Đồ án thiết kế mô hình hòa mạng WiMAX cố định & di trú cho thành phố Hà Nội

100 trang phuongnguyen 2810

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án thiết kế mô hình hòa mạng WiMAX cố định & di trú cho thành phố Hà Nội", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_mo_hinh_hoa_mang_wimax_co_dinh_di_tru_cho_tha.doc

Nội dung text: Đồ án thiết kế mô hình hòa mạng WiMAX cố định & di trú cho thành phố Hà Nội

Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG IV BẢNG GIẢI NGHĨA THUẬT NGỮ VI LỜI NÓI ĐẦU IX TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN X CHƯƠNG 1 1 CÔNG NGHỆ WIMAX 1 1.1 Khái niệm chung về WiMAX 1 1.1.1 Khái niệm WiMAX 1 1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX 1 1.1.3 Hoạt động của WiMAX 2 1.2 Cấu hình mạng 4 1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP) 4 1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH) 5 1.3 Các dịch vụ của WiMAX 7 1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ 7 1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS) 8 1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) 8 1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS) 9 1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) 9 1.4 Chuẩn WiMAX 10 1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 10 1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d) 12 1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e) 12 1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX 13 1.5 Truy nhập vô tuyến 16 1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS 16 1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến 17 1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa 17 1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD 19 1.6 Điều chế và mã hóa 20 1.6.1 Mã hóa kênh 20 I
Mục lục 1.6.2 Điều chế 21 1.7 Bảo mật 24 1.7.1 Kiến trúc bảo mật trong WiMAX 24 1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến 26 1.7.3 Mật mã hóa dữ liệu 28 1.8 Các mô hình ứng dụng WiMAX 29 1.9 Các ưu điểm của mạng WiMAX 30 Tổng kết chương 1 31 CHƯƠNG 2 31 BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG WIMAX 31 CỐ ĐỊNH & DI TRÚ CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI 31 2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.2.2 Các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú 31 2.2.3 Phương pháp tính toán lưu lượng 31 2.2.4 Đánh giá khả năng triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.2.5 Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.3 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 31 2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 2.3.2 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 31 2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế 31 2.4 Tính toán suy hao 31 2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss) 31 2.4.2 Dự trữ suy hao phụ 31 2.5 Tính toán phạm vi phủ sóng 31 2.5.1 Tính toán quỹ đường truyền 31 2.5.2 Tính toán phạm vi phủ sóng 31 2.6 Định cỡ mạng và quy hoạch vùng phủ sóng 31 2.6.1 Định cỡ mạng 31 2.6.2 Quy hoạch vùng phủ sóng 31 Tổng kết chương 2 31 II
Mục lục CHƯƠNG 3 31 MÔ HÌNH HÓA MẠNG WiMAX CỐ ĐỊNH 31 3.1 Các tham số đầu vào 31 3.2 Mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ 31 3.2.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý 31 3.2.2 Mô hình mạng trên bản đồ kiến trúc 31 3.3 Mô hình chi tiết cho một cell 31 3.4 Xác định vị trí đặt trạm gốc 31 Tổng kết chương 3 31 CHƯƠNG 4 31 CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 31 4.1 Chương trình tính toán suy hao 31 4.1.1 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata 31 4.1.2 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami 31 4.2 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng 31 4.3 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng mạng 31 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 III
Danh mục hình vẽ và bảng DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Mạng WiMAX 4 Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP 5 Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH 6 Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16 10 Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX 13 Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD 19 Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên 21 Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM 22 Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng 23 Hình 1.11 Mô hình bảo mật 25 Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao 26 Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu 27 Hình 1.14 Mật mã hóa dữ liệu 28 Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS 31 Bảng 2.1 Bảng các tham số hệ thống tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú 31 Bảng 2.2 Bảng các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú 31 Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 Hình 2.2 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng Internet 31 Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú 31 Hình 2.3 Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh 31 Hình 2.4 Khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý 31 Hình 2.5 Bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh 31 Bảng 2.4 Tỉ lệ thuê bao trên từng ứng dụng 31 Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn 31 Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền 31 Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata 31 Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS 31 Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami 31 Bảng 2.6 Các tham số địa hình 31 Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI 31 Bảng 2.7 Mức suy hao thâm nhập một số loại vật cản 31 Bảng 2.8 Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ 31 Bảng 2.9 Quỹ đường truyền cho đường xuống 31 Bảng 2.10 Quỹ đường truyền cho đường lên 31 Hình 2.11 Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng 31 Hình 2.12 Vùng phủ sóng tối đa của một sector 120o 31 Bảng 2.11 Kết quả định cỡ mạng 31 Hình 2.13 Vùng phủ sóng của một sector 120o 31 Hình 2.14 Mô hình mạng lưới cell lục giác 31 Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mạng 31 Hình 3.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh) 31 Hình 3.2 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (đã hiệu chỉnh) 31 Hình 3.3 Mô hình mạng WiMAX trên bản đồ kiến trúc 31 Hình 3.4 Mô hình mạng đường trục (backhaul) 31 Hình 3.5 Chi tiết vùng phủ sóng cell 10 31 IV
Danh mục hình vẽ và bảng Hình 3.6 Vị trí đặt trạm gốc cell 10 31 Hình 4.1 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata 31 Hình 4.2 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 W-I 31 Hình 4.3 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình SUI 31 Hình 4.4 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng 31 Hình 4.5 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng 31 V
Chương 1. Công nghệ WiMAX CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ WIMAX ___ Trước khi xây dựng một mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta cần tìm hiểu về công nghệ WiMAX, về các đặc điểm và những ứng dụng của công nghệ WiMAX. Việc hiểu rõ về công nghệ cũng như các ứng dụng của WiMAX cố đinh & di trú là cơ sở cho việc xây dựng, thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú trong thực tế. Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản và các đặc trưng của công nghệ WiMAX, bộ chuẩn WiMAX, các dịch vụ và mô hình ứng dụng WiMAX. 1.1 Khái niệm chung về WiMAX 1.1.1 Khái niệm WiMAX WiMax (viết tắt từ Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ truy cập không dây băng thông rộng (Broadband Wireless Access - BWA) với khả năng cung cấp đường truyền số liệu với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Công nghệ WiMAX dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi bộ chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HiperMAN. Đây là các tiêu chuẩn cho mạng WirelessMAN (mạng đô thị không dây). WiMAX cố đinh & di trú dựa theo chuẩn 802.16d, WiMAX di động theo chuẩn 802.16e. Chuẩn WiMAX cố đinh hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh 70Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 30Mb/s. Chuẩn WiMAX di động cho thuê bao di chuyển ở tốc độ cao hỗ trợ truy nhập tốc độ dữ liệu đỉnh 30Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 5Mb/s. WiMAX có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Light of Sight – LOS) hay không trong tầm nhìn thẳng (None Light of Sight – NLOS). Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường truyển DSL, ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây, làm trạm chuyển tiếp (backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di động, cung cấp các kết nối băng thông rộng di động với rất nhiều các cấp dịch vụ khác nhau. 1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX - Phạm vi phủ sóng của một BS trên lý thuyết có thể lên tới 50km. 1
Chương 1. Công nghệ WiMAX - Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s. - Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. - Dải tần làm việc 2-11GHz cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS và từ 10-66GHz cho đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS. - Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay đổi từ 1,75MHz đến 20MHz. - Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong WiMAX cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất. - Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao). OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. - Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-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 để đảm bảo chất lượng thông tin. - Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên (uplink) và đường xuống (downlink). - Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho quá trình bảo mật bảo mật. 1.1.3 Hoạt động của WiMAX Một mạng WiMax gồm 2 thành phần: + Trạm gốc (BS-Base Station): giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động số tế bào, sử dụng hệ thống anten thông minh AAS (Adaptive Antenna System) và kỹ thuật đa thu đa phát MIMO (Multi input multi output) với bán kính 2
Chương 1. Công nghệ WiMAX phủ sóng có thể đạt 50km với đường truyền LOS (trên điều kiện thực tế đạt khoảng 10km). + Trạm thuê bao (SS-Subscriber Station): có thể là các anten nhỏ nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX (CPE) hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động. Các trạm gốc BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) hoặc sử dụng mạng đường trục backhaul với một trạm gốc làm trạm chuyển tiếp lưu lượng. Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng đến những vùng hẻo lánh nơi mà các đường cáp hữu tuyến không thể triển khai được. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS hoặc đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. Trong trường hợp đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, các anten được đặt cố đinh & di trú 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 đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn ở khoảng 2-11GHz, 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. WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các hộ gia đình hoặc các doanh nghiệp, cơ quan tổ chức, trường học, bệnh viện hoặc làm đường trục cho mạng di động, làm backhaul cho các hotspost của Wifi thay cho các mạng cáp hữu tuyến đắt tiền. Mạng nomadic cho phép người dùng đầu cuối có thể di chuyển vị trí trong vùng phủ sóng, khi kết nối vẫn phải cố đinh tương tự Wifi. WiMAX di động là triển vọng lớn nhất của WiMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao ở tốc độ di chuyển lớn, có khả năng bổ sung các di vụ di động mới ngoài các dịch vụ được cung cấp bởi mạng di động truyền thống. Hình 1.1 mô tả các mô hình ứng dụng mạng WiMAX bao gồm mạng WiMAX cố đinh, mạng WiMAX di trú (nomadic) và mạng WiMAX di động. Riêng WiMAX di động có thể tương thích với WiMAX cố đinh và di trú, điều này có nghĩa là một mạng WiMAX di động với lưu lượng mạng đủ lớn có thể cung cấp cho cả nhu cầu mạng cố đinh, di trú và di động. 3
