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

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN





ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







NGUYỄN THỊ NHUNG

MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG CHO VÙNG NGOẠI
THÀNH DÙNG WIRELESS INSITE








LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012




Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN






ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN THỊ NHUNG







MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG CHO VÙNG NGOẠI
THÀNH DÙNG WIRELESS INSITE


Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số : 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐỨC TÂN









Hà Nội – 2012



Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX VÀ KHẢ NĂNG
ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NÔNG THÔN Ở VIỆT NAM 2
1.1. Tổng quan về công nghệ WiMAX 2
1.1.1. Giới thiệu chung 2
1.1.2. Đặc điểm của công nghệ WiMAX [4] 3
1.1.3. Một số mô hình triển khai Wimax 5
1.1.3.1. Mô hình mạng Wimax cố định 5
1.1.3.2. Mô hình mạng Wimax di động 6
1.2. Khả năng áp dụng WiMAX cho khu vực nông thôn tại Việt Nam 7
1.2.1. Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực nông thôn Việt Nam . 7
1.2.2. Giải pháp Internet cho khu vực nông thôn 8

CHƢƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH
TRUYỀN SÓNG OUTDOOR 9
2.1. Hệ thống thông tin 9
2.2. Hệ thống thông tin vô tuyến 10
2.2.1. Khái niệm 10
2.2.2. Kênh truyền vô tuyến [3] 11
2.2.3. Cơ chế lan truyền [3] 12
2.2.3.1. Phản xạ 13
2.2.3.2. Nhiễu xạ 14
2.2.3.3. Tán xạ 14
2.2.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 14
2.2.4.1. Hiện tượng đa đường (Multipath) 14
2.2.4.2. Hiệu ứng bóng râm (shadowing) 15
2.3. Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời (outdoor) [3] 16
2.3.1. Mô hình Longley-Rice 16
2.3.2. Mô hình Durkin 16
2.3.3. Mô hình Okumura 18
2.3.4. Mô hình Hata 19


Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI TỈNH
BẮC NINH 22
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng điện từ trường Wireless Insite [5] 22
3.2. Mô phỏng vùng phủ sóng di động ở khu vực tỉnh Bắc Ninh 25
3.2.1. Vị trí địa lí và đặc điểm địa hình của tỉnh Bắc Ninh [6] 25
3.2.2. Đặc điểm về kiến trúc hạ tầng tỉnh Bắc Ninh 26
3.2.3. Chương trình mô phỏng 27
3.2.3.1. Trường hợp 1 – Mô phỏng vùng phủ sóng Wimax ở tần số

450Mhz 27
3.2.3.2. Mô phỏng vùng phủ sóng Wimax trên băng tần 2.5GHz 40
3.2.3.3. So sánh kết quả thu được trong 2 trường hợp mô phỏng 46
3.3. Kết luận 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48























Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình một hệ thống WiMAX [4] 2
Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wimax cố định [4] 6
Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wimax [4] 7
Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản 9
Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến [1] 11
Hình 2.2: Tia truyền thẳng 12
Hình 2.3:Sự suy giảm 13
Hình 2.4: Hiện tượng phản xạ 13
Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ 14
Hình 2.6: Hiện tượng tán xạ 14
Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường 15
Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát 17
Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát 17
Hình 2.10 : Họ đường cong Okumura 19
Hình 2.11 : Sự mất mát công suất theo khoảng cách trong mô hình Hata 20
Hình 3.1: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực thành phố 22
Hình 3.2: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực đồi núi 23
Hình 3.3: Cửa sổ Main 23
Hình 3.4: Cửa sổ Project View 24
Hình 3.5: Tỉnh Bắc Ninh trên bản đồ 26
Hình 3.6: Tạo porject 27
Hình 3.7: File city trong cửa sổ 2D 28
Hình 3.8: File city trong cửa sổ 3D 29
Hình 3.9: Địa hình tỉnh Bắc Ninh 29
Hình 3.10: Dạng sóng 450-5MHz 30
Hình 3.11: Anten đẳng hướng cho trạm phát 31
Hình 3.12: Anten đẳng hướng cho trạm thu 31
Hình 3.13: Trạm phát 32
Hình 3.14: Trạm thu 33

