Nghiên cứu ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hạ tầng truyền thông trên không HAP

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 t
ần
(GHz)
Khu vực/ đất nước Dịch vụ
Chia s
ẻ
dịch vụ
Khuyến
ngh
ị trong
RR
47.9-48.2 Toàn cầu

FS (đường l
ên
và đường xuống)

FS, FFS,
MS
5.552A
47.2-47.5
7

31.0-31.3
Vùng 2 + m
ột số
quốc gia
FS (đường lên) FS, MS 5.543A
27.5-28.35
FS (đư
ờng
xuống)
FS, FSS,
MS
5.537A
2.160-2.170 Vùng 1 và 3 IMT-2000 FS, MS 5.388A
2.110-2.160 Toàn cầu
FS, MS, nghiên
cứu không gian
2.010-2.025 Vùng 1 và 3 FS, MS
1.885-1.980 Toàn cầu FS, MS
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 90
o
), 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) f
S
(r) đối với S(t) là:


















2
0
2
2
2
22
)(




sv
Ie
s
sf
s
S
với 0

s

(2.11)
I
0
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):



222
2


sE

(2.12)
Trong đó v là đường bao thành phần trực tiếp của tín hiệu thu được và 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, z
0
) và máy thu (Rx)
đặt tại điểm có tọa độ (x
0
, 0, 0). Đường elip Σ là khối có chứa các tán xạ mà gây ra trễ vượt
quá <τ với chiều cao Z
s
<h. Chiều dài của đường truyền trực tiếp r
0
được tính bằng cách:



(2.25)

14

Và do đó trễ truyền lan là:

(2.26)

Trong đó c là tốc độ ánh sáng
Do đó, một sóng phản xạ mà tới máy thu với một trễ vượt quá τ sẽ có chiều dài
đường truyền:


(2.27)


Hình 2.12: Kênh LHAP với thể tích chứa tất cả các tán xạ mà có trễ vượt quá < τ
2.2.3.3 Mô hình kênh băng rộng chuyển mạch
2.3. Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày ngắn gọn về các cơ chế truyền sóng và những ảnh hưởng tới đường
truyền HAP, từ đó trình bày các mô hình kênh HAP.


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN
DẪN TRONG TRUYỀN TIN Ở HỆ THỐNG HAP
3.1 Giới thiệu
Giống như các hệ thống truyền thông cố định/di động, các điều kiện môi trường gây ra
những hạn chế nhất định đối với hiệu năng hệ thống, trong hệ thống HAP, việc lan truyền
tín hiệu từ trạm HAP đến các trạm mặt đất và ngược lại cũng chịu ảnh hưởng bởi kênh
truyền dẫn theo nhiều cách khác nhau. Quan trọng nhất đó là hiệu ứng liên quan tới hiện
15

tượng đa đường và do đó xác định tính khả dụng của đường truyền vô tuyến. Fading này

chịu tác động của nhiễu theo thời gian và/hoặc khoảng cách địa lý do sự chuyển động tương
đối của máy phát và máy thu. Điều này làm cho biên độ và pha của tín hiệu nhận được sẽ
khác nhau theo thời gian.
Khi thực hiện phân tích đường truyền giữa HAPS và người sử dụng cần phải tính đến việc
các đặc tính kênh không cố định mà thay đổi theo thời gian. Vì thế, các điều kiện hoặc các
trạng thái kênh khác nhau cũng như các chuyển đổi trạng thái có thể được định nghĩa. Nếu
các chuyển đổi được xét độc lập (không nhớ), mô hình kênh có thể được mô hình hóa như
một chuỗi Markov. Mô hình này là một mô hình kênh chuyển mạch và tạo điều kiện cho
việc mô phỏng các đặc tính kênh động.
3.2. Ảnh hưởng của kênh truyền dẫn tới truyền tin trong hệ thống HAP
3.2.1. Quá trình truyền tin trong hệ thống HAP
Quá trình truyền tin trong hệ thống HAP có nhiều điểm tương đối giống như trong hệ thống
thông tin vệ tinh
3.2.2 Các đặc tính của kênh
Chất lượng của các hệ thống thu phát thông tin nói chung phụ thuộc vào kênh
truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh
truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu phát đi qua kênh truyền
HAP chịu ảnh hưởng lớn bởi fading đa đường do hiện tượng đa đường gây ra.
Sự thay đổi về đặc tính môi trường dẫn tới sự biến động của tín hiệu nhận được. Do
đó, một chuỗi Markov trạng thái hữu hạn được sử dụng để mô hình kênh. Sự chuyển đổi
giữa các trạng thái được quyết định bởi ma trận P, trong đó các thành phần P
ij
đại diện cho
xác suất thay đổi kênh từ trạng thái i sang j. Đối với mô hình kênh 3 trạng thái A, B, C thì
ma trận chuyển đổi P có dạng:



(3.3)

Sử dụng các đặc tính của chuỗi Markov, một vector trạng thái π được định nghĩa là:
π (I-P)=0 (3.4)

16

và πe=1 (3.5)
Trong các công thức này, I là ma trận đơn vị, P là ma trận chuyển đổi và e = [1
1 ]
T
Mỗi thành phần π
i
đại diện cho tỷ lệ thời gian mà quá trình tồn tại trong một trạng
thái được i.
π = (π
A
π
B
π
C
) (3.6)
Quá trình này có thể được mô tả bởi giản đồ Hình 3.3:

Hình 3.3: Quá trình bán Marko 3 trạng thái
Theo Khuyến nghị ITU-R P.681-6 [13] có ba trạng thái kênh được xác định đối với
hệ thống HAP là:
• Trạng thái A: Điều kiện LOS
• Trạng thái B: Điều kiện che khuất ít
• Trạng thái C: Điều kiện bị che hoàn toàn (NLOS).
Bảng 3.1: Các tham số đối với mô hình kênh bán Markov [12]

17

3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn HAP
Trong hệ thống HAP, việc lan truyền tín hiệu từ trạm HAP đến các trạm mặt đất và
ngược lại bị ảnh hưởng bởi kênh truyền dẫn theo nhiều cách khác nhau. Quan trọng nhất đó
là hiệu ứng liên quan tới hiện tượng đa đường (fading). Trong giới hạn của luận văn ta chỉ
nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường tới kênh truyền dẫn từ mặt đất tới trạm
HAP và ngược lại. Giả định là đường truyền này gần như không chuyển động, khi đó nó chỉ
chịu tác động của fading đa đường và nhiễu Gauss trắng cộng như được minh họa ở Hình
3.4 dưới đây.

Hình 3.4: Mô hình kênh truyền dẫn HAP
3.3 Mô hình mô phỏng kênh truyền dẫn trong hệ thống HAP
Trong mô hình kênh ba trạng thái (Hình 3.5), việc chuyển đổi được thực hiện giữa 3
trạng thái là A (Điều kiện LOS, được đặc trưng bởi phân bố Rice), B (Điều kiện che khuất
ít, được đặc trưng bởi phân bố Rayleigh) và C (Điều kiện bị che hoàn toàn (NLOS), được
đặc trưng bởi phân bố Lognormal). Trong đó, các thông số được đưa ra trong Bảng 3.1
được sử dụng để đặc tính khoảng thời gian của mỗi trạng thái kênh cũng như ma trận
chuyển đổi P.

18

Hình 3.5: Mô hình kênh ba trạng thái
Khi đó ma trận chuyển đổi P được định nghĩa với các tham số cụ thể trong Bảng 3.1
là :



(3.10)
3.4 Phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng

3.4.1 Kết quả mô phỏng trong Matlab
Đối với mô hình kênh băng rộng chuyển mạch ba trạng thái, thông tin được truyền
qua kênh và được chuyển mạch giữa ba trạng thái kênh được xét là điều kiện tốt Rice (tầm
nhìn thẳng), Rayleigh (bị che khuất ít) và Lognormal (trong trường hợp có vật cản hoàn
toàn). Quá trình chuyển đổi trạng thái này theo ma trận chuyển đổi P. Theo thời gian thì sự
tồn tại các trạng thái kênh cũng thay đổi. Hình 3.7 mô tả sự thay đổi của các trạng thái trong
môi trường ngoại ô I và II.

Hình 3.7: Phân bố trạng thái theo thời gian dựa trên ma trận chuyển đổi trong môi
trường ngoại ô I và II
Hình 3.12 mô tả chuỗi thời gian mô hình kênh ba trạng thái, mặc dù vẫn có sự thăng
giáng biên độ năng lượng nhưng rõ ràng sự thay đổi không đột ngột và thời gian kênh rơi
vào điều kiện không tốt sẽ ngắn hơn.
19


Hình 3.12: Chuỗi thời gian đối với mô hình kênh ba trạng thái
3.4.2 Kết quả mô phỏng trong Simulink
Mô hình mô phỏng kênh Rice, Rayleigh trong mô phỏng kênh băng rộng chuyển
mạch 3 trạng thái như Hình 3.13.

Hình 3.13: Mô hình mô phỏng kênh Rice, Rayleigh trong mô phỏng kênh băng rộng
chuyển mạch 3 trạng thái trong Simulink
20


Hình 3.14: Đồ thị biên độ tín hiệu theo thời gian trong kênh Rayleigh

Hình 3.15: Đồ thị biên độ tín hiệu theo thời gian trong kênh Rice
3.4.3. Phân tích, đánh giá

Có thể thấy chương trình mô phỏng mô hình kênh ba trạng thái trong Matlab và
Simulink cho ra kết quả tương đối giống nhau. Về độ thăng giáng biên độ tín hiệu, theo kết
quả mô phỏng thì tín hiệu trong trạng thái kênh Rice có biên độ lớn nhất và ít bị thăng
giáng nhất. Ngược lại, trong trạng thái kênh Lognormal, kênh trong điều kiện bị vật cản
21

hoàn toàn, biên độ tín hiệu là yếu nhất và có sự thăng giáng lớn nhất, tức là kênh ít ổn định
nhất và tín hiệu bị suy giảm nặng nề.
3.5. Kết luận chương 3
Chương 3 đã nghiên cứu và thực hiện mô phỏng mô hình kênh băng rộng chuyển
mạch ba trạng thái. Mô hình này biểu diễn các điều kiện truyền kênh khác nhau trong
trường hợp tầm nhìn thẳng, che khuất ít và bị vật cản hoàn toàn. Theo đó có thể thấy biên
độ tín hiệu trong điều kiện tầm nhìn thẳng là lớn nhất và ít bị thăng giáng nhất. Kết quả mô
phỏng cho thấy tính khả thi cho hệ thống truyền thông đã đưa ra.


KẾT LUẬN
Với nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống vệ tinh và mặt đất, hạ tầng truyền
thông trên không HAP với 3 dạng kiến trúc mạng có thể cung cấp khả năng băng rộng,
vùng phủ sóng lớn, chi phí thấp và triển khai nhanh chóng.
Một hệ thống truyền thông dựa trên HAP bao gồm rất nhiều thành phần từ các thành
phần của bộ phận tầng bình lưu cho đến các thành phần cơ bản trên mặt đất. Mỗi thành
phần đều mang những chức năng riêng của chúng. Do nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến
các đặc tính truyền sóng trên đường truyền HAP nên mô hình hóa kênh được coi như một
công cụ thiết kế hữu ích. Các mô hình kênh này được sử dụng để mô tả những ảnh hưởng
tới hệ thống, từ đó cho phép đánh giá chính xác hệ thống truyền thông trước khi thiết kế và
triển khai một hệ thống HAP thực tế.
Luận văn đã tìm hiểu những vấn đề chung của HAP, cũng như nghiên cứu về đặc
tính truyền dẫn và các mô hình kênh truyền. Trên cơ sở đó mô phỏng ảnh hưởng của fading
tới biên độ của tín hiệu thu được thông qua mô hình kênh băng rộng chuyển mạch Markov

ba trạng thái.
Do HAP là một công nghệ mới và thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn chưa mô
phỏng được tất cả các mô hình kênh cũng tất cả tham số khác của hệ thống. Đây sẽ là
hướng phát triển tiếp theo của luận văn.