Chương 1. Công nghệ WiMAX Hình 1.1 Mạng WiMAX 1.2 Cấu hình mạng WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) và mạng mắt lưới (MESH). 1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP) Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP tương tự mạng thông tin di động tế bào. Mạng điểm – đa điểm PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao SS xung quanh. Trạm gốc BS sử dụng hệ thống các anten chia theo cung (sectoral antennas) là các anten chảo có độ định hướng cao, được hướng theo từng cung và được sắp xếp xung quanh cột anten. Trong mạng điểm – đa điểm PMP các trạm thuê bao SS chỉ trao đổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS. Đường xuống (Down link) là quảng bá và đa điểm. Các trạm thuê bao SS chia sẻ đường lên (up link) tới trạm gốc BS trên cơ sở yêu cầu băng thông. Kết nối từ trạm thuê bao SS đến trạm gốc BS thông qua nhận dạng kết nối CID (connection ID), trạm thuê bao SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận 4
Chương 1. Công nghệ WiMAX được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng. Tùy thuộc loại dịch vụ sử dụng mà trạm thuê bao SS được phép tiến hành truyền dữ liệu ngay hoặc chờ sự cho phép của trạm gốc BS sau khi đã chấp nhận một yêu cầu từ trạm thuê bao SS. Mạng điểm – đa điểm PMP được thiết kế để cho phép số lượng người sử dụng lớn với chi phí thấp, lắp đặt đơn giản và giới hạn được số lượng router, switch cần thiết. Tần số sử dụng ở dải tần thấp dưới 6GHz để có phạm vi phủ sóng lớn. Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX. Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP 1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH) Cấu hình mạng mắt lưới MESH gồm các trạm gốc MESH BS là các trạm gốc BS được kết nối với mạng bên ngoài và các MESH SS là các thành phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng MESH (có thể là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS). Mạng MESH thường được gọi là mạng mắt lưới, mỗi mắt lưới là một node mà trong đó các node đều có thể liên lạc được với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp bên trong mạng. Đường lên và đường xuống trong mạng MESH là theo hướng dữ liệu tới và ra khỏi MESH BS. Kết nối trong mạng MESH cũng 5
Chương 1. Công nghệ WiMAX thông qua nhận dạng kết nối CID, MESH SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng Trong mạng MESH mỗi node có một router do đó lưu lượng có thể được định tuyến qua các MESH SS. Nhờ đặc điểm này các MESH SS có thể trao đổi dữ liệu với nhau ngoài trao đổi dữ liệu trực tiếp với MESH BS, đây là khác biệt cơ bản so với cấu hình PMP. Do mỗi node đều có liên kết đa đường đến các node khác nên mỗi node có khả năng lựa chọn liên kết tốt nhất từ node khác và tránh được node ẩn (node không nhận được tín hiệu. Ngoài ra khả năng mở rộng của mạng mắt lưới MESH cho phép lớn hơn nhiều so với mạng điểm – đa điểm PMP nên chi phí bao phủ mạng trên một đơn vị diện tích là thấp hơn điểm – đa điểm PMP. Ngoài ra chất lượng kết nối cũng được đảm bảo hơn mạng điểm – đa điểm PMP. Cấu hình mạng mắt lưới MESH là tùy chọn cho WiMAX do chi phí cho thiết bị đầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp. Mạng mắt lưới MESH chỉ thích hợp cho các dịch vụ cố đinh & di trú. Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH 6
Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.3 Các dịch vụ của WiMAX WiMAX hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) cho các dịch vụ được cung cấp, chủ yếu để hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực. Mỗi loại dịch vụ có một tập các tham số QoS và kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ cho phép đảm bảo chất lượng cho từng kết nối (connection). Đối với mạng Internet truyền thống thì dịch vụ phổ biến là Best Effort và không hỗ trợ QoS do đó không đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp, yêu cầu về thời gian thực. Để hỗ trợ các dịch vụ này cần phải xây dựng thêm các bộ giao thức mới cũng như cần nâng cấp mạng. Với kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ QoS, WiMAX hỗ trợ được nhiều loại dịch vụ khác nhau và có khả năng đảm bảo chất lượng cho các ứng dụng trên từng loại dịch vụ. WiMAX hỗ trợ 4 loại hình dịch vụ là dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service - UGS), dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (Real- Time Polling Service - rtPS), dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (Non-Real-Time Polling Service - nrtPS), dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE). 1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ  Tốc độ lưu lượng dự trự tối thiểu Là giới hạn dưới của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu được đảm bảo luôn lớn hơn giới hạn dưới này.  Tốc độ lưu lượng cho phép tối đa Là giới hạn trên cho phép của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu không được lớn hơn giới hạn trên này.  Độ trễ tối đa Là độ trễ toàn trình trong quá trình truyền dẫn. Tham số này được yêu cầu đối với các dịch vụ có hỗ trợ thời gian thực. Độ trễ tối đa không được phép vượt quá mức ngưỡng cho trước để đảm bảo chất lượng dịch vụ.  Độ trễ pha ”Jitter” Là độ trễ của từng gói khi đến đích khiến cho dữ liệu bị đứt quãng (không liên tục). Tham số này được yêu cầu với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service) dùng cho ứng dụng thoại VoIP hoặc T1/E1 vì nếu Jitter lớn chất lượng đàm thoại sẽ bị giảm nghiêm trọng. 7
Chương 1. Công nghệ WiMAX  Mức ưu tiên của tải lưu lượng Xác định tải lưu lượng nào được ưu tiên phục vụ trước. Tham số này được sử dụng cho dịch vụ phi thời gian thực (none-realtime Polling Service) và dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) trong đó băng thông được yêu cầu trên cơ sở tranh chấp.  Cách thức yêu cầu / truyền dẫn Chỉ ra cách thức đưa các bản tin yêu cầu (request) và cách thức truyền dẫn dữ liệu. Tham số này có mặt ở tất cả các loại dịch vụ. 1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS) Đối với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu, tài nguyên vô tuyến được cấp phát bởi trạm gốc BS theo một khoảng thời gian định kỳ, băng thông cố đinh & di trú đồng thời loại bỏ yêu cầu băng thông từ trạm thuê bao SS (các trạm thuê bao SS sử dụng dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu sẽ không được trạm gốc BS kiểm tra yêu cầu băng thông). UGS được thiết kế để hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có kích thước cố đinh & di trú, phát định kỳ. Chủ yếu là các ứng dụng cho thoại như T1/E1 và VoIP (Voice over IP). Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter), cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Băng thông được cấp phát phụ thuộc tham số tốc độ lưu lượng cho phép tối đa và được đảm bảo luôn cố đinh & di trú. Độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter) là hai tham số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thoại, hai tham số này chỉ ra mức giới hạn cho phép của độ trễ toàn trình và Jitter. 1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) Đối với dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS. Trạm BS phát định kỳ các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu đến từng trạm thuê bao SS, các trạm thuê bao sẽ sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu để yêu cầu được cấp phát băng thông đường lên. Trạm gốc BS sẽ kiểm tra lần lượt từng trạm thuê bao xem trạm thuê bao nào có yêu cầu băng thông đường lên. Các trạm thuê bao không được phép yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp (không được tranh 8
Chương 1. Công nghệ WiMAX chấp băng thông đường lên). Điều đó đảm bảo băng thông cho các trạm thuê bao là ổn định, tránh xung đột, cho phép hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực. Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực rtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có độ dài thay đổi, phát định kỳ như MPEG video. Nói chung là cho các ứng dụng video trực tuyến như xem phim trực tuyến, hội nghị từ xa, truyền hình Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Trong đó tốc độ dữ liệu luôn được đảm bảo ở mức lớn hơn tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu và độ trễ nhỏ hơn độ trễ tối đa để hỗ trợ tốt các ứng dụng thời gian thực. 1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS) Đối với dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS. Trạm BS phát các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu một cách bình thường, không nhất thiết theo chu kỳ (định kỳ). Khi đó các trạm SS có thể sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu băng thông hoặc trên cơ sở tranh chấp để được cấp phát băng thông đường lên. Điều đó có nghĩa là băng thông sẽ được đảm bảo ở mức tốt nhất có thể và vẫn có tranh chấp trong yêu cầu băng thông đường lên do đó sẽ có trễ đáng kể. Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng chấp nhận độ trễ (không yêu cầu thời gian thực), có độ dài gói thay đổi và có yêu cầu về tốc độ dữ liệu tối thiểu như FTP (giao thức truyền file). Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ này vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tối thiểu nhưng không đảm bảo về trễ như dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS). Tuy nhiên thay vào đó có thêm tham số mức ưu tiên của tải lưu lượng cho phép phục vụ trước tải lưu lượng có mức ưu tiên lớn hơn. 1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) Dịch vụ cố gắng tối đa là dịch vụ phổ biến nhất trên mạng Internet, cung cấp khả năng đáp ứng cho lưu lượng best effort. Lưu lượng best effort dựa trên nguyên 9
Chương 1. Công nghệ WiMAX tắc gói thông tin đến trước được phục vụ trước, các luồng best effort sẽ phải tranh chấp băng thông chia sẻ mà không có sự đảm bảo về băng thông tối thiểu. Các trạm thuê bao SS đưa yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp hoặc cũng có thể sử dụng các bản tin đơn điểm unicast cung cấp cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS.Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng mà không yêu cầu mức chất lượng dịch vụ tối thiểu. Dùng cho các ứng dụng phổ biến trên mạng Internet như HTTP, SMTP, Web. Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ cố gắng tối đa không có sự đảm bảo về tốc độ lưu lượng tối thiểu tuy nhiên vẫn được hỗ trợ mức ưu tiên của tải lưu lượng. 1.4 Chuẩn WiMAX 1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn WiMAX dựa trên bộ chuẩn 802.16 của IEEE kết hợp với chuẩn HiperMAN của ETSI (chuẩn cho mạng MAN không dây của Châu Âu). Về cơ bản mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 so với chuẩn ETSI HiperMAN là giống nhau về lớp vật lý và lớp MAC. Mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 đã được lựa chọn cho WiMAX. Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng cho các mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access). Bao gồm các chuẩn IEEE 802.16–2001 (chuẩn cơ bản), 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e. Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16  Chuẩn IEEE 802.16–2001 là bộ chuẩn cơ bản, mô tả sự chuẩn hóa các lớp PHY và MAC cho truy nhập vô tuyến băng rộng. 10
Chương 1. Công nghệ WiMAX - Sử dụng kỹ thuật điều chế dơn sóng mang SC (Single Carrier) trong dải tần 10- 66 GHz - Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS - Hỗ trợ song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (Frequecy Division Duplex) - Cấu hinh mạng điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm - Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh & di trú - Hỗ trợ QoS (Quality of Service) để đảm bảo chất lượng dịch vụ - Sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng - Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC-PS  Chuẩn IEEE 802.16a được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 để hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. - Bổ sung kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy nhập OFDMA - Mở rộng thêm dải tần 2-11 Ghz - Hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Hỗ trợ thêm cấu hình mạng mắt lưới MESH - Kỹ thuật anten thông minh và điều khiển công suất tiên tiến  Chuẩn IEEE 802.16b được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 - Bổ sung lớp vật lý vô tuyến HUMAN-OFDM256 - Dải tần công tác 5-6GHz - Cung cấp QoS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (voice và video)  Chuẩn IEEE 802.16c mô tả chi tiết hệ thống trong dải tần 10-66 GHz  Chuẩn IEEE 802.16d (802.16-2004) kết hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16b và 802.16c, cải thiện các chuẩn cơ bản và mô tả chi tiết cho hệ thống truy nhập băng thông rộng không dây cố đinh & di trú. Chuẩn 802.16d được sử dụng cho chuẩn WiMAX cố đinh. 11
