Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thuật toán lập kế hoạch mạng Wimax trên địa hình 3D – GIS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn với tên đề tài “Thuật toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên địa hình 3D–GIS” đã tập trung nghiên cứu việc nhận dạng địa hình và tìm ra phương án lập kế hoạch các trạm thu phát sao cho hiệu quả nhất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thuật toán lập kế hoạch mạng Wimax trên địa hình 3D – GIS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ PHẠM HUY THÔNG THUẬT TOÁN LẬP KẾ HOẠCH MẠNG WiMAX TRÊN ĐỊA HÌNH 3D – GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ PHẠM HUY THÔNG THUẬT TOÁN LẬP KẾ HOẠCH MẠNG WiMAX TRÊN ĐỊA HÌNH 3D – GIS Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho tin học Mã số: 60.46.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ HỒNG MINH Hà Nội – 2013
Lời cảm ơn Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, các anh chị em đồng nghiệp của Trung tâm Tính toán Hiệu Năng Cao và khoa Toán – Cơ – Tin học, trường Ðại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện về nhiều mặt, chỉ bảo tận tình trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Nhờ đó tôi đã tiếp thu được nhiều ý kiến đóng góp và nhận xét quí báu thông qua các buổi thảo luận seminar. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới giáo viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Thị Hồng Minh đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã cổ vũ và động viên tôi trong công việc và học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này. Xin chúc mọi người luôn mạnh khoẻ, đạt được nhiều thành tích cao trong công tác, học tập và nghiên cứu khoa học! Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2013 Tác giả Phạm Huy Thông
Mục lục Danh mục viết tắt ..................................................................................................... i Danh mục các hình ................................................................................................. iii Danh mục các bảng ................................................................................................ iv Lời nói đầu .............................................................................................................. v Chương 1 – Một số kiến thức cơ sở về bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên 3D–GIS ................................................................................................................... 1 1.1. Hệ thống thông tin địa lý 3D–GIS ........................................................... 1 1.1.1. Định nghĩa............................................................................................ 1 1.1.2. Các chuẩn của địa hình độ cao số 3D–GIS ........................................... 2 1.2. Cơ bản về WiMAX ................................................................................. 3 1.2.1. Khái niệm về WiMAX ......................................................................... 3 1.2.2. Các chuẩn WiMAX .............................................................................. 4 1.2.3. Cấu hình mạng ..................................................................................... 6 1.2.4. Ưu điểm của mạng WiMAX ................................................................. 8 1.3. Bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX ...................................................... 9 1.3.1. Mô hình hóa bài toán ............................................................................ 9 1.3.2. Tính toán chất lượng sóng trên địa hình 3D–GIS ................................ 13 1.3.3. Một số nghiên cứu liên quan ............................................................... 17 1.4. Kết luận chương .................................................................................... 19 Chương 2 – Nhận dạng địa hình độ cao số ............................................................. 21 2.1. Giới thiệu về bài toán nhận dạng địa hình độ cao số .............................. 21 2.2. Trích chọn đặc trưng ............................................................................. 22 2.3. Thuật toán phân loại rừng ngẫu nhiên ................................................... 24 2.4. Kết luận chương .................................................................................... 27 Chương 3 – Thuật toán lai lập kế hoạch mạng WiMAX trên địa hình 3D–GIS ...... 28 3.1. Ý tưởng chính ....................................................................................... 28 3.2. Thuật toán BTP ..................................................................................... 28 3.3. Thuật toán PSO cải tiến ......................................................................... 29
