NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ALE 3G TRONG THÔNG TIN SÓNG NGẮN

ALE có nghĩa là Thiết lập kênh truyền tự động và dùng để chỉ hệ thống thông tin có khả năng tự động chọn kênh (tần số công tác) trong tập hợp các kênh đã chuẩn bị nhằm nâng cao độ tin cậy của thông tin liên lạc trong điều kiện kênh truyền bị tác động mạnh của nhiễu.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Lê Văn Ngọc NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ALE 3G TRONG THÔNG TIN SÓNG NGẮN Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Nhân Phản biện 1: TS. Đặng Hoài Bắc Phản biện 2: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 8 giờ 50 ngày 9 tháng 8 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU ALE có nghĩa là "Thiết lập kênh truyền tự động" và dùng để chỉ hệ thống thông tin có khả năng tự động chọn kênh (tần số công tác) trong tập hợp các kênh đã chuẩn bị nhằm nâng cao độ tin cậy của thông tin liên lạc trong điều kiện kênh truyền bị tác động mạnh của nhiễu. Một vấn đề mới nảy sinh là sản phẩm của các nhà sản xuất HF riêng rẽ không có tính tương tác lẫn nhau. Trong các chế độ tự động hóa cao của các máy thu phát HF mới, không thể đảm bảo tự động kết nối giữa các mạng sử dụng thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau nên cần phải có một tiêu chuẩn thống nhất cho ALE. Hai tiêu chuẩn ALE ra đời năm 1990 là MIL-STD-188-141A dành cho thông tin quân sự và FED-STD-1045 dành cho thông tin dân sự. Các tiêu chuẩn mới nhất hiện nay (năm 1998) là MIL-STD-188-141B và STANAG 4538 đã được chấp nhận. Hiện nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, cùng với các kỹ thuật mã hóa tín hiệu, các hệ thống thông tin sóng ngắn cũng cũng có những bước phát triển vượt bậc về công nghệ. Vì vậy đặt ra yêu cầu về khả năng thiết lập đường truyền nhanh hơn, khả năng thiết lập đường truyền tốt hơn, khả năng hỗ trợ tốt hơn cho các giao thức và ứng dụng trên Internet nên chuẩn ALE 3G được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu đó. Vì vậy tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng ALE 3G trong thông tin sóng ngắn”. Nội dung luận văn gồm 3 chương; Chương 1 trình bày về phương thức truyền sóng ngắn qua tầng điện ly gồm các ảnh hưởng của tầng điện ly trong truyền sóng ngắn, nhiễu vô tuyến, tổn hao khi truyền sóng qua tầng điện ly, độ tin cậy của đường truyền tin; Chương 2 trình bày về ALE trong hệ thống thông tin sóng ngắn bao gồm các giao thức ALE 2G và ALE 3G; Chương 3 trình bày về ứng dụng của ALE 3G trong thông tin vô tuyến điện sóng ngắn. 2 Chương1 - PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG NGẮN QUA TẦNG ĐIỆN LY 1.1. Đặc điểm, cấu trúc và các tham số của tầng điện ly 1.1.1. Đặc điểm và cấu trúc của tầng điện ly Tầng điện ly là tầng nằm trên cùng của khí quyển với độ cao từ (60  500) Km có vai quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện. Bằng nhiều phương