ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VÔ TUYẾN ĐỐI VỚI CÁC KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ AIS

MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….3 Tính cấp thiết đề tài………………………………………………… Mục đích nghiên cứu đề tài………………………………………… Đối tượng phạm vi nghiên cứu……………………………………… 4 Phương pháp nghiên cứu đề tài………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài……………………………… .5 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ AIS ………………………………………………………………………….6 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống tự động nhận dạng AIS…………… .6 1.1.1 Cấu trúc hệ thống AIS………………………………………… 1.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc hệ thống AIS………….11 1.1.3 Các hệ thống khác tổ hợp hệ thống tự động nhận dạng AIS………………………………………………………………………… 11 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống AIS tàu biển………………… 13 1.2.1 Nguyên lý………………………………………………… ……… 13 1.2.2 Đồng hoạt động đa truy cập, tự phân chia thời gian… … 15 1.2.3 Điều hành kênh truyền sóng… ………………………………… .20 1.2.4 Thông tin điện AIS……… …………………………… 23 1.3 Kết luận chương 1…… ……………………………………………….26 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VÔ TUYẾN ĐỐI VỚI CÁC KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ AIS …………………………………………….………………… 27 2.1 Ảnh hưởng nhiễu phản xạ………… ……………………………27 2.2 Ảnh hưởng nhiễu trắng……………… ………………………… 29 2.3 Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh ………… ………… ………… 31 2.4 Ảnh hưởng nhiễu đồng kênh… ……………… …………………32 2.5 Ảnh hưởng nhiễu đa truy cập……… ………… ……………… 33 2.6 Kết luận chương 2………………….……………………………… 35 CHƯƠNG THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN VÀ TÍNH TOÁN XÁC SUẤT TRUYỀN TÍN HIỆU HÀNG HẢI TRONG KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THỦY AIS ĐỐI VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC AN TOÀN HÀNG HẢI 36 3.1 Thiết lập mô hình toán 36 3.2 Tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến ……………………………………………………………………38 3.3 Kết luận chương …………………………………………………….41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………… 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………… ………………………44 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài An toàn hàng hải mục tiêu phấn đấu quan chức năng, mong mỏi, niềm hạnh phúc người biển Nhiều thiết bị nghi khí hàng hải, vô tuyến điện đã chế tạo nhằm nâng cao tính an toàn hiệu cho người biển phương tiện hoạt động biển Hệ thống tự động nhận dạng AIS (Automatic Indentification System) trang bị tàu biển cũng không nằm mục tiêu Hệ thống AIS hoạt động cách tự động phù hợp với việc trao đổi thông tin đơn giản lẫn phương tiện vận tải (tàu, thuyền, máy bay tìm kiếm cứu nạn, ) đài bờ AIS (AIS shore based station) tầm ảnh hưởng thiết bị Hệ thống AIS giúp cho việc theo dõi, quản lý, điều phối trình lưu thông hàng hải cách hiệu quả, đặc biệt vùng nước hạn chế, vùng có cường độ tàu bè hoạt động cao Ngoài ra, hệ thống cung cấp thông tin phục vụ cho việc tìm kiếm cứu nạn, an toàn hàng hải, an ninh quốc gia an toàn sinh mạng biển [1, 4, 9, 10] Thiết bị AIS yêu cầu bắt buộc tàu vận tải, phương tiện tìm kiếm cứu nạn… theo quy định bổ sung sửa đổi năm 2002 công ước SOLAS- 74 Các thiết bị AIS hoạt động giải tần số VHF dùng hàng hải có khả kết hợp với thiết bị INMARSAT - C thông qua hệ thống vệ tinh INMARSAT - C Hệ thống AIS thu nhận tín hiệu thông tin từ hệ thống vệ tinh hàng hải, thực tế trình thu nhận tín hiệu thông tin hàng hải, kênh thông tin hệ thống AIS liên tục bị ảnh hưởng yếu tố phi tuyến (nhiễu vô tuyến, môi trường,…) đã ảnh hưởng