Tài liệu Nghiên cứu khả năng phủ sóng internet trên địa bàn thành phố huế dùng phần mềm mô phỏng điện từ trường wireless insite luận văn ths. kỹ thuật điện tử - viễn thông

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VÕ VĂN KHOÁI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHỦ SÓNG INTERNET TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HUẾ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỆN TỪ TRƯỜNG WIRELESS INSITE LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế – 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VÕ VĂN KHOÁI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHỦ SÓNG INTERNET TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HUẾ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỆN TỪ TRƯỜNG WIRELESS INSITE Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. TRẦN ĐỨC TÂN Huế – 2014 1 LỜI CẢM ƠN Qua quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội tôi đã hoàn thành bản luận văn này. Trước hết cho tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Trần Đức Tân người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Và xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa Điện tử viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ, cản bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu. Học viên Võ Văn Khoái 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Đức Tân. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Huế, ngày tháng 01 năm 2014 Người viết Võ Văn Khoái 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiFi VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CHO KHU VỰC THÀNH PHỐ HUẾ ................................................ 11 1.1. Tổng quan về công nghệ Wifi [7] ............................................................. 11 1.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 11 1.1.2. Đặc điểm của công nghệ Wifi [8] .......................................................... 13 1.1.3. Một số mô hình triển khai mạng Wifi [2,9] ........................................... 13 1.1.3.1. Mô hình mạng Wifi ngoài trời sử dụng cầu nối [9] ......................... 16 1.1.3.2. Mô hình mạng Wifi ngoài trời sử dụng mạng lưới[2] ..................... 18 1.2. Khả năng áp dụng Wifi cho khu vực thành phố ....................................... 20 1.2.1. Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực thành phố Huế.............. 20 1.2.2.Giải pháp Internet wifi cho khu vực thành phố Huế............................... 21 CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGOÀI TRỜI ...................................................................... 22 2.1. Hệ thống thông tin..................................................................................... 22 2.2. Hệ thống thông tin vô tuyến...................................................................... 22 2.2.1. Khái niệm ............................................................................................ 23 2.2.2. Kênh truyền vô tuyến [4] .................................................................... 24 2.2.3. Cơ chế lan truyền [4] .......................................................................... 24 2.2.3.1.Phản xạ ........................................................................................... 26 2.2.3.2. Nhiễu xạ ........................................................................................ 27 2.2.3.3. Tán xạ ........................................................................................... 27 2.2.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ..................... 27 2.2.4.1. Hiện tượng đa đường (Multipath)................................................. 27 2.2.4.2. Hiệu ứng bóng râm (shadowing) .................................................. 28 2.3. Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời [4] .............................................. 29 2.3.1. Mô hình Longley-Rice ........................................................................ 31 2.3.2. Mô hình Durkin................................................................................... 