Công nghệ mạng PMR và ứng dụng trong băng tần VHF UHF phân kênh 6 25 khz tại thành phố lớn TT

Công nghệ, kỹ thuật mới cho phép sử dụng các hệ thống băng thông rộng cung cấp dịch vụ thông tin có tốc độ truyền tải dữ liệu rất cao cũng như cho phép khai thác các kênh tần số có băng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

TỐNG DUY MINH

Công nghệ mạng PMR và ứng dụng trong băng tần VHF/UHF

phân kênh 6.25 Khz Tại Thành Phố Lớn

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8.52.02.08 Khóa 2020-2022 TÓM TẮT VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Hoài Bắc

Phản biện 1: PGS TS Lê Hải Châu

Phản biện 2: TS Lê Anh Ngọc

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: 8 giờ ngày 15 tháng 01 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viên Công nghệ Bưu chính Viễn Thông

Mở Đầu

Sự phát triển nhanh chóng về công nghệ trong lĩnh vực vô tuyến điện đã giúp chúng ta khai thác tối ưu và hiệu quả quỹ tần số Công nghệ, kỹ thuật mới cho phép sử dụng các hệ thống băng thông rộng cung cấp dịch vụ thông tin có tốc độ truyền tải dữ liệu rất cao cũng như cho phép khai thác các kênh tần số có băng thông/khoảng cách kênh nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng thông tin

Các hệ thống liên lạc vô tuyến di động mặt đất PMR (Private mobile radio) đã cung cấp thông tin liên lạc hai chiều cho nhiều lĩnh vực trong nhiều thập kỷ và dự kiến sẽ phục vụ hàng triệu doanh nghiệp và các nền công nghiệp trên thế giới Các hệ thống này cho phép linh hoạt trong việc triển khai và có thể tận dụng tài nguyên phổ tần hạn chế để đáp ứng các nhu cầu khác nhau của người dùng Các ứng dụng cho mạng PMR có thể kể đến như sử dụng tại các trường học, cảng biển, các công trường xây dựng, tại các nhà máy hay như dịch vụ bảo vệ,

Hiện tại việc sử dụng Tần số của các thiết bị PMR trong băng tần VHF/UHF hiện tại đang phụ thuộc quá nhiều vào phân kênh 12,5 kHz và 25 kHz Do đó diễn ra tình trạng hao hụt tần số tại các Thành phố lớn (Hà Nội, Đà Nẵng, TP Hồ Chí Minh…) nơi đang có mật độ thông tin liên lạc sử dụng thiết bị PMR dày đặc Công nghệ mạng PMR trong băng tần VHF/UHF sử dụng công nghệ mới

Chương 1 Công nghệ mạng PMR trong băng tần VHF/UHF sử dụng

Hệ thống PMR có thể được phân thành hai cấu hình kết nối gồm: kết nối trực tiếp là kết nối đơn giản giữa các bộ đàm di động với nhau; và kết nối thông qua trạm lặp để mở rộng phạm vi liên lạc

Hiện tại, có các loại cấu hình mạng điển hình sau:

- Mạng nội bộ (LAN): là mạng gồm các thiết bị (thường là máy cầm tay) có công suất

≤ 5 W và phạm vi hoạt động nhỏ, cấu hình liên lạc đơn công

- Mạng dùng riêng cấu hình đơn công (WAN simplex): là mạng PMR điển hình với thiết bị trong mạng có công suất lớn (cỡ 50 W) và phạm vi hoạt động rộng (thường là trong 1 tỉnh/thành phố), cấu hình liên lạc đơn công

- Mạng dùng riêng cấu hình song công (WAN duplex): là mạng PMR điển hình với thiết bị trong mạng có công suất lớn (cỡ 50 W) và phạm vi hoạt động rộng (thường là trong 1 tỉnh/thành phố), cấu hình liên lạc song công

- Mạng dùng chung tần số (CC): là loại mạng gồm các thiết bị (thường là máy cầm tay) có công suất ≤ 5 W và phạm vi hoạt động rộng

- Về mặt kỹ thuật điều chế sử dụng cho các thiết bị trong mạng PMR, có hai kỹ thuật chính là thiết bị sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự và kỹ thuật điều chế số

- Thiết lập cuộc gọi rất nhanh, thường chỉ mất khoảng 0.5 s

- Gọi theo nhóm

- Sử dụng mã tone CTCSS / DSC

- Mã hóa thoại đơn giản (Vocoder)

- Phương thức liên lạc đơn công hoặc bán song công

Tuy nhiên, thiết bị PMR tương tự có một số hạn chế về mặt kỹ thuật như:

- Không phù hợp với kênh truyền có băng thông nhỏ (6.25 kHz) do chất lượng thông tin không đảm bảo

- Khả năng tự chống nhiễu không tốt

- Thời gian sử dụng pin chưa tối ưu

sử dụng phổ tốt hơn ở các kênh có độ rộng lớn như 25 kHz Tuy nhiên, với việc sử dụng các kênh có độ rộng kênh lớn dẫn đến việc sử dụng hết các kênh tần số Tiêu chuẩn ETSI về dPMR giải quyết vấn đề này bằng các thiết bị sử dụng kênh có độ rộng 6.25 kHz, phương thức đa truy nhập FDMA với sơ đồ điều chế số 4FSK Công nghệ trên mang lại hiệu quả phổ cao hơn so với chi phí thấp hơn Tiêu chuẩn dPMR là một tiêu chuẩn mở, không độc quyền được phát triển bởi ETSI, và được đưa ra bởi các tài liệu thông số kỹ thuật ETSI TS 102 658

1.3.1 Những lợi ích của công nghệ PMR số

Công nghệ PMR số hiện nay có thể hỗ trợ truyền trên một kênh tần số có độ rộng kênh

là 6.25 kHz so với với kênh truyền 25 kHz hoặc 12.5 kHz của hệ thống CLMR tương tự Vì vậy PMR số sẽ sử dụng hiệu quả phổ tần tốt hơn

Đối với cùng một chất lượng âm thanh, các bộ đàm số cung cấp vùng phủ tốt hơn so với các bộ đàm tương tự, với điều kiện tương tự nhau (ví dụ, mức công suất phát, độ cao ăng ten, tạp âm máy thu, băng thông bộ lọc trung tần, địa hình, )

Một thiết bị vô tuyến tương tự điển hình yêu cầu một phần cứng mã hóa phụ trợ để cung cấp mã hóa giọng nói trong khi một thiết bị vô tuyến số có thể được cấu hình hoặc lập trình để cung cấp mã hóa giọng nói ngay trong thiết bị đó Việc sử dụng mã hóa tiếng nói kỹ thuật số đã trở nên an toàn và hiệu quả hơn nhiều

Các bộ đàm kỹ thuật số sử dụng TDMA có hiệu suất sử dụng pin lâu hơn so với bộ đàm tương tự Trong kỹ thuật TDMA, một kênh được chia thành hai hoặc nhiều khe thời gian

và thiết bị chỉ phát trong một khe thời gian đó Điều này cho phép thiết bị kỹ thuật số cung cấp thời lượng pin lâu hơn so với một thiết bị tương tự tương đương trong một lần sạc

Các ứng dụng phần mềm có thể được cài đặt trong các bộ đàm kỹ thuật số để có các tính năng bổ sung, ví dụ như mã hóa nâng cao, điều phối, theo dõi vị trí, tích hợp với mạng IP,

1.3.2 Các kỹ thuật trong công nghệ PMR số

Tương tự như các hệ thống thông tin vô tuyến di động khác, bên cạnh việc sử dụng hiệu quả phổ tần, các công nghệ vô tuyến kỹ thuật số cung cấp khả năng cải thiện chất lượng

âm thanh, hiệu suất pin lâu hơn; và bảo mật thông tin tốt hơn Nói chung, các phương thức đa truy nhập được sử dụng trong PMR số là:

- TDMA: Thường chiếm độ rộng kênh 12.5 kHz và chia mỗi kênh 12.5 kHz thành hai khe thời gian (hai kênh logic), với mỗi khe thời gian cung cấp một đường thông tin liên lạc

- FDMA: Cung cấp một đường truyền thông tin 6,25 kHz cho mỗi kênh vật lý

Trong trường hợp thiết bị PMR số sử dụng 12.5 kHz, việc quy hoạch băng tần PMR

sẽ không thay đổi do hiện nay phần lớn các hệ thống PMR tương tự sử dụng phân kênh 12,5 kHz

1.3.3 Các tiêu chuẩn cho thiết bị PMR số

Việc áp dụng các tiêu chuẩn mở trên toàn thế giới tối ưu hóa lợi thế về quy mô trong việc cung cấp thiết bị cho nhiều nước Nói chung, các hệ thống PMR số sử dụng các tiêu chuẩn mở giúp đảm bảo khả năng tương thích ngược (nghĩa là các thiết bị số có thể liên lạc với các thiết bị tương tự) với PMR tương tự Có một số tiêu chuẩn và công nghệ định nghĩa PMR kỹ thuật số Dưới đây là một số tiêu chuẩn PMR số chính

