TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VIBA Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hoàng Hải Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 5 MSSV H.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
T HÔNG TIN V IBA
Vi ba là sóng điện từ có bước sóng dài hơn tia hồng ngoại, nhưng ngắn hơn sóng radio
Vi ba còn gọi là sóng tần số siêu cao (SHF), có bước sóng khoảng từ 30 cm (tần số
1 GHz) đến 1 cm (tần số 30 GHz) Tuy vậy, ranh giới giữa tia hồng ngoại, vi ba và sóng radio tần số cực cao (UHF) là rất tuỳ ý và thay đổi trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Sự tồn tại của sóng điện từ, trong đó vi ba là một phần của phổ tần số cao, được James Clerk Maxwell dự đoán năm 1864 từ các phương trình Maxwell nổi tiếng Năm
1888, Heinrich Hertz đã chế tạo được thiết bị phát sóng radio, nhờ vậy lần đầu tiên chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ.
B ĂNG TẦN V IBA
Phổ vi ba thường được xác định là năng lượng điện từ có tần số khoảng từ 1 GHz đến 1000 GHz, nhưng trước đây cũng bao gồm cả những tần số thấp hơn Những ứng dụng vi ba phổ biến nhất ở khoảng 1 đến 40 GHz Băng tần vi ba được xác định theo bảng sau:
Băng Ku 12 đến 18 GHz Băng K 18 đến 26 GHz Băng Ka 26 đến 40 GHz Băng Q 30 đến 50 GHz Băng U 40 đến 60 GHz
Băng V 50 đến 75 GHz Băng E 60 đến 90 GHz Băng W 75 đến 110 GHz Băng F 90 đến 140 GHz Băng D 110 đến 170 GHz
Mode truyền dẫn: Truyền trong tầm nhìn thẳng
C Ự LY TRUYỀN SÓNG
Sóng truyền thẳng có cự ly bị hạn chế bởi độ cong của trái đất (bán kính trái đất Rc00km)
𝑑 = 3.57(√ℎ1 + √ℎ2) [𝑘𝑚] d (km) – cự ly thông tin tối đa cho tuyến vi ba h1, h2 (m) – độ cao ăn ten phát & thu
Trong môi trường khí quyển, chiết xuất khúc xạ đối với sóng cao tần giảm dần theo độ cao, nên tia sóng bị uốn cong về phía mặt đất, và cự ly truyền tăng lên
𝑑 = 4.12(√ℎ1 + √ℎ2) [𝑘𝑚] d (km) – cự ly thông tin tối đa cho tuyến vi ba h1, h2 (m) – độ cao ăn ten phát & thu
K HUYẾN NGHỊ ITU-R P 530-8 VỀ TUYẾN TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN
Khi thiết kế, cần có những cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn cho việc đánh giá Khuyến nghị ITU-R P.530-8 đưa ra một trong những tiêu chuẩn và các phương pháp để thực hiện các bước tính toán các đặc tính và các ảnh hưởng đến đường truyền Dựa vào các tiêu chuẩn cho trong khuyến nghị này, người thiết kế có thể tính toán các thông số và từ đó so sánh, lựa chọn để phương án tối ưu nhất, đáp ứng được yêu cầu thiết kế
Khuyến nghị có hai phần, phần 1 đề cập đến các ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài đến quá trình truyền dẫn và đưa ra các phương pháp tính toán các ảnh hưởng đó đến chất lượng của đường truyền Phần 2 của khuyến nghị nói đến các thông số hệ thống cần quan tâm trong quá trình xây dựng mạng
4.1 Các hiệu ứng ảnh hưởng đến truyền sóng trong hệ thống vô tuyến tầm nhìn thẳng
Phần đầu của khuyến nghị giới thiệu về một vài ảnh hưởng trong quá trình truyền dẫn tín hiệu khi thiết kế truyền dẫn vô tuyến, như:
- fading nhiễu xạ do vật cản trên địa hình của đường truyền,
- suy hao trong không gian tự do,
- suy hao nhiều tia gây ra bởi tầng khí quyển hay do phân tán tín hiệu,
- fading nhiều tia do phản xạ mặt đất,
- suy hao do mưa, bụi trong không khí,