31 2.3.3. Mô hình Okumura ............................................................................... 31 2.3.4. Mô hình Full 3D.................................................................................. 31 2.3.5. Mô hình Hata ...................................................................................... 31 4 CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI THÀNH PHỐ HUẾ........................................................................................................... 35 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng điện từ trường Wireless Insite [6] ............ 35 3.2. Mô phỏng vùng phủ sóng di động ở khu vực thành phố Huế ...................... 38 3.2.1. Vị trí địa lí và đặc điểm địa hình của thành phố Huế [5] ................... 38 3.2.2. Đặc điểm về kiến trúc hạ tầng thành phố Huế .................................... 40 3.2.3. Chương trình mô phỏng ...................................................................... 40 3.2.3.1. Mô phỏng vùng phủ sóng Wifi tần số 2.4GHz đặt 10 trạm phát...40 3.2.3.2. Mô phỏng vùng phủ sóng Wifi tần số 2.4 GHz đặt 5 trạm phát…54 3.2.3.3. Mô phỏng vùng phủ sóng Wifi tần số 5.1GHz đặt 10 trạm phát...57 3.2.3.4. Mô phỏng vùng phủ sóng Wifi tần số 5.1GHz đặt 5 trạm phát.....64 3.2.3.5. So sánh kết quả thu được trong 2 trường hợp mô phỏng .............. 66 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình một hệ thống Wifi [9] ........................................................... 13 Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wifi ngoài trời điểm đến điểm sử dụng cầu nối[9]……...........................................................................................................16 Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wifi ngoài trời điểm đến đa điểm sử dụng cầu nối[9] ................................................................................................................... 17 Hình 1.4: Sơ đồ kết nối hệ thống wireless broadband tổng quát tại TPHuế[9]…………………………………………………………………………..17 Hình 1.5: Mô hình ứng dụng Wifi ngoài trời sử dụng mạng lưới[2] .................. 19 Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản ................................................................... 22 Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến [1] ............................................ 24 Hình 2.2: Tia truyền thẳng .................................................................................. 25 Hình 2.3:Sự suy giảm .......................................................................................... 26 Hình 2.4: Hiện tượng phản xạ ............................................................................. 26 Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ ............................................................................ 27 Hình 2.6: Hiện tượng tán xạ ................................................................................ 27 2.2.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ........................... 27 2.2.4.1. Hiện tượng đa đường (Multipath) .......................................................... 27 Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường....................................................... 28 Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát .................................................. 30 Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát..................................................................... 30 Hình 2.10 : Họ đường cong Okumura[4] ............................................................ 32 Hình 2.11 : Sự mất mát công suất theo khoảng cách trong mô hình Hata ......... 34 Hình 3.1: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực thành phố .......................... 35 Hình 3.2: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực đồi núi ............................... 36 Hình 3.3: Cửa sổ Main ........................................................................................ 