Chương 1 – Một số kiến thức cơ sở về bài toán lập kế hoạch mạng WiMAX trên 3D–GIS 1. Hệ thống thông tin địa lý 3D–GIS 1. Định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System- GIS) là một hệ thống bao gồm bốn thành phần [3]: - Máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào, ra và xử lý thông tin của phần mềm. - Một cơ sở dữ liệu chứa thông tin không gian và thông tin thuộc tính được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định.
- Một phần mềm có các chức năng: quản lý thông tin không gian và thuộc tính, phân tích và hiển thị thông tin. - Các kiến thức chuyên gia, chuyên ngành. Ta có thể hình dung GIS theo định nghĩa trên bằng hình mô phỏng dưới đây: Hình 1.1: Hệ thống GIS Hệ thống thông tin địa lý ba chiều 3D–GIS chính là một hệ thống thông địa lý làm việc trên mô hình địa hình ba chiều, với các chức năng hiển thị ba chiều, 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quản lý, thao tác, phân tích và hỗ trợ quyết định dựa trên các thông tin ba chiều liên quan đến các hiện tượng tự nhiên trong không gian [20]. Để xây dựng địa hình ba chiều hay tổng quát hơn, một ứng dụng 3D–GIS, cần có dữ liệu về độ cao.
Hiện nay, có một vài tiêu chuẩn về dữ liệu độ cao nhưng điển hình vẫn là các kiểu dữ liệu TIN hoặc DEM. Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên toàn thế giới, 3D–GIS đang được sử dụng như một công cụ hỗ trợ đắc lực trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Ví dụ như hỗ trợ thực hiện các phép phân tích không gian, phân loại địa hình, dự báo biến đổi tài nguyên, lập kế hoạch phát triển hệ thống điện, mạng viễn thông hay quản lý môi trường, vv. Hệ thông tin địa lý ba chiều trợ giúp, mô phỏng cho người dùng một cái nhìn trực quan và rõ ràng nhất về thế giới thực, từ đó hỗ trợ người dùng đưa ra các quyết định hợp lý, hiệu quả.
Các chuẩn của địa hình độ cao số 3D–GIS Hiện nay có nhiều chuẩn cho địa hình độ cao số [3] nhưng điển hình vẫn là mạng TIN và lưới độ cao DEM. - Mạng TIN: Là một dạng biểu diễn địa hình bằng mạng lưới tam giác không đều. Sử dụng mạng TIN sẽ đem lại tính hiệu quả và chính xác trong mô hình hóa bề mặt liên tục. - Lưới độ cao DEM: Là một dữ liệu trái đất có dạng lưới ô vuông đều nhau với giá trị độ cao.
Mô hình DEM do cục đo đạc địa hình địa lý của Mỹ đề xuất là một tệp chứa đựng các dãy giá trị độ cao sử dụng phép chiếu UTM hoặc là phép chiếu toạ độ nào đó. Một mảnh địa hình được xác định ở dạng hình tứ giác và một lưới xác định sẽ được phủ lên mảnh địa hình đó. Mỗi mắt lưới sẽ xác định một độ cao của mảnh địa hình đó. Do vậy, bất kỳ cao độ điểm nào trên bề mặt cũng có thể tính toán và tạo ra đường đồng mức.
Trong mô hình hóa không gian ba chiều thì việc mô hình hóa bề mặt đóng vai trò vô cùng quan trọng bởi từ đó ta có thể xác định được dạng địa hình của đối tượng. Trong đó, mô hình dạng TIN có ưu điểm về độ chính xác. Tuy nhiên, mô 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hình này lại khá phức tạp trong việc tổ chức dữ liệu. Mô hình độ cao số DEM được sử dụng chủ yếu bởi tính thuận lợi trong việc tổ chức cũng như truy xuất dữ liệu.