Hình 3.15: Cửa sổ tạo vùng khảo sát 33
Hình 3.16: Vùng khảo sát 34
Hình 3.17: Lựa chon thông số đầu ra mong muốn 34
Hình 3.18: Tổng quan về project trong không gian 3 chiều 35
Hình 3.19: Tổng quan về project trong không gian 2 chiều 35
Hình 3.20: Cửa sổ calculation log 36
Hình 3.21: Cửa sổ project hierarchy 37
Hình 3.22: Vùng phủ sóng khi sử dụng anten đẳng hướng 38


Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

Hình 3.23: File công suất thu 38
Hình 3.24: Vùng phủ sóng khi sử dụng băng tần 450MHz – vẽ bằng Matlab 39
Hình 3.25: Dạng sóng 2.5 GHz 40
Hình 3.26: Anten phát với tần số 2.5 GHz 41
Hình 3.27: Anten thu với tần số 2.5 GHz 41
Hình 3.28: Trạm phát ở tần số 2.5GHz 42
Hình 3.29: Trạm thu với tần số 2.5GHz 43
Hình 3.30: Cửa sổ calculation log trong trường hợp 2 44
Hình 3.31: Vùng phủ sóng ở băng tần 2.5GHz 45
Hình 3.32: file công suất thu được trong trường hợp sử dụng băng tần 2.5GHz 45
Hình 3.33: Vùng phủ sóng ở băng tần 2.5GHz – vẽ bằng Matlab 46

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -75dBm – băng tần 450MHz 39
Bảng 3.2: Phần trăm phủ sóng khi ngưỡng thu là -75dBm – băng tần 2.5 GHz 46

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CPE : Customer Premises Equipment
BS : Base Station
DSL :Digital Subcriber Line
LOS : Line of Sight
MAC : Media Access Control
MS : Mobile Station
NLOS : No – Line of Sight
PDA :Personal Digital Assistant
SLA : Service Level Agreement
WiMAX : Wireless Metropolitan Area Network












1

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

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". Việt Nam là
nước nằm trong danh sách 20 quốc gia trên thế giới có số người sử dụng internet

cao nhất. Ngoài các dịch vụ Internet thông thường, các dịch vụ Internet băng
rộng cũng đang được phát triển ngày càng mạnh mẽ. 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.
Có ba lý do chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ Internet ADSL truyền
thống không triển khai ở các vùng nông thôn 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 chi 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.
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 tínhđiển 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:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX và khả năng áp
dụng cho vùng nông thôn ở Việt Nam
Chƣơng 2: Hệ thống thông tin vô tuyến và các mô hình truyền sóng outdoor
Chƣơng 3: Mô phỏng vùng phủ sóng di động tại tỉnh Bắc Ninh
2

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

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.
Kết hợp với các tính năng của hai hệ thống Wireless LAN và WAN, hệ thống
WiMAX đưa ra một giải pháp vô tuyến cố định hiệu quả để thay thế những
đường dây DSL và các hệ thống cáp tại những khu vực mà công nghệ đã sẵn
sàng. Và quan trọng hơn công nghệ WiMAX có thể cung cấp một giải pháp truy
nhập băng rộng hiệu quả tại những khu vực mà không thể thực hiện đối với các
hệ thống cáp và DSL. Hiện nay IEEE 802.16 đã mở rộng tiêu chuẩn cho các ứng
dụng di động do vậy có thể truy nhập trực tiếp từ các thiết bị xách tay từ
smartphone và PD đến máy tính xách tay [4].