Bảng 1.1: Một số tiêu chuẩn tiêu biểu cho thiết bị PMR số

Độ rộng kênh hiệu dụng 6.25 kHz 6.25 kHz 6.25 kHz Dải tần số hỗ trợ (MHz) < 1000 (hiện tại đang có

350-470 và 806-869) 66-900 < 1000

a TETRA

Hệ thống TETRA (vô tuyến trung kế mặt đất) do ETSI phát triển và được đặt tên là ETSI Project TETRA (nay là ETSI Technical Committee (TC) TETRA) TETRA là một hệ thống vô tuyến di động hiệu suất cao được phát triển chủ yếu cho người dùng chuyên nghiệp như các dịch vụ khẩn cấp và phương tiện giao thông công cộng

đã điều chế với tốc độ bit 36kbit/s Hệ thống TETRA sử dụng các kênh có độ rộng băng thông

25 kHz và hoạt động trên các băng tần 380-390 MHz/390-400MHz; 410-420 MHz/ 420-430 MHz; 450MHz-460MHz/ 460-470 MHz; 870-888MHz/915-933 MHz

Tiêu chuẩn DMR sử dụng phương thức đa truy nhập TDMA và phân chia kênh có độ rộng 12.5 kHz thành hai khe thời gian, tức là hai kênh thoại trên một kênh tần số Tiêu chuẩn này vẫn đang được phát triển và sửa đổi khi mà càng có nhiều hệ thống được triển khai và cải tiến hơn Tiêu chuẩn DMR định nghĩa cho các thiết bị hoạt động trong dải tần từ 66 MHz đến

Đặc điểm kỹ thuật chính của dPMR:

- Phương thức truy nhập: FDMA

- Tốc độ truyền: 4800 bit/s

- Phương thức điều chế: FSK 4 mức

- Độ rộng kênh truyền: 6.25 kHz

Thiết bị dPMR tuân thủ theo tiêu chuẩn Châu Âu ETSI EN 301 166

dPMR hỗ trợ một số thuật toán mã hóa giọng nói Thiết bị với các thuật toán mã hóa giọng nói khác với thuật toán của dPMR không thể tương tác ở chế độ số với các thiết bị theo chuẩn dPMR và phải chuyển về chế độ FM tương tự Tiêu chuẩn dPMR cũng chia thành các chế độ như sau:

- Bộ đàm dPMR446 là các sản phẩm miễn giấy phép sử dụng trong băng tần 446,1- 446,2 MHz tại Châu Âu Đây là phiên bản bộ đàm PMR446 chỉ hỗ trợ điều chế số Theo quyết định ECC (05)12, bộ đàm dPMR446 tuân thủ chỉ tiêu kỹ thuật ETSI TS 102 490 và được giới hạn ở mức công suất phát sóng 500mW với ăng ten tích hợp dPMR446 phù hợp cho người dùng nghiệp dư và chuyên nghiệp trong phạm vi sử dụng hẹp Thiết bị dPMR446 có thể cung cấp các cuộc liên lạc thoại, tin nhắn văn bản (SMS), hoặc các dữ liệu như định vị vị trí GPS,

- dPMR chế độ 1 là chế độ liên lạc trực tiếp (không qua trạm lặp) nhưng không bị hạn chế mức công suất thấp Nó có thể hoạt động trên tất cả các băng tần PMR điển hình và không giới hạn công suất phát sóng như dPMR446

- dPMR chế độ 2 hoạt động bao gồm trạm lặp và các cơ sở hạ tầng khác để mở rộng vùng phủ sóng dPMR chế độ 3 có thể cung cấp các hệ thống vô tuyến trung kế đa kênh, đa trạm; do đó cho phép sử dụng tốt hơn phổ tần và quản lý lưu lượng vô tuyến

1.3.4 Tiêu chuẩn DMR được phát triển bởi Hiệp hội vô tuyến di động kỹ thuật

số (DMR)

Hiệp hội vô tuyến di động kỹ thuật số (DMR Association) bao gồm các công ty, tổ chức và cá nhân hoạt động, nghiên cứu và ứng dụng để hỗ trợ ETSI trong quá trình hoàn thiện tiêu chuẩn DMR

Tiêu chuẩn DMR đã được phê chuẩn vào năm 2005 và nó có nhiều lợi ích so với hệ thống tương tự trước đó và so với các cách tiếp cận kỹ thuật số khác Các nhà thiết kế của DMR đã xem xét các yêu cầu của thị trường và chọn sử dụng TDMA là công nghệ cơ bản cho tiêu chuẩn này vì nó mang lại một số lợi ích rất rõ ràng

