bài tập lớn thông tin quang mô phỏng và khảo sát hệ thống thông tin viba

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài Mô phỏng và khảo sát hệ thống thông tin vi ba Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hoàng Hải.Trong thời đại bùng thông tin và phát triển xã hội như hiện nay thì việc giao lưu mọimặt giữa các quốc gia trên thế giới, các khu vực hay đơn giản chỉ là các vùng trên cùngmột lãnh thổ là rất cần thiết. Việc giao lưu đó có thể diễn trên nhiều phương thức như:thông tin vệ tỉnh, thông tin quang, hay thông tin vi ba số. Xong, truyền bằng sóng vô tuyếntrên các đường vi ba giữ một vai trò quan trọng, và đựơc sử dụng ở nhiều lĩnh vực khácnhau: phát thanh, truyền tin, an ninh, đồng bộ hay dự phòng...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

*****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải

Mã lớp học: 129258

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Trần Minh Nghĩa (Leader) 20172721

2 Trương Minh Hiếu 20172554

3 Trần Việt Long 20182669

4 Dương Thị Mai Liên 20182635

5 Trần Trường Độ 20182424

6 Vũ Minh Vương 20182899

Lời mở đầu

Trong thời đại bùng thông tin và phát triển xã hội như hiện nay thì việc giao lưu mọi mặt giữa các quốc gia trên thế giới, các khu vực hay đơn giản chỉ là các vùng trên cùng một lãnh thổ là rất cần thiết Việc giao lưu đó có thể diễn trên nhiều phương thức như: thông tin vệ tỉnh, thông tin quang, hay thông tin vi ba số Xong, truyền bằng sóng vô tuyến trên các đường vi ba giữ một vai trò quan trọng, và đựơc sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau: phát thanh, truyền tin, an ninh, đồng bộ hay dự phòng

Ưu điểm nổi bật của hình thức thông tin sóng ngắn hay vi ba số đơn giản chất lượng vẫn đảm bảo Nhưng nhược điểm của hình thức này là thông tin không ổn định và chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là hiện phađinh (fading) Do vậy mà việc thiết

kế tuyến vi ba đòi hỏi phải cụ thể và chính xác

Là một sinh viên, việc thiết kế một tuyến truyền vỉ ba số đã giúp cho em có thêm các kỹ năng về tư duy và kỹ năng thực tế, từ đó giúp chúng em có thể củng cố và mở rộng kiến thức chuyên ngành, đặc biệt là khả năng tính toán, phân tích và xử lý số liệu phù hợp với thực tế

Bài thiết kế được chia làm hai phần chính:

- Phần lý thuyết: nêu lên các yêu cầu thiết kế và trình tự thực hiện thiết kế tuyến

- Phần thiết kế: Nêu các tính toán thực tế và kiểm tra chất lượng đường truyền

Chúng em đã cố gắng tìm hiểu và hoàn thành sản phẩm, tuy nhiên kết quả và quá trình báo cáo có thể vẫn còn nhiều điểm thiếu xót Chúng em rất mong nhận được sự góp

ý, nhận xét của thầy và các bạn để có thể hoàn thiện hơn trong những lần sau

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Hoàng Hải đã hướng dẫn, trao đổi và giải đắp thắc mắc giúp chúng em hoàn thành tốt bài tập này

MỤC LỤC

A LÝ THUYẾT 2

1 Mục tiêu và yêu cầu 2

1.1 Mục tiêu về kỹ thuật 2

1.2 Mục tiêu về kinh tế 2

1.3 Tính toán các thông số: 3

2 Các bước cơ bản của việc thiết kế truyền dẫn 3

3 Tính toán các tham số ảnh hưởng và các tham số của đường truyền 4

3.1 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền 4

3.2 Tính toán các tham số của tuyến 4

B MÔ PHỎNG 6

1 Công cụ thiết kế: Phần mềm thiết kế PathLoss 6

1.1 Chức năng của phần mềm thiết kế PathLoss 6

1.2 Cơ sở lý thuyết dùng trong phần mêm thiết kế PathLoss 7

2 Thiết kế tuyến sử dụng phần mềm PathLoss 7

2.1 Giới thiệu về các tuyến thiết kế 7

2.2 Hình ảnh các tuyến thiết kế 8

C KẾT LUẬN 21

A LÝ THUYẾT

1 Mục tiêu và yêu cầu

Khi thiết kế tuyến truyền dẫ vi ba số thì chúng ta cần đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật của tuyến đặt ra, đáp ứng các yêu cầu phục vụ và đảm bảo cả tính kinh tế

