CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tóm tắt: Chương một trình bày tổng quan về những vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận án, bao gồm: Giới thiệu chung về hạ tầng truyền thông trên cao, các vấn đề về mô hình kênh HAP, đánh giá hệ thống HAP, mã hóa kênh, các tham số đánh giá hiệu năng mã kênh và các nghiên cứu liên quan đến luận án. Trong đó, đáng chú ý là nội dung khảo sát về mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP và các đánh giá hiệu năng mã kênh nhằm làm sáng tỏ phạm vi nghiên cứu và cách tiếp cận của luận án. Chương này tạo tiền đề nghiên cứu cho các chương 2, 3 và 4. HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO 1.
Giới thiệu chung Ngày nay, trên thế giới nhu cầu về truyền thông băng rộng ở mọi nơi mọi lúc không ngừng gia tăng, điều đó dẫn đến sự phát triển và triển khai nhiều thế hệ mạng viễn thông. Các nhà cung cấp dữ liệu thương mại liên tục nghiên cứu cách thức cung cấp được các dịch vụ truyền tải dữ liệu tốc độ cao tới các khách hàng ở cả khu vực thành phố và nông thôn. Cơ sở hạ tầng hiện tại là sự kết nối của các mạng viễn thông mặt đất (như mạng thông tin vô tuyến mặt đất, mạng thông tin cáp đồng và cáp quang) và mạng vệ tinh. Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng viễn thông này có phạm vi thông tin liên lạc không bao trùm hết toàn bộ địa cầu hoặc sẽ khó khăn và rất tốn kém để xây dựng.
Vì vậy, trong lĩnh vực này, một hệ thống thông tin đã được phát triển nhằm cung cấp một giải pháp thông tin vô tuyến băng rộng từ các thiết bị bay hoạt động ở tầng bình lưu gọi là hạ tầng trên không tầm cao (HAP). Hệ thống này có tiềm năng để giải quyết một số thách thức về yêu cầu triển khai nhanh, truyền dữ liệu tốc độ cao trong viễn thông quân đội; hoặc thách thức về việc tăng cường khả năng và vùng phủ sóng cho các hoạt động sự kiện tạm thời hoặc các điểm nóng; hoặc thách thức trong việc hỗ trợ các hoạt động cứu trợ thiên tai,… Trên thực tế, do tính chất triển khai dễ dàng, luan an 11 HAP còn được ứng dụng trong viễn thám, quan sát trái đất, định vị, thông tin hàng hải, an ninh quốc gia, khí tượng thuỷ văn, đo lường, giám sát, kiểm soát giao thông. Theo tổ chức vô tuyến thế giới, HAP được định nghĩa như sau: “HAP là một trạm được đặt trên một vật thể ở độ cao từ 20 km đến 50 km và tại điểm cố định, danh định, xác định tương đối so với trái đất” [5]. Các dịch vụ viễn thông được cung cấp bởi hệ thống HAP bao gồm các dịch vụ băng rộng, các dịch vụ khẩn cấp và các dịch vụ truyền hình (hình 1.
HAP có thể cung cấp tốt các dịch vụ có sẵn ở cả hai hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất và vệ tinh. Đặc biệt, hệ thống HAP cho phép triển khai nhanh chóng và sử dụng hiệu quả cao phổ tần qua việc tái sử dụng tần số. Vệ tinh HAP HAP khác Trạm mặt đất 17-22 Km Mạng cố định Người sử dụng Các ô Vùng phủ HAPS 200 Km Hình 1. Hệ thống HAP được triển khai ở độ cao 17~22km [5] Hình 1.1 cũng thể hiện các kịch bản kết nối hệ thống HAP với hạ tầng viễn thông hiện có bao gồm hệ thống HAP có các đường truyền lên và xuống từ/tới trạm thu phát mặt đất, thiết bị thiết bị thu phát mặt đất để cung cấp các dịch vụ viễn thông.
