Thiết kế giải thuật thông minh phân phối nguồn cung cấp theo lưu lượng cho các trạm BTS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN QUANG DUY THIẾT KẾ GIẢI THUẬT THÔNG MINH PHÂN PHỐI NGUỒN CUNG CẤP THEO LƯU LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BTS LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN QUANG DUY

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT THÔNG MINH PHÂN PHỐI NGUỒN CUNG CẤP THEO LƯU LƯỢNG CHO CÁC

TRẠM BTS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Bình Định – Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN QUANG DUY

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT THÔNG MINH PHÂN PHỐI NGUỒN CUNG CẤP THEO LƯU LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BTS

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8520208

Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiệndưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Văn Tuấn Các số liệu,những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trungthực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Học viên

Nguyễn Quang Duy

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông với đề tài “Thiết

kế giải thuật thông minh phân phối nguồn cung cấp theo lưu lượng cho cáctrạm BTS”, tác giả đã nhận được sự quan tâm, động viên của quý thầy, côtrong Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, đặc biệt là cácthầy, cô trong bộ môn Điện tử - Viễn thông

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS TS Nguyễn VănTuấn – Trưởng Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng,người trực tiếp hướng dẫn khoa học và chỉ bảo tận tình để luận văn được hoànthành một cách tốt nhất Bên cạnh đó, tác giả cũng xin bày tỏ sự cảm ơn tớithầy ThS Nguyễn Đình Luyện – Giảng viên Khoa Kỹ thuật & Công nghệ,Đại học Quy Nhơn, người đã có những ý kiến đóng góp hết sức chân thành vàquan trọng giúp tác giả hoàn thành luận văn của mình

Tác giả cũng xin cảm ơn sự ủng hộ rất lớn từ phía gia đình, đây lànguồn động lực to lớn giúp tác giả nổ lực hoàn thiện luận văn của mình

Mặc dù có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song cóthể vẫn còn những thiếu sót, tác giả xin được ghi nhận những ý kiến đóng gópquý báu từ phía thầy hướng dẫn, hồi đồng và những người quan tâm

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 1

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình tiêu thụ năng lượng hiện nay

Trong những năm vừa qua, Việt Nam đã trở thành một trong những nềnkinh tế phát triển rất năng động trong khu vực, cũng như trên thế giới và cùngvới xu hướng đó, ngành năng lượng đóng vai trò vô cùng quan trọng trongviệc thúc đẩy nền kinh tế - xã hội của đất nước phát triển Tuy nhiên, quá trìnhphát triển năng lượng trong thời gian vừa qua đã bộc lộ những yếu kém, bấtcập và đặc biệt là sử dụng điện kém hiệu quả, lãng phí

Theo một thông báo do Tập đoàn Điện lực Việt Nam phát ra vào ngày19/05/2019, số liệu từ Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia cho thấylần đầu tiên trong lịch sử, công suất đầu nguồn của hệ thống điện toàn quốc đãvượt qua con số 36.000 MW Tính riêng trong ngày 24/04/2019, công suấtnguồn cực đại toàn hệ thống là 35.703 MW, tăng 16,2% so với cùng kỳ nămtrước và tính đến ngày 17/05/2019, mức tiêu thụ điện toàn hệ thống lại đạtđỉnh mới cao hơn, với công suất đỉnh đầu nguồn toàn hệ thống lên tới 35.912

MW Mức tiêu thụ công suất này tiếp tục tăng và đã lập kỷ lục 36.006 MWvào khoảng 13h40 ngày 18/05/2019, với mức sản lượng tiêu thụ của ngày nàytrong cả nước là 756,9 triệu KWh [12]

Ngoài ra, cũng theo thông tin từ ngành điện, tính đến ngày 19/05/2019 sảnlượng thủy điện tích trong các hồ miền Trung, Nam chỉ khoảng 2 tỷ KWh, tươngđương tổng phụ tải toàn quốc trong 3 ngày làm việc Nếu tính riêng miền Nam,con số này là 0,38 tỷ KWh, tương đương lượng điện tiêu thụ tại khu vực nàytrong 1 ngày làm việc Trước thực tế đó, Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốcgia đã phải huy động các nguồn cung khác từ nhiệt điện dầu từ tháng 4/2019 để

có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải Tính đến ngày 19/05/2019 theo số

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 2liệu mới công bố, tổng sản lượng nhiệt điện dầu huy động là 160 triệu KWh

và sẽ phải tiếp tục huy động nguồn điện giá cao này trong thời gian tới [12]

Tính riêng trong lĩnh vực viễn thông và thông tin di động, nhu cầu pháttriển của mạng 3G, 4G và mới nhất là 5G hiện đang phát triển với tốc độ rấtnhanh Đi cùng với sự phát triển này là sự mở rộng các trạm viễn thông củacác nhà mạng, tăng cường thêm các thiết bị tại các trạm đã có, hoặc lắp đặthoàn toàn các trạm mới như đối với công nghệ 5G Theo số liệu từ tập đoànVNPT, tính đến cuối năm 2016 nước ta có hơn 80.000 trạm thu phát sóng củaVinaphone theo các công nghệ 2G, 3G, 4G trên địa bàn 63/63 tỉnh, thành phố

và đây chỉ mới là con số của riêng tập đoàn VNPT Nếu lượng công suất tiêuthụ của một trạm BTS là khoảng 6 KW, với số lượng 80.000 trạm viễn thôngcủa riêng VNPT sẽ tiêu thụ hết 80.000 x 6 KW = 480 MW, một con số không

hề nhỏ nếu tính trong một khoảng thời gian dài và cũng đặt lên hệ thốngtruyền tải điện quốc gia một gánh nặng quá lớn

sẽ được thực hiện, nhằm tiết giảm bớt sự phụ thuộc vào điện lưới quốc gia, qua

đó giúp giảm bớt gánh nặng lên hệ thống truyền tải điện Đây cũng là mục đích

và lý do tác giả thực hiện đề tài: “Thiết kế giải thuật thông minh phân phối

nguồn cung cấp theo lưu lượng cho các trạm BTS”.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 3

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu trong luận văn này nhằm xây dựng được một giải thuật cókhả năng tự động phân phối nguồn hợp lý cho trạm BTS, khi xảy ra hiệntượng lưu lượng thấp tại trạm và khi mất nguồn điện lưới cung cấp

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Dữ liệu về công suất nguồn cung cấp cho các phụ tải 2G

- Dữ liệu về lưu lượng 2G tại trạm BTS

- Thông tin về các nguồn cung cấp dự phòng khác trong trạm BTS

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là các trạm BTS của nhà mạngMobifone và Viettel tại địa phương

