Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Trờng đại học vinh Khoa công nghệ thông tin ---------- đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Giáo viên hớng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Minh Tâm Sinh viên thực hiện: Hồ Sỹ Thùy Lớp: 45k_cntt Vinh, tháng 5 năm 2009 Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 1 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Lời nói đầu Trong những năm trở lại đây, các công nghệ không dây đợc đề cập đến nhiều và đợc coi là một trong những giải pháp cho nhiều loại hình mạng. Trong quá trình học tập tại trờng Đại học Vinh, em đã đợc đọc tham khảo những tài liệu về các công nghệ này. Và trong số đó có một công nghệ mới xuất hiện có những - u điểm vợt trội so với các công nghệ đi trớc nó là công nghệ Wimax. Dù rằng Wimax mới đợc triển khai, cũng mới chỉ có các hệ thống thử nghiệm nhng nó hứa hẹn là một công nghệ cách mạng trong lĩnh vực không dây. Dựa trên sự hợp chuẩn của hai tổ chức chuẩn hóa lớn nhất thế giới là IEEE và ETSI cũng nh sự hậu thuẫn của hàng loạt các công ty lớn trên thế giới nh Intel, Alvarion,chắc chắn rằng trong một tơng lai không xa, Wimax sẽ trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Đối với Việt Nam, Wimax có thể đợc coi là một giải pháp đi tắt đón đầu và hoàn toàn phù hợp với hoàn cảnh nớc ta. Để tìm hiểu về một công nghệ vẫn còn mới mẻ và đầy tiềm năng, em đã thực hiện đề tài Tìm hiểu về công nghệ không dây Wimax và ứng dụng . Do thời gian có hạn, công nghệ Wimax lại là một công nghệ mới, phức tạp, hơn nữa kiến thức của bản thân vẫn còn nhiều hạn chế nên chắc chắn rằng đề tài sẽ không thể tránh khỏi những sai sót. Mong các thầy cô các bạn góp ý cho em để em hiểu biết sâu, rộng hơn về công nghệ này. Để đề tài này hoàn thành ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân, em còn đ- ợc sự động viên giúp đỡ của rất nhiều ngời. Đầu tiên, con xin cảm ơn bố mẹ những ngời đã sinh thành, nuôi dỡng, th- ơng yêu, chăm sóc và tạo điều kiện cho con có đợc ngày hôm nay. Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 2 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Em xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, các thầy cô giáo trờng Đại học Vinh đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin cảm ơn cô giáo Thạc sỹ Nguyễn Thị Minh Tâm đã tận tình hớng dẫn, định hớng, góp ý cho em nhiều điều vô cùng quý báu trớc và trong quá trình em thực hiện đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn tất cả mọi ngời. Vinh ngày 15 tháng 5 năm 2009 Hồ Sỹ Thùy Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 3 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Mục lục danh mục các từ viết tắt Kí hiệu Từ viết tắt Tiếng việt AK Authorization key Khóa cấp phép ATM Asynchronous Transfer Mode Phơng thức truyền dị bộ BE Best Effort Hiệu quả tốt nhất BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CATV Cable Television Truyền hình cáp CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối CP Cyclic Prefix Chu kì đầu CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra d theo chu kì CS Service-Specific Convergence Sublayer Lớp con hội tụ CSMA /CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Sóng mang cảm ứng đa truy nhập/ Tránh đụng độ DCD Downlink Channel Descriptor Báo hiệu kênh hớng xuống DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa dữ liệu DL-MAP Download Map Bản đồ đờng tải xuống DSL Digital Subcriber Line ng thuê bao số ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FDD Frequency Division Duplexing Bộ song công theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 4 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trớc khi phát FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FM Feedback Mode Cơ chế phản hồi GPC Grant Per Connection Cấp phép mỗi kết nối GPSS Grant Per Subcriber Station Cấp phép mỗi trạm thuê bao IFFT Inverse Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier ngợc ISI Intersymbol Interference Nhiễu giao thoa các kí hiệu ISM Industrial-Scientific-Medical Công nghiệp-Khoa học-Y tế IV Initialization Vector Vector đầu KEK Key Encryption Key Khóa mã khóa LOS Line Of Sight ánh sáng truyền thẳng MAN Metro Arena Network Mạng đô thị MCPS MAC Common Part Sublayer Lớp con CP MAC NLOS None Line Of Sight ánh sáng không truyền thẳng NNI Network to Network Interface Giao diện mạng-mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần Số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access đa truy nhập phân chia theo tần Số trực giao OSI Open Systems Interconnection Liên kết hệ thống m PAN Personal Arena Network Mạng cá nhân PDU Protocol Data Unit Đơn vị giao thức dữ liệu PKM Privacy Key Management Quản lí khoa riêng PMP Point To Multipoint Điểm-điểm QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phơng QoS Quality of Service Chất lợng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phơng SA Security Association Hội bảo mật SC Single Carrier Sóng mang đơn SDU Service Data Unit đơn vị dịch vụ dữ liệu SFID Service flow Identifier Nhận dạng lu lợng dịch vụ SS Subscriber Station Trạm thuê bao TC Transmission Convergence Layer Lớp truyền hội tụ TDD Time Division Duplexing Bộ song công theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TEK Traffic Encryption Key Khóa mã hóa lu lợng UCD Uplink Channel Descriptor Báo hiệu kênh hớng xuống UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ tự động cấp phép Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 5 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng UL-MAP Upload Map Bản đồ đờng tải lên UNI User-to-Network Interface Giao diện ngời sử dụng với mạng UNII Unlicensed National Information Infrastructure Thiết bị thông tin không đợc cấp phép quốc gia VCI Virtual Channel Identifier Kênh ảo VPI Virtual Path Identifier Đờng ảo WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục bộ WMAN Wireless Metro Area Network Mạng không dây đô thị WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 6 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Chơng 1 : Giới thiệu 1.1 Tổng quan về đề tài Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng. Trớc đây, khi nhu cầu ít, thông tin đợc trao đổi rất đơn giản, có khi chỉ là những kí hiệu, những chữ thông thờngrồi dần dần đến các văn bản, email, tệp tin cỡ nhỏ. Nhng hiện nay, và cả trong tơng lai, ngời ta không chỉ muốn trao đổi các loại hình thông tin đơn giản cũ nữa mà ngời ta muốn trao đổi cả những thông tin có kích thớc lớn hơn, đa dạng hơn nh âm thanh, hình ảnh, video Trớc thực tế đó, ngoài đa ra các chính sách, các quy địnhcòn cần phải có các công nghệ mới để hỗ trợ cho việc xây dựng và triển khai dịch vụ. Ngời ta cần cải tạo toàn bộ hệ thống mạng để đáp ứng nhu cầu đó, từ mạng lõi, mạng phân tán đến các mạng truy nhập. Hiện nay trên thế giới và cả Việt Nam, mạng lõi, mạng phân tán cũng đã đợc cải thiện một cách đáng kể. Riêng mạng truy nhập thì gặp nhiều khó khăn hơn. Mạng truy nhập là mạng nối từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng, nó chiếm phần đầu t rất lớn cho toàn bộ mạng nói chung. Đây cũng là nơi mà rất nhiều các giải pháp đợc đa ra nhằm cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ cho khách hàng đồng thời tiết kiệm tối đa chi phí. Mạng truy nhập đợc nói đến nhiều nhất hiện nay là các mạng truy nhập băng thông rộng. Gọi là băng thông rộng vì nó cung cấp một tốc độ đủ lớn để triển khai các dịch vụ tiên tiến nh thoại, dữ liệu và có thể cả video,Các công nghệ băng thông rộng cho mạng này đợc phân ra làm hai loại, một là không dây và một là có dây. Loại có dây vẫn đợc dùng phổ biến cho tới nay nh DSL, CATV, cáp quangCông nghệ có dây u điểm là tốc độ rất cao, không bị giới hạn nhiều về các chính sách, quy định,nhng nhợc điểm rõ ràng của nó là giá thành rất cao, việc triển khai phức tạp và kém linh hoạt. Trái lại, đây lại là những u điểm của mạng không dây. Dù rằng tốc độ của mạng không dây không cao lại bị ràng buộc chặt chẽ bởi các quy định nhất là các quy định về tần phổ nhng mạng không Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 7 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng dây tiết kiệm đợc giá thành, lại linh hoạt và dễ triển khai. Chính vì thế dù cha thể thay thế đợc mạng có dây nhng mạng không dây đợc coi là giải pháp khắc phục các hạn chế mà mạng có dây không thể làm đợc. Một loạt các công nghệ mạng không dây ra đời nh WLAN 802.11, WPAN 802.15, hay chuẩn IEEE 802.20. Tuy nhiên các công nghệ mạng không dây này không đáp ứng hết đợc nhu cầu sử dụng của ngời dùng nên Công ty sản xuất chíp hàng đầu thế giới Intel bắt tay vào nghiên cứu công nghệ mạng không dây Wimax (IEEE 802.16) với những u điểm và tính năng vợt trội hơn về khả năng di động. Công nghệ Wimax đang là xu hớng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập mạng không dây băng thông rộng cho cả thiết bị cố định và xách tay, di động. So với một số công nghệ cũ nh WiFi, LMDS, Wimax cho phép truyền tải với tốc độ cao, phạm vi bao phủ rộng và rất nhiều cơ chế hỗ trợ chất l- ợng dịch vụ, bảo mật,Nó cung cấp một giải pháp toàn diện cho mạng MAN (Metro Arena Network). Việc sử dụng Wimax đem lại nhiều lợi ích, nhất là khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và những nơi dân c đông đúc khó triển khai cơ sở hạ tầng mạng dây dẫn băng rộngVì thế, Wimax đợc xem nh công nghệ có hiệu quả kinh tế cao cho việc triển khai nhanh trong các khu vực mà các công nghệ khác khó có thể cung cấp dịch vụ băng thông rộng. Theo đánh giá của các chuyên gia, Wimax sẽ nhanh chóng vợt qua những công nghệ hiện đại nh Wi-fi hay 3G bởi khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao trong phạm vi rộng lớn. Hơn nữa, việc cài đặt Wimax dễ dàng, tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ và giảm giá thành dịch vụ cho ngời sử dụng. Đề tài Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụngdới đây nhằm mục đích tìm hiểu kĩ về công nghệ Wimax : các vấn đề kỹ thuật và khả năng triển khai công nghệ Wimax. 1.2 Phạm vi đề tài Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 8 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Công nghệ Wimax là công nghệ mới và có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu. Đề tài Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng không tập trung vào nghiên cứu chuyên sâu một vấn đề mà chỉ nghiên cứu Wimax với vai trò là một kỹ thuật không dây băng thông rộng cố định và phiên bản mới nhất về di động. Làm nổi bật lên công nghệ Wimax, các u điểm cũng nh khả năng ứng dụng của công nghệ. Đề tài đợc chia làm 5 chơng: Chơng I: Giới thiệu Chơng II: Công nghệ không dây băng thông rộng Tìm hiểu tổng quan về công nghệ băng thông rộng nói chung và công nghệ băng thông rộng không dây nói riêng, hệ thống chuẩn của các công nghệ băng thông rộng không dây và Wimax. Chơng III: Giới thiệu công nghệ Wimax Tổng quan về các chuẩn của công nghệ Wimax, từ 802.16 đến 802.16e Chơng IV: Các kỹ thuật sử dụng trong Wimax Xây dựng nền tảng lý thuyết, kỹ thuật,sẽ đợc ứng dụng trong Wimax nh các hiện tợng đa đờng, suy hao, các kỹ thuật điều chế, mã hóa Chơng V: ứng dụng của Wimax cho các khu chung c. Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 9 Tìm hiểu công nghệ không dây Wimax và ứng dụng Chơng 2: CÔNG NGHệ KHÔNG DÂY BĂNG thông RộNG 2.1 Khái niệm công nghệ băng thông rộng 2.1.1 Nhu cầu của công nghệ băng thông rộng Mạng truy nhập là mạng nằm giữa tổng đài nội hạt CO (Central Office) và thiết bị đầu cuối của khách hàng, thực hiện chức năng truyền dẫn tín hiệu. Các dịch vụ viễn thông mà khách hàng có thể sử dụng đợc xác định bởi tổng đài nội hạt. Mạng truy nhập có vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông. Nó là phần lớn nhất của bất kì mạng viễn thông nào, trải dài trên vùng địa lý rộng lớn. Thông thờng chi phí xây dựng mạng truy nhập chiếm ít nhất là một nửa chi phí xây dựng toàn bộ mạng viễn thông. Đó là con đờng duy nhất để cung cấp các dịch vụ (gồm cả thoại và dữ liệu). Chất lợng và hiệu năng của mạng truy nhập ảnh h- ởng trực tiếp đến khả năng cung cấp dịch vụ của toàn bộ mạng viễn thông. Theo phơng thức truy nhập mạng truyền thống, hiện nay vẫn đợc sử dụng là chủ yếu dùng cặp cáp đồng làm phơng tiện truyền dẫn, nh vậy mỗi thuê bao cần có một lợng khá lớn cáp đồng kết nối với tổng đài. Mạng truy nhập truyền thống vốn dợc thiết kế cho việc truyền thông tín hiệu thoại, nó sử dụng chủ yếu là tín hiệu tơng tự với giải tần hẹp (0,3-3,4KHz), chỉ thích hợp cho các cuộc gọi ngắn cỡ vài phút. Các cuộc gọi dài sẽ gây ra quá tải và tắc nghẽn trên mạng. Các thành phần thiết bị của nó cũng chỉ đợc xây dựng để thích ứng với các điều kiện này. Điều này làm cho mạng truy nhập có hiệu suất rất thấp. Ngày nay, nhu cầu của khách hàng ngày càng gia tăng. Ngời tiêu dùng không đơn thuần chỉ muốn truyền mail, văn bản text, faxmà họ mong muốn sử dụng các dịch vụ đa phơng tiện nh âm thanh, hình ảnhKhi đó tốc độ của các đ- ờng truyền cáp đồng không thể đủ để triển khai các dịch vụ loại này. Hiện tại, khi mà tốc độ của mạng lõi đã đợc tăng đáng kể, khả năng xử lí tại đầu cuối phía khách hàng cũng ngày một mạnh thì việc mạng truy nhập hạn chế nh vậy sẽ gây ra hiện tợng nghẽn cổ chai (bottleneck). Vấn đề đợc đặt ra là Hồ Sỹ Thùy Lớp 45K_CNTT 10