- sự thay đổi góc tới và góc phát do khúc xạ, giảm sự phân biệt phân cực chéo trong điều kiện nhiều tia hay mưa,
- méo tín hiệu do fading lựa chọn tần số và trễ trong điều kiện truyền dẫn nhiều tia
Ngoài ra phần này còn đưa ra các phương pháp đơn giản và các bước để tính toán ảnh hưởng trên đường truyền khi xây dựng các link, và các kỹ thuật, thông tin cần thiết cho việc quy hoạch mạng
Suy hao truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng liên quan đến suy hao trong không gian tự do, là tổng của các thành phần sau đây:
- suy hao trong không gian tự do,
- do fading nhiễu xạ do vật cản hay một phần vật cản trên đường truyền,
- do fading nhiều tia, fading do phân tán tín hiệu và fading do hiện tượng nhấp nháy,
- suy hao do thay đổi góc tới, góc phát,
- suy hao do bão cát và bụi
4.1.2 Suy hao trong không gian tự do
Suy hao này do sự hấp thụ của khí ôxi và hơi nước, được tính đến khi tần số lớn hơn 10GHz, theo công thức : d (km): khoảng cách đường truyền là suy hao đặc trưng, xem trong khuyến nghị ITU-R P.836
Sự thay đổi điều kiện khúc xạ của khí quyển gây ra sự thay đổi bán kính tương đối của Trái đất, thể hiện qua hệ số bán kính tương đương k Khi độ khúc xạ nhỏ (k nhỏ), đường đi của sóng bị uốn cong, Trái đất trở thành vật cản trên đường truyền của tia sóng, do đó gây ra fading gọi là fading nhiễu xạ Loại fading này quyết định độ cao của anten Giá trị trung bình của k bằng 4/3 Khi thiết kế cần tính hệ số bán kính tương đương thích hợp cho đường truyền: bằng cách thống kê giá trị k cho một điểm xác định: đo hay dự đoán sự thay đổi của chỉ số khúc xạ trong 100 m đầu của tầng khí quyển và tính trung bình Suy hao nhiễu xạ phụ thuộc vào khoảng hở đường truyền
Suy hao nhiễu xạ phụ thuộc vào loại địa hình và cây cối trên đường truyền Đối với một giá trị khoảng hở đường truyền cho trước, suy hao nhiễu xạ nhỏ nhất ứng với vật cản hình
8 nêm và lớn nhất với vật cản hình cầu như Trái đất, và giới hạn trên và dưới của suy hao nhiễu xạ được vẽ ở hình 2.1
Suy hao nhiễu xạ ở địa hình trung bình được tính xấp xỉ cho các suy hao lớn hơn 15 dB
(2) với h (m) là chênh lệch độ cao giữa vật cản cao nhất và quỹ đạo đường truyền là bán kính miền Fresnel thứ nhất , được tính theo phương trình:
(3) với f : tần số d : khoảng cách đường truyền (km) d1 và d2 : khoảng cách từ trạm phát và thu đến vật cản
4.2 Dự báo lỗi hoạt động và độ khả dụng của hệ thống viba SDH
Mạng SDH hay SONET hiện tại cho phép các hệ thống đường truyền vô tuyến truyền tải năng lượng theo chế độ đồng bộ với tốc độ từ 51 Mbit/s (STM-0) đến 622 Mbit/s (STM-
2) Các khuyến nghị và chuẩn quốc tế định nghĩa lỗi hoạt động và các chỉ tiêu khả dụng của mạng SDH Các chỉ tiêu này gặp bất cứ khi nào vô tuyến là một phần của mạng
Các phương pháp dự đoán trong phần này dựa trên mối quan hệ rút ra từ lý thuyết giữa BER và các thông số SDH mới dựa trên các khối lỗi (EB) Các phương pháp tính đến các đặc tính của hệ thống như chuỗi lỗi cùng với các thông số cần thiết để dự đoán xác suất gián đoạn dựa trên BER
4.2.2 Lỗi hoạt động và các chỉ tiêu khả dụng dB 10
9 Để xác định các yêu cầu cho một đường truyền đơn với các độ dài thực tế của các chặng, tần số vô tuyến hoạt động… cần thông tin từ một số khuyến nghị khác của ITU-R như ITU-