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các công cụ toán học như xác suất thống kê, toán đại

số, cùng với sử dụng ngôn ngữ R để thực hiện các bài toán phân tích, dựa trêncác dữ liệu về công suất tiêu thụ của các thiết bị 2G, lưu lượng sử dụng tạitrạm BTS, nhằm chứng minh được mối quan hệ giữa công suất cung cấp chophần lõi và lưu lượng tại trạm

6 Tổng quan nội dung luận văn

Nội dung luận văn được chia ra làm 4 chương:

- Chương 1: Trình bày về lý thuyết cơ sở liên quan trong luận văn

- Chương 2: Nói về thiết kế và xây dựng phần cứng thu thập dữ liệu

- Chương 3: Chứng minh giả thuyết về mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ tại phần lõi của trạm BTS với lưu lượng tại trạm

- Chương 4: Đưa ra giải thuật phân phối nguồn hợp lý trong trạm BTS

và mô phỏng, đánh giá giải thuật này

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 4

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.1 Giới thiệu chương

Nội dung chương nói về các phương pháp cấp nguồn và vấn đề sử dụngnăng lượng trong các trạm BTS, vốn là một vấn đề đang rất nóng khi nhu cầutiêu thụ điện năng ngày một tăng cao như hiện nay, qua đó có được cái nhìntổng quan về vấn đề này Phần tiếp theo của chương, trình bày sơ lược về một

số lý thuyết cơ sở của biến ngẫu nhiên, đồng thời giới thiệu về ngôn ngữ R –một ngôn ngữ phân tích dữ liệu đang rất phát triển và một số mô hình phântích dữ liệu với ngôn ngữ này

1.2 Vấn đề sử dụng năng lượng tại các trạm BTS

Trong những năm gần đây, lĩnh vực viễn thông phát triển nhanh chóng,ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật tiên tiến Chính vì vậy, hầu hết cácthiết bị viễn thông đều là các thiết bị công nghệ cao, với chi phí đầu tư rất lớn.Với đặc điểm này, yêu cầu về hệ thống nguồn cung cấp cho các thiết bị viễnthông đã trở thành yếu tố vô cùng quan trọng trong một trạm BTS Vì hiệusuất hoạt động của hệ thống nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động củacác thiết bị khác, điện áp ra của hệ thống nguồn không ổn định sẽ làm giảmchất lượng thông tin và thậm chí gây hỏng các thiết bị

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 5

Hình 1.1 Phân bổ công suất trong trạm gốc CDMA/UMTS [9]

Với trình độ khoa học công nghệ của nước ta hiện nay, có thể khẳngđịnh rằng các nhà mạng trong nước chỉ tiếp nhận các thiết bị viễn thông, lắpđặt và vận hành theo sự hướng dẫn của nhà cung cấp, hoàn toàn không có khảnăng can thiệp vào bất kỳ bộ phận nào của toàn hệ thống Dựa vào thông tintrên hình 1.1, ta có được một cái nhìn tổng quan về sự phân bổ công suấttrong một nhà trạm, cũng từ hình này ta có thể thấy thành phần có hiệu suất sửdụng năng lượng thấp nhất, chính là các bộ PA – các khối khuếch đại côngsuất trước khi ra anten

Về nguyên tắc, một hệ thống khi được thiết kế bao giờ cũng bao gồm tínhnăng tiết kiệm năng lượng khi có thể Tuy nhiên, vấn đề là tất cả mọi thứ liênquan đến hệ thống đều sẽ được đóng gói trước khi đưa ra thị trường và người sửdụng hoàn toàn bị phụ thuộc vào công nghệ của nhà sản xuất Vậy liệu rằng ta cóthể tìm được một giải pháp, có khả năng gián tiếp can thiệp vào hệ thống và biếtđược mức công suất mà hệ thống đang tiêu thụ, từ đó đưa ra phương án phânphối nguồn linh hoạt từ các nguồn phân tán khác nhau, nhưng vẫn đảm bảo đượccung cấp dịch vụ tốt nhất có thể cho người dùng Nếu thực hiện được yêu cầunày, ta có thể từng bước tiến tới việc làm chủ công nghệ,

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 6đồng thời giúp sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng phân tán đang rấtphát triển Trong khuôn khổ giới hạn của luận văn này, tác giả sẽ cơ bản đưa

ra một giải pháp phân phối nguồn hợp lý để giúp phần nào giải quyết bài toán

đề ra

1.3 Hệ thống nguồn trong trạm BTS

Như đã đề cập đến, hệ thống nguồn trong trạm BTS là một thành phần

vô cùng quan trọng, do đó hệ thống cung cấp nguồn trong trạm BTS cần phảithỏa mãn các yêu cầu sau đây:

+ Độ tin cậy: để đảm bảo thông tin được thông suốt, yêu cầu hệ thốngnguồn phải có khả năng làm việc liên tục, tức là phải tính đến các trường hợp

dự phòng cho hệ thống nguồn như: mất nguồn điện lưới AC, hệ thống acquy

dự trữ, hệ thống máy phát dự trữ, v.v

+ Độ ổn định: đây là yêu cầu bắt buộc và vô cùng quan trọng của hệthống nguồn trong trạm BTS Các thiết bị viễn thông thường yêu cầu điện ápcung cấp ổn định, không vượt quá phạm vi biến động cho phép Nếu điện ápcao, các linh kiện điện tử trong thiết bị có khả năng sẽ bị hỏng Ngược lại nếuđiện áp thấp, các thiết bị sẽ không hoạt động bình thường

+ Hiệu suất cao: đây là yêu cầu để đảm bảo tiết kiệm điện năng Biệnpháp chủ yếu để thực hiện chủ yếu là sử dụng các hệ thống nguồn có hiệu suấtcao như những bộ nguồn biến đổi dao động điều hòa, có thể đạt hiệu suất đến90% trở lên

+ Gọn nhẹ: đây là xu hướng phát triển chung của các thiết bị điện tử ngàynay, giảm kích thước và tích hợp hệ thống Để làm được điều này, các bộ chuyểnđổi với dải tần rộng được sử dụng rộng rãi trong các bộ ổn áp tổ hợp,

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 7các máy biến áp Ví dụ như các bộ đóng ngắt dao động điều hòa với tần số vàitrăm KHz và kích thước vô cùng nhỏ đang được ứng dụng rất nhiều.

