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

Mô phỏng vùng phủ sóng di động cho vùng ngoại thành dùng Wireless Insite Nguyễn Thị Nhung Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Đức Tân Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX và khả năng áp dụng cho vùng nông thôn ở Việt Nam. Hệ thống thông tin vô tuyến và các mô hình truyền sóng outdoor. Mô phỏng vùng phủ sóng di động tại tỉnh Bắc Ninh. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Sóng di động; Hệ thống thông tin; Thông tin vô tuyến; Công nghệ WiMAX Content. 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". 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. 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 tính điển 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 CHƢƠNG 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. Hình 1.1: Mô hình hệ thống Wimax 1.1.2. Đặc điểm của công nghệ WiMAX 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 Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang. 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 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. Dung lƣợng 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. 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. Mô hình này sử dụng các anten thu tín hiệu đặt trên nóc nhà giống như các chảo vệ tinh. Băng tần công tác 2.5 hoặc 3.5 GHz. Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wimax cố định 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. Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wimax Khả năng áp dụng WiMAX cho khu vực nông thôn tại Việt Nam 1.2. 1.2.1. Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực nông thôn Việt Nam Tại Việt Nam hiện nay 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 hi 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 1.2.2. Giải pháp Internet cho khu vực nông thôn 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). CHƢƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG OUTDOOR Hệ thống thông tin 2.1 Sự truyền tin: là sự dịch chuyển thông tin từ điểm này đến điểm khác trong một môi trường xác định. Nguồn phát Kênh truyền Nguồn nhận Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản Hệ thống thông tin vô tuyến 2.2 2.2.1. Khái niệm Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu. 2.2.2. Kênh truyền vô tuyến 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. 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. 2.2.3. Cơ chế lan truyền Tín hiệu được truyền từ nơi phát đến thiết bị nhận di động qua một hay nhiều sóng cơ sở. Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: - Phản xạ - Nhiễu xạ - Tán xạ Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời (outdoor) 2.1 - Mô hình Longley-Rice - Mô hình Durkin - Mô hình Okumura - Mô hình Hata CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI TỈNH BẮC NINH 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng điện từ trƣờng Wireless Insite Wireless InSite là phần mềm mô phỏng điện từ trường được sử dụng để phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin vô tuyến. Phần mềm này dự đoán hiệu quả và chính xác cho việc mô phỏng và đặc tính kênh truyền vô tuyến trong các môi trường như môi trường thành phố phức tạp, indoor, khu vực nông thôn,… 3.2. 3.2.1 Mô phỏng vùng phủ sóng di động ở khu vực tỉnh Bắc Ninh Đặc điểm địa hình của tỉnh Bắc Ninh Bắc Ninh là một tỉnh Việt Nam thuộc khu vực phía bắc của vùng đồng bằng sông Hồng Địa hình của tỉnh tương đối bằng phẳng, có hướng dốc chủ yếu từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông, được thể hiện qua các dòng chảy mặt đổ về sông Đuống và sông Thái Bình. Mức độ chênh lệch địa hình không lớn, vùng đồng bằng thường có độ cao phổ biến từ 3 - 7 m, địa hình trung du đồi núi có độ cao phổ biến 300 - 400 m. 3.2.2 Đặc điểm về kiến trúc hạ tầng tỉnh Bắc Ninh Với mật độ dân số rất cao nên kèm theo đó ở Bắc Ninh nhà cửa được xây dựng san sát nhau. Cùng với đó là sự phát triển của các khu đô thị mới, các tòa nhà cao tầng cũng đang được mọc lên ngày càng nhiều. Các yếu tố này ảnh hưởng rất lớn tới sự truyền sóng trong thông tin vô tuyến. 