Chương 1. Công nghệ WiMAX  Chuẩn IEEE 802.16e (802.16-2005) bổ sung tính di động cho các chuẩn hiện tại, sử dụng kỹ thuật OFDM theo tỉ lệ S-OFDM (Scalabe-OFDM) thay OFDM, hỗ trợ chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao. Chuẩn 802.16e được sử dụng cho chuẩn WiMAX di động. 1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d) Chuẩn WiMAX cố đinh dựa trên chuẩn IEEE 802.16d được chứng nhận vào tháng 6-2004. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố đinh: - Kỹ thuật đa truy nhập OFDM-TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM - Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX cố đinh: băng tần cấp phép 5,8GHz và không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz. - Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Kỹ thuật song công TDD và FDD - Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh và nomadic (thiết bị đầu cuối như laptop, PDA có thể di chuyển vị trí nhưng cố đinh khi kết nối). - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz - Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256-OFDM (256 sóng mang phụ) - Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH - Hỗ trợ QoS 1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e) Chuẩn WiMAX di động dựa trên chuẩn IEEE 802.16e được chứng nhận vào tháng 12-2005. Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn cố đinh để hỗ trợ tính di động và chuyển giao. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX di động: - Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ S-OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA - Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX di động: băng tần không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz. 12
Chương 1. Công nghệ WiMAX - Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Kỹ thuật song công TDD và FDD - Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 15Mb/s với độ rộng băng tần 5 MHz (khi di chuyển) và tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz (khi đứng yên) - Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang theo tỉ lệ FFT S-OFDMA - Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP - Hỗ trợ QoS 1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX mô tả cho lớp vật lý PHY và lớp lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control ). Trong đó lớp MAC được chia thành 3 lớp con bao gồm lớp con bảo mật (Privacy Sublayer – PS), lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường (MAC Common Part Sublayer 13
Chương 1. Công nghệ WiMAX – MAC CPS), lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng (Service Specific Convergence Sublayer – CS). a. Lớp PHY  Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM - Sử dụng công nghệ OFDM thiết kế cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS trong dải tần dưới 11GHz. - Kỹ thuật điều chế thích ứng - Sử dụng hệ thống anten định hướng - Kỹ thuật kênh con hóa - Kỹ thuật song công TDD và FDD  WiMAX di động sử dụng công nghệ S-OFDMA nhằm mục đích: - Bổ sung khả năng di động - Cho phép chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao  Kỹ thuật ở lớp vật lý - Kỹ thuật đồng bộ - Kỹ thuật điều khiển công suất - Kỹ thuật lựa chọn tần số động b. Lớp MAC  Lớp MAC được chia thành 3 lớp con  Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng MAC-CS - Chức năng của lớp con hội tụ CS: + Nhận dữ liệu từ các lớp cao hơn + Phân loại dữ liệu ra các tế bào ATM (ATM cell) hoặc gói dữ liệu (packet) + Chuyển các khung đến lớp con phần chung CPS - Phân chia lớp con hội tụ CS cho các giao thức của ATM và gói dữ liệu + Lớp con hội tụ gói dữ liệu (Packet CS): hỗ trợ Ethernet, VLAN, IPv4 và IPv6; chặn lấy tiêu đề tải dữ liệu (payload header); hỗ trợ QoS đầy đủ. 14
Chương 1. Công nghệ WiMAX + Lớp con hội tụ ATM (ATM CS): hỗ trợ kết nối chuyển mạch đường ảo kênh ảo VP/VC (Virtual Path/Virtual Channel); hỗ trợ báo hiệu đầu cuối tới đầu cuối (end to end) của kết nối động; chặn lấy tiêu đề ATM (ATM header); hỗ trợ QoS đầy đủ.  Lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường MAC-CPS - Thực hiện các chức năng điều khiển truy nhập môi trường điển hình như đánh địa chỉ + Mỗi trạm thuê bao SS được chỉ định một địa chỉ MAC 48 bỉt + Xác nhận kết nối được sử dụng như là địa chỉ sơ cấp sau khi khởi tạo - Cách thức truy nhập môi trường được xác định theo hướng truyền dữ liệu + Hướng lên là đa truy nhập chỉ định theo yêu cầu – ghép kênh phân chia theo thời gian DAMA-TDM (Demand Assigned Multiple Access – Time Division Multiplexing) + Hướng xuống là ghép kênh phân chia theo thời gian TDM - Dữ liệu được đóng gói theo định dạng chung  Lớp con bảo mật MAC-PS - Chức năng chính của lớp con bảo mật: + Cung cấp sự bảo mật kết nối bằng cách mật mã hóa dữ liệu với chuẩn mã mật dữ liệu DES trong mô hình chuỗi liên kết khối mật mã CBC (Cipher Block Chaining). + Chống ăn cắp dịch vụ bằng cách sử dụng giao thức quản lý khóa bảo mật để xác nhận trạm thuê bao SS.  Đánh địa chỉ MAC - Trạm thuê bao SS có địa chỉ MAC 48 bit - Trạm gốc BS có số hiệu trạm gốc 48 bit - Nhận dạng kết nối CID 16 bit, sử dụng trong đơn vị dữ liệu giao thức MAC PDU, dịch vụ kết nối định hướng.  Đơn vị dữ liệu giao thức MAC PDU - Khung dữ liệu MAC PDU có định dạng 15
Chương 1. Công nghệ WiMAX Tiêu đề MAC (6 byte) Tải trọng (tùy chọn) CRC (tùy chọn) + Tiêu đề MAC 6 byte chứa thông tin điều khiển khung + Tải trọng (payload) có độ dài tùy biến chứa thông tin đặc trưng theo loại khung MAC PDU. Có 3 loại MAC PDU. + Phần kiểm tra thứ tự khung chứa mã kiểm tra độ dư vòng CRC (tùy chọn) - Các loại MAC PDU + MAC PDU dữ liệu: tải trọng là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC SDU (Service Data Unit), được truyền trong kết nối dữ liệu (data connection). + MAC PDU quản lý: tải trọng là các bản tin quản lý MAC, được truyền trong kết nối quản lý (management connection). + MAC PDU yêu cầu băng thông: không có tải trọng mà chỉ có tiên đề 1.5 Truy nhập vô tuyến 1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS WiMAX cho phép truyền tín hiệu trong môi trường trong tầm nhìn thẳng LOS (Light of Sight) với dải tần 10-66GHz và không trong tầm nhìn thẳng NLOS (None Light of Sight) với dải tần 2-11GHz.  Truyền sóng trong tầm nhìn thẳng LOS yêu cầu anten phát và thu phải nhìn thấy nhau, đồng thời khoảng hở phải lớn hơn 0,6F1 (F1 là bán kính miền Fresnel thứ nhất). Giá trị F 1 phụ thuộc vào tần số sử dụng và khoảng cách truyền sóng. Nếu khoảng hở nhỏ hơn 0,6F1 do có vật cản trên đường truyền thì tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Đường truyền trong tầm nhìn thẳng được sử dụng cho các trạm chuyển tiếp với phạm vi phủ sóng tối đa 50km.  Truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS không yêu cầu anten thu và phát phải nhìn thấy nhau. Tín hiệu được truyền đến thông qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Tín hiệu tại đầu thu là các tín hiệu đa đường, khác nhau về độ trễ, cường độ tín hiệu, độ ổn định Ưu điểm của truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS là đáp ứng được các điều kiện khác nhau về đường truyền, quy hoạch mạng, giảm được chiều cao anten, cho phép đặt các thiết bị WiMAX ở trong nhà Để tận dụng ưu thế của truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng và khắc phục các hạn chế của nó, WiMAX đã sử dụng công nghệ OFDM, kênh con hóa, kỹ thuật điều chế thích 16
Chương 1. Công nghệ WiMAX ứng, hệ thống anten thông minh, thu phát đa đầu vào đa đầu ra (MIMO-multi input multi output). 1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến WiMAX sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ở giao diện vô tuyến. Công nghệ OFDM có nhiều ưu điểm so với FDM, CDM về tốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỗi bit, hiệu quả sử dụng phổ tần. + Kỹ thuật điều chế OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau. Băng tần của hệ thống được chia thành nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con. Các sóng mang con thỏa mãn điều kiện trực giao cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. + Dữ liệu sẽ được chia thành nhiều luồng song song và được đưa vào từng sóng mang phụ để truyền đi. Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ ký tự thấp nên thời gian truyền ký tự dài. Ngoài ra giữa các ký tự OFDM còn được chèn một khoảng thời gian bảo vệ lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền. Nhờ vậy hệ thống sử dụng OFDM có khả năng chống lại nhiễu xuyên ký tự ISI. + Hệ thống sử dụng OFDM có khả năng khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến thông qua bản tin dẫn đường pilot. + Công nghệ OFDM cho phép sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng để đảm bảo chất lượng kênh truyền. 1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa  Đa truy nhập OFDM-TDMA Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trên cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-TDMA). Kỹ thuật này chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con có một sóng mang phụ. Mỗi thuê cao được cấp phát một khe thời gian. Trạm thuê bao SS sẽ sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con trong khe thời gian được cấp phát. Ngoài ra các khe thời gian có thể co giãn cho phép chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định ngay cả khi mạng quá tải (co hẹp khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao). 17
Chương 1. Công nghệ WiMAX  Đa truy nhập OFDMA Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con có một sóng mang phụ. Khác với OFDM- TDMA, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang phụ mà không gian sóng mang phụ được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang phụ. Kỹ thuật kênh con hóa cho phép ánh xạ các sóng mang phụ cấp cho một trạm thuê bao vào một kênh con. Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang phụ thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng.  Đa truy nhập S-OFDMA (kỹ thuật bổ sung cho WiMAX di động) Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) được bổ sung cho WiMAX di động để hỗ trợ quá trình chuyển giao. Kỹ thuật OFDMA chia băng tần ra nhiều băng con với số băng con cố đinh là 2048 băng con. Với các hệ thống (trạm gốc) có độ rộng băng tần khác nhau, thay đổi từ 5MHz đến 20MHz thì độ rộng phổ mỗi băng con của các hệ thống đó cũng khác nhau gây khó khăn cho việc chuyển giao giữa các hệ thống. Kỹ thuật S-OFDMA cho phép phân chia số băng con một cách tỉ lệ theo độ rộng băng tần. Ví dụ độ rộng băng tần 20MHz chia ra 2048 băng con thì độ rộng băng tần 5MHz chia ra 512 băng con. Như vậy độ rộng phổ của các băng con là như nhau trong các hệ thống khác nhau, giúp quá trình chuyển giao thuận lợi hơn. Ngoài ra việc tương thích giữa các hệ thống sẽ làm giảm chi phí thiết kế, xây dựng mạng.  Kênh con hóa Kỹ thuật kênh con hóa cho phép ánh xạ một số sóng mang phụ vào một kênh con. Mỗi kênh con sẽ được cấp cho một trạm thuê bao. Các sóng mang phụ của một kênh con không kề nhau mà được lựa chọn nhờ thuật toán lập lịch trình. Ví dụ các sóng mang phụ số 1, 3, 5 gán cho kênh con 1; các sóng mang phụ 2, 4, 6 gán cho kênh con 2. Thuật toán lập lịch trình sẽ cho phép lựa chọn các sóng mang phụ tốt nhất cho từng trạm thuê bao thông qua việc đo chất lượng tín hiệu trên từng sóng mang phụ của kênh con được cấp cho trạm thuê bao. 18
Chương 1. Công nghệ WiMAX Trong đường xuống một kênh con có thể được chia cho các máy thu khác nhau, trong đường lên các trạm thuê bao có thể được gán một hoặc vài kênh con để phát lên. 1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD WiMAX hỗ trợ hai phương thức song công TDD và FDD. Trong băng tần được cấp phép, phương thức song công có thể là TDD hoặc FDD. Trong băng tần không cấp phép phương thức song công là TDD.  Song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) Các khung dữ liệu đường lên và đường xuống chia sẻ cùng một kênh tần số và được ghép luân phiên theo thời gian. Các khung TDD có độ dài cố đinh, chứa một khung đường lên và một khung đường xuống. Việc chia khung TDD có tính chất thích nghi, các khoảng thời gian cho một khung TDD có thể là 0,5ms, 1ms hoặc 2ms. Khung đường lên lại được chia thành nhiều khe thời gian con nhờ công nghệ OFDM, mỗi khe dành cho một trạm thuê bao SS gửi các khung PHY PDU của mình, mỗi khung PHY PDU có một burst dữ liệu đường lên. Khung dữ liệu đường xuống chỉ có một khung PHY PDU, trong đó bao gồm nhiều burst dữ liệu đường xuống. Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD Các tham số trong cấu trúc khung OFDM + Preamble: tiền đồng bộ, được dùng để thiết lập tính đồng bộ. 19