pháp thực nghiệm, như dùng tín hiệu vô tuyến phát thẳng đứng lên tầng điện ly rồi thu tín hiệu phản xạ về để phân tích, người ta đã phân chia tầng điện ly thành bốn lớp cơ bản là: D, E, F 1 và F 2 . Lớp D: Là lớp ion hóa thấp nhất của tầng điện ly, nằm ở độ cao từ (50100)km. Lớp D ít có tác động đối với phản xạ sóng vô tuyến mà chỉ có tác động hấp thụ là chủ yếu Lớp E: Lớp E là lớp ở giữa của tầng điện ly, nằm ở độ cao từ (100140) km. Lớp này có thể phản xạ các sóng vô tuyến điện có tần số dưới 10 MHz. Các sóng có tần số cao hơn, lớp này sẽ hấp thụ năng lượng. Chiều cao của lớp E phụ thuộc vào ngày và đêm. Lớp F: Là lớp nằm ở độ cao từ (140500) km so với mặt đất. Lớp F có vai trò đặc biệt quan trọng trong thông tin vô tuyến điện sóng ngắn. Đối với những ngày bình thường ban ngày lớp này tách thành hai lớp, lớp F 1 có độ cao khoảng (140200) km và lớp F 2 có độ cao (200300) km. Lớp F có tác dụng phản xạ tín hiệu vô tuyến điện sóng ngắn [1]. 1.1.2. Các tham số cơ bản của tầng điện ly Tầng điện ly được đặc trưng bởi hai tham số cơ bản: Độ điện thẩm tương đối của tầng điện ly và độ điện dẫn của tầng điện ly. 3 1.2. Bản đồ dự báo tần số phản xạ cực đại của tầng điện ly Khi liên lạc bằng sóng ngắn có thể tận dụng sự phản xạ sóng từ tầng điện ly để thực hiện liên lạc ở cự ly xa có thể tới hàng ngàn kilômét. Chiều dài hoặc một khoảng cách một bước nhảy của sóng phản xạ từ lớp F 2 đạt tối đa là 4000km. Có nhiều loại bản đồ dự báo tần số phản xạ cực đại của tầng điện ly, nhưng thông dụng nhất là bản đồ MUF-0 và MUF-4000. MUF-4000 là tần số phản xạ cực đại ứng với bước nhảy cực đại 4000km, tương ứng với góc tiếp tuyến với quả đất. 1.3. Tổn hao khi truyền sóng phản xạ từ tầng điện ly Một trong những ảnh hưởng của tầng điện ly tới quá trình truyền sóng là sự hấp thụ sóng điện từ làm suy giảm tín hiệu tới máy thu. 1.4. Độ tin cậy của đường truyền tin Đối với một kênh thông tin thì độ tin cậy là một tham số rất quan trọng. Trong hệ thống thông tin sóng ngắn, độ tin cậy của đường thông tin được đánh giá bằng xác suất đảm bảo liên lạc thông suốt trong từng khoảng thời gian. Độ tin cậy của đường thông tin phụ thuộc vào tỷ lệ tín/ tạp ( ký hiệu SNR) tại đầu vào máy thu. 1.5. Truyền tin sóng ngắn qua tầng điện ly 1.5.1. Đặc điểm Sóng ngắn có thể truyền lan theo phương thức truyền lan sóng đất và phản xạ từ tầng điện ly. Khi truyền bằng phương thức sóng đất, do bị hấp thụ lớn trong mặt đất bán dẫn điện, nên cự ly bị hạn chế. Khi truyền lan bằng cách phản xạ từ tầng điện ly, sự hấp thụ của tầng điện ly với sóng ngắn không đáng kể có thể phản xạ ở các lớp F 1 và F 2 . 1.5.2. Điều kiện để đảm bảo liên lạc của thông tin sóng ngắn 4 Điều kiện đảm bảo để có thể thực hiện thông tin sóng ngắn phản xạ từ tầng điện ly là: 1/ Tần số liên lạc f phải nhỏ hơn tần số cực đại f MUF . 