36 Hình 3.4: Cửa sổ Project View............................................................................ 37 Hình 3.5: Thành phố Huế trên bản đồ ................................................................. 39 Hình 3.6: Tạo porject .......................................................................................... 41 Hình 3.7: File city trong cửa sổ 2D ..................................................................... 42 Hình 3.8: File city trong cửa sổ 3D ..................................................................... 42 Hình 3.9: Địa hình thành phố Huế ...................................................................... 43 Hình 3.10: Dạng sóng 2.4GHz-5MHz ................................................................ 43 Hình 3.11: Anten đẳng hướng cho trạm phát ...................................................... 44 Hình 3.12: Anten đẳng hướng cho trạm thu........................................................ 44 Hình 3.13: Trạm phát .......................................................................................... 45 6 Hình 3.14: Trạm thu ............................................................................................ 46 Hình 3.15: Cửa sổ tạo vùng khảo sát .................................................................. 47 Hình 3.16: Vùng khảo sát .................................................................................... 47 Hình 3.17: Lựa chon thông số đầu ra mong muốn.............................................. 48 Hình 3.18: Tổng quan về project trong không gian 3 chiều ............................... 49 Hình 3.19: Tổng quan về project trong không gian 2 chiều ............................... 49 Hình 3.20: Cửa sổ calculation log ....................................................................... 50 Hình 3.21: Cửa sổ project hierarchy ................................................................... 51 Hình 3.22: Vùng phủ sóng khi sử dụng anten đẳng hướng ................................ 52 Hình 3.23: File công suất thu .............................................................................. 53 Hình 3.24: Vùng phủ sóng khi sử dụng băng tần 2.4MHz – vẽ bằng Matlab .... 54 Hình 3.25: Trạm phát tần số 2.4GHz .................................................................. 55 Hình 3.26: Tổng quan về project trong không gian 3 chiều đặt 5 trạm phát ...... 56 Hình 3.27: Vùng phủ sóng ở băng tần 2.4GHz đặt 5 trạm phát.......................... 56 Hình 3.28: File công suất thu ở băng tần 2.4GHz đặt 5 trạm phát ..................... 57 Hình 3.29: Dạng sóng 5.1 GHz đặt 10 trạm phát................................................ 58 Hình 3.30: Anten phát với tần số 5.1 GHz .......................................................... 58 Hình 3.31: Anten thu với tần số 5.1 GHz ........................................................... 59 Hình 3.32: Trạm phát ở tần số 5.1GHz ............................................................... 60 Hình 3.33: Trạm thu với tần số 5.1GHz.............................................................. 61 Hình 3.34: Cửa sổ calculation log trong trường hợp 2 ....................................... 62 Hình 3.35: Vùng phủ sóng ở băng tần 5.1GHz ................................................... 63 Hình 3.36: file công suất thu được trong trường hợp sử dụng băng tần 5.1GHz 63 Hình 3.37: Vùng phủ sóng ở băng tần 5.1GHz – vẽ bằng Matlab ...................... 64 Hình 3.38: Vùng phủ sóng ở băng tần 5.1GHz đặt 5 trạm phát.......................... 65 Hình 3.36: file công suất thu được trong trường hợp sử dụng băng tần 5.1GHz 66 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -70dBm – băng tần 2.4GHz đặt 10 trạm phát ......................................................................................................... 53 Bảng 3.2: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -70dBm – băng tần 2.4 GHz đặt 5 trạm phát. .................................................................................................... 