Mô phỏng vùng phủ sóng di động cho vùng ngoại thành dùng Wireless Insite

- Mật độ dân số thấp yêu cầu nhiều hệ thống mạng có qui mô lớn do đó sẽ tăng các chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí hoạt động - Hiệu suất kinh doanh thấp do nhu cầu và sức sử dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN ĐỨC TÂN

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NÔNG THÔN Ở VIỆT NAM 2

1.1 Tổng quan về công nghệ WiMAX 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX [4] 3

1.1.3 Một số mô hình triển khai Wimax 5

1.1.3.1 Mô hình mạng Wimax cố định 5

1.1.3.2 Mô hình mạng Wimax di động 6

1.2 Khả năng áp dụng WiMAX cho khu vực nông thôn tại Việt Nam 7

1.2.1 Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực nông thôn Việt Nam 7 1.2.2 Giải pháp Internet cho khu vực nông thôn 8

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG OUTDOOR 9

2.1 Hệ thống thông tin 9

2.2 Hệ thống thông tin vô tuyến 10

2.2.1 Khái niệm 10

2.2.2 Kênh truyền vô tuyến [3] 11

2.2.3 Cơ chế lan truyền [3] 12

2.2.3.1 Phản xạ 13

2.2.3.2 Nhiễu xạ 14

2.2.3.3 Tán xạ 14

2.2.4 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 14

2.2.4.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 14

2.2.4.2 Hiệu ứng bóng râm (shadowing) 15

2.3 Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời (outdoor) [3] 16

2.3.1 Mô hình Longley-Rice 16

2.3.2 Mô hình Durkin 16

2.3.3 Mô hình Okumura 18

2.3.4 Mô hình Hata 19

CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI TỈNH

BẮC NINH 22

3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng điện từ trường Wireless Insite [5] 22