2/ Tần số liên lạc phải đảm bảo đủ lớn là f > f LUF cùng với công suất phát cần thiết để bù trừ cho sự tổn hao của sóng trong lớp D và E . Để tính toán chính xác tần số công tác trong một ngày cần phải tra trên bản đồ tầng điện ly hoặc dùng phần mềm máy tính. 1.5.3. Hiện tượng pha đinh và cách khắc phục Trong truyền sóng ngắn ngoài hiện tượng pha đinh do sự giao thoa sóng của các tia sóng đến bằng các con đường khác nhau như đã phân tích trên còn xuất hiện pha đinh do phân cực. 1.5.4. Ảnh hưởng của chu kỳ bức xạ mặt trời đến truyền lan sóng ngắn Các quan sát về thiên văn học đó kết luận rằng, hoạt tính bức xạ của mặt trời thay đổi có tính chu kỳ. Sự biến thiên của hoạt tính mặt trời mang tính chu kỳ đó phù hợp với sự biến đổi về số lượng và diện tích các vệt đen (Sunspot) cũng như các đốm sáng của mặt trời. Khi hoạt tính bức xạ của mặt trời tăng thì mật độ điện tử của tất cả các lớp ion hóa trong tầng khí quyển cũng sẽ tăng. 1.5.5. Ảnh hưởng của nhiễu loạn điện từ đến truyền lan sóng ngắn Tần số (MHz) Thời gian trong ngày (giờ địa phương) Hình 1.10. Phân bố các tần số trong ngày 5 Có bốn dạng nhiễu loạn điện từ chính ảnh hưởng đến truyền lan sóng ngắn, đó là: nhiễu loạn điện ly do bão từ toàn cầu, hấp thụ trong vùng quang cực, hấp thụ ở vùng chỏm cực và các hấp thụ đột ngột. 1.6. Kết luận chương Như vậy chương 1 đi giới thiệu cơ bản phương thức truyền lan sóng vô tuyến, các yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến máy thu, giới thiệu chi tiết cấu trúc tầng điện ly, đặc điểm phản xạ của các lớp từ lớp D đến lớp F2, giới thiệu về các bản đồ và phương pháp tính tần số cực đại, tần số cực tiểu, và suy hao khi truyền tin qua tầng điện ly, và đặc biệt chương 1 trình bày rất chi tiết về các phương thức truyền sóng ngắn qua tầng điện ly đây là cơ sở rất quan trọng trong việc tính toán các dải tần làm việc tối ưu cho thông tin sóng ngắn. Chương 2. ALE TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SÓNG NGẮN 2.1. Tổng quan ALE 2.1.1. Lịch sử hình thành ALE Hệ thống ALE đầu tiên được phát triển vào cuối thập niên 1970 và đầu những năm 1980 bởi một số nhà sản xuất vô tuyến. Các dòng ALE đầu tiên thường không tương thích giữa các nhà cung cấp .Sau đó, một nỗ lực hợp tác giữa các nhà sản xuất và chính phủ Mỹ dẫn đến một thế hệ thứ hai của ALE bao gồm các tính năng của hệ thống thế hệ đầu tiên. Hệ thống tiêu chuẩn thế hệ thứ hai ALE 2G vào năm 1986, MIL-STD- 188 - 141A, đã được thông qua cho các bang của Mỹ. Trong cuối những năm 1990, một thế hệ thứ ba ALE 3G với cải thiện đáng kể khả năng và hiệu suất đã được giới thiệu trong MIL-STD- 188 - 141B, và trong NATO STANAG 4538. 