Thông tin di động trong những năm gần đây đã có sự bùng nổ về số lợng ngời sử dụng với tốc độ phát triển lên tới hàng chục % mỗi năm và số thuê bao điện thoại di động đã vợt qua số th
Tổng quan
Tình hình sử dụng băng tần 2500 2690MHz t - rên thế giới và ở Việt nam
Do sóng vô tuyến điện không bị giới hạn bởi biên giới hành chính, việc sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến ở Việt Nam và các quốc gia khác phải tuân thủ các quy định quốc tế Cụ thể, các quy định này được quy định trong Thể lệ Vô tuyến điện (Radio Regulations RR) của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) Thể lệ này được thông qua và sửa đổi tại Hội nghị Thông tin vô tuyến Thế giới (WRC), diễn ra theo chu kỳ từ 3 đến 4 năm.
Trong những năm gần đây, thông tin di động đã chứng kiến sự bùng nổ về số lượng người sử dụng, với tốc độ phát triển hàng chục % mỗi năm, dẫn đến số thuê bao điện thoại di động vượt qua số thuê bao điện thoại cố định Xu hướng chuyển đổi từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) sang hệ thống thế hệ 3 (IMT 2000) đang diễn ra mạnh mẽ Hai mạng Vinaphone và MobiFone đã triển khai dịch vụ GPRS dựa trên công nghệ GSM, trong khi mạng S Fone đã áp dụng công nghệ CDMA 2000 1x, và sắp tới, mạng di động của Công ty viễn thông điện lực sẽ triển khai công nghệ CDMA.
Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển mạng di động 3G, từ năm 2000, ITU đã phê duyệt việc sử dụng băng tần 2500-2690MHz (2.6GHz) cho hệ thống này trên toàn cầu Tại Việt Nam, băng tần này cũng đã được xác định trong Quy hoạch phổ tần quốc gia để triển khai hệ thống 3G trong tương lai gần.
Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới năm 2000 (WRC-2000) đã cho phép một số nước trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương triển khai các hệ thống phát thanh số qua vệ tinh phi địa tĩnh trong băng tần 2630-2655MHz Đến Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới năm 2003 (WRC-03), các nước này tiếp tục được mở rộng quyền sử dụng băng tần 2605-2630MHz và các vệ tinh địa tĩnh để cung cấp dịch vụ phát thanh số qua vệ tinh.
Hình 1: Bảng phân bổ tần số băng 2.6 GHz của ITU
Băng tần 2500-2690MHz có thể được sử dụng cho nhiều loại hình thông tin vô tuyến, bao gồm thông tin vô tuyến cố định như viba và hệ thống truyền hình MMDS, hệ thống thông tin di động mặt đất như vô tuyến điều hành taxi, cũng như thông tin vệ tinh cố định và dịch vụ truyền hình qua vệ tinh Theo Thể lệ Vô tuyến điện 2004 của ITU, bảng các loại hình thông tin vô tuyến được phép sử dụng trong băng tần 2520-2655MHz đã được trình bày rõ ràng.
Các quy định về hệ thống phát thanh số qua vệ tinh được quy định tại điều khoản 5.418, trong đó nêu rõ rằng băng tần 2535-2655 MHz được phân bổ cho nghiệp vụ Thông tin quảng bá tại Hàn Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Pakistan và Thái Lan, với việc sử dụng này chỉ giới hạn cho các hệ thống phát thanh số Bên cạnh đó, điều khoản 5.384A chỉ định các băng tần 1710-1885 MHz và 2500-2690 MHz cho các quốc gia sử dụng trong hệ thống IMT-2000.
Trong khu vực, một số nước sẽ sử dụng băng tần 2605-2655MHz cho hệ thống phát thanh số qua vệ tinh, trong khi một số nước khác sẽ áp dụng băng tần này cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
Nhật Bản đang triển khai hệ thống phát thanh số qua vệ tinh phi địa tĩnh (non GSO BSS) mang tên N-SAT-HEO, hoạt động trong băng tần 2630-2655MHz, với kế hoạch cung cấp dịch vụ vào năm 2008 Đồng thời, Hàn Quốc cũng dự định xây dựng một hệ thống phát thanh số khác trong băng tần 2605-2630 MHz.
Tại Việt Nam, băng tần 2500-2690MHz hiện đang được Đài truyền hình Việt Nam sử dụng cho hệ thống truyền hình MMDS Tuy nhiên, theo Quy hoạch phổ tần quốc gia, băng tần này dự kiến sẽ chuyển sang phục vụ cho hệ thống thông tin di động 3G (IMT-2000) trong thời gian tới.
Nội dung, mục đích của luận văn
Hiện nay, các Nhóm nghiên cứu của ITU R đang xem xét ảnh hưởng của hệ thống này đến các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong băng tần 2 GHz, nhằm xác định các điều kiện về mức công suất phát xạ phụ mà hệ thống phải tuân theo ITU đã đưa ra một số khuyến nghị về phương pháp tính toán và các tham số đầu vào cần thiết cho việc tính toán chi tiết.
Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu phương pháp tính toán để xác định mức độ ảnh hưởng của hệ thống vệ tinh quỹ đạo cao N-SAT HEO của Nhật Bản đến hệ thống 3G, cụ thể là mức độ suy giảm vùng phủ sóng của các trạm BTS (Base Transceiver Station), và áp dụng kết quả nghiên cứu vào điều kiện thực tế tại Việt Nam.
Kết quả tính toán sẽ xác định mức công suất phát xạ tối đa chấp nhận từ hệ thống N-SAT-HEO đến lãnh thổ Việt Nam, làm cơ sở cho đàm phán với Nhật Bản và xây dựng quan điểm của Việt Nam tại ITU.
Chơng 2: Tổng quan về hệ thống N-SAT-HEO và hệ thống 3G
Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh N -SAT- HEO của Nhật
Hệ thống N-SAT-HEO được thiết kế để cung cấp dịch vụ phát thanh chất lượng cao và dữ liệu đa phương tiện đến các thiết bị thu di động như ô tô, xe lửa, máy thu xách tay và máy thu cố định Tín hiệu được phát trực tiếp từ vệ tinh đến các máy thu hoặc thông qua hệ thống trạm lặp mặt đất.
Hệ thống được thiết kế nhằm tối ưu chất lượng dịch vụ phát sóng qua vệ tinh trong băng tần 2630-2655MHz, cũng như qua hệ thống phát lại mặt đất Đối tượng khách hàng chính là các máy thu được lắp đặt trên ô tô.
Hệ thống truyền tín hiệu vệ tinh bao gồm một trạm mặt đất feeder link 2, ba vệ tinh trên quỹ đạo cao (HEO), hai kiểu hệ thống phát lại tại vùng lõm mặt đất, cùng với các đài thu di động và trên ôtô Tín hiệu được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh qua tần số 14GHz, sau đó được chuyển đổi xuống 2.6GHz trên vệ tinh Tín hiệu 2.6GHz sau khi được khuyếch đại sẽ được phát xuống mặt đất qua một anten lớn trên vệ tinh Đối với các trạm phát lại tại vùng lõm, tín hiệu sẽ được chuyển đổi từ 14GHz xuống 11GHz và phát đi trên tần số 2.6GHz tới các đài thu.
Hệ thống cung cấp các dịch vụ phát thanh chất lượng cao và dữ liệu đa phương tiện, cho phép người nghe/người xem thu tín hiệu từ vệ tinh bằng anten có độ tăng ích nhỏ Để đảm bảo công suất e.i.r.p đủ cho các máy thu trên ôtô, vệ tinh N-SAT-HEO được trang bị anten phát lớn và bộ phát đáp công suất cao.
Hệ thống vệ tinh N2 -SAT HEO gặp phải các khó khăn trong việc truyền sóng vô tuyến ở băng tần 2.6 GHz, chủ yếu là hiện tượng lõm (shadowing) và che chắn (blocking) tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Để khắc phục những vấn đề này, hệ thống áp dụng hai kỹ thuật hiệu quả.
Kỹ thuật thứ hai để khắc phục hiện tượng che chắn là sử dụng các trạm phát lại mặt đất, giúp phát tín hiệu vệ tinh tới đài thu trên băng tần 2.6.
Hệ thống GHz được thiết kế để phủ sóng các khu vực bị che chắn, bao gồm hai loại trạm phát lại Trạm phát lại khuyếch đại (amplifying gap-filler) có khả năng khuyếch đại trực tiếp tín hiệu vệ tinh trên băng tần 2.6GHz với độ khuyếch đại thấp, cho vùng phủ sóng bán kính 500m Trong khi đó, trạm phát lại chuyển đổi tần số (frequency conversion gap-filler) thu tín hiệu vệ tinh ở băng tần 11GHz và phát lại trên băng tần 2.6GHz, với vùng phủ sóng rộng hơn, bán kính lên tới 3km.
2.1.2 Các tham số hệ thống
Nh đã trình bày ở trên, băng tần chính của hệ thống là 2630-2655MHz, đây là tần số phát tới máy thu Băng thông là 25MHz
Phân cực đợc sử dụng là phân cực tròn, tuy nhiên hệ thống trặm lặp có thể sử dụng phân cực tròn hoặc phân cực tuyến tính
Hệ thống sử dụng phơng thức điều chế QBSK, mã Reed Salomon (RS) và - mã sửa sai xoắn
2.1.2.4 Hệ số cắt (roll off factor) -
Tín hiệu truyền đi đợc lọc bằng bộ lọc cosin nâng cao căn bậc 2, hệ số cắt là 0.22
Hệ thống vệ tinh bao gồm ba vệ tinh hoạt động trên cùng một quỹ đạo phi địa tĩnh, với độ cao cận điểm là 26.931 km và độ cao viễn điểm là 44.640 km Quỹ đạo có độ nghiêng 42,5° so với mặt phẳng xích đạo, và góc đối số cận điểm ban đầu là 270° Tọa độ điểm lên (ascending node) cũng được xác định trong hệ thống này.
Vệ tinh -N SAT-HEO có quỹ đạo tại kinh độ 160° Đông, với chu kỳ đồng bộ chính xác với chu kỳ quay của trái đất, là 23 giờ 56 phút 16 giây.
Quỹ đạo ellipse được ưa chuộng hơn quỹ đạo địa tĩnh vì khi vệ tinh bay gần điểm viễn điểm, máy thu có thể nhận tín hiệu với góc ngẩng lớn (trên 45 độ) Ngược lại, với vệ tinh địa tĩnh tại khu vực phía bắc Nhật Bản, góc tới của tín hiệu thường nhỏ, dẫn đến việc tín hiệu bị cản trở bởi các vật cản như nhà cửa và cây cối, khiến máy thu khó khăn trong việc nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, dẫn đến suy hao tín hiệu cao.