- Dung lượng tăng gấp đôi trong các kênh 12.5 kHz đã cấp phép hiện có

- Khả năng tương thích phổ ngược với các hệ thống tương tự cũ

- Sử dụng hiệu quả thiết bị cơ sở hạ tầng đang sẵn có

- Tuổi thọ pin dài hơn và hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn

- Sử dụng đơn giản, dễ dàng

- Tính linh hoạt của hệ thống thông qua việc có thể sử dụng đồng thời cuộc gọi thoại

và cuộc gọi dữ liệu

- Có thêm các tính năng điều khiển nâng cao

- Hiệu suất âm thanh vượt trội so với hệ thống tương tự (giống như dPMR)

Một trong những lợi ích cơ bản của DMR là nó cho phép một kênh 12.5 kHz duy nhất

hỗ trợ hai cuộc gọi đồng thời và độc lập với nhau, bằng cách sử dụng TDMA

Theo tiêu chuẩn DMR, TDMA giữ lại độ rộng kênh 12.5 kHz và chia nó thành hai khe thời gian A và B, trong đó mỗi khe thời gian hoạt động như một đường thông tin riêng biệt Trong hình 1.5, bộ đàm 1 và 3 đang sử dụng khe thời gian 1 và bộ đàm 2 và 4 sử dụng khe thời gian 2

Tổng kết lại, cả hai hệ thống FDMA và TDMA được sử dụng trong các giao thức PMR

số, về lý thuyết, đều như nhau về hiệu quả sử dụng phổ nhưng việc sử dụng TDMA bởi tiêu chuẩn DMR mang lại lợi thế về khả năng tương thích với các giấy phép hiện có trên thế giới

và không gây ra các vấn đề về nhiễu

1.3.5 Tiêu chuẩn dPMR hoàn thiện bởi hiệp hội dPMR

Hiệp hội dPMR nghiên cứu và ứng dụng để hỗ trợ ETSI trong quá trình hoàn thiện tiêu chuẩn dPMR Các bộ đàm hỗ trợ kênh 6.25 kHz lần đầu tiên được giới thiệu ra thị trường vào năm 2006 Đến nay có 13 nhà sản xuất có các sản phẩm FDMA 6.25 kHz (dPMRTM, NXDNTM

và các sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn ARIB của Nhật Bản) và còn nhiều nhà sản xuất vẫn đang nghiên cứu và phát triển sản phẩm Các sản phẩm này có thể hoạt động trong cả mạng kỹ thuật số dùng riêng thông thường và cả mạng trung kế Để kích hoạt khả năng tương thích ngược, các thiết bị này cũng hoạt động ở kênh 25 kHz và 12.5 kHz

Các thông số kỹ thuật chung:

- Phương thức truy nhập: FDMA

- Tốc độ truyền: 4800 bps

- Điều chế: FSK 4 mức

- Mã hóa giọng nói: AMBE+2TM

- Tốc độ giải mã: 3600 (Giọng nói 2450 + sửa lỗi 1150 bps)

Tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate) của tín hiệu FDMA tốt hơn so với Project 25 Pha 1

và đã được thị trường chấp nhận là bộ đàm kỹ thuật số chất lượng

Công nghệ 6.25 kHz dPMR cũng cung cấp chất lượng tín hiệu âm thanh cải thiện so với P25 Các kỹ sư thử nghiệm sử dụng Mẫu ý kiến trung bình (MOS: Mean Opinion Sample) nhận thấy chất lượng âm thanh tốt hơn, từ điều kiện “sạch” đến 5% tỷ lệ lỗi bit Điều này đạt được thông qua sử dụng bộ mã hóa giọng nói AMBE+2TM

1.4 Hiện trạng sử dụng tần số của mạng PMR

1.4.1 Hiện trạng sử dụng tần số của mạng PMR theo cấu hình mạng

Tính đến 10/2021, Cục Tần số vô tuyến điện đã cấp 2237 giấy phép sử dụng 876 tần

số theo quy hoạch trong dải tần VHF và 5287 giấy phép sử dụng 863 tần số trong dải tần UHF

Bảng 1.2: Số lượng giấy phép, tần số và thiết bị được cấp phép

Dải tần Tiêu chí Số lượng GP Số lượng thiết bị

(tương đương số lượng mạng PMR) và tương ứng là số thiết bị PMR hoạt động phổ biến trên phân kênh 12.5kHz

Số lượng giấy phép trên phân kênh 25kHz giảm dần và hiện nay đã có nhiều mạng hoạt động trên phân kênh 6.25kHz