3.2 Mô phỏng vùng phủ sóng di động ở khu vực tỉnh Bắc Ninh 25

3.2.1 Vị trí địa lí và đặc điểm địa hình của tỉnh Bắc Ninh [6] 25

3.2.2 Đặc điểm về kiến trúc hạ tầng tỉnh Bắc Ninh 26

3.2.3 Chương trình mô phỏng 27

3.2.3.1 Trường hợp 1 – Mô phỏng vùng phủ sóng Wimax ở tần số 450Mhz 27

3.2.3.2 Mô phỏng vùng phủ sóng Wimax trên băng tần 2.5GHz 40

3.2.3.3 So sánh kết quả thu được trong 2 trường hợp mô phỏng 46

3.3 Kết luận 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống WiMAX [4] 2

Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wimax cố định [4] 6

Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wimax [4] 7

Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản 9

Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến [1] 11

Hình 2.2: Tia truyền thẳng 12

Hình 2.3:Sự suy giảm 13

Hình 2.4: Hiện tượng phản xạ 13

Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ 14

Hình 2.6: Hiện tượng tán xạ 14

Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường 15

Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát 17

Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát 17

Hình 2.10 : Họ đường cong Okumura 19

Hình 2.11 : Sự mất mát công suất theo khoảng cách trong mô hình Hata 20

Hình 3.1: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực thành phố 22

Hình 3.2: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực đồi núi 23

Hình 3.3: Cửa sổ Main 23

Hình 3.4: Cửa sổ Project View 24

Hình 3.5: Tỉnh Bắc Ninh trên bản đồ 26

Hình 3.6: Tạo porject 27

Hình 3.7: File city trong cửa sổ 2D 28

Hình 3.8: File city trong cửa sổ 3D 29

Hình 3.9: Địa hình tỉnh Bắc Ninh 29

Hình 3.10: Dạng sóng 450-5MHz 30

Hình 3.11: Anten đẳng hướng cho trạm phát 31

Hình 3.12: Anten đẳng hướng cho trạm thu 31

Hình 3.13: Trạm phát 32

Hình 3.14: Trạm thu 33

Hình 3.15: Cửa sổ tạo vùng khảo sát 33

Hình 3.16: Vùng khảo sát 34

Hình 3.17: Lựa chon thông số đầu ra mong muốn 34

Hình 3.18: Tổng quan về project trong không gian 3 chiều 35

Hình 3.19: Tổng quan về project trong không gian 2 chiều 35

Hình 3.20: Cửa sổ calculation log 36

Hình 3.21: Cửa sổ project hierarchy 37

Hình 3.22: Vùng phủ sóng khi sử dụng anten đẳng hướng 38

Hình 3.23: File công suất thu 38

Hình 3.24: Vùng phủ sóng khi sử dụng băng tần 450MHz – vẽ bằng Matlab 39

Hình 3.25: Dạng sóng 2.5 GHz 40

Hình 3.26: Anten phát với tần số 2.5 GHz 41

Hình 3.27: Anten thu với tần số 2.5 GHz 41

Hình 3.28: Trạm phát ở tần số 2.5GHz 42

Hình 3.29: Trạm thu với tần số 2.5GHz 43

Hình 3.30: Cửa sổ calculation log trong trường hợp 2 44

Hình 3.31: Vùng phủ sóng ở băng tần 2.5GHz 45

Hình 3.32: file công suất thu được trong trường hợp sử dụng băng tần 2.5GHz 45 Hình 3.33: Vùng phủ sóng ở băng tần 2.5GHz – vẽ bằng Matlab 46

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -75dBm – băng tần 450MHz 39 Bảng 3.2: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -75dBm – băng tần 2.5 GHz 46

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CPE : Customer Premises Equipment

BS : Base Station

DSL :Digital Subcriber Line

LOS : Line of Sight

MAC : Media Access Control

MS : Mobile Station

NLOS : No – Line of Sight

PDA :Personal Digital Assistant

SLA : Service Level Agreement

WiMAX : Wireless Metropolitan Area Network

MỞ ĐẦU

Từ khi chính thức được cung cấp tại Việt Nam năm 1997 đến nay, internet

đã phát triển nhanh chóng, không chỉ về "lượng" mà cả về "chất" Việt Nam là nước nằm trong danh sách 20 quốc gia trên thế giới có số người sử dụng internet cao nhất Ngoài các dịch vụ Internet thông thường, các dịch vụ Internet băng rộng cũng đang được phát triển ngày càng mạnh mẽ Tuy nhiên, số lượng người dùng internet vẫn ở mức hơn 30 triệu người/gần 90 triệu dân và khoảng cách sử dụng internet giữa nông thôn và thành thị vẫn tương đối xa

Có ba lý do chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ Internet ADSL truyền thống không triển khai ở các vùng nông thôn là:

- Vị trí địa lý phức tạp tạo ra khó khăn khi lắp đặt, duy trì và bảo dưỡng hệ thống mạng ở các vùng rừng núi trung du

- Mật độ dân số thấp yêu cầu nhiều hệ thống mạng có qui mô lớn do đó sẽ tăng các chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí hoạt động

- Hiệu suất kinh doanh thấp do nhu cầu và sức sử dụng tại các vùng nông thôn rất thấp dẫn đến lợi nhuận không cao và thời gian thu hồi vốn đầu tư chậm

Để giảm đi sự mất cân bằng trên, một giải pháp kinh tế và thực tiễn là rất cần thiết để hòa mạng Internet tại các vùng nông thôn và trung du miền núi Đề tài luận văn này đưa ra giải pháp nhằm kết nối Internet tại các vùng nông thôn bằng cách kết hợp công nghệ WiMAX với cơ sở hạ tầng của truyền hình sẵn có

ở tần số không có sóng truyền hình để giảm thiểu chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí bảo dưỡng hệ thống trong quá trình khai thác Đề tài sẽ sử dụng phần mềm Wireless InSite để mô phỏng vùng phủ sóng WiMAX trên băng tần 450MHz tại tỉnh Bắc Ninh, một tỉnh có địa hình, dân số và kiến trúc cơ sở hạ tầng khá giống với nhiều tỉnh thành của Việt Nam và khu vực Đông Dương, do