Chương 1. Công nghệ WiMAX + FCH (Frame Control Header): tiêu đề điều khiển khung + PDU: đơn vị dữ liệu giao thức + Ranging: thiết lập các thông số truyền dẫn chính trong dải cho phép giữa SS và BS để có thể liên lạc được với BS, ví dụ như độ lệch thời gian, mức công suất phát.  Song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) Đường xuống và đường lên sử dụng hai tần số khác nhau. Đường xuống cho phép song công hoàn toàn, đường lên có thể là song công hoàn toàn (SS thu phát đồng thời) hoặc bán song công (SS thu hoặc phát tại một thời điểm). 1.6 Điều chế và mã hóa Lớp vật lý vô tuyến của WiMAX dựa theo lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM mô tả trong chuẩn 802.16, trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. 1.6.1 Mã hóa kênh Mã hóa kênh bao gồm 3 quá trình: ngẫu nhiên hóa, mã hóa FEC, cài xen a. Ngẫu nhiên hóa Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên từng đường lên hoặc xuống, nghĩa là với một khối dữ liệu (được xác định bởi các kênh con trên miền tần số và các ký hiệu OFDM trên miền thời gian) của mỗi đường sẽ được dùng một cách độc lập. Mã giả ngẫu nhiên có đa thức sinh 1 + x 14 + x15. Mỗi byte dữ liệu được phát sẽ đi vào bộ tạo mã giả ngẫu nhiên một cách tuần tự từ bit già nhất MSB. Ngẫu nhiên hóa chỉ áp dụng cho các bit thông tin, không dùng cho bit tiêu đề. Các bit sau ngẫu nhiên hóa sẽ được đưa vào bộ mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction). 20
Chương 1. Công nghệ WiMAX Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên b. Mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward error correction) Mã hóa sửa lỗi trước FEC bao gồm việc kết hợp mã Reed-Solomon (RS) bên ngoài và mã xoắn Convolutional code với tỉ lệ phù hợp bên trong, hỗ trợ trên cả đường lên và đường xuống. Ngoài ra có thể hỗ trợ mã hóa Turbo khối BTC (Block Turbo Coding) và mã Turbo xoắn CTC (Convolutional Turbo Codes) như các tùy chọn. Mã Reed-Solomon – Convolutional coding tỉ lệ ½ luôn được dùng làm chế độ mã hóa khi yêu cầu truy nhập mạng (ngoại trừ trong các chế độ tạo kênh con chỉ sử dụng mã xoắn tỉ lệ ½) và trong burst tiêu đề điều khiển khung FCH (Frame Control Header). Mã hóa được thực hiện bằng cách biến đổi dữ liệu theo định dạng khối thông qua mã hóa RS và sau đó đưa qua một mã xoắn tận cùng 0 (zero-terminating). c. Cài xen Tất cả các bit dữ liệu sau khi đã mã hóa sẽ được cài xen bởi một bộ cài xen khối với kích thước tương ứng với số bit đã mã hóa trên các kênh con được cung cấp trên mỗi ký tự OFDM. Hàm cài xen được định nghĩa bởi một phép hoán vị 2 bước. Bước đầu tiên đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ vào một sóng mang phụ không kề nhau. Phép hoán vị thứ hai đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ luân phiên vào các bit ít hay nhiều ý nghĩa hơn của chùm ký hiệu, do đó tránh được việc xảy ra các bit có độ tin cậy thấp trong thời gian dài. 1.6.2 Điều chế a. Điều chế số Sau quá trình đan xen bit, các bit dữ liệu được đưa vào theo thứ tự tới bộ tạo ánh xạ chùm. Các kỹ thuật điều chế được hỗ trợ bao gồm BPSK, QPSK ánh xạ 21
Chương 1. Công nghệ WiMAX Gray, 16 QAM và 64 QAM. Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách ghép chùm điểm với hệ số chỉ thị c để đạt được công suất trung bình là như nhau. Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM b. Điều chế pilot Sóng mang phụ chứa pilot (mẫu tin dẫn đường) sẽ được chèn vào mỗi burst (nhóm bit) dữ liệu để cấu thành ký tự và được điều chế theo sóng mang xác định bên trong ký tự OFDM. Pilot được sử dụng để khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến và được lấy ra sau khi giải điều chế OFDM. c. Mã hóa chỉ thị tốc độ Chỉ thị tốc độ (Rate_ID) được dùng để chỉ thị loại điều chế. Chỉ thị tốc độ được mã hóa ở burts đầu tiên ở đường xuống ngay sau tiêu đề điều khiển khung (Frame Control Header – FCH). Chỉ thị tốc độ được mã hóa cố đinh và không thể thay đổi. d. Kỹ thuật điều chế thích ứng Một trong những đặc điểm nổi bật trong công nghệ WiMAX là việc sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM để tối ưu hóa quá trình truyền dẫn. Mức điều chế phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu thông qua tỉ số tí hiệu trên nhiễu SNR. Với kênh truyền tốt (có SNR cao) có thể điều chế 64 QAM, khi SNR giảm thì giảm mức điều chế xuống để duy trì chất lượng kết nối và độ ổn định của liên kết. Mức điều chế càng cao thì hiệu suất sử dụng băng thông (tính theo số 22
Chương 1. Công nghệ WiMAX bit/s/Hz) càng lớn nhưng đòi hỏi tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm CNR lớn hơn do đó đòi hỏi tỉ số SNR cao hơn, nếu không sẽ làm tăng tỉ lệ lỗi bit BER. Với mức điều chế thấp cho phép với tỉ số SNR thấp mà vẫn có thể đảm bảo BER 23dB có thể sử dụng mức điều chế 64 QAM. Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng Các điểm gần trạm gốc BS (trong phạm vi 5km) có tỉ số SNR>23dB nên sẽ sử dụng loại điều chế 64QAM. Nhìn chung càng ra xa trạm gốc tỉ số SNR càng giảm do đó mức điều chế giảm. Tại rìa vùng phủ sóng khi SNR xuống thấp (khoảng 10dB) sẽ phải sử dụng điều chế BPSK. Ngoài ra với các điểm ở gần trạm gốc nhưng bị che khuất bởi nhiều vật cản làm tỉ số SNR giảm cũng có thể sử dụng phương pháp điều chế mức thấp. 23
Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.7 Bảo mật 1.7.1 Kiến trúc bảo mật trong WiMAX  Bảo mật trong trong WiMAX bao gồm: - Bảo mật dữ liệu người dùng qua đường truyền không dây. - Chống các truy nhập không cho phép (unauthorized) vào luồng dịch vụ (chống đánh cắp dịch vụ) bằng cách mật mã hóa trên các luồng dịch vụ. - Mật mã hóa kết nối giữa trạm gốc BS và trạm thuê bao SS. - Cơ cấu bảo mật + Nhận thực + Điều khiển truy nhập + Mật mã hóa bản tin + Phát hiện sự thay đổi trong bản tin (đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu) + Quản lý khóa bảo mật: tạo khóa, vận chuyển khóa, bảo vệ khóa, sử dụng khóa.  Trong kiến trúc giao thức WiMAX, kiến trúc bảo mật được định nghĩa trong lớp con bảo mật MAC-PS. Kiến trúc bảo mật trong WiMAX gồm có hai giao thức thành phần là: - Giao thức mã mật hóa dữ liệu sử dụng chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và có thể sử dụng thêm chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard). - Giao thức quản lý khóa bảo mật PKM (Privacy Key Management)  Giao thức bảo mật của WiMAX dựa trên các liên kết bảo mật SA (security association). Một liên kết bảo mật bao gồm các thông số bảo mật của một kết nối đó là các khóa và các thuật toán mật mã hóa được lựa chọn. Các liên kết bảo mật được chia thành các liên kết bảo mật dữ liệu và các liên kết bảo mật nhận thực. - Liên kết bảo mật dữ liệu (Data SA) bao gồm: + Bộ nhận dạng SA 16 bit. + Mật mã bảo vệ dữ liệu sử dụng chuẩn DES. 24
Chương 1. Công nghệ WiMAX + Hai khóa mã mật lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key). + Bộ nhận dạng khóa TEK. + Thời gian sống của TEK. + Vector khởi tạo 64bit (vector khởi tạo cho mỗi TEK) - Liên kết bảo mật nhận thực (Authorization SA) bao gồm: + Chứng nhận X.509 của từng trạm thuê bao SS. + Khóa nhận thực AK (authorization key) 160 bit. + Nhãn nhận dạng AK 4 bit. + Thời gian sống của AK. + Khóa mã mật khóa KEK (Key Encryption Key). + Khóa mã xác nhận bản tin HMAC (Hashed Message Authentication Code) đường xuống và đường lên. + Danh sách các liên kết bảo mật dữ liệu đã nhận thực. Hình 1.11 Mô hình bảo mật 25
Chương 1. Công nghệ WiMAX Có 3 loại liên kết bảo mật SA là SA cơ bản, SA tĩnh, SA động. Mỗi SS được quản lý sẽ được thiết lập một SA sơ cấp trong quá trính khởi tạo liên kết, SA tĩnh được cấp trong BS, SA động được tạo ra và hủy đi theo đáp ứng với quá trình khởi tạo và kết thúc một luồng dịch vụ cụ thể. SA tĩnh và SA động có thể chia sẻ với nhiều SS. Các SA được xác định bởi nhận dạng liên kết bảo mật SAID (Security Association Identifier). Các kết nối vận chuyển lưu lượng đều phải ánh xạ đến một SA. Các kết nối quản lý thứ cấp phải ánh xạ đến SA cơ bản. Các kết nối quản lý cơ bản không cần ánh xạ đến SA.  Quá trình bảo mật bao gồm 3 quá trình - Nhận thực - Trao đổi khóa dữ liệu - Mật mã hóa dữ liệu 1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến a. Nhận thực Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao Trạm thuê bao SS đưa yêu cầu nhận thực tới trạm gốc BS. Trạm gốc BS sẽ tiến hành xác nhận thuê bao và trả lời nhận thực. Trạm thuê bao SS nhận được khóa 26
Chương 1. Công nghệ WiMAX nhận thực AK. Toàn bộ quá trình nhận thực được bảo mật bởi các liên kết bảo mật nhận thực. Điều này nhằm chống ăn cắp dịch vụ. b. Trao đổi khóa dữ liệu Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu Trao đổi khóa dữ liệu nhằm ngăn chặn việc đánh cắp thông tin qua giao diện vô tuyến. Được thực hiện thông qua việc trao đổi khóa mã mật lưu lượng TEK. Trạm thuê bao SS đưa yêu cầu khóa TEK đến trạm gốc BS. Trạm gốc BS sẽ tạo khóa TEK và trả lời lại trạm thuê bao SS. Để bảo mật cho quá trình trao đổi khóa TEK, BS sẽ tạo khóa TEK một cách ngẫu nhiên và mật mã hóa khóa TEK với mã DES gấp 3 (Triple-DES) hoặc mã AES, đều sử dụng khóa mã mật khóa KEK 128 bit. Bản tin trao đổi khóa được xác nhận bởi khóa mã xác nhận bản tin HMAC-SHA1. c. Quản lý khóa Bản tin 1: BS →SS: Số thứ tự | SAID | HMAC(1) Bản tin 2: SS →BS: Số thứ tự | SAID | HMAC(2) Bản tin 3: BS →SS: Số thứ tự | SAID | khóa TEK cũ | khóa TEK mới | HMAC(3) Bản tin 1 dùng trong quá trình tạo một liên kết bảo mật SA mới 27
Chương 1. Công nghệ WiMAX Bản tin 3 dùng trong quá trình tạo khóa mã mật lưu lượng TEK mới Khóa TEK được mã mật hóa với mã DES-ECB gấp ba (Triple-DES-ECB) 1.7.3 Mật mã hóa dữ liệu Hình 1.14 Mật mã hóa dữ liệu Trạm thuê bao SS yêu cầu khóa mã mật lưu lượng TEK từ trạm gốc BS. Trạm gốc BS sẽ tạo khóa TEK và trả lời lại SS. Khóa mã mật lưu lượng TEK cho phép giải mã được dữ liệu đã được mã hóa. Mật mã hóa dữ liệu sử dụng tiêu chuẩn mã mật dữ liệu DES ở chế độ chuỗi liên kết khối mã mật CBC (Cipher Block Chaining): - Khóa DES 56 bit - Không có sự phát hiện sự toàn vẹn bản tin Ngoài ra có thể sử dụng tiêu chuẩn mã mật tiên tiến AES cho quá trình mật mã hóa dữ liệu. Sự mật mã hóa chỉ thực hiện với các bản tin dữ liệu (mật mã hóa dữ liệu tải lưu lượng), không thực hiện với các bản tin mang thông tin quản lý. 28
Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.8 Các mô hình ứng dụng WiMAX Các mô hình ứng dụng WiMAX được chia thành hai loại: mạng riêng và mạng công cộng.  Các mạng riêng được sử dụng cho các cơ quan, tổ chức, doanh nghiệp. Cấu hình mạng được sử dụng là điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm. Ưu thế của các mạng này là triển khai nhanh, đơn giản và chi phí thấp. + Mạng đường trục cho các nhà cung cấp dịch vụ di động thay thế đường cáp hữu tuyến. + Mạng đường trục cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng BWA, ví dụ các nhà cung cấp dịch vụ Wifi, WiMAX đồng thời cho phép phủ sóng đến những vùng hẻo lánh mà đường truyền Internet không thể lắp đặt. + Mạng ngân hàng: phục vụ việc kết nối các chi nhánh ngân hàng và các điểm đặt máy rút tiền tự động tới trụ sở chính. Ưu điểm khi sử dụng WiMAX là khả năng bảo mật cao và có tính linh hoạt cho phép tái lập mạng nhanh chóng khi có sự thay đổi vị trí của các điểm kết nối. + Mạng giáo dục: kết nối các trường học, tăng cường được công tác quản lý + Mạng an toàn công cộng được thiết lập và quản lý bởi các ngành công an, an ninh, giao thông, cứu hỏa, cấp cứu, tìm kiếm cứu nạn. Mạng an toàn công cộng cung cấp các thông tin về các vấn đề khẩn cấp. WiMAX cho phép thiết lập các mạng vô tuyến tạm thời ngay cả ở nơi đang xảy ra thảm họa (nơi mà mạng hữu tuyến không thể triển khai được), cho phép cung cấp những thông tin cập nhật nhất. + Mạng thông tin xa bờ kết nối các trung tâm trên bờ với các trạm ngoài biển, sử dụng đường truyền LOS với khoảng cách lên tới 50km.  Các mạng công cộng được cung cấp cho các đối tượng người dùng riêng lẻ như các hộ gia đình, trung tâm dịch vụ internet, văn phòng, doanh nghiệp, trường học. Các dịch vụ được cung cấp phục vụ chủ yếu cho truy nhập internet băng rộng, VoIP, nghe nhạc, xem phim trực tuyến Khác với mạng riêng, tài nguyên vô tuyến trong mạng công cộng được chia sẻ giữa những người sử dụng. Mạng WiMAX cho phép cung cấp các mạng công cộng cho nhiều người sử dụng thỏa mãn được các điều kiện về bảo mật dữ liệu người dùng, chi phí thấp và vùng phủ sóng rộng. 29
Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.9 Các ưu điểm của mạng WiMAX So với việc triển khai các mạng số liệu có dây và không dây khác, mạng WiMAX có những ưu điểm nổi bật sau ► Triển khai nhanh hơn nhưng đầu tư ít hơn Thời gian lắp đặt và triển khai hệ thống mạng WiMAX ngắn hơn các hệ thống khác. So sánh với mạng cáp, hệ thống này sẽ giúp nhà khai thác đưa dịch vụ đến khách hàng nhanh hơn rất nhiều. Nói cách khác, chi phí đầu tư sẽ thấp hơn mạng cáp hữu tuyến. Ngoài ra mạng WiMAX cho phép triển khai được ở những vùng mà mạng cáp hữu tuyến không thể triển khai được. Còn các mạng di động yêu cầu quản lý mạng phức tạp do đó quá trình triển khai chậm hơn cũng như chi phí cao hơn. ► Dung lượng mạng lớn hơn Tốc độ dữ liệu của trạm gốc WiMAX có thể đạt được 75Mbps trong một sector và cho phép lên đến 300Mbps trong một cell. Trong trường hợp làm mạng đường trục (backhaul) tốc độ dữ liệu có thể lên tới vài Gbps (mạng WiMAX cố đinh, đường truyền LOS). Mạng WiMAX có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhiều hơn các hệ thống khác như Dial-up, ADSL, DSL và 3G. Mạng Wifi về lý thuyết có thể cung cấp tốc độ dữ liệu 54 Mbps nhưng tốc độ dữ liệu thực phụ thuộc kết nối giữa hotpost với đường ADSL hoặc cáp. Trạm gốc WiMAX có thể kết nối thông qua đường cáp quang hoặc qua các backhaul WiMAX, trong đó khả năng lớn nhất là sử dụng các backhaul. ► Độ bảo mật cao Hệ thống WiMAX có sử dụng bộ lọc địa chỉ IP/MAC, mật khẩu, trên các giao diện vô tuyến sử dụng các phương thức bảo mật tiên tiến. Toàn bộ các quá trình nhận thực, thiết lập kết nối được quản lý bởi giao thức quản lý khóa bảo mật và các liên kết bảo mật đi kèm từng kết nối. Dữ liệu được mã hóa bảo mật theo chuẩn DES, AES. ► Kỹ thuật OFDM Kỹ thuật OFDM cho phép giảm nhiễu ISI, tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm lỗi đường truyền cho phép đảm bảo tốt chất lượng tín hiệu thu. OFDM đặc biệt hiệu quả trong truyền dẫn đa đường trong môi trường NLOS. 30
Chương 1. Công nghệ WiMAX ► Kỹ thuật điều chế thích ứng Kỹ thuật điều chế thích ứng cho phép hệ thống phản ứng linh hoạt với chất lượng đường truyền, khi tỉ số SNR giảm thì mức điều chế giảm để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit đạt mức tiêu chuẩn (tỉ lệ lỗi bit BER không vượt quá 10-3). ►Khả năng điều chỉnh dung lượng dễ dàng Công nghệ WiMAX cho phép việc sử dụng băng thông một cách mềm dẻo. Tùy theo điều kiện sử dụng mà có thể lựa chọn các băng thông từ 3.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz và tối đa 20 MHz. Khi đó có thể tăng dung lượng mạng theo yêu cầu. Đối với Wifi thì băng thông cố đinh là 20 MHz. Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS (nguồn nhà cung cấp thiết bị WiMAX Alvarion) 31
Chương 1. Công nghệ WiMAX Xét một ví dụ một trạm phát WiMAX sử dụng các modun kết nối số liệu, mỗi modun sử dụng băng thông 3.5 MHz. Trong giai đoạn đầu tiên, số lượng thuê bao ít, dung lượng mạng yêu cầu thấp ta có thể sử dụng một modun thu phát sử dụng băng thông 3.5 MHz, mỗi modun cho phép tốc độ dữ liệu 18 Mbps. Khi số thuê bao tăng lên, khi đó chỉ cần lắp thêm modun và tăng băng thông lên để tăng dung lượng mạng. Với 4 modun có thể đạt được dung lượng tối đa 72 Mbps. ►Hiện nay công nghệ WiMAX đang được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị viễn thông. Với phiên bản thiết bị (Multiple vendors) sẽ cho phép giảm rủi ro cho các công ty kinh doanh dịch vụ WiMAX nhờ khả năng lựa chọn thiết bị và sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp. Ngoài ra hệ thống WiMAX có nhiều cơ sở về công nghệ và kỹ thuật cho các giải pháp hiệu quả và cạnh tranh. + Chipset theo tiêu chuẩn. + Công nghệ mới giúp giảm sản xuất chi phí dẫn đến giá thành thiết bị giảm + Khả năng tích hợp chip tương thích WiMAX bên trong laptops và PDA cũng như các thiết bị di động khác (tương tự Wifi) do đó chi phí thiết bị đầu cuối CPE sẽ giảm rất nhiều (người dùng không cần mua các anten hoặc card chuyên dụng). ► Dịch vụ phong phú Mạng WiMAX cho phép cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cho các tổ chức, doanh nghiệp, hộ gia đình và cá nhân. Tất cả các dịch vụ đều được đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. + Dịch vụ thoại truyền thống hoặc thoại qua internet (VoIP) + Truy cập internet tốc độ cao + Hội nghị truyền hình + Mạng riêng ảo + Truyền hình di động + Giải trí trực tuyến và nhiều dịch vụ gia tăng khác Các dich vụ phong phú và chất lượng dịch vụ cao với mức cước không quá lớn là điểm hấp dẫn của công nghệ WiMAX. 32
Chương 1. Công nghệ WiMAX Tổng kết chương 1 Qua sự tìm hiểu, phân tích các khái niệm và đặc điểm của công nghệ WiMAX chúng ta đã thấy được WiMAX là một công nghệ tiên tiến, là bước đột phá trong công nghệ truy nhập vô tuyến băng thông rộng hiện nay. Việc tìm hiểu các công nghệ và khả năng ứng dụng của mạng WiMAX cố đinh là cơ sở để tiến hành việc xây dựng thiết kế một mạng WiMAX cố đinh & di trú trong thực tế. Thêm vào đó nhu cầu sử dụng các dịch vụ số liệu không dây ngày càng tăng, cho phép tin tưởng vào sự thành công của WiMAX. 33
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội CHƯƠNG 2. BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG WIMAX CỐ ĐỊNH & DI TRÚ CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI ___ Chương 2 sẽ trình bày quá trình thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú thông qua việc giải quyết bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú. Việc thiết kế một mạng WiMAX cố đinh & di trú cụ thể cho thành phố Hà Nội sẽ dựa trên các bước thiết kế được đưa ra trong mục 2.2 với các tham số và các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội trong mục 2.3. 2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh nhằm thực hiện các mục đích chính ► Đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu không dây tốc độ cao (truy nhập vô tuyến băng thông rộng) ngày càng tăng ► Cung cấp một dải rộng các ứng dụng đa dịch vụ, tốc độ cao với chất lượng đảm bảo, đặc biệt là các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực. ► Thỏa mãn tính đa dạng trong công nghệ truy nhập vô tuyến và hỗ trợ các mạng truy nhập vô tuyến hiện tại như mạng di động, các hotspot của Wifi ► Theo xu hướng phát triển và ứng dụng công nghệ mới ► Thành phố Hà Nội luôn là nơi được triển khai sớm các công nghệ mới, gần đây nhất là truyền hình di động, dịch vụ điện thoại cố đinh & di trú không dây 2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú Trước khi thực hiện bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta phải biết các tham số hệ thống cho một mạng WiMAX cố đinh & di trú. Các tham số hệ thống này được xác định theo yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú và phụ thuộc vào chính sách của từng quốc gia. Ví dụ băng tần hoạt động có 34
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội thể là 2.3 GHz, 2.5 GHz hoặc 3.5 GHz. Các tham số hệ thống theo yêu cầu là cơ sở cho phép lựa chọn các thông số thiết bị cần thiết. Với mỗi yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú khác nhau ta sẽ có một bộ tham số hệ thống mạng WiMAX cố đinh & di trú khác nhau. Tham số quan trọng nhất chính là băng tần hoạt động vì nó có quan tới tất cả các quá trình tính toán thiết kế mạng cũng như việc lựa chọn mô hình dự đoán suy hao thích hợp. Hiện nay WiMAX cố đinh & di trú đang được xem xét để được cấp băng tần hoạt động 3.5 GHz và các băng thấp hơn. Tại Việt Nam băng tần 3.5 GHz cũng đang được đề nghị cấp cho WiMAX cố đinh & di trú và nhiều khả năng WiMAX cố đinh & di trú tại Việt Nam sẽ được cấp phép hoạt động ở băng tần 3.5 GHz. Chính vì vậy đồ án “thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú & di trú cho thành phố Hà Nội” sẽ lựa chọn sử dụng băng tần 3.5 GHz cho mạng WiMAX cố đinh & di trú. Chúng ta có thể tham khảo bảng tham số hệ thống cho WiMAX cố đinh & di trú được cho bởi WiMAX Forum sử dụng băng tần 3.5 GHz trong bảng 2.1 Tham số Giá trị Tần số hoạt động 3500 MHz Song công TDD, FDD Đa truy nhập TDMA Băng thông kênh 10MHz Khoảng cách BS-BS 4 km Khoảng cách tối thiểu từ SS tới BS 36 m Độ cao trạm gốc 50 m – 100 m Độ cao thiết bị cố đinh & di trú 2 m – 40 m Tăng ích anten BS 17 dBi Tăng ích anten SS Cố đinh & di trú (trên nóc 15 dBi nhà) 35
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Di trú (gắn trên thiết bị) 8 dBi Công suất phát của BS trên 1 anten 50 dBm Công suất phát của SS trên 1 anten 30 dBm Số lượng anten phát/thu của BS Phát: 2 hoặc 4, thu: 2 hoặc 4 Số lượng anten phát/thu của SS Phát: 1, thu: 2 Mẫu anten 70o (- 3dB) Tạp âm trạm gốc 4 dB Tạp âm trạm cố đinh & di trú 7 dB Bảng 2.1 Bảng các tham số hệ thống tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú (nguồn WiMAX Forum) Giải thích các tham số hệ thống chính của WiMAX cố đinh & di trú ► Tham số tần số hoạt động cho biết băng tần hoạt động của mạng WiMAX cố đinh & di trú. Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán suy hao. ► Tham số băng thông kênh là giá trị độ rộng băng thông của kênh tần số được cấp. Băng thông của kênh càng lớn thì tốc độ dữ liệu tối đa cho phép càng cao. Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán lưu lượng. ► Tham số độ cao trạm gốc cho biết dải độ cao cho phép của trạm gốc. Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán suy hao. ► Tham số độ cao thiết bị cố đinh & di trú cho biết dải độ cao cho phép của trạm cố đinh & di trú. Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán suy hao. ► Tham số tăng ích anten BS/SS cho biết khả năng khuếch đại tín hiệu của anten BS/SS. Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán suy hao. ► Tham số công suất của BS/SS phát trên một anten cho biết công suất phát tối đa trên 1 anten phát từ đó tính EIRP (công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả). Tham số này được sử dụng trong quá trình tính toán suy hao. 36
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội ► Tham số khoảng cách BS-BS được xác định ước lượng sao cho ảnh hưởng của nhiễu từ các trạm lân cận ở trong giới hạn chp phép, kết quả của quá trình tính toán sẽ cho ra khoảng cách BS-BS cụ thể. ► Tham số khoảng cách tối thiểu từ SS tới BS phụ thuộc góc phát của anten trạm gốc BS. ► Tham số số lượng anten phát/thu tùy thuộc từng thiết bị, số lượng anten thu phát càng lớn thì hiệu suất sử dụng phổ càng tăng dẫn đến tốc độ dữ liệu tối đa tăng. ► Tham số tạp âm trạm gốc, trạm cố đinh & di trú được tính vào trong độ nhạy thu của trạm gốc và trạm cố đinh & di trú. 2.2.2 Các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú Để phục vụ cho quá trình định cỡ mạng cần phải biết được tổng nhu cầu sử dụng. Tổng nhu cầu sử dụng sẽ được xác định thông qua các tham số dịch vụ và số lượng thuê bao trên từng dịch vụ. Các tham số dịch vụ theo các mức tiêu chuẩn dịch vụ của từng nhà cung cấp. Bảng 2.2 đưa ra các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú (nguồn WiMAX Forum). STT Ứng dụng Tốc độ dữ liệu Độ trễ Độ trễ pha 1 Trò chơi tương tác trực tuyến 50 kbps ~ 85 kbps < 25 SS N/A1 2 VoIP 4 kbps ~ 64 kbps <160 SS < 50 SS 3 Hội nghị truyền hình 32 kbps ~ 384 kbps <160 SS < 50 SS 4 Nhạc, lời (speech) 5 kbps ~ 128 kbps N/A < 100 SS 5 Đoạn phim ngắn độ phân giải 20 kbps ~ 384 kbps N/A < 100 SS thấp (Video Clip) 1 N/A (Not applicable): không được áp dụng. Tùy thuộc vào loại hình dịch vụ mà sẽ không áp dụng một vài tham số dịch vụ, ví dụ như tham số độ trễ chỉ có ở các ứng dụng yêu cầu thời gian thực như VoIP còn các ứng dụng không yêu cầu thời gian thực như tải dữ liệu thì không cần tham số trễ. 37
