Mạng thế hệ mới - Chủ đề: Công nghệ wimax

Mạng thế hệ mới Chủ đề : Công nghệ WiMAX Thực hiện Lương Ánh Hoàng Đỗ Quốc Cường Nội dung  Tổng quan về WiMAX  Định nghĩa  Đặc điểm, ứng dụng  Phân loại  Mô hình  Kiến trúc WiMAX  Tầng vật lý  Tầng MAC  Triển khai  Kết luận Tổng quan về WiMAX  WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access ) - Tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba  Công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng thế hệ mới mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16  Gần giống với Wi-Fi, được cải thiện hơn để có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu lên tới 70 Mbit/s  Phạm vi hoạt động:2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh. Tổng quan về WiMAX  Tháng 6 năm 2001: WiMAX Forum được thành lập. Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là "tiêu chuẩn dựa trên kỹ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp và DSL."  Tháng 9 năm 2001: Chuẩn IEEE802.16 đầu tiên được đưa ra và công nhận.  Tháng 12 năm 2001: Chuẩn IEEE 802.16 chuẩn được hoàn thành cho băng tần quét > 11GHz  Tháng 2 năm 2002: Hàn Quốc cấp phép cho bằng tần trong dải tần 2.3GHz cho mạng băng thông rộng không dây lấy tên là WiBro  Tháng 1 năm 2003: Chuẩn IEEE 802.16a chuẩn được hoàn thành  Tháng 6 năm 2004: Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 chuẩn được hoàn thành và được chấp nhận  Tháng 9 năm 2004: Intel bắt đầu xuất xưởng chipset WiMAX đầu tiên có tên là Rosedale  Tháng 12 năm 2005: Chuẩn IEEE 802.16e chuẩn được hoàn thành và được chấp nhận.  Tháng 1 năm 2006: Sản phẩm được chức nhận đầu tiên của WiMAX Forum được công bố cho các ứng dụng cố định.  Tháng 6 năm 2006: Các dịch vụ thương mại của WiBro được triển khai ở Hàn Quốc.  Tháng 8 năm 2006: Sprint Nextel công bố những kế hoạch triển khai WiMAX di động tại Mỹ.  Tháng 10 năm 2007: Hội đồng thông tin vô tuyến của liên minh viễn thông thế giới (ITU) họp tại Geneve Thuỵ Sỹ đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN – WiMAX di động và họ giao diện vô tuyến IMT – 2000 (thường được biết tới với tên 3G). Đặc điểm  Phủ sóng một vùng rộng lớn  Triển khai mạng nhanh, thuận lợi và có tính kinh tế cao so với việc kéo cáp, đặc biệt là vùng có địa hình phức tạp  Cho phép kết nối băng rộng qua sóng vô tuyến cố định hay di động Ứng dụng  Kết nối các điểm truy nhập không dây WiFi với Internet  Thay thế các kết nối băng rộng bằng dây cáp, DSL  Cung cấp dịch vụ dữ liệu và truyền thông.  Điện thoại cố định  Điện thoại di động  TV  Ứng dụng trung chuyển trong mạng GSM/CDMA  WiMAX có thể sẽ thay thế các công nghệ như GSM hay CDMA, đồng thời cũng có thể sử dụng như một lớp hỗ trợ để tăng lưu lượng các mạng này.  Kết nối các BTS với nhau qua sóng Viba dùng công nghệ WiMAX  Được sử dụng ở các nước kém phát triển Ứng dụng Phân loại WiMAX • WiMAX cố định ( Fixed WiMAX) • Dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 (802.16d) • Cho phép kết nối cố định (fixed), cầm theo được (portable) hoặc di động bị khuất tầm nhìn thẳng (non line of sight) từ BS đến SS • Hỗ trợ kết nối điểm điểm và điểm đa điểm • Cho phép hàng trăm cơ quan kết nối với tốc độ cao và hàng nghìn khách hàng cá nhân kết nối với tốc độ DSL từ 1 trạm phát Phân loại WiMAX(TT) Phân loại WiMAX(TT) • WiMAX di động (Mobile WiMAX) • Là một bước tiến xa hơn của các WiMAX cố định • Cho phép điện thoại di động cũng như các ứng dụng khác hoạt động ở phạm vi rộng hơn. • Cho phép truyền dữ liệu từ thiết bị di động di chuyển với vận tốc rất cao (100Km/h) • Nó tiềm năng thay thế các cách truyền dữ liệu di động như: EvDo, EvDv và HSDPA Phân loại WiMAX(TT) Mô hình WiMAX  Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như mô hình một mạng điện thoại di động  Bao gồm 2 thành phần chính:  Trạm phát :giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2  Trạm thu : có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN. Mô hình WiMAX Mô hình WiMAX  Các trạm phát được kết nối với nhau thông qua các đuờng truyền có dây tốc độ cao hoặc qua các trạm trung chuyển trực xạ LOS  LOS : Các anten được đạt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa, tần số sử dụng 66GHz  NLOS : Hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2- 11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ .để đến đích Mô hình WiMAX So sánh WiMAX với WiFi Freature WiMax (802.16a) Wi-Fi (802.11b) Wi-Fi (802.11a/g) Primary Application Broadband Wireless Access Wireless LAN Wireless LAN Frequency Band Licensed/Unlicen sed 2 G to 11 GHz 2.4 GHz ISM 2.4 GHz ISM (g) 5 GHz U-NII (a) Channel Bandwidth Adjustable 1.25 M to 20 MHz 25 MHz 20 MHz Half/Full Duplex Full Half Half Radio Technology OFDM (256-channels) Direct Sequence Spread Spectrum OFDM (64-channels) Bandwidth Efficiency <=5 bps/Hz <=0.44 bps/Hz <=2.7 bps/Hz Modulation BPSK, QPSK, 16-, 64-, 256- QAM QPSK BPSK, QPSK, 16-, 64-QAM FEC Convolutional Code Reed-Solomon None Convolutional Code Encryption Mandatory- 3DES Optional- AES Optional- RC4 (AES in 802.11i) Optional- RC4 (AES in 802.11i) Mobility Mobile WiMax (802.16e) In development In development Mesh Yes Vendor Proprietary Vendor Proprietary Access Protocol Request/Grant CSMA/CA CSMA/CA Kiến trúc WiMAX  WiMAX hoạt động ở tầng 1 (Physical) và một phần tầng 2 (Media Access Control) trong mô hình OSI. Tầng vật lý - Băng tần hoạt động  Băng 3400-3600MHz ( Băng 3.5GHz ):  phân bổ cho hệ thống truy cập không dây cố định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thống truy cập không dây băng rộng (Wireless Broadband Access-WBA)  Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tại không thể triển khai cho WiMAX  Độ rộng kênh là 3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD.  Băng 3600-3800MHz :  Băng 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp cho WBA. Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMAX ở châu Á. triển khai cho WiMAX Tầng vật lý - Băng tần hoạt động  Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz)  Băng tần này đó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức  Độ rộng kênh là 3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD.  Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz)  Băng tần này là băng tần được WiMAX Forum ưu tiên lựa chọn cho WiMAX di động theo chuẩn 802.16-2005  So với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động  Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMAX  WiMAX ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD. Tầng vật lý - Băng tần hoạt động  Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz )  Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2.5GHz nên là băng tần được WiMAX Forum xem xét cho WiMAX di động.  Hàn Quốc : WiBro  Được phân bố ở Úc, Mỹ, Canada, Singapore  Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/WiMAX.  Không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD.  Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz)  Được WiMAX Forum quan tâm vì đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà.  Độ rộng phân kênh là 10MHz, TDD Tầng vật lý - Băng tần hoạt động  Băng dưới 1GHz  Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức là mức đầu tư cho hệ thống thấp đi  Vì vậy, WiMAX Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  Sơ đồ khối quá trình truyền nhận: Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  Mã hóa kênh  Quá trình ngẫu nhiên hóa : Cụm các bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit 0 và 1 là tương đương nhau, chống lại hiên tượng quá nhiều bit 0 và bit 1 cùng xuất hiện  Quá trình mã hóa sửa lỗi : Wimax kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi là mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa bằng mã khối, sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập.  