Trong quỹ đạo ellipse, vận tốc của vệ tinh không đồng nhất; nó đạt tốc độ tối đa tại cận điểm và tối thiểu tại viễn điểm Điều này dẫn đến việc vệ tinh ở gần viễn điểm lâu hơn với tốc độ thấp, cho phép tạo ra các tuyến liên lạc ổn định hơn và giảm thiểu hiệu ứng Doppler.
Hình 3 minh họa vết di chuyển tương đối của vệ tinh trên bề mặt trái đất (ground track) mà Nhật Bản đã đăng ký với ITU, trong đó khu vực hoạt động của mỗi vệ tinh (active arc) được thể hiện bằng các đường tô đậm.
Hình 3: Vết di chuyển trên mặt đất của vệ tinh N-SAT HEO -
Anten vệ tinh N-SAT-HEO sử dụng nhiều búp sóng nhỏ chồng lấn nhau để tạo ra vùng phủ sóng trên mặt đất Mỗi búp sóng có khả năng hoạt động trên bất kỳ tần số nào của hệ thống, trong khi độ tăng ích của anten thay đổi theo góc ngẩng và góc phương vị Mật độ thông lượng công suất từ vệ tinh được tính dựa trên mật độ công suất phát tại viễn điểm quỹ đạo 44.640 km, đây là mức cao nhất Để duy trì mật độ thông lượng công suất (PFD) không đổi trên mặt đất, công suất phát tại các vị trí khác trên quỹ đạo sẽ được tự động điều chỉnh giảm Việc giảm công suất và mật độ công suất được tính theo tỷ lệ căn bậc 2 của độ giảm về độ cao so với viễn điểm 44.640 km.
- R dB là hệ số suy giảm, tính theo dB, so với mức công suất tối đa tại viÔn ®iÓm;
- A là độ cao so với mặt đất của vệ tinh, tính theo km
Sơ lợc về cấu trúc hệ thống di động thế hệ ba (3G hay IMT -2000 )
2.2.1 Các dịch vụ cơ bản của 3G
IMT-2000 có băng thông lớn hơn rất nhiều so với các thế hệ 2G hiện tại nên
IMT-2000 được thiết kế để đáp ứng nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu cao, phục vụ cho các dịch vụ như điện thoại hình ảnh và truy cập internet tốc độ cao.
Các dịch vụ cơ bản của IMT 2000 bao gồm:
+ Dịch vụ thoại: dịch vụ thoại chất lợng cao từ một thuê bao đến một hoặc nhiều thuê bao, dịch vụ th thoại
+ Dịch vụ nhắn tin: bản tin ngắn, nhắn tin đa phơng tiện, th điện tử, quảng bá thông tin, đặt hàng/thanh toán (thơng mại điện tử )
+ Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh: truy nhập mạng LAN sử dụng phơng thức Dial up tốc độ thấp, truy nhập internet/intranet, fax.-
Dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trung bình bao gồm truy cập mạng LAN và internet/intranet, trò chơi tương tác, chơi sổ số, dịch vụ quảng bá thông tin, mua sắm trực tuyến đơn giản và các dịch vụ ngân hàng điện tử.
+ Dịch vụ đa phơng tiện tốc độ cao: truy cập mạng LAN và internet/intranet tốc độ cao, video và audio theo yêu cầu, mua hàng trực tuyến
+ Dịch vụ đa phơng tiện tơng tác tốc độ cao: điện thoại có hình, hội nghị truyền hình, làm việc theo nhóm và đào tạo từ xa vv
Nh vậy, ta có thể thấy nhiều dịch vụ của IMT-2000 có tính không đối xứng
(asymmetric) về lu lợng giữa đờng lên và đờng xuống Mỗi ô của hệ thống IMT-2000 cần có tính năng không đối xứng động
2.2.2 Các giao diện vô tuyến của 3G (IMT-2000)
ITU đã phê duyệt 5 tiêu chuẩn giao diện vô tuyến cho công nghệ 3G, nhằm giảm thiểu số lượng giao diện khác nhau, tối ưu hóa các đặc tính chung của các tiêu chuẩn và đảm bảo khả năng nâng cấp từ các mạng hiện tại lên 3G.
Có hai chế độ làm việc của 3G là FDD (frequency-division duplex) và TDD (Time Division Duplex) Chế độ FDD cho phép thu và phát tín hiệu trên hai băng tần khác nhau, trong khi chế độ TDD sử dụng cùng một băng tần nhưng phân chia thời gian truyền và nhận tín hiệu.
2.2.2.1 Tiêu chuẩn CDMA băng rộng Wide band C( DMA-WCDMA )
Giao diện vô tuyến được biết đến với tên gọi “Giao diện vô tuyến mặt đất chung” hay UTRA (Universal Terrestrial Radio Access), sử dụng công nghệ DS CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) với phương thức song công phân chia theo tần số FDD Thông tin được truyền tải qua băng tần rộng 5 MHz bằng phương pháp trải phổ trực tiếp, đạt tốc độ chip 3,84 Mcps.
Tiêu chuẩn này sử dụng mạng lõi GSM MAP cải tiến (mạng lõi GSM), tuy - nhiên nó cũng có khả năng làm việc với mạng lõi ANSI-41 cải tiến
Tiêu chuẩn truyền dữ liệu hiện tại đạt tốc độ 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao và 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà Đặc biệt, chuẩn WCDMA đã được cải tiến với HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), cho phép tốc độ truyền dữ liệu vượt quá 14,2 Mbit/s.
2.2.2.2 Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA-2000 )
Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA Multi carrier, CDMA 2000) sử dụng phương thức song công phân chia theo tần số FDD, tương thích với các mạng CDMA IS 95, IS 95A và IS 95B Hệ thống này cho phép sử dụng các sóng mang rộng Nx1,25 MHz (N=1,3,6,9 ) Với sóng mang 1X, tốc độ truyền dữ liệu đạt 144 Kbit/s Để đạt tốc độ truyền lên tới 2 Mbit/s, cần sử dụng 3 sóng mang 1X với tổng độ rộng 3,75 MHz, áp dụng phương thức điều chế đa sóng mang hoặc trải phổ trực tiếp trên 1 sóng mang có độ rộng 3X.
6, 9, 12 sóng mang hoặc nhiều hơn nữa để nâng cao tốc độ đờng truyền Tốc độ trải phổ là Nx1,2288 Mcps với N là số lợng sóng mang 1X
Hiện nay, mạng CDMA-2000 1x đang được nâng cấp lên CDMA 2000 1xEV DO, cho phép tốc độ truyền tối đa đạt 2,4 Mbit/s, và CDMA 2000 1xEV-DV, với tốc độ truyền tối đa lên đến 5,2 Mbit/s.
Tại Việt nam, mạng di động S Fone hiện đang sử dụng công nghệ CDMA- -
2000 Trong khi công ty Viễn thông điện lực sắp đa vào khai thác mạng di động toàn quốc sử dụng công nghệ CDMA 1xEV DO.-
2.2.2.3 Tiêu chuẩn CDMA song công theo thời gian ( CDMA TDD )
Tiêu chuẩn CDMA TDD bao gồm 2 tiêu chuẩn: UTRA TDD (Universal - Terrestrial Radio Access-TDD) và TD-SCDMA
Tiêu chuẩn UTRA TDD, thuộc cùng họ với WCDMA, sử dụng phương thức trải phổ trực tiếp trên băng tần rộng 5 MHz với tốc độ trải phổ 3,84 Mcps Tiêu chuẩn này cho phép đạt tốc độ truyền 384 Kbit/s trong môi trường di chuyển tốc độ cao và 2 Mbit/s trong môi trường trong nhà.
Tiêu chuẩn TD SCDMA sử dụng phương thức trải phổ trực tiếp trên băng tần rộng 1,6 MHz, với tốc độ trải phổ đạt 1,28 Mcps Tốc độ truyền tối đa cho phép là 384 Kbit/s trong môi trường di chuyển tốc độ cao và 2 Mbit/s trong môi trường trong nhà.
Cả 2 tiêu chuẩn này dùng chung một sóng mang cho cả đờng lên và đờng xuống do đó tiết kiệm đợc phổ tần
Hai tiêu chuẩn này sử dụng mạng lõi GSM MAP cải tiến, tuy nhiên nó cũng - có khả năng làm việc với mạng lõi ANSI-41 cải tiến
2.2.2.4 Tiêu chuẩn TDMA sóng mang đơn (TDMA Single Carrier)
Tiêu chuẩn UWC-136 (Universal Wireless Communication-136) sử dụng phương thức song công FDD, được phát triển để tăng cường sự tương đồng giữa hệ thống TIA/EIA 136 (AMPS) và GSM GPRS Mục tiêu của tiêu chuẩn này là nâng cấp các hệ thống TIA/EIA 136 lên IMT 2000 Để đạt được điều này, tiêu chuẩn kết hợp các sóng mang 30 KHz với sóng mang 200 KHz, cung cấp dịch vụ truyền số liệu với tốc độ 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao, hoặc kết hợp sóng mang 30 KHz với sóng mang 1,6 MHz để đạt tốc độ truyền lên tới 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà.
Tiêu chuẩn này còn đợc gọi là DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), đợc phát triển trên cơ sở một số tiêu chuẩn ETSI của Ch©u ¢u
Sử dụng phơng thức song công TDD, cho phép thực hiện các kết nối đối xứng hoặc không đối xứng với tốc độ truyền tối đa 2,88 Mbit/s
2.2.2.6 Lộ trình nâng cấp lên 3G của Việt nam
Lộ trình nâng cấp mạng di động từ 2G lên 3G trên toàn cầu đã được áp dụng tại Việt Nam, như thể hiện trong hình 4.
Hình 4: Lộ trình nâng cấp lên 3G mạng di động Việt nam
2.2.3 Các loại cell Để cung cấp các loại dịch vụ, linh hoạt và giảm chi phí đầu t triển khai mạng thì nhà khai thác phải xây dựng mạng có cấu trúc cell phân lớp bao gồm 4 lớp Trong đó bao gồm một lớp Macro cell, 2 lớp Micro cell và 1 lớp Pico cell (mỗi lớp mạng yêu cầu 1 sóng mang) Chức năng của từng lớp nh sau:
+ Macro-cell: cung cấp vùng phủ sóng rộng và nó đáp ứng các thuê bao di chuyển tốc độ cao
CDMA 2000 1X EV-DO, CDMA 2000 1X EV-DV, CDMA 2000 Multi-carier GPRS
Micro-cell được triển khai tại các khu vực có mật độ thuê bao cao để chia sẻ lưu lượng khi macro-cell không đủ khả năng đáp ứng Trong mạng IMT 2000, để cung cấp dịch vụ với tốc độ truyền lên đến 2 Mbit/s, giải pháp tối ưu là sử dụng hai lớp micro-cell Một lớp chuyên cung cấp dịch vụ tốc độ 2 Mbit/s và lớp còn lại phục vụ các dịch vụ có tốc độ truyền thấp hơn.
Pico-cell được sử dụng chủ yếu trong các môi trường trong nhà hoặc khu vực có mật độ thuê bao cao, giúp chia sẻ lưu lượng cho micro-cell.
