viện, trường học…Trong mạng WLAN, hai phương thức truyền tin được sử dụng để truyền thông tin: phương thức truyền điểm - điểm và phương thức truyền “đẳng hướng” (omini- directional). Hai phương thức truyền thông này có thể hoạt động theo kiểu hỗ trợ nhau tuỳ theo ứng dụng. Các vấn đề chính liên quan đến ứng dụng của các mạng WLAN là sự xuất hiện của nhiễu (interference). Trong WLAN, kĩ thuật trải phổ được sử dụng nhiều. Hai kĩ thuật trải phổ là: trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spead Spectrum) và kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spead Spectrum). Tuy nhiên kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp được dùng nhiều hơn trong mạng WLAN. Thuật ngữ WLAN bao gồm nhiều chuẩn tương ứng từ chuẩn tốc độ bit thấp đến chuẩn có tốc độ bit cao (IEEE 802.11, HYPERLAN 1 và HYPERLAN 2). a. Chuẩn IEEE 802.11: Viện các tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI đã dành băng tần từ 2.4GHz đến 2.484GHz cho các ứng dụng liên quan đến chuẩn này. Tốc độ dữ liệu trong IEEE 802.11 thường từ 1Mbit/S đến 2Mbit/s. Ở lớp vật lí này, có hai phương pháp trải phổ là FHSS và DSSS. Băng tần 2.4GHz đến 2.48GHz được dung chung cho 3 kênh chính. Công suất phát tối đa 1W (ở Mĩ), 10mW (ở Nhật) và 1mW (ở Pháp). Các phương thức điều chế được sử dụng phụ thuộc vào tốc độ bit. Với tốc độ bit từ 1 đến 2 Mbit/s, phương thức điều chế BPSK hoặc QPSK kết hợp với trải phổ dãy trực tiếp DSSS; với tốc độ bit 5.5Mbit/s hoặc 11Mbit/s, người ta sử dụng phương thức điều chế CCK (Complementary Code Keying) là một trường hợp đặc biệt của điều chế M trạng thái trực giao. b. Các chuẩn HYPERLAN: Chuẩn HYPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) là một họ các chuẩn cho thông tin vô tuyến tốc độ cao trong băng tần 5.15GHz – 5.3GHz và 17.1GHz – 17.3GHz. Các chuẩn HYPERLAN mô tả giao diện không gian và lớp vật lí cho các thiết bị thông tin không dây. Các chuẩn này không mô tả tất cả các lớp như trong chuẩn GSM chẳng hạn mà nó cung cấp các thông số kĩ thuật cho 2 lớp thấp nhất trong mô hình OSI, nhưng không mô tả các lớp cao hơn bởi vì các chuẩn này đã được phát triển cho phép ghép nối giữa Đỗ Tấn Trọng -15- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp các mạng khác nhau và không phụ thuộc vào các ứng dụng. Ta có thể sử dụng các chuẩn HYPERLAN để truy cập vào các mạng khác nhau. HYPERLAN phải đảm bảo sự tương thích của các hệ thống thông tin khác nhau ở lớp vật lí và ở giao diện không gian. Tồn tại 4 chuẩn HYPERLAN: HYPERLAN 1, HYPERLAN 2, Hyperaccess và Hyper - Link. c. Bluetooth và Home RF: Nhiều hệ thống truyền dẫn vô tuyến cự li ngắn vẫn đang được nghiên cứu và phát triển để kết nối các thiết bị khác nhau trong một cự li từ vài mét đến vài chục hoặc vài trăm mét 1.1.3.6. Mạch vòng vô tuyến nội hạt Mạch vòng vô tuyến nội hạt là các mạng vô tuyến cố định cung cấp việc truy cập vô tuyến cho các mạng viễn thông công cộng. Ưu điểm của mạng WLL là dựa trên sự tiện ích, sự linh hoạt và sự phát triển mạng một cách nhanh chóng. Các hệ thống vô tuyến băng tần rộng có thể cung cấp các tốc độ bit đa dạng và cho nhiều người sử dụng đồng thời. Việc sử dụng băng tần thấp giữa 1.9GHz và 3.4GHz cho phép cung cấp dịch vụ tốc độ bit thấp (N lần 64Kbit/s). Để cung cấp dịch vụ tốc độ bit cỡ 2Mbit/s cần tăng tần số trong băng lên 10.5GHz hoặc 26GHz. Để truy cập với tốc độ bit cỡ Gbit/s cần thiết dải tần rộng hơn từ 28GHz tới 40GHz, thậm chí 60GHz. Công nghệ được lựa chọn cho mạch vòng vô tuyến nội hạt là hệ thống phân bố đa điểm nội hạt LMSA (Local Mutipoint Distribution System). LMDS là sự mở rộng tương đối gần đây của hệ thống phân bố đa điểm đa kênh MMDS (Microware or Multichannel Moultipoint Distribution System). a. Hệ thống MMDS: MMDS là hệ thống phát vô tuyến truyền hình, do đó phương thức truyền dẫn là bán song công và chỉ cung cấp đường truyền xuống hướng thuê bao. Hệ thống này sử dụng một băng tần số khá hẹp 200MHz từ 2.4GHz đến 2.6GHz. Hạn chế này giảm dung lượng truyền dẫn số kênh truyền hình. Đối với tín hiệu truyền hình