Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên không HAP

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Bùi Thị Huyền NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN DẪN TỚI TRUYỀN TIN TRONG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHÔNG – HAP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 1 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây một giải pháp mạng vô tuyến khác cũng đang thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của cộng đồng nghiên cứu viễn thông đó là giải pháp hạ tầng truyền thông trên cao (HAP) hoạt động ở tầng bình lưu, cách mặt đất 17-25 km. Đây là một công nghệ mới hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong tương lai. Những ưu điểm nổi trội của hệ thống này có thể kể đến là: Cho phép triển khai dễ dàng và nhanh chóng, có khả năng cấu hình lại, hoạt động chi phí thấp, trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng rộng, có khả năng truyền thông quảng bá/đa hướng, có khả năng di chuyển theo nhiều hướng trong trường hợp khẩn cấp,… Một đặc điểm hấp dẫn khác của các hệ thống HAP là khi các hệ thống mặt đất cần một số lượng lớn các trạm gốc để phủ sóng, trong khi đó các vệ tinh GEO lại bị giới hạn về kích thước ô tối thiểu chiếu lên mặt đất, và các vệ tinh quỹ đạo thấp LEO gặp phải vấn đề chuyển giao, thì HAP lại được xem là giải pháp hứa hẹn: nó có thể đảm nhiệm với vai trò là trạm gốc hoặc các nút chuyển tiếp, thậm chí có thể là một vệ tinh LEO rất hiệu quả. Hiện nay trên thế giới có nhiều nước đã triển khai HAP, tuy nhiên ở Việt Nam đây là một khái niệm khá mới, do vậy để có thể triển khai trong thực tế cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng. Trong bối cảnh đó, việc lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên cao – HAP” có ý nghĩa thực tiễn to lớn. CHƯƠNG 1 - HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHÔNG 1.1 Giới thiệu về hạ tầng truyền thông trên không - HAP 1.1.1. Các đặc điểm của hạ tầng truyền thông trên không HAP Nền tảng truyền thông đặt ở độ cao lớn - HAP được đưa ra từ thế kỉ trước. Vào năm 1960, một khí cầu khổng lồ được ra mắt ở Mỹ. Nó phản xạ sự phát sóng quảng bá từ thiết bị phòng thí nghiệm Bell ở Crawford Hill (Mỹ) và truyền tín hiệu đến những người sử dụng điện thoại đường dài. Khí cầu này có thể được xem như là hình thức sơ khai của HAP. Các ứng dụng truyền thống của khí cầu bị hạn chế trong các mục đích giải trí, khí tượng học, giám sát môi trường vì lí do an toàn. Tuy nhiên, từ vài năm trước, một sự tiến bộ về công nghệ trong truyền thông từ khí cầu đã tạo ra một tương lai hứa hẹn trong lĩnh vực này. 3 Về cơ bản, các trạm HAP (HAPS) là những chiếc máy bay hay khí cầu treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km-22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh. Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng. Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làm giảm, nếu không nói là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng. Hình 1.1: Hệ thống HAP triển khai ở 17~22 km so với mặt đất HAP được sử dụng để cung cấp một loạt các dịch vụ truyền thông bao gồm băng rộng, 3G và truyền thông khẩn cấp cũng như là các dịch vụ quảng bá. Một phạm vi tương đối rộng các dịch vụ mà HAP có thể cung cấp so với các vệ tinh bao gồm việc ghi các hình ảnh và cảm biến từ xa với hiệu quả cao, chi phí thấp và độ phân giải cao. Một loạt các ứng dụng lai cũng được đặt ra, như quản lí giao thông, quản lí hàng hải/hàng không và an ninh. Về các phương tiện trên không sử dụng cho HAPS, có thể phân thành ba loại là khí cầu không người, thiết bị bay không người sử dụng năng lượng mặt trời và thiết bị bay có người. 