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 6 Luồng phim độ phân giải cao Cho phép > 2 Mbps N/A 500 kbps N/A N/A thư điện tử có đính kèm file 8 Tải dữ liệu (download) Cho phép > 1 Mbps N/A N/A Bảng 2.2 Bảng các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú (nguồn WiMAX Forum) Bảng các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú đưa ra một số dịch vụ cơ bản với 3 tham số dịch vụ là tốc độ dữ liệu, độ trễ (delay) và độ trễ pha (jitter). Chúng ta chỉ sử dụng tham số tốc độ dữ liệu cho quá trình tính toán định cỡ mạng, các tham số về độ trễ được sử dụng trong kỹ thuật QoS nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ. 2.2.3 Phương pháp tính toán lưu lượng Các tham số đầu vào cho tính toán lưu lượng bao gồm loại hình dịch vụ (tốc độ dữ liệu, các tham số tính toán cho từng loại hình dịch vụ) và số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ đó. Từ các tham số đầu vào này sử dụng phương pháp tính toán lưu lượng để xác định lưu lượng dữ liệu yêu cầu. Khi tính toán lưu lượng dịch vụ dữ liệu phải sử dụng tham số tỉ số tranh chấp băng thông (contention ratio – CR). Tỉ số tranh chấp băng thông xác định số lượng thuê bao sử dụng chung trên một băng thông kênh truyền. Tỉ số tranh chấp băng thông được định nghĩa CR = 1:N với N là số thuê bao sử dụng chung băng thông một kênh. Ví dụ CR = 1:10 nghĩa là có 10 thuê bao sử dụng chung một kênh. Lưu lượng dịch vụ số liệu được tính toán dựa trên tỉ số tranh chấp băng thông CR như sau C = Σ [M . (D + L)] . CR (2.1) + Lưu lượng dịch vụ C (kbps) + Số lượng thuê bao trên từng loại dịch vụ M + Tốc độ từng loại dịch vụ D/L (kbps) 38
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội + Tỉ số tranh chấp băng thông CR = 1:N Với dịch vụ yêu cầu thời gian thực như VoIP sử dụng tỉ số tranh chấp băng thông thấp CR = 1:4, với dịch vụ không yêu cầu thời gian thực sử dụng tỉ số tranh chấp băng thông cao CR = 1:10 ~ 1:20. Ví dụ tính toán lưu lượng dịch vụ dữ liệu  20 thuê bao sử dụng dịch vụ VoIP có tốc độ dữ liệu DL/UP 64/64 kbps + Tỉ số tranh chấp băng thông CR = 1:4  60 thuê bao dịch vụ dữ liệu + 50 thuê bao sử dụng dịch vụ có tốc độ dữ liệu DL/UP 512/128 kbps + 10 thuê bao sử dụng dịch vụ có tốc độ dữ liệu DL/UP 1536/384 kbps + Tỉ số tranh chấp băng thông CR = 1:10  Tổng lưu lượng cần đáp ứng cho nhu cầu sử dụng C = (64 + 64).20. 1/4 + [(512 + 128).50 + (1536 + 384).10] . 1/10 = 5760 (kbps). c. Tổng lưu lượng và thông lượng (mật độ lưu lượng) ► Tổng lưu lượng dịch vụ C Mbps ► Thông lượng hay mật độ lưu lượng là lưu lượng dịch vụ xét trên một đơn vị diện tích (thường dùng km2) với điều kiện thuê bao phân bố đều trên diện tích phủ sóng. Thông lượng dữ liệu được sử dụng để tính toán lưu lượng và định cỡ mạng. + Lưu lượng dịch vụ C Mbps + Diện tích phủ sóng S (km2) + Thông lượng dịch vụ 2 T = C / S (Mbps/km ) (2.2) 2.2.4 Đánh giá khả năng triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú Hiện nay mạng WiMAX cố đinh & di trú đang được triển khai thử nghiệm trên một số quốc gia do các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu trên thế giới tiến hành. Tại Việt Nam WiMAX cố đinh & di trú đang được sự hỗ trợ của tập đoàn Alvarion, Alvarion hiện đã hỗ trợ thiết BreezeMAX cho thử nghiệm mạng WiMAX 39
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội cố đinh & di trú tại Việt Nam và sẵn sàng giúp đỡ Việt Nam xây dựng mạng WiMAX cố đinh & di trú (nguồn Vnmedia). Nhu cầu sử dụng các dịch vụ số liệu không dây và VoIP đang tăng mạnh, ngoài ra các mạng cố đinh & di trú hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu. Ngoài ra các phiên bản thiết bị WiMAX cố đinh & di trú ngày càng phổ biến cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có nhiều sự chọn lựa hơn. Tất cả các yếu tố trên cho phép khả năng mạng WiMAX cố đinh & di trú trở thành hiện thực tại Việt Nam. 2.2.5 Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú Trước khi thiết kế một mạng WiMAX cố đinh & di trú cần xem xét các yêu cầu thiết kế mạng cụ thể để lựa chọn các bước tính toán tính toán hợp lý. Các yêu cầu thiết kế mạng là đầu vào cho các quá trình tính toán thiết kế mạng. Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú gồm các quá trình tính toán suy hao, tính toán quỹ đường truyền và định cỡ mạng. ► Trước hết phải xem xét các tham số yêu cầu thực tế cho mạng WiMAX cố đinh & di trú. Trong đó quan trọng nhất là băng tần được phép sử dụng, các yếu tố địa hình có liên quan tới việc tính toán suy hao và bản đồ vùng địa lý để xây dựng mô hình mạng, các tham số dịch vụ để tính toán dung lượng mạng. Các tham số đầu vào còn là cơ sở để lựa chọn sơ bộ thông số thiết bị yêu cầu. Sau quá trình tính toán 40
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội nếu thiết bị đã lựa chọn không đáp ứng được các yêu cầu thì phải lựa chọn các thông số thiết bị khác, tất nhiên khi đó quá trình tính toán sẽ phải thực hiện lại cho đến khi thỏa mãn mọi yêu cầu thiết kế mạng ► Quá trình tính toán suy hao và tính toán quỹ đường truyền nhằm mục đích xác định phạm vi phủ sóng và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền, đó là các vấn đề quan trọng trong mạng thông tin vô tuyến. Kết quả tính toán sẽ cho ta biết phạm vi phủ sóng tối đa (bán kính cell lớn nhất) từ đó tính được diện tích phủ sóng lớn nhất của một cell. ► Quá trình định cỡ mạng nhằm xác định số cell cần thiết để đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Trước hết phải tính toán thông lượng mạng yêu cầu thông qua việc xác định số lượng thuê bao, loại hình dịch vụ, tỉ số tranh chấp băng thông cho dịch vụ số liệu. Kết quả ta tính toán thông lượng dịch vụ số liệu T (Mbps/km 2). Sau đó dựa vào kết quả tính toán diện tích phủ sóng lớn nhất của một cell và lưu lượng trung bình của một cell (tính theo các tham số thiết bị và băng thông sử dụng) sẽ tính 2 được thông lượng dữ liệu trung bình của một cell T’2 Mbps/km . Nếu T’2 ≥ T2 tức là thông lượng dữ liệu trung bình của một cell đã đáp ứng đủ thông lượng mạng yêu cầu, khi đó thiết bị đã lựa chọn thỏa mãn. Nếu T’ 2 < T2 tức là thông lượng trung bình của một cell thấp hơn thông lượng mạng yêu cầu khi đó phải tăng số cell hoặc thay đổi thiết bị khác có dung lượng lớn hơn và thực hiện quá trình định cỡ lại. ► Các kết quả đạt được sau khi tính toán là số cell (số trạm gốc), bán kính cell, khoảng cách các trạm gốc và vị trí đặt trạm gốc trên bản đồ địa lý. Mô hình mạng sẽ được thể hiện trên bản đồ địa lý dưới dạng ô lưới lục giác với trung tâm ô lục giác là một trạm gốc BS. Vị trí đặt trạm cụ thể sẽ dao động xung quanh vị trí trạm trên bản đồ địa lý, tùy theo điều kiện cụ thể. Để xác định vị trí đặt trạm phải sử dụng bản đồ kiến trúc hạ tầng hay bản đồ chụp từ vệ tinh. 2.3 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú Mỗi hệ thống mạng đều có những chỉ tiêu chất lượng được quy định nhằm đưa ra mức chất lượng dịch vụ cho các nhà cung cấp. Các yêu cầu thiết kế mạng phải thỏa mãn các mức chỉ tiêu chất lượng mạng tiêu chuẩn do đó quá trình thiết kế 41
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội mạng phải đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng theo mức tiêu chuẩn. Ngoài ra chỉ tiêu chất lượng còn là cơ sở kiểm định chất lượng mạng trong quá trình vận hành. Đối với mạng WiMAX cố đinh & di trú do là mạng cung cấp các dịch vụ dữ liệu nên các chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú sẽ bao gồm các chỉ tiêu chất lượng dịch vụ số liệu tương tự mạng Internet truyền thống (mạng dữ liệu có dây). Hình 2.2 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng Internet (nguồn fpt.com.vn) 42
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Hình 2.2 bao gồm bảng tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ Internet theo tiêu chuẩn ngành TCN 68-218-2003 và đăng ký chỉ tiêu chất lượng dịch vụ truy nhập Internet gián tiếp qua mạng điện thoại công cộng của công ty cổ phần phát triển đầu tư công nghệ FPT (nguồn fpt.com.vn). Các chỉ tiêu của mạng Internet được sử dụng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú bao gồm các chỉ tiêu về tỷ lệ truy nhập mạng thành công, tỷ lệ kết nối không gián đoạn, thời gian thiết lập kết nối trung bình, tốc độ tải dữ liệu trung bình, thời gian trung bình truy nhập trang WEB, lưu lượng sử dụng trung bình. Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng cho từng loại mạng, WiMAX cũng có các chỉ tiêu kỹ thuật chung cho mọi loại mạng bao gồm + Độ khả dụng của mạng + Các vấn đề về khiếu nại và giải quyết khiếu nại + Dịch vụ hỗ trợ khách hàng STT Tên chỉ tiêu Mức tiêu chuẩn 1 Độ khả dụng của mạng ≥ 99,5 % 2 Tỷ lệ truy nhập mạng thành công ≥ 95 % 3 Tỷ lệ kết nối không gián đoạn ≥ 97 % 4 Thời gian thiết lập kết nối trung bình ≤ 35 s 5 Tốc độ tải dữ liệu trung bình > 8 KB/s 6 Thời gian trung bình truy nhập trang WEB ≤ 35 s 7 Lưu lượng sử dụng trung bình ≤ 70 % 8 Chỉ số thỏa mãn của khách hàng về chất ≥ 90 % lượng dịch vụ QoS 9 Khiếu nại và giải quyết khiếu nại + Tỉ lệ khiếu nại ≤ 0,5 % + Khiếu nại về cước ≤ 0,25 % + Tiếp nhận và hồi âm (trong 48 giờ) 100 % 10 Dịch vụ hỗ trợ khách hàng 24/24 giờ Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú Bảng 2.3 là bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú với tất cả các tiêu chuẩn chất lượng cho dịch vụ số liệu và thoại. Do chưa có một bộ 43
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội tiêu chuẩn chất lượng chính thức cho WiMAX cố đinh & di trú nên trong đồ án này không đưa ra các mức đăng ký chỉ tiêu mà sử dụng các mức tiêu chuẩn cho việc tính toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội. Các chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú có liên quan tới quá trình thiết kế mạng bao gồm: + Lưu lượng sử dụng trung bình A % xác định lưu lượng sử dụng dịch vụ trung bình. Sau khi tính được lưu lượng sử dụng dịch vụ yêu cầu C Mbps, lưu lượng cần đáp ứng được tính C’ = C * A / 100. + Các chỉ tiêu khác được đảm bảo bởi các kỹ thuật và công nghệ sử dụng trong WiMAX cố đinh & di trú, đặc biệt là kỹ thuật QoS đảm bảo chất lượng dịch vụ, công nghệ anten thông minh đảm bảo chất lượng kết nối và độ khả dụng của mạng (mạng WiMAX cố đinh & di trú có độ khả dụng lên tới > 99,9 %). 2.3.2 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội là cơ sở để tiến hành các bước tính toán thiết kế mạng, qua trình tính toán thiết kế mạng sẽ phải sử dụng các thông số yêu cầu thiết kế mạng. Một vấn đề nữa là trong điều kiện Việt Nam hiện nay, WiMAX cố đinh & di trú sẽ được triển khai trước ở các trung tâm đô thị lớn. Vì lý do này nên đồ án “thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú & di trú cho thành phố Hà Nội” sẽ thực hiện việc thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho khu vực trung tâm Hà Nội nơi có mật độ dân đông nhất, bao gồm các quận Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa, Hai Bà Trưng và một phần các quận Thanh Xuân, Hoàng Mai, Cầu Giấy. Các yêu cầu thiết kế mạng bao gồm tần số được phép sử dụng, độ rộng băng thông kênh tối đa, các điều kiện địa hình, kiến trúc đô thị, lưu lượng sử dụng (phụ thuộc dịch vụ) và mật độ thuê bao. a. Quỹ tần số có thể cấp phát Tại Việt Nam băng tần có thể cấp phát cho WiMAX là băng 3,5 GHz với phổ tổng cộng khoảng 200 MHz. Phổ dành cho một kênh có thể là 3.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz. Một trạm gốc có thể được cấp tổng cộng 20 MHz, với mẫu tái sử dụng tần số (1, 1, 3). 44
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội b. Thông tin vùng phủ sóng Hình 2.3 là bản đồ chụp từ vệ tinh nhằm xác định khu vực cần phủ sóng. Vùng cần phủ sóng là khu vực có mật độ nhà ở lớn nhất nằm trong giới hạn vùng phủ sóng được chỉ ra trên hình. Tổng diện tích khu vực cần phủ sóng là 42 km2, yêu cầu xác suất phủ sóng 95 % trên toàn bộ diện tích cell và 75 % tại lề cell (xét với macro cell, bán kính trên 1 km). Hình 2.3 Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh (Nguồn Google Earth) Xem xét ảnh chụp từ vệ tinh có thể thấy khu vực trung tâm Hà Nội có mật độ nhà dày đặc, cao hơn hẳn tất cả các khu vực xung quanh và đây cũng là khu vực có mật độ dân cư cao nhất do đó sẽ có mật độ thuê bao WiMAX cố đinh & di trú lớn 45
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội nhất. Vì lý do trên nên mạng WiMAX cố đinh & di trú bước đầu sẽ được triển khai tại khu vực này. Hình 2.4 thể hiện khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý để tiện cho việc quy hoạch vùng phủ sóng Hình 2.4 Khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý (Nguồn Google Earth) 46