đó mà nó có tínhđiển hình rất cao Từ đó đưa ra giải pháp triển khai Internet cho khu vực nông thôn của Việt Nam

Luận văn bao gồm các chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX và khả năng áp dụng cho vùng nông thôn ở Việt Nam

Chương 2: Hệ thống thông tin vô tuyến và các mô hình truyền sóng outdoor Chương 3: Mô phỏng vùng phủ sóng di động tại tỉnh Bắc Ninh

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX VÀ KHẢ NĂNG

ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NÔNG THÔN Ở VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.1.1 Giới thiệu chung

WiMAX viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access

là tiêu chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Phiên bản tiêu chuẩn 802.16 ban đầu áp dụng cho các ứng dụng trong băng tần được cấp phép trong dải tần từ 10 đến 66 GHz, yêu cầu có các trạm phát trong tầm nhìn thẳng Sau này tiêu chuẩn giao diện vô tuyến 802.16 được mở rộng cho các ứng dụng tầm nhìn hạn chế NLOS (non-line of sight) trên băng tần được cấp phép và không được cấp phép trong dải tần số từ 2 - 11GHz Kết hợp với các tính năng của hai hệ thống Wireless LAN và WAN, hệ thống WiMAX đưa ra một giải pháp vô tuyến cố định hiệu quả để thay thế những đường dây DSL và các hệ thống cáp tại những khu vực mà công nghệ đã sẵn sàng Và quan trọng hơn công nghệ WiMAX có thể cung cấp một giải pháp truy nhập băng rộng hiệu quả tại những khu vực mà không thể thực hiện đối với các

hệ thống cáp và DSL Hiện nay IEEE 802.16 đã mở rộng tiêu chuẩn cho các ứng dụng di động do vậy có thể truy nhập trực tiếp từ các thiết bị xách tay từ smartphone và PD đến máy tính xách tay [4]

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống WiMAX[4]

Hệ thống MAN vô tuyến dựa trên tiêu chuẩn giao diện vô tuyến được cấu hình gần giống với cấu hình của mạng tế bào truyền thống Các trạm gốc đặt tại các vị trí phù hợp để triển khai cấu trúc điểm – đa - điểm để phân phát các dịch

vụ với các bán kính phủ sóng có thể lên đến vài km phụ thuộc vào tần số, công suất phát và độ nhạy phía thu Trong những khu vực có mật độ cao phạm vi phủ sóng có thể được giới hạn hẹp hơn Các trạm gốc thường được kết nối với mạng lõi bằng hệ thống cáp quang hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm – điểm kết nối với các nút quang hoặc thông qua các đường leased line Phạm vi phủ sóng và khả năng truyền trong môi trường tầm nhìn hạn chế NLOS của WiMAX đã tạo

ra một công nghệ hiệu quả về mặt kinh tế hấp dẫn về mặt dịch vụ Công nghệ này có thể cung cấp các dịch vụ truy nhập băng rộng tại mọi nơi trong mạng MAN với các đặc tính và chất lượng dịch vụ thậm trí còn tốt hơn các hệ thống DSL, cáp hay T1/E1 leased line truyền thống

1.1.2 Đặc điểm của công nghệ WiMAX [4]

- Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm

– đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiển truy nhập – MAC) phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS) Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp

hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn

- Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

- Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố

để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Các nhà vận hành mà đã có được các đăng ký để sử dụng một trong các dải tần đăng ký, hoặc dự kiến sử dụng một trong các dải tần không đăng ký, không cần đệ trình các ứng dụng hơn nữa cho chính phủ

- Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các

SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức

- Tính tương thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có tính chất

rõ rệt nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải

và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì

nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị, và nó sẽ tiếp tục đưa chi phí thiết bị xuống khi có một sự chấp nhận đa số

- Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng

di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị

và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (nhiều đầu ra nhiều đầu vào), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và hand – off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h Mạng WiMax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu trong thành phố nào

- Lợi nhuận: WiMAX dựa vào một chuẩn quốc tế mở Sự chấp nhận đa số của chuẩn và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi phí giảm đột ngột và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng

kể cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Môi trường không dây được sử dụng bởi WiMAX cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phá vỡ những chi phí gắn với triển khai có dây, như thời gian và công sức

- Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thắng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

- Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao

và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) – cùng công nghệ thì có thể sử dụng cố

định và di động Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng

50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS)

- Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

- Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Các nhà vận hành có thể cấp phát lại phổ qua hình quạt như số thuê bao gia tăng Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

1.1.3 Một số mô hình triển khai Wimax

1.1.3.1 Mô hình mạng Wimax cố định

Mô hình WiMAX cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004 Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao.Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằng anten ngoài trời Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz Độ rộng băng tầng là 3,5MHz Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nói không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang)

No table of figures entries found.No table of figures entries found.

Hình 1:

Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wimax cố định [4]

WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS Về cách phân bố theo địa lý, người dùng có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó [1]

1.1.3.2 Mô hình mạng Wimax di động

Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới người sử dụng cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động tế bào 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây

có phạm vi phủ sóng rộng, thỏa mãn được các yêu cầu đa dạng của thuê bao Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua cuối năm 2005

Wimax di động là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng di động và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Giao diện Wimax di động sử dụng công nghệ OFDMA để cải thiện hiệu suất đa đường (multi – path) trong các môi trường NLOS

Các hệ thống Wimax di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ [4]

Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wimax [4]

1.2 Khả năng áp dụng WiMAX cho khu vực nông thôn tại Việt Nam 1.2.1.Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực nông thôn Việt Nam

Từ khi chính thức được cung cấp tại Việt Nam năm 1997 đến nay, internet

đã phát triển nhanh chóng, không chỉ về "lượng" mà cả về "chất" Việt Nam là nước nằm trong danh sách 20 quốc gia trên thế giới có số người sử dụng internet cao nhất Ngoài các dịch vụ Internet thông thường, các dịch vụ Internet băng rộng cũng đang được phát triển ngày càng mạnh mẽ Tuy nhiên, số lượng người dùng internet vẫn ở mức hơn 30 triệu người/gần 90 triệu dân và khoảng cách sử dụng internet giữa nông thôn và thành thị vẫn tương đối xa

Có ba lý do chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ Internet ADSL truyền thống không triển khai ở các vùng nông thông là:

- Vị trí địa lý phức tạp tạo ra khó khăn khi lắp đặt, duy trì và bảo dưỡng hệ thống mạng ở các vùng rừng núi trung du

- Mật độ dân số thấp yêu cầu nhiều hệ thống mạng có qui mô lớn do đó sẽ tăng các chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí hoạt động

- Hiệu suất kinh doanh thấp do nhu cầu và sức sử dụng tại các vùng nông thôn rất thấp dẫn đến lợi nhuận không cao và thời gian thu hồi vốn đầu tư chậm [7]

Vì những lí dó trên mà khoảng cách giàu nghèo giữa khu vực thành thị và nông thôn có xu hướng ngày càng tăng lên Đây cũng là nguyên nhân chính làm hạn chế cơ hội tiếp cận với Internet của người dân tại các vùng nông thôn

1.2.2.Giải pháp Internet cho khu vực nông thôn

Để giảm đi sự mất cân bằng trên, một giải pháp kinh tế và thực tiễn là rất cần thiết để hòa mạng Internet tại các vùng nông thôn và trung du miền núi Đề tài luận văn này đưa ra giải pháp nhằm kết nối Internet tại các vùng nông thôn bằng cách kết hợp công nghệ WiMAX với cơ sở hạ tầng của truyền hình sẵn có