trực tiếp đến trình truyền tín hiệu, gây số cố hàng hải Để nâng cao độ xác an toàn hàng hải, đặc biệt tàu hoạt động khu vực khó khăn, khu vực mật độ tàu thuyền nhiều, khu vực luồng,… việc nhận tín hiệu thông tin hàng hải hệ thống AIS kịp thời liên tục vấn đề quan trọng cấp thiết Việc tính toán xác suất truyền tín hiệu hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến có ý nghĩa khoa học, thực tiễn mang tính cấp thiết Mục đích nghiên cứu đề tài Thiết lập mô hình toán để tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến nhằm nâng cao độ xác an toàn hàng hải Để đạt mục đích nghiên cứu, thực số nhiệm vụ sau: - Phân tích cấu trúc tổ chức, nguyên lý hoạt động, chức hệ thống AIS; - Ứng dụng hệ số kênh thông tin bảo vệ (ký hiệu Kbv-AIS) kênh thông tin hệ thống AIS ảnh hưởng nhiễu vô tuyến (xét trường hợp nhiễu phản xạ); - Thiết lập mô hình toán tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS theo miền hệ số kênh thông tin Kbv-AIS góp phần nâng cao độ xác an toàn hàng hải Đối tượng phạm vi nghiên cứu Là nghiên cứu xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin, theo chiều từ vệ tinh đến hệ thống tự động nhận dạng AIS lắp đặt tàu thuỷ Phương pháp nghiên cứu đề tài Sử dụng lý thuyết vô tuyến, lý thuyết độ tin cậy, lý thuyết thông tin liên lạc, lý thuyết mô hình hóa, lý thuyết đánh giá phân tích hệ thống AIS Sử dụng chương trình tính toán Excel Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học đề tài: Được thể việc xây dựng phương pháp luận quan điểm sử dụng mô hình toán- tin, kết hợp lý thuyết mô hình hoá, lý thuyết vô tuyến lý thuyết độ tin cậy ứng dụng hệ số tối ưu kênh thông tin bảo vệ (Kbv-AIS) kênh thông tin hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến Từ tính toán xác suất truyền tín hiệu hàng hải kênh thông tin hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS Ý nghĩa thực tiễn đề tài: - Là phương pháp tính toán suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS theo miền hệ số kênh thông tin Kbv-AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến, đảm bảo chức hoạt động bình thường hệ thống, góp phần nâng cao độ xác an toàn hàng hải - Phục vụ học viên cao học nghiên cứu sinh chuyên ngành khoa học hàng hải,…có thể sử dụng Viện Đào tạo sau đại học, Viện nghiên cứu có chuyên ngành gần với chuyên ngành khoa học hàng hải CHƯƠNG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ AIS 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống tự động nhận dạng AIS 1.1.1 Cấu trúc hệ thống AIS Hình 1.1 mô tả cấu trúc tổng quát hệ thống tự động nhận dạng AIS Các khối thành phần sơ đồ mô tả theo sau [2, 4, 5, 7]: Các dịch vụ AIS Bộ phận quản lý dịch vụ AIS Trạm bờ AIS Logic Trạm bờ AIS tự nhiên Trạm AIS cố định Thiết bị VHF/RF Ăng ten Bộ lọc sóng radio Mạng liên kết liệu VHF hệ thống AIS Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống AIS Mạng liên kết liệu VHF hệ thống (The AIS VHF Data Link) Được hiểu phương tiện cho trao đổi liệu trạm AIS khác nhau, theo mặc định dùng kênh AIS1 AIS2 qui định Liên đoàn viễn thông quốc tế giải sóng VHF dùng dịch vụ hàng hải di động Các kênh AIS1 AIS2 chia thành rãnh thời gian phát sóng, phút gồm 2250 rãnh kênh, tổng cộng kênh cho 4500 rãnh thời gian phát sóng phút Thêm vào đó, kênh 70 DSC sử dụng cho điều hành kênh AIS kiểm soát DSC Thiết bị VHF/RF (RF-/VHF Domain Equipment) Bao gồm phương thức để thiết lập nên mối liên hệ giữ liệu VDL trạm AIS khác Ăng ten, cáp lọc phận thiết bị VHF/RF Trạm AIS cố định (Fixed AIS Station Layer) Trạm AIS sở (AIS Base Station): Là thực thể sở hạ tầng bờ trạm AIS Về mặt khái niệm, trạm AIS sở hộp đen giống thiết bị bằng cách mô tả chức định nghĩa chung đưa phần sau Trạm tự hoạt động phận trợ giúp trạm AIS tự nhiên bờ Trạm AIS chuyển tiếp (AIS Repeaters): Chuyển tiếp AIS chủ yếu hệ đơn công, hệ thống AIS dễ dàng cung cấp qui trình chuyển tiếp đơn công song công Ứng dụng chuyển tiếp đơn công mở rộng tầm hoạt động hệ thống khắc phục trở ngại việc truyền sóng Ứng dụng chuyển tiếp song công mở rộng tầm hoạt động hệ thống Trong phạm vi dịch vụ AIS, trạm chuyển tiếp đơn công chuyển tiếp song công bố trí phận trạm AIS sở, tức chúng trực tiếp truy cập vào thiết bị VHF/RF để nhận phát điện VDL Trạm bờ AIS tự nhiên (Physical AIS Shore Station- PSS) Trạm bờ AIS tự nhiên phần quan trọng hệ thống AIS, tồn môi trường tự nhiên thực sự, đối lập với trạm AIS sở hay trạm AIS chuyển tiếp Trạm bờ AIS tự nhiên trạm cố định mặt địa lý hay hiểu cố định (trong trường hợp lắp đặt vào thiết bị trợ giúp hàng hải Racon, phao, dao động vị trí cũng nhỏ so với tầm hoạt động) Một trạm bờ AIS tự nhiên bao gồm thành phần hay chức sau: Một trạm AIS sở hay trạm AIS chuyển tiếp Có nguồn điện cung cấp cho trạm Thiết bị VHF/RF, với vật dụng tối thiểu cáp ăng ten VHF Nếu trạm AIS tự nhiên có chứa trạm AIS sở phải có phương thức truyền liệu đến trạm AIS sở theo yêu cầu (một trạm AIS chuyển tiếp hoạt động không cần tới phương thức truyền sóng này) Phải có biện pháp bảo vệ thiết bị tránh hư hại ảnh hưởng môi trường bên tác động Ví dụ: nhà che mưa gió Một trạm AIS tự nhiên nói chung thân có tín hiệu thời gian tính theo vũ trụ Tín hiệu thời gian thu nhận từ tram AIS sở tín hiệu từ khối thu tín hiệu vệ tinh hay trạm AIS bờ tự nhiên đồng hồ nguyên tử hay khối thu Loran Có thể bổ sung vào cấu trạm bờ tự nhiên chức không bắt buộc, nguồn hiệu chỉnh tín hiệu GPS, chức trợ giúp hàng hải, thiết bị điều khiển từ xa Trong hầu hết trường hợp, trạm bờ AIS tự nhiên cũng có phận điều khiển, dùng để điều khiển toàn phần vài toàn thiết bị trạm đó, thực chức chọn lọc trạm AIS sở AIS chuyển tiếp trạm bờ AIS tự nhiên Trạm bờ AIS logic (Logical AIS Shore Station- LSS) Trạm bờ AIS logic chương trình phần mềm, chuyển đổi dòng liệu AIS liên kết với hay nhiều trạm AIS tự nhiên thành dòng liệu liên quan khác Bất trình chuyển đổi riêng biệt phải suy tính đến: Khía cạnh khai thác thiết bị ứng dụng sử dụng dịch vụ AIS Khía cạnh kỹ thuật nảy sinh khai thác mạng thông tin trạm bờ AIS tự nhiên Chương trình phần mềm trạm AIS logic chạy máy tính tương thích, địa điểm phù hợp Tuy nhiên, đòi hỏi phải có phương thức truyền liệu đáng tin cậy đến từ trạm AIS tự nhiên liên kết với đến dịch vụ AIS mà chúng giao diện với thiết bị ứng dụng Bộ phận quản lý dịch vụ AIS (The AIS Service Management- ASM) Bộ phận quản lý dịch vụ AIS làm chủ toàn trạm AIS logic tự nhiên, tức kích hoạt, đặt vào giá trị ban đầu, định dạng kết thúc hoạt động chương trình phần mềm trạm AIS tự nhiên logic Bộ phận quản lý dịch vụ AIS xác định mạng thông tin liên hệ trạm bờ tự nhiên trạm bờ logic kết hợp trình hoạt động Bộ phận quản lý dịch vụ AIS xác định mối liên hệ thông tin trạm bờ logic với thiết bị ứng dụng kết hợp trạm đó, nghĩa phận bảng điều khiển trao đổi liệu trình khác Dịch vụ AIS bao gồm trạm bờ tự nhiên, logic, phận quản lý dịch vụ AIS Trong đó, vài trạm bờ tự nhiên định cho trạm logic mà chúng kết hợp liệu từ trạm tự nhiên với mục đích bao phủ vùng định Dịch vụ AIS có trạm logic, khách hàng nhận liệu từ trạm logic, chúng phân phối liệu cần thiết tới khách hàng Hình 1.2 mô tả phận dịch vụ điều phối giao thông tàu thuyền, trung tâm phối hợp tìm kiếm cứu nạn, tìm kiếm cứu nạn phần ứng