Hình 5: các loại cell của 3G (IMT-2000)
Các băng tần đợc xác định giành cho IMT 2000 bao gồm:-
- 1885 2025 MHz và 2110 2200MHz (đợc Hội nghị thông tin vô tuyến thế - - giới năm 1992 thông qua);
- 806 960MHz, 1710 1885MHz, 2500 2690MHz (đợc Hội nghị thông tin - - - vô tuyến thế giới năm 2000 thông qua);
Phơng pháp xác định ảnh hởng của nhiễu từ hệ thống vệ tinh tới hệ thống 3G
Nhiễu trong hệ thống CDMA
3.1.1.1 Khái niệm và phân loại nhiễu
Một vấn đề trung tâm trong bài toán thông tin là sự phân biệt giữa tín hiệu và nhiễu Trong hệ thống thông tin vô tuyến, nhiễu được định nghĩa là tất cả các tín hiệu không mong muốn xuất hiện bên cạnh tín hiệu mong muốn, gây khó khăn cho việc thu nhận và xử lý tín hiệu Nhiễu có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm hiệu ứng nhiệt trong nội bộ tín hiệu, tín hiệu từ các hệ thống vô tuyến khác, và nhiễu vũ trụ.
Nhiễu có nguồn gốc và hình dạng đa dạng, mỗi loại ảnh hưởng đến tín hiệu hữu ích theo những cách khác nhau Vì vậy, có nhiều phương pháp để phân loại nhiễu, cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của chúng trong các hệ thống truyền thông.
- Theo quy luật biến thiên theo thời gian, ví dụ các nhiễu xung và nhiễu liên tôc,
- Theo bề rộng phổ sẽ có nhiễu trắng, nhiễu màu,
- Theo luật phân bố xác suất sẽ có nhiễu trắng, nhiễu mầu,
- Theo phơng thức mà chúng tác động lên tín hiệu hữu ích sẽ có nhiễu cộng, nhiÔu nh©n
Một phương pháp phân loại phổ biến trong thực tế là phân loại theo nguồn gốc vật lý, bao gồm các yếu tố như hệ thống vô tuyến khác, nhiễu công nghiệp, nhiễu vũ trụ và nhiễu nhiệt.
3.1.1.2 Nhiễu cộng và nhiễu nhân -tỷ số tín hiệu/nhiễu
Nhiễu có thể tác động lên tín hiệu theo hai phương thức cơ bản: tác động cộng và tác động nhân Khi tín hiệu có ích được ký hiệu là s và nhiễu là n, kết quả của sự tác động này có thể được biểu diễn như sau: x = s + n cho tác động cộng và x = n * s cho tác động nhân.
Nhiễu cộng còn thờng đợc gọi là ồn Trong trờng hợp tổng quát, tác động của nhiễu gồm cả hai dạng trên: x = n1 s + n2
Trong trường hợp nhiễu cộng, để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu, người ta sử dụng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR), được định nghĩa là tỷ số giữa công suất trung bình của tín hiệu và công suất trung bình của nhiễu.
Thông thờng để đo lờng tỷ số này ngời ta sử dụng đơn vị deciben (dB)
Tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) là một chỉ số quan trọng quyết định chất lượng và độ tin cậy của hệ thống thông tin Để cải thiện SNR trong điều kiện nhiễu nhất định, có ba phương pháp chính mà người dùng có thể áp dụng.
- Tăng công suất của nguồn tín hiệu;
- Tăng độ dài của tín hiệu, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin;
Mở rộng phổ của tín hiệu là cần thiết trong việc xử lý nhiễu nân Đối với nhiễu nân, khái niệm tín hiệu và nhiễu không thể áp dụng trực tiếp như với nhiễu cộng, mà cần phải thông qua một bước quy nhiễu nhân với một loại nhiễu cộng tương đương Cụ thể, người ta có thể diễn đạt mối quan hệ này bằng công thức: x = ns = nos + ξ.
Trong trường hợp nhiễu là quá trình ngẫu nhiên dừng, trị trung bình của nhiễu được ký hiệu là no, trong khi ξ = (n - no)s = ηs là tích số của tín hiệu có ích và thăng giáng của nhiễu Như vậy, nhiễu nhân đã được quy đổi thành nhiễu cộng tương đương Nếu áp dụng định nghĩa tỷ số ξ giữa tín hiệu và nhiễu, chúng ta có thể phân tích và đánh giá hiệu quả của tín hiệu trong môi trường nhiễu.
Tỷ số tín hiệu/nhiễu có thể được xác định thông qua trị trung bình và phương sai của nhiễu Để giảm thiểu tác động của nhiễu, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có việc sử dụng các mạch từ động để điều chỉnh độ khuếch đại Mạch này có đặc điểm là nếu nhận tín hiệu đầu vào x = ns, thì tín hiệu đầu ra sẽ là y = x 1/n = s.
Tuy nhiên, trong mạch từ động điều chỉnh độ khuyếch đại, luôn tồn tại nhiễu cộng kèm theo nhiễu nhân, dẫn đến tín hiệu đầu ra được biểu diễn bằng công thức: y = x/n1 = s + n2/n1 Điều này cho thấy rằng nhiễu cộng vẫn còn hiện hữu và tỷ số tín hiệu trên nhiễu không thay đổi.
3.1.2 Kỹ thuật trải phổ và CDMA
Kỹ thuật trải phổ là phương pháp sử dụng băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần cần thiết để truyền dữ liệu Để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm đến chất lượng hệ thống thông tin, người ta thường sử dụng hai tham số chính là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) và xác suất lỗi (PE) Để nâng cao tỷ số S/N trong điều kiện tạp âm cố định, có thể thực hiện bằng một trong ba phương pháp.
Để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N), việc tăng cường công suất tín hiệu là một biện pháp hiệu quả, tuy nhiên, nó bị hạn chế bởi các quy định quốc tế nhằm tránh ảnh hưởng đến các hệ thống khác Thêm vào đó, biện pháp này còn phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật và công nghệ chế tạo thiết bị.
Tăng độ dài tín hiệu giúp kéo dài thời gian hoạt động của hệ thống thông tin, từ đó cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) Tuy nhiên, biện pháp này cũng đồng nghĩa với việc tốc độ truyền tin sẽ bị giảm đáng kể.
- Trải rộng phổ tín hiệu
Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản: trải phổ trực tiếp (DS direct-sequence), trải phổ nhảy tần (FH Frequency Hopping) và nhảy phổ nhảy thời-gian (TH time hopping) Trong các hệ thống di động CDMA, kiểu trải phổ được sử dụng chủ yếu là trải phổ trực tiếp, vì vậy phần này sẽ tập trung vào việc phân tích và giải thích về trải phổ trực tiếp.
Quá trình trải phổ triệt nhiễu trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp bắt đầu bằng việc sử dụng mã trải phổ có băng thông lớn để điều chế thông tin cần truyền Tín hiệu sau điều chế sẽ có băng thông trải rộng tương đương với băng thông của mã trải phổ Tại đầu thu, tín hiệu nhận được không chỉ bao gồm tín hiệu trải phổ mà còn có nhiễu không mong muốn Để tách tín hiệu mang thông tin, ta sử dụng bản sao của mã trải phổ để giải điều chế tín hiệu thu được Quá trình điều chế ở đầu phát tương tự như nén phổ, trong khi các tín hiệu nhiễu khác trải phổ Kết quả là, sau khi giải điều chế, mật độ phổ của tín hiệu cần thu sẽ cao hơn, trong khi mật độ phổ của nhiễu giảm do quá trình trải phổ Ví dụ về hệ thống trải phổ trực tiếp điều chế BPSK sẽ minh họa rõ hơn về điều này.
Một tín hiệu đợc gọi là trải phổ khi thoả mãn các điều kiện:
- Tín hiệu đợc trải phổ chiếm một độ rộng băng thông lớn gấp nhiều lần độ rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền thông tin
- Sự trải phổ đợc thực hiện bởi mã trải phổ độc lập với tín hiệu số liệu
ảnh h ởng của nhiễu tới mạng 3G
Chất lượng dịch vụ của hệ thống thông tin số, đặc biệt là hệ thống di động, được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bít (BER - bit error rate) Tỷ lệ này phụ thuộc vào tỷ số Eb/No, trong đó Eb là năng lượng của bit và No là mật độ phổ công suất của nhiễu tạp âm Mật độ phổ công suất No bao gồm nhiễu tạp âm nhiệt N từ thiết bị và nhiễu I từ các nguồn bên ngoài khác.
Với Rb là tốc độ bít của luồng thông tin và B là độ rộng bộ lọc tín hiệu, công thức phổ biến để tính mức C/N tại đầu thu trong quỹ đạo truyền của hệ thống thông tin vô tuyến là rất quan trọng.
Công thức C/I = Ptx + Gtx - Loss + G I’ (dB) thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát, độ tăng ích của anten và suy hao truyền sóng Trong đó, Ptx là công suất phía máy phát (dBW), Gtx là độ tăng ích của anten phía phát (dBi), và Loss là suy hao truyền sóng từ phía phát đến phía thu (dB) Công suất nhiễu I được đầu thu tiếp nhận từ các hệ thống khác (dBW), bao gồm cả nhiễu nội tại của hệ thống CDMA, được xác định bởi Isystem và Iinterference Hệ số G/T của đầu thu (dBi/K) và hằng số Bolzman (k = 1.38 x 10^-23) cũng đóng vai trò quan trọng trong phân tích này Độ rộng băng thông B được tính theo dBHz, góp phần vào việc đánh giá hiệu suất của hệ thống thông tin di động.
Hình 14: Nhiễu làm giảm khoảng cách phủ sóng
Khi không có nhiễu, tỷ số C/(N+I) đạt giá trị tối ưu Tuy nhiên, khi có nhiễu, để giữ cho tỷ số này không đổi, cần giảm suy hao truyền sóng, điều này dẫn đến việc giảm khoảng cách giữa máy phát và máy thu Kết quả là bán kính ô, hay vùng phủ sóng của ô, sẽ bị thu nhỏ Hiện tượng này đặc biệt rõ ràng ở các ô có vùng phủ lớn (macro cell) với dung lượng thấp tại các khu vực ngoại thành và nông thôn Hình ảnh minh họa cho thấy khi nền nhiễu gia tăng, khoảng cách từ trạm phát sóng đến máy thu cũng bị rút ngắn.