3.3.1. Khởi tạo ............................................................................................. 29 3.3.2. Đánh giá, cập nhật vận tốc và vị trí ..................................................... 30 3.3.3. Tối ưu số sector .................................................................................. 33 3.3.4. Đột biến.............................................................................................. 34 3.3.5. Điều kiện dừng ................................................................................... 34 3.4. Thuật toán WNPA–3DT........................................................................ 35 3.5. Kết luận chương .................................................................................... 36 Chương 4 – Một số kết quả thực nghiệm ............................................................... 37 4.1. Mục tiêu và môi trường thực nghiệm .................................................... 37 4.2. Kết quả thực nghiệm so sánh với các thuật toán khác về độ hiệu quả .... 41 4.3. Kết quả thực nghiệm so sánh với các thuật toán khác về thời gian chạy.49 4.4. Kết quả thực nghiệm so sánh trên các bộ tham số khác nhau ................. 55 4.5. Kết luận chương .................................................................................... 61 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 62 Danh mục các công trình công bố có liên quan đến luận văn ................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 64
Danh mục viết tắt Viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa BS Base Station Trạm thu phát cơ sở BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BWA Broadband Wireless Access Mạng không dây băng thông rộng CID Connection ID ID kết nối DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Institute of Electrical and IEEE Học viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử Electronics Engineers LOS Line Of Sight Đường truyền thẳng MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào và đa đầu ra NLOS Non Line Of Sight Đường truyền không thẳng Orthogonal Frequency Division OFDM Multiplexing Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Orthogonal Frequency Division OFDMA Đa truy nhập phân tần trực giao Multiple Access Personal Computer Memory Card Hiệp hội quốc tế thẻ nhớ máy tính PCMCIA International Association cá nhân PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PMP Point to Multipoint Mạng đa điểm PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán tối ưu bầy đàn QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao Thuật toán phân loại rừng ngẫu RF Random Forest nhiên SS Subscriber Station Trạm thuê bao Đa truy cập phân chia theo thời TDMA Time Division Multiple Access gian TIN Triangulated Irregular Network Mạng tam giác không đều Hàm xóa các đầu đọc không cần TRE Tentative Reader Elimination thiết USGS The U.S Geological Survey Cục đo đạc địa chất Hoa Kỳ i
Một phép chiếu biểu diễn bề mặt UTM Universal Transverse Mercator địa cầu VoIP Voice over IP Điện thoại qua giao thức IP Worldwide Interoperability for Mạng tương tác toàn cầu với truy WiMAX Microwave Access nhập vi ba WNPA- WiMAX Network Planning Thuật toán lập kế hoạch mạng 3DT Algorithm – 3D Terrain WiMAX trên địa hình 3D ii
Danh mục các hình Hình 1.1: Hệ thống GIS ........................................................................................... 1 Hình 1.2: Mô hình hoạt động WiMAX mạng điểm – đa điểm PMP ......................... 7 Hình 1.3: Mô hình hoạt động WiMAX mạng mắt lưới............................................. 8 Hình 1.4: Mô hình tính toán độ suy hao trong trường hợp một vật cản .................. 15 Hình 2.1: Ví dụ về các đặc trưng của việc nhận dạng địa hình độ cao số................ 24 Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động của thuật toán WNPA-3DT.......................................... 35 Hình 4.1: Phân bố đều của 4000 người dùng trên địa hình nhỏ .............................. 38 Hình 4.2: Phân bố đều của 10000 người dùng trên địa hình lớn ............................. 39 Hình 4.3: Phân bố không đều của 4000 người dùng trên địa hình nhỏ.................... 40 Hình 4.4: Phân bố không đều của 10000 người dùng trên địa hình lớn .................. 