Đồ Án Các biện pháp tối ưu tài nguyên trong WiMAX

LỜI NÓI ĐẦU


Trong xã hội hiện đại, nhu cầu của con người không chỉ dừng lại ở mức liên lạc thông thường với nhau mà còn là làm việc, giải trí ở mọi nơi, mọi lúc. Với sự tiến bộ không ngừng về mặt khoa học công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông, các công nghệ truy nhập băng rộng không dây đã ra đời và có những bước phát triển nhanh chóng. Cùng với sự phát triển của các giải pháp truy nhập mạng truyền thống như modem thoại, ISDN, xDSL, công nghệ truy nhập băng rộng không dây được áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi băng thông rộng với các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao như truy cập Internet, video, truyền dữ liệu, Với các tính năng kỹ thuật không dây nên công nghệ này đặc biệt phù hợp với mô hình kết nối văn phòng, toà nhà, khu vực có nhiều người truy nhập mạng. Cho đến thời điểm hiện tại, đã có các công nghệ như Bluetooth kết nối không dây, Wifi truy xuất Internet không dây, các hệ thống điện thoại di động, Nhưng bên cạnh những ưu điểm, các công nghệ không dây này còn có những hạn chế và chưa thật sự liên thông với nhau.
Trong vài năm trở lại đây, một trong những công nghệ truy nhập băng rộng không dây có sự phát triển nhanh và gây được nhiều chú ý là WiMAX (khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập viba). Công nghệ WiMAX với nhiều ưu điểm vượt trội như tầm phủ sóng rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao có thể lên đến 70Mbps trong phạm vi 50km, dung lượng hệ thống lớn, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, bảo mật tốt, sử dụng cả dải tần cấp phép cũng như không cấp phép và hỗ trợ khả năng di động hứa hẹn sẽ cung cấp truy cập Internet và các dịch vụ mạng không dây cho những vùng đô thị lớn và cho những vùng có cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đầy đủ.
Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ được trong những năm học tập chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội và được sự hướng dẫn tận tình của Th.S Vũ Minh Tú, em đã chọn đề tài “Các biện pháp tối ưu tài nguyên trong WiMAX”. Đồ án tập trung nghiên cứu các kỹ thuật, công nghệ được dùng trong WiMAX để quản lý, sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên tần số, năng lượng trong hệ thống.

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng bản đồ án này cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, do kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn để em hoàn thiện hơn bản luận án của mình.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

“Các biện pháp tối ưu tài nguyên trong WiMAX”

Đồ án trước hết đưa ra những hiểu biết chung về các khái niệm, thành phần và nguyên lý hoạt động của WiMAX. Dựa trên những kiến thức nền tảng đó, đồ án tập trung nghiên cứu các biện pháp kỹ thuật giúp sử dụng tối ưu tài nguyên trong hệ thống WiMAX. Các biện pháp này hỗ trợ quản lý tài nguyên tần số hợp lý và tiết kiệm công suất truyền phát, đem lại tính hiệu quả và khả năng cạnh tranh cho hệ thống WiMAX.

“On research of resource management and optimization for WiMAX”

The thesis firstly gives out general knowledge about Wimax’s concepts, elements and functional principle. Based on that, the thesis focuses on studying techniques which help to use Wimax’s resouces most optimal. These technologies support to use the proper frequences and save power for transmission, therefore provides the efficient use of radio resources and the competitive ability for WiMAX.

MỤC LỤC


DANH SÁCH HÌNH VẼ i

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU VỀ WiMAX 1
1.1. Khái niệm WiMAX 1
1.2. WiMAX Forum là gì ? 1
1.3. Các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX 2
1.4. Đặc điểm của WiMAX 5
1.5. So sánh WiMAX với 3G và WiFi 7
1.6. Ưu và nhược điểm của WiMAX 9
1.7. Thực trạng phát triển của WiMAX hiện nay 10
1.8. Ứng dụng của WiMAX tại Việt Nam 11

CHƯƠNG II - LỚP VẬT LÝ CỦA WiMAX 12
2.1. Cơ sở của OFDM 12
2.2. OFDMA và kênh con hóa 13
2.3. Các thông số của OFDM và OFDMA trong WiMAX 15
2.4. Cấu trúc khe và khung 15
2.5. Điều chế và mã hoá thích nghi trong WiMAX 18

CHƯƠNG III - LỚP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG CỦA WiMAX 19
3.1. Tổng quan lớp MAC của WiMAX 19
3.2. Các cơ chế truy nhập kênh 21
3.3. Quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) 22
3.4. Chức năng tiết kiệm năng lượng 22
3.5. Hỗ trợ tính di động 23
3.6. Các chức năng bảo mật 24
CHƯƠNG IV – MÔ HÌNH MẠNG THAM CHIẾU 26
4.1. Các thành phần của hệ thống WiMAX 26
4.2. Các giao diện tham chiếu 29