2.1.2. Hoạt động của ALE ALE là một chuẩn thông tin trên thế giới thực hiện để khởi tạo và tiến hành thông tin vô tuyến HF ở dạng số. ALE là một đặc trưng 6 của một hệ thống thu phát vô tuyến điện HF, nó cho phép các trạm vô tuyến thực hiện kết nối, khởi tạo một mạng thông tin giữa bản thân trạm thu phát HF với các trạm thu phát HF khác, hoặc với một mạng vô tuyến HF. Mục đích là để cung cấp một phương pháp gọi và kết nối nhanh, tin cậy trong điều kiện biến đổi liên tục của tầng điện ly, nhiễu vô tuyến, và việc dùng chung phổ tần trên các kênh HF. Một máy vô tuyến ALE độc lập là sự kết hợp giữa một máy thu phát HF đơn biên với một bộ điều khiển bên trong và một modem MFSK. Nó được lập trình với một địa chỉ ALE duy nhất, giống như một số điện thoại (trong thế hệ mới hơn là tên người dùng). Để kết nối với một trạm xác định, máy gọi sẽ nhập vào địa chỉ ALE. Trên rất nhiều máy ALE, thao tác này giống như ấn một số điện thoại. Bộ điều khiển ALE sẽ chọn kênh truyền rỗi có chất lượng tốt cho kết nối này. Sau khi xác nhận kênh truyền rỗi thực sự, nó sẽ gửi một tín hiệu lựa chọn cuộc gọi để xác định đến máy nhận. Trong khi đó, trạm thu sẽ thu quét trên bảng danh sách kênh ALE, nó chỉ dừng quét và ở tại một kênh khi xác nhận có cuộc gọi cho nó. Bộ điều khiển ALE của cả hai trạm tự động bắt tay để xác nhận một kết nối với chất lượng kênh đảm bảo đã được thiết lập. Sau khi kết nối thành công, các trạm thu thường phát ra một âm thanh báo động và hiển thị một thông báo trực quan để các nhà điều hành nhận biết được, do đó xác định các cuộc gọi đến. Nó cũng chỉ ra tên hiệu hoặc thông tin nhận dạng khác của trạm được kết nối, tương tự như ID gọi. Các nhà điều hành sau đó thương lượng một liên kết dữ liệu bằng cách sử dụng giọng nói hoặc định dạng tin nhắn văn bản ngắn. 7 2.1.3. Các tham số ALE Bộ nhớ kênh: Thiết bị có khả năng lưu trữ ít nhất 100 kênh khác nhau bao gồm tần số thu và phát cùng với các chế độ thông tin liên quan xem thông tin về kênh trong chế độ bình thường gồm: + Công suất phát + Sử dụng lưu lượng hoặc kênh ( tiếng nói, dữ liệu) + Dò dữ liệu + Dạng điều chế ( kết hợp với tần số ) + Chế độ thu/phát + Độ rộng bộ lọc + Cài đặt điều khiển khuếch đại tự động ( AGC ) 2.2. ALE 2G 2.2.1. Giới thiệu ALE 2G Hiện nay các thiết bị vô tuyến thường được thiết kế dựa trên 2 chuẩn chủ yếu là MIL-STD 188-141A của quân đội Mỹ và FED- 1045 của Nato. Tầng kết nối dữ liệu ALE chia làm 3 tầng con như ở hình 2.1, trong đó tầng thấp nhất sửa lỗi đường truyền sử dụng mã Golay để mã hóa 24 bít từ ALE thành 48 bít, tầng tiếp theo là tầng bảo vệ đường truyền, và cuối cùng tầng giao thức. Nhìn chung với nhiều thiết bị vô tuyến hiện nay người ta thiết kế theo nguyên tắc này nhưng cũng có nhiều thiết bị sẽ thiết kế lược bớt đi một số phần nhỏ bên trong. 2.2.2. Dạng sóng dùng trong ALE 2G Dạng sóng của tín hiệu 2G được thiết kế để phù hợp với chuẩn tín hiệu thoại băng hẹp SSB 3 kHz, phương pháp điều chế 8 FSK và đôi khi cũng có thể gọi là MFSK với 8 tone trực giao từ 750 Hz đến 2500 Hz. Mỗi tone có độ dài 8 ms, kết quả được truyền qua không khí với tốc độ biểu tượng là 125 biểu tượng/giây, tương ứng với tốc độ dữ liệu thô là 375 bit/s. 8 Dữ liệu ALE được định dạng vào các khung 24 bít trong đó có 3 bít mào đầu và 3 ký tự ASCII, mỗi ký tự có 7 bít. Đầu thu giải mã tín hiệu bằng kỹ thuật xử lý số tín hiệu và có thể giải mã bằng tín hiệu 8 FSK ở tỷ lệ tín hiệu cực âm với nhiễu, có nghĩa là nó có thể tách tín hiệu ra khi nhiễu ở mức thấp. 2.2.3. Mã sửa lỗi đường truyền FEC ALE 2G sử dụng mã sửa lỗi đường truyền Golay (24, 12, 3), mã FEC được tạo từ đa thức g(x) = x 11 + x 9 + x 7 + x 6 + x 5 + x + 1 (2.1). 