Quá trình xen kẽ : Phòng trường hợp lỗi bit xảy ra một cụm liên tục nhau. Các cụm bit sẽ được truyền xen kẽ với nhau Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  Điều chế OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing)  Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao  Tầng vật lý của WiMAX sử dụng kỹ thuật này để ghép kênh  Là sự chọn lựa tốt cho chiến lược truyền dữ liệu tốc độ cao, video và truyền thông đa phương tiện và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống băng thông rộng thương mại như DSL, Wi-Fi  Là kỹ thuật hiệu quả cho việc truyền dữ liệu hiệu suất cao trong các môi trường NLOS hoặc sóng radio nhiều đường.  Chia dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con trực giao khác nhau Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  Mỗi OFDM symbol là một kênh độc lập và có thể chia cho một người dùng tại một thời điểm  Có thể sử dụng kỹ thuật Guard Interval – GI period để khắc phục ảnh hưởng của echo và ISI Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  WiMAX cố định và WiMAX di động có những sự khác nhau về thông số của lớp vật lý OFDM.  WiMAX cố định dựa vào chuẩn IEEE 802.16-2004, sử dụng FFT kích thước 256  WiMAX di động dựa vào chuẩn IEEE 802.16e sử dụng FFT có kích thước thay đổi được từ 128 tới 2048. Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật Thông số WiMAX cố định sử dụng OFDM – PHY WiMAX di động sử dụng OFDMA – PHY thay đổi được Kích thước FFT 256 128 512 1024 2048 Số lượng sóng mang dữ liệu sử dụng 192 72 360 720 1440 Số lượng sóng mang tìm đường 8 12 60 120 240 Số lượng sóng mang trống/bảo vệ băng tần 56 44 92 184 368 Chu kì tiền tố hoặc thời gian bảo vệ (Tg/Tb) 1/32, 1/16, 1/8, ¼ Tỉ lệ lấy mẫu (Fs/BW) Phụ thuộc vào băng thông: 7/6 với 256 OFDM, 8/7 với đa băng 1.75 MHz và 28/25 với đa băng 1.25 MHz, 1.5 MHz, 2MHz hay 2.75 MHz Độ rộng băng thông kênh (MHz) 3.5 1.25 5 10 20 Khoảng cách tần số sóng mang (kHz) 15.625 10.94 Thời gian kí hiệu có ích (µs) 64 91.4 Thời gian bảo vệ đạt12.5% (µs) 8 11.4 Độ dài kí hiệu OFDM (µs) 72 102.9 Số lượng của các kí hiệu OFDM trong khung 5ms 69 48 Tầng vật lý – Đặc điểm kỹ thuật  Điều chế cao tần  Các sóng mang trong quá trình điều chế OFDM tạo thành một OFDM Symbol cơ bản, nó vẫn chưa thể phát truyền đi được.  Để đưa lên Anten để phát, cần phải có thêm quá trình điều chế cao tần. Tầng MAC  Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra một lớp MAC chung cho tất cả các kiểu lớp vật lý  Lớp MAC này là kết nối được định hướng điểm- đa điểm  Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMAX hoàn toàn khác so với WiFi  Sử dụng kỹ thuật truy cập TDMA/OFDMA  Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng  Ngược lại, ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước theo thuật toán lập lịch, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm truy nhập mạng  Sau thời điểm này, mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian có thể co giãn được trong quá trình truyền  Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao Triển khai WiMAX Triển khai WiMAX  Các thành phần của mạng WiMAX  SS/MS: Khách hàng, trạm cuối (Subscriber Station/Mobile Station).  ASN: Mạng dịch vụ truy nhập (Access Service Network).  BS: Trạm cơ sở, một phần của ASN ( Base Station).  ASN-GW: ASN gateway, một phần của ASN.  CSN: Mạng dịch vụ kết nối (Connectivity Service Network).  HA: Home Agent, một phần của CSN.  AAA: Máy chủ cung cấp dịch vụ xác thực, phân quyền và thống kê lưu lượng, một phần của CSN.  NAP: Nhà cung cấp kết nối mạng.  NSP: Nhà cung cấp dịch vụ mạng. Các công nghệ cạnh tranh Kết luận WiMAX mang lại băng thông lớn và khoảng cách rộng. WiMAX vẫn trong giai đoạn phát triển. Chi phí thiết bị đầu cuối khá đắt đỏ và chưa tương thích. Dài tần số bị trùng ở nhiều quốc gia. WiMAX đã được VTC và VNPT triển khai thử nghiệm ở Việt Nam nhưng thất bại.