dụng mức cao hệ thống AIS [2, 4, 5, 7] Hệ thống vi phân GPS đóng vai trò hỗ trợ kỹ thuật cho hệ thống Trung tâm VTS Trung tâm MRCC Các ứng dụng mức cao Tìm kiếm cứu nạn Hệ thống vệ tinh hàng hải Dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật Bộ phận quản lý dịch vụ AIS Trạm bờ AIS logic Trạm bờ AIS logic Trạm bờ AIS logic Trạm bờ AIS logic Trạm bờ AIS logic Trạm bờ AIS logic Dịch vụ AIS Trạm bờ AIS logic Hình 1.2 Dịch vụ AIS với khách hàng phận cung cấp liệu AIS Việc quản lý dich vụ AIS thực phận quản lý dịch vụ AIS Bộ phận điều khiển dòng liệu hệ thống định dạng hoạt động phận khác với mục đích đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề 10 Tất biến ngẫu nhiên không tồn phép biến đổi Fourier mà tồn hàm tự tương quan hàm mật độ công suất, hàm mật độ công suất phép biến đổi Furie hàm tự tương quan Theo phương trình hàm tự tương quan biến đổi Furier ngược hàm mật độ phổ công suất Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật (hình 2.2), kết biến đổi Furier ngược hàm hình chữ nhật cho hàm số sin Công suất nhiễu tính bằng hàm mật độ công suất nhiễu hàm tự tương quan nhiễu sau:  Pn  E[n2 (t )]  nn (0)  1/ 2  nn ( j )d   với t (2.2)  Khi tỉ số tín hiệu tạp âm tính theo công thức sau: SNR  PS Pn (2.3) Trong đó: Ps - công suất tín hiệu có ích, tỉ số định chất lượng tín hiệu dung lượng kênh 2.3 Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên kênh gây thiết bị phát kênh liền Nhiễu xuyên kênh thường xảy tín hiệu truyền kênh vô tuyến bị dịch tần gây nhiễu sang kênh kề nó; chồng phổ sóng mang, thường xuất hệ thống làm việc dải tần kề Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh phải có khoảng bảo vệ (Guard band) dải tần Trong phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, băng thông truyền chia thành nhiều kênh nhỏ, truyền song song với Do đó, giới hạn ký tự tăng lên nhiễu xuyên kênh gây môi trường theo thời gian bị loại bỏ Tuy nhiên, với giới hạn ký tự dài hơn, nhiễu xuyên kênh gây hiệu ứng Doppler kênh thông tin di động tăng lên 31 Hình 2.3 Nhiễu xuyên kênh hai sóng mang kề Hiệu ứng Doppler có ảnh hưởng đến hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Trong trường hợp nhận giới hạn nhiễu xuyên kênh, việc tính toán dễ dàng hữu ích Giới hạn bao gồm giới hạn chung riêng Giới hạn chung phụ thuộc vào tần số Doppler lớn (fd) thời gian ký tự (Ts) Giới hạn riêng phụ thuộc vào biến phổ Doppler 2.4 Ảnh hưởng nhiễu đồng kênh Khái niệm: Nhiễu đồng kênh xảy hai máy phát tần số kênh Máy thu điều chỉnh kênh thu hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí máy thu so với hai máy phát Nhiễu đồng kênh thường gặp hệ thống thông tin số cellular (kỹ thuật cha ô) Trong để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số Nhiễu đồng kênh hệ thống cellular nhiễu gây nên cell sử dụng kênh tần số Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số Có thể ví dụ mạng GSM (Global System for Mobile): Trong mạng GSM, trạm BTS (Base Transceiver Station) cấp phát nhóm tần số vô tuyến Các trạm thu phát gốc BTS lân cận cấp phát nhóm kênh vô tuyến không 32 trùng với kênh BTS liền kề Đặc trưng cho loại nhiễu tỉ số sóng mang nhiễu ( C  12 dB) I Tỉ số định nghĩa cường độ tín hiệu mong muốn cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần thể mối quan hệ cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ BTS khác, tức P C  10 log C , I PI đó: Pc - công suất tín hiệu thu mong muốn; Pi - công suất nhiễu thu Để hạn chế loại nhiễu đồng kênh hệ thống cellular: - Không dùng lọc để loại bỏ giao thoa máy phát sử dụng tần số - Chỉ tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp Tức thiết kế cho cell mạng có sử dụng nhóm tần số không ảnh hưởng tới khoảng cách cell tần số phải đủ lớn 2.5 Ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập Khái niệm: Nhiễu đa truy nhập nhiễu tín hiệu máy thu giao thoa với nhau, yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng hệ thống Hình 2.15 mô tả hình ảnh nhiễu đa truy nhập Phân loại hệ thống đa truy nhập Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian giao thoa tín hiệu khe thời gian với khe thời gian khác không hoàn toàn đồng gây Như phải có khoảng bảo vệ thời gian (Guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): Các hiệu ứng Doppler 33 làm dịch phổ tần số dẫn đến có giao thoa dải tần để giảm xác xuất giao thoa kênh kề nhau, nghĩa giảm hiệu suất sử dụng phổ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Trong đa truy nhập phân chia theo mã sử dụng tính trực giao mã nên nhiễu máy thu Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS CDMA): Theo nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) dựa vào việc trải phổ dòng liệu bằng cách sử dụng mã trải phổ ấn định cho người sử dụng miền thời gian dựa vào tính tương quan chéo mã trải phổ Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi khắt khe viễn thông di động, khả phân biệt tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác tín hiệu thu tổng hợp cung cấp tính tự tương quan mã trải phổ Máy thu RAKE có chứa nhiều tương quan, tương quan nối với dường dẫn có khả phân giải khác Vì hoạt động hệ thống phương thức đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng kênh số lượng nhánh dùng máy thu RAKE Cũng lý mà dung lượng hệ thống bị hạn chế nhiễu nội (self-interference) mà nguyên nhân chưa hoàn chỉnh tính tự tương quan cũng tính tương quan chéo mã trải phổ Điều gây khó khăn cho hệ thống DS-CDMA việc sử dụng đầy đủ lượng tín hiệu thu bị phân tán miền thời gian 34 2.6 Kết luận chương Trong chương 2, luận văn đã phân tích tóm tắt ảnh hưởng loại nhiễu tác động lên kênh thông tin hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS Tuy nhiên, có nhiều dạng nhiễu vô tuyến tác động lên kênh thông tin, giới hạn đề tài tính toán phân tích cụ thể ảnh hưởng nhiễu phản xạ trình bày cụ thể chương 35 CHƯƠNG THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN VÀ TÍNH TOÁN XÁC SUẤT TRUYỀN TÍN HIỆU HÀNG HẢI TRONG KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THỦY AIS ĐỐI VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC AN TOÀN HÀNG HẢI 3.1 Thiết lập mô hình toán Hệ thống tự động nhận dạng AIS dùng để nhận dạng tàu vị trí tàu vùng kiểm soát hệ thống dịch vụ điều phối giao thông tàu thuyền, vùng nước hạn chế, vùng hàng hải khó khăn Hệ thống sử dụng dải sóng VHF dùng hàng hải hoạt động tự động, liên tục, phù hợp với trao đổi thông tin trạm “tàu với bờ” trạm “tàu với tàu” Một mặt, hệ thống đối phó điều kiện hàng hải có nhiều tàu thuyền hoạt động với cường độ cao, mặt khác, dùng phương tiện tăng cao an ninh hàng hải bảo vệ môi trường biển [1, 3, 16, 17] Mỗi trạm AIS xác định lịch phát (vị trí rãnh thời gian khung) Tốc độ truyền tin AIS đạt 9.600 bit/giây, sử dụng công nghệ đa truy cập tự phân chia thời gian kênh VHF song song Cấu trúc tín hiệu thông tin AIS: phút chia thành 2250 rãnh thời gian, rãnh thời gian có độ dài 26,6 ms tương ứng 256 bit Các điện thông tin gửi slot Một vấn đề nâng cao độ xác an toàn hàng hải, tức nâng cao hệ số tin cậy kênh thông tin có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến (xét trường hợp ảnh hưởng nhiễu phản xạ) Nói cách khác, nâng cao chất lượng tín hiệu nhận máy thu tín