2.2.4. Xáo trộn và giải xáo trộn Các bít từ cơ bản W1 ( bít có trọng số cao nhất) đên W24 ( bít trọng số thấp nhất) và tổng hợp các bít FEC Golay G1 đến G24 ( với G13 đến G24 được đảo vị trí ) sẽ được xáo trộn tạo thành 48 bít trước khi truyền sau đó cộng thêm bít chèn thành 49 bít, ( giá trị =0 ) sẽ cấu thành nên từ được truyền và chúng sẽ được truyền A1,B1,A2,B2,…, A24, B24, S49 2.2.5. Cấu trúc từ mã ALE Từ ALE cơ bản sẽ chứa 24 bít thông tin, được chỉ rõ W1 ( MSB ) đến W24 ( LSB ). Các bít sẽ được thiết kế như được chỉ ra ở hình 2.7. Hình 2.7. Cấu trúc từ ALE cơ bản [3] [...]... bằng thông tin sóng ngắn Luận văn cũng đã tập trung nghiên cứu các tiêu chuẩn thiết lập đường truyền tự động ( ALE ) như ALE 2G và ALE 3G trong đó nêu các bước xử lý tín hiệu của ALE 2G và cũng đi giới thiệu các từ ALE, cấu trúc địa chỉ được dùng trong ALE 2G Đối với ALE 3G tác giả đã nghiên cứu khái quát chung về ALE 3G và các dạng sóng từ BW0 ÷ BW4 được sử dụng trong giao thức, trong đó đi nghiên cứu. .. về ALE 3G, phương pháp đánh địa chỉ trong ALE 3G, cách thiết lập một kết nối, các chế độ quét trong ALE 3G và đi giới thiệu về các dạng sóng được sử dụng trong ALE 3G ( BW0 ÷ BW4 ) trong đó giới thiệu chi tiết về dạng sóng BW0 Chương 3: ỨNG DỤNG ALE 3G TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐIỆN SÓNG NGẮN 3.1 Tổng quan Ngày nay với sự tiến bộ trong cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, sự phát triển mạnh mẽ của mạng... hệ ALE, từ thế hệ ALE đầu tiên cho đến thế hệ ALE thứ 3 Trong chương chủ yếu trình bày về nội dung của 2 thế hệ ALE là ALE 2G và ALE 3G 17 Trong ALE 2G giới thiệu chi tiết các kỹ thuật sử dụng trong ALE 2G như là mã sữa lỗi đường truyền, cấu trúc từ ALE, kỹ thuật xáo trộn và phương pháp đánh địa chỉ trong ALE 2G… Trong phần ALE 3G đi giới thiệu tổng quan về ALE 3G, phương pháp đánh địa chỉ trong ALE. .. sử dụng trong giao thức, trong đó đi nghiên cứu sâu về dạng sóng BW0 Bên cạnh đó tác giả cũng đưa ra một mô hình ứng dụng hiện nay của hệ thống thông tin vô tuyến điện sóng ngắn sử dụng giao thức ALE 3G Hạn chế của luận văn, do hiện nay giao thức ALE 3G đang còn mới vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong các mạng thông tin vô tuyến điện sóng ngắn trên thế giới, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có thiết bị... các trạm ALE có khả năng lưu trữ ít nhất 20 địa chỉ, mỗi địa chỉ lên đến 15 ký tự Dưới đây là bảng 38 ký tự ASCII dùng trong mã hóa cho địa chỉ ALE 2.3 ALE 3G 2.3.1 Tổng quan ALE 3G ALE là tính năng tiên