4 1.1.2. Kiến trúc của hạ tầng truyền thông trên không – HAP Hình 1.3: Kiến trúc HAP Hình 1.3 mô tả kiến trúc và kịch bản truyền thông của một hệ thống HAP điển hình. Trong đó, các trạm HAP với các đường lên và xuống tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ cùng với một kết nối backhaul nếu cần thiết. Các HAP này cũng có thể được kết nối với nhau trong một mạng các trạm HAP và kết nối trực tiếp với trạm vệ tinh. Các hệ thống/mạng HAP bao gồm một hoặc nhiều HAPS hầu như không chuyển động, mỗi HAPS được liên kết với một số trạm gateway trên mặt đất được đặt tại các khu vực phủ sóng đô thị hoặc ngoại ô để cung cấp kết nối tới các mạng viễn thông. Các mạng này có thể là mạng cố định mặt đất, vệ tinh, các mạng công cộng hoặc mạng riêng với nhiều trạm thuê bao di động và cố định. Vùng phủ sóng được cung cấp bởi HAP chủ yếu được xác định bởi truyền lan tầm nhìn thẳng (line-of-sight) (đặc biệt là ở các dải tần số cao hơn) và góc ngẩng tối thiểu của thiết bị đầu cuối mặt đất. Theo đó có 3 khu vực phủ sóng trong hệ thống HAP là: Đô thị (UAC); ngoại ô (SAC) và nông thôn (RAC), được xác định bởi vị trí của máy thu, tức là vùng phủ sóng phụ thuộc vào góc ngẩng tối thiểu được chấp nhận từ vị trí của thuê bao và khoảng cách từ điểm chiếu của nền tảng (SPP - Sub-Platform Point). 5 Hình 1.5: Các khu vực phủ sóng của HAP  Vùng phủ sóng đô thị (UAC) Góc ngẩng tương ứng từ 30° đến 90° và có tầm nhìn thẳng (do khoảng cách từ thiết bị đầu cuối người dùng tới HAP ngắn) và các thành phần đa đường khuếch tán (bao gồm sự phản ánh từ các vật cản trong khu vực) của tín hiệu truyền. • Vùng phủ sóng ngoại ô (SAC) Góc ngẩng tương ứng từ 15° đến 30° và những trở ngại gần bộ thu gây ra che chắn tín hiệu và sự suy giảm của các tín hiệu trực tiếp. Sự suy giảm của các tín hiệu trực tiếp khác nhau do các vật cản chuyển động, ví dụ xe cộ và chịu ảnh hưởng của phân bố logarit thường. • Vùng phủ sóng khu vực nông thôn (RAC) Góc ngẩng tương ứng từ 5° đến 15°. Giới hạn góc ngẩng thấp hơn thực tế để truy cập vô tuyến băng rộng (BWA) là 5° và để tránh các vấn đề do tán xạ mặt đất vượt mức, góc ngẩng tối thiểu nên là 15°. 1.1.3 Các thành phần của hệ thống HAP Một hệ thống truyền thông dựa trên trạm HAP về cơ bản bao gồm hai thành phần chính: Phân hệ tầng bình lưu và phân hệ mặt đất. 1.1.3.1 Phân hệ tầng bình lưu 6 Hình 1.6 : Các phân hệ thành phần tầng HAPS ở bình lưu 1.1.3.2 Phân hệ mặt đất Phân hệ mặt đất (trạm mặt đất) HAP hỗ trợ các hoạt động giữa HAP và người sử dụng trên mặt đất, cũng như điều khiển một số chức năng liên quan đến hoạt động của HAP. Giao diện với các mạng mặt đất hiện có khác cũng được thực hiện ở đây cũng như các chức năng kiểm soát bay và các hoạt động cổng thông tin khác. 1.2 Phân bổ tần số Việc phân bổ các băng tần số cho HAP tuân thủ các điều kiện nghiêm ngặt về bảo vệ và tránh nhiễu giữa các hệ thống HAP và các hệ thống khác khi sử dụng cùng dải tần số hoặc các dải tần số liền kề, ví dụ như dịch vụ cố định (FS) và dịch vụ vệ tinh cố định (FSS), dịch vụ qua vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO). Thông tin liên lạc thông qua HAP có tiềm năng cung cấp các ứng dụng mật độ cao với hiệu quả phổ rất tốt, nhưng cũng gây ra nhiễu trải rộng với các ứng dụng truyền thông trên mặt đất và vệ tinh. Vì vậy, cần lựa chọn tần số phù hợp để tránh nhiễu với các hệ thống thông tin liên lạc hiện có khác. Độ tuyến tính của bộ phát được làm từ các thiết bị tích cực, là một mối quan tâm đặc biệt do tính hài hòa có thể gây nhiễu cho các hệ thống thông tin liên lạc bên cạnh. Bảng 1.2: Phân bổ tần số cho HAP Băng t ần (GHz) Khu vực/ đất nước Dịch vụ Chia s ẻ dịch vụ Khuyến ngh ị trong RR 47.9-48.2 Toàn cầu FS (đường l ên và đường xuống) FS, FFS, MS 5.552A 47.2-47.5 7 31.0-31.3 Vùng 2 + m ột số quốc gia FS (đường lên) FS, MS 5.543A 27.5-28.35 FS (đư ờng xuống) FS, FSS, MS 5.537A 2.160-2.170 Vùng 1 và 3 IMT-2000 FS, MS 5.388A 2.110-2.160 Toàn cầu FS, MS, nghiên cứu không gian 2.010-2.025 Vùng 1 và 3 FS, MS 1.885-1.980 Toàn cầu FS, MS Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Nga, và Trung Đông FS: Dịch vụ cố định Vùng 2: Bắc và Nam Mỹ FSS: Dịch vụ vệ tinh cố định Vùng 3: Châu Á và các nước Thái Bình Dương MS: Dịch vụ di động 1.3 Các ứng dụng và dịch vụ HAP có một lợi thế lớn hơn các mạng trên mặt đất trong khu vực phát multicast nơi mà nhiều lợi ích của các vệ tinh GEO được cung cấp bổ sung các kênh đường lên cho truy nhập Internet và video tương tác. HAP cũng phục vụ tốt trong các khu vực có dân số thấp, ví dụ như đảo, đại dương, thị xã đang phát triển, v.v nơi mà chi phí cho mỗi thuê bao trong các hệ thống trên mặt đất thường quá cao trong khi mật độ lưu lượng thấp bởi vì số lượng các điểm truy cập cần thiết để phủ sóng các khu vực này. Trong đó, một ứng dụng tiềm năng của HAPS là truy cập không dây băng rộng (BWA), cố định mà khả năng có thể cung cấp các tốc độ dữ liệu rất cao cho người sử dụng và sẽ tạo điều kiện phát triển các dịch vụ băng rộng. Mặt khác mạng HAP còn được sử dụng để cung cấp các dịch vụ 2G, 3G. Một trạm gốc HAP được trang bị một anten có búp sóng rộng hoặc số anten tính hướng phủ sóng các cell nhỏ hơn có thể phục vụ một khu vực rất rộng. 1.4 Các kiến trúc triển khai hệ thống HAP Có 3 kiến trúc được đề xuất cho các hệ thống truyền thông HAP. Sự khác nhau giữa chúng phần lớn nằm ở cơ sở hạ tầng mạng liên quan. 8 1.4.1. Hệ thống HAP độc lập Hình 1.9: Hệ thống HAP độc lập 1.4.2. Hệ thống HAP - mặt đất tích hợp Hình 1.10: Hệ thống HAP-mặt đất tích hợp 1.4.3. Hệ thống mặt đất – HAP - vệ tinh Hình 1.13: Hệ thống Mặt đất-HAP-Vệ tinh tích hợp 9 1.5 So sánh giữa các hệ thống HAP, thông tin vệ tinh và thông tin di động mặt đất 1.5.1 Các ưu điểm của HAP HAP được coi có một vài đặc điểm nổi bật so với các hệ thống vệ tinh và mặt đất và phụ thuộc vào các ứng dụng, nó là phần bổ sung lí tưởng hoặc giải pháp thay thế khi triển khai hệ thống truyền thông thế hệ tiếp theo yêu cầu dung lượng lớn. Các ưu điểm chính của HAP bao gồm: Vùng phủ sóng rộng; chi phí thấp; Khả năng băng rộng; Triển khai nhanh chóng. 1.5.2 So sánh các hệ thống: HAP, thông tin vệ tinh và thông tin di động mặt đất 1.5.3 Các thách thức khi triển khai HAP 1.6 Các dự án nghiên cứu và triển khai HAP điển hình trên thế giới 1.7. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giới thiệu chi tiết về hạ tầng trên không HAP: Các khái niệm, thành phần, các quy định về tần số, băng tần trong quá trình triển khai HAPS Với nhiều lợi thế như: vùng phủ sóng rộng, trễ truyền lan thấp và thân thiện với môi trường, HAPS đã và đang được triển khai, hoạt động bổ sung cho các công nghệ hiện hành. Bên cạnh việc sử dụng HAPS các dịch vụ cố định băng rộng, HAPS có thể cung cấp các dịch vụ di động trong tương lai, hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây, TV di động… CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA KÊNH BĂNG RỘNG HAP 2.1. Cơ chế truyền sóng và các ảnh hưởng lên đường truyền HAP Tùy thuộc vào tần số hoạt động, các cơ chế truyền sóng trong đường truyền tạo ra các tác động khác nhau lên tín hiệu. Điều đó dẫn tới sự khác nhau đáng kể giữa những mô hình hoạt động tại các dải tần số thấp so với với những mô hình hoạt động tại các dải tần cao hơn. Một khi những tác động này được phân tích và nắm rõ, chúng ta có thể đưa ra và mô tả thông qua các mô hình thống kê. Sử dụng các mô hình này giúp các nhà thiết kế hệ thống phát triển các mô hình kênh hiệu quả và thực tế hơn, để áp dụng khi thiết kế các hệ thống truyền thông HAP. [...]