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống WiMAX[4]
3

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

Hệ thống MAN vô tuyến dựa trên tiêu chuẩn giao diện vô tuyến được cấu

hình gần giống với cấu hình của mạng tế bào truyền thống. Các trạm gốc đặt tại
các vị trí phù hợp để triển khai cấu trúc điểm – đa - điểm để phân phát các dịch
vụ với các bán kính phủ sóng có thể lên đến vài km phụ thuộc vào tần số, công
suất phát và độ nhạy phía thu. Trong những khu vực có mật độ cao phạm vi phủ
sóng có thể được giới hạn hẹp hơn. Các trạm gốc thường được kết nối với mạng
lõi bằng hệ thống cáp quang hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm – điểm kết nối
với các nút quang hoặc thông qua các đường leased line. Phạm vi phủ sóng và
khả năng truyền trong môi trường tầm nhìn hạn chế NLOS của WiMAX đã tạo
ra một công nghệ hiệu quả về mặt kinh tế hấp dẫn về mặt dịch vụ. Công nghệ
này có thể cung cấp các dịch vụ truy nhập băng rộng tại mọi nơi trong mạng
MAN với các đặc tính và chất lượng dịch vụ thậm trí còn tốt hơn các hệ thống
DSL, cáp hay T1/E1 leased line truyền thống.
1.1.2. Đặc điểm của công nghệ WiMAX [4]
- 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. Điều khiển truy
nhập – MAC) phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng
khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS). Nếu có duy
nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm –
điểm. Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp
hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.
- Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn
hợp lưu lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự
nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không
thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).
- 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. Ví dụ, đào hố
để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu. Các nhà vận hành mà đã có được
các đăng ký để sử dụng một trong các dải tần đăng ký, hoặc dự kiến sử dụng
một trong các dải tần không đăng ký, không cần đệ trình các ứng dụng hơn nữa
cho chính phủ.

- 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. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các
4

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác
nhau sử dụng cùng MS. Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những
khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó
khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố
công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức.
- Tính tương thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có tính chất
rõ rệt nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải
và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ
khác nhau. Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì
nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị, và nó sẽ tiếp tục đưa chi phí
thiết bị xuống khi có một sự chấp nhận đa số.
- Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng
di động. Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực
giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị
và các dịch vụ trong một môi trường di động. Những cải tiến này, bao gồm
OFDMA mở rộng được, MIMO (nhiều đầu ra nhiều đầu vào), và hỗ trợ đối với
chế độ idle/sleep và hand – off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ
tới 160 km/h. Mạng WiMax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập
Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu trong thành phố nào.
- Lợi nhuận: WiMAX dựa vào một chuẩn quốc tế mở. Sự chấp nhận đa số
của chuẩn và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi
phí giảm đột ngột và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng
kể cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Môi trường không

dây được sử dụng bởi WiMAX cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phá vỡ
những chi phí gắn với triển khai có dây, như thời gian và công sức.
- Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi
hỏi tầm nhìn thắng giữa BS và MS. Khả năng này của nó giúp các sản phẩm
WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS.
- Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm
BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao
và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK). Các hệ thống
WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS
không bị cản trở. Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng
(hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) – cùng công nghệ thì có thể sử dụng cố
5

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

định và di động. Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng
50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển
hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được
nối với một anten bên ngoài (LOS).
- Dung lượng 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.
- Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô
tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng
dung lượng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất
phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử
dụng phổ hiệu quả. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm
chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF. Các nhà vận hành có thể cấp
phát lại phổ qua hình quạt như số thuê bao gia tăng. Hỗ trợ nhiều kênh cho phép
các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử
dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong

các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau.
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. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông
tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao.Anten đặt trên nóc
nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất
nhiên tín hiệu thu không tốt bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác (theo quy
định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz. Độ rộng băng
tầng là 3,5MHz. Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nói không
dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch
Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang).
6

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

No table of figures entries found.No table of figures entries found.

Hình 1:
Hình 1.2: Mô hình ứng dụng Wimax cố định [4]
WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng như: các xí
nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới
mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều
khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, người dùng có thể phân tán tại các
địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu
tuyến đến đó [1].
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.
Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động tế bào 3G có thể tạo thành
mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông
hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây
có phạm vi phủ sóng rộng, thỏa mãn được các yêu cầu đa dạng của thuê bao.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua cuối năm 2005.
Wimax di động là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng
băng rộng di động và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên
diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện Wimax di động sử dụng công
nghệ OFDMA để cải thiện hiệu suất đa đường (multi – path) trong các môi
trường NLOS.
7

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

Các hệ thống Wimax di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ
truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao
trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ [4].


