Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên không hap (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Bùi Thị Huyền NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN DẪN TỚI TRUYỀN TIN TRONG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHÔNG – HAP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần giải pháp mạng vô tuyến khác thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu cộng đồng nghiên cứu viễn thơng giải pháp hạ tầng truyền thơng cao (HAP) hoạt động tầng bình lưu, cách mặt đất 17-25 km Đây công nghệ hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích tương lai Những ưu điểm trội hệ thống kể đến là: Cho phép triển khai dễ dàng nhanh chóng, có khả cấu hình lại, hoạt động chi phí thấp, trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng rộng, có khả truyền thơng quảng bá/đa hướng, có khả di chuyển theo nhiều hướng trường hợp khẩn cấp,… Một đặc điểm hấp dẫn khác hệ thống HAP hệ thống mặt đất cần số lượng lớn trạm gốc để phủ sóng, vệ tinh GEO lại bị giới hạn kích thước tối thiểu chiếu lên mặt đất, vệ tinh quỹ đạo thấp LEO gặp phải vấn đề chuyển giao, HAP lại xem giải pháp hứa hẹn: đảm nhiệm với vai trò trạm gốc nút chuyển tiếp, chí vệ tinh LEO hiệu Hiện giới có nhiều nước triển khai HAP, nhiên Việt Nam khái niệm mới, để triển khai thực tế cần có nghiên cứu kỹ lưỡng Trong bối cảnh đó, việc lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng kênh truyền dẫn tới truyền tin hạ tầng truyền thơng cao – HAP” có ý nghĩa thực tiễn to lớn CHƯƠNG - HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHƠNG 1.1 Giới thiệu hạ tầng truyền thơng không - HAP 1.1.1 Các đặc điểm hạ tầng truyền thông không HAP Nền tảng truyền thông đặt độ cao lớn - HAP đưa từ kỉ trước Vào năm 1960, khí cầu khổng lồ mắt Mỹ Nó phản xạ phát sóng quảng bá từ thiết bị phịng thí nghiệm Bell Crawford Hill (Mỹ) truyền tín hiệu đến người sử dụng điện thoại đường dài Khí cầu xem hình thức sơ khai HAP Các ứng dụng truyền thống khí cầu bị hạn chế mục đích giải trí, khí tượng học, giám sát mơi trường lí an toàn Tuy nhiên, từ vài năm trước, tiến công nghệ truyền thông từ khí cầu tạo tương lai hứa hẹn lĩnh vực 3 Về bản, trạm HAP (HAPS) máy bay hay khí cầu treo lơ lửng vị trí cố định khoảng cách từ 17km-22km so với mặt đất hoạt động vệ tinh Cách giúp đường tín hiệu thẳng giảm tình trạng bị cản trở kiến trúc cao tầng Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm sở có khả bao phủ diện tích rộng lớn; làm giảm, khơng nói loại bỏ, vấn đề diện tích vùng phủ sóng Hình 1.1: Hệ thống HAP triển khai 17~22 km so với mặt đất HAP sử dụng để cung cấp loạt dịch vụ truyền thông bao gồm băng rộng, 3G truyền thông khẩn cấp dịch vụ quảng bá Một phạm vi tương đối rộng dịch vụ mà HAP cung cấp so với vệ tinh bao gồm việc ghi hình ảnh cảm biến từ xa với hiệu cao, chi phí thấp độ phân giải cao Một loạt ứng dụng lai đặt ra, quản lí giao thơng, quản lí hàng hải/hàng khơng an ninh Về phương tiện khơng sử dụng cho HAPS, phân thành ba loại khí cầu khơng người, thiết bị bay không người sử dụng lượng mặt trời thiết bị bay có người 4 1.1.2 Kiến trúc hạ tầng truyền thơng khơng – HAP Hình 1.3: Kiến trúc HAP Hình 1.3 mơ tả kiến trúc kịch truyền thông hệ thống HAP điển hình Trong đó, trạm HAP với đường lên xuống tới thiết bị đầu cuối người sử dụng sử dụng để cung cấp dịch vụ với kết nối backhaul cần thiết Các HAP kết nối với mạng trạm HAP kết nối trực tiếp với