Trong phạm vi báo cáo này, một phương pháp cụ thể được đề xuất để xử lý chuyển đổi từ số liệu đo mưa (mm) sang tốc độ mưa (mm/h) nhằm phục vụ cho việc tính toán suy hao tín hiệu vô tuyến tại từng tiểu vùng khí hậu của Việt Nam. Kết quả xử lý được phân tích, so sánh với số liệu tốc độ mưa của ITU và được sử dụng để tính suy hao do mưa cho 7 vùng khí hậu của Việt Nam.
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính Nghiên cứu mô Phỏng ảnh hưởng mưa tới truyền dẫn viba mặt đất tầm nhìn thẳng điều kiện khí hậu Việt Nam PHạM THị MINH NGUYệT*, BùI NGọC Mỹ**, NGUYễN ĐĂNG QUế*** Tóm tt: Sự tác động môi trường khí đến tín hiệu vô tuyến đóng vai trò quan trọng việc thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến hoạt động dải tần số 10GHz Trong đó, hấp thụ, phản xạ tán xạ sóng vô tuyến mưa tầng đối lưu dẫn đến suy hao tín hiệu làm suy giảm khả năng, độ tin cậy hệ thống vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng [6, 7, 8] Tại báo cáo [1], sử dụng sè liƯu tèc ®é ma cđa ITU ®Ĩ tÝnh suy hao tín hiệu vô tuyến Việt Nam Trong phạm vi báo cáo này, phương pháp cụ thể ®Ị xt ®Ĩ xư lý chun ®ỉi tõ sè liƯu ®o ma (mm) sang tèc ®é ma (mm/h) nh»m phôc vụ cho việc tính toán suy hao tín hiệu vô tun t¹i tõng tiĨu vïng khÝ hËu cđa ViƯt Nam Kết xử lý phân tích, so sánh với số liệu tốc độ mưa ITU sử dơng ®Ĩ tÝnh suy hao ma cho vïng khÝ hËu cđa ViƯt Nam Tõ khãa: Trun dÉn v« tuyến, Viba mặt đất, Suy hao mưa mở đầu Sự hấp thụ, phản xạ tán xạ sóng vô tuyến từ giọt mưa dẫn đến suy hao tín hiệu làm suy giảm khả năng, độ tin cậy hệ thống truyền dẫn vô tuyến Tần số cao mức độ suy hao tín hiệu mưa tăng mạnh biến đổi theo khu vực địa lý, đặc biệt khu vực nhiệt đới xích đạo Vì vậy, cần phải đưa ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c vỊ suy hao tÝn hiƯu mưa đường truyền sóng Tuy nhiên, khả thu thập liệu để tính suy hao đặc trưng mưa, sử dụng liệu khuyến nghị ITU (Liên minh Viễn thông Quốc tế) liệu khuyến nghị không xác Cụ thể, liệu ITU thực xét cho toàn vùng nhiệt đới réng lín ®ã cã ViƯt Nam (víi tèc ®é ma R0.01 = 70 90mm/h) [3] Trong ®ã, ViƯt Nam ta n»m khu vùc nhiƯt ®íi giã mïa có chế độ khí hậu đặc trưng Ngoài ra, địa hình phức tạp nên khí hậu Việt Nam lại phân hóa mạnh chia thành tiểu vùng với đặc trưng khác Vì cần phải xử lý chuyển đổi thông tin chuỗi lượng mưa ngày (mm) lưu trữ quan khí tượng Việt Nam sang tốc độ mưa (mm/h) nhằm phơc vơ cho viƯc tÝnh to¸n suy hao tÝn hiƯu mưa tiểu vùng khí hậu Việt Nam Phương pháp số liệu 2.1 Cơ sở lý thuyết tính suy hao mưa Để tính toán suy hao mưa cần xác định tham số tốc độ mưa R với đơn vị đo mm/h Đánh giá giá trị R bước dự đoán suy hao mưa [9] Sự khác biệt đáng kể số liệu mưa theo năm, theo mùa, theo tháng theo ngày quan sát thÊy ë