Hình 1.3: Mô hình ứng dụng Wimax [4]
1.2. Khả năng áp dụng WiMAX cho khu vực nông thôn tại Việt Nam
1.2.1.Thực trạng vấn đề sử dụng internet ở khu vực nông thôn Việt Nam
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". Việt Nam là
nước nằm trong danh sách 20 quốc gia trên thế giới có số người sử dụng internet
cao nhất. Ngoài các dịch vụ Internet thông thường, các dịch vụ Internet băng
rộng cũng đang được phát triển ngày càng mạnh mẽ. 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.

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 chi phí lắp đặt ban đầu cũng như chi phí hoạt động
8

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

- 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 [7].
Vì những lí dó trên mà khoảng cách giàu nghèo giữa khu vực thành thị và
nông thôn có xu hướng ngày càng tăng lên. Đây cũng là nguyên nhân chính làm
hạn chế cơ hội tiếp cận với Internet của người dân tại các vùng nông thôn.
1.2.2.Giải pháp Internet cho khu vực nông thôn
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.
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).Trước khi đi vào chi tiết về phần
mềm và chương trình mô phỏng. Tôi xin giới thiệu tổng quát về các mô hình
phủ sóng outdoor và những ảnh hưởng của môi trường tới khả năng truyền sóng
trongmôi trường outdoor ở chương tiếp theo.








9

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

CHƢƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH
TRUYỀN SÓNG OUTDOOR
2.1. Hệ thống thông tin
Sự truyền tin: Là sự dịch chuyển thông tin từ điểm này đến điểm khác
trong một môi trường xác định.
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp
thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến.
Trong một hệ thống truyền tin, mô hình tổng quát nhất bao gồm ba thành
phần sau: nơi phát hay còn gọi là nguồn phát hay nguồn tin, môi trường truyền
(còn được gọi là kênh truyền) và nơi nhận tin hay nguồn nhận. Khi nghiên cứu
đến các quá trình mã hóa và giải mã thì mô hình này sẽ trở nên phức tạp hơn [1].

Hình 2.1: Mô hình truyền tin cơ bản
Nguồn phát: Là một tập hợp các tin mà hệ thống truyền tin dùng để lập
các bản tin hay thông báo (message) khác nhau để truyền tin. Trong đó khái
niệm bản tin chính là dãy tin được bên phát truyền đi. Thông tin có thể thuộc
nhiều loại như: một dãy kí tự như trong điện tín (telegraph) của các hệ thống gởi
điện tín (teletype system); một hàm theo chỉ một biến thời gian f(t) như trong
radio và điện thoại … Tuy nhiên, trước khi thông tin được truyền đi, tuỳ theo
các yêu cầu của hệ thống truyền tin mà các tin có thể được mã hoá để nén,
chống nhiễu, bảo mật,
Nguồn nhận: Là nơi tiếp nhận thông tin từ kênh truyền và cố gắng khôi
phục lại thành thông tin ban đầu như ở bên phát đã phát đi. Tin đến được nơi
nhận thường không giống như tin ban đầu được phát vì có sự tác động của nhiễu
lên nó trong quá trình truyền. Vì vậy khi nhận tin ở nơi nhận có thể phải thực
hiện các công việc như phát hiện sai và sửa sai thông tin, ngoài ra nơi nhận còn
có thể phải thực hiện các công việc giải nén thông tin hay giải mã thông tin đã
được mã hoá bảo mật nếu như bên phát đã thực hiện các việc nén hay bảo mật
thông tin trước khi truyền đi.
Kênh truyền: Đây là nơi hình thành và truyền (hoặc lưu trữ) tín hiệu mang
tin đồng thời ở đây xảy ra các tạp nhiễu (noise) phá hủy tin tức. Trong lý thuyết
Nguồn phát
Kênh truyền
Nguồn nhận
10

