Tổng quan nghiên cứu

Giao thông hàng không toàn cầu đang tăng trưởng nhanh chóng, dẫn đến nhu cầu cấp thiết về hệ thống thông tin không đối đất (Air-to-Ground - A/G) với băng thông lớn hơn và hiệu suất cao hơn. Hiện nay, băng tần VHF (118 – 137 MHz) được sử dụng cho thông tin không đối đất đã trở nên bão hòa, gây ra tắc nghẽn nghiêm trọng tại nhiều khu vực. Để giải quyết vấn đề này, Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO) đã khuyến cáo sử dụng băng tần L (960 – 1.164 MHz) cho các hệ thống thông tin hàng không tương lai, nhằm phát triển cơ sở hạ tầng thông tin trong tương lai (Future Communication Infrastructure - FCI).

Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống thông tin không đối đất dựa trên kỹ thuật dải bộ lọc đa sóng mang (Filter Bank Multicarrier - FBMC) trong băng tần L, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và cải thiện hiệu suất truyền dẫn so với hệ thống L-DACS1 hiện tại dựa trên OFDM. Mục tiêu cụ thể là đánh giá hiệu năng hệ thống FBMC thông qua các chỉ số tỷ lệ lỗi bit (Bit Error Ratio - BER) và mật độ phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) bằng mô phỏng Matlab. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống thông tin hàng không số băng tần L tại Việt Nam và một số khu vực có điều kiện tương tự, trong giai đoạn từ năm 2019 đến nay.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp truyền thông hàng không hiện đại, góp phần giảm thiểu tắc nghẽn phổ tần, nâng cao dung lượng và độ tin cậy của hệ thống quản lý không lưu (Air Traffic Management - ATM), đồng thời hỗ trợ các dịch vụ không lưu và điều hành khai thác hàng không trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Hệ thống L-DACS1 (L-band Digital Aeronautical Communication System 1): Đây là hệ thống thông tin hàng không số băng tần L được thiết kế dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) với cấu trúc FDD (Frequency Division Duplex). L-DACS1 hoạt động trong dải tần 960 – 1.164 MHz, có băng thông kênh hiệu dụng 498,05 kHz, sử dụng 50 sóng mang con cách nhau 9,765625 kHz. Hệ thống hỗ trợ điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM, với các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu như phương pháp cửa sổ để giảm rò rỉ phổ và nhiễu với các hệ thống băng tần L hiện có.

  2. Kỹ thuật FBMC (Filter Bank Multicarrier): FBMC là kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng dải bộ lọc phân tích và tổng hợp để giảm thiểu thùy biên trong miền tần số, cải thiện hiệu quả phổ so với OFDM. FBMC kết hợp với điều chế Offset QAM (OQAM) giúp giảm nhiễu kênh lân cận và tăng dung sai với các sai lệch tần số như CFO (Carrier Frequency Offset) và SFO (Sampling Frequency Offset). Các bộ lọc nguyên mẫu như PHYDYAS và thuật toán IOTA được sử dụng để thiết kế bộ lọc với đặc tính tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Băng tần L: Dải tần số 960 – 1.164 MHz được phân bổ cho truyền thông hàng không tương lai.
  • OFDM và FBMC: Hai kỹ thuật điều chế đa sóng mang với ưu nhược điểm khác nhau về hiệu quả phổ và khả năng chống nhiễu.
  • BER và PSD: Các chỉ số đánh giá hiệu suất truyền dẫn và sử dụng phổ tần.
  • Mô hình kênh truyền A/G: Mô hình kênh truyền không đối đất với các đặc tính đa đường và nhiễu đặc trưng trong băng tần L.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tổng hợp tài liệu và mô phỏng thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp các tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật từ EUROCONTROL, ICAO, NASA và các dự án nghiên cứu châu Âu như PHYDYAS, 5GNOW.
  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống L-DACS1 và FBMC bằng phần mềm Matlab, đánh giá hiệu suất qua các chỉ số BER và PSD trong các điều kiện kênh truyền khác nhau, bao gồm cả ảnh hưởng của nhiễu DME (Distance Measuring Equipment).
  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng với số lượng mẫu tín hiệu lớn để đảm bảo độ tin cậy kết quả, tiến hành nghiên cứu trong năm 2019 với các bước: tổng quan lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp mô phỏng cho phép so sánh trực tiếp hiệu năng của FBMC với L-DACS1 trong các kịch bản thực tế, từ đó đưa ra đánh giá khách quan về ưu điểm của kỹ thuật FBMC trong hệ thống thông tin hàng không số băng tần L.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất BER vượt trội của FBMC: Mô phỏng cho thấy hệ thống FBMC đạt tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp hơn từ 15% đến 25% so với L-DACS1 trong điều kiện kênh truyền có nhiễu DME, đặc biệt ở khoảng cách bay từ 50 đến 200 hải lý. Điều này chứng tỏ FBMC có khả năng chống nhiễu và đa đường tốt hơn, phù hợp với môi trường truyền dẫn không đối đất phức tạp.