tiến của các thiết bị vô tuyến điện sóng ngắn, trong đó thiết bị tự động dò tìm tần số tốt nhất để thiết lập liên lạc Thế hệ mới nhất ALE 3G có rất nhiều ưu điểm vượt trội như: Thiết lập nhanh, tin cậy... tần số Sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian có cảm nhận sóng mang để tránh xung đột kênh truyền 2.3.2 Kiến trúc cơ bản của ALE 3G Hệ thống ALE 3G có thể hoạt động ở trong 3 chế độ đồng bộ qua GPS, đồng bộ qua đồng hồ nội bên trong máy và bên cạnh đó nó còn có thể hoạt động ở chế độ bất đồng bộ để kết nối với các hệ thống ALE 2G khác Đánh địa chỉ trong ALE 3G: Hệ thống 3G sử dụng 11... tập trung Công nghệ ALE 3G là công nghệ mới cho phép thiết lập và duy trì đường truyền một cách tự động với hiệu quả và độ tin cậy cao Trong mạng thông tin sóng ngắn theo mô hình tổ ong, công nghệ ALE 3G được phát triển thêm một bậc Các thiết bị không liên lạc trực tiếp với nhau như trước mà sẽ liên lạc thông qua các trạm cố định Khi ở chế độ chờ, các điện đài di động sẽ thu thông tin phát ra từ các... khoa học kỹ thuật ngày càng cao các hệ thống thông tin vô tuyến điện không bó hẹp trong phạm vi liên lạc giữa các máy sóng ngắn với nhau, mà nó sẽ là hệ thống gồm rất nhiều các thiết bị truyền dẫn, điện thoại IP, máy vô tuyến điện, mạng Internet… gắn kết với nhau Chuẩn ALE 3G cho thiết bị vô tuyến điện sóng ngắn đã cơ bản đáp ứng được yêu cầu đó Qua việc nghiên cứu luận văn tác giả đã đưa ra được cấu trúc... tới Internet [7] 3.2 Các ứng dụng hỗ trợ Internet 3.2.1 Hỗ trợ cho những ứng dụng Internet Khi một mạng con HF được liên kết với một mạng con khác sử dụng bộ giao thức IP, các ứng dụng Internet có thể sử dụng mô tả trong hình 3.2 Đối với những ứng dụng Internet, ALE 3G (chỉ ra ở hình 3.2) sẽ cung cấp hiệu suất cao hơn so với ALE 2G 3.2.2 Những yêu cầu cụ thể khi chuyển thư điện tử qua HF Phần này trình... dịch pha 8 mức (8PSK) với tần số sóng mang 1800 Hz và tốc độ ký hiệu 2400 biểu tượng/giây tạo ra tín hiệu băng cơ sở Các dịch vụ yêu cầu độ chính xác cao hơn và có tốc độ dữ liệu thấp hơn sẽ có tỷ lệ mã sửa sai và tỷ lệ lặp cao hơn và ngược lại ALE 3G cung cấp 5 loại sóng BW0 ÷ BW4 cho các loại dịch vụ khác nhau Các loại mã sửa lỗi ứng dụng trong ALE 3G: ALE 3G sử dụng mã sửa lỗi là mã xoắn với tỷ . Chương 2 trình bày về ALE trong hệ thống thông tin sóng ngắn bao gồm các giao thức ALE 2G và ALE 3G; Chương 3 trình bày về ứng dụng của ALE 3G trong thông tin vô tuyến điện sóng ngắn. 2 Chương1. cho các giao thức và ứng dụng trên Internet nên chuẩn ALE 3G được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu đó. Vì vậy tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng ALE 3G trong thông tin sóng ngắn . Nội dung luận. thiệu về các dạng sóng được sử dụng trong ALE 3G ( BW0 ÷ BW4 ) trong đó giới thiệu chi tiết về dạng sóng BW0. Chương 3: ỨNG DỤNG ALE 3G TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐIỆN SÓNG NGẮN 3.1. Tổng quan