57 Bảng 3.3: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -70dBm – băng tần 5.1GHz đặt 10 trạm phát ......................................................................................................... 64 Bảng 3.4: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -70dBm – băng tần 5.1GHz đặt 5 trạm phát ........................................................................................................... 66 8 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AP : Access Point (điểm truy nhập) CPE : Customer Premises Equipment (thiết bị truyền thông cá nhân) DSL : Digital Subcriber Line (đường dây thuê bao số) IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật điện và điện tử Mỹ) LOS : Line of Sight (tia có tầm nhìn thẳng) MAC : Media Access Control (điều khiển truy nhập) NLOS : No – Line of Sight (tia không có tầm nhìn thẳng) PDA : Personal Digital Assistant (máy trợ lý cá nhân dùng kỹ thuật số) SLA : Service Level Agreement (thỏa thuận mức độ dịch vụ) WISP : Wireless ISP (nhà cung cấp dịch vụ internet không dây) WLAN : Wireless Local Area Network (mạng cục bộ vô tuyến) WiFi : Wireless Fidelity (hệ thống mạng không dây) 9 MỞ ĐẦU Từ khi chính thức được cung cấp tại Việt Nam năm 1997 đến nay, internet đã phát triển nhanh chóng, không chỉ về "lượng" mà cả về "chất". Việt Nam là nước nằm trong danh sách 20 quốc gia trên thế giới có số người sử dụng internet cao nhất. Ngoài các dịch vụ Internet thông thường, các dịch vụ Internet băng rộng cũng đang được phát triển ngày càng mạnh mẽ. Tuy nhiên, số lượng người dùng internet ở mức hơn 30,8 triệu người/gần 90 triệu dân. Hiện nay các nhu cầu về dịch vụ di động không chỉ dừng lại ở dịch vụ thoại truyền thống mà còn có sự phát triển nhanh và mạnh các nhu cầu về dịch vụ số liệu di động đặc biệt là dịch vụ truy cập Internet di động, khiến cho nhà sản xuất và khai thác mạng phải tìm kiếm các kiến trúc mạng mới trên cơ sở kiến trúc hạ tầng truyền thống để giảm giá thành và đơn giản hoá việc xây dựng các mạng đa dịch vụ đa phương tiện. Các mạng 2G đã phục vụ khá tốt nhu cầu thoại thông thường và một số ứng dụng thế hệ 2 như SMS hay truy nhập Internet bằng công nghệ WAP. Nhưng khi người sử dụng đòi hỏi các dịch vụ như điện thoại video hay truy cập Internet tốc độ cao thì chúng hoàn toàn không thể đáp ứng được. Bên cạnh đó, các hệ thống thông tin di động hiện nay là các hệ thống băng hẹp chỉ cung cấp được chất lượng thông tin hạn chế, nhất là đối với nhu cầu truyền số liệu nhưng giá cước cao. Sự phát triển của các thiết bị di động công nghệ cao như máy tính xách tay laptop, máy tính bỏ túi palmtop, thiết bị hỗ trợ kĩ thuật số cá nhân PDA…càng thúc đẩy nhu cầu truyền dữ liệu di động trong khi đó mạng điện thoại di động thế hệ thứ ba (3G) vốn được coi là giải pháp của tương lai cho các dịch vụ truyền thông đa phương tiện di động lại chưa sẵn sàng nhập cuộc. Bối cảnh này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi một lớp mạng di động không dây mới. Đó là mạng cục bộ vô tuyến WLAN. Mạng WLAN sẽ đáp ứng kịp thời nhu cầu về truyền số liệu không dây tốc độ cao với giá thành hạ và độ linh hoạt cao, triển khai nhanh chóng. Các công nghệ Wifi dựa trên chuẩn IEEE 802.11b xây dựng cho WLAN được cho là chìa khoá giúp các nước đang phát triển đi tắt đón đầu, đuổi kịp các nước phát triển trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Nhận thức rõ được sự phát triển tất yếu của công nghệ Wifi, ở Việt Nam một vài công ty đã chủ động triển khai điểm truy cập dịch vụ Wifi tại những khu trung tâm và sẽ đăng ký để được có tên trên bản đồ Wifi thế giới. Sự kiện này chứng tỏ Việt 10 Nam đang thực sự hoà nhập và phát triển cùng với những tiến bộ mang tính đột phá của nền công nghệ cao thế giới. Để đáp ứng theo nhu cầu nêu trên, một giải pháp kinh tế và thực tiễn là rất cần thiết để hòa mạng Internet tại thành phố Huế nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ internet di động và phục vụ chính phủ điện tử đến với người dân. Đề tài luận văn này đưa ra giải pháp nhằm kết nối Internet tại các vùng