Hơn nữa, hệ thống HAP cũng được kết nối với các hệ thống HAP khác trong mạng luan an 12 có nhiều hệ thống HAP hoặc cung cấp một đường truyền từ hệ thống vệ tinh, hoặc trạm gốc mặt đất qua hệ thống HAP đến thiết bị người dùng/trạm thu phát mặt đất. 31/28 GHz, (47/48 GHz) Truy nhập vô tuyến cố Liên kết giữa các HAP định băng rộng Tốc độ truyền dẫn lên tới 120 Mbps 17 – 22 km Ăng-ten thông minh WLAN Tàu đang chạy Tốc độ 300 km/h Hình 1. Giải pháp sử dụng hệ thống HAP cung cấp dịch vụ băng rộng [11] Một số dự án nghiên cứu triển khai hệ thống HAP tiêu biểu có thể kể đến như [55]: Dự án Sky Station [41] ở Bắc Mỹ nhằm cung cấp ứng dụng truy nhập vô tuyến băng thông rộng 2 Mbps đường lên và 10 Mbps đường xuống. Tốc độ dữ liệu dự kiến cho các dịch vụ thoại di động là 9,6–16 kbps và 384 kbps cho dữ liệu.
Phổ tần là 2 GHz (tương thích với IMT-2000) và 47/48 GHz; Dự án HALO-Proteus [2], được phát triển bởi Tập đoàn Công nghệ Thiên thần Hoa Kỳ, sử dụng HAP hoạt động ở độ cao khoảng 21 km so với mặt đất. Dự án nhằm mục đích cung cấp dịch vụ viễn thông băng rộng. Dung lượng truyền của một trạm HALO, ban đầu là 10 Gbps, sau đó có thể tăng đến 100 Gbps, cung cấp vùng phủ sóng có đường kính 100 km với hơn 100 búp ăng-ten riêng biệt và hoạt động trong dải tần số từ 28–38 GHz. Người dùng được cung cấp dịch vụ truy cập Internet với tốc độ 1-5 Mbps; luan an 13 Dự án CAPANINA [28] của Ủy ban Liên minh châu Âu đã nghiên cứu triển khai hệ thống HAP, sử dụng dải băng tần Ka, nhằm cung cấp ứng dụng truy nhập vô tuyến băng rộng có tốc độ lên đến 120 Mbps trong phạm vi vùng phủ bán kính 60 km.
Hơn nữa, giải pháp thông tin qua đường truyền quang vô tuyến tốc độ 1,25 Gbps giữa các HAP cũng đã được thử nghiệm (hình 1. Ngoài các dự án tiêu biểu ở trên, trong những năm gần đây, một số các dự án lớn khác có thể kể đến như dự án cung cấp Internet của Google và Facebook, với mục tiêu tạo ra một mạng kết nối giữa các tàu bay ở tầng bình lưu để cung cấp truy nhập Internet, đặc biệt ở vùng xa xôi, hẻo lánh [65]. Với những lợi ích như tăng cường vùng phủ sóng, truyền tín hiệu trực tiếp (LOS), hỗ trợ Internet vận vật, không yêu cầu cơ sở hạ tầng mặt đất,… thì việc có thể ứng dụng và triển khai hệ thống HAP thành công trong thực tế cũng đặt ra những yêu cầu thách thức quan trọng đối với hệ thống HAP như vị trí thông tin tối ưu, thời gian bay, vấn đề bảo mật, can nhiễu, kết nối với hạ tầng viễn thông hiện có, năng lượng hoạt động,. Trong đó, bất kỳ sự chuyển động và rung động nào của HAP đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền giữa HAP và thiết bị thu phát mặt đất.
