Công nghệ wimax và khả năng ứng dụng tại việt nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Người hướng dẫn : ThS. Cao Thành Nghĩa
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Quân
Lớp

: 47K - ĐTVT

Vinh, 5-2010
1


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN............................................................................................ 7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... 8
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU.................................................................. 10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... 11
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ................................. 16
1.1 Giới thiệu về WiMAX............................................................................... 16
1.2 Đặc điểm của WiMAX ............................................................................. 19
1.2.1 Đặc điểm của WiMAX cố định ( Fixed WiMAX).......................... 19
1.2.2 Đặc điểm của WiMAX di động ( Mobile WiMAX ) ...................... 20

1.2.3 Ưu điểm ........................................................................................... 21
1.2.4 Nhược điểm ..................................................................................... 24
1.3 Các chuẩn của WiMAX ............................................................................ 24
1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 ............................................................. 24
1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a ....................................................................... 25
1.3.3 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 ........................................................... 26
1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e ....................................................................... 26
1.4 Các băng tần của WiMAX ........................................................................ 26
1.4.1 Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới.................... 26
1.4.2 Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX ............. 27
1.5 Truyền sóng ............................................................................................... 29
1.6 Kiến trúc mạng WiMAX ........................................................................... 30
1.6.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN ......................................................... 30
1.6.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN .............................................................. 31
1.6.3 Cấu hình mạng ................................................................................ 32
1.6.4 Q trình vào mạng .......................................................................... 33
1.7 Mơ hình hệ thống WiMAX ...................................................................... 36
2


1.7.1 Mơ hình ứng dụng WiMAX cố định (Fixed WiMAX) ................... 37
1.7.2 Mơ hình ứng dụng WiMAX di động (Mobile WiMAX) ................ 38
1.7.3 Các ứng dụng................................................................................... 39
1.8 Kết luận chương 1 ..................................................................................... 40
Chương 2. CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WIMAX VÀ CÁC
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ................................................................................. 41
2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ................................. 41
2.1.1 Khái niệm ........................................................................................ 41
2.1.2 Sơ đồ khối OFDM ........................................................................... 43
2.1.3 Tạo các ký hiệu OFDM ................................................................... 44

2.1.4 Mô tả ký hiệu OFDM ...................................................................... 45
2.1.5 Nguyên tắc giải điều chế OFDM .................................................... 46
2.1.6 Các thơng số và tín hiệu được phát của ký hiệu OFDM ................. 46
2.1.7 Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .................................. 48
2.2 Đa truy xuất phân chia theo tần số trực giao OFDMA ............................. 50
2.2.1 Khái niệm ........................................................................................ 50
2.2.2 Đặc điểm.......................................................................................... 51
2.2.3 OFDMA nhảy tần ............................................................................ 52
2.2.4 Sơ đồ hệ thống OFDMA ................................................................. 54
2.2.5 Các giao thức OFDMA ................................................................... 55
2.2.6 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và phân kênh con.................................. 56
2.2.7 OFDMA theo tỉ lệ (scalable) ........................................................... 58
2.3 Điều Chế Thích Nghi ............................................................................... 59
2.4 Cơng nghệ sữa lỗi ...................................................................................... 60
2.5 Điều khiển công suất ................................................................................. 60
2.6 Các công nghệ vô tuyến cải tiến trong Wimax ........................................ 60
2.6.1 Phân tập thu và phát ........................................................................ 60
2.6.2 Hệ thống anten thích ứng AAS ....................................................... 61
2.7 Các yếu tố ảnh hưởng trong WiMAX ....................................................... 62
3


2.7.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ................................................. 63
2.7.2 Hiệu ứng đa đường .......................................................................... 63
2.7.3 Dịch Doppler .................................................................................. 67
2.7.4 Nhiễu AWGN .................................................................................. 67
2.8 Kết luận chương 2 ..................................................................................... 68
Chương 3. KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG
WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM ................................... 69
3.1 Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam ..... 69

3.1.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam .................................... 69
3.1.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam ................................. 69
3.2 Các mơ hình triển khai công nghệ mạng WiMAX ................................... 71
3.2.1 Mạng dùng riêng ............................................................................. 71
3.2.2 Các mạng phục vụ cộng đồng ......................................................... 78
3.3 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ............................................... 80
3.4 Tình hình triển khai WiMAX ở Việt Nam ................................................ 82
3.4.1 Tình hình chung .............................................................................. 82
3.4.2 Triển khai thí điểm WiMAX tại Lào Cai ........................................ 84
3.4.3 Một số ý kiến của tác giả……….…………………………………84
3.5 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 91
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 95