  2. Mật độ phổ công suất (PSD) của FBMC thấp hơn: PSD của tín hiệu FBMC có thùy biên giảm mạnh, thấp hơn khoảng 30% so với L-DACS1, giúp giảm thiểu rò rỉ phổ và nhiễu sang các hệ thống băng tần L lân cận. Kết quả này được minh họa qua biểu đồ phổ tín hiệu, cho thấy FBMC có khả năng sử dụng phổ tần hiệu quả hơn.

  3. Khả năng thích ứng với băng thông và điều chế: FBMC hỗ trợ điều chế OQAM với khả năng điều chỉnh linh hoạt các tham số bộ lọc nguyên mẫu, giúp tối ưu hóa hiệu suất theo yêu cầu băng thông và điều kiện kênh. Trong khi đó, L-DACS1 bị giới hạn bởi cấu trúc OFDM truyền thống và tiền tố tuần hoàn CP.

  4. Giảm thiểu nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) và nhiễu sóng mang (ICI): FBMC với bộ lọc nguyên mẫu PHYDYAS và thuật toán IOTA giảm đáng kể ISI và ICI so với OFDM, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và độ tin cậy truyền dẫn trong môi trường đa đường và nhiễu cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự vượt trội về BER và PSD của FBMC là do kỹ thuật dải bộ lọc đa sóng mang giúp giảm thùy biên và rò rỉ phổ, đồng thời tăng dung sai với các sai lệch tần số. So với các nghiên cứu trước đây về OFDM trong truyền thông di động, FBMC thể hiện ưu thế rõ rệt trong môi trường truyền dẫn không đối đất hàng không với đặc tính nhiễu phức tạp.

Kết quả mô phỏng cũng phù hợp với các báo cáo của dự án PHYDYAS và 5GNOW, khẳng định FBMC là một lựa chọn tiềm năng cho hệ thống thông tin hàng không thế hệ mới. Việc giảm thiểu nhiễu sang các hệ thống băng tần L hiện có như DME, GNSS và SSR là yếu tố then chốt để triển khai thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh BER theo khoảng cách bay, biểu đồ PSD thể hiện mật độ phổ công suất của các hệ thống, và bảng tổng hợp các tham số kỹ thuật của FBMC và L-DACS1. Những biểu đồ này giúp minh họa trực quan sự khác biệt về hiệu suất và hiệu quả phổ giữa hai hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thử nghiệm hệ thống FBMC trong môi trường thực tế: Khuyến nghị các cơ quan quản lý hàng không và các tổ chức nghiên cứu phối hợp triển khai các dự án thử nghiệm FBMC tại các sân bay và khu vực có lưu lượng hàng không cao, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh tham số kỹ thuật phù hợp.

  2. Phát triển chuẩn hóa kỹ thuật FBMC cho hệ thống thông tin hàng không: Đề xuất các tổ chức quốc tế như ICAO, EUROCONTROL thúc đẩy nghiên cứu và chuẩn hóa FBMC trong các tiêu chuẩn truyền thông hàng không tương lai, đảm bảo tính tương thích và khả năng mở rộng toàn cầu.

  3. Nâng cao năng lực thiết kế bộ lọc nguyên mẫu và thuật toán điều chế: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu tập trung phát triển các bộ lọc nguyên mẫu tối ưu hơn, giảm độ trễ và tăng khả năng thích ứng với các điều kiện kênh biến đổi, nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống FBMC.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Đề xuất các chương trình đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật FBMC và các công nghệ liên quan cho kỹ sư và nhà quản lý trong ngành hàng không, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để chuyển giao công nghệ và kinh nghiệm triển khai.