1.3.1 Các phương pháp cấp nguồn cho trạm viễn thông

1.3.1.1 Phương pháp cấp nguồn từ điện lưới quốc gia

Phương pháp này được sử dụng đối với các trạm BTS đặt ở nơi gầnđường dây điện lực, đồng thời kết hợp với các nguồn dự phòng như máy phátđiện và acquy dự trữ

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống lắp nguồn có điện lưới [1]

+ TBĐK: thiết bị điều khiển

+ BBĐ1: bộ biến đổi điện áp xoay chiều/một chiều

+ BBĐ2: bộ biến đổi điện áp một chiều/xoay chiều

+ TBVT: thiết bị viễn thông

+ TBP: thiết bị phụ

Hệ thống trên có thể nhận nguồn cung cấp từ hai nguồn khác nhau: nguồnđiện lưới quốc gia và nguồn máy phát dự phòng, acquy khi mất điện lưới Trong

sơ đồ hệ thống sử dụng một thiết bị chuyển mạch, vị trí chuyển mạch sẽ ở 1 khi

có nguồn điện lưới cung cấp Khi mất nguồn điện lưới, các thiết bị viễn thông

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 8

sẽ tạm thời được nuôi bằng acquy dự trữ, đủ thời gian để chuyển mạch qua vịtrí 2 và khởi động máy phát điện dự phòng cung cấp nguồn trong một khoảngthời gian dài hơn

1.3.1.2 Phương pháp cấp nguồn không có điện lưới quốc gia

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống cấp nguồn không có điện lưới [1]

Phương pháp này sử dụng khi trạm BTS đặt ở những nơi không cóđường dây điện lưới đi qua như: rừng, núi, hải đảo, v.v

+ TBĐK: thiết bị điều khiển

+ TBXLCS: thiết bị điều khiển công suất

+ BBĐ1, BBĐ3: bộ biến đổi điện áp xoay chiều/một chiều

+ BBĐ2: bộ biến đổi điện áp một chiều/xoay chiều

+ TBVT: thiết bị viễn thông

+ TBP: thiết bị phụ

Pin mặt trời gồm các module đấu nối tiếp/song song để đạt công suất yêucầu Khi có nắng trong ngày, pin sẽ bảo đảm việc cung cấp năng lượng, nếu dư

sẽ nạp lại cho acquy Máy phát điện sức gió sẽ không trực tiếp cấp nguồn cho

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 9thiết bị mà chỉ làm nhiệm vụ nạp điện cho acquy Máy phát điện sẽ cung cấpnguồn cho trạm viễn thông và nạp cho acquy khi các nguồn trên không hoạtđộng.

1.3.2 Sơ đồ khối của hệ thống cấp nguồn

Hệ thống nguồn điện có nhiệm vụ tạo ra năng lượng điện cần thiết,nhằm mục đích cung cấp cho các thiết bị viễn thông làm việc Nguồn nănglượng tạo ra là nguồn điện một chiều lấy từ mạng điện xoay chiều, hay từnguồn một chiều khác

Hình 1.4 Sơ đồ khối cấp nguồn một chiều cho nhà trạm [1]

Chú thích:

+ AC panel: hệ thống chuyển mạch đầu vào điện áp AC, có hai đầu vào

là điện lưới quốc gia và máy phát điện dự phòng

+ Tủ phân phối AC: nhận diện điện áp 3 pha/1 pha từ AC panel để cấp cho máy nắn và bộ Inverter

+ Rectifier: biến đổi điện áp 3 pha/1 pha thành điện áp một chiều cấp cho nhà trạm và nạp cho acquy/battery

+ Từ phân phối điện áp DC (-48VDC): nhận điện áp từ máy nắn cungcấp tới các thiết bị trong nhà trạm tại các giá Mỗi giá lại có các cầu chì đểbảo vệ và cấp nguồn riêng

+ Acquy/battery: mỗi tổ sẽ có 24 bình, mỗi bình 2V dùng cung cấp cho đài trạm và bộ inverter

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 10+ Máy phát 3 pha/1 pha: cung cấp nguồn cho nhà trạm nếu mất điện lưới.

+ Inverter: biến đổi điện áp một chiều thành ra xoay chiều, để cung cấp cho các thiết bị điều khiển phụ trong trạm

Từ sơ đồ khối ở trên, ta có thể đưa ra nhận xét: nếu trong trường hợp tủphân phối nguồn DC bị sự cố, toàn bộ thiết bị viễn thông sẽ bị ngừng hoạtđộng và mất liên lạc hoàn toàn

1.3.3 Vấn đề sử dụng năng lượng tại các trạm BTS hiện nay

Hiện nay, theo thống kê nước ta có khoảng 80.000 trạm BTS chỉ tínhriêng cho VNPT [13] và theo ước tính một trạm sẽ tiêu thụ khoảng 6 KWđiện Vậy lượng điện năng cung cấp cho các trạm BTS sẽ là khoảng480.000KW Nếu tiếp tục tính toán lượng điện năng tiêu thụ trong vòng mộttháng và tính toán thêm cho các nhà mạng khác, ta sẽ thấy đây thật sự là mộtcon số khổng lồ

Ngoài ra trong bối cảnh hiện nay, đi ngược lại với nhu cầu sử dụng điệnnăng ngày một tăng cao của con người là sự suy giảm nhanh chóng các nguồntài nguyên thiên nhiên như dầu mỏ, than đá, v.v cùng với vấn đề biến đổi khíhậu đang xảy ra ngày một gay gắt hơn Trước những vấn đề đó, yêu cầu đặt ra

là cần phải sử dụng các nguồn năng lượng phân tán như: mặt trời, gió, v.v đểtiết giảm bớt sự phụ thuộc vào điện lưới quốc gia

Tuy nhiên, vấn đề về đảm bảo thông tin thông suốt đã và đang trở thànhnhu cầu hằng ngày không thể thiếu đối với mọi người dân hiện nay Vậy làm saovừa có thể đảm bảo sự vận hành thông suốt, liên tục của các nhà trạm BTS; lạivừa có thể tiết giảm được lượng điện năng sử dụng từ điện lưới quốc gia là mộtvấn đề đang trở nên rất cấp thiết Để giải quyết phần nào bài toán về sử dụngđiện năng hiệu quả, hiện trên thế giới đã có các hệ thống pin năng lượng mặt trờivới hiệu suất cao, hoặc hệ thống cung cấp năng lượng gió cũng là một giải pháp