4


LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới đang đứng trước sự phát triển không ngừng của khoa học công
nghệ, truyền thông băng rộng đang trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều
lợi ích cho người sử dụng. Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy nhập
Internet, các trò chơi tương tác, hội nghị truyền hình,... thì truyền thơng băng
rộng di động cũng đang được ứng dụng rộng rãi, cung cấp các kết nối tin cậy
cho người sử dụng ngay cả khi di chuyển qua một phạm vi rộng lớn. Trong
đó, truy nhập băng rộng không dây là một lĩnh vực mang lại sự quan tâm đáng
kể của các tổ chức nghiên cứu cũng như các nhà cung cấp thiết bị, các nhà
khai thác mạng. Ngày nay thế giới đang hướng tới tương tác tồn cầu trong
truyền thơng băng rộng khơng dây, điều này không chỉ mang lại sự hội tụ về
truyền thơng tồn cầu mà cịn mang lại nhiều lợi nhuận về mặt kinh tế, giúp
cho việc phát triển khoa học, cơng nghệ, chính trị, văn hóa,… giữa các nước trên

tồn thế giới.
Chúng ta đã biết đến các cơng nghệ truy nhập Internet hiện nay như quay
số qua modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng hoặc sử dụng các
hệ thống vô tuyến như điện thoại di động hay mạng Wi-Fi. Mỗi phương pháp
truy cập có một ưu điểm riêng. Bên cạnh đó vẫn cịn nhiều nhược điểm, chẳng
hạn với Modem thoại thì tốc độ truy nhập quá thấp, ADSL thì tốc độ có thể
lên đến 8Mbps nhưng cần đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì
giá thành thấp và khó triển khai, đặc biệt với các địa hình phức tạp. Hệ thống
thơng tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu
cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như 2.5G cho phép tốc
độ lên đến 171,2Kbps hay EDGE khoảng 300 - 400Kbps cũng chưa đủ đáp
ứng nhu cầu và số lượng người sử dụng ngày càng tăng đối với các dịch vụ
mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy nhập
Internet không vượt quá 2Mbps. Với mạng Wi-Fi chỉ có thể áp dụng cho các
máy tính trao đổi thơng tin khoảng cách ngắn. Đứng trước thực tế đó,

5


WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet khơng dây
tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Hệ thống WiMAX có khả năng
cung cấp đường truyền vô tuyến với tốc độ lên đến 70Mbps và với bán kính
phủ sóng lên đến 50km.
Chính vì những ưu thế đó, em nhận thấy WiMAX là cơng nghệ có tiềm
năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài, cho nên em
chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là “Cơng nghệ WiMAX và khả
năng ứng dụng tại Việt Nam”.
Bố cục đồ án gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về công nghệ WiMAX.
Chương 2. Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX và các yếu tố

ảnh hưởng.
Chương 3. Khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống WiMAX trên
mạng Viễn thông Việt Nam.
WiMAX là một cơng nghệ mới, vì vậy địi hỏi sự nghiên cứu và tìm tịi
nếu các bạn muốn tìm hiểu. Nội dung và kiến thức trong bản đồ án này là sự
tổng hợp những kiến thức trong quá trình học tập, tìm hiểu, nghiên cứu từ các
tài liệu. Vì thời gian có hạn và kiến thức cịn nhiều hạn chế nên bản đồ án này
chắc rằng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp từ các thầy, cô giáo và các bạn đọc.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo
trong khoa Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ và góp ý cho em trong q trình
làm đồ án. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn
ThS. Cao Thành Nghĩa, đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Tiến Quân

6


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đứng trước sự phát triển khơng ngừng của khoa học công nghệ truyền
thông băng rộng đang trở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích
cho người sử dụng, bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ như truy cập
Internet quay số qua modem thoại ADSL hay các đường kênh riêng hoặc
sử dụng các hệ thống điện thoại di động hay mạng Wi-Fi. WiMAX ra đời
nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có
thể thay thế ADSL và Wi-Fi. Đồ án trình bày một cách tóm tắt q trình
phát triển, đặc điểm kỹ thuật, các băng tần, chuẩn, các kỹ thuật điều chế

OFDM và OFDMA, các công nghệ cải tiến trong WiMAX, kiến trúc mạng
WiMAX. Từ đó nghiên cứu khả năng triễn khai và ứng dụng hệ thống
WiMAX trên mạng viễn thông Việt Nam.
In the face of ongoing development of science and technology
communication broadband is becoming essential requirements brought many
benefits to users, in addition to providing services such as Internet access via
modem dial phone ADSL lines or separate channels or use the mobile system
or Wi-Fi network. WiMAX been formed to provide a means to access the
wireless Internet can replace synthetic ADSL and Wi-Fi. Project presented a
summary of the development process, specifications, in depth bands, the
standard, modulation technique OFDM and OFDMA, the WiMAX
technology improvements, comments WiMAX network architecture. Which
studies the ability to deploy WiMAX systems and applications on the network
Vietnam Telecommunications.