1.4.2 Hiện trạng sử dụng tần số của mạng PMR theo đoạn băng tần

Qua số liệu tại bảng 1.3, chúng ta có thể thấy số thiết bị PMR hoạt động phổ biến trên phân kênh 12.5kHz Vì vậy, trong phần này, luận văn sẽ đi sâu thống kê, tổng hợp và phân tích, đánh giá theo đoạn băng tần V/UHF được cấp phép và sử dụng cho PMR theo phân kênh

12.5kHz

Bảng 1.3: Số liệu sử dụng dải tần VHF và UHF trên toàn quốc

Dải tần Số kênh khả dụng

(*)

Số kênh đã ấn định

Tỷ lệ tái sử dụng tần số trung bình

1.4.3 Hiện trạng sử dụng tần số của mạng PMR tại các thành phố lớn

Luận văn đã chọn Thành phố Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng để phân tích bởi đây là 3 khu vực có nhu cầu và mật độ sử dụng tần số cho PMR cao nhất trong toàn quốc Trong đó, số kênh đã ấn định tại 3 thành phố trên tại dải tần VHF chiếm 26.63% và tại dải tần UHF chiếm 36.27% so với toàn quốc

Bảng 1.4: Mật độ sử dụng tần số tại Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng

Dải

tần TP Hà Nội TP Hồ Chí Minh TP Đà Nẵng Toàn quốc

VHF 0.12 tần số/km2 0.38 tần số/km2 0.25 tần số/km2 0.019 tần số/km2

UHF 0.26 tần số/km2 0.79 tần số/km2 0.51 tần số/km2 0.026 tần số/km2

Trong ba thành phố lớn, mật độ sử dụng tại TP Hồ Chí Minh cực lớn với khoảng 0.79 tần số trên một km vuông trong dải tần UHF cao hơn 30 lần so với mật độ sử dụng trên toàn quốc, 0.38 tần số trên một km vuông trong dải tần VHF cao hơn 20 lần so với toàn quốc

1.5 Kết luận

Trong Chương này, Luận văn đã đưa ra giới thiệu chung về công nghệ sử dụng trong mạng liên lạc nội bộ, mạng dùng riêng trên thế giới và tại Việt Nam Qua Chương này, ta thấy rằng, việc phát triển của các thiết bị hỗ trợ phân kênh 6.25 kHz ngày càng lớn do hiệu quả về mặt sử dụng phổ tần, chất lượng thoại ngày càng tốt lên so với các phân kênh lớn hơn như 12.5 kHz và 25 kHz

Trên thực tế, nhiều doanh nghiệp cũng đã sử dụng một số loại thiết bị hỗ trợ phân kênh 6.25 kHz sử dụng kỹ thuật FDMA, và hỗ trợ phân kênh 6.25 kHz sử dụng kỹ thuật TDMA

Vì vậy, việc nghiên cứu phương án ấn định tần số cho các mạng phân kênh 6.25 kHz là rất cần thiết Trong các chương sau, Luận văn sẽ tiếp tục phân tích về các hiện trạng sử dụng và kinh nghiệm Quốc tế về phương án ấn định cho phân kênh này

Chương 2 Phương pháp ấn định và xác khoảng cách tái sử dụng tần số cho mạng PMR trong băng tần VHF/UHF sử dụng công nghệ mới theo

phân kênh 6.25 kHz

2.1 Phương pháp xác định khoảng cách tái sử dụng tần số

2.1.1 Tính toán can nhiễu

Việc xác định can nhiễu phụ thuộc vào hai yếu tố chính là phổ tần số và không gian Phổ tần phụ thuộc vào đặc tính phổ của máy phát gây nhiễu và đáp ứng tần số của máy thu bị nhiễu Mật độ phổ công suất của tín hiệu gây nhiễu phụ thuộc vào các yếu tố như kỹ thuật điều chế và băng thông của tín hiệu (hệ thống tương tự) và tốc độ dữ liệu (hệ thống kỹ thuật số)

Đối với máy thu bị nhiễu, đặc tính đáp ứng tần số IF tương đương của máy thu, thông

số kỹ thuật của Nhà sản xuất, chẳng hạn như băng thông 6 dB hay 40 dB của tín hiệu IF có thể được sử dụng làm cơ sở để mô hình hóa hàm đáp ứng tần số IF của máy thu

Phổ tần số được biểu thị bằng hệ số loại bỏ kênh ngoài OCR (∆f) Giá trị OCR là hệ

số loại bỏ kênh ngoài phân tách tần số theo Δf là giá trị suy giảm được sử dụng để bù cho việc giảm công suất tại ∆f giữa tần số máy phát gây nhiễu và máy thu bị nhiễu Vì không phải