c¸c tiĨu vïng khÝ hËu kh¸c cđa Việt Nam Sự khác biệt theo khu vực đáng ý lượng mưa, thời gian mưa liên tục tốc độ mưa Các đặc trưng khác xa so với kết tính toán cho khu vực quy mô lớn ITU công bố Đối với áp dụng thùc tÕ, quan hƯ gi÷a hƯ sè suy hao r (dB/km) tốc độ mưa R (mm/h) dải tần số cho xấp xỉ theo định lt hµm mò [5]: r = k.R (dB/km) (1) đó, tham số k xác định hàm tần số f(GHz), tính dải tần rộng với dạng mưa có nhiệt độ phân bố kích thước giọt khác Trên thực tế số liệu lượng mưa vùng, quan khí tượng cung cấp, đủ đặc trưng thống kê cần thiết cho phép tính suy hao Các hệ số k phụ thuộc tần số tính 56 P.T M Nguyệt, B.N Mỹ, N.Đ.Quế, "Nghiên cứu mô khí hậu Việt Nam." Nghiên cứu khoa học công nghệ cho phân cực tuyến tính (đứng-V ngang-H) đường truyền ngang Đối với phân cực tròn, k tính từ phương trình sau [5]: k k H kV kHH kVV (2) (3) 2k HiƯn ë ViƯt Nam, ®Ĩ trun tải sóng vô tuyến khoảng cách từ 2-10 km, hệ thống vi ba mặt đất sử dụng dải tần 14, 15 GHz Tuy vËy, thùc tÕ cho thÊy c¸c dải tần trở nên tải Vì vậy, Bộ Thông tin & Truyền thông lên quy hoạch sử dụng dải tần 17 GHz Để phục vụ cho mục đích nêu trên, công trình này, lựa chọn tính toán mô suy hao mưa dải tần 17 GHz Bảng Hệ số k dải 17 GHz cho phân cực sử dụng phương trình (2), (3) [5] Kiểu phân cực k Ngang Đứng Tròn 0,06146 0,06797 0,064715 1,0949 1,0137 1,0526 2.2 Phương pháp tính tốc độ mưa 2.2.1 Số liệu sử dụng Mạng lưới quan trắc khí tượng Việt Nam bao gồm gần 200 trạm phân bố toàn lãnh thổ hải đảo nhằm quan trắc liên tục ngày đêm yếu tố khí tượng, có lượng mưa để phục vụ công tác dự báo thời tiết hàng ngày lưu trữ lâu dài Trung tâm tư liệu khí tượng thủy văn Trong đó, lượng mưa ngày thu thập hai lần ngày (kì quan trắc 19 giờ) khoảng thời gian xảy tượng mưa ngày dạng mốc thời gian bắt đầu kết thúc trận mưa xuất trạm quan trắc Các thông tin lưu trữ bảng biểu khí tượng giấy phần nhỏ nhập, lưu trữ máy tính dạng sở liệu khí tượng Trong phạm vi báo này, tận dụng khả cho phép tiếp cận đến sở liệu nêu để trích xuất lượng mưa ngày, tổng thời gian mưa ngày thông tin dạng mưa để tính tốc độ mưa R0.01 phục vụ nghiên cứu suy hao tín hiệu vô tuyến mưa Chuỗi liệu sử dụng có độ dài 40 năm (1961 2000) Việc tính toán thực cho số trạm đại diện cho khu vực khí hậu Việt Nam Do có đặc thù vị trí địa lý địa hình nên khu vực chịu tác động khác loại hình thời tiết khác dẫn tới có chế độ khí hậu khác [2] Bảng Các trạm đại diện cho khu vùc khÝ hËu cđa ViƯt Nam Tr¹m đại diện Chuỗi số liệu mạng lưới quan trắc khÝ tỵng ViƯt Nam TT Khu vùc Tây Bắc Đông Bắc Bắc Trung Bộ Trung Trung Bộ Nam Trung Bộ Tây Nguyên Nam Bộ Sơn La Lạng Sơn Vinh Đà Nẵng Buôn Mê Thuột Nha Trang Cần Thơ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qu©n sù, Sè 31, 06 - 2014 