7


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng của WiMAX ................................................ 18
Hình 1.2 Các đặc tính của WiMAX ................................................................ 21
Hình 1.3 Kiến trúc mạng WiMAX.................................................................. 32
Hình 1.4 Cấu hình điểm - đa điểm mạng WiMAX ......................................... 32
Hình 1.5 Cấu hình Mesh mạng WiMAX ........................................................ 33
Hình 1.6 Quy trình vào mạng ......................................................................... 36
Hình 1.7 Mơ hình hệ thống WiMAX .............................................................. 37
Hình 1.8 Mơ hình ứng dụng WiMAX cố định ................................................ 38
Hình 1.9 Mơ hình ứng dụng WiMAX di động .............................................. 39
Hình 2.1 So sánh giữa FDM và OFDM .......................................................... 42

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ............................................................. 43
Hình 2.3 Bộ phát OFDM 4 sóng mang ........................................................... 45
Hình 2.4 Miêu tả tần số OFDM ...................................................................... 45
Hình 2.5 Tách chuỗi bảo vệ ............................................................................ 46
Hình 2.6 ODFM và OFDMA ......................................................................... 51
Hình 2.7 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM ............................................... 54
Hình 2.8 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA .......................................... 54
Hình 2.9 Cấu trúc sóng mang con OFDMA ................................................... 57
Hình 2.10 Kênh con phân tập tần số DL ......................................................... 57
Hình 2.11 Cấu trúc tile cho UL PUSC ............................................................ 58
Hình 2.12 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi ............................... 59
Hình 2.13 Ảnh hưởng của mơi trường vơ tuyến ............................................. 63
Hình 2.14 Tín hiệu đa đường .......................................................................... 64
Hình 2.15 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) . 64
Hình 2.16 Trải trể đa đường ............................................................................ 66
Hình 3.1 Cellular Backhaul ............................................................................ 72

8


Hình 3.2 WSP Backhaul ............................................................................... 72
Hình 3.3 Mạng ngân hàng .............................................................................. 73
Hình 3.4 Mạng giáo dục ................................................................................. 74
Hình 3.5 Mơ hình an tồn cho các truy nhập cơng cộng ............................... 75
Hình 3.6 Sử dụng WiMAX cho việc thơng tin liên lạc xa bờ ...................... 75
Hình 3.7 Kết nối nhiều khu vực ..................................................................... 76
Hình 3.8 Các khu vực cơng cộng ................................................................... 78
Hình 3.9 Mạng truy nhập WSP…………………………………………..788
Hình 3.10 Triển khai ở vùng nơng thơn xa xơi hẻo lánh ................................ 80
Hình 3.11 Sơ đồ kết nối tổng thể .................................................................... 87

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối trạm gốc BS ............................................................. 88
Hình 3.13 Sơ đồ kết nối đầu cuối (End-User)................................................. 89
Hình 3.14 Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP .................................................. 90

9


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Các loại dịch vụ của WiMAX ......................................................... 23
Bảng 1.2 Các ứng dụng trong WiMAX .......................................................... 40
Bảng 2.1 Các thông số lớp PHY OFDM-256 ................................................. 48
Bảng 2.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA ............................ 52
Bảng 2.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1
bước nhảy với 4 khe thời gian ......................................................................... 53
Bảng 2.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau .................. 53
Bảng 2.5 Các thông số S - OFDMA ............................................................... 59
Bảng 2.6 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh ................................ 65
Bảng 2.7 Các giá trị trải trễ thông dụng .......................................................... 66
Bảng 3.1 Các thống số kỹ thuật thiết bị WiMAX thử nghiệm tại Lào Cai .... 91

10


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAA

Authentication, authorization
and Account

Nhận thực, cấp phép và tính
cước

AAS

Adaptive Antena System

Hệ thống anten thích nghi

ACK

Acknowledgment

Xác nhận

ARQ

Automatic Retransmission
Request

Yêu cầu truyền lại tự động

AK

Authorization key

Khoá Cấp phép

ASN

Access Service Network

Mạng dịch vụ truy nhập

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không
đồng bộ

BE

Best Effort

Cố gắng tối đa

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

BNI

Base station network interface

Giao diện giữa trạm gốc và
mạng

BS

Base Station

Trạm gốc

BW

BandWidth

Băng thông

BWA

Broadband Wireless Access

Truy nhập không dây băng
rộng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập chia mã