1.1 Mục tiêu về kỹ thuật

Đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật theo CCITR, tức là thời gian gián đoạn cho phép Theo, đó, xác suât lỗi bít cho phép của tuyến truyền vi ba số là BER< 102 với các tuyến đài nhỏ hơn 280 km

Độ khả dụng Av của hệ thông (tức là khả năng công tác của hệ thống) được đảm bảo khi thiết kế:

- 99,98 % thời gian làm việc tốt Cụ thể như: Nếu là liên lạc thoại thì trong 3 tháng bất kỳ không có quá 30 cuộc thoại bị gián đoạn

Với bất kỳ hệ kỳ hệ thống kỹ thuật nào đều tuân thủ theo quy luật tương tác giữa chỉ phí đầu tư và hiệu quả của sản xuất được thế hiện qua chất lượng của sản phẩm Hệ thống viễn thông cũng vậy Nếu tỷ số BER mà thấp thì chất lượng dịch vụ sẽ tăng, và như vậy thì chỉ phí đầu vào sẽ cao Vậy mục đích kinh tế đầu tiên là thiết kế tuyến có chất lượng cao mà chỉ phí hợp lý nhất

1.2 Mục tiêu về kinh tế

Do vậy, người thiết kế phải tính toán chính xác các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn quy định, tính toán đến mục đích sử dụng của hệ thống và cả tình hình tài chính của đơn vị thi công, để từ đó lựa chọn thiết bị cho phù hợp, nhằm tránh lãng phí và đạt hiệu suất cao nhất

Việc thiết kế tuyên vi ba sô xung quang khu vực thành phố Vinh, Nghệ An là cần thiết, bởi nó kết nối các thông tin liên lạc của tỉnh nhằm phủ sóng rộng, đáp ứng nhu cầu của nhân dân Tuy nhiên việc lắp đặt trạm là khó khăn hơn do địa hình phức tạp và có một

số khu vực đông dân Vì vậy, việc tính toán chi phí phải chi tiết và có thể tận dụng những điều kiện đã có

1.3 Tính toán các thông số:

- Tính toán đường truyền dẫn

- Tính toán chỉ tiêu chất lượng

- Tính toán chỉ tiêu chất lượng

- Lắp đặt thiết bị, anten, đưa hệ thống vào hoạt động thử nghiệm để kiểm tra

2 Các bước cơ bản của việc thiết kế truyền dẫn

Do việc chọn vị trí và xác định tần số đã được đề cập sẵn trong danh sách các trạm cần mô phỏng và khảo sát nên chúng ta chỉ tập trung vào 3 bước sau để thiết kế và mô phỏng hệ thống truyền dẫn:

- Bước 1: Tính độ cao của các anten

Trong bước này, ta lựa chọn các giá trị của hệ số bán kính tương đương Trái đất và

độ lớn của khoảng hở đường truyền tương ứng với các phần trăm của miền Fresnel thứ nhất theo hướng dẫn cho trong khuyến nghị ITU-R P.530.8 cho trong phần sau để tính độ cao của các anten

- Bước 2: Lựa chọn các thiết bị

Công việc tiếp theo khi đã tính được độ cao anten là lựa chọn các thiết bị được sử dụng như anten, máy phát vô tuyến, các loại cáp… Việc lựa chọn dựa trên các đặc tính về dung lượng, cấu hình của thiết bị, tần số sử dụng, phương pháp điều chế…

- Bước 3: Thiết kế

Đây là bước tính toán những giá trị tăng ích và suy hao của hệ thống dựa trên cơ sở những tính toán, lựa chọn từ hai bước trên và các đặc điểm của khu vực mà đường truyền

đi qua Từ các giá trị thu được người thiết kế sẽ quyết định lựa chọn những đường truyền

có các thông số đáp ứng được những yêu cầu thiết kế đề ra

3 Tính toán các tham số ảnh hưởng và các tham số của đường truyền

3.1 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền

Công suất tín hiệu truyền giữa trạm phát và trạm thu bị suy hao trên đường truyền

Sự mất mát công suất này do các yếu tố gây nhiễu trên đường truyền:

