Chương 1 Tìm hiểu tổng quan truyền tin vô tuyến điện, tập trung vào hiện trạng truyền vô tuyến điện trên biển Việt Nam 0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG XUÂN TUẤN LONG ƯỚC LƯỢNG[.]
0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG XUÂN TUẤN LONG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TIN VÔ TUYẾN TRÊN BIỂN LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG XUÂN TUẤN LONG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TIN VƠ TUYẾN TRÊN BIỂN Ngành: Cơng 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 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS.TRẦN ĐỨC TÂN Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập lớp Cao học Điện tử Viễn thơng, Khóa 1, thuộc trường Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội liên kết đào tạo với Đại học Khoa học – Đại học Huế tơi hồn thành luận văn Trước hết cho xin gửi lới cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Trần Đức Tân, người thầy ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian làm luận văn Và xin cảm ơn thầy, cô Khoa Điện tử Viễn thông - trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa Điện tử Viễn thông – trường Đại học Khoa học, Đại học Huế tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên vô quý báu Học viên Đặng Xuân Tuấn Long LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS.Trần Đức Tân Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2013 Người viết Đặng Xuân Tuấn Long MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN MẠNG VƠ TUYẾN ĐIỆN HÀNG HẢI TRÊN BIỂN VIỆT NAM …… ………………………………………………… 11 1.1.Giới thiệu [7, 8, 11, 12] .11 1.1.1 Những yếu tố đặc tính dịch vụ thơng tin vô tuyến điện hàng hải [8, 11, 12] 11 1.1.1.1 Các quy định chung ấn định tần số sử dụng tần số 11 1.1.1.2 Các loại thông tin dịch vụ thông tin lưu động hàng hải 11 1.1.1.3 Các loại trạm dịch vụ lưu động hàng hải 11 1.1.1.4 Trực canh 11 1.1.1.5 Các quy định thông tin cấp cứu 12 1.1.1.6 Một số khái niệm khác 12 1.1.2 Hệ thống an toàn cứu nạn hàng hải toàn cầu GMDSS [3, 11] 12 1.1.2.1 Khái niệm tổng quan GMDSS 12 1.1.2.2 Chức hệ thống GMDSS 12 1.1.2.3 Thành phần GMDSS 13 1.1.2.4 Phân chia vùng biển GMDSS 14 1.1.2.5 Hệ thống an toàn cấp cứu hàng hải toàn cầu GMDSS 15 1.1.2.6 Các hệ thống thông tin GMDSS 16 1.1.3 Kết luận chương……………………………………………………………… 25 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT KÊNH TRUYỀN … 26 2.1 Đặc tính chung kênh truyền tín hiệu vô tuyến [2] 26 2.2.Đặc tính tín hiệu vơ tuyến [1, 6, 8] 27 2.2.1 Suy hao đường truyền 27 2.2.2.Bóng mờ Fading chậm 28 2.2.3.Ảnh hưởng đa đường Fading nhanh 28 2.2.4 Fading lựa chọn tần số Fading phẳng 28 2.2.5.Độ trải trễ 29 2.2.6.Độ dịch Doppler: 29 2.3 Thông số tán xạ thời gian [2, 8] 30 2.4.Nhiễu AWGN [1, 2, 8] 31 2.5.Nhiễu liên ký tự ISI [1, 2, 8] 31 2.6.Nhiễu liên sóng mang ICI [1, 2, 8] 32 2.7.Các mơ hình kênh [1, 2, 3, 8] 32 2.7.1.Kênh theo phân bố Rayleigh 32 2.7.2.Kênh theo phân bố Rice 33 2.8.1.Lý thuyết dung lượng kênh số Shannon 34 2.8.2.Thơng lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn 35 2.9.Kết luận chương 36 CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG, MÔ PHỞNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN PHÙ HỢP VỚI TÌNH HÌNH BIỂN CỦA VIỆT NAM 37 3.1 Giới thiệu [14] 37 3.2 Đặc điểm truyền sóng vơ tuyến biển phương pháp mô [10, 11, 14] 38 3.2.1 Đặc điểm 38 3.2.2 Phương pháp mô 38 3.3 Phương pháp truyền kênh [9, 14] 39 3.3.1 Phương pháp sử dụng phương trình Parabol nhiều bước 39 3.3.2 Quy trình tiêu chuẩn SSPE 40 3.3.3 Mơ hình địa hình khơng phẳng - Cách tiếp cận bậc thang 41 3.3.4 Thông số Anten phát 41 3.3.5 Thông số độ cao tối đa 41 3.3.6 Khúc xạ Khí 42 3.4.Tiến trình kết mô 