tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật CÔNG NGHỆ WIMAX và ỨNG DỤNG tại THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN XUÂN THÔNG
CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ
ỨNG DỤNG TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 605270
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN VĂN KHANG
Thái Nguyên, 2011
1
2
Luận văn được hoàn thành tại: Đại học kỹ thuật công nghiệp - ĐH
Thái nguyên
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Khang
Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà
Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn họp tại: Đại
học kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên
Ngày 22 tháng 12 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện Đại học Thái Nguyên
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Wimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dây
bằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cách
rất lớn, Wimax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép
kênh chia theo tần số trực giao.
Việc sử dụng công nghệ Wimax đem lại nhiều lợi ích, nhất là

ở khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và những nơi dân cư đông
đúc khó triển khai hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng
Việc nghiên cứu công nghệ WIMAX và các giải pháp triển
khai thực tế là một yêu cầu cấp thiết đối với các nhà nghiên cứu và
cung cấp dịch vụ.
Nội dung chính
Bố cục của luận văn gồm 4 chương:
Chương I: Trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương II: Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng truy
nhập Wimax, cơ sở về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹ
thuật triển khai trong Wimax.
Chương III: Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình tham
chiếu, cấu trúc của mạng Wimax.
Chương IV: Trình bày phương pháp tính toán thiết kế mạng
Wimax áp dụng cho thành phố Thái Nguyên.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu tổng quan và các đặc điểm chính, then chốt của
mạng truy nhập băng rộng Wimax
Tính toán vùng phủ, đưa ra phương án quy hoạch hệ thống
mạng truy nhập băng rộng Wimax cho thành phố Thái Nguyên
1
CHƯƠNG II. CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP
BĂNG RỘNG WIMAX
Tổng quan về WiMAX
WiMAX (là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích
toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN. Họ
802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung
giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm
về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường
(MAC) và lớp vật lý (PHY).

Các đặc điểm của WiMAX
Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km
Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.
Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền
tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền bị che khuất NLOS.
Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz.
Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường
lên và xuống.
WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK,
QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như
ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã
từ 1/2 đến 7/8.
Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz
được chia thành nhiều băng con. Cho phép sử dụng cả hai công nghệ
TDD (time division duplexing) và FDD (frequency division
duplexing)
Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con.
2
Chuẩn IEEE 802.16
WiMAX dựa trên tiêu chuẩn 802.16 của IEEE và HiperMAN
của ETSI.
IEEE 802.16-2001:
IEEE802.16 Con 1-2003
IEEE 802.16 Con 2-2003
IEEE 802.16a.
IEEE 802.16b: IEEE 802.16c.
IEEE 802.16-2004 hay IEEE 802.16d
IEEE 802.16e.
IEEE 802.16j
802.16m

Bảng 2.1: So sánh các chuẩn 802.16
802.16 802.16a 802.16d 802.16e
Phổ (GHz) 10 – 66 2 – 11 2 – 11 2 – 6
Cấu hình Trực xạ Không
trực xa
Không
trực xạ
Không trực
xạ
Tốc độ bit 32 – 134
Mbps
Kênh 28
MHz
75 Mbps
Kênh 20
MHz
<=70
MHz
Kênh 20
MHz
15 Mbps
(max 75
Mbps)
Kênh 5 MHz
Điều chế
QPSK,
16QAM,
64QAM
OFDM
256 sóng

mang con
QPSK ,
16QAM ,
64QAM
OFDM 256
sóng mang
con, BPSK
QPSK ,
16QAM,64
QAM
OFDM
512/1024/204
8
BPSK,QPSK ,
16QAM ,
64QAM
Tính di dộng Cố định Cố định Cố định Di động
Băng thông
(MHz)
20, 25 ,28 1.5 tới 20 1.25 tới 20 1.5 tới 20
Bán kính
cell
2 – 7 km 7-10 km
max 50
2 -7 km 2 -7 km
3
WiMAX 802.16-2004.
WiMAX 802.16e.
Các định dạng của diễn dàn WiMAX
Dải phổ:

Băng tần cấp phép: 2.3 – 2.6 GHz và 3.3 – 3.6 GHz
Băng tần không cấp phép 5.7 -5.8 GHz
Song công. TDD và FDD.
Độ rộng kênh. Những định dạng ban đầu được hạn chế cho
3,5 MHz và 7 MHz trong phổtần được cấp phép khi chúng là các
kênh có phổ thông dụng được phân bổ trong băng tần 3,5 GHz.
Tiêu chuẩn IEEE. Các định dạng của 802.16-2004 sử dụng
OFDM với 256 sóng mang. Các định dạng của 802.16e hầu như chắc
chắn dựa trên SOFDMA. Chỉ tiêu chuẩn này mới hỗ trợ tính di
động.
Bảng 2.2: các định dạng đã chứng nhận của điễn đàn WiMAX
Tần số
(MHz)
Song
công
Băng thông
kênh (MHz)
Ký hiệu
định dạng
Ghi chú
3400-3600 TDD 3.5 3.5T1 Hiện tại
3400-3600 FDD 3.5 3.5 F1 Hiện tại
3400-3600 TDD 7 3.5T2 Hiện tại
3400-3600 FDD 7 3.5 F2 Hiện tại
5725-5850 TDD 10 5.8T Hiện tại
2300-2600 TDD 5.0/5.5 2.5 T1 Tương lai
2300-2600 FDD 5.0/5.5 2.5 F1 Tương lai
Các mô hình ứng dụng
Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)
4

Hình 2.3 :Mô hình ứng dụng WiMAX cố định
Mô hình ứng dụng WiMAX di động
Hình 2.4: Mô hình ứng dụng WiMAX di động
Băng tần cho WiMAX:
Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)
Băng 3600-3800MHz:
Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz):
Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz)
Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz):
Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz):
Các kỹ thuật được ứng dụng trong Wimax
- Kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
5
Hình 2.5. So sánh giữa FDM và OFDM
Kỹ thuât OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access-
Đa truy nhập phân tần trực giao) là một công nghệ đa sóng mang
phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM.
Hình 2.10. ODFM và OFDMA
Điều chế
- Điều chế dữ liệu
6
Sau khi đan xen bít, các bít dữ liệu được đưa vào theo thứ tự
tới bộ tạo ánh xạ chùm. QPSK, 16-QAM và 64-QAM theo ánh xạ
Gray được hỗ trợ, trong đó 64-QAM là tùy chọn cho các băng tần
không cấp phép. Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách
ghép chùm điểm với thừa số chỉ thị c để đạt được công suất trung

bình bằng nhau.
Điều chế thích ứng và mã hóa trên mỗi phần sẽ được hỗ trợ
trong đường xuống. Đường lên sẽ hỗ trợ các kiểu điều chế khác cho
mỗi SS dựa trên các bản tin cấu hình burst MAC đến từ BS. Được
gọi là Điều chế và mã hoá thích ứng.
Hình 2.16 Điều chế thích ứng
b. Điều chế OFDM
Thêm các thông tin dẫn đường
Điều chế số(ánh xạ)
Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT
Bảng 2.3 Thông số điều chế OFDM
7
Điều chế cao tần.
Công nghệ sửa lỗi
Điều khiển công suất
Các công nghệ anten tiên tiến
Phân tập thu và phát
Hình 2.17. MISO
Hình 2.18. MIMO
8
- Các hệ thống anten thích nghi
Hình 2.19. Beam Shaping
Hình 2.20. AAS đường xuống
CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ WIMAX
Mô hình tham chiếu
Hình 3.1 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của chuẩn.
Trong mô hình tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp
vật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong
mô hình OSI.
9

Hình 3.1. Mô hình tham chiếu
Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC)
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động
độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến.
Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyên
trên airlink (liên kết vô tuyến).
Lớp con hội tụ MAC
Lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ các
lớp cao thông qua các điểm truy nhập dịch vụ lớp con hội tụ CS SAP
(CS Service Access Point), ánh xạ thành các đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp MAC SDU (Service Data Unit).
Lớp con phần chung MAC
Lớp con phần chung MAC (CPS) hỗ trợ kiến trúc Point-to-
Multipoint. Một trạm gốc BS (Base Station) có thể gửi thông tin đến
các trạm thuê bao SS (Subcrible Station) và nhận thông tin từ các SS.
Lớp con bảo mật
10
Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp
con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý.
Lớp vật lý
Lớp vật lý cung cấp kết nối vô tuyến giữa BS và SS. Chuẩn
IEEE 802.16 định nghĩa các kỹ thuật khác nhau để truyền thông tin
qua môi trường vô tuyến.
Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16
Cấu hình mạng
Cấu hình điểm-đa điểm PMP
Cấu hình mắt lưới MESH
Quá trình vào mạng
Đồng bộ kênh đường xuống
Initial Ranging

Trao đổi các khả năng
Nhận thực
Đăng kí
Kết nối
Tạo kết nối truyền tải
11
CHƯƠNG IV
GIẢI PHÁP MẠNG WIMAX CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN
Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Thái nguyên
Hiện nay, với sự phát triển bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu
tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cập
như: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file,
nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam nói chung và Thái Nguyên
nói riêng đang đòi hỏi là hết sức lớn.
Các khả năng triển khai công nghệ mạng WiMAX
- Mạng dùng riêng
- Các mạng công cộng
Thiết kế mạng Wimax di động cho thành phố Thái Nguyên
- Lựa chọn băng tần
Băng tần 2500 – 2690 MHz (băng 2.5 GHz)
Quy hoạch vùng phủ vô tuyến và dung lượng

Hình 4.12. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhau
Sau khi đã nắm được yêu cầu về vùng phủ sóng, tiếp theo ta
có thể tiến hành quy hoạch vùng phủ, trong việc quy hoạch vùng phủ
vô tuyến này vấn đề cần xem xét chủ yếu như sau:
Lựa chọn mô hình truyền sóng
Tính toán quỹ đường truyền
12
Quy hoạch vị trí cell

Cụ thể ta sẽ đi từng bước như sau:
Mô hình truyền sóng
Mô hình Hata-Okumura
Vùng thành phố:
Lp = 69,55 + 26,16lgfMHZ - 13,82lghb - a(hm) + (44,9 -
6,55lghb)lgR [dB]
Trong đó:
fc: Tần số sóng mang (MHz).
Lp: Tổn hao trung bình (dB).
hb: Độ cao anten của trạm gốc (m).
hm : Độ cao anten của máy đi động
a(hm): Hệ số điều chỉnh cho độ cao của anten của trạm di
động (dB).
R: Khoảng cách giữa anten của trạm di động MS và anten
của trạm gốc (Km).
Dải thông số áp dụng cho mô hình Hata như sau:
150
≤
fc < 2500 MHz
30
≤
hb
≤
200m
1
≤
hm
≤
10m
1

≤
R
≤
20Km
Trong đó a(hm) được tính như sau:
- Đối với thành phố vừa và nhỏ:
a(hm) = (1,11gfc - 0,7)hm - (1,56lgfc - 0,8) [dB]
- Đối với thành phố lớn:
13
a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 - 1,1[dB] fc
≤
200MHz
hay a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97[dB] fc
≤
400MHz
Vùng ngoại ô:
Lp = Lp (thành phố) - 2 {lg(fc/28 )2 - 5,4} [dB]
Vùng nông thôn:
Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33lgfc - 40,49 [dB]
Mô hình Cost231 Hata.
Công thức cho mô hình này như sau:
L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55
log(hb))log(d) + c
Trong đó: c = 13 cho vùng thành phố lớn
c = 0 cho vùng thành phố
c = - 12 cho vùng ngoại ô
c = - 27 cho vùng nông thôn
Quỹ đường truyền
Dự trữ nhiễu (Interference Margin):
Dự trữ fading nhanh (fast fading margin):

Độ lợi chuyển giao mềm (soft handover gain):
Quỹ đường lên
Tính toán vùng phủ sóng và dung lượng
Số lượng cell bị giới hạn bởi cả vùng phủ và dung lượng, vì
vậy cần tiến hành hai bước quy hoạch này để xác định các giới hạn
về số lượng cell. Sau đó, cần điều chỉnh các giá trị đến mức hợp lý
để đạt sự hài hòa về vùng phủ và dung lượng để có giới hạn cuối
cùng.
Phương án tính số cell theo quy hoạch vùng phủ
Tính toán vùng phủ sóng áp dụng cho các vùng đặc thù sau:
14
Diện tích đô thị: 65Km2
Diện tích ngoại ô: 124Km2
Mật độ điện thoại 88 thuê bao/100 dân
Internet đạt 2,4 thuê bao/100 dân
Thuê bao di động Wimax dự đoán: 10000
Để tính quỹ đường truyền, cần xây dựng các mô hình truyền
sóng thích hợp và các thừa số hiệu chỉnh đặc trưng cho mỗi vùng
phủ. Tuy nhiên, với mục đích là đơn giản hoá mô hình hệ thống nên
giả thiết rằng sử dụng một mô hình truyền sóng duy nhất là Cost 231
- Hata:
L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55
log(hb))log(d) + c
Trong đó: c = 0 cho vùng đô thị
c = - 12 cho vùng ngoại ô
f = 2500Mhz (2495Mhz – 2690Mhz)
h
b
= 32 m
h

m
= 1.5m
Với tổn thất đường truyền tối đa cho phép của đường xuống số
liệu 2048kb/s và đường lên dịch vụ tiếng 128 kb/s là: 138,02(dB) và
140,37dB.
Bảng 4.3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính
Cấu hình cell Omni 2 Sector 3 Sector 4Sector 6 Sector
Diện tích cell 2,6R
2
1,3 R
2
1,95 R
2
2,6 R
2
2,6 R
2
Số cell = diện tích vùng / diện tích cell
Kết quả tính toán quy hoạch vùng phủ được tổng kết ở bảng
dưới đây:
15
Thông số Vùng thành phố Vùng ngoại ô
Diện tích vùng phủ (km
2
) 65 124
Tiếng
Tổn hao cực đại 140,37 140,37
Bán kính cell (R) 1 2.3
Diện tích cell 2.6 13.8
Số cell 26 9

Số liệu
Tổn hao cực đại 138,02 138,02
Bán kính cell 0.8 2
Diện tích cell 1.8 10.1
Số cell 36 12
Hỗn
hợp
Tổng số cell 83
Phương án tính số cell theo quy hoạch dung lượng
Bảng 4.4: Nhu cầu trung bình giờ cao điểm của người sử dụng
Thông số Khu ô thị Ngoại ô
Tỷ lệ thuờ bao 72% 28%
Số lượng thuê bao 7200 2800
Tiếng
Tốc độ 128 kb/s 128kb/s
Giờ cao điểm 90 giây 90 giây
Số liệu
Tốc độ 2048 kb/s 2048 kb/s
Giờ cao điểm 100 Mb 200 Mb
Kết quả tính toán cho quy hoạch dung lượng như trong bảng 3.7.
Bảng 4.5: Kết quả quy hoạch dung lượng
16
Thông số Khu đô thị Ngoại ô
Tỷ lệ thuê bao 72% 28%
Số thuê bao 7200 2800
Tiếng
Tốc độ bít 128 kbps 128 kbps
Giờ cao điểm 90 giây 90 giây
Tốc độ trung bình = (Tốc độ bit x Thời gian sử dụng giờ
cao điểm)/3600

Tốc độ
T. bình
3,2 kbps 3,2 kbps
Số liệu
Tốc độ bít 2048 kbps 2048 kbps
Giờ cao điểm 100 Mb 200 Mb
Tốc độ trung bình = (Dung lượng sử dụng giờ cao điểm x
1,1)/3600
Tốc độ
T. bình
30,56 kbps 61 kbps
Tốc độ T. bình tổng 33,76 kbps 64,2 kbps
Dung lượng cell 48000 kbps 48000 kbps
Số người sử dụng/cell 1422 748
Số cell 5 4
Tổng số cell 9
Như vậy theo quy hoạch dung lượng thì cần 9 cell (mỗi cell có
dung lượng 48000 kbps) để đáp ứng nhu cầu về dung lượng của
người sử dụng.
Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến
Sau khi chúng ta đã lập được quy hoạch mạng vô tuyến, ta cần
tiến hành quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến: Định cỡ các phần tử
mạng WiMAX.
17
Định cỡ các phần tử mạng truy nhập vô tuyến WiMAX gồm
các nội dung:
Định cỡ BS
Định cỡ mạng lõi và hệ thống quản lý
Quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến WiMAX
Sau khi xác định vị trí và số lượng các BS và các phần tử

mạng lõi, cần tiến hành quy hoạch truyền dẫn.
Quy hoạch mạng lõi
- Định cỡ các giao diện trong mạng lõi CN
- Quy hoạch truyền dẫn trong mạng lõi CN.
Lựa chọn thiết bị
ULAP Wi4 của Motorola
Cấu hình một số dịch vụ
Các dịch vụ dữ liệu
Dịch vụ thoại trên nền IP
Dịch vụ VoIP là dịch vụ gọi giữa PC với PC.
Dịch vụ VOIP với VOIP Server và Voice Gateway
Dịch vụ game tương tác
18
PHẦN KẾT LUẬN
Luận văn “CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG TẠI
THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN” đã nghiên cứu được những nội
dung chính sau:
Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng truy nhập Wimax,
cơ sở về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹ thuật triển
khai trong Wimax.
Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình tham chiếu, cấu
trúc của mạng Wimax.
Trình bày phương pháp tính toán thiết kế mạng Wimax áp
dụng cho thành phố Thái Nguyên.
Việc triển khai Wimax cho mạng truy nhập băng thông rộng sẽ
đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và khắt khe của các đối tượng
khách hàng.
Hướng phát triển:
Công nghệ Wimax là công nghệ hứa hẹn khả năng phát triển
tại Thái Nguyên nói riêng và Việt Nam nói chung. Tuy nhiên do có

những đặc điểm riêng nên khi đưa vào triển khai cần tính toán, thiết
kế chi tiết, đầy đủ.
Nội dung của luận văn mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu
tổng quan và tính toán thiết kế trên lý thuyết. Vì vậy hướng phát triển
tiếp theo là nghiên cứu vấn đề bảo mật trong Wimax, các vấn đề về
điều chế và anten đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế đánh giá
kết quả để đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống mạng hiệu quả.
Trong quá trình nghiên cứu mặc dù đã rất cố gắng nhưng luận
văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của các thầy, cô và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện
hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
19