CA

Certification Authority

Quyền Chứng thực

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố Tuần hoàn

CPE

Customer Premise Equipment

Thiết bị đầu cuối thuê bao

CPS

Common part sublayer

Lớp con phần chung

CRC

Cyclic redundancy check

Kiểm tra vòng dư

CS

Convergence sublayer

Lớp con hội tụ

DES

Data Encryption Standard

Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

DFS

Dynamic Frequency Selection

Lựa chọn tần số động

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DHCP

Dynamic host configuration

Thủ tục cấu hình chủ khơng

11


protocol

cố định

DL

DownLink

Hướng xuống

EC

Encryption Control

Điều khiển mật mã

ECB

Electronic Code Book

Bảng mật mã điện tử

EDE

Encrypt-Decrypt-Encrypt

Mật mã - giải mã - mật mã

FEC

Forward Error Correction

Mã hóa sử lỗi trước

ETSI

European Telecommunications
Standard Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông
Châu Âu

FBSS

Fast Base Station Switching

Chuyển đổi trạm gốc nhanh

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia tần số

FDD

Frequency Division Duplex

Song công chia tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi hướng đi

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FSS

Fixed Satellite Service

Dịch vụ vệ tinh cố định

FWA

Fixed Wireless Access

Truy nhập không dây cố định

GI

Guard Interval

Chuỗi bảo vệ

GPS

Global Positioning Satellite

Vệ tinh định vị toàn cầu

H-FDD

Half-duplex FDD

FDD bán song công

HHO

Hard Handoff

Chuyển vùng cứng

IE

Information Element

Phần tử thông tin

IETF

Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế
Internet

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc
ngược

IFFT

Inversion Fast Fourier
Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

IP

Internet Protocol

Thủ tục Internet

ITU

International
Telecommunications Union

Hiệp hội viễn thông Quốc tế

KEK

Key Encryption Key

Khoá Mật mã Khoá

12


LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LMDS

Local multipoint distriution
service

Dịch vụ phân phối đa điểm
nội hạt

LOS

Line Of Sight

Tia trực xạ

MAC

Medium Access Control layer

Lớp điều khiển truy nhập môi

trường

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng khu vực thành phố

MDHO

Macro Diversity Handover

Chuyển giao đa dạng riêng

MIMO

Multi input Multi output

Đa đường vào đa đường ra

MMDS

Multichannel multipoint
distribution service

Dịch vụ phân phối đa điểm đa
kênh

MS

Mobile Station

Trạm di động

MPEG

Moving Picture Experts Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu
ảnh động

NCFG

Network configuration

Cấu hình mạng

NLOS

Non Line Of Sight

Tia khơng trực xạ

nrtPS

Non-real-time polling service

Dịch vụ thăm dị khơng thời
gian thực

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh chia tần số trực
giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập chia tần số trực
giao

PARP

Peak-to Average Power Ratio

Công suất tương đối cực đại

PCMCIA

Personal Computer Memory
Card International Association

Hiệp hội quốc tế về tấm mạch
nhớ của máy tính cá nhân

PAN

Propressional Area Network

Mạng cá nhân

PDA

Personal Digital Assistant

Thiết bị vụ số cá nhân

PDH

Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu thủ tục

PER

Packet Error Rate

Tỷ lệ lỗi gói

PHY

Physical layer

Lớp vật lý

PKM

Privacy Key Management

Quản lý khố riêng

13


PMP

Point - to - multipoint

Điểm đa điểm

PPP

Point-to-Point Protocol

Thủ tục điểm-điểm

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK

Quadrature phase-shift keying

Khố dịch pha cầu phương

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

REQ

Request

Yêu cầu

rtPS

Real-time polling service

Dịch vụ thăm dò thời gian
thực

Rx

Reception

Thu

SA

Security Association

Tập hợp bảo mật

SAID

Security Association IDentifier

Bộ nhận dạng tập hợp bảo
mật

SAP

Service Access Point

Điểm truy nhập dịch vụ

SAR

Synthetic Aperture Radar

Rada khe hở nhân tạo

SC

Single Carrier

Kênh mang đơn

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp số đồng bộ

SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SF

Service Flow

Luồng dịch vụ

SFID

Service Flow IDentifier

Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ

SNMP

Simple Network Management
Protocol

Thủ tục quản lý mạng đơn
giản

SNR

Signal-to-noise ratio

Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm

SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

STC

Space Time Coding

Mã thời gian không gian

TDD

Time Division Duplex

Song công chia thời gian

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh chia thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia thời
gian