... tính kênh động 3.2 Ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hệ thống HAP 3.2.1 Quá trình truyền tin trong hệ thống HAP Quá trình truyền tin trong hệ thống HAP có nhiều điểm tương đối giống như trong hệ thống thông tin vệ tinh 3.2.2 Các đặc tính của kênh Chất lượng của các hệ thống thu phát thông tin nói chung phụ thuộc vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không. .. hình kênh bán Markov [12] 17 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn HAP Trong hệ thống HAP, việc lan truyền tín hiệu từ trạm HAP đến các trạm mặt đất và ngược lại bị ảnh hưởng bởi kênh truyền dẫn theo nhiều cách khác nhau Quan trọng nhất đó là hiệu ứng liên quan tới hiện tượng đa đường (fading) Trong giới hạn của luận văn ta chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường tới kênh truyền dẫn từ mặt đất tới. .. các cơ chế truyền sóng và những ảnh hưởng tới đường truyền HAP, từ đó trình bày các mô hình kênh HAP CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN DẪN TRONG TRUYỀN TIN Ở HỆ THỐNG HAP 3.1 Giới thiệu Giống như các hệ thống truyền thông cố định/di động, các điều kiện môi trường gây ra những hạn chế nhất định đối với hiệu năng hệ thống, trong hệ thống HAP, việc lan truyền tín hiệu từ trạm HAP đến các... thể ảnh hưởng đến các đặc tính truyền sóng trên đường truyền HAP nên mô hình hóa kênh được coi như một công cụ thiết kế hữu ích Các mô hình kênh này được sử dụng để mô tả những ảnh hưởng tới hệ thống, từ đó cho phép đánh giá chính xác hệ thống truyền thông trước khi thiết kế và triển khai một hệ thống HAP thực tế Luận văn đã tìm hiểu những vấn đề chung của HAP, cũng như nghiên cứu về đặc tính truyền dẫn. .. tính truyền dẫn và các mô hình kênh truyền Trên cơ sở đó mô phỏng ảnh hưởng của fading tới biên độ của tín hiệu thu được thông qua mô hình kênh băng rộng chuyển mạch Markov ba trạng thái Do HAP là một công nghệ mới và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn chưa mô phỏng được tất cả các mô hình kênh cũng tất cả tham số khác của hệ thống Đây sẽ là hướng phát triển tiếp theo của luận văn ... như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu phát đi qua kênh truyền HAP chịu ảnh hưởng lớn bởi fading đa đường do hiện tượng đa đường gây ra Sự thay đổi về đặc tính môi trường dẫn tới sự biến động của tín hiệu nhận được Do đó, một chuỗi Markov trạng thái hữu hạn được sử dụng để mô hình kênh. .. các hệ thống vệ tinh và mặt đất, hạ tầng truyền thông trên không HAP với 3 dạng kiến trúc mạng có thể cung cấp khả năng băng rộng, vùng phủ sóng lớn, chi phí thấp và triển khai nhanh chóng Một hệ thống truyền thông dựa trên HAP bao gồm rất nhiều thành phần từ các thành phần của bộ phận tầng bình lưu cho đến các thành phần cơ bản trên mặt đất Mỗi thành phần đều mang những chức năng riêng của chúng Do nhiều... tượng đa đường tới kênh truyền dẫn từ mặt đất tới trạm HAP và ngược lại Giả định là đường truyền này gần như không chuyển động, khi đó nó chỉ chịu tác động của fading đa đường và nhiễu Gauss trắng cộng như được minh họa ở Hình 3.4 dưới đây Hình 3.4: Mô hình kênh truyền dẫn HAP 3.3 Mô hình mô phỏng kênh truyền dẫn trong hệ thống HAP Trong mô hình kênh ba trạng thái (Hình 3.5), việc chuyển đổi được thực... 2.1.4 Sự hấp thụ của môi trường 2.2 Các mô hình kênh HAP 2.2.1 Các đặc tính hình học Giữa vị trí của trạm thu trên trái Đất và HAPS với đặc tính kênh có mối quan hệ với nhau HAPS nằm trên một vị trí gần như không chuyển động ở độ cao khoảng 17-22 km so với mực nước biển, các đặc tính hình học xác định hệ thống như minh họa trong Hình 2.4 11 Hình 2.4: Các đặc tính hình học của HAPS Các thông số cơ bản... kênh với tia trực tiếp(direct ray) và tia phản xạ( reflex ray or echo) 2.2.3.2 Mô hình kênh Dovis-Fantini Mô hình Dovis-Fantini [11] cho kênh HAP dựa trên lý thuyết về mô hình fading phạm vi hẹp đối với các kênh truyền thông giữa người sử dụng trên mặt đất (cố định hoặc di động) và nền tảng dựa trên sự xuất hiện của tán xạ do địa hình Theo đó, máy phát (Tx) được đặt tại một điểm có tọa độ (0, 0, z0) . CHÍNH VIỄN THÔNG Bùi Thị Huyền NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN DẪN TỚI TRUYỀN TIN TRONG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHÔNG – HAP . về hạ tầng truyền thông trên không - HAP 1.1.1. Các đặc điểm của hạ tầng truyền thông trên không HAP Nền tảng truyền thông đặt ở độ cao lớn - HAP được