Hơn nữa, chất lượng đường truyền HAP còn phụ thuộc vào độ cao hoạt động của HAP, loại HAP sử dụng, vị trí của thiết bị thu phát mặt đất (góc ngẩng) và môi trường truyền sóng. Do vậy, khi thiết kế các hệ thống thông tin dựa trên HAP, điều cần thiết là phải đánh giá được những tác động của các tham số thiết kế như: tỷ số tín hiệu trên tạp âm, phương thức điều chế, mức điều chế, mã kênh sử dụng, tỷ lệ mã hóa, … đến chất lượng của hệ thống như tỷ số lỗi bit (BER), tỷ số lỗi khung (FER),. Các vấn đề về mô hình kênh HAP Điều kiện tiên quyết để thiết kế, đánh giá, thử nghiệm và triển khai hệ thống HAP thành công trong thực tế là phải có được những mô hình kênh truyền HAP đặc trưng. Cũng như các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất và vệ tinh, khi xây dựng mô luan an 14 hình kênh thông tin vô tuyến HAP cũng cần phải xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn tín hiệu như suy hao không gian tự do, sự suy giảm và khử cực tầng đối lưu, các hiện tượng pha-đinh phạm vi hẹp do các thành phần phản xạ, tán xạ và che khuất.
Tuy nhiên, do hệ thống HAP hoạt động ở tầng bình lưu nên những ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với truyền lan tín hiệu sẽ là đáng kể ở dải băng tần Ka. Tín hiệu sẽ bị suy giảm do băng ngưng giữa trời (như mưa, tinh thể băng, mây) và khí quyển (oxy, hơi nước) bởi hai cơ chế khác nhau. Một là hiện tượng xoay mặt phẳng phân cực của tín hiệu do sự tán xạ của băng ngưng giữa trời và hơi nước. Hai là, sự biến đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt do sự cảm ứng của dòng điện trong mưa và tinh thể băng (dẫn điện).
Hơn nữa, những ảnh hưởng của hiện tượng pha-đinh phạm vi hẹp, hay còn được gọi là pha-đinh đa đường, làm cho biên độ và pha của tín hiệu thu thăng giáng trong khoảng thời gian ngắn. Nhìn chung, hiệu ứng đa đường gây ra do tán xạ từ các chướng ngại vật khác nhau trên đường truyền tín hiệu, đặc biệt khi chúng có bề mặt nhẵn hoặc do phản xạ từ địa hình, tòa nhà, các bộ phận của HAP,. Các bề mặt nhẵn cùng các bề mặt có độ nhám nhỏ hơn so với bước sóng của tín hiệu sẽ gây ra hiện tượng tán xạ năng lượng. Đặc biệt, trong những khu đô thị dày đặc, có nhiều tòa nhà cao tầng có bề mặt nhẵn như thủy tinh, đá cẩm thạch và các công trình kim loại đủ mịn sẽ gây ra hiệu ứng đa đường, kể cả khi hệ thống HAP hoạt động ở tần số lên đến 40 GHz.
Ngoài ra, còn có thể kể đến những ảnh hưởng khác như sự biến đổi ngẫu nhiên của tần số tức thời gây ra bởi hiệu ứng Doppler thay đổi theo thời gian, nhiễu liên ký tự (ISI) và pha-đinh che khuất. Mức độ pha-đinh che khuất nhẹ, vừa hay nặng phụ thuộc vào môi trường đô thị, nông thôn hay ngoại thành,… Mức độ pha-đinh che khuất nặng có thể che khuất máy thu ở mọi hướng, làm cho công suất tín hiệu thu thấp. Tuy nhiên, trong luận án chỉ tập trung vào ảnh hưởng của pha-đinh đa đường. Do cự ly truyền dẫn tín hiệu giữa hệ thống HAP với thiết bị thu phát mặt đất ngắn hơn nhiều so với truyền thông vệ tinh nên mỗi vị trí của thiết bị thu phát mặt đất (thể hiện qua góc ngẩng: là góc được tạo bởi tia truyền trực tiếp giữa HAP và luan an 15 thiết bị thu phát mặt đất với tia giữa thiết bị thu phát mặt đất với điểm chiếu của HAP trên mặt đất) cũng có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng kênh truyền.
Do đó, sẽ có những vị trí (góc ngẩng) mà quá trình thu/phát tín hiệu được thực hiện trên các tia LOS và/hoặc tia truyền gián tiếp (NLOS), làm cho đặc tính của kênh truyền HAP cũng thay đổi và phụ thuộc vào góc ngẩng [1,63].