1961 – 2000 1961 – 2000 1961 – 2000 1976 – 2000 1976 – 2000 1977 – 2000 1978 – 2000 57 Kü thuật điện tử & Khoa học máy tính 2.2.2 Phương pháp tính tốc độ mưa Việc tính toán tốc độ mưa đề xuất thực theo bước sau: Bíc 1: Thu thËp sè liƯu vỊ thêi gian ma lượng mưa trận mưa trạm năm cho thời kỳ dài 40 năm (1961-2000); Bíc 2: TÝnh tỉng thêi gian c¸c trËn ma (tính phút) ngày Trong bảng tượng khí tượng có phân biệt hai dạng mưa mưa mưa rào, song lượng mưa lại quan trắc lưu giữ chung cho ngày Do vậy, việc tính toán phải thực chung cho hai dạng mưa Bước 3: Tính tốc độ mưa trận mưa đó; Bước 4: Sắp xếp chuỗi ngày có mưa năm theo thứ tự giảm dần tốc độ mưa (cho 40 năm) Bước 5: Trong năm chọn ngày có tốc độ ma tõ cao xng cho tíi tỉng sè thêi gian mưa lớn 52.56 phút/năm; Bước 6: Từ số ngày chọn, tính tốc độ mưa R0.01 [4] trung bình cho năm; Bước 7: Tính tốc độ mưa chung cho 40 năm Đó R0.01 chung cho trạm Bước 8: Việc tính toán thực cho trạm đại diện cho khu vực Nếu khu vực, việc tính toán thực cho nhiều trạm kết chung cho khu vực giá trị trung bình trạm chọn 2.3 Phương pháp tính suy hao tín hiệu vô tuyến mưa Việc tính toán suy hao tín hiệu vô tuyến mưa theo đặc trưng thống kê dài hạn thực theo bước sau [4]: Bước 1: Tính tốc độ mưa (R0.01) có tỉ phần thời gian cao 0,01% năm trung bình (bước tính phút) cho vùng khí hậu đặc trưng lãnh thổ Việt Nam (như mô tả mục 2.2.2) Bước 2: Xác định hệ số k cho kiểu phân cực ngang, đứng tròn Các hệ số k phụ thuộc tần số tính cho phân cực tuyến tính (đứng-V ngang-H) đường truyền ngang Bước 3: Tính độ suy hao r (dB/km) cho dải tần 17GHz, kiểu phân cực tốc độ mưa tính bước Bước 4: Tính chiều dài đường truyền sóng hiệu deff cách nhân chiều dài đường dẫn thực tế d với hệ số khoảng cách r, với r tÝnh nh sau [4]: r 633 073 123 477 d R 01 f 10 579 (1 exp( 024 d )) (4) đó, f (GHz) tần số số mũ mô hình suy hao đặc trưng từ bước Bíc 5: TÝnh tỉng suy hao ma Ar quãng đường với tốc độ mưa có tỉ lệ thời gian cao 0,01% năm trung bình: A0.01 = gR deff = gR dr (dB) (5) KÕt thảo luận 3.1 Kết tính tốc độ mưa khu vực khác lãnh thổ Việt Nam Xem xét kết tính toán R0.01 bảng ta thấy: Mặc dù kết sơ bộ, lại tính dựa tốc độ mưa ngày (không phải tốc độ mưa lớn ngày) hầu hết trạm tính cho kết cao giá trị R0.01 ITU công bố (R0.01 = 70 - 90mm/h) [3] Giá trị R0.01 tính trạm đại diện cho khu vực có hình thời tiết gây mưa đặc trưng Việt Nam hoạt động bão, gió mùa Đông Bắc, gió mùa Tây Nam (Lạng Sơn, Vinh, Đà Nẵng, Nha Trang, Cần Thơ) cao so với trạm bị 58 P.T M Nguyệt, B.N Mỹ, N.