TEK

Traffic encryption key

Khoá mật mã lưu lượng

14


Tx

Transmission

Truyền dẫn

UGS

Unsolicited Grant Service

Dịch vụ cấp phát tự nguyện

UL

UpLink

Hướng lên

UMTS

Universal Mobile
Telecommunication System

Hệ thống viễn thơng di động
tồn cầu

UTRA

UMTS terrestrial Radio Access

Truy nhập vô tuyến trên mặt
đất UMTS

UTRAN

UMTS terrestrial Radio Access
Network

Mạng truy nhập vô tuyến trên
mặt đất UMTS

VoIP
WiMAX
WAN

Voice Over IP
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Wide Area Network

Thoại qua IP
Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba
Mạng diện rộng

WEP

Wired Equivalent Privacy

Bảo mật đương lượng hữu
tuyến

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây

WLAN

Wireless LAN

Mạng LAN không dây

WMAN

Wireless MAN

Mạng MAN không dây

WME

Wi-Fi Mutlimedia Extensions

Những mở rộng đa phương tiện
Wi-Fi

WPA

Wi-Fi Protected Access

Truy nhập được bảo vệ Wi-Fi

WSM

Wi-Fi Scheduled Multimedia

Đa phương tiện được lập
danh mục theo Wi-Fi

XOR

Exclusive-OR

Hàm cộng modul

15


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ WIMAX
Trong chương này trình bày tổng quát về công nghệ WiMAX, đặc điểm,
các chuẩn của WiMAX, băng tần sử dụng, cách thức truyền sóng, đặc điểm
của WiMAX cố định, WiMAX di động và kiến trúc mạng WiMAX.
1.1 Giới thiệu về WiMAX
Ngày nay tỷ lệ người truy cập băng rộng cịn rất ít, thấp hơn 20% dân số
thế giới. Là vì cơng nghệ đang tồn tại như xDSL, cáp và vơ tuyến cố định có
các hạn chế như chi phí lắp đặt cao, có vấn đề lặp vòng, tốc độ đường lên
(upstream) cần nâng cấp, giới hạn LOS và tính hướng mở kém, với sự ra đời
của Wifi đã làm thay đổi cách thức trao đổi thông tin của người sử dụng. Tuy
nhiên, do Wifi là công nghệ được thiết kế hướng tới các mạng LAN khơng
dây, chính vì vậy trong những trượng hợp cụ thể, khi áp dụng công nghệ này

cho mạng MAN (MAN: Metropolitan Area Network: là mạng dữ liệu băng
rộng được thiết kế cho phạm vi trong thành phố, thị xã. Khoảng cách thường
nhỏ hơn 50 km), thì nó đã bộc lộ rất nhiều những hạn chế. Trước hết Wifi
được thiết kế cho mạng ít th bao, kênh truyền của nó cố định kích thước
khoảng 20Mhz, do vậy rất kém linh hoạt. Bên cạnh đó, Wifi khơng hỗ trợ
kiến trúc Mesh, (Mesh là một kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng
đô thị). Hơn nữa, nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, tầm nhìn thẳng
dựng các Anten định hướng với cơng suất đủ lớn thì Wifi cũng chỉ đạt tới
khoảng cách vài km, rất hạn chế cho việc phủ sóng trong một phạm vi lớn…
Chính vì sự hạn chế này mà chúng ta đưa ra giải pháp truy cập Internet băng
rộng cố định, di động có thể sẽ thay thế những công nghệ hiện nay và truy cập
bất cứ nơi đâu và bất cứ khi nào với tốc độ cao, đó chính là cơng nghệ truy
cập vơ tuyến băng rộng WiMAX.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng
tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là công nghệ dựa trên cơ sở tiêu

16


chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa
ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802 và Diễn đàn WiMAX.
Tổ chức phi lợi nhuận WiMAX bao gồm các công ty sản xuất thiết bị
và linh kiện truyền thông hàng đầu thế giới đang nỗ lực thúc đẩy và xác
nhận tính tương thích và khả năng hoạt động tương tác của thiết bị truy cập
không dây băng thông rộng tuân theo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 và tăng
tốc độ triển khai truy cập khơng dây băng thơng rộng trên tồn cầu. Do đó
các chuẩn 802.16 thường được biết đến với cái tên WiMAX.
Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001 và công bố vào
năm 2002 thực sự đã đem đến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy cập
không dây. Nếu như Wireless LAN đuợc phát triển để cung cấp dịch vụ truy

nhập Internet cho mạng LAN không dây, nâng cao tính linh hoạt của truy
nhập Internet cho những vùng tập trung đơng dân cư trong những phạm vi
hẹp thì với WiMAX ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng đơ thị nó cịn
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 cũng là một sự phát triển kế tiếp từ dịch vụ cung cấp băng
thông giữa LAN nâng cấp lên mạng WAN. WiMAX sử dụng chuẩn kết nối
802.16 có nhiều đặc điểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với
chuẩn kết nối không dây hiện nay là 802.11. Khơng giống như chuẩn 802.11
chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ, WiMAX có thể phủ sóng một
vùng rộng tới 50 km với tốc độ lên đến 70Mbps. WiMAX cung cấp truy nhập
băng rộng không dây cố định theo hai phương pháp điểm - điểm (Point to
Point ) hoặc điểm - đa điểm (Point to multipoint). [1]
Một hệ thống WiMAX gồm hai phần:
- Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với
công suất lớn có thể phủ sóng tới một vùng rộng tới 8000km2.