Để có thể áp dụng các công nghệ này vào các trạm BTS, yêu cầu chi

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 11phí đầu tư ban đầu không hề nhỏ và điểm quan trọng hơn nữa là ta sẽ hoàntoàn bị phụ thuộc vào công nghệ của nước ngoài Giải pháp sử dụng nguồnnăng lượng mặt trời và gió hiện tại chủ yếu vẫn sử dụng cho các trạm BTS đặt

ở những nơi mà điện lưới không thể đưa tới Tuy nhiên đây là các trạm có lưulượng sử dụng không cao và tỷ lệ các trạm BTS này vẫn rất thấp, đa số cáctrạm BTS được đặt ở những nơi có mật độ dân số đông và được cung cấpnăng lượng từ điện lưới quốc gia làm nguồn cung cấp chính

Hình 1.5 Trạm BTS sử dụng năng lượng xanh của VinaPhone tại Đảo Mê [14]

Nếu có một giải pháp nào đó có thể được thực hiện tại đa số các trạmBTS, với mục đích sử dụng nguồn cung cấp từ các nguồn năng lượng phân tán

để có thể tiết giảm sự phụ thuộc quá lớn vào nguồn điện lưới quốc gia, thì đây sẽ

là một giải pháp tối ưu đối với thực tế hiện nay Nhưng như đã đề cập ở phầntrên, năng lượng mặt trời và gió không thể được xem là các nguồn cung cấp nănglượng chính tại đa phần các trạm BTS, hay nói cách khác các nguồn cung cấpnày chỉ có thể được sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định trong ngày Vềmặt lập luận logic ta có thể thấy, tại một trạm BTS không phải lúc nào lưu lượngngười sử dụng cũng sẽ ở mức cao, tức là sẽ có một khoảng thời gian xảy ra hiệntượng lưu lượng thấp tại trạm Khi xuất hiện khoảng thời gian với lưu lượngngười dùng thấp, yêu cầu về mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị viễn thôngcũng sẽ thấp, hay nói cách khác khi lưu lượng người dùng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 12tại trạm BTS giảm, năng lượng cung cấp cho trạm cũng sẽ giảm theo và đâychính là khoảng thời gian có thể thực hiện việc tiết giảm sử dụng năng lượngđiện lưới quốc gia, mà thay vào bằng các nguồn năng lượng phân tán.

Ý tưởng được đề cập ở trên không mang tính thuyết phục cao vì nókhông có cơ sở khoa học chứng minh Để có thể thực hiện được ý tưởng nàycần phải thực hiện được các nội dung sau:

+ Chứng minh được sự phụ thuộc của công suất sử dụng tại phần lõi của trạm BTS với lưu lượng sử dụng của người dùng tại trạm

+ Tìm ra được mức ngưỡng công suất dưới cần thiết để cung cấp chohoạt động của phần lõi của một trạm BTS khi lưu lượng thấp, từ đó làm cơ sởcho việc thực hiện tiết giảm nguồn năng lượng điện lưới quốc gia

+ Từ những kết quả đạt được, sẽ đề xuất một giải thuật phân phối các nguồn năng lượng cần thiết cung cấp cho trạm BTS

1.4 Các lý thuyết cơ sở

Nội dung thực hiện của đề tài có bao gồm phần phân tích dữ liệu, do đó

để có thể nắm được phương pháp phân tích yêu cầu phải có kiến thức cơ bản

về lý thuyết xác suất thống kê Trong nội dung phần này sẽ giới thiệu tóm tắt

lý thuyết cơ sở về xác suất thống kê, một môn khoa học đã và đang trở nên vôcùng quan trọng hiện nay

1.4.1 Biến ngẫu nhiên và phân loại biến ngẫu nhiên [2]

Biến ngẫu nhiên thường được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa như , v.v

là đại lượng nhận các giá trị nào đó phụ thuộc vào yếu tố ngẫu

nhiên, nghĩa là với mọi giá trị thực x ∈R thì X nhận giá trị nhỏ hơn bằng x , ký

hiệu {X ≤ x} , là một biến cố ngẫu nhiên

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

X,Y,Z

Trang 13Đối với biến ngẫu nhiên người ta chỉ quan tâm xem nó nhận một giá trịnào đó hoặc nhận giá trị trong khoảng nào đó với một xác suất bao nhiêu Tậphợp các giá trị của X được gọi là miền giá trị của X , ký hiệu X (Ω) Căn cứvào tập X (Ω) biến ngẫu nhiên được chia làm 2 loại:

+ Biến ngẫu nhiên rời rạc nếu X (Ω) là hữu hạn hay vô hạn đếm được:

X ( Ω ) ={x1, x2 , , xn } hay X ( Ω ) ={x1, x2 , , xn, }

+ Biến ngẫu nhiên liên tục nếu X (Ω) là một khoảng hay một số khoảng

hay toàn bộ R

+ Số chấm xuất hiện khi gieo một con xúc xắc

+ Tuổi thọ của một thiết bị đang hoạt động

+ Số khách hàng vào một điểm phục vụ trong một khoảng thời gian nàođó

+ Số cuộc gọi đến một tổng đài trong một khoảng thời gian nào đó.+ Sai số khi đo lường một đại lượng vật lý

Hai biến ngẫu nhiên X , Y là độc lập nếu X nhận các giá trị nào đó khôngphụ thuộc Y và ngược lại Nói một cách khác với mọi số thực x, y hai biến cốsau là độc lập:

{X ≤ x} ,{Y ≤ y}

1.4.2 Phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên [2]

Luật phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên là một cách biểu diễn quan

hệ giữa các giá trị của biến ngẫu nhiên với các xác suất tương ứng mà nó nhậncác giá trị đó

1.4.2.1 Trường hợp biến ngẫu nhiên rời rạc

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Phân phối xác suất có tên là hàm mật độ xác suất Cho biến ngẫu nhiên

X hàm f (x) , x ∈R được gọi là hàm mật độ xác suất của X nếu thỏa các điều

1.4.3 Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên [2]

Hàm phân phối xác suất của X , ký hiệu F ( x) hoặc FX (x) là hàm sốthực xác định như sau:

Trang 15Với biến ngẫu nhiên rời rạc: F ( x ) =

1.4.4 Các số đặc trưng của biến ngẫu nhiên [2]

1.4.4.1 Mốt của X, ký hiệu ModX

Với biến ngẫu nhiên rời rạc, ModX là giá trị của X ứng với xác suất lớnnhất. ModX = x0 ⇔ p x0 = max p i Như vậy ModX là giá trị của X nhiều khảnăng xảy ra nhất