3.2.2 Phơng pháp tính suy giảm vùng phủ sóng của hệ thống 3G do nhiễu
Phương pháp tính toán ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống 3G được thực hiện dựa trên tỷ số Isat/Nth, trong đó Isat đại diện cho công suất nhiễu ngoài hệ thống tại đầu thu của trạm gốc 3G, còn Nth là mật độ công suất tạp âm nhiệt của máy thu trạm gốc 3G Hệ thống 3G sử dụng công nghệ CDMA để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Khoảng cách từ anten phát
C ôn g su ất t ín h iệ t ại đ ầu t h u
Ngìng nÒn nhiÔu tạp âm theo thiết kế
Phơng pháp tính toán ảnh hởng của nhiễu tới hệ thống 3G trình bày trong phần này đợc dựa trên các giả thiết sau:
- Xem xét trờng hợp xấu nhất là mạng vùng ngoại ô có dung lợng tải đờng lên thấp (lighly loaded uplink) ;
- Độ cao của các trạm gốc trong môi trờng nông thôn là khoảng 30m;
- áp dụng phơng thức truyền sóng thích hợp đối với môi trờng nông thôn;
Độ suy giảm vùng phủ sóng của một trạm gốc 3G được gọi là ∆A cell, trong khi hệ số tăng số lượng trạm gốc được biểu thị bằng BS increase.
Phơng pháp tính ảnh hởng do nhiễu dẫn đến suy giảm vùng phủ của trạm gốc 3G có thể đợc mô tả nh sau:
Bước đầu tiên trong việc đánh giá hiệu suất của trạm gốc vùng nông thôn là tính toán hệ số tải đường lên (uplink load factor) và từ đó xác định hệ số tăng tạp âm nhiệt (noise rise) tương ứng với các mức lưu lượng khác nhau của trạm gốc.
Bước 2: Sử dụng hệ số tải đường lên và áp dụng phương thức truyền sóng thích hợp để tính toán hệ số suy giảm vùng phủ sóng ∆A cell của trạm gốc 3G, do ảnh hưởng của nhiễu, dựa trên tỷ số Isat/Nth.
Phương pháp này cho phép chuyển đổi từ hệ số suy giảm vùng phủ sóng ∆A cell sang tỷ số Isat/Nth tương ứng, nhằm tính toán mức độ nhiễu tối đa có thể chấp nhận được.
3.2.2.1 Tính toán hệ số tăng tạp âm nhiệt của đờng lên CDMA
Bước này đưa ra công thức tính toán hệ số tăng tạp âm nhiệt đường lên, liên quan đến tạp âm nhiệt và tạp âm hệ thống Mức độ tăng tạp âm đường lên (UL) được xác định qua công thức cụ thể.
Noise rise (n i ) UL th total
I = Tổng công suất nhiễu (dB(W/MHz))= Nth + nhiễu do các máy di động cùng cell và khác cell gây ra
N th= Công suất nhiễu tạp âm nhiệt của BTS noise power (dB(W/MHz)) - η UL= Hệ số tải đờng lên - uplink load factor
Hệ số tải đờng lên đợc tính theo công thức:
E b = Tỷ số năng lợng của mỗi bit trên mật độ phổ công suất tạp âm cần thiết để đạt đợc chất lợng dịch vụ theo yêu cầu
R = Tốc độ bit trung bình average bit rate (Mbit/s) -
N = Số lợng ngời sử dụng trong một ô number of users per cell-
W = Tốc độ chip CDMA CDMA chip rate (Mchip/s)-
Hệ số hoạt động (ν) là tỷ lệ thời gian trung bình mà máy phát hoạt động, trong khi tỷ số nhiễu (i) phản ánh mức độ nhiễu từ các ô khác so với nhiễu nội bộ của ô Đối với hệ thống 3G, các tham số quan trọng được khuyến nghị bởi ITU-R M.1026.
Loại lu lợng Thoại dữ liệu
Tốc độ bít trung bình R (Mbit/s) 0.0122 0.144
Tỷ số Eb/No yêu cầu (dB) 5.0 1.5
Tỷ số nhiễu từ các ô khác so với nhiễu cùng ô, i, đối với dạng ô macro sử dông anten omni directional
Tốc độ chip CDMA, W (Mchip/s) 3.84 3.84
Bảng 1 C: ác tham số đờng lên của hệ thống 3G
Từ các tham số trên, ITU-R M.1026 đa ra đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số tăng tạp âm và cell throughput nh sau:
Throughput(kbps) Data users at 144 kbps Voice users at 12.2 kbps
Hình 15:Biến thiên của hệ số tăng tạp âm đờng lên và data throughput
Với hệ số tăng tạp âm đờng lên là 0.5, 1.0 và 2.0 dB thì số lợng ngời sử dụng tơng ứng là:
Hệ số tăng tạm âm, ni (dB) 0.5 1.0 2.0
Số lợng ngời đàm thoại 10.7 20.5 36.5
Số ngời truyền dữ liệu với tốc độ 144 kbit/s 1.3 2.5 4.5
Hệ số tải dờng lên 0.1 0.2 0.4
Trong bảng 2, số lượng người sử dụng ảnh hưởng đến hệ số tăng tạp âm Ở các ô có tải thấp nhậ tại vùng nông thôn, thường chỉ có một vài người sử dụng dịch vụ thoại và một người sử dụng dịch vụ dữ liệu, dẫn đến hệ số tăng tạp âm rất nhỏ, khoảng 0.1 dB Ngược lại, đối với các ô có lưu lượng lớn hơn, hệ số tăng tạp âm có thể lên tới khoảng 2 dB.
3.2.2.2 Tính toán hệ số suy giảm vùng phủ của 1 sector Đối với các cell hạn chế vùng phủ sóng nh đối với môi trờng ngoại ô, - ảnh hởng của nhiễu là làm giảm bán kính của cell Trong phép tính qũy đờng truyền (link budget), sự suy giảm chất lợng dịch vụ khi có nhiễu cần đợc bù lại bằng giảm bớt suy hao truyền sóng, L,∆ để đảm bảo chất lợng dịch vụ nh khi không có nhiễu, tức thu hẹp vùng phủ sóng của cell lại L ∆ đợc tính nh sau:
Công suất nhiễu tạp âm tổng N phụ thuộc vào hai yếu tố chính: tạp âm nhiệt Nth và tạp âm do hệ thống CDMA sinh ra, bao gồm nhiễu đồng ô và xuyên ô Nsys.
Thay thế công thức tính hệ số tăng tạp âm từ công thức (5) ta có :
Suy hao quỹ truyền sóng, L, được chuyển đổi thành suy giảm bán kính cell, D, bằng cách áp dụng phương pháp truyền sóng Hata trong môi trường không vật cản, với trạm gốc có độ cao 30m.
Từ đó, sự thay đổi về bán kính cell, D, đợc tính :∆
Ta có, tỷ lệ thay đổi diện tích vùng phủ của cell, ∆A, tỷ lệ với bình phơng thay đổi về bán kính cell:
Kết hợp phơng trình (32) và (37) ta có:
Phơng pháp tính mức nhiễu từ hệ thống N-SAT-HEO vào trạm gốc 3G
4.1.1 Thuật toán Để tính toán nhiễu từ một hệ thống phát thanh số qua vệ tinh phi địa tĩnh nh N-SAT HEO tới hệ thống IMT 2000 trong băng tần 2630 2655MHz có thể áp - - - dụng Khuyến nghị ITU R M.1654 đợc- ITU thông qua tháng 6/2003
Khuyến nghị này đề xuất một phương pháp đánh giá mức nhiễu từ các hệ thống vệ tinh nhỏ N-SAT-HEO đối với hệ thống IMT 2000 trong băng tần 2630-2655MHz Phương pháp này có thể xác định mức độ ảnh hưởng của hệ thống vệ tinh đến hệ thống 3G khi hai hệ thống cùng sử dụng chung băng tần, từ đó đưa ra biện pháp bảo vệ phù hợp cho hệ thống 3G.
Phương pháp này giới thiệu một thuật toán để tính toán tỷ số Isat/Nth, từ đó áp dụng thuật toán đã trình bày ở chương 3c nhằm đánh giá mức độ suy giảm vùng phủ sóng hoặc suy giảm kích cỡ ô (cell size reduction).
Phơng pháp tính Isat/Nth đợc thực hiện với các nội dung nh sau:
- Xác định các tham số của hệ thống vệ tinh;
- Xác định mức mật độ thông lợng công suất pfd do mỗi vệ tinh phát xuống - mặt đất tại vị trí trạm mặt đất 3G;
- Xác định loại anten, góc định hớng (orientation), góc nhìn xuống (góc gục titl angle); kinh, vĩ độ của trạm gốc;-
- Tính góc phơng vị (azimuth), góc ngẩng (elevation) và góc lệch trục (off- axis) giữa trạm gốc 3G và mỗi vệ tinh trong hệ thống
Tính toán tỷ số Isat/Nth được thực hiện dựa trên sự nhiễu từ tất cả các vệ tinh trong hệ thống tới một trạm gốc 3G, được đặt tại tọa độ (lat, long) cụ thể, với góc định hướng và góc nhìn xuống (góc gục) đã được xác định.
Công thức tính tỷ số Isat/Nth nh sau:
Pi FL i elevation r i azimuth r G i elevation pfd i angle Nth tilt n orientatio long Nth lat
( lat , long , orientatio n , tilt angle )
Isat Nth là tổng Isat Nth (dB) tại đầu thu của trạm gốc 3G, được tạo ra từ tất cả các vệ tinh quan sát trong đoạn tần số trùng nhau Mật độ thông lượng công suất (pfd i) được tính bằng dB(W/(m².MHz)) từ vệ tinh nhìn thấy thứ i phát xuống khu vực trạm gốc 3G Góc ngẩng (elevation_i) là góc mà trạm gốc 3G nhìn thấy vệ tinh thứ i, được tính theo độ (°) so với mặt phẳng ngang của sóng phát từ vệ tinh.
The off-axis gain (G(r_azimuth_i, r_elevation_i)) of a 3G base station antenna towards the i-th satellite is measured in dBi The relative azimuth (r_azimuth_i) is the angle between the 3G base station and the i-th satellite, determined by the difference between the satellite's azimuth angle as observed from the base station and the orientation angle of the base station antenna The relative elevation (r_elevation_i) represents the angle of the i-th satellite, calculated as the sum of the elevation angle observed by the 3G base station and the negative tilt angle of the base station The wavelength (λ) is measured in meters.
FL là suy hao dây phidơ của đầu thu 3G (dB);
Pi represents the average polarization discrimination (in dB) between the transmitting antenna of satellite i and the receiving antenna of the 3G base station, while n_sat denotes the number of satellites within the satellite system.
Nth là mật độ công suất tạp âm nhiệt của đầu thu trạm gốc 3G (W/MHz)
Các góc elevation_i, G(r_azimuth_i, r_elevation_i), r_azimuth_i và r_elevation_i phụ thuộc vào vị trí của vệ tinh trong không gian Do đó, khuyến nghị đưa ra hai phương pháp để tính toán Isat/Nth.
Phương pháp tĩnh (static approach) là cách xác định vị trí của vệ tinh bằng cách đặt vệ tinh ở một điểm cố định trên quỹ đạo, thường là tại điểm viễn điểm, tức là điểm xa nhất so với trái đất.