trạm vệ tinh Các hệ thống/mạng HAP bao gồm nhiều HAPS không chuyển động, HAPS liên kết với số trạm gateway mặt đất đặt khu vực phủ sóng thị ngoại để cung cấp kết nối tới mạng viễn thông Các mạng mạng cố định mặt đất, vệ tinh, mạng công cộng mạng riêng với nhiều trạm thuê bao di động cố định Vùng phủ sóng cung cấp HAP chủ yếu xác định truyền lan tầm nhìn thẳng (line-of-sight) (đặc biệt dải tần số cao hơn) góc ngẩng tối thiểu thiết bị đầu cuối mặt đất Theo có khu vực phủ sóng hệ thống HAP là: Đô thị (UAC); ngoại ô (SAC) nơng thơn (RAC), xác định vị trí máy thu, tức vùng phủ sóng phụ thuộc vào góc ngẩng tối thiểu chấp nhận từ vị trí thuê bao khoảng cách từ điểm chiếu tảng (SPP - Sub-Platform Point) 5 Hình 1.5: Các khu vực phủ sóng HAP  Vùng phủ sóng thị (UAC) Góc ngẩng tương ứng từ 30° đến 90° có tầm nhìn thẳng (do khoảng cách từ thiết bị đầu cuối người dùng tới HAP ngắn) thành phần đa đường khuếch tán (bao gồm phản ánh từ vật cản khu vực) tín hiệu truyền • Vùng phủ sóng ngoại (SAC) Góc ngẩng tương ứng từ 15° đến 30° trở ngại gần thu gây che chắn tín hiệu suy giảm tín hiệu trực tiếp Sự suy giảm tín hiệu trực tiếp khác vật cản chuyển động, ví dụ xe cộ chịu ảnh hưởng phân bố logarit thường • Vùng phủ sóng khu vực nơng thơn (RAC) Góc ngẩng tương ứng từ 5° đến 15° Giới hạn góc ngẩng thấp thực tế để truy cập vô tuyến băng rộng (BWA) 5° để tránh vấn đề tán xạ mặt đất vượt mức, góc ngẩng tối thiểu nên 15° 1.1.3 Các thành phần hệ thống HAP Một hệ thống truyền thông dựa trạm HAP bao gồm hai thành phần chính: Phân hệ tầng bình lưu phân hệ mặt đất 1.1.3.1 Phân hệ tầng bình lưu Hình 1.6 : Các phân hệ thành phần tầng HAPS bình lưu 1.1.3.2 Phân hệ mặt đất Phân hệ mặt đất (trạm mặt đất) HAP hỗ trợ hoạt động HAP người sử dụng mặt đất, điều khiển số chức liên quan đến hoạt động HAP Giao diện với mạng mặt đất có khác thực chức kiểm soát bay hoạt động cổng thông tin khác 1.2 Phân bổ tần số Việc phân bổ băng tần số cho HAP tuân thủ điều kiện nghiêm ngặt bảo vệ tránh nhiễu hệ thống HAP hệ thống khác sử dụng dải tần số dải tần số liền kề, ví dụ dịch vụ cố định (FS) dịch vụ vệ tinh cố định (FSS), dịch vụ qua vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO) Thông tin liên lạc thông qua HAP có tiềm cung cấp ứng dụng mật độ cao với hiệu phổ tốt, gây nhiễu trải rộng với ứng dụng truyền thơng mặt đất vệ tinh Vì vậy, cần lựa chọn tần số phù hợp để tránh nhiễu với hệ thống thơng tin liên lạc có khác Độ tuyến tính phát làm từ thiết bị tích cực, mối quan tâm đặc biệt tính hài hịa gây nhiễu cho hệ thống thông tin liên lạc bên cạnh Bảng 1.2: Phân bổ tần số cho HAP Băng (GHz) 47.9-48.2 47.2-47.5 tần Khu vực/ đất nước Dịch vụ Toàn cầu Chia sẻ dịch vụ FS (đường lên FS, đường xuống) MS Khuyến nghị RR FFS, 5.552A 31.0-31.3 Vùng + số quốc gia FS (đường lên) FS 27.5-28.35 FS, MS (đường FS, xuống) IMT-2000 5.543A FSS, MS 2.160-2.170 Vùng FS, MS 2.110-2.160 Toàn cầu 2.010-2.025 Vùng FS, MS 1.885-1.980 Toàn cầu FS, MS 5.537A 5.388A FS, MS, nghiên cứu không gian Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Nga, Trung Đông FS: Dịch vụ cố định Vùng 2: Bắc Nam Mỹ FSS: Dịch vụ vệ tinh cố định Vùng 3: Châu Á nước Thái Bình Dương MS: Dịch vụ di động 1.3 Các ứng dụng dịch vụ HAP có lợi lớn mạng mặt đất khu vực phát multicast nơi mà nhiều lợi ích vệ tinh GEO cung cấp bổ sung kênh đường lên cho truy nhập Internet video tương tác HAP phục vụ tốt khu vực có dân số thấp, ví dụ đảo, đại