Với biến ngẫu nhiên liên tục, ModX là giá trị làm hàm mật độ xác suất

đạt giá trị max Như vậy ModX là giá trị mà X có nhiều khả năng xuất hiện

trong một khoảng chứa nó nhất

1.4.4.2 Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên X, ký hiệu EX

n

Với biến ngẫu nhiên rời rạc:

∞

Trường hợp biến ngẫu nhiên rời rạc vô hạn đếm được: EX = ∑ x i p i i= 1

Với biến ngẫu nhiên liên tục X có hàm mật độ xác suất f ( x) ta có:

Trang 16

Kỳ vọng mang ý nghĩa: nếu lấy trung bình n giá trị quan sát độc lập củabiến ngẫu nhiên X , thì kỳ vọng là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên Nóphản ánh giá trị trung tâm của phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên

1.4.4.3 Phương sai của biến ngẫu nhiên

Phương sai của biến ngẫu nhiên X , ký hiệu VX được xác định như sau:

Trong tính toán ta hay dùng công thức sau:

VX =EX

(1.4)

(1.5)

Phương sai là độ lệch giữa giá trị của X so với trung bình của nó, do đó

phương sai chính là trung bình của bình phương độ lệch đó Nó đặc trưng cho

độ phân tán của biến ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình, nghĩa là: phương sainhỏ, độ phân tán nhỏ vì vậy độ tập trung lớn, ngược lại phương sai lớn, độphân tán lớn, vì vậy độ tập trung nhỏ

Trong kỹ thuật, phương sai đặc trưng cho độ sai số của thiết bị

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 17

1.4.5 Một số phân phối xác suất thông dụng của biến ngẫu nhiên liên tục

1.4.5.1 Phân phối chuẩn

Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối chuẩn với tham số μ và σ2

(σ > 0) ký hiệu X ~ N (µ ;σ 2 ) nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:

1.4.5.2 Phân phối đều

Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối đều trong khoảng

ký hiệu X ~ U(a, b) , nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:

Hàm phân phối của X :

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối mũ với tham số λ ( λ > 0),

ký hiệu X ~ E(λ) , nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:

E(X)=

1.4.6 Một số phân phối xác suất thông dụng của biến ngẫu nhiên rời rạc

1.4.6.1 Phân phối Poisson

Biến ngẫu nhiên X có phân phối Poisson với tham số

X ~ P(λ), nếu tập giá trị của nó X ( Ω ) ={0,1, n, } và:

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 19

ModX = x0 với np − q ≤ x0 ≤ np + p

1.4.6.3 Phân phối siêu bội

Biến ngẫu nhiên X có phân phối siêu bội với tham số N, NA, n, ký hiệu

X ~ H(N; NA; n), nếu tập giá trị của nó X ( Ω ) ={0,1, ,n} và

Các số đặc trưng:

EX = np , với p =

N −1

1.5 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình R

Trong một công trình nghiên cứu khoa học, nếu dữ liệu không được phântích đúng phương pháp sẽ không có ý nghĩa khoa học Chính vì vậy mà ngàynay, trong các công trình nghiên cứu được công bố thường có thêm phần “Phântích thống kê”, trong phần này tác giả sẽ giới thiệu ngôn ngữ R – công cụ đượcdùng trong phân tích dữ liệu, đồng thời giải thích lý do sử dụng công cụ này

Với thực tế hiện nay khi các phần mềm phân tích, thống kê dữ liệu nhưSAS, SPSS, v.v đều là các phần mềm có tính phí với mức phí rất cao (có thể lênđến 100.000 USD một năm) vốn không phù hợp cho các nhóm nghiên cứu vớiquy mô nhỏ Ngôn ngữ R [15] ra đời với mục đích ban đầu sử dụng cho học tập

và giảng dạy, tuy nhiên chi trong vòng 20 năm qua, R đã trở nên cực kỳ phổ biếntrong các trường Đại học và trong công tác nghiên cứu khoa học, R đã thật

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

ma trận, và quan trọng nhất là khả năng phân tích thống kê dữ liệu.

Ngôn ngữ R được tạo ra bởi hai nhà thống kê học là Ross Ihaka vàRobert Gentleman tại Đại học Auckland, New Zealand, R xuất hiện lần đầuvào năm 1993 và có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau Đến nay R

do R Development Core Team chịu trách nhiệm phát triển

Ngôn ngữ R đã trở thành một tiêu chuẩn trên thực tế giữa các nhà thống

kê và được sử dụng rộng rãi để phát triển phần mềm thống kê và phân tích dữliệu R là một bộ phận của dự án GNU và mã nguồn của nó được công bố tự dotheo giấy phép của GNU, R sử dụng giao diện dòng lệnh và một vài giao diện đồhọa người dùng Ngôn ngữ R có chứa nhiều loại kỹ thuật thống kê (mô hình hóatuyến tính và phi tuyến, kiểm thử thống kê cổ điển, phân tích chuỗi thời gian,phân loại, phân nhóm, v.v.) và đồ họa Kể từ khi ngôn ngữ R ra đời, rất nhiều nhànghiên cứu thống kê và toán học trên thế giới đã ủng hộ và tham gia vào pháttriển ngôn ngữ này, với một chủ trương R sẽ theo định hướng mở rộng Chính vìchủ trương này mà R là ngôn ngữ hoàn toàn miễn phí Hiện nay trên toàn cầu đã

có một mạng lưới gần một triệu người sử dụng R, và con số này vẫn đang tiếptục tăng lên theo từng ngày Nhờ vào R mà hiện nay và trong tương lai gần, ta sẽkhông cần đến các phần mềm thống kê đắt tiền như SAS, SPSS hay Stata đểphân tích dữ liệu nữa Vì thế, khi tham gia nghiên cứu khoa học, đặc biệt là tronglĩnh vực thống kế, phân tích dữ liệu R sẽ là một sự lựa chọn rất tốt R cung cấpcho ta một số hàm để làm các phân tích căn bản và đơn giản Trong trường hợpmuốn sử dụng những phân tích phức tạp hơn, ta có thể

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 21tải về máy tính một số gói mở rộng từ trang chủ của R (http://cran.r-project.org) Các gói là một phần mềm nhỏ được các nhà thống kế học pháttriển, nhằm giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó, và có thể chạy trên R.