+ Độ dự trữ fadinh phăng: tác động của fadinh là làm thay đôi mức ngưỡng thu của máy thu, khi bị ảnh hưởng của fadinh phẳng máy thu có thể nhận được tín hiệu rất yếu từ đường truyền và có thể làm gián đoạn thông tin Độ dự trữ fadinh phẳng Fm (dB) liên quan đến mức tín hiệu thu không fadinh W0 (dB) và mức tín hiệu thu được thực tế thấp W(dBm) trước lúc hệ thống không còn hoạt động tính theo biểu thức:

Fm = 10lg(W0/W) [dB]

+ Fadinh lựa chọn: chủ yêu ảnh hưởng đến các hệ thống viba số có dung lượng trung bình (34Mb/s) và dung lượng cao (140Mb/S)

+ Suy hao do mưa: cùng với fadinh là các ảnh hưởng truyền lan chủ yếu các tuyến

vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc ở các tần sô trong dải tân GHz Tiêu hao do mưa tăng nhanh theo sự tăng của tần số sử dụng đặc biệt với các tần số trên 35GHz thường suy hao nhiều, do đó đề đảm bảo thì khoảng cách lặp phải nhỏ hơn 20Km

3.2 Tính toán các tham số của tuyến

Các tham số sử dụng trong, tính toán đường truyền: mức suy hao trong không gian

tự do, công suất phát, ngưỡng thu, các suy hao trong thiết bị có vai trò quan trọng để xem xét tuyến có hoạt động được hay không và hoạt động ở mức tín hiệu nào

+ Tổn hao không gian tự do (Free space loss) (A0): là tổn hao lớn nhất cần phải xem xét Đây là tổn hao do sóng vô tuyến lan truyền từ trạm này đến trạm kia trong môi trường không gian Và được tính theo công thức:

A0 = 92.5 + 20lg(f) + 20lg(d) [dB]

Với: f là tần số sóng mang (GHz), d là độ dài tuyến (km)

+ Tổn hao phi đơ (feeder): Khi tính toán suy hao này thì phải căn cứ vào mức suy hao chuẩn được cho trước bởi nhà cung cấp thiết bị

VD: Feeder sử dụng loại WC 109 có mức suy hoa tiêu chuẩn là 4.5dB/100m và cộng với 0.3dB suy hao của vòng tròng để chuyển tiếp ống dẫn sóng

+ Tổn hao rẽ nhánh: Tổn hao này cũng được cho bởi nhà cung cấp thiết bị Mức tổn hao này thường khoảng (2 – 8) dB

+ Tổn hao hấp thụ trong khí quyển: Khi tính toán mức suy hoa này dựa theo các chỉ tiêu đã khuyến nghị ở các nước Châu Âu Chẳng hạn đối với hệ thống thông tin vô tuyến

18 và 38 GHz thì mức suy hao chuẩn Lsp0 được khuyến nghị vào khoảng 0,04dB/km – 0,19dB/km khi đó tổn hao toàn tuyến truyền dẫn được xác định bằng:

Lsp = Lsp0 * d

Với: d là khoảng cách truyền tính bằng km

B MÔ PHỎNG

1 Công cụ thiết kế: Phần mềm thiết kế PathLoss

1.1 Chức năng của phần mềm thiết kế PathLoss

PathLoss là công cụ thiết kế đường truyền vô tuyến hoạt động trong khoảng tần số

từ 30 MHz đến 100 GHz Pathloss có 8 module thiết kế, một module về vùng phủ sóng của tín hiệu, một module network cho phép kết hợp việc phân tích tuyến truyền với bản đồ số Việc lựa chọn làm việc với module nào được lựa chọn từ menu module trên thanh menu Các chức năng của từng module như sau:

- Module tóm tắt: Nhập các thông tin cơ bản về đường truyền, các bước tính toán được thực hiện để tính mức tín hiệu thu

- Module dữ liệu địa hình: Như tên gọi module này dùng để tạo ra các thông tin địa hình về địa hình trên đường truyền giữa hai trạm

- Module anten: Người thiết kế nhập các thông số xác định độ cao anten nhằm thiết lập được khoảng hở thích hợp với hệ số bán kính trái đất tương đương

K, bán kính miền Fresnel thứ nhất và điều kiện về độ cao anten

- Module Worksheet: Phân tích tính toán các thông số đường truyền cuối cùng

- Module Đa đường: Các kỹ thuật bám theo đường đi của sóng được sử dụng

để phân tích các đặc tính phản xạ và đánh giá các điều kiện truyền dẫn bất thường trên đường truyền