Trong hai phương pháp, biện pháp mô phỏng mặc dù phức tạp hơn nhưng mang lại kết quả chính xác hơn Phương pháp tĩnh cho phép tính toán các giá trị Isat/Nth tại đầu thu trạm gốc 3G dựa trên các thông số như kinh độ, vĩ độ, góc nhìn và góc định hướng của trạm Ngược lại, phương pháp mô phỏng tạo ra nhiều tổ hợp thông tin hơn, mặc dù chịu ảnh hưởng bởi thời gian nhiễu và tỷ lệ theo thời gian.
Phương pháp Isat/Nth được áp dụng để tính toán giá trị cho một thời điểm cụ thể trong nghiên cứu này Đối với phương pháp mô phỏng, vệ tinh N-SAT HEO sẽ phát sóng từ các vị trí mô phỏng trong cung quỹ đạo hoạt động (active arc) tại thời điểm t, dẫn đến việc điều chỉnh phương trình (20) cho phù hợp với điều kiện mô phỏng.
sat n i t Pi FL t i elevation r t i azimuth r G t i elevation pfd i t Nth angle tilt n orientatio long
Nh vậy, thì mỗi tham số của phơng trình (46) có thêm một biến thời gian so với phơng trình (45)
Khi đó, thuật toán tính toán tỷ số Isat/Nth theo thời gian đợc thực hiện nh sau:
- Bớc 1: Lựa chọn toạ độ, góc định hớng (orientation) hay góc phơng vị của anten trạm gốc 3G
- Bớc 2: Xác định vị trí quỹ đạo của mỗi vệ tinh trong chùm tại từng thời ®iÓm txem xÐt
Bước 3: Đối với từng vệ tinh, cần xác định các góc ngẩng và góc phương vị mà trạm gốc 3G quan sát thấy vệ tinh tại mỗi vị trí tức thời Đối với những vệ tinh nằm trong tầm quan sát của trạm gốc 3G (góc ngẩng dương), cần xác định góc phương vị tương đối.
Bước 4: Để xác định độ tăng ích (gain) của anten theo hướng vệ tinh thứ i, cần dựa trên góc phương vị tương đối và giản đồ phát xạ của anten trạm gốc 3G.
- Bớc 5: Xác định mật độ thông lợng công suất pfd do mỗi vệ tinh phát xuống khu vực đặt trạm gốc 3G
Bước 6: Áp dụng công thức (21) để tính tỷ số Isat/Nth tổng từ tất cả các vệ tinh đang hoạt động trong cung hoạt động (active arc) của chùm vệ tinh Tỷ số này được xác định tại đầu thu của trạm gốc BTS vào thời điểm xem xét.
Xác định vị trí tức thời của một vệ tinh phi địa tĩnh trong không gian
Để đánh giá ảnh hưởng của hệ thống N-SAT HEO đối với hệ thống 3G, việc xác định vị trí tức thời của vệ tinh trong không gian là rất quan trọng.
Trong lý thuyết cơ học không gian, chuyển động của các vệ tinh diễn ra theo các quỹ đạo tương tự như các hành tinh quay quanh mặt trời Những chuyển động này tuân theo ba định luật nổi tiếng của Kepler.
- Định luật 1: Các hành tinh chuyển động theo một mặt phẳng Các quỹ đạo là các hình ellipse với mặt trời nằm tại một tiêu điểm;
- Định luật 2 : Vector từ mặt trời tới hành tinh quét các diện tích bằng nhau trong các khoảng thời gian bằng nhau (định luật diện tích);
Định luật 3 của Kepler khẳng định rằng tỷ số giữa bình phương chu kỳ T của một hành tinh quay quanh Mặt Trời và lập phương của nửa trục lớn a của quỹ đạo ellipse là hằng số, áp dụng cho tất cả các hành tinh trong hệ Mặt Trời.
Nhà bác học Newton phát hiện định luật vạn vật hấp dẫn, cho rằng hai vật thể có khối lượng m và M sẽ hút nhau với lực tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Trong đó G là hệ số vạn vật hấp dẫn và bằng: G=6,672 x 10 -11 m 3 kg -1 s -2 Khối lợng trái đất M=5,974 x 10 24 kg thì tích GM có giá trị à = GM = 3,968 x
Khi áp dụng hai định luật của Kepler vào hệ vệ tinh-Trái Đất, Trái Đất đóng vai trò như Mặt Trời, trong khi các vệ tinh hoạt động như các hành tinh quay quanh Mặt Trời.
Độ méo (eccentricity) của ellipse, được tính bằng công thức e = (a² - b²)^(0.5) / a, là một trong những tham số cơ bản xác định hình dạng quỹ đạo của vệ tinh quanh trái đất, trong đó a và b lần lượt là bán kính trục lớn và bán kính trục nhỏ Khi 0 < e < 1, quỹ đạo là hình ellipse; khi e = 0, quỹ đạo trở thành hình tròn; và khi e = 1, quỹ đạo chuyển sang hình hyperbol, biểu thị cho sự rời xa của vệ tinh khỏi hệ trái đất vào không gian.
Theo định luật 2, vệ tinh di chuyển chậm hơn khi ở xa trái đất và nhanh hơn khi gần trái đất, dẫn đến việc vệ tinh mất nhiều thời gian hơn để di chuyển cùng một khoảng cách trên quỹ đạo Tính chất này là lý do quan trọng để lựa chọn quỹ đạo ellipse khi thiết kế hệ thống vệ tinh cần duy trì thời gian dài trên một khu vực cụ thể của trái đất Định luật 3 cho phép biểu diễn các vệ tinh nhân tạo với tâm trái đất trùng với một tâm ellipse qua công thức: a³ = à/n².
Với n là vận tốc góc trung bình của vệ tinh (rad/s) và đợc tính theo: n=2π/T ( 53)
Theo định luật 3, có mối quan hệ cố định giữa chu kỳ T và độ lớn của ellipse a, điều này là cơ sở để phát hiện quỹ đạo địa tĩnh (geostationary orbit) Quỹ đạo này có mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo, vệ tinh bay cùng chiều và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của trái đất, khiến vệ tinh đứng yên tương đối với người quan sát trên mặt đất Nhờ tính chất đặc biệt này, quỹ đạo địa tĩnh trở thành quỹ đạo được sử dụng phổ biến nhất cho thông tin vệ tinh.
4.2.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh Để định vị một vệ tinh trên quỹ đạo và trong không gian ngời ta định nghĩa các tham số, các thuật ngữ sau:
Hình 18: Các tham số quỹ đạo vệ tinh
- Viễn điểm (apogee): là điểm xa trái đất nhất trên quỹ đạo
- Cận điểm (perigee): là điểm gần trái đất nhất trên quỹ đạo
- Đờng nối các điểm cùng (Line of apside): là đờng nối giữa viễn điểm và cận điểm Đờng này đi qua tâm trái đất
- Nút lên (ascending node): là điểm mà quỹ đạo đi quan mặt phẳng xích đạo theo hớng từ phía Nam lên phía Bắc
- Nút xuống (descending node): là điểm mà quỹ đạo đi quan mặt phẳng xích đạo theo hớng từ phía ắc xuống phía B Nam
Đường nối các nút (Line of nodes) là đường kết nối giữa nút lên và nút xuống, nằm trên mặt phẳng xích đạo và đi qua tâm Trái Đất.
- Độ nghiêng (inlination): là góc giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng xích đạo của trái đất
Quỹ đạo thuận (Prograde orbit hay direct orbit) là quỹ đạo mà vệ tinh di chuyển cùng chiều với sự quay của trái đất, với độ nghiêng từ 0-90° Hầu hết các vệ tinh được phóng lên quỹ đạo thuận để tận dụng vận tốc quay của trái đất, giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình phóng.
Quỹ đạo ngược (Retrogate orbit) là loại quỹ đạo mà vệ tinh di chuyển ngược chiều với hướng quay của Trái Đất, với độ nghiêng của quỹ đạo nằm trong khoảng từ 90° đến 180°.
Đối số của cận điểm (argument perigee) ω là góc giữa nút lên và cận điểm, được tính trên mặt phẳng quỹ đạo tại tâm trái đất, theo chiều chuyển động của vệ tinh Trong trường hợp quỹ đạo tròn, đối số của cận điểm sẽ bằng 0.
- Độ nâng thẳng đứng của nút lên (righ ascension of the ascending node): là góc lấy theo chiều dơng giữa 0-360° giữa hớng chuẩn và hớng của nút lên
Góc cận điểm trung bình M (Mean anomaly) là giá trị trung bình thể hiện vị trí góc của vệ tinh so với cận điểm Trong trường hợp quỹ đạo tròn, M đại diện cho vị trí góc của vệ tinh trên quỹ đạo.
Góc cận điểm thực (true anomaly) là góc được đo từ cận điểm tới vị trí của vệ tinh, tính từ tâm trái đất Thời gian ảnh hưởng đến góc cận điểm thực, là hàm của vị trí góc của vệ tinh trên quỹ đạo.
Xác định ảnh hởng của nhiễu với điều kiện thực tế Việt nam
Thuật toán chơng trình thực hiện phép tính
Mục tiêu chính của luận văn là xác định mức độ ảnh hưởng của hệ thống vệ tinh quỹ đạo cao N-SAT-HEO của Nhật Bản tới hệ thống 3G của Việt Nam, cụ thể là mức độ suy giảm vùng phủ sóng của các trạm BTS Để xây dựng chương trình tính, cần xác định thuật toán dựa trên phương pháp gồm 10 bước được trình bày trong mục 4.1.1, chương 4 nhằm xác định tỷ số Isat/Nth theo thời gian, từ đó xác định mức độ suy giảm vùng phủ sóng của hệ thống 3G Do đó, thuật toán này sẽ có tổng cộng 11 bước.
Bước 1: Xác định các tham số đầu vào, bao gồm tham số quỹ đạo và tham số phát xạ Các tham số này được chia thành tham số sơ cấp (do người dùng nhập vào) và tham số thứ cấp, được xác định dựa trên các tham số sơ cấp để phục vụ cho các bước tiếp theo trong quá trình xử lý.
- Bớc 2: Xác định vị trí quỹ đạo của mỗi vệ tinh trong chùm tại từng thời ®iÓm t xem xÐt
Bước 3: Đối với từng vệ tinh, tại mỗi vị trí tức thời, xác định các góc ngẩng và góc phương vị mà trạm gốc 3G quan sát thấy vệ tinh Đối với các vệ tinh nằm trong tầm quan sát của trạm gốc 3G (góc ngẩng dương), cần xác định góc phương vị tương đối.
Bước 4: Xác định độ tăng ích (gain) của anten theo hướng vệ tinh thứ i, dựa trên góc phương vị tương đối và giản đồ phát xạ của anten trạm gốc 3G.
- Bớc 5: Xác định mật độ thông lợng công suất pfd do mỗi vệ tinh phát xuống khu vực đặt trạm gốc 3G
Bước 6: Áp dụng công thức (46) để tính tỷ số Isat/Nth tổng từ tất cả các vệ tinh đang hoạt động trong cung hoạt động (active arc) của chùm vệ tinh, tại đầu thu của trạm gốc BTS vào thời điểm xem xét.