hiệu AIS tàu biển, góp phần nâng cao hiệu làm việc hệ thống AIS 36 Hệ số tin cậy hệ số kênh thông tin bảo vệ - Kbv-AIS [1, 4, 8, 16, 17] Hệ số Kbv-AIS phụ thuộc vào diện tích vùng chết (vùng hỏng) tín hiệu, đặc tính kênh thông tin điều kiện biến dạng tín hiệu máy thu Hơn nữa, hệ số Kbv-AIS giá trị tính bằng số đạt giá trị lớn bằng “1”, tính theo công thức (3.1), đặc trưng cho chất lượng tín hiệu kênh thông tin mà đặc trưng cho hiệu làm việc hệ thống tự động nhận dạng AIS [1, 4, 16, 17] K bv  AIS   Sˆ vc (3.1) Sˆ vc max Trong đó: Sˆvc - diện tích vùng chết tín hiệu ảnh hưởng nhiễu vô tuyến; Sˆvc max - diện tích lớn cho phép vùng chết tín hiệu, trường hợp có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến kênh thông tin hệ thống AIS giá trị Sˆvc max  441 (đơn vị diện tích) [7, 17] Từ công thức (3.1) nhận xét rằng, miền giá trị hệ số Kbv-AIS: ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0 viết dạng hàm số toán học: Kbv AIS  f Sˆvc  (3.2) Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả không tiến hành thiết lập mô hình toán để mô phỏng diện tích vùng chết tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến, để từ tìm miền tối ưu Kbv-AIS Tác giả ứng dụng kết tính toán miền hệ số tối ưu kênh thông tin bảo vệ kênh thông tin hệ thống AIS ảnh hưởng nhiễu vô tuyến (xét trường hợp nhiễu phản xạ) [1, 16, 17], với kết cụ thể nhận là: 0,58 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0 Mặt khác, hệ số Kbv xác định theo công thức [16, 17]: K bv  AIS     Т gh Т gh  Thp 37  , 1  (3.3)   Hay K bv  AIS 1 (3.4) Trong đó: λ - cường độ xuất cố; μ - cường độ hồi phục cố; γ - hệ số xác định theo công thức:    Thp   Tgh Thp - Thời gian hồi phục bị cố tín hiệu thông tin hàng hải; Tgh - Thời gian giới hạn bị cố tín hiệu thông tin hàng hải Xác suất truyền tín hiệu thông tin Pth-AIS kênh thông tin của hệ thống AIS xác định theo công thức:   Pth  AIS  Kbv AIS  1  Kbv AIS   e   t  e Tgh (3.5) Trên sở lý luận từ (3.1) đến (3.5), thiết lập mô hình toán, để tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải sau:   S vc  K bv  AIS    S vc max   K  f S vc  bv  AIS 0,58  K bv  AIS  1,0   1   K bv  AIS       T  Pth  K bv  AIS  1  K bv  AIS   e    t  e gh  t  Tghi i   5      (3.6)  3.2 Tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến Trên sở mô hình toán (3.6) thiết lập, sử dụng chương trình tính toán “Excel” Kết tính toán cụ thể xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến, đưa bảng 3.1 38 Bảng 3.1 Kết tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải Кbv-   1 K bv  AIS    AIS Pth-AIS Tgh1 = Tgh2 = Tgh3 = Tgh4 = Tgh5 = 0,50 1.0000 0.0689 0.0093 0.0013 0.0002 0,60 0.6667 1.3333 0.1619 0.0427 0.0113 0.0030 0.0008 0,70 0.4286 0.8571 0.3044 0.1292 0.0548 0.0233 0.0099 0,80 0.2500 0.5000 0.4952 0.3003 0.1822 0.1105 0.0670 0,90 0.1111 0.2222 0.7293 0.5840 0.4676 0.3745 0.2998 0,91 0.0989 0.1978 0.7549 0.6194 0.5082 0.4170 0.3422 0,92 0.0870 0.1739 0.7808 0.6561 0.5514 0.4634 0.3894 0,93 0.0753 0.1505 0.8070 0.6943 0.5972 0.5138 0.4420 0,94 0.0638 0.1277 0.8336 0.7337 0.6458 0.5684 0.5003 0,95 0.0526 0.1053 0.8606 0.7746 0.6972 0.6275 0.5648 0,96 0.0417 0.0833 0.8878 0.8168 0.7515 0.6914 0.6362 0,97 0.0309 0.0619 0.9154 0.8605 0.8089 0.7604 0.7148 0,98 0.0204 0.0408 0.9433 0.9056 0.8694 0.8346 0.8012 0,99 0.0101 0.0202 0.9715 0.9521 0.9330 0.9144 0.8961 1,00 0 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 Từ kết tính toán bảng 3.1, xây dựng đồ thị mối quan hệ Pth-AIS = f(Kbv) biết thời gian cho phép Tgh, theo hình 3.1 Trên sở kết theo bảng 3.1 hình 3.1, phân tích kết nhận