41 Hình 4.5: So sánh giá trị hàm lượng giá fitness ở kịch bản 1 và kịch bản 2 ............ 44 Hình 4.6: So sánh giữa kịch bản 1 và kịch bản 3 .................................................... 47 Hình 4.7: So sánh giá trị fitness với bốn kịch bản .................................................. 49 Hình 4.8: Biểu đồ tăng tốc và hiệu quả của các trường hợp trong kịch bản 1 ......... 51 Hình 4.9: So sánh thời gian chạy trung bình giữa kịch bản 1 và kịch bản 2 ............ 52 Hình 4.10: So sánh thời gian chạy trung bình giữa kịch bản 1 và kịch bản 3 .......... 53 Hình 4.11: So sánh thời gian chạy trung bình giữa kịch bản 1 và kịch bản 4 .......... 55 Hình 4.12: So sánh giá trị Fitness giữa các bộ tham số qua các trường hợp trong cả bốn kịch bản .......................................................................................................... 60 iii
Danh mục các bảng Bảng 1: So sánh kết quả chạy của các thuật toán với địa hình nhỏ và người dùng phân bố đều ........................................................................................................... 42 Bảng 2: So sánh kết quả chạy của các thuật toán với địa hình lớn và người dùng phân bố đều ........................................................................................................... 45 Bảng 3: So sánh kết quả chạy của các thuật toán với địa hình nhỏ và người dùng phân bố không đều ................................................................................................ 46 Bảng 4: So sánh kết quả chạy của các thuật toán với địa hình lớn và người dùng phân bố không đều ................................................................................................ 48 Bảng 5: Thời gian tính toán song song của WNPA-3DT với kịch bản 1 ................ 50 Bảng 6: Thời gian tính toán song song của WNPA-3DT với kịch bản 2 ................ 52 Bảng 7: Thời gian tính toán song song của WNPA-3DT với kịch bản 3 ................ 53 Bảng 8: Thời gian tính toán song song của WNPA-3DT với kịch bản 4 ................ 54 Bảng 9: Kết quả chạy WNPA-3DT với các tham số khác nhau ở kịch bản 1.......... 56 Bảng 10: Kết quả chạy WNPA-3DT với các tham số khác nhau ở kịch bản 2 ........ 57 Bảng 11: Kết quả chạy WNPA-3DT với các tham số khác nhau ở kịch bản 3 ........ 58 Bảng 12: Kết quả chạy WNPA-3DT với các tham số khác nhau ở kịch bản 4 ........ 59 iv
Lời nói đầu Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin đã đưa tin học thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, mở ra một giai đoạn mới trong quá trình phát triển khoa học. Hệ thống thông tin địa lý ba chiều (3D–GIS) là một trong những ứng dụng rất có giá trị của công nghệ tin học trong ngành địa lý, điều tra cơ bản, quy hoạch đô thị và cảnh báo môi trường. Với sự phát triển không ngừng của thế giới cũng như của đất nước ta hiện nay, việc tổ chức quản lý thông tin địa lý một cách tổng thể có đóng góp không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả hơn các nguồn lực và tài nguyên. Trong số các ứng dụng của 3D–GIS, chúng tôi quan tâm hơn cả đến việc lập kế hoạch mạng không dây, đặc biệt là WiMAX trên địa hình 3D–GIS. Vấn đề này được nhóm nghiên cứu của chúng tôi quan tâm và thực hiện tại Trung tâm tính toán Hiệu Năng Cao, trường Đại học Khoa học Tự nhiên từ năm 2011. Như chúng ta đã biết, mạng Internet đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống hiện đại. Nhờ có Internet, chúng ta có thể cập nhật tin tức, trao đổi thông tin một cách nhanh chóng, dễ dàng và mọi lúc. Hơn nữa, với sự ra đời của mạng không dây, bằng việc sử dụng các trạm thu phát sóng phủ sóng trong một vùng rộng lớn đến vài chục km2, Internet đã “vươn” đến những vùng miền xa xôi nhất. Tuy nhiên, mạng không dây cũng có những nhược điểm của nó. Các sóng mạng không dây chủ yếu là các sóng radio, dễ dàng bị cản trở bởi các vật cản như núi, đồi, nhà cửa, vv. Do đó, bài toán đặt ra là phải đặt các trạm thu phát sóng một cách hợp lý sao cho chất lượng sóng tại mọi điểm đủ “tốt” và chi phí cho số lượng trạm thu phát là nhỏ nhất có thể. Bài toán này đã được nghiên cứu khá nhiều trong thời gian gần đây. Tuy nhiên các phương pháp giải còn nhiều hạn chế, như chỉ áp dụng trên bản đồ hai chiều, lập kế hoạch mạng thủ công hoặc chỉ chú trọng đến một mục tiêu như chất lượng sóng hoặc chi phí, một vài phương pháp có thời gian tính toán lớn và đặc biệt là không xác định được các vị trí có thể đặt trạm thu phát. Nếu có một phương pháp giải đủ tốt, bài toán này sẽ đặc biệt hữu ích đối với các nhà v