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội c. Điều kiện và môi trường truyền sóng Xem xét bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh (nguồn Google Earth 2 ), Hình 2.5 để xác định điều kiện và môi trường truyền sóng. Các phân tích về điều kiện và môi trường truyền sóng quyết định đến việc lựa chọn mô hình tính toán suy hao và quá trình tính toán quỹ đường truyền. Hình 2.5a là bản đồ khu vực nội thành Hà Nội chụp từ vệ tinh và chi tiết một số khu vực như quận Hoàn Kiếm (Hình 2.5b) và phường Bách Khoa (Hình 2.5c). Qua bản đồ chụp từ vệ tinh có thể đưa ra các nhận định sau về kiến trúc đô thị khu vực nội thành Hà Nội như sau:  Địa hình tương đối bằng phẳng, không có núi đồi, nền địa hình thấp  Mật độ nhà ở dày đặc và tạo thành từng khối, chiều cao nhà trung bình 15 m, khoảng cách giữa các khối nhà khoảng 15m, các công trình cao tầng phân bố thưa và số lượng ít.  Các đường phố chính có độ rộng trung bình 20 m, ngoài ra có rất nhiều các con phố nhỏ với độ rộng từ 5~12 m.  Có nhiều hồ và sông nhỏ trong khu vực nội thành d. Các vị trí có thể đặt trạm gốc Qua các nhận định về kiến trúc khu vực nội thành Hà Nội có thể đưa ra các yêu cầu thiết kế về các vị trí có thể đặt trạm gốc + Do các trong khu vực trung tâm thành phố mật độ thuê bao cao, mặt khác nhà ở có độ cao thấp nên sử dụng các anten có độ cao từ 30 ~ 40 m. Các cột anten phải đặt trên đỉnh các công trình cao tầng có độ cao khoảng 25 m trở lên hoặc sử dụng cột anten cao 40 m. Các mạng thông tin cố đinh & di trú hiện nay đặt tại trung tâm thành phố Hà Nội (khu vực đông thuê bao) sử dụng các cột anten BTS có độ cao tính từ mặt đất lên anten trong khoảng 30 ~ 40 m. 2 Google Earth là một sản phẩm của Google nhằm cung cấp hình ảnh các hình ảnh về bề mặt trái đất chụp từ vệ tinh. Các hình ảnh cung cấp bởi Google Earth cho phép xem xét điều kiện địa hình, kiến trúc các thành phố lớn trên thế giới 47
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội + Vị trí các trạm gốc không được rơi vào các sông hồ, đường phố, bệnh viện và các khu vực dành cho quốc phòng. Trong trường hợp vị trí trạm gốc (tâm cell) rơi vào các khu vực này cần dịch vị trí trạm gốc. + Vị trí các trạm gốc phải thỏa mãn sao cho tổng diện tích phủ sóng của các cell đủ che phủ toàn bộ diện tích cần phủ sóng hoặc ít nhất > 98 % diện tích vùng cần phủ sóng. + Các vị trí trạm gốc sẽ được chỉnh thô trên bản đồ kiến trúc toàn bô khu vực trung tâm Hà Nội chụp từ vệ tinh (Hình 2.5a), các vị trí cụ thể sẽ được xác định trên bản đồ chi tiết từng cell. Trong đồ án này bản đồ chi tiết khu vực quận Hoàn Kiếm sẽ được sử dụng để minh họa cho quá trình xác định vị trí trạm gốc trên bản đồ. (2.5a Khu vực nội thành Hà Nội) 48
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội (Sử dụng thước tỉ lệ 1km) (2.5b Khu vực quận Hoàn Kiếm) (2.5c Khu vực phường Bách Khoa) Hình 2.5 Bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh 49
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội e. Các dịch vụ có thể triển khai Xét với nhu cầu sử dụng và điều kiện kinh tế hiện nay của người dân Hà Nội thì các ứng dụng WiMAX cố đinh & di trú có thể triển khai trong giai đoạn đầu là ứng dụng thoại VoIP cố đinh & di trú và truy nhập Internet tốc độ cao (dịch vụ Best Effort), các dịch vụ giải trí thời gian thực khác như truyền hình online, multimedia sẽ được cung cấp sau do giá dịch vụ thời gian thực còn tương đối cao và nhu cầu không quá lớn. Trong các mạng cố đinh & di trú hiện tại lưu lượng lớn nhất vẫn là voice, trong mạng Internet tốc độ cao ADSL cũng chỉ cung cấp dịch vụ Best Effort do giá rẻ. Ngoài ra dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao được cung cấp bởi WiMAX cố đinh & di trú còn được hỗ trợ chất lượng dịch vụ bởi kỹ thuật QoS do đó vẫn có thể đáp ứng tốt các nhu cầu của người sử dụng với giá cước hợp lý. Các dịch vụ WiMAX sẽ được triển khai trong giai đoạn đầu bao gồm  Thoại VoIP + Tốc độ dữ liệu UL/DL 64/64 kbps + Tỉ số tranh chấp băng thông CR = 1:4 + Lưu lượng sử dụng trung bình A % = 70 %  Dịch vụ dữ liệu Best Effort + Tốc độ DL/UL: 256/64 kbps, 512/128 kbps, 1024/256 kbps, 2048/512 kbps + Tỉ số tranh chấp băng thông CR = 1:10 (dịch vụ ADSL sử dụng CR = 1:20) + Lưu lượng sử dụng trung bình A % = 70 % f. Dự đoán thuê bao Số lượng và mật độ thuê bao phụ thuộc tổng số dân và phân bố dân cư trên vùng phủ sóng. Trong điều kiện phân bố dân cư không đều nhau sẽ phải tính toán chi tiết cho từng khu vực để xác định lưu lượng yêu cầu. Xem xét trên bản đồ chụp từ vệ tinh Hình 2.5 a có thể thấy trong khu vực trung tâm mật độ nhà ở tương đương trên toàn diện tích phủ sóng do đó mật độ dân cư gần như là đều nhau. Vậy có thể coi các thuê bao phân bố đều trên toàn bộ diện tích phủ sóng. Theo các số liệu thống kê năm 2005 dân số khu vực trung tâm Hà Nội xét trong phạm vi vùng phủ sóng khoảng 1 triệu dân. Tổng diện tích vùng cần phủ sóng 42 km2, mật độ dân cư 1.106/42 = 23800 (người/km2). 50
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Tỉ lệ thuê bao của mạng WiMAX cố đinh & di trú trên tổng số dân (xét trong vùng phủ sóng) trong giai đoạn đầu khoảng 2 % tức là 20000 thuê bao. Các dịch vụ cơ bản được triển khai là thoại VoIP và Internet tốc độ cao với các yêu cầu dịch vụ như trong mục 2.2.2 e. Tỉ lệ phần trãm thuê bao trên từng ứng dụng được cho trong bảng 2.4 STT Dịch vụ (DL/UL) Tỉ lệ thuê bao Số lượng thuê bao 1 VoIP 20 % 4000 2 Dữ liệu 256/64 Kbps 60 % 12000 3 Dữ liệu 512/128 Kbps 18 % 3600 4 Dữ liệu 1024/256 Kbps 1,5 % 300 5 Dữ liệu 2048/512 Kbps 0,5 % 100 Tổng cộng 100 % 19200 Bảng 2.4 Tỉ lệ thuê bao trên từng ứng dụng g. Tính toán lưu lượng yêu cầu ► Lưu lượng dịch vụ  Tổng lưu lượng dịch vụ dữ liệu Tổng lưu lượng = tổng thuê bao*Σ(tốc độ dữ liệu*tỉ lệ thuê bao)*CR*A/100 (2.4) Tổng lưu lượng = 4000 * (64 + 64) * 1 / 4 * 70 / 100 + 20000 * [(256 + 64) * 60 + (512 + 128)*18 + (1024 + 256)*1,5 + (2048 + 512)*0,5]/100 * 1/10 * 70/100 = 564475 (Kbps) = 551,24 (Mbps)  Thông lượng dịch vụ dữ liệu trung bình 551,24 / 42 = 13,12 (Mbps/km2) Tổng hợp các yêu cầu thiết kế  Diện tích vùng phủ 42 km2  Yêu cầu xác suất phủ sóng 95 % trên toàn bộ diện tích cell và 75 % tại lề cell  Yêu cầu lưu lượng 551,24 Mbps 51
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội  Tần số hoạt động của mạng 3,5 GHz  Thỏa mãn các yêu cầu về điều kiện kiến trúc, địa hình  Đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng dịch vụ theo mức tiêu chuẩn. 2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế Vấn đề lựa chọn thiết bị phải theo yêu cầu lưu lượng, nhất là đối với các khu vực trung tâm độ thị có mật độ thuê bao lớn. Trong khi đó quá trình tính toán suy hao và quỹ đường truyền nhằm mục đích xác định bán kính cell tối đa và đảm bảo được chất lượng tín hiệu thu. Bán kính cell càng lớn mật độ lưu lượng đáp ứng càng nhỏ và ngược lại, giá trị bán kính cell sẽ được tính toán sao cho thỏa mãn quỹ đường truyền và đáp ứng được thông lượng dữ liệu yêu cầu. a. Các yêu cầu  Yêu cầu thông lượng + Thông lượng trung bình T = 13,12 Mbps/km2  Tần số hoạt động của mạng 3,5 GHz b. Lựa chọn thiết bị ► Các trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú hiện nay có khả năng cung cấp lưu lượng dữ liệu trung bình 30 Mbps trên 1 sector, độ rộng kênh 10 MHz. Với cấu hình 3 sector/cell khả năng cung cấp trung bình của một cell 90 Mbps lưu lượng dữ liệu. Khả năng khi sử dụng cấu hình 6 sector/1 cell, mức điều chế dữ liệu cao nhất 64QAM, độ rộng kênh 20 MHz, khi đó có thể cung cấp tối đa 540 Mbps lưu lượng dữ liệu. ► Các thiết bị WiMAX cố đinh & di trú bao gồm trạm gốc và các trạm thuê bao cố đinh & di trú. Quan trọng nhất là lựa chọn trạm gốc sao cho thỏa mãn các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú. Đối với các trạm thuê bao cố đinh & di trú do có rất nhiều hãng sản xuất và sự lựa chọn thuộc về người sử dụng nên việc lựa chọn thông số trạm thuê bao cố đinh & di trú chỉ lấy các thông số tiêu chuẩn. ► Lựa chọn trạm gốc Các trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú có thể lựa chọn sản phẩm trạm gốc cố đinh & di trú của các hãng Alvarion, Axxcelera, Airspan, SR-Telecom, Telsima. 52
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội  Hãng Alvarion có phiên bản trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú đó là BreezMAX BST + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256 điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 3.5 / 5.8 GHz + Sector 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu 30 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 40 dBm trên một phần tử anten3 + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 115 dBm (QPSK4) tới – 108 dBm (QPSK)  Hãng Axxcelera với phiên bản trạm gốc ExcelMAX + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,5 / 3 / 7 / 10 / 14 MHz + Sử dụng cho băng tần 3.5 GHz + Sector 45o / 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu 40 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 7 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 101 dBm (BPSK)  Hãng Airspan có 2 phiên bản trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú đó là HiperMAX dành cho macro cell và MicroMAX-SDR dành cho micro cell. + Đa truy nhập TDMA 3 Với kỹ thuật MIMO trạm gốc WiMAX có thể sử dụng nhiều hơn 1 phần tử anten phát, khi đó sẽ tăng công suất phát trong một anten. 4 Độ nhạy thu cũng phụ thuộc vào mức điều chế dữ liệu, độ nhạy thu với mức điều chế cao yêu cầu lớn hơn với khi điều chế mức thấp 53
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội + Song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256 , điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 2.5 / 3.5 / 5 GHz + Sector 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 30 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 35 dBm trên một phần tử anten5 + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 117 dBm (BPSK6) tới – 108 dBm (16QAM)  Hãng SR-Telecom với phiên bản trạm gốc CBS5000 hỗ trợ WiMAX cố đinh & di trú + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,25 / 2,5 / 5 / 7 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 1.5 / 2.3 / 2.5 / 3.5 / 10 GHz + Sector 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 28 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 17,5 dBi + Độ nhạy thu – 110.5 dBm (BPSK) tới – 92 dBm (16QAM)  Hãng Telsima với phiên bản trạm gốc StarMAX 6400-2.5G dành cho WiMAX cố đinh & di trú ở băng tần 3.5 GHz + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM 5 Công nghệ anten thông minh và kỹ thuật MIMO cho phép trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng nhiều phần tử anten trên một anten thu hoặc phát. 6 Độ nhạy thu cũng phụ thuộc vào mức điều chế dữ liệu, sử dụng mức điều chế cao yêu cầu độ nhạy thu lớn hơn khi sử dụng mức điều chế thấp 54
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội + Độ rộng kênh cho phép 1,5 / 3 / 7 / 10 / 14 MHz + Sử dụng cho băng tần 3.5 GHz + Sector 45o / 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 26 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 110 dBm (BPSK) – 91 dBm (16QAM) Qua sự xem xét và so sánh thông số trạm gốc cho WiMAX cố đinh và di trú , trạm gốc BreezMAX BST của Alvarion thích hợp nhất với mạng WiMAX cố đinh và di trú do hỗ trợ đầy đủ các đặc tính của công nghệ WiMAX cố đinh và di trú . Vì vậy có thể lựa chọn trạm gốc HiperMAX của Airspan cho việc thiết kế mạng WiMAX cố đinh và di trú của thành phố Hà Nội. ► Thông số trạm thuê bao cố đinh & di trú có thể lựa chọn các thông số tiêu chuẩn sau (dựa trên sự tham khảo thông số trạm thuê bao cố đinh và đi trú SSU5000 của SR-Telecom và BreezeMAX-3500 của hãng Alvarion). + Công suất phát 22 dBm trên một phần tử anten + 2 phần tử anten thu, 1 phần tử anten phát + Tăng ích anten 5 dBi + Độ nhạy thu – 100 dBm (BPSK) tới – 90 dBm (64QAM ¾) Tổng hợp các thông số thiết bị sử dụng trong tính toán Thông số Trạm gốc BreezMAX Trạm thuê bao BST của Alvarion BreezeMAX-3500 Tốc độ dữ liệu trung bình 30 Mbps/sector Công suất phát trên một phần tử anten 40 dBm 22 dBm Số phần tử anten phát 4 1 Số phần tử anten thu 2 2 Tăng ích anten 17 dBi 8 dBi Độ nhạy thu Mức điều chế thấp nhất - 117 dBm (BPSK) - 100 dBm (BPSK) Mức điều chế cao nhất - 108 dBm (16QAM) - 90 dBm (64 QAM) Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn 55