Một gói khác chuyên cho các phân tích dịch tễ họcDùng để nhập số liệu từ các phần mềm khác nhưSPSS, SAS, Stata, v.v

Dùng cho phân tích tổng hợpChuyên dùng cho phân tích theo mô hình Cox

Dùng cho các phân tích thống kê trong lĩnh vực xã hội

họcDùng cho phân tích số liệu di truyền họcBayesian Model Average

Dùng cho biểu đồGói đa năng nhưng chủ yếu là cho phân tích tâm lýhọc

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 22

Hình 1.6 Giao diện cửa sổ của R

R thường được sử dụng dưới dạng “command line”, tức là ta phải nhậptrực tiếp lệnh vào và các lệnh này yêu cầu phải tuân theo đúng văn phạm Một

số văn phạm cơ bản của R như sau:

+ Có phân biệt chữ hoa và thường khi viết lệnh

+ Dùng dấu chấm để thay vào khoảng trống, ví dụ như: data.frame, t.test,

v.v

+ Dữ liệu trong R được lưu trong các Object, vì R là ngôn ngữ đối tượng

+ Không đặt tên object và biến số trùng nhau

+ Không được có khoảng trống khi đặt tên

+ Không nên sử dụng ký hiệu “_” khi đặt tên

+ Ký hiệu “#” dùng để ghi chú trong R

Nếu gõ đúng văn phạm, R sẽ cho ra một prompt khác hoặc cho ra một kết quả nào đó, ngược lại R sẽ cho ra một thông báo ngắn về lỗi vừa xảy ra

Để có thể hiểu đầy đủ hơn về văn phạm, R cung cập lệnh help() ví dụnhư: help(lm) Khi đó R sẽ mở ra một của sổ bên phải để chỉ rõ cách sử dụngcủa lệnh và cả ví dụ minh họa Ngoài ra, để biết một hàm trong R cần nhữngLuận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 23tham số nào, ta sử dụng lệnh args(), ví dụ như: args(lm) sẽ cho ra kết quả nhưsau:

> args(lm)

function (formula, data, subset, weights, na.action, method = "qr",

model = TRUE, x = FALSE, y = FALSE, qr = TRUE, singular.ok =

TRUE, contrasts = NULL, offset, )

NULL

1.6 Giới thiệu một số mô hình phân tích dữ liệu với R

Phân tích dữ liệu có thể được thực hiện qua phân tích thống kê, phântích đồ thị và cả hai phương pháp trên đều có thể được sử dụng để thực hiệnphân tích mô tả và phân tích suy luận

Phân tích mô tả được sử dụng để mô tả những đặc tính cơ bản của dữliệu thu thập được từ nghiên cứu thực nghiệm Sử dụng những công cụ phântích cần thiết để mô tả dữ liệu bằng các chỉ số như: số trung bình, số trung vị,phương sai, độ lệch chuẩn, v.v cho các biến số liên tục và tỷ số cho các biến

số không liên tục

Phân tích suy luận được sử dụng để giải thích rõ ràng về đặc điểm củamột tổng thể, sử dụng dữ liệu được rút ra từ tổng thể thông qua hình thức lấymẫu Trong phân tích này tổng thể được giả định là lớn hơn so với các dữ liệuquan sát được tạo ra, đây là khác biệt của phân tích suy luận khi so sánh vớiphân tích mô tả đã đề cập

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả xin đưa ra trình bày một sốphương pháp phân tích dữ liệu cơ bản được xây dựng sẵn trong R như sau:

1.6.1 Phân tích hồi quy tuyến tính [7]

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 24

Phân tích hồi quy tuyến tính là phương pháp phân tích quan hệ giữa biến

phụ thuộc Y với một hay nhiều biến độc lập X Mô hình hóa sử dụng hàm tuyến

tính và các tham số của mô hình được ước lượng từ dữ liệu Phương pháp nàyđược sử dụng rộng rãi trong thực tế do tính chất đơn giản của hồi quy

Trong phương pháp này để ước lượng các tham số, ta sử dụng phươngpháp bình phương nhỏ nhất Tuy nhiên, sau khi đã xác định được các tham số

và dựng lên được hàm tuyến tính biểu diễn mối quan hệ giữa Y và X , vẫn còn

một vấn đề khác phải giải quyết đó là xác định phần sai số giữa hàm tuyếntính và dữ liệu thực tế Phần sai số này phải thỏa mãn bốn giả thuyết Gauss-Markov thì phương pháp ước lượng đã sử dụng mới được xem là không lệch,bốn giả thuyết được đưa ra như sau:

+ Giả thuyết 1: Các errors (Yi) là các đại lượng ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng 0

+ Giả thuyết 2: Các errors (Yi) ở các thời điểm khác nhau là không tương quan với nhau

+ Giả thuyết 3: Các errors (Yi) có phương sai bất biến

+ Giả thuyết 4: Các errors (Yi) và các biến (Xi) không tương quan vớinhau

Khi một trong bốn giả thuyết trên bị vi phạm, ta phải sử dụng cácphương pháp khác nhau để khắc phục, làm sao để có thể đưa ra được một ướclượng không bị sai lệch

1.6.2 Phân tích phương sai [7]

Phân tích phương sai là phương pháp phân tích thống kê mà trọng điểm

là phương sai Đây là phương pháp thống kê để kiểm định giả thuyết H0 nhằmxác định xem các mẫu thu được có được rút ra từ cùng một tổng thể không.Kết quả kiểm định cho chúng ta biết các mẫu thu được có tương quan vớinhau hay không

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 25Trong phân tích phương sai được chia ra làm hai kiểu phân tích, baogồm:

+ Phân tích phương sai đơn giản (one-way ANOVA): dùng để kiểmđịnh giả thuyết trung bình bằng nhau của các nhóm mẫu (với một yếu tố phụthuộc) với khả năng phạm sai lầm chỉ là 5% Ví dụ: cần so sánh độ galactose(yếu tố phụ thuộc) trong 3 nhóm bệnh nhân (3 nhóm mẫu) khác nhau, nhóm 1

có 9 bệnh nhân bị bệnh Crohn, nhóm 2 có 11 bệnh nhân bị bệnh viêm ruột kết,nhóm 3 có 20 người bình thường Trong trường hợp này sử dụng phân tíchANOVA được xem là đúng đắn nhất

+ Phân tích phương sai hai chiều (two-way ANOVA): dùng để ước tính phương sai của hai yếu tố phụ thuộc

Một số giả định khi phân tích ANOVA được đưa ra như sau:

+ Các nhóm mẫu so sánh phải độc lập và được chọn một cách ngẫu nhiên

+ Các nhóm mẫu so sánh phải có phân phối chuẩn, hoặc cỡ mẫu phải

đủ lớn để được xem như tiệm cận phân phối chuẩn

+ Phương sai của các nhóm mẫu so sánh phải đồng nhất

Đối với phân tích phương sai đơn giản, còn một trường hợp mở rộngđược gọi là phân tích hiệp phương sai (analysis of convariance – ANCOVA),đây là phương pháp phân tích sử dụng cả hai mô hình hồi quy tuyến tính vàphân tích phương sai Phân tích ANCOVA được sử dụng để kiểm chứng sựkhác nhau về giá trị trung bình giữa hai hay nhiều nhóm độc lập Ngoài ra,phân tích hiệp phương sai còn giúp ta có thể kiểm soát thống kê đối với mộtbiến thứ 3 (đôi khi gọi là biến nhiễu) ảnh hưởng đến kết quả

1.6.3 Phân tích hồi quy Logistic [7]

Trong phân tích hồi quy tuyến tính và phân tích phương sai, ta đi tìm mốiliên hệ giữa một biến phụ thuộc liên tục và một hay nhiều biến độc lập liên tục,hoặc không liên tục Nhưng trong nhiều trường hợp, biến phụ thuộc không phải

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 26

là biến liên tục mà là biến mang tính đo lường nhị phân như: có/không,sống/chết, xảy ra/không xảy ra, v.v còn các biến độc lập có thể liên tục hoặckhông liên tục Trong trường hợp này, để phân tích dữ liệu ta sẽ sử dụng phântích hồi quy Logistic

Phân tích hồi quy Logistic được sử dụng để dự đoán khả năng xảy ra của mộthiện tượng nào đó, dựa vào các dữ liệu đầu vào Trong mô hình hồi quy logistic,

cho một tần số biến cố x ghi nhận từ n đối tượng, ta có thể tính xác suất của

biến cố đó là:

Giá trị p có thể được xem là một chỉ số để đo lường khả năng xảy racủa một biến cố Một cách thể hiện khác được gọi là odds , với cách thể hiệnnày khả năng của một biến cố được định nghĩa đơn giản bằng tỷ số xác suấtbiến cố xảy ra trên các xác suất biến cố không xảy ra:

odds =

Hàm logit của odds được định nghĩa: logit ( p) = log

Mối liên hệ giữa p và logit ( p)

Hình 1.7 Mối liên hệ giữa logit(p) và p

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 27

Với một biến độc lập x ( x có thể liên tục hoặc không liên tục), mô hình

hồi quy logistic sẽ phát biểu rằng:

logit( p ) = α + β x

và tương tự như trong mô hình hồi quy tuyến tính, α và β là hai thông số cầnphải ước lượng từ dữ liệu thu được Để ước lượng được hai thông số này ta sửdụng phương pháp “Hợp lý cực đại” và sau khi có được hai ước sốα ˆ , βˆ

thể ước tính xác suất p cho bất cứ giá trị nào của x như sau:

dự phòng có thể được huy động thêm, đồng thời tiết giảm bớt nguồn cung cấp

từ điện lưới quốc gia, giúp giảm gánh nặng cho hệ thống truyền tải điện màvẫn đáp ứng được nhu cầu thông tin liên lạc tại trạm Để làm được điều này,trước hết cần phải xây dựng được một hệ thống thu thập dữ liệu tự động vềcông suất tiêu thụ của các thiết bị tại trạm BTS, nội dung chương sau sẽ trìnhbày cụ thể về vấn đề này

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 28

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG PHẦN CỨNG

2.1 Giới thiệu chương

Xây dựng phần cứng thu thập dữ liệu được xem là bước khởi đầu quantrọng trong bài toán phân tích dữ liệu, vì sự hoạt động ổn định của hệ thống phầncứng sẽ đảm bảo cho tính đúng đắn của dữ liệu thu được, từ đó làm cho bài toánphân tích được rõ ràng và đúng đắn Trong phần này, nội dung chương sẽ trìnhbày về việc lựa chọn mô hình thiết kế hệ thống, trong đó mô hình truyền thôngkhông dây được xem là khả thi nhất Nội dung tiếp theo là thiết kế phần cứng thuthập dữ liệu và các giải thuật điều khiển cho các vi hệ thống

2.2 Lựa chọn mô hình thiết kế hệ thống

Để thực hiện việc thu thập dữ liệu trong trạm BTS về cơ bản ta có haiphương pháp: có dây và không dây Với phương pháp có dây, tất cả các thiết

bị sẽ được kết nối với nhau qua dây dẫn, phương pháp này có thể giúp đảmbảo được yếu tố tin cậy cho hệ thống khi làm việc Tuy nhiên, trạm BTS lànơi đặt các thiết bị viễn thông hết sức quan trọng đối với thông tin liên lạc Do

đó khi thực hiện thu thập dữ liệu của trạm, yêu cầu quan trọng nhất đó là thiết

bị thu thập không được gây ảnh hưởng gì đến các thiết bị của trạm, việc triểnkhai các thiết bị này cần phải được thực hiện nhanh chóng và đơn giản nhất cóthể Từ những yêu cầu đặt ra này, mô hình thu thập dữ liệu từ xa không dây sẽ

Trang 29wifi, mạng di động GSM, 3G, … và tương ứng với mỗi mô hình sẽ có những

ưu và nhược điểm khác nhau

Đối với bài toán thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu, yêu cầu về đáp ứngthời gian thực là một yêu cầu bắt buộc vì thời điểm thu nhận gói dữ liệu phảichính xác với đồng hồ thời gian thực để đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệukhi phân tích và ra quyết định sau này Đối với mạng wifi và mạng di động,vấn đề trễ lớn là vấn đề không thể tránh được hiện nay (có thể vấn đề này sẽđược xử lý khi áp dụng công nghệ 5G), đó là còn chưa kể đến sự phức tạp củacác thiết bị phụ trợ đi kèm Hệ thống thu thập dữ liệu từ xa qua RF Mesh [3]không phải là mới, nhưng hệ thống này lại rất phù hợp để đưa vào sử dụngtrong trường hợp này Khi sử dụng RF Mesh, các node con sẽ gửi dữ liệu vềcho node chính thông qua các module RF, các module RF này sẽ giao tiếp vớichip vi điều khiển PIC qua truyền thông UART và node chính sẽ được kết nốivới một computer đang chạy phần mềm thu thập dữ liệu Node chính cónhiệm vụ gửi yêu cầu đến cho các node con, nhận dữ liệu trả về từ các nodecon, gửi trả thông báo đã nhận được dữ liệu, đồng thời gửi thông báo lỗi lêngiao diện phần mềm khi phát hiện sau một khoảng thời gian nhất định, có mộtnode nào đó không gửi dữ liệu

2.3 Tính toán, thiết kế phần cứng thu thập dữ liệu

2.3.1 Một số yêu cầu cho phần cứng

Phần cứng được xây dựng với nhiệm vụ đo và thu thập các giá trị về điện

áp, dòng điện, tần số, công suất của nguồn cung cấp một pha trong trạm BTS

[4]. Cụ thể sẽ có các điểm đo và thu thập dữ liệu như sau:

+ Nguồn cung cấp tổng cho trạm BTS

+ Nguồn cung cấp cho tủ 2G

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 30+ Nguồn cung cấp cho tủ 3G.