cung cấp dịch vụ mạng trong việc phủ sóng một vùng địa lý sao cho hiệu quả với một chi phí thấp nhất. Việc lập kế hoạch mạng không dây trên một địa hình cụ thể đòi hỏi hai quá trình chính sau: Quá trình thứ nhất là nhận dạng địa hình độ cao số, từ đó sẽ tìm được các vị trí đặt trạm. Quá trình còn lại là mô hình hóa bài toán và các thuật toán lập kế hoạch. Rõ ràng đây là một bài toán tối ưu đa mục tiêu với rất nhiều các điều kiện ràng buộc. Trước hết là phần tiền xử lý, với địa hình ba chiều, việc nhận dạng địa hình là hết sức khó khăn. Với đầu vào là mô hình độ cao số (DEM), cần có một thuật toán hiệu quả để phân biệt đâu là núi, sông, ao, hồ, đồng bằng, thung lũng, vv. Từ đó, mới xác định được vị trí nào có thể đặt trạm thu phát sóng bởi các trạm thu phát không thể đặt giữa sông, giữa hồ, trên các sườn núi dốc thẳng đứng, vv. Sau khi có được các vị trí có thể đặt trạm, chúng ta cần lựa chọn một thuật toán lập kế hoạch mạng phù hợp. Các thuật toán tham thường chạy nhanh song lại không cho kết quả “tốt” so với các thuật toán dựa theo kinh nghiệm (meta heuristic) [16]. Ngoài ra, bài toán lập kế hoạch mạng không dây cũng thường làm việc trên dữ liệu lớn nên tốc độ tính toán, xử lý là vấn đề rất đáng được quan tâm. Một số kết quả trong quá trình nghiên cứu về phần nhận dạng địa hình độ cao số đã được nhóm trình bày trong bài báo [14]. Một phần trong phần nghiên cứu còn lại của nhóm về mô hình hóa bài toán và thuật toán lập kế hoạch mạng cũng đã được báo cáo trong bản khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đình Nhật [1]. Trong bản luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày một cách hệ thống và đầy đủ cả hai quá trình nghiên cứu trên trong việc giải quyết bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên địa hình 3D–GIS một cách tổng thể. Bố cục của luận văn gồm 4 chương. Chương 1 giới thiệu về các kiến thức cơ sở về 3D–GIS, WiMAX và mô hình hóa bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên địa hình 3D–GIS. Tiếp theo chương 2 trình bày về bài toán nhận dạng địa hình độ cao số, từ đó chúng tôi sẽ có được những vị trí đặt trạm làm tiền đề cho chương 3 với thuật toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên địa hình 3D–GIS. Chương cuối vi
cùng sẽ trình bày một số kết quả thực nghiệm để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán trên hệ thống máy tính hiệu năng cao. vii
Chương 1 – Một số kiến thức cơ sở về bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên 3D–GIS 1.1. Hệ thống thông tin địa lý 3D–GIS 1.1.1. Định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System- GIS) là một hệ thống bao gồm bốn thành phần [3]: - Máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào, ra và xử lý thông tin của phần mềm. - Một cơ sở dữ liệu chứa thông tin không gian và thông tin thuộc tính được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định. - Một phần mềm có các chức năng: quản lý thông tin không gian và thuộc tính, phân tích và hiển thị thông tin. - Các kiến thức chuyên gia, chuyên ngành. Ta có thể hình dung GIS theo định nghĩa trên bằng hình mô phỏng dưới đây: Hình 1.1: Hệ thống GIS Hệ thống thông tin địa lý ba chiều 3D–GIS chính là một hệ thống thông địa lý làm việc trên mô hình địa hình ba chiều, với các chức năng hiển thị ba chiều, 1
quản lý, thao tác, phân tích và hỗ trợ quyết định dựa trên các thông tin ba chiều liên quan đến các hiện tượng tự nhiên trong không gian [20]. Để xây dựng địa hình ba chiều hay tổng quát hơn, một ứng dụng 3D–GIS, cần có dữ liệu về độ cao. Hiện nay, có một vài tiêu chuẩn về dữ liệu độ cao nhưng điển hình vẫn là các kiểu dữ liệu TIN hoặc DEM. Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên toàn thế giới, 3D–GIS đang được sử dụng như một công cụ hỗ trợ đắc lực trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Ví dụ như hỗ trợ thực hiện các phép phân tích không gian, phân loại địa hình, dự báo biến đổi tài nguyên, lập kế hoạch phát triển hệ thống điện, mạng viễn thông hay quản lý môi trường, vv. Hệ thông tin địa lý ba chiều trợ giúp, mô phỏng cho người dùng một cái nhìn trực quan và rõ ràng nhất về thế giới thực, từ đó hỗ trợ người dùng đưa ra các quyết định hợp lý, hiệu quả. 1.1.2. Các chuẩn của địa hình độ cao số 3D–GIS Hiện nay có nhiều chuẩn cho địa hình độ cao số [3] nhưng điển hình vẫn là mạng TIN và lưới độ cao DEM. - Mạng TIN: Là một dạng biểu diễn địa hình bằng mạng lưới tam giác không đều. Sử dụng mạng TIN sẽ đem lại tính hiệu quả và chính xác trong mô hình hóa bề mặt liên tục. - Lưới độ cao DEM: Là