Công nghệ Wimax và ứng dụng tại Thành phố Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG

TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

NGUYỄN XUÂN THÔNG

Thái Nguyên 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG

TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 605270

Học viên: Nguyễn Xuân Thông

Ngƣời HD khoa học: PGS.TS.Nguyễn Văn Khang

Thái Nguyên, 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Nguyễn Xuân Thông

Lớp: Cao học - K11

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Ngày giao đề tài: 10 tháng 10 năm 2010.

Ngày hoàn thành: 10 tháng 10 năm 2010.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Khang

HỌC VIÊN

Nguyễn Xuân Thông

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết

quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận

văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc đó.

Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình

của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn:

Thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Văn Khang - Viện trƣởng viện điện tử viễn thông

thuộc đại học Bách khoa Hà Nội

Đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự

giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.

Vì đề tài liên quan tới nhiều lĩnh vực mới với kiến thức rất rộng, bản thân tôi phải

tham khảo rất nhiều tài liệu và các bài báo quốc tế. Mặc dù đã cố gắng, song do điều

kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi

thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ

của các bạn bè, đồng nghiệp.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

MỤC LỤC

THUYẾT MINH .........................................................................................................................i

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT.........................................................................................i

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................................ii

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................iii

MỤC LỤC.................................................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU.....................................................................................................viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................................ix

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN................................................................................................. - 1 -

1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................... - 1 -

1.2 Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... - 1 -

1.3 Nội dung chính ............................................................................................................ - 1 -

1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu:............................................................................................ - 2 -

CHƢƠNG II. CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG WIMAX ............................... - 3 -

2.1 Tổng quan về WiMAX................................................................................................ - 3 -

2.1.1 Diễn đàn WiMAX ............................................................................................... - 3 -

2.1.2 Các đặc điểm của WiMAX................................................................................... - 3 -

2.1.3 Chuẩn IEEE 802.16 ............................................................................................. - 4 -

2.1.4 Các định dạng của diễn dàn WiMAX................................................................. - 10 -

2.1.5 Các mô hình ứng dụng........................................................................................ - 12 -

2.1.6 So sánh WiMAX 802.16-2004 và 802.16e ....................................................... - 15 -

2.1.7 Băng tần cho WiMAX........................................................................................ - 18 -

2.2 CÁC KỸ THUẬT ĐƢỢC ỨNG DỤNG TRONG WIMAX .................................... - 21 -

2.2.1. Giới thiệu........................................................................................................... - 21 -

2.2.2. Kỹ thuật OFDM................................................................................................. - 21 -

2.2.3 Kỹ thuât OFDMA............................................................................................... - 26 -

2.2.4 Điều chế.............................................................................................................. - 31 -

2.2.5 Công nghệ sửa lỗi............................................................................................... - 33 -

2.2.6 Điều khiển công suất .......................................................................................... - 33 -

2.2.7 Các công nghệ anten tiên tiến............................................................................. - 33 -

2.3 Kết luận ..................................................................................................................... - 36 -

CHƢƠNG III: CÔNG NGHỆ WIMAX.............................................................................. - 37 -

3.1. Mô hình tham chiếu.................................................................................................. - 37 -

3.2 Lớp điều khiển truy nhập môi trƣờng (MAC)........................................................... - 38 -

3.2.1. Kết nối và địa chỉ............................................................................................... - 39 -

3.2.2. Lớp con hội tụ MAC ......................................................................................... - 40 -

3.2.3 Lớp con phần chung MAC................................................................................. - 41 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

v

3.2.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông ............................................................ - 45 -

3.2.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lƣợng dịch vụ (QoS)........................................ - 46 -

3.2.6. Lớp con bảo mật................................................................................................ - 47 -

3.3. Lớp vật lý.................................................................................................................. - 47 -

3.4 Cấu hình mạng........................................................................................................... - 49 -

3.4.1 Cấu hình điểm-đa điểm PMP ............................................................................. - 49 -

3.4.2 Cấu hình mắt lƣới MESH................................................................................... - 49 -

3.5 Kiến trúc mạng WIMAX........................................................................................... - 51 -