4.2.2.1 Lỗi hoạt động và các thông số khả dụng
Một khối lỗi EB là một chuỗi trong đó một hay nhiều bit bị lỗi Một giây lỗi (ES) xảy ra nếu có một hay một số khối lỗi ở ít nhất một sai sót như mất con trỏ (LOP) Một giây lỗi nghiêm trọng (SES) xảy ra nếu có ít nhất 30% khỗi lỗi EB hay sai sót Lỗi khối nền (BBE) là một khối bị lỗi không phải là một phần của một SES Các thông số được định nghĩa là tỷ lệ giây lỗi nghiêm trọng (SESR), tỷ lệ lỗi khối nền (BBER), và tỷ lệ giây lỗi (ESR)
CHÚ THÍCH 1- Một đường truyền số có thể truyền theo hai chiều hoặc một chiều và có thể bao gồm phần của người sử dụng và phần mạng
Mỗi chiều của đường truyền có thể ở một hay hai trạng thái, khả dụng hoặc không khả dụng Các tiêu chuẩn xác định sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái này như sau: Khoảng thời gian không khả dụng bắt đầu bằng 10 giây không lỗi nghiêm trọng (non-SES) liên tiếp Mười giây này được coi như một phần của thời gian khả dụng Một đường truyền là khả dụng khi và chỉ khi cả hai chiều đều phải ở trạng thái khả dụng
4.2.2.2 Các chỉ tiêu đối với đường truyền vô tuyến số chuyển tiếp
Các chỉ tiêu về lỗi hoạt động của đường truyền số từ tốc độ cơ bản trở lên (2,048 hay 1,544 Mbit/s) khác nhau với từng nước và từng vùng Những yêu cầu đặc biệt cần thoả mãn trong mọi tháng Đối với các đường truyền trong nước, chia thành ba loại: đường cự ly dài, đường truyền cự ly ngắn và mạng truy nhập
ITU-R vẫn dùng yêu cầu 99,7% thời gian khả dụng trong một năm đối với đường truyền
2500 km Thời gian không khả dụng 0,3% được chia đều (theo mỗi km) trên các đường truyền đơn mức cao từ km thứ 280 đến 2500, với 0,003% cho 280 km còn lại
4.2.3 Dự đoán lỗi hoạt động và độ khả dụng
Các hệ thống truyền dẫn vô tuyến hiện đại sử dụng phương pháp điều chế phức tạp, các mã sửa sai, bộ cân bằng … có xu hướng tạo ra các cụm hay các chuỗi lỗi
CHÚ THÍCH 1 - Một chuỗi lỗi được định nghĩa là một chuỗi bắt đầu và kết thúc bằng một bit lỗi sao cho khoảng cách giữa hai bit lỗi nhỏ hơn bộ nhớ của hệ thống (ví dụ như kích thước mã của mã khối…)
H Ệ THỐNG V IBA SỐ
Phân loại theo tốc độ
➢ Dung lượng trung bình: 10-100Mbps
➢ Tuyến dài: >400km, so sánh được với cáp quang, dải tần 4-6GHz
➢ Tuyến ngắn: dải tần 15GHz (thiết bị và anten gọn)
C HỈ TIÊU KỸ THUẬT
- Phân bố luồng cao tần: các luồng lân cận cách nhau 30-40MHz và phân cực trực giao, để tránh can nhiễu và giảm tạp âm
- Công suất phát: tùy vào cự ly và ngưỡng thu
- Độ nhạy máy thu/Ngưỡng thu: cho trước tương ứng với tỉ số lỗi và tốc độ bit nhất định
- Tỉ số lỗi: thấp nhất phải đạt 10-3, chất lượng tốt đạt trên 10-6
- Phương thức điều chế: QPSK, QAM-16, 64
- Trở kháng vào máy thu – Trở kháng ra máy phát: chuẩn hóa 50Ω
- Tốc độ dữ liệu băng tần gốc: số luồng E1 (x2, x4, x8)
T HIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN V IBA
- Lựa chọn vị trí đặt trạm: đảm bảo điều kiện tầm nhìn thẳng
- Lựa chọn tần số làm việc: tần số thu – phát cách nhau để tránh can nhiễu, giao thoa với tần số đang sử dụng lân cận
- Vẽ mặt cắt đường truyền: xác định độ cao anten phù hợp để đảm bảo khoảng hở
- Tính toán quỹ đường truyền: quỹ công suất phù hợp để đảm bảo hoạt động trong mọi đk thời tiết
- Tính toán các chỉ tiêu đánh giá chất lượng tuyến
- Tần số thu phát tại mỗi vị trí tiếp phát trên tuyến
- Dung lượng kênh, dung lượng hệ thống
- Độ cao đặt trạm, độ cao anten (anten phân tập)
- Vĩ độ, kinh độ: để xác đinh góc phương vị và khoảng cách
THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VIBA
S Ử DỤNG G OOGLE E ARTH
Xác định được kinh độ, vĩ độ giữa hai trạm phát và thu, hiển thị độ cao so với mực nước biển…
Bước 1: Mở Google Earth có giao diện như sau:
Bước 2: Đánh dấu vị trí cần đặt trạm, chú ý vị trí kinh độ và vĩ độ
*Cách khác: Sử dụng ô tìm kiếm để nhập tên địa chỉ cẩn chọn
Bước 3: Vẽ đường thẳng để đo khoảng cách giữa 2 trạm và hiển thị cấu hình độ cao Từ thuộc tính của trạm ta biết được tọa độ chính xác của nó Ví dụ đường từ Đại Học Bách
Khoa Hà Nội đến Đại Học Ngoại Thương Từ path trên có thể lưu lại file địa hình để tiện việc tra cứu sau này
Một cách khác để lấy thông tin tọa độ trạm: Phần mềm FetchSRTM
→ Nhập thông số khu vực muốn lấy thông số → Fetch
S Ử DỤNG P ATHLOSS 4.0 ĐỂ THIẾT KẾ TUYẾN
Pathloss 4.0 là phần mềm chuyên nghiệp về thiết kế tuyến Microwave với những ưu điểm vượt trội là dễ sử dụng, đầy đủ các thông số nhưng bên cạnh đó nó có nhược điểm là tính chống nhiễu không care đến terrain
Bước 1: Thiết lập các thông số ban đầu
- Tọa độ: gồm vĩ độ và kinh độ được lấy từ Goole earth sau đó nhập như hình trên, tọa độ lưu ý nhập cách nhau bởi dấu cách, không dùng các kí hiệu độ, phút, giây
- Tiếp theo ta nhập tần số: tần số được sử dụng ở đây là 15GHz
- Thiết lập chuẩn ban đầu: trên thanh công cụ của Pathloss chọn configure → geographic default Xuất hiện hộp thoại
- Thiết lập các thông số như hình
Bước 2: Load dữ liệu địa hình SRTM
- Dữ liệu địa hình SRTM thể hiện tọa độ (latitude, longitude), thông số độ cao (elevation) được load trực tiếp vao Pathloss để mô phỏng địa hình ở phần terraindata
- SRTM có thể tải trên trang chủ của NASA (trang chủ của pathLoss đã không còn hoạt động)
- Lên trang sau đăng kí tài khoản NASA https://urs.earthdata.nasa.gov/
Có thể tìm kiếm file địa hình bằng cách tải lên file đường thẳng đã lưu từ google earth hoặc tìm kiếm bằng tọa độ
Sau đó tải về file địa hình có dạng đuôi là file hgt
Sau khi có dữ liệu địa hình SRTM thì bắt đầu load vào Pathloss: trên thanh công cụ của Pathloss chọn phần Configure → terrain Database
Chọn Setup Primary (có thể tráo ngược giữa Primary và Secondary) sẽ hiện lên 1 cửa sổ SRTM
Chọn file BIL-HDR-BLW sau đó load tới file hgt vừa tải về Sau khi load sẽ có dạng như trên Map name
Bước 3: Tạo dữ liệu địa hình và hiển thị trong Pathloss
Sau khi đã load dữ liệu địa hình SRTM thì vào phần Module trên thanh công cụ chọn
Xuất hiện cửa sổ mới
Chọn Operations → Generate Profile, xuất hiện hộp thoại:
20 Điền khoảng cách để tạo dữ liệu, ở đây chọn 10m->Generate
Khi Generate Profile báo Profile Complete thì có nghĩa là đã tạo được dạng địa hình như trên, sau đó ta có thể thêm các vật chắn như tòa nhà, cây cối, … Click double vào Structure sẽ hiện ra 3 mục: Single Structure (vật chắn đơn), Range of Structures (đa vật chắn)
Và cuối cùng phần Terrain Data sẽ như hình sau:
Bước 4: Tính toán độ cao anten
Trên thanh công cụ chọn Module->Antenna Heights
Cửa sổ mới hiện ra
Sau đó kích vào biểu tượng máy tính, Pathloss sẽ tự tính chiều cao của anten của 2 trạm
Bước 5: Thực hiện việc thiết kế chính trong phần Worksheets
Trên thanh công cụ chọn Module->Worksheets
Xuất hiện cửa sổ sau
Thiết lập chanel cho 2 trạm:
Nhấp vào biểu tượng trên, xuất hiện 1 cửa sổ mới:
Chọn Lookup để xem freqplan (kế hoạch tần số theo chuẩn), hoặc có thể nhập trực tiếp vào
TX (MHz) cho cả 2 trạm Sau khi chọn Lookup thì xuất hiện cửa sổ mới
Chọn File-> Open để load tần số thu và phát trong thư viện của Pathloss với đuôi *.txc Sau khi load thì chạy Site 1 hay Site 2 có tần số cao hơn, tắt cửa sổ này và sau đó nhấn OK ở cửa sổ TX chanels
Chọn thiết bị (Radio Equipment):
Tiếp tục chon Code Index để lấy mã thiết bị
Chọn New index để lấy thiết bị mới, dẫn tới thư viện của Pathloss chọn thư mục EQUIPMENT→chọn thiết bị (alcatel, nec, nokia,…) Code Index bao gồm: code (mã thiết bị), Manuf (hãng sản xuất), Model (loại), Cap (kiểu data E1, STM,…), Mode (phương thức điều chế QAM, QPSK,…) và F LOW (tần số thấp nhất), F HI (tần số cao nhất)… Chọn 1 thiết bị phù hợp với tần số ban đầu (ở đây là 13GHz) là fa1556p → OK
Sau đó nhấn Both để sử dụng cho cả 2 trạm Đóng cửa sổ Radio Code Index, nhấn OK ở cửa sổ Radio Equipment để kết thúc việc chọn thiết bị
Chọn dây Feeder nối từ thiết bị tới anten:
Tương tự như chọn Chanel (Ch), sau khi nhấp vào biểu tượng trên ta chọn Lookup Sau khi hiện cửa sổ mới ta chọn File->Open dẫn tới thư viện của Pathloss->chọn thư mục EQUIPMENT->chọn thư mục txl và chọn 1 file trong đó, sau khi chọn thì ta chọn dây feeder sao cho phù hợp với tần số ban đầu 15GHz Sau đó chọn Both để dùng cho cả 2 trạm
Chọn suy hao bộ lọc phân nhánh:
Chọn và nhập như hình
Tương tự như chọn thiết bị TR: chọn biểu tượng anten->hiển thị cửa sổ antennas TR- TR→Code Index
Chọn New Index để Browse đến thư viện anten→Equipment→anten→chọn 1 hãng và chọn thiết bị anten phù hợp với tần số ban đầu 15GHz Ở đây chọn anten của Andrew→142-153 Sau đó nhấn Both để chọn cho cả 2 anten của 2 trạm
Tiếp theo ta chọn suy hao đương truyền:
Kích vào giữa đường truyền thì xuất hiện cửa sổ:
Tích các thông số như hình trên
Cuối cùng chọn suy hao do mưa:
Nhấp vào biểu tượng thời tiết như ở trên sẽ xuất hiện cửa sổ và chọn method giống như trên, chọn nút Load Rain File->Browers đến thư viện Rain của Pathloss và chọn vùng mưa theo ITU, ở Việt Nam là N Sau đó Kích Open và Close cửa sổ Rain
Sau khi đã chọn đầy đủ các thông số thì dấu tich màu xanh thông báo đã hoàn thành
Bước 6: Tính toán nhiễu xạ (Diffraction)
Trên thanh công cụ chọn Module→Diffraction Hiển thị vùng Fresnel thứ nhất, click vào Operations→Fresnel Zones
Chọn như hình dưới →Close
Click chọn vào biểu tượng máy tính trên thanh công cụ và hộp thoại tính toán xuất hiện Kết quả tính toán như hình dưới với suy hao trong không gian tự do là 123.15dB, suy hao do không khí là 0.20dB, tổng suy hao là 123.34dB
Trên thanh công cụ chọn Module →Multipath
Trên thanh công cụ chọn Module →Printprofile
Bước 9: Hiển thị Map và Network
Trên thanh công cụ chọn Module->Network Để load map vào Network thì phải Save trước với đuôi *.gr4 Muốn save được phải đặt call sign cho hai trạm tại tab summary với tên bất kì
Thực hiện tương tự với 9 site còn lại và add vào site list
Sau đó chọn Site Data -> Create Background
Chọn File-> New Project tạo file lưu module Điền thông số -> Next