Đ.Quế, "Nghiên cứu mô khí hậu Việt Nam." Nghiên cứu khoa học công nghệ ảnh hưởng (Sơn La, Buôn Mê Thuột) Đặc biệt trạm Vinh - chịu ảnh hưởng nhiều bão, gió mùa Đông Bắc kết hợp hai tượng số hình thời tiết đặc trưng khác, có R0.01 cao (292.7mm/h) Bảng Lượng mưa trung bình nhiều năm (LMTNNN) tốc độ mưa R0.01 trạm đo Tên trạm/Khu vực Sơn La / Tây Bắc Lạng Sơn/Đông Bắc Vinh/Bắc Trung Bộ Đà Nẵng/NamTrung Bé LMTBNN (mm) 1433.2 1291.1 2089.6 2216.5 R0.01 (mm/h) 120.3 194.7 292.7 199.4 Tên trạm/Khu vực Nha Trang/Nam Trung Bộ Buôn Mê Thuột/Tây Nguyên Cần Thơ/Nam Bộ LMTBNN (mm) 1337.7 1899.7 1650.9 R0.01 (mm/h) 190.2 72.3 213.3 3.2 KÕt qu¶ tính suy hao mưa khu vực khác lãnh thổ Việt Nam Việc tính toán mô suy hao tín hiệu vô tuyến mưa khoảng cách đường hiệu (deff) dải tần 17GHz thực phần mềm Matlab Kết tính toán mô đưa dạng hai đồ thÞ: Suy hao voi cuong mua 120.3 mm/h Suy hao mua tai tan so 17GHz 45 15 40 30 Suy hao, (dB) Muc suy hao, (dB/km) 35 10 25 20 15 10 Phan cuc ngang Phan cuc dung Phan cuc tron 0 50 100 Cuong mua, (mm/hr) Phan cuc dung Phan cuc tron Phan cuc ngang 150 Khoang cach, (km) H×nh Suy hao tÝn hiệu vô tuyến Hình Suy hao tín hiệu vô tuyến mưa khu vực Tây Bắc mưa tần số 17GHz Hình biểu thị độ suy hao tín hiệu vô tuyến (dB/km) tương ứng với tốc độ mưa (mm/h) Ba đường khác đồ thị đầu đại diện cho mức độ suy hao khác ba kiểu phân cực ngang, đứng tròn Bảng Tổng suy hao (dB) theo khoảng cách (km) với ba kiểu phân cực dải tần số 17 GHz Tên trạm/Khu vực R0.01 (mm/h) Tổng suy hao (dB) theo khoảng cách (km) với ba kiểu phân cực tần số 17GHz 2km 3km 4km Đứng Tròn Ngang Đứng Tròn Ngang Đứng Tròn Ngang Sơn La / Tây Bắc 120.3 16.771 19.207 22.374 20.924 23.963 27.915 24.678 28.262 32.923 Lạng Sơn/Đông Bắc 194.7 25.827 30.132 35.83 32.090 37.44 44.519 37.712 43.999 52.318 Vinh/B¾c Trung Bé 292.7 37.255 44.154 53.423 46.14 54.685 66.165 54.071 64.085 77.538 Đà N½ng/Trung trung Bé 199.4 26.386 30.813 36.677 32.779 38.278 45.562 38.514 44.976 53.535 Nha Trang/Nam Trung Bé 190.2 25.290 29.48 35.019 31.43 36.636 43.52 36.942 43.061 51.152 Bu«n Mê Thuột/Tây Nguyên 72.3 10.635 11.943 13.614 13.332 14.971 17.065 15.787 17.730 20.211 Cần Thơ/Nam Bộ 213.3 28.032 32.821 39.178 34.804 40.75 48.643 40.875 47.857 57.128 Hình mô tả tổng suy hao (dB) tương ứng với khoảng cách đường truyền (km) Đồ thị thứ hai cho thấy mức độ suy hao khác ba kiểu phân cực Mục đích đồ thị xác định chiều dài quãng đường tối đa đạt Từ chương trình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sù, Sè 31, 06 - 2014 59 Kü tht ®iƯn tử & Khoa học máy tính mô tính toán suy hao tín hiệu vô tuyến mưa dải tần 17GHz, với tốc độ mưa đại diện cho khu vực khí hậu Việt Nam khoảng cách đường truyền hai trạm vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng thay đổi (ví dụ từ -4 km), thu kết bảng Qua phân tích cho thấy phân cực ngang bị suy hao nhiều (hình1), phân cực đứng bị suy hao nhất, phân cực tròn có mức suy hao trung bình hai kiểu phân cực