Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên không - hap

  • Số trang: 22 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 62 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34345 tài liệu

Mô tả:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- 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 1 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây một giải pháp mạng vô tuyến khác cũng đang thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của cộng đồng nghiên cứu viễn thông đó là giải pháp hạ tầng truyền thông trên cao (HAP) hoạt động ở tầng bình lưu, cách mặt đất 17-25 km. Đây là một công nghệ mới hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong tương lai. Những ưu điểm nổi trội của hệ thống này có thể kể đến là: Cho phép triển khai dễ dàng và nhanh chóng, có khả năng cấu hình lại, hoạt động chi phí thấp, trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng rộng, có khả năng truyền thông quảng bá/đa hướng, có khả năng di chuyển theo nhiều hướng trong trường hợp khẩn cấp,… Một đặc điểm hấp dẫn khác của các hệ thống HAP là khi các hệ thống mặt đất cần một số lượng lớn các trạm gốc để phủ sóng, trong khi đó các vệ tinh GEO lại bị giới hạn về kích thước ô tối thiểu chiếu lên mặt đất, và các vệ tinh quỹ đạo thấp LEO gặp phải vấn đề chuyển giao, thì HAP lại được xem là giải pháp hứa hẹn: nó có thể đảm nhiệm với vai trò là trạm gốc hoặc các nút chuyển tiếp, thậm chí có thể là một vệ tinh LEO rất hiệu quả. Hiện nay trên thế giới có nhiều nước đã triển khai HAP, tuy nhiên ở Việt Nam đây là một khái niệm khá mới, do vậy để có thể triển khai trong thực tế cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng. Trong bối cảnh đó, việc lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên cao – HAP” có ý nghĩa thực tiễn to lớn. CHƯƠNG 1 - HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN KHÔNG 1.1 Giới thiệu về hạ tầng truyền thông trên không - HAP 1.1.1. Các đặc điểm của hạ tầng truyền thông trên không HAP Nền tảng truyền thông đặt ở độ cao lớn - HAP được đưa ra từ thế kỉ trước. Vào năm 1960, một khí cầu khổng lồ được ra mắt ở Mỹ. Nó phản xạ sự phát sóng quảng bá từ thiết bị phòng thí nghiệm Bell ở Crawford Hill (Mỹ) và truyền tín hiệu đến những người sử dụng điện thoại đường dài. Khí cầu này có thể được xem như là hình thức sơ khai của HAP. Các ứng dụng truyền thống của khí cầu bị hạn chế trong các mục đích giải trí, khí tượng học, giám sát môi trường vì lí do an toàn. Tuy nhiên, từ vài năm trước, một sự tiến bộ về công nghệ trong truyền thông từ khí cầu đã tạo ra một tương lai hứa hẹn trong lĩnh vực này. 3 Về cơ bản, các trạm HAP (HAPS) là những chiếc máy bay hay khí cầu treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km-22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh. Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng. Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làm giảm, nếu không nói là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng. Hình 1.1: Hệ thống HAP triển khai ở 17~22 km so với mặt đất HAP được sử dụng để cung cấp một loạt các dịch vụ truyền thông bao gồm băng rộng, 3G và truyền thông khẩn cấp cũng như là các dịch vụ quảng bá. Một phạm vi tương đối rộng các dịch vụ mà HAP có thể cung cấp so với các vệ tinh bao gồm việc ghi các hình ảnh và cảm biến từ xa với hiệu quả cao, chi phí thấp và độ phân giải cao. Một loạt các ứng dụng lai cũng được đặt ra, như quản lí giao thông, quản lí hàng hải/hàng không và an ninh. Về các phương tiện trên không sử dụng cho HAPS, có thể phân thành ba loại là khí cầu không người, thiết bị bay không người sử dụng năng lượng mặt trời và thiết bị bay có người. 