của thành phố Huế bằng cách kết hợp công nghệ Wifi với cơ sở hạ tầng của trạm thu, phát sóng thông tin di động và các tòa nhà cao tầng để giảm thiểu chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí bảo dưỡng hệ thống trong quá trình khai thác. Đề tài sẽ sử dụng phần mềm Wireless InSite để mô phỏng vùng phủ sóng Wifi trên băng tần 2.4GHz và 5.1GHz tại thành phố Huế, một thành phố có địa hình, dân số và kiến trúc cơ sở hạ tầng khá giống với nhiều thành phố của Việt Nam và khu vực Đông Dương, do đó mà nó có tính điển hình rất cao. Từ đó đưa ra giải pháp triển khai Internet Wifi cho khu vực thành phố tại Việt Nam. Luận văn bao gồm các chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ Wifi và khả năng áp dụng cho khu vực thành phố Huế Chương 2: Hệ thống thông tin vô tuyến và các mô hình truyền sóng ngoài trời Chương 3: Mô phỏng vùng phủ sóng di động tại thành phố Huế 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiFi VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CHO KHU VỰC THÀNH PHỐ HUẾ 1.1. Tổng quan về công nghệ WiFi [7] 1.1.1. Giới thiệu chung Wifi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống này đã hoạt động ở một số sân bay, quán café, thư viện hoặc khách sạn, nơi công cộng. Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hoàn toàn không cần đến cáp nối. Ngoài các điểm kết nối công cộng, wifi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng. Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ Viện Kỹ thuật điện và Điện tử Mỹ. Viện này đưa ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng. Ba chuẩn thông dụng của wifi hiện nay là 802.11a/b/g. Trong một mạng wifi, máy tính và card mạng wifi kết nối không dây đến một bộ định tuyến không dây. Bộ định tuyến được kết nối với Internet bằng một modem, thường là một cáp hoặc modem DSL. Bất kỳ người dùng trong vòng khoảng 61 mét của các điểm truy cập sau đó có thể kết nối với Internet, dù cho tốc độ truyền tải tốt, khoảng cách 30,5 m, hoặc ít được phổ biến hơn. Các tín hiệu không dây có thể mở rộng phạm vi của một mạng không dây. Mạng wifi có thể được mở, như vậy ai cũng có thể sử dụng, hoặc đóng trong trường hợp sử dụng một mật khẩu. Một khu vực bao phủ truy cập không dây thường được gọi là một điểm nóng không dây. Có những nỗ lực tiến hành để chuyển toàn bộ thành phố, như San Francisco, Portland, và Philadelphia, thành điểm nóng không dây lớn. Nhiều người trong số các kế hoạch này sẽ cung cấp miễn phí, dịch vụ hỗ trợ quảng cáo, dịch vụ quảng cáo miễn phí cho một khoản phí nhỏ. San Francisco gần đây đã chọn Google để cung cấp cho nó với một mạng không dây. Wifi sử dụng công nghệ vô tuyến để liên lạc, thông thường hoạt động ở tần số 2.4GHz. Wifi là công nghệ được thiết kế để phục vụ cho các hệ thống máy tính nhẹ của tương lai, đó là điện thoại di động và thiết kế để tiêu thụ điện năng tối thiểu. PDA, máy tính xách tay, và các phụ kiện khác nhau được thiết kế để tương thích với wifi. Thậm chí còn có điện thoại được phát triển mà có thể chuyển đổi liền mạch từ các mạng di động vào mạng wifi mà không cần bỏ một cuộc gọi. 12 Chuẩn thông dụng của Wifi hiện nay là 802.11a/b/g, trong đó chuẩn 802.11 được phát triển từ năm 1997 bởi nhóm IEEE. Cho đến hiện tại IEEE 802.11 gồm có 4 chuẩn trong họ 802.11 và 1 chuẩn đang thử nghiệm: 802.11 là chuẩn IEEE gốc của mạng không dây, hoạt động ở tần số 2.4GHz, tốc độ 1 Mbps – 2Mbps; 802.11b phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tầng số 2.42.48GHz, tốc độ từ 1Mpbs - 11Mbps; 802.11a phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tầng số 5GHz – 6GHz, tốc độ 54Mbps; 802.11g một chuẩn tương tự như chuẩn b nhưng có tốc độ cao hơn từ 20Mbps - 54Mbps, hiện đang phổ biến nhất; 802.11e là 1 chuẩn đang thử nghiệm, đây chỉ mới là phiên bản thử nghiệm cung cấp đặc tính và hỗ trợ chất lượng dịch vụ cho gia đình và doanh nghiệp có môi trường mạng không dây. Thực tế còn một vài chuẩn khác thuộc họ 802.11 là: 802.11F, IEEE 802.11h, IEEE 802.11j, IEEE 802.11d, IEEE 802.11s, IEEE 802.11ac. Mỗi chuẩn được bổ sung nhiều