ở tần số không có sóng truyền hình để giảm thiểu chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí bảo dưỡng hệ thống trong quá trình khai thác

Lý do lựa chọn giải pháp này là:

- Dải tần số tivi UHF có nhiều băng tần không sử dụng, có dung lượng băng thông lớn và có tính năng truyền dẫn tốt, vì vậy rất thích hợp cho vùng nông thôn, miền núi và trung du

- Bên cạnh đó, hiện nay đài truyền hình đã phủ sóng toàn quốc đến tận những vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo Tạo cơ sở hạ tầng vững chắc cho việc triển khai WiMAX cho các khu vực nông thôn

Luận văn sẽ tập trung vào việc mô phỏng vùng phủ sóng di động trên băng tần của tín hiệu truyền hình sử dụng phần mềm Remcom Wireless InSite cho khu vực nông thôn (cụ thể là tỉnh Bắc Ninh).Trước khi đi vào chi tiết về phần mềm và chương trình mô phỏng Tôi xin giới thiệu tổng quát về các mô hình phủ sóng outdoor và những ảnh hưởng của môi trường tới khả năng truyền sóng trongmôi trường outdoor ở chương tiếp theo

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG OUTDOOR

2.1 Hệ thống thông tin

Sự truyền tin: Là sự dịch chuyển thông tin từ điểm này đến điểm khác

trong một môi trường xác định

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến

Trong một hệ thống truyền tin, mô hình tổng quát nhất bao gồm ba thành phần sau: nơi phát hay còn gọi là nguồn phát hay nguồn tin, môi trường truyền (còn được gọi là kênh truyền) và nơi nhận tin hay nguồn nhận Khi nghiên cứu đến các quá trình mã hóa và giải mã thì mô hình này sẽ trở nên phức tạp hơn [1]

Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản

Nguồn phát: Là một tập hợp các tin mà hệ thống truyền tin dùng để lập

các bản tin hay thông báo (message) khác nhau để truyền tin Trong đó khái niệm bản tin chính là dãy tin được bên phát truyền đi Thông tin có thể thuộc nhiều loại như: một dãy kí tự như trong điện tín (telegraph) của các hệ thống gởi điện tín (teletype system); một hàm theo chỉ một biến thời gian f(t) như trong radio và điện thoại … Tuy nhiên, trước khi thông tin được truyền đi, tuỳ theo các yêu cầu của hệ thống truyền tin mà các tin có thể được mã hoá để nén, chống nhiễu, bảo mật,

Nguồn nhận: Là nơi tiếp nhận thông tin từ kênh truyền và cố gắng khôi

phục lại thành thông tin ban đầu như ở bên phát đã phát đi Tin đến được nơi nhận thường không giống như tin ban đầu được phát vì có sự tác động của nhiễu lên nó trong quá trình truyền Vì vậy khi nhận tin ở nơi nhận có thể phải thực hiện các công việc như phát hiện sai và sửa sai thông tin, ngoài ra nơi nhận còn

có thể phải thực hiện các công việc giải nén thông tin hay giải mã thông tin đã được mã hoá bảo mật nếu như bên phát đã thực hiện các việc nén hay bảo mật thông tin trước khi truyền đi

Kênh truyền: Đây là nơi hình thành và truyền (hoặc lưu trữ) tín hiệu mang

tin đồng thời ở đây xảy ra các tạp nhiễu (noise) phá hủy tin tức Trong lý thuyết

thông tin, kênh là một khái niệm trừu tượng đại diện cho hỗn hợp tín hiệu và tạp nhiễu Kênh tin là môi trường truyền tin từ nơi phát đến nơi nhận Môi trường truyền tin này rất đa dạng có thể đó là môi trường không khí trong đó thường xảy ra sự truyền tin dưới dạng âm thanh và tiếng nói, ngoài ra cũng có một vài dạng nữa chẳng hạn như truyền tin bằng lửa hay bằng ánh sáng; môi trường truyền tin cũng có thể là các tầng điện ly trong khí quyển nơi mà thường xuyên xảy ra sự truyền tin giữa các vệ tinh nhân tạo với các trạm rada ở dưới mặt đất;