dương, thị xã phát triển, v.v nơi mà chi phí cho thuê bao hệ thống mặt đất thường cao mật độ lưu lượng thấp số lượng điểm truy cập cần thiết để phủ sóng khu vực Trong đó, ứng dụng tiềm HAPS truy cập không dây băng rộng (BWA), cố định mà khả cung cấp tốc độ liệu cao cho người sử dụng tạo điều kiện phát triển dịch vụ băng rộng Mặt khác mạng HAP sử dụng để cung cấp dịch vụ 2G, 3G Một trạm gốc HAP trang bị anten có búp sóng rộng số anten tính hướng phủ sóng cell nhỏ phục vụ khu vực rộng 1.4 Các kiến trúc triển khai hệ thống HAP Có kiến trúc đề xuất cho hệ thống truyền thông HAP Sự khác chúng phần lớn nằm sở hạ tầng mạng liên quan 8 1.4.1 Hệ thống HAP độc lập Hình 1.9: Hệ thống HAP độc lập 1.4.2 Hệ thống HAP - mặt đất tích hợp Hình 1.10: Hệ thống HAP-mặt đất tích hợp 1.4.3 Hệ thống mặt đất – HAP - vệ tinh Hình 1.13: Hệ thống Mặt đất-HAP-Vệ tinh tích hợp 1.5 So sánh hệ thống HAP, thông tin vệ tinh thông tin di động mặt đất 1.5.1 Các ưu điểm HAP HAP coi có vài đặc điểm bật so với hệ thống vệ tinh mặt đất phụ thuộc vào ứng dụng, phần bổ sung lí tưởng giải pháp thay triển khai hệ thống truyền thông hệ yêu cầu dung lượng lớn Các ưu điểm HAP bao gồm: Vùng phủ sóng rộng; chi phí thấp; Khả băng rộng; Triển khai nhanh chóng 1.5.2 So sánh hệ thống: HAP, thông tin vệ tinh thông tin di động mặt đất 1.5.3 Các thách thức triển khai HAP 1.6 Các dự án nghiên cứu triển khai HAP điển hình giới 1.7 Kết luận chương Chương giới thiệu chi tiết hạ tầng không HAP: Các khái niệm, thành phần, quy định tần số, băng tần trình triển khai HAPS Với nhiều lợi như: vùng phủ sóng rộng, trễ truyền lan thấp thân thiện với môi trường, HAPS triển khai, hoạt động bổ sung cho công nghệ hành Bên cạnh việc sử dụng HAPS dịch vụ cố định băng rộng, HAPS cung cấp dịch vụ di động tương lai, hỗ trợ cho mạng cảm biến khơng dây, TV di động… CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA KÊNH BĂNG RỘNG HAP 2.1 Cơ chế truyền sóng ảnh hưởng lên đường truyền HAP Tùy thuộc vào tần số hoạt động, chế truyền sóng đường truyền tạo tác động khác lên tín hiệu Điều dẫn tới khác đáng kể mơ hình hoạt động dải tần số thấp so với với mơ hình hoạt động dải tần cao Một tác động phân tích nắm rõ, đưa mơ tả thơng qua mơ hình thống kê Sử dụng mơ hình giúp nhà thiết kế hệ thống phát triển mơ hình kênh hiệu thực tế hơn, để áp dụng thiết kế hệ thống truyền thông HAP 10 2.1.1 Suy hao không gian tự Suy hao đường truyền kết nối vô tuyến bất lý định nghĩa tỷ số công suất phát công suất thu hai anten thường biểu diễn dạng đề-xi-ben (dB) 2.1.2 Hiện tượng đa đường Suy hao đa đường mà tín hiệu truyền gặp phải mô tả theo hai cách: suy hao đường truyền trung bình khoảng cách định từ máy phát (fading phạm vi rộng), biến đổi nhanh công suất thu khoảng cách ngắn /hoặc khoảng thời gian ngắn (fading phạm vi hẹp) Hiện tượng đa đường gây số ảnh hưởng như: hiệu ứng Doppler (sự thay đổi tần số chuyển động) tán sắc thời gian xuất tín hiệu bị trễ (tia vọng - echo) bị suy hao tín hiệu phát ban đầu Những tia vọng tạo nhiễu xuyên ký tự (ISI) phía nhận 2.1.3 Suy hao mưa Tầng đối lưu bao gồm hỗn hợp phần tử có kích thước đặc điểm khác nhau, từ phân tử khí tới mưa mưa đá Suy hao tổng (dB) sóng điện từ qua môi trường bao gồm nhiều phần tử nhỏ chịu ảnh hưởng hai trình tán xạ hấp thụ Các phần tử tán xạ quan tâm hệ thống HAP bao gồm sương mù, mưa rơi mây Trong trường hợp này, thành phần tán xạ suy hao có ảnh hưởng đáng kể hệ thống hoạt động