một dữ liệu trái đất có dạng lưới ô vuông đều nhau với giá trị độ cao. Mô hình DEM do cục đo đạc địa hình địa lý của Mỹ đề xuất là một tệp chứa đựng các dãy giá trị độ cao sử dụng phép chiếu UTM hoặc là phép chiếu toạ độ nào đó. Một mảnh địa hình được xác định ở dạng hình tứ giác và một lưới xác định sẽ được phủ lên mảnh địa hình đó. Mỗi mắt lưới sẽ xác định một độ cao của mảnh địa hình đó. Do vậy, bất kỳ cao độ điểm nào trên bề mặt cũng có thể tính toán và tạo ra đường đồng mức. Trong mô hình hóa không gian ba chiều thì việc mô hình hóa bề mặt đóng vai trò vô cùng quan trọng bởi từ đó ta có thể xác định được dạng địa hình của đối tượng. Trong đó, mô hình dạng TIN có ưu điểm về độ chính xác. Tuy nhiên, mô 2
hình này lại khá phức tạp trong việc tổ chức dữ liệu. Mô hình độ cao số DEM được sử dụng chủ yếu bởi tính thuận lợi trong việc tổ chức cũng như truy xuất dữ liệu. Trong khuôn khổ luận văn này, mô hình DEM được sử dụng làm đầu vào của các thuật toán. Dữ liệu DEM chỉ thể hiện bề mặt địa hình ba chiều. Do đó chúng tôi tiến hành tìm hiểu sâu hơn về DEM để có thêm thông tin phục vụ cho các bài toán phía sau. Một trong những bài toán quan trọng về DEM đó là nhận dạng địa hình mà một dữ liệu DEM thể hiện. 1.2. Cơ bản về WiMAX 1.2.1. Khái niệm về WiMAX WiMAX [8] là một công nghệ truy cập không dây băng thông rộng. Công nghệ WiMAX dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi bộ chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HiperMAN. Đây là các tiêu chuẩn cho mạng mạng đô thị không dây. WiMAX sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp modem. Nếu như Wireless LAN được phát triển để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây, nâng cao tính linh hoạt trong việc truy cập Internet cho những vùng tập trung đông dân cư trong những phạm vi hẹp thì với WiMAX ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng đô thị nó còn giải quyết được những vấn đề khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ Internet cho những vùng thưa dân, ở những khoảng cách xa mà công nghệ xDSL sử dụng dây đồng không thể đạt tới. WiMAX như một tổng đài trong vùng lân cận hợp lý đến một trạm chủ mà nó được yêu cầu thiết lập một đường dữ liệu đến Internet. Người sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ sẽ được thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS với tốc độ truyền dữ liệu rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm chủ thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps. WiMAX là một chuẩn không dây đang 3
phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động, phạm vi phủ sóng được mở rộng. Một hệ thống WiMAX gồm hai thành phần sau: - Trạm phát (BS): Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn. Trên lý thuyết, một trạm thu phát này có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2. - Trạm thu: Có thể là các bộ phận ăngten thu, các thẻ card hoặc được tích hợp sẵn có trên Mainboard của các máy tính, theo cách mà Wifi đã dùng Các trạm BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) dành riêng hoặc thông qua các trạm chuyển tiếp. Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng rất rộng. Các ăngten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường truyền LOS hoặc NLOS. Đường truyền LOS thường sử dụng tần số cao lến đến 66GHz và ăngten thường được đặt ở vị trí cao, do đó đường truyền sẽ ổn định và tốc độ có thể đạt cực đại. Ngược lại, với đường truyền NLOS, băng tần từ 2-11 GHz được sử dụng bởi ở tần số thấp, tín hiệu dễ dàng xuyên qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. 1.2.2. Các chuẩn WiMAX a. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002. Định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WireLessMANTM cho các mạng vùng đô thị. Những đặc điểm chính của chuẩn này là [8]: - Giao diện không gian cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định hoạt động ở dải tần 10 – 66GHz. - Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC. - Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz. 4