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 2.4 Tính toán suy hao Tổng suy hao tín hiệu trên đường truyền từ trạm phát đến trạm thu bao gồm suy hao đường truyền vô tuyến (path loss) và các suy hao phụ. Suy hao đường truyền là suy hao cơ bản trong quá trình truyền dẫn phụ thuộc tần số, khoảng cách truyền sóng và môi trường truyền sóng. Các suy hao phụ tùy thuộc vào các điều kiện truyền dẫn và kiến trúc đô thị bao gồm các suy hao do fading, suy hao thâm nhập hay đâm xuyên vật chắn (do sự hấp thụ sóng điện từ của vật chắn đối với khi xuyên qua), các loại tạp âm và nhiễu, suy hao trong các đường dây và suy hao mối nối 2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss) Suy hao đường truyền (path loss) là sự suy giảm công suất tín hiệu trên đường truyền vô tuyến, suy hao đường truyền được tính thông qua các mô hình tính toán suy hao. Yếu tố lớn nhất ảnh hưởng tới suy hao đường truyền là tần số hoạt động của mạng. Với mỗi dải tần khác nhau ảnh hưởng của suy hao đường truyền là khác nhau, tần số càng lớn thì suy hao càng lớn và càng khó truyền trong môi trường NLOS. Hình 2.6 thể hiện thấy mối quan hệ giữa bán kính cell với suy hao đường truyền, được xem xét ở một số dải tần có thể được sử dụng cho WiMAX trong đó có WiMAX cố đinh & di trú (băng 3,5 GHz). Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền Để tính suy hao đường truyền cần phải sử dụng một mô hình tính toán suy hao phù hợp. Các mô hình tính toán suy hao thường dùng là mô hình không gian tự 56
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội do, mô hình Hata, mô hình Okumura, mô hình COST 231 Hata, mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami, mô hình ITU, mô hình Young, mô hình Erceg-Greensteis, mô hình SUI và nhiều mô hình khác. Mô hình tính toán suy hao dùng để dự đoán mức suy hao theo khoảng cách với một số điều kiện nhất định. Điều này có nghĩa là việc lựa chọn mô hình tính toán suy hao phải dựa vào các điều kiện thiết kế mạng như địa hình, kiến trúc hạ tầng, băng tần sử dụng, loại vùng (đô thị, ngoại ô, nông thôn). Với mạng WiMAX cố đinh và di trú sử dụng băng tần 3.5 GHz, môi trường truyền dẫn NLOS và điều kiện truyền đa đường được WiMAX ForumTM khuyến nghị sử dụng mô hình COST 231 Suburban (vùng ngoại ô) hoặc mô hình SUI . Mô hình SUI được sử dụng cho băng tần 3.5 GHz, mô hình này được dùng để tính toán cho WiMAX cố đinh và di trú. Mô hình COST 231 là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến cho mạng di động với dải tần từ 1.5 GHz tới 2 GHz tuy nhiên vẫn hoàn toàn có khả năng dự đoán suy hao ở băng tần 3.5 GHz. Hai mô hình COST 231 thường dùng là COST 231 Hata và COST 231 Walfish-Ikegami. Mô hình SUI là mô hình tính toán suy hao thường được sử dụng cho băng tần 2.5 GHz và 3.5 GHz. ► Mô hình COST 231 Hata Mô hình COST 231 Hata là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến trong các mạng di động. Mô hình này thích hợp khi sử dụng tính toán suy hao trong thành phố lớn hoặc trung bình với anten trạm gốc đặt cao. Công thức tính suy hao của mô hình COST 231 Hata Lp = 46,3 + 33,9logf −13,82loghb − a(hm) + (44,9 − 6,55loghb)logd + Cm (2.13) Trong đó Lp là giá trị suy hao, tính theo dB f là tần số sử dụng, tính theo MHz hb là chiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc, tính theo m hm là chiều cao anten trạm di động, tính theo m d là khoảng cách từ trạm di động đến trạm gốc, tính theo km a(hm ) là hệ số hiệu chỉnh anten MS, tính theo dB 57
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội a(hm ) = (1,1.log f − 0,7).hm − (1,56.log f − 0,8) (2.14) Cm là hệ số điều chỉnh loại vùng Cm = 0 dB với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô Cm = 3 dB với trung tâm đô thị Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Hata + Dải tần 1500 ~ 2000 MHz, tuy nhiên có thể sử dụng cho băng tần 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 30 m < hb < 100 m + Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 10 m + Khoảng cách truyền sóng cho phép 100 m < d < 20 km. Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata Hình 2.7 là kết quả mô phỏng tính toán suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata – Suburban với các thông số lựa chọn + Tần số hoạt động 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 60 m (đồ thị Lp-1) + Độ cao anten trạm gốc 40 m (đồ thị Lp-2) 58
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội + Độ cao anten trạm di động 1,5 m + Khoảng cách truyền sóng 100 m <d < 3 km ► Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami là mô hình tính toán suy hao có xem xét đến ảnh hưởng của các tòa nhà bao gồm độ cao các tào nhà, khoảng cách giữa các toàn nhà và ảnh hưởng độ rộng đường phố tới suy hao đường truyền. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami được chia ra để tính trong hai môi trường truyền sóng LOS (có tồn tại đường truyền trong tầm nhìn thẳng) và NLOS. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami thích hợp với các thành phố có mật độ các công trình cao tầng lớn, anten trạm gốc có độ cao trung bình.  Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS Điều kiện tồn tại đường truyền thẳng LOS (Line of sight) thường chỉ có ở vùng nông thôn hoặc các khu vực có ít nhà cửa. Trong các thành phố chỉ tại các quảng trường rộng, trên các đường phố lớn và đường truyền không bị chắn bởi một tòa nhà cao tầng mới tồn tại đường truyền LOS. Trong môi trường truyền sóng LOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami không có các tham số về kiến trúc hạ tầng. Tuy nhiên so với mô hình không gian tự do, mức suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS lớn hơn 10 dB do đã tính tới các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao có liên quan tới kiến trúc đô thị (ảnh hưởng của tán xạ khi không thỏa mãn điều kiện khoảng hở của miền Fresnel thứ nhất). Công thức tính suy hao (2.5) Lp = 42,6 + 26logd + 20logf (2.7) Trong đó Lp là giá trị suy hao, tính theo dB d là khoảng cách từ trạm phát tới trạm thu, tính theo km f là tần số hoạt động, tính theo Mhz  Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng NLOS 59
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Trong các thành phố môi trường truyền sóng chủ yếu là NLOS. Trong điều kiện truyền dẫn NLOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami có tính đến ảnh hưởng của những tòa nhà dọc theo đường truyền từ trạm phát đến trạm thu, độ rộng đường phố và ảnh hưởng của tán xạ, nhiễu xạ qua vật chắn. Theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu thông qua sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ qua các vật chắn mà ở đây chủ yếu là các tòa nhà. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami cho đường truyền NLOS tính toán tổng suy hao bao gồm suy hao trong đường truyền không gian tự do, suy hao tán xạ đa vật chắn, suy hao do nhiễu xạ qua vật chắn (chủ yếu là các mái nhà). Theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami tia sóng từ anten phát tới anten thu phải truyền qua không gian tự do, tán xạ và nhiễu xạ khi qua vật chắn (mái nhà) sau đó tới anten thông qua sự phản xạ từ tòa nhà bên cạnh. Các yếu tố được tính đến trong quá trình truyền dẫn trên bao gồm khoảng cách truyền sóng qua không gian tự do, độ cao vật chắn (độ cao tòa nhà tính đến mái), khoảng cách các tòa nhà và độ rộng đường phố. Hình 2.8 minh họa mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong điều kiện truyền dẫn NLOS. Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS Các tham số được sử dụng trong mô hình này bao gồm: 60
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội - Tần số công tác f (MHz) - Chiều cao anten trạm phát hb (m) - Chiều cao anten trạm thu hm (m) - Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu d (m) - Chiều cao trung bình của các toà nhà hr (m) - Độ rộng đường phố w (m) - Khoảng cách trung bình giữa các toà nhà b (m) - Góc tới của tia sóng so với chiều di chuyển φ (độ o) Công thức tính suy hao trong môi trường truyền dẫn NLOS LP = Lf + Lrts + Lms (2.8) LP = Lf nếu Lrts + Lms ≤ 0 (2.9) Trong đó Lp là tổng suy hao, tính theo dB Lf là suy hao không gian tự do, tính theo dB (Lf : free space loss) Lrts là suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB (Lrts: rooftop to street diffraction and scatter-loss) Lms suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB (Lms: multiscreen diffraction loss) Chú ý công thức 2.9 suy từ công thức 2.8 trong điều kiện L rts + Lms ≤ 0, khi đó coi như không có suy hao L rts và Lms. Nếu tính được L rts + Lms ≤ 0 mà vẫn sử dụng công thức 2.8 khi đó giá trị suy hao Lrts + Lms sẽ trở thành tăng ích, đây là điều phi thực tế. Do đó nếu Lrts + Lms ≤ 0 thì phải sử dụng công thức 2.9 + Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (2.10) Lf = 32,4 + 20.logd + 20.logf (2.10) Trong đó Lf là giá trị suy hao trong không gian tự do, tính theo dB d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu, tính theo km 61
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội f là tần số hoạt động, tính theo MHz + Suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn tính theo công thức (2.11) Lrts = -16,9 − 10.logW + 10.logf + 20.log(hr − hm) + L0 (2.11) Trong đó Lf là giá trị suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB W là độ rộng đường phố, tính theo m hr là chiều cao trung bình của các toà nhà, tính theo m hm là chiều cao anten trạm thu, tính theo m L0 là sai số do suy hao tán xạ và nhiễu xạ, tính theo dB L0 = -10 + 0,354. φ với 0 ≤ φ ≤ 35º L0 = 2,5 + 0,075.(φ - 35) với 35º ≤ φ ≤ 55º L0 = 4,0 - 0,114.(φ - 55) với 55º ≤ φ ≤ 90º + Suy hao tán xạ đa vật chắn tính theo công thức (2.12) Lms = Lbsh + Ka + Kd .logd + Kf. logf – 9.logb (2.12) Trong đó Lf là giá trị suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB b là khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền, tính theo m hb là chiều cao trạm phát hr là chiều cao tòa nhà d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu Giá trị Lbsh tính trong các trường hợp Lbsh = -18log(1 + hb – hr) khi hb > hr Lbsh = 0 khi hb hr Ka = 54 - 0,8hb khi hb ≤ hr và d ≥ 500m Ka = 54 - 1,6(hb – hr).d khi hb ≤ hr và d ≤ 500m Giá trị Kd tính trong các trường hợp Kd = 18 khi hb > hr 62
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội Kd = 18 – 15(hb – hr)/hr khi hb Bộ thông số thứ nhất (trung tâm thành phố): độ cao anten trạm phát 60 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 15, nóc nhà chọn 0 m, khoảng cách giữa các tòa 63
Chương 2. Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội nhà b = 30 m, độ rộng đường phố w = 30 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-1) > Bộ thông số thứ hai (thành phố trung bình): độ cao anten phát 40 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 4, nóc nhà 3 m, khoảng cách giữa các tòa nhà b = 15 m, độ rộng đường phố w = 20 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-2) Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Walfish-Ikegami + Khoảng cách toà nhà 10 m < b < 50 m + Độ rộng đường phố 10m < w < 40 m o o + Khi không xác định φ lấy mặc định φ = 30 hoặc φ = 90 khi đó Lo = 0.5 dB + Độ cao anten trạm gốc 32 m < hb < 50 m + Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 3 m + Khoảng cách truyền sóng cho phép 20 m < d < 5 km. ► Mô hình SUI Mô hình SUI là mô hình suy hao tính toán dựa trên yếu tố địa hình của vùng phủ sóng. Mô hình SUI được áp dụng cho 3 loại địa hình đặt tên là A, B và C. Loại địa hình A là địa hình đồi núi, mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp, tương ứng với mức suy hao cực đại. Loại địa hình C địa hình bằng phẳng với mật độ cây cối thưa, tương ứng với mức suy hao tối thiểu. Loại B được mô tả với đặc điểm địa thế phần lớn phẳng có mật độ cây cối rậm rạp hoặc là địa hình đồi núi với mật độ cây cối thưa. Phương trình suy hao cơ bản với những hệ số chính theo công thức (2.1) PL = A + 10.γ.log10(d/d0) + Xf + Xh + s (2.1) Trong đó: + PL là giá trị suy hao (dB) + d là khoảng cách giữa anten trạm gốc và anten của trạm di động (m) + do = 100 m + s là hệ số fading chuẩn loga, được dùng để dự trữ fading chậm do các vật cản như cây cối và những vật cản khác gây ra, có giá trị trong khoảng từ 8dB đến 10dB Các tham số A và γ được tính như sau: A = 20log10(4.л.d0/λ) (2.2) γ = a – b.hb + c/hb (2.3) 64