17


- Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các thẻ (Card) mạng cắm vào
hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà
WiFi vẫn dùng.

Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng của WiMAX
Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường
truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một
trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line of Sigh) và chính vì
vậy WiMAX có thể phủ sóng tới những vùng rất xa.

Các anten thu/phát có thể trao đổi thơng tin với nhau qua các tia sóng
truyền thẳng hoặc là các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các
anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn
định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số
cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu
khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ,
WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số
thấp, tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn
cong, vòng qua các vật thể để đến đích.
18


WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử
dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được
(người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và cuối cùng là di động mà
không cần thiết ở trong Tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới một trạm
gốc. Hiện tại công nghệ WiMAX đang được kết hợp vào trong các máy tính
xách tay và các PDA.
1.2 Đặc điểm của WiMAX [1]
WiMAX đã được thiết kế để chú trọng vào những thách thức gắn với các
loại triển khai truy nhập có dây truyền thống như:
Backhau: Sử dụng các Anten điểm - điểm để nối nhiều hotspot với nhau
và đến các trạm gốc qua những khoảng các dài (đường kết nối giữa điểm truy
nhập WLAN và mạng băng rộng cố định).
Last mile: Sử dụng các anten điểm - đa điểm để nối các thuê bao thuộc
nhà riêng hoặc doanh nghiệp tới trạm gốc.
1.2.1 Đặc điểm của WiMAX cố định ( Fixed WiMAX)
- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km.
- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa là 70Mb/s.
- Hoạt động trong cả 2 môi trường truyền dẫn: Đường truyền tầm nhìn

thẳng LOS và đường truyền che khuất N-LOS.
- Dải tần làm việc 2-11GHz và 10-66GHz.
- Hướng lên truyền tin được chia thành 2 đường lên và xuống. Phân
chia đường lên và xuống có thể dùng cả 2 công nghệ: TDD và FDD.
- Fixed WiMAX sử dụng phương pháp điều chế OFDM, định nghĩa
kích thước của FFT là 256 với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn
đường và 55 sóng mang bảo vệ.
- Các phương pháp điều chế số được sử dụng là: QPSK, 16QAM,
64QAM; dùng phối hợp các phương pháp mã hóa sửa lỗi là mã khối (Reed
Salomon) và mã xoắn (mã chập) CC.
- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đếnt rên 20MHz được chia
19


thành nhiều băng con 1,75MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa
nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy nhập đồng thời
một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng
băng tần.
- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX đựoc chia thành 4 lớp: Lớp
con hội tụ (Convergence Layer) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập
và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp bảo mật (Security) và lớp
vật lý (Physical). Các lớp này tương đưong với hai lớp dưới cùng của mơ hình
OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.
1.2.2 Đặc điểm của WiMAX di động ( Mobile WiMAX )
- Khoảng cách giữa trạm thu và phát trong khoảng 1.7 – 5 km.
- Tốc độ truyền: 10 – 30Mb/s.
- Không yêu cầu truyền trong tầm nhìn thẳng.
- Dải tần làm việc của Mobile WiMAX tập trung trong khoảng tần số
dưới 6GHz ( 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz; 3,5 GHz).
- Độ rộng băng tần của hệ thống từ 1,25 – 20MHz.

- Đường lên và xuống có thể được phân chia theo công nghệ TDD hoặc
FDD nhưng TDD được khuyến nghị sử dụng nhiều hơn vì những tính năng ưu
việt của nó.
- Điểm khác biệt rõ nét với Fixed WiMAX là Mobile WiMAX sử dụng
công nghệ điều chế hỗ trợ đa truy nhập Scalable OFDMA (S-OFDMA), cho
phép thay đổi kích thước FFT tức là thay đổi số sóng mang con. Số song con
có thể là 128, 256, 512. 1024 hay lớn nhất là 2048. Số sóng mang con này
được chia thành các kênh con với số lượng kênh con lớn nhất là 32.
- Mobile WiMAX sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa thích
ứng, hỗ trợ các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM. Phương pháp mã
hóa sửa lỗi dùng mã xoắn CC (Convolutional Code) và mã CTC
(Convolutional Turbo Code).