tính năng khác nhau. Đối với công nghệ truy nhập không dây điểm tới đa điểm hiện nay, thì trên thế giới sử dụng chủ yếu các công nghệ Bluetooth, WiMAX, Wifi và 3G. Hệ thống Wifi có thể cho phép người dùng thiết lập một hệ thống mạng WLAN ở một khu vực nhất định tại bất kỳ một khu vực nào muốn triển khai. Không phải trả phí dịch vụ hàng tháng, ngoài ra công nghệ Wifi vẫn được tổ chức IEEE liên tục cải tiến để đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt nhất ngay cả tại những vùng bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường như: những nơi có nhiều dây chuyền công nghiệp, dây chuyền sản xuất khi hoạt động đã tạo ra nguồn nhiễu điện từ trường rất lớn. Hệ thống Wifi đưa ra một giải pháp vô tuyến cố định hiệu quả để thay thế những đường dây DSL và các hệ thống cáp tại những khu vực mà công nghệ đã sẵn sàng. Và quan trọng hơn công nghệ Wifi có thể cung cấp một giải pháp truy nhập băng rộng hiệu quả tại những khu vực mà không thể thực hiện đối với các hệ thống cáp và DSL. Hiện nay IEEE 802.11 đã mở rộng tiêu chuẩn cho các ứng dụng di động do vậy có thể truy nhập trực tiếp từ các thiết bị xách tay từ smartphone và PD đến máy tính xách tay.[12] 13 Hình 1.1: Mô hình một hệ thống Wifi [9] Hệ thống WLAN vô tuyến dựa trên tiêu chuẩn giao diện vô tuyến được cấu hình gần giống với cấu hình của mạng tế bào truyền thống. Các trạm gốc đặt tại các vị trí phù hợp để triển khai cấu trúc điểm – đa điểm để phân phát các dịch vụ với các bán kính phủ sóng có thể lên đến vài km phụ thuộc vào tần số, công suất phát và độ nhạy phía thu. Trong những khu vực có mật độ cao phạm vi phủ sóng có thể được giới hạn hẹp hơn. Các trạm gốc thường được kết nối với mạng lõi bằng hệ thống cáp quang hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm – điểm kết nối với các nút quang hoặc thông qua các đường thuê bao. Công nghệ wifi hiện nay có thể cung cấp các dịch vụ truy nhập băng rộng tại mọi nơi trong mạng WLAN với các đặc tính và chất lượng dịch vụ thậm trí còn tốt hơn các hệ thống DSL, cáp hay đường thuê bao truyền thống. 1.1.2. Đặc điểm của công nghệ Wifi [8] - Kiến trúc mềm dẻo: Wifi hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới và phủ sóng khắp mọi nơi. Điều khiển truy nhập phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động. Các vị trí kết nối mạng có thể thay đổi mà không cần phải thiết kế lại. - Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, Wifi yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài. Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu. Các nhà vận hành mà đã có được các 14 đăng ký để sử dụng một trong các dải tần đăng ký, hoặc dự kiến sử dụng một trong các dải tần không đăng ký, không cần đệ trình các ứng dụng hơn nữa cho chính phủ. - Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà chất lượng được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng thuê bao. Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức. - Di động: Các nhà mạng đang tìm cách để phát triển thêm cho công nghệ wifi, wifi sẽ dần trở thành hình thức truyền dẫn dữ liệu cự ly gần phổ biến nhất. Tốc độ wifi đang dần vượt xa tốc độ truyền dẫn Internet, và tiếp cận tốc độ bằng cáp gia dụng 5-7Gigabit/giây, tương đương với gần 2Gogabyte/giây, khiến cho những bó dây dẫn loằng ngoằng và những thiết bị hỗ trợ nhiều cổng kết nối sẽ trở nên thừa thải. Không chỉ dừng lại ở các chuẩn wifi trên, công nghệ wifi sẽ tiếp tục hướng đến những tiêu chuẩn mới tổ chức wifi Alliance đang xúc tiến thực hiện dự án kết nối các điểm truy cập wifi công cộng thành một mạng chung như mạng điện thoại. Ngoài ra, wifi Alliance cũng đang phát triển một mạng lưới thông minh sử dụng wifi để kết nối và quản lý đồng thời các thiết bị gia dụng, thiết bị điện tử và các thiết bị di động. - Lợi nhuận: Trái với những lo ngại mà nhiều nhà khai thác di động nghĩ đến là Wifi chiếm mất lưu lượng của mạng di động. Thay vào đó, các nhà khai thác di động trên toàn thế giới nhận thấy rằng Wifi đóng bốn vai trò chính trong chiến lược kinh doanh của các nhà khai thác di động như