trường hợp cụ thể, nhận xét rằng: - Đồ thị quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) có dạng đường thẳng, giá trị hệ số Kbv-AIS xác suất Pth-AIS cũng tăng theo - Xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS, có mối quan hệ chặt chẽ với giá trị hệ số Kbv-AIS, mối quan hệ theo tỷ lệ thuận, cụ thể, xét trường hợp hệ số Kbv-AIS tăng từ 0,91 đến 0,92 (tức tăng 1%): + Khi Tgh1 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,7549 đến 0,7808, tức 2,59%; 39 + Khi Tgh2 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu đến 0,6561, tức 3,67%; + Khi Tgh3 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu đến 0,5514, tức 4,32%; + Khi Tgh4 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu đến 0,4634, tức 4,64%; + Khi Tgh5 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu đến 0,3894, tức 4,72% Pth-AIS tăng từ 0,6194 Pth-AIS tăng từ 0,5082 Pth-AIS tăng từ 0,4170 Pth-AIS tăng từ 0,3422 Pth Tgh1 = 0.9 0.8 Tgh2 = 0.7 Tgh3 = 0.6 0.5 Tgh4 = 0.4 Tgh5 = 0.3 0.2 0.1 Kbv 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 Hình 3.1 Đồ thị quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) biết thời gian cho phép Tgh - Mặt khác, xét thêm trường hợp hệ số Kbv-AIS cũng tăng 1%, Kbv-AIS tăng từ 0,98 đến 0,99: + Khi Tgh1 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,9433 đến 0,9715, tức 2,82%; + Khi Tgh2 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,9056 đến 0,9521, tức 4,65%; + Khi Tgh3 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8694 đến 0,9330, tức 6,36%; 40 + Khi Tgh4 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8346 đến 0,9144, tức 7,98%; + Khi Tgh5 = µs, giá trị xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8012 đến 0,8961, tức 9,49% Để thấy rõ mức độ phụ thuộc tuyến tính xác suất Pth-AIS theo giá trị hệ số Kbv-AIS Từ kết bảng 3.1, xây dựng đồ thị (hình 3.2) mối quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS), miền hệ số Kbv-AIS biến thiên: 0,91 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0 Pth 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.91 Tgh1 =1 Tgh2 = Tgh4 = Tgh5 = Tgh3 = Kbv 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 Hình 3.2 Đồ thị quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) với 0,91 ≤ Кbv-AIS ≤ 1,0 3.3 Kết luận chương Trên sở phân tích cụ thể, chi tiết kết nhận được, rút kết luận: - Đồ thị mối quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) có dạng đường thẳng tăng hệ số kênh thông tin bảo vệ Kbv-AIS xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS cũng tăng theo - Đặc biệt, tăng 1% hệ số kênh thông tin miền khác nhau, xác suất Pth-AIS tương ưng cũng tăng theo Nhưng giá trị xác suất Pth-AIS tăng mạnh hệ số Kbv-AIS miền 0,91 ≤ Кbv-AIS ≤ 1,0 41 Như vậy, vấn đề đảm bảo an toàn hàng hải, trường hợp này, phải nâng cao xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS, nghĩa nâng cao hệ số kênh thông tin bảo vệ Kbv-AIS Giá trị hệ số Kbv-AIS tăng nhanh tăng tiệm cận đến giá trị bằng “1” tối ưu 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Bằng phương pháp đã sử dụng, đề tài đã đạt mục đích nghiên cứu đề với kết sau: Phân tích cấu trúc tổ chức, nguyên lý hoạt động, chức hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS vai trò quan trọng hệ thống việc góp phần đảm bảo an toàn hàng hải, đặc biệt tàu hành trình gần bờ, khu vực mật độ tàu thuyền đông, khu vực phân luồng, Ứng dụng miền tối ưu hệ số kênh thông tin bảo vệ - Kbv-AIS hệ thống với kết cụ thể là: 0,58 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,00 Từ thiết lập mô hình toán để tính