43 3.5.1 Các trường hợp kết mô 47 3.5.1.1 Trường hợp 47 3.5.1.2 Trường hợp 48 3.5.1.3 Trường hợp 49 3.6 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 52 Kết luận 52 Hướng phát triển đề tài 53 Đề xuất kiến nghị 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT DÃY TỪ TIẾNG ANH DÃY TỪ TIẾNG VIỆT BC Boundary conditions Điều kiện biên COSPASSARSAT Cospas: Cosmicheskaya Sistyema Poiska Avariynich Suduv (Space System for the Search of Vessels in Distress) - Sarsat: Search And Rescuce Satellite Aided Tracking Hệ thống Thông tin Vệ tinh DMFT Discrete mixed Fourier transform Rời rạc hỗn hợp biến đổi Fourier DSC Digital Selective Calling Gọi có chọn lọc kỹ thuật số EGC Enhanced Group Call Dịch vụ gọi chọn nhóm tăng cường EPIRB Emergency Position Indicating Radio Beacon Phao vơ tuyến báo vị trí khẩn cấp, dùng phổ biến lĩnh vực hàng hải FD Frequency domain Miền tần số FDTD Finite-Difference Time domain Miền hữu hạn, khác biệt Thời gian FFT Fourier transformation Biến đổi Fourier GMDSS Global Maritime Distress and Safety System Hệ thống cấp cứu an toàn hàng hải toàn cầu GO Geometrical optics Quang hình học HF Hight Frequency Tần số cao, cao tần IMD Inter-Modulation Distortion Liên điều chế méo INMARSAT International Mobile Satellite Organization Tổ chức Vệ tinh di động Quốc tế LES Land Earth Station Đài Vệ tinh Mặt đất LUT/MCC Local User Terminal/Mission Control Centre Trạm xử lý khu vực MoM Method of Moment Phương pháp Moment MSI Maritime Safety Information Thơng báo an tồn hàng hải NBDP Narrow-Band Direct-Printing Telegraphy Băng hẹp in điện báo trực tiếp NCS Network Coordination Station Trạm phối hợp mạng NOC Network Operation Centre Trung tâm điều hành mạng PEC Perfectly conducting Tiến hành cách hoàn hảo PLB Personal Locator Beacon Phao định vị cá nhân PML Perfectly matched layer Lớp hoàn toàn phù hợp RCC Rescue Co-ordination Centre Trung tâm phối hợp tìm kiếm cứu nạn RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RT Radio-Telephony Vô tuyến điện SART Search and Rescue Radar Transpondar Tìm kiếm cứu hộ radar SSPE Split-Step Parabolic Equation Method Phương pháp sử dụng phương trình Parabol nhiều bước TD Time domain Miền thời gian TLM Transmission-Line Matrix Truyền-Line Matrix VHF Verry Hight Frequency Tần số cao DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Trang thiết bị thông tin Vô tuyến điện tàu theo GMDSS [3] .15 Bảng 3.1: Các thơng số giải thích cửa sổ mơ Matlab [14] .44 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống GMDSS [7] 14 Hình 1.2: Sơ đồ phân chia vùng biển GMDSS [7] 15 Hình 1.3: Các loại máy đàm liên lạc biển [7] 17 Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống vệ tinh Inmarsat không gian [7] 18 Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống vệ tinh Inmarsat mặt đất [7] 19 Hình 1.6: Hệ thống gọi cấp cứu Inmarsat [7] 20 Hình 1.7: Các thành phần hệ thống Copas-SarSat [7] 20 Hình 1.8: Thiết bị phát tín hiệu cấp cứu hệ thống Copas-SarSat [7] 21 Hình 1.9: Epirb hệ thống vệ tinh Copas-SarSat [7] 22 Hình 1.10: Hệ thống SART [7] 22 Hình 1.11: Thiết bị cứu sinh cầm tay VHF [7] 23 Hình 1.12: Vệ tinh GPS [7] 23 Hình 1.13: Thành phần hệ thống GPS [7] 24 Hình 1.14: Cơ chế làm việc GPS [7] 24 Hình 2.1: Ảnh hưởng mô trường vô tuyến [8] 27 Hình 2.2: Đáp ứng xung khí truyền xung RF [8] 28 Hình 2.3: Minh họa fading lựa chọn tần số [8] 29 Hình 2.4: Phân bố xác suất Gauss hai biến [2] 31 Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến [8] 32 Hình 2.6: Phân bố xác suất Rayleigh không gian [2] 33 Hình 2.7: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k = dB (Rayleigh) k = dB Với k >>1, giá trị trung bình phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss [2] 34 Hình 3.1: Bề mặt hình thành độ cao dọc khúc xạ biến thể [14] 42 Hình 3.2: Cửa sổ mô Matlab 43 19 Vùng Đông - Đại Tây Dương (AOR-E ) 15,5 W Vùng Tây - Đại Tây Dương (AOR-W) 54 W, Thái Bình Dương (POR) 178 E Ấn Độ Dương (IOR) 64,5 E + Phần mặt đất: gồm trạm bờ LES, CES (Land/Coast Earth Station), trạm phối hợp mạng NCS (Network Coordination Station) trung tâm điều hành mạng NOC (Network Operation Centre) tạo nên mạng toàn cầu + Phần sử dụng: Các đài tàu SES, MES (Ship/Mobile Earth Station) - Dải tần sử dụng: Băng tần L, cụ thể: + Dải tần phát lên vệ tinh 1626,5MHz – 1646,5MHz + Dải tần phát từ vệ tinh xuống 1525MHz – 1545MHz Inmarsat A: • Được đưa vào sử dụng thương mại năm 1982 • Sử dụng kỷ thuật Analog • Cung cấp dịch vụ: Telephone, Fax, Data; Telex • Phát báo động cấp cứu đài tàu Inmarsat A tự động chuyển qua trạm bờ CES tới RCC, thủ tục sau: + Chọn chế độ Telex Telephone + Chọn loại cấp cứu + Nhập mã nhận dạng trạm bờ cần gọi + Nếu không nhận trả lời phát báo động cấp cứu li ã Bng tn phỏt: 1636 ữ 1645 MHz ã Băng tần thu: 1535 ÷ 1543,5 MHz Hình 1.5: Hệ thống vệ tinh Inmarsat [7] Inmarsat B: - Đưa vào sử dụng năm 1994, kế tục phát triển INMARSAT - A, sử dụng kỹ thuật số - Cung cấp dịch vụ: Telephone, Fax (2 chiều), Data; Telex - Báo động cấp cứu (bằng thoại Telex) gửi tự động qua trạm bờ CES đến RCC - Băng tần phát: 1626,4 ÷ 1646,5 MHz - Băng tần thu: 1525 ÷ 1545 MHz 20 Inmarsat C: - Ra đời năm 1991, sử dụng kỹ thuật số - Cung cấp dịch vụ: Fax (1 chiều từ Tàu - Bờ, khơng có Bờ - Tàu), Data; Telex Lưu ý: Inmarsat C khơng có thoại - Báo động cấp cứu với ưu tiên cao tới RCC - Dịch vụ gọi chọn nhóm tăng cường EGC (Enhanced Group Call) cung cấp thơng tin từ Bờ đến Tàu, có hai loại dịch vụ EGC: + SafetyNet + FleetNet (Để nhận điện FleetNet, tàu phải đăng ký nơi cung cấp thơng tin FleetNet, có mã nhận dạng ENID (EGC Network Identification) ã Bng tn phỏt: 1626,5 ữ 1645,5 MHz ã Bng tn thu: 1530 ữ 1545 MHz Gọi cấp cứu phương thức Inmarsat – C: - Sử dụng nút báo động cấp cứu để gửi báo động cấp cứu ngắn với thơng tin tóm tắt tình trạng gặp nạn - Để gửi báo động cấp cứu, cần nhấn nút tổ hợp nút giữ khoảng thời gian (khoảng giây) - Vị trí tàu, tuyến hành trình tốc độ tàu: lần nhập gần Hình 1.6: Hệ thống gọi cấp cứu Inmarsat [7] tàu khơng nối với thiết bị GPS - Tính chất tai nạn là: không xác định d) Hệ thống COSPAS-SARSAT - COSPAS-SARSAT (Space System for Search anh Distress Vessels - Search And Rescue Satellite Aided Tracking) - Do bốn nước sáng lập Nga, Mĩ, Pháp Canada - Sử dụng vệ tinh tầm thấp LEO -Định vị phao EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Hình 1.7: Các thành phần hệ thống Cospas-Sarsat [7] 21 Beacons) phát tần số 121.5MHz/ 243 MHz 406MHz - Tín hiệu thu => đài LUT/MCC - (Local User Terminal/Mission Control Center) tần số 1544,5 MHz để xử lý - Kết quả: chuyển thẳng đến RCC (Rescue Coordination Center) - Hệ thống Cospas-Sarsat bao gồm thành phần: + Thành phần khơng gian: Vệ tinh Cospas – Sarsat + Thành phần mặt đất bao gồm: Đài thu tín hiệu Vệ tinh (LUT) Trung tâm Điều phối Thông tin Vệ tinh Cospas-Sarsat (MCC) + Thiết bị đầu cuối: • EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon): dùng ngành hàng hải • ELT (Emergency Locator Transmitter) sử dụng cho hàng khơng • PLB (Personal Locator Beacon): dùng đất liền - Thiết bị phát tín hiệu cấp cứu qua vệ tinh hoạt động theo chế: • Phát tín hiệu cấp cứu tự động • Phát tín hiệu cấp cứu nhân cơng Hình 1.8: Thiết bị phát tín hiệu cấp cứu hệ thống Cospas-Sarsat [7] - Nguyên lý làm việc: + Khi cấp cứu, thiết bị báo động Cospas - Sarsat kích hoạt phát tín hiệu cấp cứu tần số 406 MHz 121.5/243 MHz + Vệ tinh hệ thống Cospas - Sarsat thu tín hiệu cấp cứu lưu trữ vệ tinh phát xuống đài LUT tần số 1544.5 MHz + Đài LUT xử lý tín hiệu cấp cứu, xác định vị trí phao => chuyển đến Trung tâm Điều phối Thơng tin vệ tinh (MCC) thích hợp + MCC tập hợp thông tin từ Đài LUT từ MCC khác để đưa thông tin tổng hợp xác tình cấp cứu Sau đó, MCC => Trung tâm tìm kiếm cứu nạn (RCC) - Đăng ký Phao EPIRB công việc cần thiết chủ phương tiện với thông tin đăng ký mã nhận dạng phao, tên tàu, Hô hiệu, MMSI, Tên công ty, địa số liên lạc chủ tàu, e) Phao vơ tuyến báo vị trí khẩn cấp EPIRB Phao Epirb nằm hệ thống thông tin trợ giúp hoạt động tìm kiếm cứu nạn sử dụng vệ tinh 22 Phao Epirb trang bị tàu khơng cho biết thơng tin vị trí mà cịn cho biết thơng tin chi tiết tàu gặp nạn + EPIRB băng L hệ thống vệ tinh Inmarsat E + EPIRB hệ thống vệ tinh Cospas-Sarsat Epirb băng L hệ thống vệ tinh Inmarsat E: • Được thựchiện chức báo động từ tàu đến bờ qua vệ tinh Inmarsat • Epirb 1,6 GHz phát báo động cấp cứu tần số 1646,5 MHz hoạt động vùng phủ sóng vệ tinh • Phao Epirb có khả hoạt động tay, tự động • Phao Epirb tự tàu bị đắm kích hoạt cách tự động tàu chìm độ sâu khoảng - mét Hình 1.9: Epirb hệ thống Nội dung điện cấp cứu Epirb Inmarsat E vệ tinh Cospas-Sarsat [7] sau: Số ID tàu; Toạ độ tàu; Thời gian; Tính chất cấp cứu như: đắm tàu, cháy nổ; Hướng tàu, Tốc độ tàu … Đăng ký Epirb cần phải đăng ký với Inmarsat E với RCC (nội dung đăng ký gồm: Tên tàu, hô hiệu tàu, mã nhận dạng dịch vụ di động hàng hải MMSI, số di động Inmarsat IMN….) Epirb hệ thống vệ tinh Cospas-Sarsat: Epirb hệ thống vệ tinh Cospas-Sarsat Gồm Epirb - 121,5MHz Epirb – 406 MHz; phát xuống tần số 1544,5MHz • Epirb - 121,5MHz: xử lý 10 phao lúc; có độ xác 17,2Km • Epirb – 406 MHz: xử lý 90 phao lúc; có độ xác 5Km • Epirb – Inmarsat E: xử lý 20 phao lúc; có độ xác 200 mét f) Hệ thống SART - Thành phần hệ thống GMDSS việc định vị tàu bị nạn bè cứu sinh tàu - Hoạt động dải tần GHz Hình 1.10: Hệ thống SART [7] 23 g) Thiết bị cứu sinh VHF cầm tay - Thiết bị thành phần hệ thống GMDSS - Trao đổi thông tin liên lạc trường phương thức thoại - Có thể hoạt động mưa gió Các tần số GMDSS mà thiết bị sử dụng: + Kênh 16 (156.800MHz): tần số dành cho mục đích cấp cứu, khẩn cấp an tồn Hình 1.11: Thiết bị cứu sinh VHF cầm tay [7] + Kênh 13 (156.650MHz): tần số dành cho thơng tin an tồn hàng hải tàu + Kênh (156.300MHz): tần số dành cho thông tin trường tàu tàu với máy bay • Phương thức phát G3E/F3E • Công suất đến 2W (hoặc đến 5W) Vệ tinh GPS ( Global Positioning System): Là hệ thống định vị toàn cầu - 24 vệ tinh; - Các trạm mặt đất; - Ban đầu dùng cho ứng dụng quân sự, năm 1980 cho dân sự; - Hoạt động 24/24; - Không trả phí; - Vệ tinh năm 1978; - 24 vệ tinh năm 1994; - Mỗi vệ tinh dùng 10 năm; - Mỗi vệ tinh nặng khoảng 900kg, kích thước 6m pin mặt trời; - Công suất phát 50 watts thấp hơn; - Xoay quanh trái đất vòng thời gian < 24h (11h, 58ph) Thành phần hệ thống GPS: Hệ thống GPS bao gồm phần chính: • Vệ tinh; • Trạm điều khiển; • Người sử dụng; – Carriers: L1: 1575.42 MHz; – L2: 1227.60 MHz Hình 1.12: Vệ tinh GPS [7] 24 Hình 1.13: Thành phần hệ thống GPS [7] Cơ chế làm việc GPS: • Máy GPS đo khoảng cách đến vệ tinh thông qua thời gian truyền tín hiệu • Biết xác vị trí vệ tinh • Thực tính tốn, hiệu chỉnh Hình 1.14: Cơ chế làm việc hệ thống GPS [7] Xác định khoảng cách: - Đo thời gian tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh + Giả sử vệ tinh thiết bị thu tạo mã giả ngẫu nhiên thời điểm + So sánh độ trễ tín hiệu thu từ vệ tinh tín hiệu tạo máy thuthời gian - Nhân với vận tốc ánh sáng khoảng cách Đo DGPS: - Cần độ xác cao - DGPS phương pháp hiệu chỉnh yếu tố ảnh hưởng đến độ xác hệ thống GPS 25 - DGPS đạt độ xác vài mét ứng dụng lưu động, cao trường hợp cố định - Với DGPS, GPS không hệ thống dẫn đường thơng thườnghệ đo lường quốc tế có khả xác định vị trí với độ xác cao Các ứng dụng GPS: - Ứng dụng hàng hải; hàng không; giao thông đường với thiết bị dẫn đường cho xe ôtô , xe gắn máy; Cung cấp thơng tin vị trí: thiết bị đo, đài phát… 1.1.3 Kết luận chương Việt Nam quốc gia biển, với 3200 km bờ biển hàng triệu km vng thềm lục địa Giữ vị trí quan trọng giao thông hàng hải, kinh tế biển Việt Nam trở thành ngành kinh tế mũi nhọn Các hoạt động biển vận tải biển, thăm dị khai thác dầu khí, ni trồng đánh bắt hải sản … đầu tư phát triển mạnh, vùng biển Việt Nam tuyến hàng hải quốc tế quan trọng nên tàu thuyền tham gia hoạt động nhộn nhịp số lượng loại tàu, đồng thời, vùng biển nước ta thường xuyên phải gánh chịu hàng chục bão, áp thấp nhiệt đới Do vậy, tàu thuyền tham gia hoạt động hay gặp tai nạn biển, gây nhiều thiệt hại người tài sản Trong ngư dân, biển với phương tiện lạc hậu đối tượng chịu nhiều rủi ro thiệt hại Nằm khu vực chịu nhiều ảnh hưởng biến đổi khí hậu tồn cầu, Việt Nam quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa với thời tiết khắc nghiệt bất thường Các tượng thời tiết bão, áp thấp nhiệt đới…luôn xảy gây thiệt hại lớn cho ngư dân Một nguyên nhân gây thiệt hại người tài sản bão, áp thấp gây việc thơng tin liên lạc đất liền với biển cịn bất cập Vấn đề nóng việc tranh chấp nước Biển Đông căng thẳng chưa biết kết thúc Do đó, tầm quan trọng thông tin vô tuyến biển vô cấp thiết việc liên lạc tàu cá đánh bắt biển để hỗ trợ khơi, hệ thống thơng tin vơ tuyến cịn cung cấp, cập nhật liên tục tin cảnh báo khí tượng thời tiết biển hàng ngày, cảnh báo thiên tai, tàu cá bị tai nạn cần giúp đỡ, cứu hộ, cứu nạn hệ thống thơng tin vô tuyến biển dùng để liên lạc kịp thời với tàu cá nơi gần đồng thời thông báo cho Hệ thống Đài thông tin duyên hải Việt Nam Bộ huy Bộ đội Biên phòng để có biện pháp ứng phó kịp thời để hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn biển Ngồi phương tiện hỗ trợ đắc lực việc bảo vệ chủ quyền biển đảo quê hương 26 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT KÊNH TRUYỀN 2.1 Đặc tính chung kênh truyền tín hiệu vơ tuyến [2] Chất lượng hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu Không giống kênh truyền hữu tuyến ổn định dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến hồn tồn ngẫu nhiên khơng dễ dàng việc phân tích đánh giá Tín hiệu phát đi, qua kênh truyền vơ tuyến bị cản trở vật cản như: nhà cao tầng, núi non, cối … bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, tượng gọi chung fading Và kết máy thu, ta thu nhiều phiên khác tín hiệu phát Điều ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin vơ tuyến Vì việc nắm vững đặc tính kênh truyền sóng vơ tuyến u cầu để chọn lựa cách phù hợp cấu trúc hệ thống thông số tối ưu hệ thống Hiện tượng fading hệ thống thơng tin phân thành hai loại: fading tầm rộng fading tầm hẹp Fading tầm rộng diễn tả suy yếu trung bình cơng suất tín hiệu độ suy hao kênh truyền di chuyển vùng rộng Hiện tượng chịu ảnh hưởng độ cao địa hình (đồi núi, rừng, khu nhà cao tầng) máy phát máy thu Phía thu bị che khuất vật cản cao Các thống kê tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm khoảng cách Fading tầm hẹp diễn tả thay đổi đáng kể biên độ pha tín hiệu Điều xảy thay đổi nhỏ vị trí khơng gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) phía phát phía thu Fading tầm hẹp có hai ngun lý - trải thời gian tín hiệu đặc tính thay đổi theo thời gian kênh truyền Đối với ứng dụng di động, kênh truyền biến đổi theo thời gian di chuyển phía phát phía thu dẫn đến thay đổi hướng truyền sóng Có ba chế ảnh hưởng đến lan truyền tín hiệu hệ thống di động: - Phản xạ xảy khí sóng điện từ va chạm vào mặt phẳng với kích thước lớn so với bước sóng tín hiệu RF - Nhiễu xạ xảy đường truyền sóng phía phát thu bị cản trở nhóm vật cản có mật độ cao kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ tượng giải thích cho nguyên nhân lượng RF truyền từ phía phát đến phía thu mà khơng cần đường truyền thẳng Nó thường gọi hiệu ứng chắn (shadowing) trường tán xạ đến thu bị chắn vật cản truyền xuyên qua - Tán xạ xảy sóng điện từ va chạm vào mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho lượng bị trải (tán xạ ) phản xạ tất hướng 27 2.2.Đặc tính tín hiệu vơ tuyến [1, 6, 8] 2.2.1 Suy hao đường truyền Các anten phát sóng vô tuyến truyền theo hướng (nghĩa sóng mở rộng theo hình cầu).Khi lắp đặt anten định hướng để truyền tín hiệu ,sóng mở rộng theo dạng hình cầu mật độ lượng tập trung vào vùng ta thiết kế.Vì mật độ cơng suất sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Cơng suất tín hiệu truyền khơng gian tự do: PR PT GT GR 4R (1) Trong : PR công suất thu (Watts) PT công suất phát (Watts) GT độ lợi anten phát, GR độ lợi anten thu λ bước sóng sóng mang vơ tuyến (m) R khoảng cách truyền dẫn tính met Hoặc ta viết lại : PT 4R 1 4 2 1 R f PR GT GR c GT GR 2 Gọi Lpt hệ số suy hao việc truyền dẫn không gian tự do: Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB) =-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB Hình 2.1: Ảnh hưởng môi trường vô tuyến [2] (2) (3) 28 2.2.2.Bóng mờ Fading chậm Hầu ứng dụng hệ thống di động vô tuyến, môi trường truyền thường có vật cản q trình truyền sóng Các vật cản gây phản xạ bề mặt làm suy hao tín hiệu truyền qua chúng gây nên tượng bóng mờ Sự thay đổi suy hao đường truyền xuất khoảng cách lớn phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ bước sóng tín hiệu RF Vì thay đổi thường xảy chậm nên cịn gọi fading chậm Cơng thức cho cơng suất thu tín hiệu mơi trường có thành phần suy hao đường truyền PR PT GT GR 4R (4) Trong đó: thành phần suy hao đường truyền 2.2.3.Ảnh hưởng đa đường Fading nhanh Q trình truyền, tín hiệu RF bị phản xạ từ vật thể nhà cao tầng, đồi núi, tường, xe cộ v.v Trong mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản có tia phản xạ ngun nhân gây fading nhanh Nếu truyền xung RF qua mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản, đầu thu ta thu tín hiệu hình (2.2) Mỗi xung tương ứng với đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường đường Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền gây nên quay pha tín hiệu 2.2.4 Fading lựa chọn tần số Fading phẳng Ảnh hưởng môi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản gây nên thay đổi fading với tần số, đáp ứng pha thành phần truyền tín hiệu có nhiều vật cản thay đổi với tần số Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số đường truyền cố định pha thay đổi theo tần số Khoảng cách đường truyền thành phần mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản khác thay đổi pha khác Hình (2.3) biểu diễn ví dụ truyền hai đường Đường hướng trực tiếp cách 10 m, đường hướng phản xạ cách 25 m Đối 29 với bước sóng m Nếu thay đổi tần số 0,9 m đường có 10 / 0,9 11,111 hay có pha 0,111 360 40 , đường thứ hai có 25 / 0,9 27,778 , hay có pha 0,778 360 280 , điều làm hai đường khác pha nhau, làm suy giảm biên độ tín hiệu tần số Mặt phản xạ 8m 17m Đường1 Đường2 Thu 10m Phát Hình 2.3: Minh họa fading lựa chọn tần số [8] 2.2.5.Độ trải trễ Lượng thời gian trải tín hiệu mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản tới đầu thu Khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ kênh thơng tin, ta xác định tốc độ ký tự tối đa đạt bảo đảm nhiễu ISI mức độ cho phép Đối với truyền dẫn truyền tín hiệu vơ tuyến, ký tự tương ứng với nhiều sóng mang băng nhỏ truyền dẫn song song Nếu thời gian ký tự nhỏ độ trải trễ, hai ký tự kề chồng chập đầu thu Điều gây nhiễu xuyên ký tự ISI Các phương thức điều chế bậc cao 16-QAM, 256-QAM v.v có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn, nhạy nhiều nhiễu ISI độ trải trễ phải nhiều so với khoảng thời gian ký tự 2.2.6.Độ dịch Doppler Trong trường hợp trạm phát trạm thu có di chuyển so với nhau, tần số thu sóng mang khác với tần số sóng mang fc truyền Khi trạm di động di chuyển với vận tốc không đổi v tạo thành góc phương tín hiệu tới Tín hiệu thu s(t) viết sau: s(t ) ReA exp j 2 f C f D t (5) Trong đó: A biên độ; fC tần số phát; fD độ dịch tần Doppler fD tần số thu là: v cos vfc cos c f r fC f D (6) (7) 30 Độ dịch Doppler lớn fm cho bởi: f m vfc c (8) Trong mơi trường thực tế, tín hiệu thu đến từ nhiều đường phản xạ có khoảng cách khác góc đến khác Vì vậy, phát sóng sin có thêm độ dịch Doppler, thu có phổ mở rộng từ f C (1 v / c) f C (1 v / c) , gọi phổ Doppler Khi tất hướng di chuyển trạm di động tất góc tới giả sử có xác suất nhau, mật độ phổ cơng suất tín hiệu thu cho bởi: K 2f m S( f ) f fc fm K số (9) 2.3 Thông số tán xạ thời gian [2, 8] Để phân biệt,so sánh tính chất kênh truyền dẫn mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản ,người ta sử dụng thông số tán xạ thời gian độ trễ trung bình vượt mức, trễ hiệu dụng trễ vượt mức Các thơng số tính từ đặc tính cơng suất truyền tới thu thành phần môi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản khoảng thời gian chênh lệch tia sóng xét với thành phần đến thu Tính chất tán xạ thời gian kênh truyền dẫn môi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản dải rộng thể qua thông số ,và định nghĩa thời điểm cấp độ trể: a a P( ) P( ) k k k k k k (10) k k k k ak, P( k ) : biên độ,cơng suất thành phần thứ k tín hiệu đa đường : bậc hai thời điểm trung tâm cấp hai độ trể: với 2 a k k k a k (11) P( ) P( ) k k k k k k (12) 31 2.4.Nhiễu AWGN [1, 2, 8] Trong tất hệ thống truyền dẫn tồn nhiễu Các nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ khuếch đại bên thu, nhiễu liên ô Các loại nhiễu gây nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI nhiễu liên điều chế IMD Nhiễu làm giảm tỉ số tín hiệu nhiễu SNR, giảm hiệu phổ hệ thống Do đó, thực tế tùy thuộc vào loại ứng dụng, mức nhiễu hiệu phổ hệ thống phải lựa chọn Nhiễu hệ thống mơ cách xác nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian loại nhiễu phổ biến hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu có mật độ phổ cơng suất đồng băng thông biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động nhiễu Gaussian nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến kênh truyền chịu tác động nhiễu Gaussian trắng cộng Tải FULL (60 trang): https://bit.ly/3x6RdlL Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Nhiễu nhiệt (sinh chuyển động nhiệt hạt tải điện gây ra) loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến, số sóng mang phụ lớn hầu hết thành phần nhiễu khác coi nhiễu Gaussian trắng cộng tác động kênh xét kênh riêng lẻ đặc điểm loại nhiễu thỏa mãn điều kiện nhiễu Gaussian trắng cộng Hình 2.4: Phân bố xác suất Gauss biến [8] 2.5.Nhiễu liên ký tự ISI [1, 2, 8] Hai loại nhiễu thường gặp ảnh hưởng kênh truyền nhiễu Gaussian trắng cộng nhiễu ISI ICI Như trình bày, ISI gây trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt giảm tốc độ liệu Nhưng với nhu cầu ngày cao người sử dụng ln địi hỏi tốc độ truyền phải tăng nhanh tốt Vì phương án kỹ thuật thực Phương án đề nghị đưa để giảm ISI đưa vào ứng dụng thực tế chèn tiền tố lặp CP vào ký tự truyền tín hiệu vơ tuyến Nhiễu ISI, nhiễu ICI tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, nên