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

thông tin, kênh là một khái niệm trừu tượng đại diện cho hỗn hợp tín hiệu và tạp
nhiễu. Kênh tin là môi trường truyền tin từ nơi phát đến nơi nhận. Môi trường

truyền tin này rất đa dạng có thể đó là môi trường không khí trong đó thường
xảy ra sự truyền tin dưới dạng âm thanh và tiếng nói, ngoài ra cũng có một vài
dạng nữa chẳng hạn như truyền tin bằng lửa hay bằng ánh sáng; môi trường
truyền tin cũng có thể là các tầng điện ly trong khí quyển nơi mà thường xuyên
xảy ra sự truyền tin giữa các vệ tinh nhân tạo với các trạm rada ở dưới mặt đất;
nó cũng có thể là các đường truyền khác như đường truyền điện thoại nơi xảy ra
sự truyền tín hiệu mang tin là dòng điện hay đường truyền cáp quang trong đó
tín hiệu mang tin là sóng ánh sáng … Thông thường cho dù trên loại kênh
truyền nào cũng có nhiễu tác động lên thông tin được truyền và làm biến đổi
thông tin này. Rất ít có dạng kênh truyền lý tưởng tức là kênh truyền không có
nhiễu phá hoại.
2.2. Hệ thống thông tin vô tuyến
2.2.1. Khái niệm
Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô
tuyến. 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. Chất lượng tín hiệu thu phụ
thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác
nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh
truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là
MC-CDMA.

11

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN






















2.2.2. Kênh truyền vô tuyến [3]
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. 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 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.
Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu
phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do
đó việc nắ m vữ ng nhữ ng đặ c tính củ a kênh truyề n vô tuyế n là yêu cầ u cơ bả n để
có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của h ệ thống, kích thước của
các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống .
Nguồn tin
Mã hoá kênh
(Channel coding)
Mã hoá nguồn
(Source coding)
Tín hiệu đích
(Destination)
Giải mã hoá kênh
(Channel decoding)
Giải mã hoá nguồn
(Source decoding)

Điều chế
(Modulation)
Kênh vô tuyến
(Channel)
Giải điều chế
(Demodulation)
 
k
a

 
,
k
a

Mô hình kênh
(Discrete channel)
Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến [1]
12

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale
fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc
độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này
chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng)
giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật
cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ
suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời
gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-
variant) của kênh truyền.

2.2.3. Cơ chế lan truyền [3]
Tín hiệu được truyền từ nơi phát đến thiết bị nhận di động qua một hay
nhiều sóng cơ sở. Sóng cơ sở gồm 1 tia truyền thẳng (LOS _ hình 1.3) và một

vài tia nhiễu xạ hay phản xạ bởi cấu trúc cơ sở như địa hình, bề mặt tường, trần,
sàn … Sóng LOS có thể suy giảm bởi cấu trúc được xen vào giữa nơi truyền và
thiết bị nhận (hình 1.4). Suy giảm càng cao khi tần số càng cao và đáng kể với
tần số sử dụng cho vô tuyến tế bào (cellular). Giá trị suy hao tính theo dB và phụ
thuộc vào bước sóng truyền, kích thước và vật liệu của vật cản.

Hình 2.2: Tia truyền thẳng
13

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN


Hình 2.3:Sự suy giảm
Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan
trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên
ba cơ chế vật lý: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ
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
2.2.3.1. Phản xạ
Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với
bước sóng truyền.Chẳng hạn phản xạ xảy ra tại bề mặt trái đất, tại các tòa nhà
hay các bức tường.
Nếu vật gây phản xạ là điện môi hoàn hảo: có một phần sóng phản xạ, một
phần truyền qua và không có mất mát năng lượng (không có hấp thụ)
Nếu vật gây phản xạ là vật dẫn hoàn hảo: tất cả bị phản xạ và không có mất
mát.

Hình 2.4: Hiện tượng phản xạ

14

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

2.2.3.2. Nhiễu xạ
Nhiễu xạ là hiện tượng sóng có thể truyền cong theo bề mặt trái đất hay
vòng sau vật cản. Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt
có cạnh sắc giới hạn (gờ tường, cạnh tòa nhà…). Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt
của bề mặt này chạy theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên
sóng có thể nhận được ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu (no line – of –
sight path). Tại tần số cao nhiễu xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình học của đối
tượng cũng như biên độ, pha, cực tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ.

Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ
2.2.3.3. Tán xạ
Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với
bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn.Chẳng hạn sóng
bị tán xạ trên bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng
trong thông tin di động.