băng thông 6MHz, chỉ có 33 kênh có thể phát được. Các tần số được sử dụng trong mạng MMDS cho phép phủ song các vùng với bán kính từ 50 đến 60 km. Ngoài ra, các tần số này ít bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng suy giảm gây ra bởi các phần tử nước và do đó đảm bảo sự hoạt động của hệ thống MMDS trong điều kiện thời tiết xấu. Các phương thức điều chế sử dụng trong MMDS là QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM. Bộ khuyếch đại công suất đảm bảo công suất ra từ 1 đến 100 mW. Đỗ Tấn Trọng -16- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp b. Hệ thống LMDS: LMDS là một hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng điểm - đa điểm có tần số hoạt động dưới 20GHz phụ thuộc vào mỗi nước. Hệ thống này cho phép thông tin song biến (2 biên) tiếng nói,dữ liệu, internet và video. Các chữ viết tắt trong LMDS bao hàm ý nghĩa và các ứng dụng của hệ thống: L (Local): hệ thống LMDS là một hệ thống nội hạt vì tần số sử dụng, khoảng cách hay cự li truyền song bị hạn chế cỡ chục km. M (Multipoint): LMDS là một hệ thống thông tin trong dó các tín hiệu được phát ra từ trạm thu phát vô tuyến tới nhiều người sử dụng, trong khi hướng ngược lại là phương thức truyền dẫn điểm - điểm. D (Distribution): hệ thống này cho phép truyền dẫn các tín hiệu có thể đồng thời là thoại, dữ liệu, internet hoặc hình ảnh 1.2. Wimax trong hệ thống các công nghệ vô tuyến 1.2.1. Giới thiệu chung Như chúng ta đã thấy ở trên, hệ thống các công nghệ vô tuyến là một hệ thống rất rộng và đã phát triển từ lâu với những công nghệ hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi như wifi, vệ tinh, vi ba… tuy nhiên người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ vô tuyến do những công nghệ cũ chưa đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. WiMAX là một công nghệ mới với những tính năng vượt trội đã và đang được lắp đặt thử nghiệm cũng như đi vào hoạt động chính thức trên quy mô toàn cầu 1.2.2. Quá trình phát triển, xu thế chung và phân loại wimax Trải qua số năm không nhiều, WiMAX đã phát triển và đổi mới khá nhanh, hiện nay WiMAX đang được thử nghiệm và đi vào hoạt động : Xu hướng băng thông rộng di động Ông Jay Andersen, Phó Chủ tịch bán hàng khu vực Châu Á, nhóm di động gia đình và mạng, Motorola, cho biết WiMAX hiện đã sẵn sàng về mặt công nghệ cũng như thương mại. Đối với các nhà cung cấp dịch vụ, việc triển khai WiMAX hết sức đơn giản và ít tốn kém, mỗi điểm truy cập chỉ cần một thiết bị nhỏ gọn, mất chưa đầy 1 giờ để lắp đặt. Tốc độ truy cập (cố định cũng như di động) cao với thế mạnh chuyên về dữ liệu do dựa trên IP khiến WiMAX là sự bổ sung tối ưu cho những nhà cung cấp đã triển khai mạng 3G. Bên cạnh đó, theo ông Andersen, WiMAX còn phù hợp cả với các nhà cung cấp 2G để họ có thể vượt qua 3G và tiến thẳng lên cung cấp những dịch vụ "giống như 4G". Về chi phí hàng tháng cho mỗi người sử dụng, nếu ở mức Đỗ Tấn Trọng -17- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp dùng dưới 2GB thì giữa WiMAX và các công nghệ di động (GSM, CDMA) là xấp xỉ nhau. Tuy nhiên, từ 2GB trở lên, chi phí sử dụng cho WiMAX càng lúc càng thấp hơn hẳn. Cùng chung nhận định, ông Michael Lai, Giám đốc điều hành Packet One, công ty viễn thông đang triển khai thử nghiệm WiMAX tại Malaysia, cho rằng WiMAX nằm trong xu hướng phát triển mới. Theo đó, xu hướng lớn đầu tiên trong ngành viễn thông là xu hướng di động; xu hướng lớn thứ hai là băng thông rộng. Băng thông rộng hiện nay vẫn chủ yếu ở dạng cố định và chia sẻ, tức là nhiều nguời dùng chung một băng thông (ADSL, cáp...). Tuy nhiên, xu hướng lớn thứ ba đang bắt đầu diễn ra là băng thông rộng di động, hay còn được coi là băng thông rộng cá nhân, nghĩa là mỗi người có một băng thông riêng tới thiết bị cá nhân của riêng mình. WiMAX ra đời nhằm đáp ứng xu hướng này. Ông Steve Bell, Giám đốc cao cấp, nhóm Chiến lược và Thiết bị WiMAX, Motorola, cho biết WiMAX đáp ứng một khía cạnh quan trọng của trào lưu băng thông rộng di động, đó là tốc độ tải lên. Các công nghệ viễn thông