- Module Phản xạ: Phân tích sự thay đổi mức tín hiệu thu trên đường truyền

có phản xạ

- Module Nhiễu xạ: Áp dụng cho các đường truyền có vật cản với 3 thuật toán xác định nhiễu xạ là: TIREM, NSMA, PathLoss

- Module về vùng phủ: Phân tích vùng phủ sóng qua dư liệu địa hình

- Module Network: Cung cấp một giao diện địa lý làm cho việc thiết kế đường truyền giữa hai trạm dễ dàng hơn Chức năng này làm công việc thiết kế đơn giản đi một cách đáng kể khi thiết kế cho các dự án lớn Tính toán về nhiễu trong hệ thống được tính toán trong module này

1.2 Cơ sở lý thuyết dùng trong phần mêm thiết kế PathLoss

Trong phần mềm PathLoss, việc tính toán có thể dựa trên một số khuyến nghị khác nhau của ITU-R, như khuyến nghị P.530-9 hay P.530-8 Việc lựa chọn cách tính toán dựa trên cơ sở nào phụ thuộc vào việc người thiết kế có đủ những công cụ cần thiết hay không Nếu có một bản đồ số có độ chính xác cao, có thể lựa chọn phương pháp tính toán dựa trên khuyến nghị ITU-R p.530-9 Khi đó, việc tính toán sẽ được phần mềm tính tự động và kết quả chính xác cao Nếu không có bản đồ số đạt độ chính xác cao, phải chọn cách tính theo khuyền nghị ITU-R P.530-8, khi đó người thiết kế phải thiết lập các đặc tính như đặc điểm

về địa hình, lượng mưa như theo khảo sát thực tế

Lựa chọn cở sở tính toán trong phần lựa chọn phương pháp tính độ tin cậy reliability method trong module worksheet

2 Thiết kế tuyến sử dụng phần mềm PathLoss

2.1 Giới thiệu về các tuyến thiết kế

Các tuyến thiết kế bao gồm một tuyến đường trục khu vực miền Trung

Có 2 tuyến chủ yếu là:

- Tuyến PDH: các tuyến đường truyền dùng tần số 7GHz và 15GHz thường là các tuyến ngắn và trong khu vực có nhiều trạm BTS dùng tần số 15GHz, còn

ở nông thôn khoảng cách giữa các trạm xa thì dùng tần số 7GHz

- Tuyến SDH: các tuyến đường truyền dùng tần số 8GHz

Với các tuyến đã đề ra trong yêu cầu và chọn lựa thiết kế ở mức 15GHz thì BTL này nhóm em sẽ chọn các tuyến PDH để mô phỏng

Mô hình mạng truyền dẫn trong hệ thống thông tin di động Các thiết bị truyền dẫn viba dùng trong thiết kế là thiết bị của hãng NEC, anten của Andrew Thiết bị vô tuyến của NEC có nhiều dòng sản phẩm với dung lượng và tần số hoạt động khác nhau Trong thiết kế này, sử dụng thiết bị Pasolink cho các đường truyền PDH dung lượng nhỏ, và Pasolink+ với các đường truyền SDH dung lượng lớn hơn

Tần số và dung lượng của các thiết bị truyền dẫn viba của Pasolink

2.2 Hình ảnh các tuyến thiết kế

Thiết kế này bao gồm 11 đường link, 11 PDH tuyến dùng tần số 15Ghz

Hình ảnh về mạng ở chế độ map grid

Trong module Network

Hình ảnh network khi chèn bản đồ địa hình Các bước thiết kế:

Bước 1: Dựa vào các thông tin khảo sát thực tế về vị trí có thể đặt các trạm, tạo một file csv bằng Micrsoft Excel gồm có thông tin ở các cột lần lượt là: tên trạm, vĩ độ, kinh

độ, call sign của trạm

SiteName Latitude Longitude

Danh sách các site được thành lập Bước 3: Tiếp theo là link connectivity và frequency planning Trong bước này, xác

định các liên kết có thể và chọn ra liên kết thích hợp nhất như khoảng cách truyền ngắn,

phân bố dung lượng hợp lý, chọn đường truyền ít bị cản nhất…

Dựa vào yêu cầu về dung lượng và dải tần số hoạt động của nhà cung cấp dịch vụ,

lựa chọn các thiết bị truyền dẫn thích hợp và tính toán các thông số đường truyền sao cho