- Bán kính phủ sóng: 2 – 5km. - Hỗ trợ QoS để đảm bảo chất lượng dịch vụ. - Kết nối cố định. - Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC – PS. b. Chuẩn IEEE 802.16a Là bộ chuẩn được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001, chuẩn này được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này nhằm mục đích hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS [8]. - Bổ sung các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY với việc mở rộng thêm dải tần 2 – 11 GHz. - Hỗ trợ đường truyền trong tầm nhìn không thẳng NLOS. - Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz. - Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1.25 MHz và 20 MHz. - Bán kính phủ sóng: 6 – 9 km. - Cung cấp QoS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (giọng nói và video). c. Chuẩn IEEE 802.16d Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần từ 10 – 66 GHz và NLOS ở dải 2 – 11 GHz. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố định: - Kỹ thuật đa truy nhập OFDM – TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN – OFDM. - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1.25 đến 20 MHz. - Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz. - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256 – OFDM (256 sóng mang phụ). d. Chuẩn IEEE 802.16e Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị 5
đang di chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. Chuẩn này được chứng nhận vào tháng 12/2005 [8]. Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn cố định để hỗ trợ tính di động và chuyển giao. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX di động: - Hỗ trợ handoff và roaming. - Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ S – OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN – OFDMA. - Dải tần dưới 11GHz. - Đường truyền trong tầm nhìn không thẳng NLOS. - Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao. - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1.25 đến 20 MHz. - Tốc độ dữ liệu tối đa 15Mb/s với độ rộng băng tần 5 MHz (khi di chuyển) và tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz (khi đứng yên). - Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM. 1.2.3. Cấu hình mạng WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH [21]. Mạng điểm – đa điểm là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX. Hình 1.2 mô tả cụ thể mô hình hoạt động WiMAX với cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP [21]. Cấu hình mạng này tương tự mạng thông tin di động tế bào. Mạng PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao xung quanh. Mỗi ăngten chia theo sector tại mỗi trạm gốc BS có độ định hướng cao, được hướng theo từng cung và được sắp xếp xung quanh cột ăngten. Như vậy, các trạm thuê bao hay người dùng trong mạng PMP chỉ trao đổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS. Các kết nối trao đổi thông tin này đều được 6
thông qua nhận dạng kết nối CID. Các trạm thuê bao hay người dùng sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và giữ lại các PDU có địa chỉ tới chúng. Việc truyền dữ liệu sẽ được tiến hành ngay hoặc phải chời đợi sự cho phép của trạm gốc. Điều này tùy thuộc vào loại dịch vụ mà người dùng đăng ký. Mạng PMP sử dụng tần số thấp dưới 6GHz để có phạm vi phủ sóng lớn. Chi phí xây dựng và lắp đặt một mạng điểm – đa điểm là khá kinh tế trong khi nó có thể phục vụ được số lượng người dùng lớn. Hình 1.2: Mô hình hoạt động WiMAX mạng điểm – đa điểm PMP Cấu hình mạng còn lại chính là mạng mắt lưới [21]. Mạng này bao gồm các trạm mắt lưới gốc là các trạm BS được kết nối với mạng bên ngoài và các mắt lưới SS là các thành phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng mắt lưới (có thể là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS). Việc liên lạc và trao đổi thông tin trong mạng từ trực tiếp đến gián tiếp đều được thực hiện tại các mắt lưới (nút lưới). Các kết nối trong mạng mắt lưới cũng thông qua nhận dạng kết nối CID, mắt lưới thuê bao sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng. 7
Hình 1.3: Mô hình hoạt động WiMAX mạng mắt lưới Một bộ định tuyến được đặt tại các mắt lưới để định tuyến qua các mắt lưới. Nhờ đặc điểm này các mắt lưới SS có thể trao đổi dữ liệu với nhau và trao đổi dữ liệu trực tiếp với mắt lưới gốc, đây là khác biệt cơ bản so với cấu hình PMP. Hoạt động của cấu hình mạng mắt lưới được miêu tả trong Hình 1.3. Cấu hình mạng mắt lưới là tùy chọn cho WiMAX do chi phí cho thiết bị đầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp. Mạng mắt lưới chỉ thích hợp cho các dịch vụ cố định. Trên thực tế, người ta sử dụng kết hợp mạng mắt lưới và mạng điểm – đa điểm để đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất. 1.2.4. Ưu điểm của mạng WiMAX Chính những đặc điểm trên mà mạng WiMAX có những ưu điểm sau: - WiMAX có thể đáp ứng được các nhu cầu truy cập khác nhau, cung cấp các dịch vụ băng rộng đến các thuê bao. - WiMAX có thể hỗ trợ được các giải pháp băng thông rất cao (lớn hơn 10 MHz). 8