dựa trên di động có thể mang lại tốc độ tải xuống tương đối tốt, song tốc độ tải lên vẫn rất chậm. WiMAX cho người dùng tốc độ tải lên nhanh hơn, đáp ứng những nhu cầu ngày càng tăng như blog, chia sẻ hình ảnh, video... Thách thức phía trước Theo ông Andersen, thách thức đầu tiên về mặt công nghệ của WiMAX đã được vượt qua sau khi Hội Truyền thông vô tuyến điện ITU chấp nhận đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT-2000. Quyết định này đảm bảo cho các nhà khai thác và nhà quản lý trên toàn thế giới có thể yên tâm đầu tư vào WiMAX. Điều này đặc biệt quan trọng tại Châu AÁ đối với băng tần 2.5 GHz. Những thách thức phía trước đồng thời cũng là cơ hội đối với WiMAX, theo ông Bell, là về những dịch vụ và nội dung đi kèm. WiMAX phát triển sẽ mở rộng việc sử dụng hàng loạt thiết bị khác nhau, và để kết nối chúng cần những ứng dụng và dịch vụ mới. Đồng thời, WiMAX cũng tạo ra những mô hình kinh doanh mới và đi theo nó là những dịch vụ đa dạng như truyền hình di động, quảng cáo di động, tìm kiếm thông tin, duyệt web... Những đòi hỏi này là thách thức mới mẻ, song cũng là mảnh đất màu mỡ, do đó các đại gia về công nghiệp nội dung như Google, Yahoo! đều đang rất quan tâm. Tại diễn đàn, Motorola đã trình diễn những khả năng mà hiện tại WiMAX đã có thể thực hiện, như duyệt web trong khi di chuyển với tốc độ cao; vừa xem video trực tuyến trên điện thoại vừa dùng điện thoại như một modem WiMAX để giúp máy tính xem một đoạn video khác song song; thực hiện cuộc gọi VoIP với Đỗ Tấn Trọng -18- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp chất lượng tốt từ thiết bị WiMAX sang thuê bao di động... Tuy nhiên, những thiết bị mẫu mà Motorola trình có giá khá cao. Thêm vào đó, nếu các nhà sản xuất muốn tích hợp nhiều công nghệ kết nối vào một thiết bị (WiMAX, Wi-Fi, GSM...), để cung cấp khả năng "di động không giới hạn", giá thành thiết bị có thể lên khá cao. Theo các chuyên gia, phải tới năm 2009 các thiết bị này mới bắt đầu phổ biến. Các thiết bị này cũng đặt ra câu hỏi về tính tiện dụng bởi khi tích hợp quá nhiều thứ, pin có thể không đáp ứng đủ. Công nghệ WiMAX sẽ được trình bày kỹ hơn ở phần sau. Đỗ Tấn Trọng -19- Lớp KTVT B-44
WIMAX và ứng dụng Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Công nghệ wimax 2.1. Lịch sử, quá trình phát triển 2.1.1. Lịch sử Ngày nay sự phát triển của mạng viễn thông với dịch vụ ngày càng đa dạng đã làm cho các công nghệ truy nhập tiên tiến ngày càng được phát minh và đưa vào phục vụ. Hiện nay chúng ta biết đến truy nhập Internet với các dịch vụ quay số Modem thoại, ADSL hay các đường thuê bao riêng hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động hay mạng WiFi. Mỗi phương phấp truy nhập mạng đều có đặc điểm riêng: Với Modem quay số điện thoại thì thốc độ thấp. ADSL có tốc độ lên tới 8Mb/s nhưng cần có đường dây kết nối. Các đường thuê bao riêng thì giá thành đắt mà lại khó triển khai với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện nay cung cấp tốc độ truyền 9,6Kb/s là rất thấp so với nhu cầu của người sử dụng. GSM (2G),GPRS (2,5G) cho phép truy nhập ở tốc độ 172,2Kb/s hay EDGE ở 300 đến 400Kb/s cũng chưa đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ Internet. Hệ thống di động 3G thì tốc độ truy nhập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s. Mạng WiFi (hay LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin khoảng cách ngắn. Với thực tế các công nghệ như vậy, WIMAX (Worldwide Interoprability for Microwave Access) đã ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WIMAX có thể cung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s và có bán kính phủ sóng của một trạm là 50Km. Mô hình phủ sóng của WIMAX tương tự như mạng tế bào. Hoạt động của WIMAX rất mềm dẻo và tương tự như của WiFi khi truy nhập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy nhập mạng thì nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WIMAX gần nhất.Điều quan trọng nhất WIMAX xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16. Đỗ Tấn Trọng -20- Lớp KTVT B-44