ngang phân cực đứng Đối với khoảng cách đường truyền hiệu (deff), độ dài quãng đường tương ứng với tốc độ mưa đặc trưng cho vùng khí hậu Việt Nam dải tần 17GHz, thu kết bảng Bảng Khoảng cách đường truyền hiệu (deff) theo độ dài quãng đường Tờn trạm/Khu vực R0.01 (mm/h) S ơn La / Tây Bắc Lạng S ơn/Đông Bắc Vinh/Bắc Trung Bộ Đà Nẵng/Trung trung Bộ Nha Trang/Nam Trung Bộ Buôn Mê Thuột/Tây Nguyên Lượng mưa TBNN (mm) 1433.2 1291.1 2089.6 2216.5 1337.7 1899.7 Cần Thơ/Nam Bộ 1650.9 213.3 120.3 194.7 292.7 199.4 190.2 72.3 Khoảng cách đường truyền hiệu (deff) theo độ dài quãng đường 17GHz 3km 4km 5km 6km 2.39 2.25 2.14 2.24 2.26 2.82 2.65 2.51 2.64 2.65 3.22 3.02 2.85 3.00 3.03 3.60 3.36 3.17 3.35 3.37 2.55 2.23 3.02 2.61 3.47 2.98 3.89 3.32 Tõ b¶ng cho thÊy, deff (km) bị hạn chế khoảng cách đường truyền dài Phương án thích hợp cho hệ thống tầm nhìn thẳng khoảng cách ngắn Điều đồng nghĩa với việc h¹n chÕ tÝnh linh ho¹t cđa hƯ thèng LOS làm việc khoảng cách đường truyền dài, dải tần cao Kết luận Qua kết tính toán cho thấy giá trị tốc độ mưa khu vực khác khác Các kết khác xa so với giá trị tốc độ mưa ITU công bố Vì việc áp dụng giá trị R0.01 tính số liệu quan trắc thực tế khí tượng Việt Nam cho đánh giá ảnh hưởng mưa đến chất lượng vô tuyến thay giá trị theo khuyến cáo ITU cần thiết Kết tính toán độ suy hao ma ë ViƯt Nam cho thÊy, víi tèc ®é ma vùng khí hậu đặc trưng, hệ thống thông tin vi ba mặt đất dải tần 17 GHz thích hợp với khoảng cách đường truyền ngắn theo kiểu phân cực đứng Nếu điều kiện cho phép, để nâng cao tính đại diện cần tính toán R0.01 cho số lượng trạm khu vực nhiều Ngoài ra, cần sử dụng thêm số liệu giai đoạn từ năm 2001 đến nhằm đánh giá ảnh hưởng biến đổi khí hậu tác động ngày rõ rệt thời gian gần Các kết nêu cho thấy, tài nguyên tần số dải tần thấp hết, muốn mở rộng dải tần lớn hơn, thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba tương lai cần phải tham khảo kết tính toán tổng mức suy hao điều kiện khí hậu, đặc biệt mưa trình bày đây, để đề biện pháp (như tăng công suất phát tín hiệu) nhằm đạt hiệu tối ưu Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thị Minh Nguyệt, ảnh hưởng khí đến truyền dẫn vô tuyến điều kiện khí hậu VN, tạp chí KH&CN-ĐH Thái Nguyên (2011) [2] TT tư liệu Khí tượng thủy văn, Bộ sè liÖu khÝ hËu ViÖt Nam”, NXBKHKT (2004) 60 P.T M Nguyệt, B.N Mỹ, N.Đ.Quế, "Nghiên cứu mô khí hậu Việt Nam." Nghiên cứu khoa học công nghệ [3] Rec ITU-R P.837-6, “Characteristic of precipitation for propagation modeling” , ITU-R Recommendations and Reports, ITU, Geneva (2012) [4] Rec ITU-R P.530-14, “Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems”, ITU-R Rec.