độ khả dụng đạt 9,9999%

Với các tần số sử dụng, có thể tính được nhiễu giữa các trạm với nhau Việc tính

toán được thực hiện trong Network module

Dưới đây là giao diện thiết kế của một đường truyển PDH

NA_VIH_PHUONG_HOANG - NA_VIH_HUNG_MY dùng băng tần 15GHz và dung

lượng đường truyền là STM-1

Summary Module

Bảng tóm tắt thiết kế tuyến

Terrain Data Module

Nhập dữ liệu về địa hình đường truyền

Anten Height Module

Nhập dữ liệu mưa

Print Profile Module

Báo cáo chung về các trạm trong mạng:

Đây là báo cáo tổng quát về đặc điểm của từng trạm trong mạng, từ tên, tọa độ, tên

anten, thiết bị viba, tần số sử dụng, độ khả dụng, …

Báo cáo về thiết kế tuyến Báo cáo về tần số:

Khi chọn các tần số thu phát cho từng trạm các tần số phải tuân thủ quy tắc Hi-Low

PathLoss sẽ đưa ra báo cáo về các tần số được sử dụng và thông báo nếu có tần số ở trạm

nào đó vi phạm quy tắc Thông thường chỉ áp dụng luật Hi-Low trong trường hợp nhiều

trạm trong cùng 1 khu vực mà trong đó có các trạm phát lại Trong bài tập lớp lần này

chúng em không xét đến

Khi có tần số vi phạm quy tắc:

Báo cáo về thiết kế tần số của tuyến Khi không có tần số vi phạm:

Kiểm tra vi phạm quy luật Hi-Low

Báo cáo về nhiễu:

Các trường hợp can nhiễu được nêu ra trong báo cáo này

Trong các báo cáo này, có báo cáo chung về tất cả các trường hợp nhiễu xảy ra trong

mạng và báo cáo chi tiết riêng cho từng trường hợp Dựa vào báo cáo này người thiết kế sẽ

tính toán sao cho các tần số trong mạng thích hợp để không gây nhiễu giữa các trạm với

nhau

Báo cáo về các trường hợp nhiễu:

Báo cáo về các trường hợp nhiễu Chi tiết về từng trường hợp nhiễu:

Báo cáo chi tiết các trường hợp của nhiễu Khi không có trường hợp nào can nhiễu ta sẽ nhận được thông báo “no interference

case”

Hình vẽ cho thấy mạng không còn nhiễu

C KẾT LUẬN

Việc truyền bằng đường truyền vi ba số, tuy chất lượng không tốt và ổn định bằng đường truyền hữu tuyến như cáp đồng trục, quang, … Nhưng việc tính toán thiết kế đơn giản hơn và chi phí xây dựng của một hệ thống là thấp hơn Mặt khác, với những tuyến truyền cư ly ngắn thì việc sử dụng đường truyền vi ba sẽ tận dụng được hiệu quả mà chất lượng vẫn đảm bảo

Trong thời gian tìm hiểu và nghiên cứu dưới trự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy Nguyễn Hoàng Hải, cùng với sự cố gắng của cả nhóm đến nay bài tập lớn đã được hoàn thành và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra Quá trình thực hiện đề tài thực sự là khoảng thời gian quý báu và hữu ích giúp cho nhóm nghiên cứu, tìm hiểu và mô phỏng được tuyến truyền dẫn vi ba bằng phần mềm PathLoss

Qua quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, nhóm đã thu được kết quả chính như sau:

- Tìm hiểu được thế nào là hệ thống thông tin vi ba và các loại suy hao

- Tìm hiểu thiết kế và mô phỏng tuyến truyền dẫn bằng phần mềm PathLoss

- Mô phỏng và hiệu chỉnh được các tuyến truyền dẫn sao cho tối ưu

Tuy nhiên kết quả mô phỏng vẫn chưa sát với thực tế, chưa có tính ứng dụng cao, nhiều thông số vẫn chưa được tối ưu Do vậy, chúng em rất mong nhận được sự góp ý nhận xét của thầy để có thể hoàn thiện hơn trong những lần sau

Một lần nữa nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Hải đã giảng dạy và giải đáp thắc mắc cho chúng em trong học kỳ này