Bước 7: Tiến hành lặp lại các bước từ 1 đến 6, trong đó góc định hướng của anten trạm gốc sẽ được tăng dần cho đến khi quét đủ 360 độ Mục tiêu là xác định góc định hướng mà trạm gốc 3G đạt tỷ số Isat/Nth cao nhất.
Bước 8: Tiếp tục lặp lại các bước từ 1 đến 6 cho các thời điểm t + n.∆t (với n là số nguyên và ∆t là gia số thời gian, nên chọn giá trị đủ nhỏ để tăng độ chính xác) cho đến khi hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo.
Bước 9: Xác định tỷ số Isat/Nth max cho trạm gốc chịu ảnh hưởng từ nhiễu mạnh nhất, đồng thời xác định giá trị góc phương vị Azmax của anten trạm gốc.
- Bớc 10: Thựchiện lại các bớc từ bớc 1 đến bớc 8 trừ bớc 7
- Bớc 11: Xác định suy giảm vùng phủ theo Isat/Nth
Giản đồ phát xạ của anten sector trạm gốc 3G tuân theo Khuyến nghị ITU-R M.1646 theo đó với mọi hớng nằm ngoài sector, hệ số, tăng ích là 30 Gain- max
Hệ số tăng ích cực đại (Gainmax) của trạm gốc với 3 sector 120 cho thấy rằng nếu hướng nhiễu là tới sector 1, thì độ tăng ích của anten sector 2 và 3 về hướng vệ tinh sẽ đạt 30 - Gainmax Đặc biệt, trong phạm vi góc 3dB của anten sector, độ tăng ích không phụ thuộc vào azimuth, do đó không cần thực hiện bước 7 và bước 10 Kết quả này giúp xây dựng được lược đồ thuật toán tương ứng như hình 21.
Để xác định các tham số liên quan đến vệ tinh, cần nhập tham số sơ cấp và xác định các tham số thứ cấp Tiếp theo, xác định tọa độ tức thời của vệ tinh và độ tăng ích lệch trục của anten theo hướng vệ tinh hoạt động Cần tính toán Isat/Nth max theo góc định hướng của anten 3G, đồng thời xác định góc ngẩng, góc phương vị, và mức pfd cho từng vệ tinh hoạt động Ngoài ra, xác định góc phương vị đối tượng và Isat/Nth do tất cả các vệ tinh gây ra Cuối cùng, hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo và tính hệ số suy giảm vùng phủ cho từng sector và toàn bộ site.
Các tham số sử dụng
Trong thuật toán này, bước đầu tiên là xác định các tham số đầu vào, bao gồm các tham số của hệ thống vệ tinh N-SAT HEO và hệ thống 3G, cùng với các giả thiết liên quan.
5.2.1 Hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO
Các tham số của N-SAT HEO cần thiết cho việc tính toán đợc tổng hợp ở - bảng 5 sau:
Mức pfd tối thiểu cần có trong vùng dịch vụ -103.3 dB(W/(m 2 MHz)
Mức pfd dự kiến bên ngoài vùng dịch vụ (do Nhật bản đề xuất) −128dB(W/(m 2 MHz)) với 0°≤θ ≤ 5°
Tham số quỹ đạo §é cao viÔn ®iÓm 44 640.5 km §é cao cËn ®iÓm 26931.5 km
Vĩ độ của nút lên ban đầu 160° Đối số của cận điểm ωo ban đầu 270°
Cung hoạt động (artive arce) từ 4.5 giờ trớc viễn điểm tới 3.5 giờ sau khi bay qua viÔn ®iÓm
Số vệ tinh hoạt động tại mỗi thời ®iÓm 1
Bảng 4 trình bày tham số hệ thống N-SAT-HEO, trong khi Bảng 5 chỉ ra rằng θ là góc tới so với mặt phẳng ngang của tín hiệu từ vệ tinh Góc này cũng chính là góc ngẩng mà trạm BTS tại vị trí khảo sát quan sát vệ tinh.
Ngoài ra, ta cần sử dụng các hằng số phục vụ cho việc tính toán quỹ đạo là:
- Bán kính trái đất: Re = 6378 km
- Hằng số hấp dẫn của trái đất à = 3,968 x 10 14 m 3 /s 2
- Chu kỳ trái đất Te = 23h 56’04’’ = 86164 s
Dựa trên 7 phương án quy hoạch các phân đoạn băng tần đã trình bày ở chương 2, hệ thống IMT 2000 được giả định sử dụng băng tần 2630-2655MHz, trùng với tần số của hệ thống N-SAT-HEO, cho đường xuống (downlink) từ trạm gốc tới máy di động, với giao diện vô tuyến WCDMA.
Các tham số của hệ thống IMT-2000 sử dụng cho phép toán đợc tổng hợp nh sau:Hệ số tạm âm nhiệt của đầu thu (dB)
Mật độ phổ công suất tạm âm nhiệt tại đầu thu của trạm gốc, dB(W/MHz)
Loại anten 120° Sector Độ tăng ích cực đại, dBi 17.0-18.0
Giản đồ bức xạ của anten trạm gốc Khuyến nghị
ITU-R M.1646 (xem môc 4.1.4, chơng 4) §é cao anten, mÐt 15
Toạ độ của trạm gốc Xem bảng 7
Để hiểu rõ ảnh hưởng của nhiễu từ vệ tinh N-SAT-HEO tới hệ thống 3G, cần khảo sát vị trí đặt trạm BTS từ Bắc vào Nam tại 11 khu vực ngoại thành của các thành phố và thị xã tiêu biểu.
Lạng Sơn 21.83 106.92 Điện Biên Phủ 21.38 103.03
Bảng 6: Toạ độ các địa điểm đặt BTS
Chỉ có hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO gây nhiễu, với một vệ tinh duy nhất hoạt động tại mỗi thời điểm, giúp đơn giản hóa các phép toán liên quan.
Chơng trình dùng bảng tính excel
Bảng tính Excel được ưa chuộng nhờ tính đơn giản trong việc lập và kiểm tra các phép tính cũng như kết quả Trong lĩnh vực thông tin vệ tinh, Excel thường được sử dụng để tính toán quỹ đường truyền (link budget) và hỗ trợ các bên trong việc đánh giá khả năng can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vô tuyến, được gọi là đàm phán phối hợp tần số Hơn nữa, việc loại bỏ vòng lặp thực hiện bước 7 giúp việc sử dụng bảng tính Excel trở nên dễ dàng hơn.
Chương trình Excel áp dụng thuật toán được chia thành các mô-đun nhằm tăng tính dễ hiểu và dễ kiểm tra Để thuận tiện cho việc chuyên môn và phối hợp quốc tế, bảng tính sử dụng tiếng Anh cho các tham số dài có tên gọi Việt hóa.
5.3.1 Phần số liệu đầu vào
Phần này bao gồm việc nhập số liệu sơ cấp và tính toán các số liệu thứ cấp, theo bước a trong lưu đồ thuật toán Quá trình này được chia thành hai mô-đun: mô-đun các tham số quỹ đạo và mô-đun các tham số phát xạ.
Modun tham số quỹ đạo nh sau:
Apogee altitude 44640 km Appogee distance 51018 km
Perigee altitude 26931 km Perigee distance 33309 km
Inclination 42.5 degrees Ellipse Grand Radius 42163.5 km
Argument of perigee 270 degrees Ellipse Eccentricity 0.210004
Initial Longtitude 160 degrees Orbital Period 86162.09 s
Simulation step 200 Inclination in radian 0.741765 rad
Active Arc: Before Apo 4.5 hours Argument of perigee 4.712389 rad
After Apo 3.5 hours Step k at the Apogee 63
Earth Radius 6378 km Step k at Start Active Arc 25
Muy 398600 Step k at End Active Arc 92
Degree to Radian 0.017453 ro 40304.02 km
Modun tham số quỹ đạo bao gồm các tham số sơ cấp như độ cao Viễn điểm (Apogee altitude), cận điểm (perigee altitude), góc nghiêng quỹ đạo (inclination), đối số của cận điểm (argument of perigee), kinh độ của nút lên ban đầu (initial longitude), cung quỹ đạo mà vệ tinh hoạt động (active arc), và số bước mô phỏng quỹ đạo (simulation step) Các tham số này được nhập vào từ cột bên trái, trong khi các tham số còn lại là các hằng số.
Cột bên phải chứa các tham số thứ cấp được tính từ các tham số sơ cấp, bao gồm khoảng cách từ tâm trái đất đến viễn điểm (Apogee distance) và cận điểm (Perigee distance), bán kính lớn, độ méo (eccentricity) của ellipse, chu kỳ quỹ đạo, và thời gian vệ tinh bắt đầu vào và ra khỏi cung hoạt động cũng như thời gian đi qua viễn điểm (được tính thông qua giá trị của bước k).
Modun tham số phát xạ nh sau:
Các tham số phát xạ
BTS Gain max 18 dBi BTS Longtitude 105 degrees
3dB in Azimuth plane 120 degree BTS Latitude 23 degrees Thermal Noise Nth -139 dB(W/MHz) BTS Longitude in rad 1.832596 rad
Feeder Loss - FL 2 dB BTS Latitude in rad 0.401426 rad
Polarisation Discrimina 0.5 dB pfd -113 dBW/m2.MHz
Các tham số sơ cấp của trạm gốc 3G bao gồm tần số làm việc, góc gục, độ tăng ích cực đại, góc nửa công suất theo mặt phẳng ngang của anten, và mật độ phổ công suất tạp âm nhiệt của thiết bị thu Ngoài ra, cần lưu ý các yếu tố như suy hao fidơ, hệ số ngăn cách phân cực, và hệ số tăng tạm âm nhiệt do lưu lượng sử dụng Vị trí của trạm gốc, ví dụ như tại Hà Nội, cũng rất quan trọng, cùng với các thông số về kinh độ, vĩ độ và tọa độ cụ thể Thêm vào đó, mức pfd tại khu vực đặt trạm gốc được xác định là 113 dBW/m².MHz, phù hợp với tham số của hệ thống N-SAT-HEO trong khoảng góc ngẩng 45°-65° trong suốt quá trình vệ tinh bay trong Cung hoạt động.
Phần tính toán bao gồm nhiều mô-đun quan trọng: mô-đun tính lý giác góc nút u(k) theo thời gian; mô-đun xác định kinh độ, vĩ độ của vệ tinh và khoảng cách từ tâm Trái Đất đến vệ tinh theo thời gian; mô-đun tính góc ngẩng và góc phương vị theo thời gian mà trạm gốc 3G quan sát vệ tinh; mô-đun tính độ tăng ích theo thời gian của anten từng sector hướng về vệ tinh; mô-đun tính tỷ lệ Isat/Nth theo thời gian của từng sector; và mô-đun đánh giá mức độ suy giảm vùng phủ sóng của từng sector cũng như của toàn bộ trạm gốc Với quỹ đạo được chia thành 200 phần, mỗi mô-đun thực hiện tính toán 200 lần tương ứng với 200 thời điểm khác nhau.