&Rep., ITU, Geneva (2012) [5] Rec ITU-R p838-3, “Specific attenuation model for rain for use in prediction methods”, ITU-R Recommendations and Reports, ITU, Geneva (2005) [6] Charilaos I Kourogiorgas, “ A New Method for the Prediction of Outage Probability of LOS Terrestrial Links Operating Above 10 GHz”, IEEE antennas and wireless propagation letters, Vol 12 (2013) [7] M.O Fashuyi, P.A Owolawi and T.J Afullo, “Rainfall rate modelling for LOS radio systems in South Africa”, South African Inst of Electrical engineers (2006) [8] Jan Bogucki, “Precipitation in Radio Communication”, Central Research Laboratory, National Institute of Telecommunications, Poland (2007) [9] Vaclav Kvicera and Martin Grabner, “Rain Attenuation on Terrestrial Wireless Links in the mm Frequency Band”, Czech Metro Institute, Czech Republic (2010) ABSTRACT RESEARCHING THE INFLUENCE OF RAIN ON THE TERRESTRIAL MICROWAVE TRANSMISSION UNDER CLIMATE CONDITIONS IN VIETNAM The atmosphere effect to radio signal plays an important role in the design of radio transmission paths operating above 10GHz In particular, absorption, reflection and scattering of radio waves caused by rain in the troposphere result in signal loss and reducing capabilities, reliability of the line-of-sight (LOS) terrestrial microwave communication systems At the first report, the data of the raining velocity by ITUT was used for caculating radio’s signal attenuation in Vietnam climate conditions Within the scope of this report, a specific method is proposed to handle data conversion from rainfall (mm) to rain rate (mm/h) as well as serve for the calculation of radio signal attenuation in the climate sub-regions of Vietnam These results are analyzed, compared with ITU rain rate data and used to calculate rain attenuation for seven climate regions of Vietnam Keywords: Radio transmission, Terrestrial microwave transmission, Rain attenuation Nhận ngày 13 tháng 02 nm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 05 năm 2014 a chỉ: * Cao đẳng điện tử - điện lạnh Hà Nội ** Viện KH&CN Quân *** Viện KH Khí tượng thủy văn & môi trường – Bộ TN & MT Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 61 ... tuyến điều kiện khí hậu VN, tạp chí KH&CN-ĐH Thái Nguyên (2011) [2] TT tư liệu Khí tượng thủy văn, Bộ số liệu khí hậu Việt Nam , NXBKHKT (2004) 60 P.T M Ngut, B.N Mü, N.§.Q, "Nghiên cứu mô khí hậu. .. hao điều kiện khí hậu, đặc biệt mưa trình bày đây, để đề biện pháp (như tăng công suất phát tín hiệu) nhằm đạt hiệu tối ưu Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thị Minh Nguyệt, ảnh hưởng khí đến truyền dẫn. .. Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 59 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính mô tính toán suy hao tín hiệu vô tuyến mưa dải tần 17GHz, với tốc độ mưa đại diện cho khu vực khí hậu Việt Nam