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

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.

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


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

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

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
)(

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

(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

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]


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

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.