TRƯỜNG ………………….
KHOA……………………….
[\[\ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu tiêu chuẩn
802.16e và ứng dụng triển
khai trên mạng nội hạt
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ truyền thông vô
tuyến băng rộng qua khoảng cách xa, nhiều công nghệ nổi lên như để chứng tỏ tiềm năng
và tính khả thi của mình như công nghệ DSL, ADSL, WiFi. Nhưng cho tới nay tất cả
những công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đáp ứng
được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng…
WiMAX nói chung và đặc biệt là WiMAX di động nói riêng với những đặc tính vượt trội
đã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truy nhập về
mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thu hút được
sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy sự hoàn
thiện của công nghệ mới này.
1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động 15
1.4 Kỹ thuật truyền thông số 16
1.4.1 Mô tả lớp vật lý 16
1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM 16
1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 19
1.4.1.3 SOFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA) 22
1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA 23
CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG 26
2.1 Cấu trúc khung TDD 26
2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 28
2.3 Mô tả lớp MAC (Media Access Control) 30
2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC 32
2.3.2 Hỗ trợ QoS 33
2.3.3 Quản lý nguồn 35
2.3.4 Quản lý di động 36
2.3.5 Bảo mật 37
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 3 -
2.3.6 Truy nhập kênh truyền 38
2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 39
2.4.1 Công nghệ anten thông minh 39
2.4.1.1 MIMO 39
2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh 40
2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 42
2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) 44
2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động 45
2.6 Kiến trúc WiMAX end-end 46
2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng 48
2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng 48
2.6.3 Bảo mật 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 5 -
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động
Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX
Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX
Hình 1.4: Kiến trục mạng WiMAX di động
Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM
Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix
Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tin hiệu điều chế OFDM
Hình 1.8: Miền tần số OFDM
Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM
Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ
Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC
Hình 1.13: So sánh OFDM và OFDMA
Hình 1.14: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA
Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA
Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA
Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e
Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT)
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 7 -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA
Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ
Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động
Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS
Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp
Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO
Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP
Bảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP
Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP
Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao
Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp )
CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung
CQI Channel quality indicator Chỉ thị chất lượng kênh
CQI Channel quality indicator
Một kênh chỉ thị chất lượng
kênh
CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ
CSN Core Service Network Mạng dịch vụ lõi
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
Giao thức cấu hình Host
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 9 -
động
DL Downlink Đường xuống
DL FUSC Fully Used Sub-Carrier
Sóng mang con sử dụng hoàn
toàn
DL PUSC Partially Used Sub-Carrier
Sóng mang con sử dụng một
phần
DOCSIS
Data Over Cable Service Interface
Specification
Dịch vụ truyền data bằng
đường cáp
DSL Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số
EAP Extensible Authentication Protocol
Giao thức xác thực có thể mở
rộng
EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng
FBSS Fast Base Station Switching
để truyền và nhận dữ liệu
MS Mobile Station Trạm di động
NAP Network Access Provider
Nhà cung cấp truy nhập
mạng
NOSL None-light of sight Không theo tầm nhìn thẳng
NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng
NSP Network Service Provider Nhà cung câp dịch vụ mạng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao
PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương
RTG Receive Transition Gap
Khoảng trống chuyển giao
đầu thu
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 11 -
RUIM Removable User Identity Module
Mô đun xác nhận người sử
dụng có thể di chuyển được
WiMAX
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 12 -
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16E VÀ WiMAX DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác
toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên các chuẩn 802.11 và
802.16 của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện các kỹ sư điện
và điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp,
DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém. Hệ thống WiMAX, theo như WiMAX
Forum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đó người sử dụng
có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong đó người sử
dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten
phát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line of sight) và bán kính
cell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line of sight).
Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đáp ứng
các ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di
động. Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứng nhu cầu sử
dụng ngày càng cao của người dùng. Với những thuộc tính vượt trội đặc biệt về tốc độ
đường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khả năng cung ứng di
động tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km, WiMAX di động đang dần
chứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cung cấp giải pháp Internet
băng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờm đối với mạng thông tin di động
3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự như thoại VoIP, Internet di động hay
TV di động.
Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệ WiMAX đã, đang và sẽ xuất
hiện .
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 14 -
Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX
1.2 Mô hình hệ thống
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX hay WiMAX di động tương tự như một mạng điện
thoại di động với 2 phần: Trạm phát và Trạm thu.
Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất
lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000 km
2
Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp hoặc được gắn
thêm trên mainboard của máy tính như card WLAN.
Người dùng có thể truy cập WiMAX di động tại bất cứ địa điểm nào dù là cố định
hay đang di động. Một điểm đáng chú ý đó là các trạm phát do được kết nối với mạng
Internet thông qua các đường truyền Internet tốc độ cao hoặc các trạm trung chuyển theo
đường truyền thẳng LOS nên khả năng phủ sóng của WiMAX là rất rộng. Các anten thu
phát có thể trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS hoặc NLOS. Đối với trường hợp
truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao do vậy tín hiệu thu
được trong trường hợp này rất ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Tuy nhiên đối với
trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như
WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…để
tới đích.
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 15 -
Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX
sử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao. Nó được phát triển từ 2 kĩ thuật
quan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang.
OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mang nhỏ như
được chỉ ra trong hình sau :
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 17 -
Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con song
song với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi
luồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao. Hơn nữa, sự sử dụng
tiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)
miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP là một sự lập lại của một đoạn cuối
của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình:
Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix
Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện”
vòng tròn. Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông do
sử dụng thêm ở phần tiêu đề. CP làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông đi một ít. Do phổ
OFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớn băng thông kênh
được sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng tiền tố vòng
tròn.
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 18 -
Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM
OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sử
dụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn.
Hình 1.8: Miền tần số OFDM
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 20 -
Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá
Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băng
thông an toàn và tải mang DC.
Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang con được
gọi là kênh con. WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL.
Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tone
số liệu (sóng mang con).
Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau. Sự hoán vị
phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con. Sự hoán
vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell. Sự hoán vị
phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mang
con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm. Với DL PUSC, mỗi cặp
ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành các
cluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên
mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau
Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ
Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 21 -
Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster. Một kênh
con trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu và 8 sóng
mang con pilot. Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo
thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là
được biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho
nhiều kênh con.
Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, một cấu trúc tile được xác định cho UL PUSC
mang con.
Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy di
động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ. Ngoài ra, với không gian
sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái
sử dụng. Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn.
Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết một
cách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích.
Scalability thực hiện được do điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảng
cách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz. Do băng thông sóng mang con và độ dài
của ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần. Các tham số S-
OFDMA được mô tả trong bảng. Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triển
bởi nhóm làm việc về kỹ thuật với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng)
Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt
- 23 -
1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA
Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 –
2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụng OFDMA
lại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chất OFDM ít phức
tạp hơn so với SOFDMA.
Hình 1.13: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA
OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lý
các dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau.
Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten toàn hướng và khả
năng truyền NLOS được cai thiện – những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao di
động. Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê bao
khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng. Điều này
sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh con được gán cho một thiết bị thì toàn bộ
công suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đem lại một độ lợi
15dB so với OFDM. Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sử
dụng các kênh rộng.
Copyright: Tài liệu đại học ©