Modun tính ly giác góc nút u(k):
Xác định Ly giác góc nút U k Tk P(Uk) Uk (rad) u(t)
Hình : Modun xác định góc nút u(t)24
Để tính toán tọa độ và khoảng cách của vệ tinh, chúng ta sử dụng các giá trị u(k) đã được xác định trước đó Qua biến phụ Lamda0, tọa độ của vệ tinh được tính toán theo các phương trình đã nêu.
Xác định kinh, vĩ độ của vệ tinh; khoảng cách trái đất-vệ tinh
Lamda 0 SatLat SatLong LongSat LatSat r(u) rad rad deg degree (km)
Hình 25: Modun tính toạ độ, khoảng cách vệ tinh
Để tính toán góc ngẩng và góc phương vị của trạm gốc quan sát vệ tinh, cần sử dụng các tham số kinh độ, vĩ độ của vệ tinh và trạm gốc, cùng với khoảng cách giữa chúng Qua đó, chúng ta có thể xác định được các góc này thông qua các biến phụ x, y, z và x1, y1, z1, dựa trên các phương trình từ (106) đến (111).
Xác định góc ngẩng, góc phơng vị mà BTS quan sát vệ tinh
Hình 26: Modun tính góc ngẩng, góc phơng vị
Modun tính độ tăng ích của anten từng sector theo thời gian hướng vệ tinh được xác định dựa trên góc ngẩng tương đối, bao gồm góc ngẩng và góc gục của trạm Thông tin chi tiết về giản đồ phát xạ được trình bày trong phần 4.1.4, chương 4.
Xác định Gain anten BTS về hớng vệ tinh
(dBi) (dBi) (dBi) (dBi) (dBi)
Hình 27: Modun tính Off-axis Gain của anten Sector
Modun tính Isat/Nth theo thời gian cho từng sector được xác định sau khi thu thập các tham số cần thiết Áp dụng công thức (46) giúp tính toán tỷ số Isat/Nth cho từng sector Dựa vào các giá trị này, chúng ta có thể xác định mức suy giảm vùng phủ sóng cho từng sector (delta A1, A2, A3) cũng như cho toàn bộ BTS (delta A).
Isat/Nth của 3 Sector BTS
-6.35502 -18.2491 -18.24914 Độ suy giảm vùng phủ sóng BTS
Hình 28: Modun tính Isat/Nth và modun tính độ suy giảm vùng phủ sóng
5.3.3 Phần hiển thị kết quả
Kết quả được trình bày qua bảng kết quả, đồ thị quỹ đạo vệ tinh và đồ thị thể hiện mức thay đổi độ suy giảm vùng phủ sóng.
Max Earth-Satellite distance r(u) 51018.00 km Min Earth-Satellite distance r(u) 33310.47 km Max Elevation Angle in Active Arc 63.23 deg Min Elevation Angle in Active Arc 45.44 deg
Max Isat/Nth of 1st Sector -6.73 Max Isat/Nth of 2st Sector -18.25 Max Isat/Nth of 3st Sector -18.25
Coverage reduction ratio of 2st Sector 0.993 Coverage reduction ratio of 3st Sector 0.993
Aggregate Coverage Reduction 0.967 Increased Number of BTSs 3.27 %
Bảng kết quả đa ra các tham số sau:
Khoảng cách xa nhất và gần nhất giữa vệ tinh và tâm Trái Đất được xác định qua viễn điểm và cận điểm trong mô-đun "tham số quỹ đạo" Việc hiển thị hai tham số này giúp kiểm định độ chính xác của phép tính.
Góc ngẩng lớn nhất và bé nhất khi vệ tinh hoạt động nằm trong cung Active Arc, là tham số quan trọng trong việc tính toán tham số pfd tại trạm mặt đất.
- Tỷ số Isat/Nth cực đại do vệ tinh gây ra tại đầu thu của 3 sector;
Mức độ suy giảm vùng phủ sóng của từng sector và toàn bộ BTS có thể thấy rõ, với ví dụ cho thấy vùng phủ sóng giảm còn 96,7% so với ban đầu Để duy trì vùng phủ sóng ổn định, cần bổ sung thêm 3,27% số lượng trạm BTS Bằng cách sử dụng dữ liệu toạ độ của vệ tinh theo thời gian, chúng ta có thể vẽ được quỹ đạo chuyển động của vệ tinh trên mặt đất, từ đó hình dung rõ ràng hình ảnh quỹ đạo và kiểm chứng độ chính xác của các phép tính liên quan.
Vết vệ tinh trên mặt đất
Hình 30: Vết quỹ đạo vệ tinh trên mặt đất
Chơng trình Visual Basic
Khác với bảng tính Excel, chương trình viết trên phần mềm Visual Basic (VB) mang lại lợi thế trong việc thực hiện các thủ tục phức tạp hơn, giúp người dùng xử lý dữ liệu một cách hiệu quả và linh hoạt hơn.
Khảo sát đồng thời nhiều địa điểm đặt trạm gốc 3G cho 11 thành phố tại Việt Nam, bao gồm Lạng Sơn, Điện Biên, Hải Phòng, Hà Nội, Huế, Đà Nẵng, Nha Trang, TP Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Cần Thơ và Bạc Liêu Tỷ số Isat/Nth và mức độ suy giảm vùng phủ sóng sẽ được tính toán để cung cấp cái nhìn tổng thể về ảnh hưởng của hệ thống N-SAT HEO trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam.
Số lượng thời điểm khảo sát trong mô phỏng quỹ đạo đã tăng từ 200 nhịp trong bảng tính Excel lên 10,000 nhịp trong chương trình VB Mỗi bước trong Excel tương đương gần 6 phút, trong khi mỗi bước trong VB chỉ mất khoảng 9 giây Do đó, kết quả thu được từ chương trình VB sẽ chính xác hơn.
Khi ITU R hoàn thành nghiên cứu chi tiết về giản đồ phát xạ của anten trạm gốc 3G, chúng ta có thể cần thực hiện bước 7, đó là quét theo góc phương vị của anten Việc này không gây khó khăn trong chương trình viết trên VB, chỉ cần thêm một vòng lặp để thực hiện chức năng quét Tuy nhiên, với bảng tính Excel, điều này trở thành một thách thức lớn.
Chơng trình viết trên VB có phần giao diện, phần mã chơng trình và phần hiển thị kết quả chi tiết
5.4.1 Giao diện chơng trình
Tôi đã phát triển một chương trình tính toán cho quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh và quỹ đạo phi địa tĩnh tròn, hai trường hợp đặc biệt của quỹ đạo ellipse, thường được sử dụng cho thông tin vệ tinh hiện nay Chương trình này được viết dưới dạng một module bổ sung có tên “I/N Calculation”, nằm trong menu “Non-GSO”.
Hình 32: Giao diện chơng trình chung
Khi lựa chọn tính toán I/N, giao diện chính của chương trình sẽ xuất hiện với ba khu vực chính: khu vực nhập dữ liệu, khu vực hiển thị kết quả và khu vực các nút lệnh Giao diện này không chỉ phục vụ cho việc nhập dữ liệu mà còn hiển thị một phần kết quả tính toán.
Hình 33: Giao diện chơng trình tính Isat/Nth
• Các tham số đầu vào
Khác với bảng tính Excel, các tham số đầu vào ở đây là tham số sơ cấp, trong khi các tham số thứ cấp được tính từ các tham số sơ cấp trong mã chương trình và không hiển thị ở đây Các tham số sơ cấp bao gồm độ cao cận điểm, độ cao viễn điểm, độ nghiêng quỹ đạo, kinh độ nút lên ban đầu, đối số của cận điểm, và thời điểm vệ tinh bắt đầu đi vào và ra khỏi cung hoạt động Ngoài ra, các tham số phát xạ bao gồm mức PFD bên ngoài vùng dịch vụ của vệ tinh N-SAT HEO, hệ số tăng ích cực đại của anten sector trạm gốc 3G, và mật độ phổ công suất tạp âm nhiệt của đầu thu trạm gốc 3G.
Có ba nút lệnh thực hiện chơng trình:
Nút "Orbit Draw" cho phép tính toán tỷ số Isat/Nth cho 11 địa phương trên toàn quốc và vẽ quỹ đạo vệ tinh N-SAT-HEO, đồng thời hiển thị kết quả tính toán một cách rõ ràng.
Nút "Show Details" cho phép xuất kết quả tính toán từ chương trình ra Excel, giúp người dùng có thể xem chi tiết thông tin vì giao diện chương trình hạn chế trong việc hiển thị kết quả.
- Nút “ Close” thực hiện việc kết thúc và đóng chơng trình tính Isat/Nth, trở về giao diện chơng trình chính
Kết quả hiển thị ở đây bao gồm:
- Sector Isat/Nth max: đây là tỷ số Isat/Nth cao nhất đối với một sector tại
11 địa phơng mà ta khảo sát
Mức suy giảm vùng phủ sóng cực đại và cực tiểu của trạm gốc 3G với 3 sector đã được khảo sát tại 11 địa phương là Cover reduced max và Cover reduced min.
- BTS increased, %: là tỷ lệ số trạm BTS cần tăng thêm tơng ứng với trờng hợp khu vực có BTS bị suy giảm vùng phủ sóng nhiều nhất
Quỹ đạo của vệ tinh N SAT HEO được hiển thị trên bản đồ số do ITU cung cấp, cho phép người dùng quan sát vết di chuyển của vệ tinh trên mặt đất Phần quỹ đạo mà vệ tinh hoạt động, gọi là active arc, được thể hiện bằng màu đỏ, trong khi phần còn lại của quỹ đạo, nơi vệ tinh không hoạt động, được hiển thị bằng màu trắng.
5.4.2 Phần mã chơng trình
Mã chương trình được trình bày chi tiết tại Phụ lục, bao gồm 3 phân đoạn tương ứng với 3 nút lệnh Phân đoạn mã đầu tiên thực hiện toàn bộ nội dung tính toán và xuất dữ liệu ra Excel Để dễ theo dõi, mã được chia thành các phần: khai báo biến, nhập số liệu sơ cấp và tính toán tham số thứ cấp, căn chỉnh hệ tọa độ của bản đồ số, tính tọa độ, góc ngẩng, góc phương vị, vẽ quỹ đạo, xác định tỷ số Isat/Nth và hệ số suy giảm vùng phủ sóng, cùng với hiển thị kết quả trên giao diện chương trình và xuất kết quả ra Excel Mỗi đoạn mã đều có giải thích trước câu lệnh Để hỗ trợ cho phần tính toán, chương trình bao gồm 8 module nhỏ chứa các hàm toán học khác nhau.