việc tìm hiểu quan trọng để nâng 32 cao chất lượng hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến Trong mơi trường truyền tín hiệu có nhiều vật cản, ký tự phát đến đầu vào máy thu với khoảng thời gian khác thông qua nhiều đường khác Sự mở rộng chu kỳ ký tự gây chồng lấn ký tự thời với ký tự trước kết có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong truyền tín hiệu vơ tuyến, ISI thường đề cập đến nhiễu ký tự truyền tín hiệu vơ tuyến với ký tự trước Trong hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến, để giảm nhiễu ISI, phương pháp đơn giản thông dụng đưa vào tiền tố lặp CP 2.6.Nhiễu liên sóng mang ICI [1, 2, 8] Trong truyền tín hiệu vơ tuyến, phổ sóng mang chồng lấn trực giao với sóng mang khác Điều có nghĩa tần số cực đại phổ sóng mang phổ sóng mang khác khơng Máy thu lấy mẫu ký tự liệu sóng mang riêng lẻ điểm cực đại điều chế chúng tránh nhiễu từ sóng mang khác Nhiễu gây liệu sóng mang kế cận xem nhiễu xuyên kênh (ICI) hình (2.5) ICI xảy kênh đa đường thay đổi thời gian ký tự truyền tín hiệu vơ tuyến Dịch Doppler thành phần đa đường gây dịch tần số sóng mang, kết tính trực giao chúng ICI xảy ký tự truyền tín hiệu vơ tuyến bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang máy phát máy thu gây nhiễu ICI hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến A(f) δf=0 fn fn-1 fn+ Δf f A(f) δf ≠ fn-1+ δf fn+ δf Δf + fn+1+ δf f Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến [8] 2.7.Các mơ hình kênh [1, 2, 3, 8] Tải FULL (60 trang): https://bit.ly/3x6RdlL Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net 2.7.1.Kênh theo phân bố Rayleigh Hàm truyền đạt kênh thực chất trình xác suất phụ thuộc thời gian tần số Biên độ hàm truyền đạt kênh tần số định tuân theo phân bố Rayleigh điều kiện môi trường truyền dẫn thõa mãn: + Môi trường truyền dẫn khơng có tuyến tầm nhìn thẳng, có nghĩa khơng có tuyến có cơng suất tín hiệu vượt trội 33 + Tín hiệu máy thu nhận từ vô số hướng phản xạ nhiễu xạ khác Hình 2.6: Phân bố xác suất Rayleigh không gian [8] Hàm mật độ xác suất kênh phân bố Rayleigh: r r2 e 2 R , r f y (r ) = R2 0, r (13) 2.7.2.Kênh theo phân bố Rice Trong trường hợp fading Rayleigh, thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với cơng suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố Ricean Trường hợp này, thành phần mơi trường truyền sóng có nhiều vật cản ngẫu nhiên đến thu với góc khác xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ tách đường bao, điều có ảnh hưởng cộng thêm thành phần môi trường truyền sóng có nhiều vật cản ngẫu nhiên Giống trường hợp dị sóng sin bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng tín hiệu light-of-sight (có cơng suất vượt trội) đến thu với tín hiệu đa đường (có cơng suất yếu hơn) làm cho phân bố Ricean rõ rệt Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trơng giống nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trường hợp thành phần light-of-sight Hàm mật độ phân bố xác suất phân bố Ricean: r ( r A2 ) Ar 2 I ( A 0, r 0) p ( r ) e r0 2 A: Biên độ đỉnh thành phần light-of-sight 6812210 (14) ... THUYẾT KÊNH TRUYỀN 2.1 Đặc tính chung kênh truyền tín hiệu vô tuyến [2] Chất lượng hệ thống thơng tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu Không giống kênh truyền. .. ký tự trước kết có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong truyền tín hiệu vô tuyến, ISI thường đề cập đến nhiễu ký tự truyền tín hiệu vơ tuyến với ký tự trước Trong hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến, để... hình kênh [1, 2, 3, 8] 32 2.7.1 .Kênh theo phân bố Rayleigh 32 2.7.2 .Kênh theo phân bố Rice 33 2.8.1.Lý thuyết dung lượng kênh số Shannon 34 2.8.2.Thơng lượng kênh