3.5.1 Kiến trúc mạng ................................................................................................... - 51 -

3.5.2 Quá trình vào mạng ............................................................................................ - 54 -

3.6 Một số nguyên lí cơ bản trong triển khai mạng WiMAX......................................... - 56 -

3.7 Kết luận ..................................................................................................................... - 57 -

CHƢƠNG IV....................................................................................................................... - 58 -

GIẢI PHÁP MẠNG WIMAX CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN............................... - 58 -

4.1 Khảo sát thực tế và yêu cầu....................................................................................... - 58 -

4.1.1 Đặc điểm tự nhiên............................................................................................... - 58 -

4.1.2 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Thái nguyên ................................................... - 59 -

4.1.3 Các khả năng triển khai công nghệ mạng WiMAX............................................ - 60 -

4.2 Thiết kế mạng Wimax di động cho thành phố Thái Nguyên..................................... - 67 -

4.2.1 Lựa chọn băng tần .............................................................................................. - 67 -

4.2.2 Quy hoạch vùng phủ vô tuyến và dung lƣợng.................................................... - 68 -

4.2.3 Tính toán vùng phủ sóng và dung lƣợng............................................................ - 74 -

4.2.4 Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến................................................................. - 78 -

4.2.5 Quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến WiMAX................................................. - 79 -

4.2.6 Quy hoạch mạng lõi............................................................................................ - 80 -

4.2.7 Triển khai mạng WiMAX trên mạng hiện tại .................................................... - 81 -

4.2.8 Nhiễu kênh lân cận giữa các nhà khai thác. ....................................................... - 82 -

4.3 Lựa chọn thiết bị........................................................................................................ - 84 -

4.3.1 Mô tả ULAP Wi4 của Motorola......................................................................... - 84 -

4.3.2 Cấu hình một số dịch vụ..................................................................................... - 92 -

4.4 Kết luận ................................................................................................................. - 96 -

PHẦN KẾT LUẬN ............................................................................................................. - 97 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... - 98 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Các chuẩn của IEEE 802.16 ................................................................................. - 5 -

Hình 2.2: Mô hình mạng Mesh trong WiMAX..................................................................... - 8 -

Hình 2.3 :Mô hình ứng dụng WiMAX cố định ................................................................... - 13 -

Hình 2.4: Mô hình ứng dụng WiMAX di động................................................................... - 14 -

Hình 2.5. So sánh giữa FDM và OFDM.............................................................................. - 22 -

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ................................................................................ - 23 -

Hình 2.7. Khái niệm về chuỗi bảo vệ .................................................................................. - 24 -

Hình 2.8. ISI và cyclic prefix .............................................................................................. - 25 -

Hình 2.9. Tách chuỗi bảo vệ................................................................................................ - 25 -

Hình 2.10. ODFM và OFDMA ........................................................................................... - 27 -

Hình 2.11 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA ............................................... - 28 -

Hình 2.12. Biểu đồ tần số thời gian với 3 ngƣời dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bƣớc nhảy với

4 khe thời gian ..................................................................................................................... - 29 -

Hình 2.13. 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau...................................... - 29 -

Hình 2.14. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM................................................................. - 30 -

Hình 2.15. Mẫu tín hiệu dẫn đƣờng trong OFDMA............................................................ - 31 -

Hình 2.16 Điều chế thích ứng.............................................................................................. - 31 -

Hình 2.17. MISO ................................................................................................................. - 34 -

Hình 2.18. MIMO................................................................................................................ - 35 -

Hình 2.19. Beam Shaping.................................................................................................... - 35 -

Hình 2.20. AAS đƣờng xuống............................................................................................. - 36 -

Hình 3.1. Mô hình tham chiếu............................................................................................. - 37 -

Hình 3. 2 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 ........................ - 38 -

Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp ................................................................................... - 38 -

Hình 3.4. Định dạng MAC PDU ......................................................................................... - 42 -

Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung ............................................................ - 42 -

Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông ................................................................... - 44 -

Hình 3.7 Cấu hình PMP....................................................................................................... - 49 -

Hình 3.8 Cấu hình mesh ...................................................................................................... - 50 -

Hình 3.9 Mô hình truyền thông của WiMAX ..................................................................... - 51 -

Hình 3.11 Các thực thể và nhóm chức năng trong mạng .................................................... - 53 -

Hình 3.12 Quá trình vào mạng ............................................................................................ - 56 -

Hình 4.1 Bản đồ hành phố Thái nguyên.............................................................................. - 59 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

vii

Hình 4.2. Cellular Backhaul. .............................................................................................. - 61 -

Hình 4.3 WSP Backhaul..................................................................................................... - 61 -

Hình 4.4 Mạng ngân hàng .................................................................................................. - 62 -

Hình 4.5 Mạng giáo dục ...................................................................................................... - 63 -

Hình 4.6 Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng..................................................... - 63 -

Hình 4.7 Kết nối nhiều khu vực .......................................................................................... - 64 -

Hình 4.8 Các công trình xây dựng....................................................................................... - 64 -

Hình 4.9 Các khu vực công cộng ........................................................................................ - 65 -

Hình 4.10 Mạng truy nhập WSP ......................................................................................... - 66 -

Hình 4.11 Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh..................................................... - 67 -

Hình 4.12. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhau ............................................... - 68 -

Hình 4.13: Triển khai mạng truy cập WiMAX ................................................................... - 82 -

Hình 4.14: Nhiễu kênh lân cận đƣờng lên từ MS ô Macro đến BS ô Micro....................... - 83 -

Hình 4.16: Cấu hình cell điển hình (4 sector) ..................................................................... - 85 -

Hình 4.17: Module thuê bao ngoài trời ............................................................................... - 86 -

Hình 4.18 : Cấu hình đa sector của ULAP .......................................................................... - 87 -

Hình 4.19 Dịch vụ truyền file FTP..................................................................................... - 93 -

Hình 4.20 Dịch vụ duyệt Web internet................................................................................ - 94 -

Hình 4.21 Dịch vụ VOIP PC-to-PC .................................................................................... - 95 -

Hình 4.22: Dịch vụ VOIP với VOIP server và Voice Gateway (TNPT) ........................... - 95 -

Hình 4.23 Dịch vụ Game trực tuyến.................................................................................... - 96 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh các chuẩn 802.16 ..................................................................................... - 8 -

Bảng 2.2: các định dạng đã chứng nhận của điễn đàn WiMAX ......................................... - 11 -

Bảng 2.3 Thông số điều chế OFDM.................................................................................... - 32 -

Bảng 3.1. Các trƣờng tiêu đề MAC chung .......................................................................... - 42 -

Bảng 3.2. Các trƣờng tiêu đề MAC yêu cầu dải thông........................................................ - 44 -

Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 ........................................................................ - 48 -

Bảng 4.1: Tính toán quỹ đƣờng lên cho dịch vụ tiếng 128kbps.......................................... - 72 -

Bảng 4.2: Tính toán quỹ đƣờng xuống cho dịch vụ số liệu 2048kbps................................ - 73 -

Bảng 4. 3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính............................................................. - 75 -

Bảng 4.4: Nhu cầu trung bình giờ cao điểm của ngƣời sử dụng ......................................... - 76 -

Bảng 4.5: Kết quả quy hoạch dung lƣợng ........................................................................... - 77 -

Bảng 4.6: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP .......................................... - 88 -

Bảng 4.7: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP ................................................................ - 89 -

Bảng 4.8: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao .............................................. - 90 -

Bảng 4.9: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP ..................................................................... - 91 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ix

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAA

Authentication, authorization and

Account

Nhận thực, cấp phép và lập

tài khoản

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line

Đƣờng dây thuê bao bất đối

xứng

AES-CCM

AES-CCM-based authenticated.

encryption

Thuật toán bảo mật mã hoã

nhật thực

AMC Adaptive Modulation and Coding

Điều chế và mã hóa thích

ứng

ARPU Average Revenue Per User

Chỉ số doanh thu bình quân

của một thuê bao/tháng

ASN gateway Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

BS Base Station Trạm gốc