Các giải pháp trên cần được thực hiện trong vòng 3-5 năm tới, với sự phối hợp của các chủ thể như cơ quan quản lý hàng không, viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật FBMC và hệ thống L-DACS1, giúp nâng cao hiểu biết về các công nghệ truyền thông hàng không hiện đại.

  2. Cơ quan quản lý hàng không và tổ chức tiêu chuẩn: Các tổ chức như ICAO, EUROCONTROL có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các chính sách và tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống thông tin hàng không tương lai.

  3. Doanh nghiệp công nghệ viễn thông và hàng không: Các công ty phát triển thiết bị truyền thông và hệ thống quản lý không lưu có thể áp dụng các giải pháp FBMC để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và khả năng cạnh tranh.

  4. Các chuyên gia quản lý và vận hành sân bay: Hiểu biết về các công nghệ truyền thông mới giúp họ tối ưu hóa hoạt động quản lý không lưu, giảm thiểu tắc nghẽn và nâng cao an toàn bay.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào các use case cụ thể như thiết kế hệ thống truyền thông, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, phát triển sản phẩm công nghệ hoặc cải tiến quy trình quản lý không lưu.

Câu hỏi thường gặp

  1. FBMC khác gì so với OFDM trong hệ thống thông tin hàng không?
    FBMC sử dụng bộ lọc nguyên mẫu để giảm thùy biên và rò rỉ phổ, trong khi OFDM dùng cửa sổ hình chữ nhật gây thùy biên lớn. FBMC có hiệu quả phổ tốt hơn và dung sai cao hơn với sai lệch tần số, giúp giảm nhiễu và tăng dung lượng hệ thống.

  2. Tại sao băng tần L được chọn cho hệ thống thông tin hàng không tương lai?
    Băng tần L (960 – 1.164 MHz) được phân bổ bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế cho dịch vụ hàng không, có đặc tính lan truyền phù hợp với truyền thông không đối đất, đồng thời tránh được tắc nghẽn phổ ở băng tần VHF hiện tại.

  3. Các chỉ số BER và PSD phản ánh điều gì về hiệu suất hệ thống?
    BER đo tỷ lệ lỗi bit trong truyền dẫn, phản ánh độ tin cậy của hệ thống. PSD thể hiện mật độ phổ công suất, phản ánh hiệu quả sử dụng phổ tần và mức độ gây nhiễu sang các hệ thống khác.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu nhiễu giữa các hệ thống trong băng tần L?
    Sử dụng kỹ thuật giảm thiểu nhiễu như phương pháp cửa sổ trong OFDM, thiết kế bộ lọc nguyên mẫu trong FBMC, và lựa chọn khoảng cách tần số phù hợp để tránh chồng lấn phổ giữa các hệ thống.

  5. FBMC có thể áp dụng cho các hệ thống truyền thông khác ngoài hàng không không?
    Có, FBMC được nghiên cứu rộng rãi trong các mạng di động thế hệ 5G và các hệ thống truyền thông băng rộng khác nhờ khả năng sử dụng phổ hiệu quả và chống nhiễu tốt.

Kết luận

  • Hệ thống thông tin không đối đất dựa trên kỹ thuật FBMC trong băng tần L cho thấy hiệu suất vượt trội so với hệ thống L-DACS1 truyền thống dựa trên OFDM, đặc biệt về BER và PSD.
  • FBMC giúp giảm thiểu nhiễu phổ và tăng dung lượng truyền dẫn, phù hợp với yêu cầu phát triển cơ sở hạ tầng thông tin hàng không tương lai.
  • Nghiên cứu đã mô phỏng và đánh giá chi tiết các tham số kỹ thuật, chứng minh tính khả thi và ưu điểm của FBMC trong môi trường truyền dẫn không đối đất.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế, chuẩn hóa kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực để thúc đẩy ứng dụng FBMC trong ngành hàng không.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về tích hợp FBMC với các công nghệ mới, phát triển thiết bị nguyên mẫu và hợp tác quốc tế để chuẩn hóa.

Luận văn kêu gọi các nhà nghiên cứu, cơ quan quản lý và doanh nghiệp công nghệ cùng chung tay phát triển hệ thống thông tin hàng không hiện đại, đáp ứng nhu cầu tăng trưởng giao thông hàng không trong tương lai gần.