DSpace at VNU: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạng truy nhập không dây WiMax và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

1

§¹i häc quèc gia Hμ néi
Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ

Lê Anh Dũng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY WIMAX
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
Ngμnh
: C«ng nghÖ ®iÖn tö - viÔn th«ng
Chuyªn ngμnh : Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vμ th«ng tin liªn l¹c
M· sè
: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc:

TS. NGÔ THÁI TRỊ

Hà Nội – 2007


2

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ
mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần như tất yếu trong các thiết bị
cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị kỹ thuật số

khác. Với các tính năng ưu việt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển
khai nhanh chóng, giá thành ngày càng giảm.
Xu hướng kết nối không dây (vô tuyến) ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối
mạng máy tính. Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm
và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ
truy nhập Internet không dây đã trở nên phổ cập, bạn có thể ngồi ở bất cứ nơi đâu
và truy nhập Internet từ máy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết
nối không dây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP. Các công nghệ hiện tại đã đem
đến cho người sử dụng những khả năng kết nối không dây thật hoàn hảo. Ví như
Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet không dây, điện thoại di
động...
Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện nay còn hạn chế và
chưa thật sự liên thông với nhau. Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là các hotspot
thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác. Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc
độ băng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn. Đó chính là WiMAX (Worldwide
Interoperability Microwave Access). Nó cũng được biết đến như là IEEE 802.16.
WiMAX là một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho mạng không
dây điểm- đa điểm. Là giải pháp cho mạng đô thị không dây băng rộng với phạm vi
phủ sóng tới 50km và tốc độ bit có thể lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính
cell từ 2-9km.
Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối
trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông
tương đương xDSL, trục T1/E1 phổ biến hiện nay. Công nghệ WiMax đang là xu
hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây
băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động. Chất lượng dịch vụ
được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử


3

dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép. WiMax thực sự đang được các
nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quan tâm.
Nhận thấy Wimax là công nghệ mới có nhiều ứng dụng ở các nước trên thế giới
cũng như tại Việt nam trong tương lai, vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax và khả năng ứng dụng tại
Việt Nam”.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 5 chƣơng nhƣ sau :
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây.
Chƣơng 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn 802.16a.
Chƣơng 3: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng
không dây WiMax.
Chƣơng 4: Xây dựng chương trình Matlab để mô phỏng BER trong hệ
thống WiMax.
Chƣơng 5: Khả năng ứng dụng WiMax tại Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu luận văn này được xây dựng trên cơ sở những kiến thức
đã được tiếp thu trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa Điện tử Viễn thông Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng như thời gian công tác tại
Tổng Công ty truyền thông đa phương tiện (VTC).
Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có giới hạn, do vậy luận văn chỉ tập trung
nghiên cứu, đi sâu về một số vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng không dây
cố định (FBWA), đặc biệt là suy hao đường truyền vô tuyến của WiMax. Hơn nữa,
do khả năng hạn chế của bản thân, bài luận văn này không tránh khỏi có những sai
sót, tác giả mong được sự góp ý chỉ bảo của các Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Ngô Thái Trị - TT tin
học và đo lường, Đài THVN đã giúp đỡ tận tình và có nhiều góp ý, cùng nhiều tài
liệu bổ ích để bản luận văn này được hoàn thành. Tác giả cũng xin chân thành cảm
ơn các Thầy Cô giáo Khoa Điện tử viễn thông thuộc Đại học Công Nghệ - ĐH
Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho tác giả trong khóa học
vừa qua. Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, các bạn học cùng lớp đã
có những lời động viên quí báu trong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này.
Hà Nội, ngày .... tháng ..... năm 2007

Học viên


4

Lê Anh Dũng

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN KHÔNG DÂY [2]
Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các
loại hình dịch vụ cung cấp như: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử,
truyền file,... là sự thúc đẩy cho sự xuất hiện của hàng loạt các chuẩn không dây.
Hiện nay, căn cứ vào phạm vi sử dụng, tốc độ kết nối, chúng ta có những chuẩn
không dây tương ứng với các mô hình mạng truyền thống.

Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây
- Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Được ứng dụng trong phạm vi
gia đình, hoặc trong không gian xung quanh cá nhân nào đó, tốc độ truyền dẫn trong
nhà có thể đạt 480 Mb/s trong phạm vi 10m. Trong mô hình mạng WPAN, có sự
xuất hiện của các công nghệ Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15 (Institute for


5

Electrical and Electronics Engineers). Hiện nay 802.15 này đang được phát triển
thành 802.15.3 được biết đến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông.
- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 bao
gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải
pháp vǎn phòng di động, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực

công cộng như văn phòng, khách sạn hay các sân bay. Tại Việt Nam WLAN đã
được triển khai ứng dụng ở nhiều nơi. Công nghệ này cho phép người sử dụng có
thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với
phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống.
- Mạng WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Sử dụng chuẩn IEEE
802.16, được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày 8/2002, định
nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô
thị. Việc đưa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng
rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km
và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với
đường truyền cáp hoặc ADSL.
- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): Hệ thống WWAN được triển khai
bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng ký trước
với cơ quan chức năng và sử dụng chuẩn mở như AMPS, GSM, TDMA và CDMA.
Khoảng cách hàng trăm km, tốc độ từ 5 kb/s đến 20 kb/s. Trong tương lai, các kết
nối WirelessWAN sẽ dùng chuẩn 802.20 để thực hiện các kết nối diện rộng.

1.2. KIẾN TRÚC CHUNG CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 VÀ
802.16 [7]
Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớp điều khiển
truy nhập môi trường - MAC (Medium Access Control) cho truy nhập băng rộng
không dây cố định - FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) cho phạm vi mạng
khu vực đô thị - MAN (Metropolitan Area Network).
Hình 1.2 minh hoạ vị trí của các chuẩn IEEE 802.11 và 16 trong hệ thống các


6

chuẩn IEEE 802.

Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802.xx

1.3. CÔNG NGHỆ WIFI [2,7]
1.3.1. Giới thiệu
Subscriber
Gateway

RADIUS AAA
Server
Billing System

INTERNET

SHDSL

SHDSL

Hotspot

Hotspot

CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT

CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT

CISCO AIRONET 350 SERIES

WIRELESS ACCESS POINT

AP

AP

AP

AP
CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT

CISCO AIRONET 350 SERIES
WIRELESS ACCESS POINT

AP

AP

Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình
WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến
mạng Internet và các mạng Intranet. Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong
một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trường đại học... Một hệ thống


7

WLAN có thể được tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng. Tốc độ đạt được trong
WLAN cần phải được hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đường trục.
Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là:

- Trạm gốc không dây (WBS) hay còn gọi là AP (Access Point)
- Khối giao tiếp người sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE.
 AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải được đấu nối với mạng
của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet. Thông thường AP được
đấu với Router, Hub hoặc Switch để được cấp một địa chỉ IP riêng. Sau đó kết
nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn
thông dụng như cáp quang, cáp đồng hoặc viba. AP có khả năng chuyển đổi
tín hiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dạng tín hiệu số tương
thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến. AP bao gồm một bộ thu phát
(Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller) thực hiện các chức năng chủ
yếu như:
 Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác, giao diện vô
tuyến hướng phía khách hàng.
 Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến, chứng thực
giao diện kết nối với khách hàng.
 Quản trị tài nguyên vô tuyến.
 Đăng ký khối giao diện người sử dụng.
 Định tuyến, tính cước.
 Duy trì và chuyển đổi giao thức, mã hoá và giải mã, nén và giải nén.
 CPE là thiết bị đặt ở phía khách hàng, nó có một địa chỉ ngoài như là một node
trên mạng và nhiều địa chỉ trong để cung cấp cho mạng LAN của khách hàng.
CPE tiếp nhận luồng tín hiệu số từ các AP và chuyển đổi chúng thành dạng tín
hiệu tương thích với các thiết bị đầu cuối của khách hàng (tương tự hoặc số).
CPE cũng bao gồm một bộ thu phát và các thiết bị phụ trợ thực hiện một số
chức năng như:
 Cung cấp giao diện vô tuyến hướng tới trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ.


8

 Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng.
 Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn

1.3.2. Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu
 Chuẩn IEEE 802.11: IEEE 802.11b định nghĩa lớp vật lý và lớp con MAC cho
việc truyền tin qua mạng LAN không dây dùng chung. Tại lớp vật lý, IEEE 802.11b
hoạt động tại tần số vô tuyến 2,45GHz với tốc độ bit tối đa là 11 Mbps. Nó sử dụng
công nghệ truyền dẫn trải trải phổ dãy trực tiếp (DSSS).
 Chuẩn IEEE 802.11g: Do IEEE phát triển, những mạng dùng chuẩn 802.11b cho
phép dữ liệu được truyền với dung lượng tối đa 10 megabit/giây (trung bình là 4
Mbps). Chuẩn mới hơn là IEEE 802.11g cho phép truyền dữ liệu với dung lượng
cao nhất - 54 Mbps (trung bình 22 Mbps). Cả hai chuẩn này đều dùng băng tần 2,4
GHz và hoạt động tương tác.
 Chuẩn IEEE 802.11a: Chuẩn IEEE 802.11a hoạt động trong dải tần 5 GHz, tạo
cho các kết nối sử dụng chuẩn 802.11a ít bị ảnh hưởng hơn đối với sự giao thoa
sóng điện từ mà các kết nối sử dụng chuẩn 802.11b, 802.11g hoạt động ở tần số 2,4
GHz có thể gây ra. Bởi dải tần 2,4 GHz thường được dùng trong công nghiệp, y tế,
và sử dụng trong các thiết bị gia đình. Bảng 1.1 dưới đây sẽ so sánh các chuẩn IEEE
802.11:
Chuẩn

Tần số

Tốc độ

IEEE 802.11

900 MHz

2 Mbps

IEEE 802.11b

2,4 GHz
900 MHz

11 Mbps

Ghép kênh

Ghi chú

FHSS
DSSS
FHSS

Được sử dụng phổ biến

DSSS

nhất

IEEE 802.11a

5 GHz

54 Mbps

OFDM

IEEE 802.11e

5 GHz UNII

54 Mbps

OFDM

IEEE 802.11g 2,4 GHz ISM

54 Mbps

Mới hơn, nhanh hơn,
dùng tần số cao hơn

DSSS

Nhanh hơn và tương

FHSS

thích với 802.11b


9

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt:
1. TS. Trịnh Anh Vũ (2005), Giáo trình thông tin di động.
Tài liệu tiếng Anh:

2. Aditya Agrawal (Apr, 2003), “802.16a: The Right Technology at the Right Place
at the Right Time”, WiMAX™ Forum.
3. Arunabha Ghosh and David R. Wolter (Feb, 2005), “Broadband Wireless Access
with WiMax/8O2.16:Current Performance Benchmarks and Future Potential”,
IEEE Communications Magazine.
4. Boscher Christophe (2006), “WiMAX - making ubiquitous high-speed data
services a reality”, Strategy white paper of Alcatel.
5. Daniel Larsson (Dec, 2006), “Analysis of channel estimation methods for
OFDMA”, Master of Science Thesis Stockholm, Sweden.
6. Daniel Sweeney (2006), WiMax Operator’s Manual Building 802.16 Wireless
Networks (Second Edition), Apress USA.
7. Deepak Pareek (Jun, 2006), The Business of WiMAX, John Wiley & Sons Ltd.,
India.
8. Eugene Crozier, “WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments”,
Wimax forum.
9. FIPS PUB 197 (Nov, 2001), Advanced Encryption Standard (AES), National
Institute of Standards and Technology.
/>10. Hassan Yaghoobi (2004), “Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16
WirelessMAN”, Intel® Technology Journal.
11. IEEE Std 802.16-2001 (2001), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband
Wireless Access Systems, IEEE Press.


10

12. IEEE Std 802.16a -2003 (2003), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband
Wireless Access Systems. Amendment 2: Medium Access Control Modifications
and Additional Physical Layer Specifications for 2.3 GHz, IEEE Press.
13. IEEE Std 802.16-2004 (2004), Part 16: Air Interface for Fixed Broadband
Wireless Access Systems, IEEE Press.

14.

IEEE 802.16d-2004 (May, 2004), Draft IEEE Standard for Local and

Metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless
Access Systems, IEEE Press.
15. IEEE Std 802.16e-2005 (Feb, 2006), Part 16: Air Interface for Fixed and
Mobile Broadband Wireless Access Systems. Amendment 2: Physical and Medium
Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed
Bands, IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques
Society.
16. Michael F. Finneran (Jan, 2004), A Comparison of Technologies Markets and
Business Plans, dBrn Associates Inc.
17.
Mohammad Azizul Hasan (Jun, 2007), Performance Evaluation of
WiMAX/IEEE 802.16 OFDM Physical Layer, Helsinki University of Technology.
18. Nortel (2006), “Considerations for deploying mobile WiMAX at various
frequencies”.
19. Rappaport (2004), Wireless Communications. Principles and Practice, IEEE
Transactions on communications.
20. Ron Olexa (2005), Implementing 802.11 and 802.16 and 802.20 Wireless
Networks Planning. Troubleshooting and Operations, Elsevier Inc.
21.
Sen Xu - Manton Matthews - Chin Tser Huang (Mar, 2006), Security Issues
in Privacy and Key Management Protocols of IEEE 802.16, Department of
Computer Science and Engineering - University of South Carolina Columbia, SC
29208, USA.
/>22. Terry Wason (2006), WiMAX Networks, Wi-LAN Inc.

11

23. Technology Whitepaper (2005), Wi-Fi and WiMAX: Open Standards for
Broadband, Tropos Networks Inc.
24. Timu Smura (2004), “Techno-economic analysis of IEEE 802.16a-based fixed
wireless access networks”, Thesis submitted in partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science in Helsinki University of
Technology.
25.

WiMAX Forum™ (2004), “Business Case Models for Fixed Broadband

Wireless Access based on WiMAX Technology and the 802.16 Standard”.
26. WiMAX Forum™ (Feb, 2006), “Mobile WiMAX - Part I: A Technical
Overview and Performance Evaluation”.
27. William Mehuron (Oct, 1999), Data Encryption Standard (DES), National
Institute of Standards and Technology.
/>Các trang Web tham khảo:
28. />29. />30. />31. />32. />33. />34. />35. />36. />37. />38. />39. />40. />

12

41. />513&ref=rssfeed&id=mostDownloadedFiles
42. />43. />44. />