Hình 2.6: Hiện tượng tán xạ
2.2.4. Các hiện tƣợng ảnh hƣởng đến chất lƣợng kênh truyền
2.2.4.1. Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường
không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa
15

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do
vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác
nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác.
Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation).
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát.
Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc
vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại
hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể
bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung
độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse
dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và
có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.Hình 2.7 biểu diện hiện
tượng đa đường trong thông tin vô tuyến.

Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường
2.2.4.2. Hiệu ứng bóng râm (shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà
cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên,
hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi
chậm.Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
16

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

2.3. Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời (outdoor) [3]
Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời được giới thiệu tiếp sau đây tính
đến các địa hình mặt đất khác nhau, các vùng đồng bằng đồi núi hay các đô thị
có nhiều tòa nhà cao.
2.3.1. Mô hình Longley-Rice

Mô hình này ứng dụng cho liên lạc điểm – điểm, dải tần 40MHz – 100GHz
trên các loại địa hình khác nhau.
Mô hình này có sẵn như một chương trình máy tính, tính toán mất mát lan
truyền 50% trên kích thước lớn và trên các địa hình không đều đặn liên hệ với
mất mát lan truyền tự do trong dải tần 20MHz đến 10GHz.
Đối với một đường truyền đã cho, chương trình lấy các tham số lối vào là:
tần số, độ dài đường truyền, cực tính, độ cao ăngten, khúc xạ bề mặt, bán kính
hiệu dụng của trái đất, các hằng số dẫn điện và điện môi của mặt đất và khí
hậu… Chương trình cũng tính đến góc ngẩng của ăngten, tính không đều đặn
của địa hình.
Phương pháp Longley-Rice hoạt động trong 2 mode:
- Khi mặt cắt địa hình của đường truyền có sẵn, các thông số đường truyền
được rút ra và dự đoán được gọi là dự đoán điểm – điểm.
- Nếu mặt cắt đường truyền không có sẵn phương pháp cung cấp kỹ thuật
ước lượng thông số đường truyền và dự đoán mode vùng.
Khi áp dụng vào môi trường thông tin di động ở thành phố đã có thêm các
số hạng hiệu chỉnh, xong nói chung mô hình Longley-Rice không cung cấp sự
hiệu chỉnh xác định các nhân tử môi trường lân cận bộ thu hay tính đến ảnh
hưởng của các tòa nhà, cây cối… Thêm vào đó hiệu ứng đa đường đã không
được xem xét đến trong mô hình này.
2.3.2. Mô hình Durkin
Mô hình này được chấp thuận của ủy ban vô tuyến thống nhất của Anh để
ước lượng vùng phủ sóng radio di động. Chương trình mô phỏng được chia làm
2 bước:
- Bước 1: Truy cập cơ sở dữ liệu topo địa hình vùng dịch vụ để xây dựng
profile mặt đất từ bộ phát đến bộ thu.
- Bước 2: Thuật toán mô phỏng tính mất mát dọc đường truyền. Sau đó vị
trí bộ thu được mô phỏng có thể dịch chuyển đến chỗ khác trong vùng
dịch vụ để tạo nên các đường mức độ lớn tín hiệu.
17

Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN


Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát

Ở đây: d1 = RA
d2 = RB
…
Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát
Dữ liệu địa hình có thể coi như một mảng 2 chiều.Mỗi phần tử trong mảng
là tọa độ điểm trên bản đồ, giá trị của nó cho độ cao so với mực nước biển. Từ
đây chương trình xây dựng mặt cắt địa hình từ nơi phát tới nơi thu theo phương
pháp nội suy. Mỗi giá trị nội suy là trung bình các giá trị của các nội suy theo
các đường thẳng đứng, nằm ngang và chéo. Sau đó mất mát đường truyền tính
theo mô hình nhiễu xạ lưỡi dao.
Phương pháp Durkin khá tiện lợi vì nó có thể đọc bản đồ số và tính toán
được đường truyền xác định và vẽ được các đường đồng mức độ mạnh tín hiệu
thu. Nhược điểm của phương pháp này là không dự đoán được hiệu ứng lan
truyền do cây cối, tòa nhà và các công trình do người mới xây và cả hiệu ứng đa
đường nổi lên trong vùng đô thị.