4 1.1.2. Kiến trúc của hạ tầng truyền thông trên không – HAP Hình 1.3: Kiến trúc HAP Hình 1.3 mô tả kiến trúc và kịch bản truyền thông của một hệ thống HAP điển hình. Trong đó, các trạm HAP với các đường lên và xuống tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ cùng với một kết nối backhaul nếu cần thiết. Các HAP này cũng có thể được kết nối với nhau trong một mạng các trạm HAP và kết nối trực tiếp với trạm vệ tinh. Các hệ thống/mạng HAP bao gồm một hoặc nhiều HAPS hầu như không chuyển động, mỗi HAPS được liên kết với một số trạm gateway trên mặt đất được đặt tại các khu vực phủ sóng đô thị hoặc ngoại ô để cung cấp kết nối tới các mạng viễn thông. Các mạng này có thể là mạng cố định mặt đất, vệ tinh, các mạng công cộng hoặc mạng riêng với nhiều trạm thuê bao di động và cố định. Vùng phủ sóng được cung cấp bởi HAP chủ yếu được xác định bởi truyền lan tầm nhìn thẳng (line-of-sight) (đặc biệt là ở các dải tần số cao hơn) và góc ngẩng tối thiểu của thiết bị đầu cuối mặt đất. Theo đó có 3 khu vực phủ sóng trong hệ thống HAP là: Đô thị (UAC); ngoại ô (SAC) và nông thôn (RAC), được xác định bởi vị trí của máy thu, tức là vùng phủ sóng phụ thuộc vào góc ngẩng tối thiểu được chấp nhận từ vị trí của thuê bao và khoảng cách từ điểm chiếu của nền tảng (SPP - Sub-Platform Point). 5 Hình 1.5: Các khu vực phủ sóng của HAP  Vùng phủ sóng đô thị (UAC) Góc ngẩng tương ứng từ 30° đến 90° và có tầm nhìn thẳng (do khoảng cách từ thiết bị đầu cuối người dùng tới HAP ngắn) và các thành phần đa đường khuếch tán (bao gồm sự phản ánh từ các vật cản trong khu vực) của tín hiệu truyền. • Vùng phủ sóng ngoại ô (SAC) Góc ngẩng tương ứng từ 15° đến 30° và những trở ngại gần bộ thu gây ra che chắn tín hiệu và sự suy giảm của các tín hiệu trực tiếp. Sự suy giảm của các tín hiệu trực tiếp khác nhau do các vật cản chuyển động, ví dụ xe cộ và chịu ảnh hưởng của phân bố logarit thường. • Vùng phủ sóng khu vực nông thôn (RAC) Góc ngẩng tương ứng từ 5° đến 15°. Giới hạn góc ngẩng thấp hơn thực tế để truy cập vô tuyến băng rộng (BWA) là 5° và để tránh các vấn đề do tán xạ mặt đất vượt mức, góc ngẩng tối thiểu nên là 15°. 1.1.3 Các thành phần của hệ thống HAP Một hệ thống truyền thông dựa trên trạm HAP về cơ bản bao gồm hai thành phần chính: Phân hệ tầng bình lưu và phân hệ mặt đất. 1.1.3.1 Phân hệ tầng bình lưu 6 Hình 1.6 : Các phân hệ thành phần tầng HAPS ở bình lưu 1.1.3.2 Phân hệ mặt đất Phân hệ mặt đất (trạm mặt đất) HAP hỗ trợ các hoạt động giữa HAP và người sử dụng trên mặt đất, cũng như điều khiển một số chức năng liên quan đến hoạt động của HAP. Giao diện với các mạng mặt đất hiện có khác cũng được thực hiện ở đây cũng như các chức năng kiểm soát bay và các hoạt động cổng thông tin khác. 1.2 Phân bổ tần số Việc phân bổ các băng tần số cho HAP tuân thủ các điều kiện nghiêm ngặt về bảo vệ và tránh nhiễu giữa các hệ thống HAP và các hệ thống khác khi sử dụng cùng dải tần số