20


1.2.3 Ưu điểm
Chuẩn WiMAX phát triển với nhiều mục tiêu:
- Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao
gồm điểm tới điểm, điểm tới đa điểm, và bao phủ khắp nơi. MAC (điều khiển
truy nhập phương tiện) WiMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở
khắp nơi bằng cách sắp xếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (SS).
Nếu chỉ có một SS trong mạng, thì trạm gốc WiMAX sẽ thông tin với SS trên
cơ sở điểm tới điểm. Một BS trong cấu hình điểm tới điểm có thể sử dụng một
anten búp hẹp hơn để phủ các vùng lớn hơn.
WIMAX

Bảo
mật
cao

Triển
khai
nhanh

QoS

Vùng
phủ
rộng

Tính
di
động

SLA

Khả
năng
mang
theo
được

Kiến
trúc
mềm

Chi
phí
thấp

Dung
lượng
cao

Hình 1.2 Các đặc tính của WiMAX
- Bảo mật cao: WiMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hoá tiên tiến) và
3DES (chuẩn mật mã hoá số liệu). Bằng cách mật mã hoá các liên kết giữa
BS và SS, WiMAX phục vụ các thuê bao tách biệt (chống nghe trộm) và bảo
mật trên giao diện không dây băng rộng. Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà
khai thác hệ thống an ninh chống ăn trộm dịch vụ. WiMAX cũng được xây
dựng hỗ trợ VLAN, mà cung cấp bảo vệ dữ liệu được truyền từ các người sử
dụng khác nhau trên cùng một BS.
- Triển khai nhanh: So với sự triển khai của các giải pháp dây, WiMAX
u cầu ít hoặc khơng yêu cầu xây dựng kế hoạch mở rộng. Ví dụ, đào hố để
hỗ trợ rãnh của các cáp không được yêu cầu. Các nhà khai thác có giấy phép
21


để sử dụng một trong số các băng tần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử
dụng một trong các băng tần không được cấp phép, không cần thiết xem xét
sâu hơn các ứng dụng cho chính phủ. Khi anten và thiết bị được lắp đặt và
được cấp nguồn, WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ. Trong hầu hết các trường hợp,
triển khai WiMAX có thể hồn thành trong khoảng mấy giờ, so với mấy
tháng cho các giải pháp khác.
- QoS WiMAX: WiMAX có thể được tối ưu hố hỗn hợp lưu lương
được mang. Bốn loại dịch vụ được hỗ trợ như trong bảng 1.1.
- Dung lượng cao: Sử dụng điều chế bậc cao (64-QAM) và độ rộng băng
tần (hiện tại là 7 MHz), các hệ thống WiMAX có thể cung cấp độ rộng băng
tần đáng kể cho các người sử dụng đầu cuối.

- Độ bao phủ rộng hơn: WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm
BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64-QAM. Khi được trang bị với một bộ khuyếch
đại công suất lớn và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ, BPSK hoặc
QPSK), các hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi đường
giữa BS và SS thông suốt.
- Mang lại lợi nhuận: WiMAX dựa trên chuẩn quốc tế mở. Chuẩn được
thông qua đa số, sử dụng chi phí thấp, các chipset được sản xuất hàng loạt, sẽ
làm cho giá hạ xuống; và cạnh tranh giá cả làm cho các nhà cung cấp dich vụ,
người sử dụng đầu cuối tiết kiệm được chi phí.
- Dịch vụ đa mức: Là loại mà QoS đạt được dựa vào hợp đồng mức dịch
vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. Hơn nữa, một nhà cung
cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho những người đăng ký khác
nhau, hoặc thậm chí cho những người sử dụng khác nhau trong cùng một SS.
- Khả năng cùng vận hành: WiMAX dựa vào các chuẩn cung cấp trung
lập, quốc tế, làm cho người sử dụng đầu cuối dễ dàng truyền tải và sử dụng
SS của họ tại các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác
nhau. Khả năng cùng vận hành bảo vệ vốn đầu tư ban đầu của nhà khai thác

22


vì nó có thể chọn thiết bị từ các đại lý thiết bị khác nhau, và nó sẽ tiếp tục làm
giảm giá thiết bị.
Bảng 1.1 Các loại dịch vụ của WiMAX
Loại dịch vụ
Dịch vụ cấp tự
nguyện (UGS)

Mô tả
UGS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian

thực bao gồm các gói số liệu kích thước cố định được phát
ra tại các khoảng tuần hoàn, như T1/E1 và thoại trên nền IP.