5.4.3 Hiển thị kết quả chi tiết
Chương trình chỉ hiển thị một số kết quả chung nhất, vì vậy để có được các kết quả chi tiết, người dùng có thể xuất dữ liệu ra hai bảng tính Excel Điều này giúp thuận tiện cho việc xử lý và lưu trữ thông tin.
Hai bảng tính đó gồm một bảng kết quả tổng hợp và một bảng kết quả chi tiết đợc thể hiện ở hình sau
Bảng kết quả tổng hợp (hình 34) đa ra kết quả tính cho 11 tỉnh thành trong cả nớc (cột 1) Các kết quả đa ra cho mỗi tỉnh bao gồm:
KET QUA CHUONG TRINH TINH ANH HUONG CUA NHIEU
The coverage reduction analysis reveals significant metrics for various locations In Lang Son, the increased BTS coverage shows a maximum Isat/Nth value of 0.96858 and a minimum of 0.967649, with elevation angles ranging from 3.235135 to 3.142034 degrees and satellite position metrics between -6.78741 dB and -6.95315 dB Similarly, Dien Bien exhibits a maximum Isat/Nth of 0.968431 and a minimum of 0.967306, with elevation angles from 3.269423 to 3.156876 degrees and satellite positions between -6.7276 dB and -6.92639 dB Hai Phong reflects comparable results, with a maximum Isat/Nth of 0.968545 and a minimum of 0.967603, elevation angles from 3.239712 to 3.145456 degrees, and satellite positions ranging from -6.77939 dB to -6.94696 dB These metrics highlight the geographical coordinates of each location, with Lang Son at 147.53° E and 26.96° N, Dien Bien also at 147.53° E and 26.96° N, and Hai Phong at 147.53° E and 26.96° N, underscoring the importance of satellite positioning in optimizing coverage.
Da Nang 0.968452 0.967579 3.242127 3.154809 -6.77516 -6.93011 46.6734 66.56387 147.53 26.96 Nha Trang 0.968335 0.967501 3.249864 3.166484 -6.76164 -6.90914 45.74255 61.9488 147.53 26.96 Tp.HCM 0.968187 0.967214 3.278616 3.181325 -6.71167 -6.8826 42.63067 61.27027 147.53 26.96 Vung Tau 0.96818 0.967225 3.277543 3.182026 -6.71352 -6.88135 42.73793 60.73236 147.53 26.96 Can Tho 0.968117 0.967081 3.291949 3.188337 -6.68864 -6.8701 41.34735 60.90185 147.53 26.96 Bac Lieu 0.968077 0.967033 3.296748 3.192304 -6.68038 -6.86305 40.90698 60.18046 147.53 26.96
Hình 34: Bảng kết quả tổng hợp của 11 tỉnh đợc khảo sát
- Hệ số suy giảm vùng phủ sóng tối đa, tối thiểu (Coverage Reduction, cột 2 và 3) đối với một trạm BTS 3 sector đặt tại địa phơng đó;
- Tỷ lệ tối đa và tối thiểu trạm BTS cần tăng thêm để đảm bảo vùng phủ sóng nh khi cha có nhiễu (Increased BTS, cột 4 và 5);
- Hệ số Isat/Nth max, min mà sector của trạm gốc phải chịu (cột 6,7);
- Góc ngẩng, góc phơng vị của BTS và kinh độ, vĩ độ của vệ tinh tơng ứng với trờng hợp xẩy ra Isat/Nth cực đại (cột 8, 9, 10, 11)
Bảng kết quả bao gồm hai hàng MAX và MIN, thể hiện các giá trị cực đại và cực tiểu của các tham số tương ứng trong toàn quốc.
Chơng 6: Kết quả, nhận xét và kiến nghị
Kết quả tính cho một số địa điểm cụ thể tại Việt nam
Kết quả tính toán giữa bảng tính Excel và chương trình viết bằng ngôn ngữ VB cho thấy không có nhiều sự khác biệt.
Trong số các tham số đầu vào, tham số pfd là yếu tố quan trọng cần thảo luận và thương thảo giữa bên sử dụng vệ tinh N-SAT-HEO và bên sử dụng hệ thống 3G trong băng tần 2.6 GHz Việc điều chỉnh tham số này sẽ dẫn đến những kết quả tổng hợp khác nhau.
Hệ số suy giảm vùng phủ với các mức PFD khác nhau cho thấy sự biến động trong các khu vực như Lạng Sơn, Điện Biên và Hải Phòng Cụ thể, tại Lạng Sơn, hệ số suy giảm dao động từ 0.96858 đến 0.995677, trong khi ở Điện Biên, giá trị này là từ 0.968431 đến 0.995654 Tương tự, Hải Phòng ghi nhận hệ số suy giảm trong khoảng từ 0.968545 đến 0.995672 Những số liệu này phản ánh sự ổn định và hiệu suất của các mức PFD khác nhau trong từng khu vực.
Da Nang 0.968452 0.967579 0.979359 0.97876 0.989313 0.988989 0.995657 0.995522 Nha Trang 0.968335 0.967501 0.979279 0.978707 0.989269 0.98896 0.995639 0.99551 Tp.HCM 0.968187 0.967214 0.979177 0.978509 0.989215 0.988853 0.995616 0.995466 Vung Tau 0.96818 0.967225 0.979172 0.978516 0.989212 0.988857 0.995615 0.995467 Can Tho 0.968117 0.967081 0.979129 0.978417 0.989189 0.988804 0.995606 0.995445 Bac Lieu 0.968077 0.967033 0.979102 0.978384 0.989174 0.988786 0.995599 0.995437
Hình 35: Suy giảm vùng phủ sóng với các mức pfd khác nhau
Suy giảm vùng phủ tại Tp.HCM với các mức pfd khác nhau
H ệ số s uy g iả m v ù n g p h ủ pfd=-113 pfd=-115 pfd=-118 pfd=-122
Hình 36: Suy giảm vùng phủ của 1BTS tại Tp.HCM vơi các mức pfd khác nhau
NhËn xÐt
Qua bảng kết quả tổng hợp ở hình 35 và biểu đồ suy giảm vùng phủ sóng tạ
Hà nội (hình 31) và tại Thành phố Hồ Chí Minh (hình 36), ta có các nhận xét sau:
1) Mức độ suy giảm vùng phủ sóng của trạm gốc 3G, với cùng một mức pfd do vệ tinh N-SAT-HEO phát xuống, tại các địa phơng trong cả nớc có độ khác biệt rất ít;
2) Đối với cùng một mức pfd, tại một địa phơng sự thay đổi (khác biệt giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất) về hệ số suy giảm vùng phủ sóng là rất ít khi vệ tinh N-SAT HEO hoạt động Điều này tơng đơng với việc vệ tinh N SAT HEO gây - - - ra một nền nhiễu tơng đối bằng phẳng
3) Khi mức pfd càng giảm (công suất nhiễu do vệ tinh phát về phía Việt nam giảm) thì sự suy giảm vùng phủ sóng giảm:
Với pfd = 113 dB(W/(m-2 MHz)), hệ số suy giảm vùng phủ sóng của trạm gốc BTS tại Việt Nam là 0.968, dẫn đến diện tích vùng phủ bị giảm khoảng 32% Điều này yêu cầu tăng số trạm BTS lên 3.2%, gây thiệt hại kinh tế đáng kể.
+ Với pfd = 115 dB(W/(m- 2 MHz)) thì sự suy giảm vùng phủ và tỷ lệ tăng số trạm BTS là 2.1%.
+ Với pfd = 118 dB(W/(m- 2 MHz)) thì sự suy giảm vùng phủ và tỷ lệ tăng số trạm BTS là 1.1%
+ Với pfd= 122 dB(W/(m- 2 MHz)) thì giá trị suy giảm vùng phủ và tỷ lệ tăng số trạm BTS chỉ còn là 0.5%.
4) Với các giá trị pfd thấp hơn 122 dB(W/(m- 2 MHz)) thì mức độ suy giảm vùng phủ sóng của trạm BTS sẽ tiến gần tới giá trị 0% Tuy nhiên giá trị của pfd , càng thấp thì càng khó cho nhà khai thác vệ tinh trong việc thiết kế anten vệ tinh và trong việc phát đủ công suất để đảm bảo chất lợng dịch vụ
5) Các kết quả trên chỉ dựa trên giả định đối với các tham số đầu vào là:
Chỉ có một vệ tinh duy nhất, N SAT HEO của Nhật, phát sóng tại mỗi thời điểm Nếu có thêm một hệ thống vệ tinh tương tự, tỷ số Isat/Nth của khu vực sẽ tăng, dẫn đến việc vùng phủ sóng sẽ suy giảm nhiều hơn so với khi chỉ có vệ tinh N SAT HEO hoạt động.
Mức PFD (Power Flux Density) được xác định bởi hai tham số cơ bản là công suất phát và độ tăng ích của anten, trong đó độ tăng ích phụ thuộc vào giản đồ phát xạ Điều này là hợp lý vì chỉ khi đạt được thỏa thuận về mức PFD phát ra trong khu vực dịch vụ, nhà khai thác vệ tinh mới có thể hoàn thiện thiết kế anten cuối cùng.
Giản đồ phát xạ anten BTS theo Khuyến nghị ITU R M.1646 hiện tại chỉ cung cấp thông tin về phần bên - ngoài góc 3dB, và ITU đang tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện Khi ITU công bố giản đồ phát xạ chi tiết hơn, sẽ có khả năng thực hiện các phép tính với độ chính xác cao hơn.
Dựa trên kết quả và nhận xét, mức pfd mà vệ tinh N-SAT HEO phát tại Việt Nam là 122 dB(W/(m².MHz)) sẽ ít gây thiệt hại cho hệ thống di động 3G băng 2.6GHz, trong khi mức pfd = -113 dB(W/(m².MHz)) có ảnh hưởng đáng kể Do đó, Việt Nam cần yêu cầu vệ tinh N-SAT HEO của Nhật không phát với mức pfd cao hơn 122 dB(W/(m².MHz)) tại lãnh thổ Việt Nam.
Kiến nghị
- Nếu có nhiều hơn một vệ tinh hoạt động trong băng tần này, cần đa vào phÐp tÝnh;
- Nếu giản đồ phát xạ của anten trạm gốc 3G đợc hoàn chỉnh hơn thì cần cập nhật để tính lại
Việt Nam vẫn đang sử dụng băng tần này cho hệ thống truyền hình MMDS, vì vậy cần tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của MMDS đến hệ thống 3G Nếu mức độ ảnh hưởng là ít trong một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như khoảng cách giữa hai hệ thống, thì có thể tận dụng và tiếp tục sử dụng hệ thống MMDS khi triển khai 3G.
Công nghệ Wi Max đang trong quá trình hoàn thiện và thử nghiệm, với băng tần 2.6GHz là một trong những băng tần dự kiến sử dụng Việc triển khai Wi-Max trên băng tần này cần được đánh giá kỹ lưỡng về ảnh hưởng tương tự.