băng tần 10 GHz Các thành phần hấp thụ tăng lên theo tần số Vì vậy, tất hệ thống HAP hoạt động băng tần 27/31 47/49 GHz bị ảnh hưởng tượng Suy hao mưa gây suy giảm nghiêm trọng hiệu liên kết người dùng mặt đất HAP, đặc biệt tần số 10GHz 2.1.4 Sự hấp thụ môi trường 2.2 Các mơ hình kênh HAP 2.2.1 Các đặc tính hình học Giữa vị trí trạm thu trái Đất HAPS với đặc tính kênh có mối quan hệ với HAPS nằm vị trí gần khơng chuyển động độ cao khoảng 17-22 km so với mực nước biển, đặc tính hình học xác định hệ thống minh họa Hình 2.4 11 Hình 2.4: Các đặc tính hình học HAPS Các thơng số mô tả hệ thống là:  góc ngẩng người sử dụng (đơn vị độ) h chiều cao tảng HAPS (m); r khoảng cách từ người sử dụng đến SPP (m) Ba khu vực phủ sóng xác định HAPS RAC, UAC SAC, đường kính khu vực dia=2r xác định cơng thức: 2.2.2 Đặc tính thống kê Các thơng số hình học thống kê liên quan đến việc phát triển mơ hình kênh cho hệ thống HAP Đối với người sử dụng vị trí tảng HAP (độ cao góc gần 90o), kênh giả định Gauss với giá trị hệ số Rice lớn (k> 20) Khi góc ngẩng giảm, kênh mơ hình hóa cách sử dụng phân bố Rice với giá trị k nhỏ Đường bao tín hiệu số phức biễu diễn tốn học sau: (2.10) Trong u(t) biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh (đa đường) α(t) phân bố khoảng (0, 2π) v(t) β(t) tín hiệu tiền định biên độ pha thành phần trực tiếp Hàm mật độ xác suất (PDF) fS(r) S(t) là:  s    2  s  f S ( s)  e    sv  I   với s    (2.11) I0 hàm Bessel sửa đổi loại bậc S(t)  (t) biến ngẫu nhiên độc lập Giả sử pha thành phần trực tiếp thay đổi ngẫu nhiên, mơ hình 12 hóa biến ngẫu nhiên phân bố khoảng (0, 2π) Phương trình (11) biểu diễn PDF phân bố Rice, với giá trị hiệu dụng (RMS):   E s    2 Trong v đường bao thành phần trực tiếp tín hiệu thu (2.12) cơng suất trung bình thành phần N tạo đa đường Phân bố Rice đặc trưng hệ số Rice k với (2.13) Đối với khu vực thị, người ta đề xuất sử dụng mơ hình kênh Rice, không nên bỏ qua tượng đa đường che chắn Đối với khu vực ngoại thành, cơng suất trung bình thành phần trực tiếp giảm vật cản đáng kể hơn, phân phối Rayleigh chiếm ưu thế, với ảnh hưởng che chắn có đặc tính phân bố chuẩn logarit Cuối cùng, khu vực nông thôn, tượng che chắn yếu tố chiếm ưu thế, phân bố chuẩn logarit cho phép lấy xấp xỉ tốt (Hình 2.9) Bảng 2.1 tổng hợp thông số khác hàm mật độ xác suất xem xét vùng phủ sóng HAP Hình 9: Các kênh hệ thống HAP 13 2.2.3 Các mơ hình kênh HAP 2.2.3.1 Mơ hình kênh theo góc ngẩng khoảng cách mặt phẳng nằm ngang Trong mơ hình kênh [10], kênh HAP xem xét mô góc ngẩng khoảng cách mặt phẳng nằm ngang gương phản xạ mặt đất số đối số thống kê Từ đường truyền đường từ tảng tới trạm mặt đất, ba điểm cần xem xét đặc biệt, là: • Sự có mặt tín hiệu tầm nhìn thẳng trực tiếp từ tảng • Góc ngẩng α mà hàm độ cao tảng h khoảng cách mặt phẳng nằm ngang r máy thu từ điểm chiếu tảng Những thay đổi giá trị α dẫn tới kết biến đổi đa đường trễ tín hiệu nhận • Che chắn gây phản xạ xác định khoảng cách Δr từ máy thu Hình 2.10: Mơ tả hình học mơ hình kênh với tia trực tiếp(direct ray) tia phản xạ( reflex ray or echo) 2.2.3.2 Mơ hình kênh Dovis-Fantini Mơ hình Dovis-Fantini [11] cho kênh HAP dựa lý thuyết mơ hình fading phạm vi hẹp kênh truyền thông người sử dụng mặt đất (cố định di động) tảng dựa xuất tán xạ địa hình Theo đó, máy phát (Tx) đặt điểm có tọa độ (0, 0, z0) máy thu (Rx) đặt điểm có tọa độ (x0, 0, 0) Đường elip Σ khối có chứa tán xạ mà gây trễ vượt