toán xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến Tính toán xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống AIS có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến, với kết cụ thể độ tin cậy Kiến nghị Đề tài đưa kết tính toán cụ thể, rõ ràng xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải có ảnh hưởng nhiễu vô tuyến, theo quan điểm sử dụng hệ số Kbv-AIS, kết nhận thuyết phục hơn, kiểm chứng Tuy nhiên kết đề tài có ý nghĩa khoa học, ứng dụng trình đào tạo nâng cao, đào tạo chuyên ngành hẹp giảng dạy trường Đại học, Viện nghiên cứu có chuyên ngành Điều khiển tàu biển, Bảo đảm an toàn hàng hải, tự động hóa điều khiển, thông tin hàng hải, hệ thống vệ tinh, hệ thống nhận dạng tàu thủy, 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS TS Phạm Kỳ Quang (Chủ biên), PGS TS Đinh Xuân Mạnh (Tham gia) Lý thuyết độ tin cậy hàng hải Nhà xuất Hàng hải, 2014 KS Bùi Đức Hiền Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động nhận dạng AIS nâng cao hiệu quản lý vùng neo Hòn Gai - Quảng Ninh Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2010 KS Lã Văn Hải Nghiên cứu ảnh hưởng xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải kênh thông tin hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GLONASS góp phần nâng cao độ xác an toàn hàng hải Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2011 KS Mạc Thành Kiên Đánh giá hiệu làm việc hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS theo hệ số kênh thông tin bảo vệ có ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2011 KS Phạm Trung Đức Nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống tự động nhận dạng AIS phương thức khai thác hệ thống đạt hiệu cao Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường ĐH Hàng hải VN Tài liệu.VN (2009), Các loại nhiễu thông tin vô tuyến, 2006 http://www.tailieu.vn/ /cac-loai-nhieu-trong-thong-tin-vo-tuyen KS Trần Ngọc Tú Nghiên cứu thiết lập hệ thống nhận dạng tự động AIS cho hệ thống báo hiệu hàng hải luồng Hòn Gai- Cái Lân Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2007 TS TTr Phạm Kỳ Quang, KS Lã Văn Hải, KS Lại Thế Việt Lựa chọn tiêu tối ưu hệ số điện từ trường bảo vệ kênh thông tin hệ thống vệ tinh GLONASS INMARSAT góp phần nâng cao độ xác an toàn hàng hải № 5/2011, Tạp chí Giao thông vận tải, Hà Nội 44 10 VISHIPEL Tìm hiểu hệ thống nhận dạng tự động AIS Tạp chí Hàng hải Việt Nam, No 10, 2011, trang 59 11 www.iala-aism.org (2002) IALA Guidelines on the Universal Automatic Identification System (AIS), Volume 1, Part I- Operational Issue, Edition 1.1 France 12 www.iala-aism.org (2002) IALA Guidelines on the Universal Automatic Identification System (AIS), Volume 1, Part II- Technical Issue, Edition 1.1 France 13 www.iala-aism.org (2003) IALA Technical Clastification on ITU Recommendation ITU-RM 1371-1, Edition 1.4 France 14 www.iala-aism.org (2003) IALA Recommendation A-124 On Automatic Identification System (AIS) Shore Station and Networking Aspect relating to the AIS Service, Edition 1.1 France 15 www.iala-aism.org (2003) Technical charateristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the maritime mobile band France 16 Фам Ки Куанг защищённости Исследование влияния информационных электромагнитной каналов широкозонных дифференциальных подсистем на точность мониторинга и управления движением судов Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (СПГУВК), 2010, 169 c 17 Ю.Г.Вишневский., А.А.Сикарев Поля поражения сигналов и электромагнитная защищённость информационных каналов в АСУДС - М.: СПб «Судостроение», 2006 - 356 с 45