hoặc các dải tần số liền kề, ví dụ như dịch vụ cố định (FS) và 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 năng cung cấp các ứng dụng mật độ cao với hiệu quả phổ rất tốt, nhưng cũng gây ra nhiễu trải rộng với các ứng dụng truyền thông trên mặt đất và vệ tinh. Vì vậy, cần lựa chọn tần số phù hợp để tránh nhiễu với các hệ thống thông tin liên lạc hiện có khác. Độ tuyến tính của bộ phát được làm từ các thiết bị tích cực, là một mối quan tâm đặc biệt do tính hài hòa có thể gây nhiễu cho các 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, và đường xuống) MS Khuyến nghị RR FFS, 5.552A trong 7 31.0-31.3 Vùng 2 + một 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 1 và 3 FS, MS 2.110-2.160 Toàn cầu 2.010-2.025 Vùng 1 và 3 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, và Trung Đông FS: Dịch vụ cố định Vùng 2: Bắc và Nam Mỹ FSS: Dịch vụ vệ tinh cố định Vùng 3: Châu Á và các nước Thái Bình Dương MS: Dịch vụ di động 1.3 Các ứng dụng và dịch vụ HAP có một lợi thế lớn hơn các mạng trên mặt đất trong khu vực phát multicast nơi mà nhiều lợi ích của các vệ tinh GEO được cung cấp bổ sung các kênh đường lên cho truy nhập Internet và video tương tác. HAP cũng phục vụ tốt trong các khu vực có dân số thấp, ví dụ như đảo, đại dương, thị xã đang phát triển, v.v... nơi mà chi phí cho mỗi thuê bao trong các hệ thống trên mặt đất thường quá cao trong khi mật độ lưu lượng thấp bởi vì số lượng các điểm truy cập cần thiết để phủ sóng các khu vực này. Trong đó, một ứng dụng tiềm năng của HAPS là truy cập không dây băng rộng (BWA), cố định mà khả năng có thể cung cấp các tốc độ dữ liệu rất cao cho người sử dụng và sẽ tạo điều kiện phát triển các dịch vụ băng rộng. Mặt khác mạng HAP còn được sử dụng để cung cấp các dịch vụ 2G, 3G. Một trạm gốc HAP được trang bị một anten có búp sóng rộng hoặc số anten tính hướng phủ sóng các cell nhỏ hơn có thể phục vụ một khu vực rất rộng. 1.4 Các kiến trúc triển khai hệ thống HAP Có 3 kiến trúc được đề xuất cho các hệ thống truyền thông HAP. Sự khác nhau giữa chúng phần lớn nằm ở cơ 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 9 1.5 So sánh giữa các hệ thống HAP, thông tin vệ tinh và thông tin di động mặt đất 1.5.1 Các ưu điểm của HAP HAP được coi có một vài đặc điểm nổi bật so với các hệ thống vệ tinh và mặt đất và phụ thuộc vào các ứng dụng, nó là phần bổ sung lí tưởng hoặc giải pháp thay thế khi triển khai hệ thống truyền thông thế hệ tiếp theo yêu cầu dung lượng lớn. Các ưu điểm chính của HAP bao gồm: Vùng phủ sóng rộng; chi phí thấp; Khả năng băng rộng; Triển khai nhanh chóng. 1.5.2 So sánh các hệ thống: HAP, thông tin vệ tinh và thông tin di động mặt đất 1.5.3 Các thách thức khi triển khai HAP 1.6 Các dự án nghiên cứu và triển khai HAP điển hình trên thế giới 1.7. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giới thiệu chi tiết về hạ tầng trên không HAP: Các khái niệm, thành phần, các quy định về tần số, băng tần trong quá trình triển khai HAPS... Với nhiều lợi thế như: vùng phủ sóng rộng, trễ truyền lan thấp và thân thiện với môi trường, HAPS đã và đang được triển khai, hoạt động bổ sung cho các công nghệ hiện hành. Bên cạnh việc sử dụng HAPS các dịch vụ cố định băng rộng, HAPS có thể cung cấp các dịch vụ di động trong tương lai, hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây, TV di động… CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA KÊNH BĂNG RỘNG HAP 2.1. Cơ chế truyền sóng và các ảnh hưởng lên đường truyền HAP Tùy thuộc vào tần số hoạt động, các cơ chế truyền sóng trong đường truyền tạo ra các tác động khác nhau lên tín hiệu. Điều đó dẫn tới sự khác nhau đáng kể giữa những mô hình hoạt động tại các dải tần số thấp so với với những mô hình hoạt động tại các dải tần cao hơn. Một khi những tác động này được phân tích và nắm rõ, chúng ta có thể đưa ra và mô tả thông qua các mô hình thống kê. Sử dụng các mô hình này giúp các nhà thiết kế hệ thống phát triển các mô hình kênh hiệu quả và thực tế hơn, để áp dụng khi thiết kế các hệ thống truyền thông HAP. 10 2.1.1 Suy hao trong không gian tự do Suy hao đường truyền trong một kết nối vô tuyến bất lý được định nghĩa như là tỷ số của công suất phát và công suất thu được giữa hai anten và thường được biểu diễn dưới dạng đề-xi-ben (dB). 2.1.2 Hiện tượng đa đường Suy hao đa đường mà một tín hiệu được truyền gặp phải có thể được mô tả theo hai cách: như là suy hao đường truyền trung bình tại một khoảng cách nhất định từ máy phát (fading phạm vi rộng), và như một sự biến đổi nhanh về công suất thu được trên một khoảng cách ngắn và /hoặc các khoảng thời gian ngắn (fading phạm vi hẹp). Hiện tượng đa đường còn gây ra một số ảnh hưởng như: hiệu ứng Doppler (sự thay đổi về tần số do chuyển động) và tán sắc thời gian do sự xuất hiện của tín hiệu bị trễ (tia vọng - echo) là những bản sao bị suy hao của tín hiệu được phát ban đầu. Những tia vọng này có thể tạo ra nhiễu xuyên ký tự (ISI) tại phía nhận. 2.1.3 Suy hao do mưa Tầng đối lưu bao gồm hỗn hợp các phần tử có kích thước và các đặc điểm khác nhau, từ các phân tử trong khí quyển tới mưa và mưa đá. Suy hao tổng (dB) khi sóng điện từ đi qua một môi trường bao gồm nhiều phần tử nhỏ như vậy chịu ảnh hưởng của hai quá trình là tán xạ và hấp thụ Các phần tử tán xạ chính được quan tâm trong các hệ thống HAP bao gồm sương mù, mưa rơi và mây. Trong những trường hợp này, các thành phần tán xạ của suy hao chỉ có ảnh hưởng đáng kể đối với các hệ thống hoạt động ở băng tần trên 10 GHz. Các thành phần hấp thụ cũng tăng lên theo tần số. Vì vậy, tất cả các hệ thống HAP hoạt động trong các băng tần 27/31 và 47/49 GHz sẽ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này. Suy hao do mưa có thể gây suy giảm nghiêm trọng hiệu năng của một liên kết người dùng mặt đất HAP, đặc biệt là đối với các tần số trên 10GHz 2.1.4 Sự hấp thụ của môi trường 2.2 Các mô hình kênh HAP 2.2.1 Các đặc tính hình học Giữa vị trí của trạm thu trên trái Đất và HAPS với đặc tính kênh có mối quan hệ với nhau. HAPS nằm trên một vị trí gần như không chuyển động ở độ cao khoảng 17-22 km so với mực nước biển, các đặc tính hình học xác định hệ thống như minh họa trong Hình 2.4. 11 Hình 2.4: Các đặc tính hình học của HAPS Các thông số cơ bản mô tả hệ thống là:  là góc ngẩng người sử dụng (đơn vị độ) h là chiều cao của nền tảng HAPS (m); r là khoảng cách từ người sử dụng đến SPP (m) Ba khu vực phủ sóng được xác định đối với HAPS là RAC, UAC và SAC, đường kính của mỗi khu vực dia=2r được xác định bởi công thức: 2.2.2 Đặc tính thống kê Các thông số hình học và thống kê liên quan đến việc phát triển các mô hình kênh cho hệ thống HAP. Đối với một người sử dụng ở vị trí ngay dưới nền tảng HAP (độ cao góc gần 90o), kênh được giả định là Gauss với các giá trị hệ số Rice rất lớn (k> 20). Khi góc ngẩng giảm, kênh có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng một phân bố Rice với các giá trị k nhỏ hơn. Đường bao tín hiệu là một số phức và có thể được biễu diễn toán học như sau: (2.10) Trong đó u(t) là một biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh (đa đường) và α(t) được phân bố đều trong khoảng (0, 2π). v(t) và β(t) là các tín hiệu tiền định và là biên độ và pha của thành phần trực tiếp Hàm mật độ xác suất (PDF) fS(r) đối với S(t) là:  s 2  2   2 2  s  f S ( s)  2 e    sv  I 0  2  với s  0   (2.11) I0 là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0. S(t) và  (t) không phải là các biến ngẫu nhiên độc lập. Giả sử pha của thành phần trực tiếp thay đổi ngẫu nhiên, nó có thể được mô hình 12 hóa như một biến ngẫu nhiên phân bố đều trong khoảng (0, 2π). Phương trình (11) biểu diễn PDF đối với một phân bố Rice, với giá trị hiệu dụng (RMS):   E s 2   2  2 2 Trong đó v là đường bao thành phần trực tiếp của tín hiệu thu được và (2.12) là công suất trung bình của các thành phần N tạo ra đa đường. Phân bố Rice được đặc trưng bởi hệ số Rice k với (2.13) Đối với các khu vực đô thị, người ta đề xuất sử dụng mô hình kênh Rice, nhưng không nên bỏ qua hiện tượng đa đường và che chắn. Đối với các khu vực ngoại thành, công suất trung bình của thành phần trực tiếp sẽ giảm và vật cản sẽ đáng kể hơn, do đó phân phối Rayleigh sẽ chiếm ưu thế, với các ảnh hưởng che chắn có đặc tính phân bố chuẩn logarit Cuối cùng, đối với các khu vực nông thôn, hiện tượng che chắn là yếu tố chiếm ưu thế, do đó phân bố chuẩn logarit cho phép lấy xấp xỉ tốt hơn ở đây (Hình 2.9). Bảng 2.1 tổng hợp các thông số khác nhau và các hàm mật độ xác suất được xem xét đối với từng vùng phủ sóng HAP. Hình 2. 9: Các kênh đối với các hệ thống HAP 13 2.2.3 Các mô hình kênh HAP 2.2.3.1 Mô hình kênh theo góc ngẩng và khoảng cách trên mặt phẳng nằm ngang Trong mô hình kênh này [10], một kênh HAP được xem xét mô phỏng bởi góc ngẩng và khoảng cách trên mặt phẳng nằm ngang của các gương phản xạ trên mặt đất và một số đối số thống kê. Từ đường truyền đường từ nền tảng tới trạm mặt đất, ba điểm cần xem xét đặc biệt, đó là: • Sự có mặt của tín hiệu tầm nhìn thẳng trực tiếp từ nền tảng • Góc ngẩng α mà là một hàm của độ cao nền tảng h và khoảng cách trên mặt phẳng nằm ngang r của máy thu từ điểm chiếu của nền tảng. Những thay đổi trong giá trị của α dẫn tới kết quả là các biến đổi trong đa đường và trễ của tín hiệu nhận được. • Che chắn gây ra sự phản xạ được xác định bởi khoảng cách Δr từ máy thu. Hình 2.10: Mô tả hình học của mô hình kênh với tia trực tiếp(direct ray) và tia phản xạ( reflex ray or echo) 2.2.3.2 Mô hình kênh Dovis-Fantini Mô hình Dovis-Fantini [11] cho kênh HAP dựa trên lý thuyết về mô hình fading phạm vi hẹp đối với các kênh truyền thông giữa người sử dụng trên mặt đất (cố định hoặc di động) và nền tảng dựa trên sự xuất hiện của tán xạ do địa hình. Theo đó, máy phát (Tx) được đặt tại một điểm có tọa độ (0, 0, z0) và máy thu (Rx) đặt tại điểm có tọa độ (x0, 0, 0). Đường elip Σ là khối có chứa các tán xạ mà gây ra trễ vượt quá <τ với chiều cao Zs - Xem thêm -