Wifi bổ sung thêm dung lượng và vùng phủ cho các mạng tổ ong, nơi phổ tần di động bị hạn chế, Wifi cũng đáp ứng các điểm nóng và chúng ta hy vọng nó có thể được sử dụng với hầu hết các triển khai cell nhỏ. Wifi cũng có thể được dùng để tăng cường dữ liệu cho mạng tổ ong, cung cấp dịch vụ vô tuyến chi phí thấp/miễn phí cho người sử dụng và kết nối với các thiết bị như máy tính bảng mà chưa được kết nối với mạng tổ ong. Giá cước dữ liệu của mạng tổ ong thường khá cao khiến người sử dụng phải tìm dịch vụ Wifi phù hợp cho những nhu cầu dữ liệu không cấp thiết. Các điểm nóng Wifi có thương hiệu của nhà khai thác di động phục vụ 15 như sự nhắc nhở cho thuê bao, và cả người sử dụng không phải thuê bao thấy sự hiện diện của nhà khai thác di động. - Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng Wifi mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa trạm phát và trạm thu. Khả năng này của nó giúp các sản phẩm Wifi phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS. - Phủ sóng rộng: Mạng wifi mới nhất hiện nay, cung cấp các dịch vụ truy cập băng rộng không dây với vùng phủ sóng rộng, tốc độ cao. Các hệ thống Wifi ngoài trời theo chuẩn a/b/g/n: 802.11x, công nghệ Airmax có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa trạm phát và trạm thu không bị cản trở. Ở những điều kiện tốt nhất cự ly kết nối Wifi chuyên dùng ngoài trời cao lên đến 30km, dùng để kết nối điểm nối điểm, điểm nối đa điểm tốc độ băng thông 300Mbps. Phạm vi phủ sóng điển hình là gần 500m với CPE (NLOS) trong nhà và gần 3km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS). - Dung lượng cao: Chuẩn 802.11n Có thể đạt được dung lượng tối đa 300 Mbit/s cho các trạm gốc với độ rộng băng thông 20MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất. Tương tự như Wifi 802.11n 5.1GHz trên các bộ định tuyến đa kênh hiện tại, tần số mới cho phép 802.11ac vận hành mà không sợ bị nhiễu từ vô số các thiết bị gia dụng như điện thoại, lò vi sóng, camera quan sát, bluetooth, chuột và bàn phím … hay thậm chí là chính các sản phẩm sử dụng Wifi truyền thống như ở mức 2.4GHz. Bên cạnh đó, với 21 dải tần không trùng lặp cao hơn hẳn so với mức 3 của dải tần 2.4GHz, thiết bị với dải tần 5.1GHz cũng vượt trội trong việc né nhiễu với các thiết bị cùng loại. Trong khi 802.11n sử dụng kênh tần với độ rộng 20MHz đối với tần số 2.4GHz và 40MHz đối với tần số 5.1GHz thì 802.11ac sử dụng mức 80MHz đặc tính cho phép tốc độ truyền dữ liệu cao hơn ít nhất là về lý thuyết. Một điều thú vị khác là tần số 5.1GHz không phải yếu tố duy nhất tạo nên sức hấp dẫn của 802.11ac. Kết nối trên chuẩn mới này cũng có thể truyền nhiều dữ liệu hơn đáng kể nhờ cơ chế mã hoá hiệu quả hơn. Như thế, nếu như mạng 802.11n với kênh 20MHz có thể truyền dữ liệu ở mức 75Mbps qua một dải kết nối đơn, 150Mbps qua hai dải kết nối đơn, 225 Mbps thông qua ba dải kết nối đơn và tăng gấp đôi nếu sử dụng kênh 40MHz thì nhờ kênh rộng 80MHz, 802.11ac có thể đạt mức 433Mbps trên một dải kết nối đơn tới 1300Mbps trên ba dải kết nối đơn, tương đương với những gì Airport Extreme mới đang có. Như thế, tốc độ truyền dữ liệu chính là điểm mạnh đáng giá thứ hai của chuẩn Wifi mới. 16 - Tính mở rộng: Khả năng mở rộng với khoảng cách tốt với chi phí hợp lý. - Tính lợi ích: Mạng không dây cũng như mạng thông thường. Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực triển khai như nhà hay văn phòng, công cộng….. Với sự gia tăng số lượng người sử dụng máy tính xách tay hay Smartphone, đó là một điều rất thuận lợi. Chi phí giảm, với không dây bạn có thể tự do thay đổi vị trí của bạn mà không bị mất kết nối của bạn. - Tính linh hoạt. Mở rộng truy cập, giảm chi phí, và tính di động tạo cơ hội cho các ứng dụng mới cũng như khả năng của giải pháp sáng tạo mới cho các ứng dụng di sản. 1.1.3. Một số mô hình triển khai mạng Wifi [2,9] 1.1.3.1. Mô hình mạng Wifi ngoài trời sử dụng cầu nối [9] Mô hình cầu nối được triển khai theo kiểu điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm. Như ở hình dưới, từ một điểm A này có thể nối không dây đến điểm B khác để làm truyền dẫn cho điểm B. Khi đó chỉ cần truyền dẫn có dây từ điểm A về lõi; tại điểm B lưu lượng sẽ theo kết nối cầu nối điểm đến điểm về lõi thông qua điểm A. Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wifi ngoài trời điểm đến điểm sử dụng cầu nối[9] Ngoài ra, kết nối điểm – đa điểm như hình dưới ta có điểm trung tâm có thể kết nối tới nhiều điểm với nguyên lý tương tự điểm – điểm. Thiết bị đặt tại điểm trung tâm thường được gọi là AP. Các thiết bị đặt tại các điểm phân tán được gọi là CPE. 17 Mô hình cầu nối có thể sử dụng băng tần 2.4GHz và 5.1GHz. Tuy nhiên so với băng tần 2.4GHz, băng tần 5.1GHZ ít nhiễu hơn cho nên thường được sử dụng để làm truyền dẫn cầu nối. Một AP có truyền dẫn sẽ làm trung gian kết nối AP đầu xa vào hệ thống truyền dẫn hữu tuyến về trung tâm. Thông thường để đảm bảo chất lượng yêu cầu phải LOS khoảng cách 500m. Với khoảng cách xa hơn, thường có các dòng anten siêu định hướng sẽ cho khoảng cách P2P lên đến hàng km. Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wifi ngoài trời điểm đến đa điểm sử dụng cầu nối [9] Cấu trúc mạng Wifi diện rộng triển khai tại thành phố Huế theo mô hình điểm đến đa điểm với hơn 200 điểm AP khắp các địa điểm tại thành phố kết nối về WiNOC thông qua mạng Internet. Cấu Trúc Mạng Wifi Diện Rộng Thành Phố Huế Fe AP A D S L ca bl e Router ADSL Wifi hotspot Gateway GE INTERNET ADSL cable FE Router Fttx BROADBAND NETWORK VNPT Hue AP D A Server management AP Fe Router ADSL L S ca bl e Fe Router ADSL AP Hình 1.4: Sơ đồ kết nối hệ thống wireless broadband tổng quát tại TP-Huế [9] 18 Hiện nay, việc cung cấp tốc độ từ một vài Mbps lên tới hơn một Gbps với phạm vi lên đến 10km, kết nối vô tuyến điểm – điểm có thể cung cấp băng thông lớn cho các doanh nghiệp hoạt động để truyền tải dữ liệu mạng. Dưới đây là một vài ứng dụng của kết nối vô tuyến theo mô hình điểm – điểm: Cầu kết nối các mạng LAN (LAN-to-LAN) giữa các tòa nhà trong một thành phố khi chúng cần độ tin cậy và thông lượng cao. Cầu kết nối các mạng WLAN (WLAN-toWLAN) trên cơ sở tốc độ mạng cao hoặc mạng mở rộng để phục vụ cho nhiều thuê bao cùng một lúc. Cầu kết nối vô tuyến tại một khu vực rừng núi, hải đảo. Tạo ra đường trục cho các nhà cung cấp dịch vụ để kết nối các mạng của khách hàng (LAN hoặc WLAN) vào mạng lõi. Nhanh chóng tạo ra kết nối vô tuyến tốc độ cao khi xảy ra thiên tai (sóng thần, bảo lụt, hỏa hoạn) làm các mạng có dây bị hư hỏng. Tạo ra kết nối vô tuyến dự phòng để cung cấp một kết nối khác khi xảy ra sự cố cho mạng có dây của doanh nghiệp lớn đòi hỏi thông tin doanh nghiệp phải luôn luôn thông suốt. Các mạng vô tuyến kết nối theo mô hình điểm - đa điểm rất đa dạng như có thể là mạng WLAN trong các tòa nhà hay mạng đô thị với yêu cầu băng thông cao. Giải pháp kết nối điểm – đa điểm có thể áp dụng cho các mạng có phạm vi kết nối khác nhau và cho nhiều tình huống khác nhau. Mạng tại các làng đại học cho phép kết nối giữa các mạng máy tính từ khắp các địa điểm trong nhà hay ngoài trời, các phòng thực nghiệm, các giảng đường, các ký túc xá… thành một mạng thống nhất. Mạng Wifi công cộng trong nhà hay ngoài trời trên phạm vi rộng do chính quyền địa phương hoặc nhà cung cấp dịch vụ ISP triển khai để người dân truy cập dịch vụ Internet thuận tiện. Những mạng Wifi công cộng này có thể miễn phí hoặc tính phí. Hiện nay tại sân bay, bến cảng, nhà máy có nhu cầu xây dựng hệ thống camera quan sát được kết nối vô tuyến theo mô hình điểm - đa điểm để thay thế cho việc kết nối qua dây cáp vừa tốn kém, vừa bất tiện. Các doanh nghiệp lớn kết nối nhiều văn phòng, chi nhánh tại các khu vực xa tới một trung sở để truy cập mạng nguồn tại nguyên trong LAN. Cung cấp dịch vụ Internet vô tuyến cho các căn hộ, biệt thự tại các khu vực nông thôn hoặc rừng núi do mật độ dân cư thấp hoặc do việc kéo dây cáp khó khăn và tốn kém. 1.1.3.2. Mô hình mạng Wifi ngoài trời sử dụng mạng lưới [2] Mô hình mạng lưới được triển khai theo kiểm đa điểm – đa điểm với một nhiều điểm kết nối đến mạng đường trục. Để có thể cập nhật và tối ưu hóa mỗi