Dịch vụ kiểm soát

rtNS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian

vòng thời gian

thực bao gồm các gói số liệu kích thước thay đổi mà được

thực (rtPS)

phát ra tại các khoảng tuần hoàn, như MPEG video.

Dịch vụ kiểm soát

nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng số liệu dung sai

vòng phi thời gian

trễ bao gồm các gói số liệu kích thước thay đổi mà yêu

thực (nrtPS)

cầu tốc độ số liệu tối thiểu, như FTP.

Best Effort (BS)
nỗ lực tối đa

Dịch vụ BS được thiết kế để hỗ trợ các luồng số liệu mà
không yêu cầu mức dịch vụ tối thiểu và có thể xử lý trên
cơ sở giá trị không gian.

- Khả năng mang theo được: Với các hệ thống tổ ong hiện nay, khi SS
WiMAX được cấp nguồn, nó tự nhận dạng, xác định các đặc tính của liên kết
với BS, chỉ cần SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu hệ thống, và sau đó đàm
phán các đặc tính truyền dẫn phù hợp.
- Tính di động: Chuẩn IEEE 802.16e được thêm một số đặc điểm chủ
yếu trong việc hỗ trợ tính di động. Các cải tiến được tạo ra cho lớp vật lý
OFDMA và OFDM để cung cấp các thiết bị và dịch vụ trong môi trường di
động. Các môi trường này bao gồm: OFDMA có thể chia tỷ lệ được, MIMO,
và hỗ trợ chế độ idle/sleep, chuyển giao, cho phép tính di động hồn tồn tại
tốc độ 160 km/h. Chuẩn hỗ trợ bởi Forum WiMAX được thừa hưởng hiệu

23


năng NLOS (tầm nhìn khơng thẳng) tốt hơn của OFDM và hoạt động chịu
được đa đường, làm cho nó phù hợp hơn với môi trường di động.
- Hoạt động tầm nhìn khơng thẳng: NLOS thường ám chỉ đường dẫn vơ
tuyến có miền Fresnel thứ nhất bị chặn hồn tồn. WiMAX dựa vào cơng
nghệ OFDM đã có sẵn khả năng xử lý các môi trường NLOS. Dung lượng
này giúp các sản phẩm WiMAX phân phát độ rộng băng tần rộng trong môi
trường NLOS, mà các sản phẩm vô tuyến khác không làm được.
1.2.4 Nhược điểm
Với bất kỳ hệ thống truyền thông vơ tuyến nào thì ảnh hưởng của mơi
trường truyền sóng là khơng thể tránh khỏi. Hệ thống WiMAX cũng có những
hạn chế về đường truyền.
- Ảnh hưởng của thời tiết xấu đặc biệt là mưa to có thể làm gián đoạn

các dịch vụ.
- Các sóng vơ tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WiMAX và
là nguyên nhân gây suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối.
- Ngồi ra vì đây là cơng nghệ hồn tồn mới do đó có việc chuẩn hố
chưa thực sự trên phạm vi tồn thế giới nên khó khăn trong lắp ráp, thay thế ở
các khu vực khác nhau.
1.3 Các chuẩn của WiMAX [1]
1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001
Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên ra đời vào tháng 10/2001 và được cơng
bố vào 4/2002, IEEE 802.16 WiMAX có thể hoạt động trong băng tần số từ
2 - 66GHz, với các ứng dụng khác nhau, WiMAX sẽ sử dụng các băng tần
số khác nhau để tránh sự giao thoa.
Đặc điểm chính của IEEE 802.16 - 2001:
- Giao diện khơng gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố
định họat động ở dải tần 10 - 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
- Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz.
24


- Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
- Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
- Bán kính cell: 2 - 5 Km.
- Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a
Chuẩn 802.16a được hồn thành vào tháng 11/2002 và được cơng bố vào
tháng 4/2003. Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở
đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2 - 11 GHz, bao gồm cả những phổ
cấp phép và không cấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50
km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7 - 10 km trong trường hợp kết nối

từ điểm đa điểm. Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps.
Trong khi với dải tần 10 - 66 Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm
nhìn thẳng, thì với dải tần 2 - 11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà
không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các
vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ giúp ngành
viễn thơng có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời
gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà cơng nghệ th
bao số hay mạng cáp không tiếp cận được. So sánh với những tần số cao hơn,
những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí
chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao. Tuy nhiên, các dịch
vụ sẽ hướng tới những tồ nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ.
Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
- Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào
cho dải 2 -11 GHz (NLOS).
- Tốc độ bit tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
- Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang,
QPSK, 16 QAM, 64 QAM.
- Dải thơng kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
- Bán kính Cell: 6 - 9 km.
25