CHƯƠNG V – CÁC KỸ THUẬT TỐI ƯU HOÁ NGUỒN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 31
5.1. Các đặc điểm sóng vô tuyến trong hệ thống WiMAX 32
5.1.1. Truyền sóng trong môi trường LOS/NLOS 32
5.1.1.1. Truyền sóng LOS và Near LOS 32
5.1.1.2. Truyền sóng NLOS 32
5.1.2. Các thông số sóng vô tuyến của WiMAX 33
5.1.3. Các kỹ thuật nâng cao tầm phủ sóng trong WiMAX 34
5.1.4. Các nguyên tắc hoạch định tần số 34
5.1.4.1. WiMAX cố định 34
5.1.4.2. WiMAX di động 35
5.1.5. Đồng bộ trạm gốc 35
5.2. Các phương pháp quản lý tài nguyên tần số 35
5.2.1. Điều khiển công suất 35
5.2.2. Lựa chọn tần số động 38
5.2.2.1. Kiểm tra kênh với người dùng trước 39
5.2.2.2. Đình chỉ hoạt động khi kênh bị chiếm dụng bởi người dùng khác 39
5.2.2.3. Dò tìm “dải phổ dành riêng” của người dùng trước 40
5.2.2.4. Lập lịch cho kiểm tra kênh 40
5.2.2.5. Yêu cầu và báo cáo các phép đo 40
5.2.2.6. Lựa chọn và quảng bá kênh mới 40
5.2.3. Điều chế và mã hoá thích nghi 41
5.2.4. Các thủ tục quản lý tài nguyên tần số khác 44
5.2.5. Các phép đo kênh 45
5.2.5.1. Chỉ thị cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) 46
5.2.5.2. CINR 47
5.2.6. Dịch vụ Multicast và Broadcast 47
5.2.6.1. MBS truy nhập nhiều BS 48
5.2.6.2. Khung MBS 49
5.2.7. Sự nâng cấp chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến trong tương lai 50

CHƯƠNG VI – SỰ HỖ TRỢ CỦA CÁC CÔNG NGHỆ ANTEN TIÊN TIẾN TRONG TỐI ƯU TÀI NGUYÊN HỆ THỐNG WiMAX 51
6.1. Cơ sở của các công nghệ đa anten 52
6.1.1. Lợi ích của phân tập không gian 52
6.1.1.1. Độ lợi dãy anten (array gain) 52
6.1.1.2. Độ lợi phân tập và sự giảm tỷ lệ lỗi 53
6.1.1.3. Tăng tốc độ dữ liệu 55
6.1.1.4. Tăng phạm vi phủ sóng và giảm công suất phát 55
6.1.2. Phân tập thu 56
6.1.2.1. Kết hợp lựa chọn 56
6.1.2.2. Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) 58
6.1.3. Phân tập phát 59
6.1.3.1. Phân tập phát vòng mở 60
6.1.3.2. Phân tập phát Nt×Nr 63
6.1.3.2.1. STBC 2×2 63
6.1.3.2.2. STBC xếp chồng 4×2 (4×2 stacked STBC) 64
6.1.3.2.3. So sánh phân tập phát vòng mở và phân tập thu 65
6.1.3.3. Phân tập phát vòng đóng 68
6.1.3.3.1. Phân tập phát chọn lựa 68
6.1.3.3.2. Phân tập tiền mã hoá tuyến tính 70
6.2. Các công nghệ anten tiên tiến 71
6.2.1. Công nghệ tạo chùm 72
6.2.1.1. Khái niệm về công nghệ tạo chùm 72
6.2.1.2. Ứng dụng công nghệ tạo chùm trên BS và MS 74
6.2.1.3. Lợi ích của công nghệ tạo chùm 75
6.2.1.4. Sự hỗ trợ công nghệ tạo chùm trong các chuẩn IEEE 802.16 77
6.2.2. Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) 78
6.2.2.1. Khái niệm công nghệ đa cổng vào ra 78
6.2.2.2. Các kỹ thuật tiên tiến áp dụng cho MIMO 80
6.2.2.2.1. Chuyển mạch giữa MIMO phân tập và MIMO ghép kênh không gian 80
6.2.2.2.2. Hệ thống MIMO nhiều người dùng 80
6.2.2.3. Ứng dụng của công nghệ MIMO trên BS và MS 81
6.2.2.4. Lợi ích của MIMO 81

CHUƠNG VII – ỨNG DỤNG CÁC KỸ THUẬT TỐI ƯU TÀI NGUYÊN TRONG TRIỂN KHAI HỆ THỐNG WiMAX Ở DẢI TẦN 2,5 GHz 86
7.1. Mô hình phủ sóng và các thông số liên quan 86
7.2. Lựa chọn chế độ song công 89
7.3. Các hệ thống anten tiên tiến 90
7.3.1. Ứng dụng công nghệ tạo chùm thích nghi tại BS 90
7.3.2. So sánh các cấu hình anten 91
7.4. Lựa chọn băng thông kênh 93
7.5. Lựa chọn các kỹ thuật khác 94

KẾT LUẬN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97