3.2.3 Chƣơng trình mô phỏng 3.2.3.1 Xây dựng Project Bƣớc 1: Tạo Project Bac Ninh Bƣớc 2: Load file city File city mô tả cấu trúc hạ tầng của Thành Phố Bắc Ninh. Nó bao gồm vị trí, chiều cao, diện tích và vật liệu xây dựng các tòa nhà của thành phố. Hình 3.7: File city trong cửa sổ 3D Bƣớc 3: Load file địa hình (Terrain) File địa hình có đuôi là ter mô tả địa hình (chiều cao so với mặt nước biển) của khu vực được khảo sát. Bƣớc 4:Tạo dạng sóng Trong project này, ta khảo sát Wimax trên cơ sở của truyền hình số và sử dụng sóng mang là 450MHz với độ rộng băng tần 5MHz. Hình 3.9: Dạng sóng 450-5MHz Bƣớc 5: Tạo anten Trong project này sử dụng anten đẳng hướng cho cả phía phát và phía thu Hình 3.10: Anten đẳng hướng Bƣớc 6: Đặt trạm phát Trạm phát trong project này được đặt tại vị trí đặt trạm phát sóng của đài phát thanh và truyền hình Bắc Ninh hiện nay. Cụ thể như sau: Vị trí: kinh độ 106,067o , vĩ độ 21,184o Chiều cao: 78m Công suất phát: 42 dBm Bƣớc 7: Đặt trạm thu Trong project này ta khảo sát vùng phủ sóng của một trạm phát Wimax trên cơ sở truyền hình. Do đó như ở phần trên đã nói, trạm phát sẽ được đặt tại vị trí của cột truyền hình tỉnh Bắc Ninh còn trạm thu sẽ được đặt tại vị trí đặt anten thu tín hiệu truyền hình tại mỗi nhà dân. Ta tính trung bình mỗi anten thu sẽ cao 10m và được bao phủ toàn bộ thành phố Bắc Ninh với khoảng cách 50m ta sẽ đặt 1 trạm thu. Bƣớc 8: Tạo vùng khảo sát Chúng ta có thể định nghĩa từng khu vực khảo sát trong một project. Bƣớc 9: Lựa chọn thông số đầu ra Lựa chọn các thông số như: Path loss, Receiver power, Propagation paths Hình 3.16: Tổng quan về project trong không gian 3 chiều Hình 3.17: Tổng quan về project trong không gian 2 chiều 3.2.3.2 Tiến hành chạy mô phỏng Sau khi hoàn thành xong việc xây dựng project, ta tiến hành chạy mô phỏng. Trong cửa sổ Project view hoặc cửa sổ Main, click vào Project -> Run -> New. Khi đó cửa sổ Calculation Log sẽ hiện ra để chúng ta có thể theo dõi quá trình xử lí của phần mềm. Hình 3.18: Cửa sổ calculation log 3.2.3.3 Kết quả chạy mô phỏng Sau khi tiến hành chạy mô phỏng xong, các file kết quả đầu ra sẽ được lưu trong thư mục study area của Project Các file kết quả đầu ra của project này bao gồm: Công suất thu: Bac Ninh.power.t001_02.r003.p2m Công suất bị mất mát trên đường truyền: Bac Ninh.pl.t001_02.r003.p2m Công suất nhận của anten và phần trăm phủ sóng Phần mềm cung cấp cho ta một cái nhìn tổng quan về mức độ mạnh yếu của công suất thu trong vùng phủ sóng bằng cách chỉ thị màu sắc. Mỗi một vị trí trên thanh màu thể hiện một công suất xác định như: màu xanh lơ là công suất thu yếu (yếu nhất là -78.4 dBm), màu cam là công suất thu mạnh (mạnh nhất là -33.8 dBm). Từ đó ta có thể thấy được những vùng nào thu tốt, vùng nào thu yếu một cách trực quan nhất. Hình 3.20 mô tả vùng phủ sóng khi trạm phát là anten đẳng hướng. Hình 3.20: Vùng phủ sóng khi sử dụng anten đẳng hướng - Nếu đặt ngƣỡng công suất thu mà máy thu còn nhận đƣợc tín hiệu là -65dBm Khi đó mức độ phủ sóng của trạm phát trong project này là: Tổng số Số antenna thu còn nhận antenna thu đươc sóng 882 340 Phần trăm phủ 38.55% sóng Bảng 3.1: Phần trăm phủ sóng với ngưỡng thu là -65dBm - Nếu đặt ngƣỡng công suất thu mà máy thu còn nhận đƣợc tín hiệu là -75dBm Khi đó mức độ phủ sóng của trạm phát trong project này là: Phần trăm phủ sóng Tổng số Số antenna thu còn nhận antenna thu đươc sóng 882 763 86.5% Bảng 3.2: Phần trăm phủ sóng với ngưỡng thu là -75dBm KẾT LUẬN Luận văn đã mô phỏng khái quát vùng phủ sóng di động của một trạm phát Wimax trên băng tần 450MHz, trên cơ sở khảo sát thực tế các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phủ sóng bao gồm địa hình, kiến trúc hạ tầng,… của tỉnh Bắc Ninh, một vùng nông thôn miền Bắc Việt Nam. Đồng thời các yếu tố về địa hình, cơ sở hạ tầng của tỉnh Bắc Ninh gần giống với nhiều tỉnh ở nước ta. Do đó trên cơ sở kết quả thu được ta có thể thấy việc triển khai WiMax trên băng tần 450MHz cho vùng nông thôn dựa trên cơ sở hạ tầng của truyền hình số là bước đi khá khả quan để mang Internet về vùng nông thôn Việt Nam. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN N. Nhung, Đ. H. Hoàng, T.T.T. Quỳnh, T.Đ. Nghĩa, T.Đ. Tân, Mô phỏng phủ sóng di động trong tòa nhà sử dụng Wireless Insite, Tạp chí Khoa học công nghệ Trường Đại học Công nghiệp, số 8/2011, trang 26 đến 28, chấp nhận đăng tháng 12/2011. References. Tiếng Việt 1. Hồ Văn Quân, “Lý thuyết thông tin”, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 2. ................................................................ N. Nhung, Đ. H. Hoàng, T.T.T. Quỳnh, T.Đ. Nghĩa, T.Đ. Tân, Mô phỏng phủ sóng di động trong tòa nhà sử dụng Wireless Insite, Tạp chí Khoa học công nghệ Trường Đại học Công nghiệp, số 8/2011, chấp nhận đăng tháng 12/2011. 3. Trịnh Anh Vũ, “Thông tin di động”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006. 4. Trịnh Thị Thanh Tâm, “Công nghệ WiMAX và khả năng áp dụng tại Việt Nam”, khóa luận tốt nghiệp đại học – khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, tháng 6 năm 2009. 5. Thông tin về tỉnh Bắc Ninh,http://www.bacninh.gov.vn Tiếng Anh 6. “The Wireless Insite users manual”,http://www.remcom.com/wireless-insite. 7. Tran Duc Tan, Do Duc Dung, Ta Duc Tuyen, Nguyen Van Hoang, “Innovative WiMAX Broadband Internet Access for Rural Areas of Vietnam using TV Broadcasting Ultra-High Frequency (UHF) Bands”, TENCON 2011, Indonesia, 11/2011. 8. http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/