nó cũng có thể là các đường truyền khác như đường truyền điện thoại nơi xảy ra

sự truyền tín hiệu mang tin là dòng điện hay đường truyền cáp quang trong đó tín hiệu mang tin là sóng ánh sáng … Thông thường cho dù trên loại kênh truyền nào cũng có nhiễu tác động lên thông tin được truyền và làm biến đổi thông tin này Rất ít có dạng kênh truyền lý tưởng tức là kênh truyền không có nhiễu phá hoại

2.2 Hệ thống thông tin vô tuyến

2.2.2 Kênh truyền vô tuyến [3]

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối

…, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading

Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do

đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để

có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của h ệ thống , kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc

độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền

2.2.3 Cơ chế lan truyền [3]

Tín hiệu được truyền từ nơi phát đến thiết bị nhận di động qua một hay nhiều sóng cơ sở Sóng cơ sở gồm 1 tia truyền thẳng (LOS _ hình 1.3) và một vài tia nhiễu xạ hay phản xạ bởi cấu trúc cơ sở như địa hình, bề mặt tường, trần, sàn … Sóng LOS có thể suy giảm bởi cấu trúc được xen vào giữa nơi truyền và thiết bị nhận (hình 1.4) Suy giảm càng cao khi tần số càng cao và đáng kể với tần số sử dụng cho vô tuyến tế bào (cellular) Giá trị suy hao tính theo dB và phụ thuộc vào bước sóng truyền, kích thước và vật liệu của vật cản

Hình 2.2: Tia truyền thẳng

Nếu vật gây phản xạ là điện môi hoàn hảo: có một phần sóng phản xạ, một phần truyền qua và không có mất mát năng lượng (không có hấp thụ)

Nếu vật gây phản xạ là vật dẫn hoàn hảo: tất cả bị phản xạ và không có mất mát

Hình 2.4: Hiện tượng phản xạ

Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ

2.2.4 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

2.2.4.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa

nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation)

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể

bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và

có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.Hình 2.7 biểu diện hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến

Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường

2.2.4.2 Hiệu ứng bóng râm (shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm.Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

2.3 Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời (outdoor) [3]

Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời được giới thiệu tiếp sau đây tính đến các địa hình mặt đất khác nhau, các vùng đồng bằng đồi núi hay các đô thị

có nhiều tòa nhà cao

Đối với một đường truyền đã cho, chương trình lấy các tham số lối vào là: tần số, độ dài đường truyền, cực tính, độ cao ăngten, khúc xạ bề mặt, bán kính hiệu dụng của trái đất, các hằng số dẫn điện và điện môi của mặt đất và khí hậu… Chương trình cũng tính đến góc ngẩng của ăngten, tính không đều đặn của địa hình

Phương pháp Longley-Rice hoạt động trong 2 mode:

- Khi mặt cắt địa hình của đường truyền có sẵn, các thông số đường truyền

được rút ra và dự đoán được gọi là dự đoán điểm – điểm

- Nếu mặt cắt đường truyền không có sẵn phương pháp cung cấp kỹ thuật

ước lượng thông số đường truyền và dự đoán mode vùng

Khi áp dụng vào môi trường thông tin di động ở thành phố đã có thêm các

số hạng hiệu chỉnh, xong nói chung mô hình Longley-Rice không cung cấp sự hiệu chỉnh xác định các nhân tử môi trường lân cận bộ thu hay tính đến ảnh hưởng của các tòa nhà, cây cối… Thêm vào đó hiệu ứng đa đường đã không được xem xét đến trong mô hình này

Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát

Ở đây: d1 = RA d2 = RB

… Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát

Dữ liệu địa hình có thể coi như một mảng 2 chiều.Mỗi phần tử trong mảng

là tọa độ điểm trên bản đồ, giá trị của nó cho độ cao so với mực nước biển Từ đây chương trình xây dựng mặt cắt địa hình từ nơi phát tới nơi thu theo phương pháp nội suy Mỗi giá trị nội suy là trung bình các giá trị của các nội suy theo các đường thẳng đứng, nằm ngang và chéo Sau đó mất mát đường truyền tính theo mô hình nhiễu xạ lưỡi dao

Phương pháp Durkin khá tiện lợi vì nó có thể đọc bản đồ số và tính toán được đường truyền xác định và vẽ được các đường đồng mức độ mạnh tín hiệu thu Nhược điểm của phương pháp này là không dự đoán được hiệu ứng lan truyền do cây cối, tòa nhà và các công trình do người mới xây và cả hiệu ứng đa đường nổi lên trong vùng đô thị

2.3.3 Mô hình Okumura

Mô hình này được dùng rộng rãi trong việc dự đoán tín hiệu ở vùng đô thị.Mô hình đáp ứng trong dải tần 150-1920MHz và cự ly 1 – 100Km Nó có thể

dùng cho chiều cao ăngten trạm cơ sở từ 30-1000m

Okumura đã phát triển một tập các đường cong cho sự suy giảm trung bình liên hệ với lan truyền tự do (Amu) trong vùng đô thị trên địa hình hầu như bằng phẳng với chiều cao ăngten hiệu dụng của trạm cơ sở (hte) đến 200m và chiều cao ăng ten máy di động (hre) tới 3m Những đường cong này được triển khai từ việc đo bao quát dùng ăngten tròn ở cả trạm cơ sở và di động và vẽ nó như một hàm của tần số trong dải từ 100MHz đến 1920MHz, cũng như là một hàm của khoảng cách T-R từ 1 km đến 100km Để xác định mất mát đường truyền trong mô hình này, mất mát lan truyền tự do được xác định trước sau đó giá trị Amu(f,d) (đọc từ tập đường cong) được cộng thêm vào cùng các hiệu

Hình 2.10 : Họ đường cong Okumura

Mô hình Okumura dựa trên các số liệu đo được mà không cho sự giải thích giải tích nào Trong nhiều trường hợp việc ngoại suy cũng có thể được thực hiện

để nhận được giá trị ở ngoài dải đo được Mô hình này được coi là chính xác và đơn giản nhất trong việc dự đoán mất mát lan truyền trong môi trường đô thị lộn xộn, nó rất thực tế và trở thành tiêu chuẩn cho việc kế hoạch hệ thông ở các hệ thông tin di động ở Nhật

2.3.4 Mô hình Hata

Mô hình Hata là một công thức hợp theo các đường cong Okumura có giá trị từ 150-1500MHz ứng dụng trong vùng đô thị Với công thức tiêu chuẩn cho bởi công thức 2.5

𝐿50 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛 𝑑𝐵 = 69.55 + 26.16 log 𝑓𝑐 − 13.82 log 𝑕𝑡𝑒 − 𝑎 𝑕𝑟𝑒 + (44.9 −

6.55 log 𝑕𝑡𝑒) log 𝑑 (2.5) Trong đó:

𝑓𝑐là tần số sóng mang (MHz) từ 150-1500(MHz)

𝑕𝑡𝑒là độ cao ăngten phát tính theo m (từ 30-200m)

𝑕𝑟𝑒là chiều cao ăngten nhận (từ 1-10m)

Mô hình này thích hợp với hệ di động tế bào lớn song không thích hợp với

hệ thông tin cá nhân (PCS) có tế bào cỡ 1km

Mô phỏng sự mất mát tín hiệu trong mô hình Hata sử dụng Matlab

Mô phỏng bằng Matlab sự mất mát công suất trên đường truyền ở khu vực nông thôn trong mô hình Hata với trạm phát cao 78m, trạm phát cao 10m và sóng mang 450MHz

Hình 2.11 : Sự mất mát công suất theo khoảng cách trong mô hình Hata