Trong khuôn khổ luận văn này, mô hình DEM được sử dụng làm đầu vào của các thuật toán. Dữ liệu DEM chỉ thể hiện bề mặt địa hình ba chiều. Do đó chúng tôi tiến hành tìm hiểu sâu hơn về DEM để có thêm thông tin phục vụ cho các bài toán phía sau. Một trong những bài toán quan trọng về DEM đó là nhận dạng địa hình mà một dữ liệu DEM thể hiện.
Cơ bản về WiMAX 1. Khái niệm về WiMAX WiMAX [8] là một công nghệ truy cập không dây băng thông rộng. 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 mạng đô thị không dây.
WiMAX sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp modem. Nếu như Wireless LAN được phát triển để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây, nâng cao tính linh hoạt trong việc truy cập Internet cho những vùng tập trung đông dân cư trong những phạm vi hẹp thì với WiMAX ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng đô thị nó còn giải quyết được những vấn đề khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ Internet cho những vùng thưa dân, ở những khoảng cách xa mà công nghệ xDSL sử dụng dây đồng không thể đạt tới. WiMAX như một tổng đài trong vùng lân cận hợp lý đến một trạm chủ mà nó được yêu cầu thiết lập một đường dữ liệu đến Internet. Người sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ sẽ được thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS với tốc độ truyền dữ liệu rất cao là 75Mbps.
Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm chủ thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps. WiMAX là một chuẩn không dây đang 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động, phạm vi phủ sóng được mở rộng. Một hệ thống WiMAX gồm hai thành phần sau: - Trạm phát (BS): Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn. Trên lý thuyết, một trạm thu phát này có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2.
- Trạm thu: Có thể là các bộ phận ăngten thu, các thẻ card hoặc được tích hợp sẵn có trên Mainboard của các máy tính, theo cách mà Wifi đã dùng Các trạm BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) dành riêng hoặc thông qua các trạm chuyển tiếp. Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng rất rộng. Các ăngten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường truyền LOS hoặc NLOS. Đường truyền LOS thường sử dụng tần số cao lến đến 66GHz và ăngten thường được đặt ở vị trí cao, do đó đường truyền sẽ ổn định và tốc độ có thể đạt cực đại.
Ngược lại, với đường truyền NLOS, băng tần từ 2-11 GHz được sử dụng bởi ở tần số thấp, tín hiệu dễ dàng xuyên qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.16 – 2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002. Định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WireLessMANTM cho các mạng vùng đô thị. Những đặc điểm chính của chuẩn này là [8]: - Giao diện không gian cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định hoạt động ở dải tần 10 – 66GHz. - Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
- Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Bán kính phủ sóng: 2 – 5km. - Hỗ trợ QoS để đảm bảo chất lượng dịch vụ. - Kết nối cố định.
- Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC – PS.16a Là bộ chuẩn được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001, chuẩn này được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này nhằm mục đích hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS [8]. - Bổ sung các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY với việc mở rộng thêm dải tần 2 – 11 GHz. - Hỗ trợ đường truyền trong tầm nhìn không thẳng NLOS.
- Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz. - Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1.25 MHz và 20 MHz. - Bán kính phủ sóng: 6 – 9 km. - Cung cấp QoS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (giọng nói và video).16d Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần từ 10 – 66 GHz và NLOS ở dải 2 – 11 GHz.
Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố định: - Kỹ thuật đa truy nhập OFDM – TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN – OFDM. - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1. - Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz. - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256 – OFDM (256 sóng mang phụ).16e Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đang di chuyển.
Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. Chuẩn này được chứng nhận vào tháng 12/2005 [8]. Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn cố định để hỗ trợ tính di động và chuyển giao. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX di động: - Hỗ trợ handoff và roaming.
- 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. - Đường truyền trong tầm nhìn không thẳng NLOS. - Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao.
- Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1. - 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. Cấu hình mạng WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH [21].
Mạng điểm – đa điểm là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX.2 mô tả cụ thể mô hình hoạt động WiMAX với cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP [21]. Cấu hình mạng này tương tự mạng thông tin di động tế bào.