Để có thể đáp ứng được yêu cầu thu thập dữ liệu trong một thời gian dài,các phần cứng được xây dựng phải có khả năng hoạt động liên tục, các nguy cơgây ra sự cố cho thiết bị phần cứng cơ bản đều được dự đoán trước và tìm cáchkhắc phục ngay từ khâu thiết kế ban đầu Khi thiết bị phần cứng hoạt động trongthời gian dài, hiện tượng phổ biến dễ thấy nhất là hiện tượng tỏa nhiệt của cáclinh kiện điện tử Do đó, một phần trong yêu cầu khi thiết kế phần cứng là phảiđảm bảo các linh kiện thường xuyên tỏa nhiệt không được đặt gần các linh kiệnquan trọng như chip vi điều khiển chính và chip ADE7753 Một vấn đề cũng hếtsức quan trọng khi thiết kế phần cứng cũng phải được đề cập đến, là khả năngchống nhiễu Chip vi điều khiển sử dụng nguồn điện áp 5VDC và có nhiệm vụtính toán xử lý các tín hiệu số, trong khi chip ADE7753 cũng sử dụng điện áp5VDC nhưng lại xử lý cả hai tín hiệu vừa tương tự vừa số Do đó, nếu không giảiquyết tốt vấn đề cách ly giữa hai nguồn này, thiết bị phần cứng sẽ có khả năng bịnhiễu và dẫn đến sự mất ổn định khi hoạt động

2.3.2 Các linh kiện quan trọng trong thiết kế phần cứng

Khi thiết kế phần cứng, có hai linh kiện được xem là quan trọng nhất làchip vi điều khiển PIC và chip ADE7753 Hai linh kiện này nếu được thiết kếhợp lý và thi công cẩn thận, đảm bảo yếu tố kỹ thuật, về cơ bản thiết bị phầncứng sẽ đảm bảo hoạt động tốt

2.3.2.1 Chip vi điều khiển PIC

PIC (Programmable Interlligent Computer) ban đầu là một sản phẩmcủa hãng General Intruments, cho đến năm 1985 General Intruments bán bộphận sản xuất vi điện tử của mình, đến năm 1989 Microchip Technology hủy

bỏ các dữ án cũ và tiếp tục phát triển PIC cho đến ngày nay Chip PIC được

sử dụng trong thiết kế phần cứng là PIC18F4620 với những đặc điểm như sau:

+ Có ba chế độ hoạt động: Run, Idle và Sleep

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 31+ Bốn chế độ sử dụng thạch anh, tần số tối đa lên tới 40 MHz

+ Ba nguồn ngắt ngoài có thể lập trình được

+ 4x Phase Lock Loop (PLL) cho cả thạch anh ngoài và dao động nội+ Dải điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V

+ Bộ nhớ lập trình 64 KB với số chu kỳ ghi/xóa 100.000 lần

+ Bộ nhớ EEPROM 1024 bytes với số chu kỳ ghi/xóa là 1 triệu lần+ Watchdog Timer (WDT) có độ phân giải 16 bits

+ Tính năng tự động khởi động lại khi phát hiện điện áp thấp (BOR)+ Tổng công suất tiêu thụ 1W

Hình 2.1 Sơ đồ chân chip PIC18F4620

Từ sơ đồ chân, ta có thể thấy chip PIC đã bao gồm các chuẩn giao tiếpphổ biến hiện nay như: SPI, I2C, UART Chính điều này làm cho chip rất dễkết nối với các thiết bị ngoại vi cần thiết khác Ngoài các chuẩn truyền thôngnày, chip PIC còn được trang bị các module ADC với độ phân giải 10 bits, cácmodule Timer, PWM và ECCP

PIC18F4620 sử dụng tập lệnh RISC, với 4 cổng vào/ra và kèm theo cácmodule ngoại vi Việc sử dụng chip PIC sẽ đảm bảo giải quyết được vấn đề hếtsức quan trọng là ổn định của chip VĐK khi hoạt động, vì các chip PIC là các

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 32chip được sử dụng trong công nghiệp với khả năng chống nhiễu và đi kèm làmột bộ WDT, có chức năng đặc biệt giúp khởi động lại khi chip bị treo.

WDT là một tính năng đặc biệt trên chip vi điều khiển PIC (gọi là WDTmềm), nó có thể được cấu hình để sau một chu kỳ thời gian T sẽ tự động khởiđộng lại chip, với T nằm trong khoảng từ 4ms đến 131s Toàn bộ cấu hình chochip được thực hiện dựa trên mã chương trình, nên rất mềm dẻo và dễ thựchiện, tính năng WDT còn có thể được sử dụng để làm cho chip PIC thoát khỏichế độ Sleep khi được cấu hình đầy đủ

Tổ chức phần cứng của chip PIC được thiết kế theo kiến trúc Harvard,tức là bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêngbiệt Do đó, trong cùng một thời điểm CPU bên trong chip có thể tương tácvới cả hai bộ nhớ, làm cho tốc độ xử lý của vi điều khiển được cải thiện rấtnhiều Ngoài ra, khi được thiết kế theo kiến trúc Harvard, tập lệnh của chip cóthể được tối ưu mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu

Hình 2.2 Sự khác nhau giữa kiến trúc Harvard và Von-Neumann

Để lập trình cho vi điều khiển PIC ta có thể sử dụng nhiều loại ngôn ngữkhác nhau như: C/C++, Pascal và Assembly Trong các ngôn ngữ này, Assembly

là sự lựa chọn tốt nhất về mặt hiệu năng cho chip, nhưng C/C++ lại là sự lựachọn hợp lý nhất để phát triển các dự án lớn Trong quá trình phát triển hệ thốngthu thập dữ liệu, tác giả lựa chọn ngôn ngữ C để viết mã cho chip dựa

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 33trên môi trường phát triển MPLAB và trình biên dịch MCC18 miễn phí của Microchip.

Hình 2.3 Sơ đồ khối của chip PIC18F4620

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông